JP4127396B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサ装置に係り、特に、１チップ半導体センサを用いたセンサ装置に関する。

従来のセンサ装置は、例えば、特開平１０−１７０３８０号公報に記載のように、物理量を電気信号に変換する半導体センサチップと、センサチップのセンサ出力信号に演算処理をして検出信号を得る半導体回路チップで構成されている。半導体回路チップはリードフレームに配設したのち樹脂で封止することにより、パッケージを構成する。パッケージの一部には、凹部キャビテイが形成されている。凹部キャビテイに半導体センサチップを配設し、電気的に接合してセンサユニットを構成する。リード材と一体成形した外装ケースは、凹型開口部を備えている。リード材の一部がコネクタ端子となり、他の部分が凹型開口部に露出している。センサユニットは、凹部開口部に配設し、リード材とリードフレームを電気的に接合したのち、カバーで塞ぐことで、センサ装置を構成する。

特開平１０−１７０３８０号公報

しかしながら、従来の２チップ構成のセンサ装置では、耐過渡電圧性や耐電磁気性のユーザ要求仕様がより厳しくスペックアップされた場合に、従来の半導体チップでは仕様を満足できない場合が生じることがある。このとき、カスタマイズされたチップを再設計して対応することが必要となり、多大な開発工数と費用が発生することになるという問題点があった。

本発明の目的は、多大な開発工数や費用が発生することなく、従来よりも耐性の向上したセンサ装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、一部が外部との電気的接続用コネクタ端子になっているリード材と、物理量を電気信号に変換するとともに、物理量を電気信号に変換するセンサ回路とセンサ出力信号を演算処理する補償回路を備えた１チップ構成の半導体センサチップと、この半導体センサチップと上記コネクタ端子との間に設けられるとともに、予め上記リード部材にはんだ若しくは導電性接着剤の接合部材により接合された上で第一の樹脂で封止されたチップコンデンサ又はチップコンデンサとチップ抵抗からなる電子部品と、上記リード材と上記電子部品を第二の樹脂で一体成形した外装ケースとを備えるようにしたものである。
かかる構成により、多大な開発工数や費用が発生することなく、従来よりも耐性を向上し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、半導体センサチップを予め端子付チップケースに収納し、端子と半導体センサチップを電気的に接続してセンサユニットを構成し、上記リード材と上記センサユニットを電気的に接続して第２の樹脂でモールド一体成形して外装ケースを構成するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、上記電子部品の固着されたリード材を上記第一の樹脂で封止してチップケースを構成し、このチップケースに半導体センサチップを配設し、リード材と電気的に接続してセンサユニットを構成し、このセンサユニットのリード材の一部がコネクタ端子となるように第二の樹脂で一体成形して外装ケースを構成するようにしたものである。

（４）上記（３）において、好ましくは、コネクタ端子となるリード材と、電子部品と共に第一の樹脂で封止されたチップケースの端子となるリード材を別部材から構成し、第二の樹脂で一体成形される前に電気的に接続するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、上記外装ケースは、凹型開口部を有するともに、この開口部内に上記リード材の一部を露出させ、半導体センサチップの配設されたチップケースを上記凹型開口部に配設するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、上記外装ケースは、凹型開口部を有するともに、この開口部内に上記リード材の一部を露出させ、上記半導体センサチップを上記凹型開口部に配設し、上記凹型開口部を塞ぐカバーを備えるようにしたものである。

（７）上記（１）において、好ましくは、半導体センサチップは、物理量を電気信号に変換するセンサ回路と上記センサ出力信号を演算処理する補償回路を備えた１チップであり、上記第一の樹脂は、熱硬化性樹脂から構成され、上記第二の樹脂とは、熱可塑性樹脂から構成するようにしたものである。

（８）上記（７）において、好ましくは、上記接合部材の融点は、上記第一の樹脂と上記第二の樹脂のモールド成形温度より高く、上記第一の樹脂の線膨張係数は、上記リード材と上記電子部品の主たる構成材料の線膨張係数の間に入る値としたものである。

本発明によれば、多大な開発工数や費用が発生することなく、従来よりも耐性を向上させることができる。

最初に、図１および図２を用いて、本発明の第１の実施形態によるセンサ装置の構成について説明する。ここでは、本実施形態のセンサ装置として、圧力センサを例にして説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態によるセンサ装置のセンサユニットとリード材ユニットの構成を示す平面図である。

本実施形態では、後述するように、半導体チップ１を内設した端子付きチップケース５からなるセンサユニット１１と、電子部品２２，２３を搭載し、第１の樹脂で予め封止されたリード材１３とを電気的に接続するようにしている。
半導体センサチップ１は、シリコンから成る。半導体センサチップ１は、中央部下面をエッチング等により凹型加工を施し、中央部に薄肉ダイヤフラム２が形成されている。半導体センサチップ１のダイヤフラム２の上面には、図示しない圧力検出回路が半導体プロセスにより一体的に形成されている。圧力検出回路は、ダイヤフラム２の上面に形成された４個の拡散抵抗から成り、アルミ導体でブリッジに配線して構成される。また、半導体チップ１の上面でダイヤフラム以外の周辺部には、図示しない特性補償回路及び保護回路が、同じく半導体プロセスにより一体的に構成されている。特性補償回路は、圧力と出力の関係を所定の伝達関数に調整するデジ・アナ混成回路で構成されている。デジ・アナ混成回路は、特性調整信号を記憶・保持するＥＰＲＯＭを有したデジタル部と、信号増幅をするアナログ部を主要部として構成されている。特性調整信号とは、ゼロ−スパン調整、感度調整、温度特性調整のときに得られる各特性を調整するためのものである。保護回路は、外部と接続される入出力段に設けられた入出力信号に対する過渡的な電磁気ノイズ等から内部回路を保護するための回路である。圧力検出回路、特性調整回路及び保護回路は、それぞれ、アルミ導線等で電気的に接続されている。

半導体センサチップ１は、ガラス台３とアノーディックボンディング等で接合されている。半導体センサチップ１とガラス台３により、チップクミを構成する。半導体センサチップ１のダイヤフラム２の下面とガラス台３の上面とに挟まれた部分には、真空室４が設けられている。ガラス台３の線膨張係数は、半導体チップ１の線膨張係数と略等しく構成されている。チップケース５は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂またはＰＰＳ等の熱可塑性樹脂からなる。端子６は、リン青銅から構成される。端子６は、ニッケルでプリメッキされたフープ材をプレス成形することで得られる。端子６を、エポキシ樹脂等を用いてインサートモールドすることにより、端子付チップケース５が構成される。チップケース５の成形後、端子６は矩形状に繋がっているが、５本の調整端子と３本の入出力端子が各々独立するように切断される。

チップケース５の開口部側底面には、凹型チップクミ収納部７が設けられている。端子６は、一部をチップクミの配設部周辺に露出し、一部をチップケース５の外側に引き出されるように配置されている。半導体センサチップ１とガラス台３から成るチップクミは、チップケース５の凹型チップクミ収納部７にシリコーン系の接着剤８により、接着・固定されている。

半導体センサチップ１の電極は、金やアルミ等で構成されるワイヤ９を用いて端子６とワイボンデイングされている。チップケース５に配設された半導体センサチップ１とガラス台３からなるチップクミと、アルミワイヤ９と、リード端子６の露出部は、フロロシリコーン系またはフッ素系のシリコーンゲル１０で被覆されている。シリコーンゲル１０は、半導体チップ１に圧力を伝達するとともに腐食性の液体や気体が接触することを防止している。

以上のようにしてセンサユニット１１が構成される。センサユニット１１は、調整端子及び入出力端子１２にプローブを接触させて外部圧力調整装置との電気的やり取りを行うことで、半導体センサチップ内部回路の特性調整を行なうことができる。特性調整後、調整端子及び入出力端子１２のケース外側に配した端子は、所定の長さに切断される。

リード材１３は、黄銅で構成される。リード材１３は、錫をプリメッキしたフープ材をプレス加工することで形成される。リード材１３の右側はコネクタ端子１４の形状に加工され、左側はセンサユニット１１の入出力端子１２と勘合する端子形状に加工される。左側の端子の一部には、プロジェクション溶接用突起１５が設けられる。さらに、端子の左端は、図示しないフープ材本体に連なっている。

リード材１３は、図２の紙面上側よりグランド端子１６、出力端子１７、電源端子１８として構成される。グランド端子１６と出力端子１７の中央付近には、チップコンデンサ２２を配設するための凹型加工部１９がそれぞれ施されている。リード材１３の凹型加工部１９の深さは、リード材１３の厚さの１／３〜１／２程度が好ましい。同様に、グランド端子１６と電源端子１８にも、チップコンデンサ２３を配設するための凹型加工部２０が設けられている。なお、グランド端子１６と電源端子１８の間には出力端子１７が介在するため、グランド端子１６と電源端子１８の中央部付近には、端子１７，１８の延在する方向と直角方向に張り出した部分が設けられている。凹型加工部２０は、この直角方向に張り出した部分に形成されている。

リード材１３の凹型加工部１９，２０には、印刷マスクやデイスペンサ等を用いて所定量の導電性ペースト又ははんだ等の接合部材２１が塗布される。この接合部材２１の上に、チップコンデンサ２２，２３が配設される。チップコンデンサ２２，２３の両側には、それぞれ、電極が設けられている。導電性ペースト又ははんだなどの接合部材２１の溶融温度は、樹脂２４の射出成形温度より高い材料が選定される。例えば、モールド射出成形温度２６０℃より高い高温はんだ（３２０℃）などが使用される。はんだ塗布部と接したチップコンデンサ２２，２３の電極部には、所定量の光の照射により、又は、所定量の温度に加熱されたプレートからの熱伝導が加えられ、はんだが溶融することで、リード材１３とチップコンデンサ２２，２３が接合される。

チップコンデンサ２２，２３およびリード材１３の中央部は、エポキシ樹脂２４を用いて、射出成形により長方形状に被覆が施される。エポキシ樹脂２４は、好ましくはガラス転移点が自動車に搭載される部品に求められる使用温度上限１３０℃より高いものであって、ガラス転移点温度以下の線膨張係数が、セラミックス製のチップコンデンサ２２，２３とリード材１３の線膨張係数の間にあることが望ましい。本例では、ガラス転移点温度が１５０℃、ガラス転移点温度以下の線膨張係数が１１ｐｐｍのエポキシ樹脂を用いている。射出成形後、リード材１３はフープ材本体より、所定の形状を残して切断される。以上により、リード材ユニット２５が得られる。

センサユニット１１の端子６と、リード材ユニット２５のリード材１３に設けられたプロジェクション溶接用突起１５は、所定の位置に位置決めされ、プロジェクション溶接で電気的に接続される。パイプ２６は、一端にセンサユニット１１のリング状の突起２７と勘合する凹型溝２８を備え、他端に中央部が上下に貫通している円筒形状を備えている。パイプ２６の凹型溝２８に、ゴム系シート、又は、熱により溶融硬化するエポキシ系接着シート等のシール材２９を配設し、外装ケース２８を形成するためのモールド成形金型にセットする。また、センサユニット１１のリード材にコネクタカップラ部をモールド成形するための入れ駒をセットした後、リング状突起２７をパイプの凹型溝２８に勘合させるように、モールド成形金型にセットする。この状態でＰＢＴ樹脂又はＰＰＳ樹脂により射出成形することで、センサユニット１１，リード材ユニット２５，パイプ２６を一体に固着し内蔵した外装ケース３０が得られる。外装ケース３０には、図示しない外部との取り付け用フランジ等が設けられている。以上により圧力センサが構成される。

半導体センサチップを標準のＣＭＯＳプロセスで製作することは、製造コスト面でメリット得ることができるが、静電気やサージ等の過渡的電圧で過大電圧が印加される場合のデバイス耐性については、バイポーラ等の他のプロセスより劣るのが一般的である。それに対して、高耐圧のＤＭＯＳと組み合わせた１チップセンサとすることで耐性を上げることは可能である。しかし、顧客や産業界の要求レベルが上がって、１チップ内に盛り込まれた保護素子では対応しきれなくなった場合には、チップ設計を全てやり直す必要があり、多大な開発コストと開発期間を要することになる。

それに対して、本実施形態では、予め入出力端子１６，１７，１８に過渡電圧や電磁気耐性を向上させるチップコンデンサ２２，２３を搭載しているので、チップ設計をやり直すことなく、チップ耐性を向上することができる。しかも、顧客要求に応じて、さらに、耐性を向上させたい場合でも、チップコンデンサの容量を変えることで容易に対応することができる。

なお、以上の説明では、２つの入出力端子を跨ぐようにしてチップコンデンサを配設する場合について説明したが、耐性を向上させるための電子部品としては、チップ抵抗とコンデンサを組み合わせて用いることもできる。チップ抵抗の配設は、例えば、１つの入出力端子を途中で切断した形状とし、チップ抵抗で切断された端子を接続することで、入出力端子の途中に行うことができる。

また、本実施形態では、チップコンデンサをリード材にはんだや導電性接着剤で接合した後、チップコンデンサ（６ｐｐｍ）とリード材（１７ｐｐｍ）の線膨張係数の中間のエポキシ樹脂（１１ｐｐｍ）で被覆することで使用環境の温度変化により生じるチップコンデンサ接合部の熱応力を緩和することができ、熱劣化寿命を大幅に改善できる。

さらに、エポキシ樹脂は、チップコンデンサ接合部周辺との密着性が、樹脂と部品の表面間で水素結合が施されることにより極めてよいものである。また、エポキシ樹脂は、射出成形時に溶融する際に数ミクロン程度の微小隙間に対しても充填可能であり、空間が残ることがないものである。従って、接合部材のはんだや導電性接着剤等への水や腐食性ガスの侵入による腐食を防止することができるとともに、ＰＢＴやＰＰＳ等の熱可塑性樹脂では常に問題となるインサート端子との密着不足による気密不良の問題も解決できるため、コネクタ端子に成形後にシリコーン接着剤等を塗布硬化して気密保持を補強することも不要となる。

また、さらに、本実施形態では、リード材にチップコンデンサを配設した後エポキシ樹脂でがっちりと被覆したリード材ユニットをＰＢＴ等でインサート射出成形するため、成形作業時のリード材ユニットの取り扱い性が非常に良好で、且つ、チップコンデンサ実装部を外装ケースを構成する樹脂内部に配設することが可能となるため、外装ケースを小型化することができる。

一方、リード材ユニットの製造方法に着目すると、フープ材で一連にプレス加工されたリード材を１０個ごとに繋がった状態で切り出し、リード材を更に１０セット並べ、はんだ又は導電性接着剤を印刷マスクを用いて纏めて塗布し、チップコンデンサを各々搭載してバッジで硬化し、１０連端子の状態で纏めて射出成形することで安く大量に製造することが可能となる。

次に、図３および図４を用いて、本発明の第２の実施形態によるセンサ装置の構成について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。図４は、本発明の第２の実施形態によるセンサ装置のセンサユニットの構成を示す平面図である。また、図１，図２と同一符号は同一部分を示している。
本実施形態では、後述するように、電子部品３６を搭載したリード材３１を一体成形してチップケース３８を構成したものに、半導体センサチップ１を配設してセンサユニット４０を構成している。

リード材３１は、一方の端部がコネクタ端子３２として、他方の端部がチップケース３８の端子３３として構成される。リード材３１は、コネクタ端子３２となる部分の板厚が０．６４ｍｍ、チップケース３８の端子３３の部分の板厚が０．３０ｍｍとなるように、フープ材を予め切削加工し、次にプレス加工することで形成される。リード材３１のチップケース３８に埋め込まれる端子部には、チップコンデンサを搭載するための凹型溝３４が形成されている。凹型溝３４には、はんだ又は導電性ペースト等の接合部材３５が所定量塗布される。凹型溝３４に、チップコンデンサ３６を配設し、所定の温度が加えられることで、リード材３１とチップコンデンサ３６が接合される。以上により、リード材ユニット３７が構成される。

リード材ユニット３７は、エポキシ樹脂によりインサートモールド成形されて、チップケース３８が形成される。チップケース３８は、凹型チップクミ収納部７を有している。凹型チップクミ収納部７の周辺には、リード材３１の端子の一部が露出している。凹型チップクミ収納部７に半導体センサチップ１とガラス台３を接合したチップクミをシリコーン系の接着剤８を介して配設し、所定の熱を加えることで両部材を接合する。次に、半導体センサチップ１の電極とリード材の端子部３２をワイヤ９により電気的に接合し、フロロシリコーン系、または、フッ素系のシリコーンゲル１０により上記凹型チップクミ収納部全体を被覆する。以上によりセンサユニット４０が構成される。

センサユニット４０は、図１に示した実施形態と同様に、パイプ２６とシール材２９を介して図示しないモールド成形金型にセットされ、ＰＢＴ等の樹脂によりインサートモールドされることで外装ケース４１が得られる。以上により、本発明の別の実施例による圧力センサが得られる。
以上説明したように、本実施形態では、チップコンデンサを搭載し、一部がコネクタ端子となったリード材ユニットをチップケースと一体にしたことで、リード材ユニットの単体の成形工程の廃止でき、リード材とチップケース端子との電気的接続工程も廃止することができるため、工程を簡略化でき、コストを低減することができる。

さらに、一体化によって、図１に示した実施形態よりも小型化することができ、更なる圧力センサの小型・軽量化を行うことができる。
なお、本実施形態では、チップケース端子３３とコネクタ端子３２を予め一体としたが、チップケース端子３３にチップコンデンサ３６を一体化し、コネクタ端子を別部材として構成し、後から電気的に接続する方法を採用しても良いものである。この場合は、顧客要求により種々形状の異なるコネクタ端子を其々単体で製作することが可能となるため、コネクタ端子を含まないセンサユニットの標準化を図ることができ、センサユニットを低コスト化できる。

次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態によるセンサ装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。なお、図１〜図４と同一符号は同一部分を示している。

本実施形態では、リード材４２には、一方の端部にコネクタ端子４３を設け、他方の端部に溶接用突起４４を設けてある。また中央部付近には、電子部品４７を搭載するための凹型溝４５が設けてある。
凹型溝４５にはんだ等の接合部材４６を適量塗布し、チップコンデンサ４７を配設し、所定の温度を加えることで溶融接合される。次に、チップコンデンサ４７をエポキシ樹脂４８により封止することで、リード材ユニット４９が得られる。
リード材ユニット４９は、図示しないモールド金型にセットされ、ＰＢＴ等の樹脂によりインサート成形されることで外装ケース５０が得られる。外装ケース５０のリード材４２の溶接用突起４４とセンサユニット５１の端子５２を溶接し、接着剤５３を両部材の勘合部に周辺から塗布して硬化する。次に、外装ケースの開口部周辺に設けられた凹型溝５４に接着剤５５を塗布し、カバー５６を配設して硬化することで、圧力センサが得られる。
本実施形態も、電子部品をコネクタ端子に一体化して外装ケースを構成する樹脂材に内蔵しているため、外装ケースの開口部内に電子部品を個別に実装する場合に比べ、外装ケースを小型化でき、また、電子部品の接続信頼性を向上することができる。

本発明の第１の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態によるセンサ装置のセンサユニットとリード材ユニットの構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態によるセンサ装置のセンサユニットの構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態によるセンサ装置の構成を示す断面図である。

Claims (8)

1. 一部が外部との電気的接続用コネクタ端子（１４；３２；４３）になっているリード材（１３，３１；４２）と、
   物理量を電気信号に変換するとともに、物理量を電気信号に変換するセンサ回路とセンサ出力信号を演算処理する補償回路を備えた１チップ構成の半導体センサチップ（１）と、
   この半導体センサチップ（１）と上記コネクタ端子（１４；３２；４３）との間に設けられるとともに、予め上記リード部材にはんだ若しくは導電性接着剤の接合部材により接合された上で第一の樹脂で封止されたチップコンデンサ又はチップコンデンサとチップ抵抗からなる電子部品（２２，２３；３６；４７）と、
   上記リード材と上記電子部品を第二の樹脂で一体成形した外装ケース（３０；４１；５０）とを備えたことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１記載のセンサ装置において、
   半導体センサチップ（１）を予め端子付チップケース（５）に収納し、端子（６）と半導体センサチップ（１）を電気的に接続してセンサユニット（１１）を構成し、
   上記リード材（１３）と上記センサユニット（１１）を電気的に接続して第２の樹脂でモールド一体成形して外装ケース（３０）を構成したことを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１記載のセンサ装置において、
   上記電子部品（３６）の固着されたリード材（３２）を上記第一の樹脂で封止してチップケース（３９）を構成し、
   このチップケース（３９）に半導体センサチップ（１）を配設し、リード材（３２）と電気的に接続してセンサユニット（４０）を構成し、
   このセンサユニット（４０）のリード材（３２）の一部がコネクタ端子となるように第二の樹脂で一体成形して外装ケース（４１）を構成したことを特徴とするセンサ装置。
4. 請求項３記載のセンサ装置において、
   コネクタ端子（３２）となるリード材（３１）と、電子部品（３６）と共に第一の樹脂で封止されたチップケース（３９）の端子（３３）となるリード材を別部材から構成し、第二の樹脂で一体成形される前に電気的に接続することを特徴とするセンサ装置。
5. 請求項１記載のセンサ装置において、
   上記外装ケース（３０；４１；５０）は、凹型開口部を有するともに、この開口部内に上記リード材（１３，３１；４２）の一部を露出させ、
   半導体センサチップ（１）の配設されたチップケース（５；３９）を上記凹型開口部に配設したことを特徴とするセンサ装置。
6. 請求項１記載のセンサ装置において、
   上記外装ケースは、凹型開口部を有するともに、この開口部内に上記リード材の一部を露出させ、
   上記半導体センサチップを上記凹型開口部に配設し、
   上記凹型開口部を塞ぐカバーを備えたことを特徴とするセンサ装置。
7. 請求項１記載のセンサ装置において、
   上記第一の樹脂は、熱硬化性樹脂から構成され、
   上記第二の樹脂とは、熱可塑性樹脂から構成されたことを特徴とするセンサ装置。
8. 請求項７記載のセンサ装置において、
   上記接合部材の融点は、上記第一の樹脂と上記第二の樹脂のモールド成形温度より高く、
   上記第一の樹脂の線膨張係数は、上記リード材と上記電子部品の主たる構成材料の線膨張係数の間に入る値であることを特徴とするセンサ装置。

Images