JP4207848B2

JP4207848B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP4207848B2
Application number: JP2004166114A
Authority: JP
Inventors: 宏明田中; 稲男豊田; 市治近藤; 眞戸谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2005345305A

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

圧力センサにおいて、圧力センサチップの実装構造（電気的接続および保護構造）が特許文献１，２に開示されている。特許文献１においては、ボンディングワイヤを含めて圧力センサチップを充填材により封止している。特許文献２においては、半導体基板上に配置したアルミパッドをＴｉ／Ｐｄ膜で被覆するとともにダイアフラムを形成した半導体基板をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等からなる保護膜およびシリコーンゲルで被覆している。
特表２００１−５０９８９０号公報特開平１０−１５３５０８号公報

圧力センサチップが腐食性流体（例えば、エンジンの排気ガス）に直接曝される状況において特許文献１，２に開示された構造を用いた場合、代表的な充填材であるシリコーンゲルを用いると、排ガス水溶液のレベルの酸性液においてはアルミパッド等の保護には不十分である。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、新規な構成にて耐食性に優れた圧力センサを提供することにある。

請求項１に記載の圧力センサによれば、圧力センサチップのパッドがフレキシブルプリント配線板の配線と接合され、この接合部（電気的接続部）が樹脂製シートで封止され、また、フレキシブルプリント配線板においては、配線が樹脂製シートに封止される。これにより、環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。この腐食防止構造においては、圧力センサチップのパッドやボンディングワイヤを充填材で封止する場合に比べ、耐食性に優れている。また、ケース部材に加えてフレキシブルプリント配線板で圧力センサチップを覆っており、更に腐食から保護する上で好ましい。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の圧力センサにおいてフレキシブルプリント配線板は、圧力センサチップにおけるダイアフラムを形成した部位を露出させる貫通孔を有すると、フレキシブルプリント配線板の樹脂製シートが、圧力センサチップに対し、圧力センサチップにおけるダイアフラムを形成した部位が露出する状態で圧着され、高精度に圧力を検出することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の圧力センサにおいて樹脂製シートは熱可塑性樹脂製シートであり、当該シートをケース部材および圧力センサチップに熱圧着すると、シートを容易に圧着することができる。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサにおいてケース部材のチップ収容室に、開口部からパッドの形成面が露出する状態で回路チップが固定され、フレキシブルプリント配線板の樹脂製シートを、ケース部材、圧力センサチップのパッドの形成面、および、回路チップのパッドの形成面に圧着してケース部材のチップ収容室の開口部を塞ぐとともに、フレキシブルプリント配線板の配線と圧力センサチップのパッド、および、フレキシブルプリント配線板の配線と回路チップのパッドとを接合し、かつ、当該接合部をフレキシブルプリント配線板の樹脂製シートで封止すると、回路チップもケース部材内に耐食性に優れた状態でパッケージすることができる。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであると、実用上より好ましい仕様形態となる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における圧力センサの平面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ線での縦断面図である。本圧力センサは車載エンジンの排気系部品に設けられ、排気ガスの圧力を検出するセンサである。つまり、圧力検出対象の流体（圧力媒体）がエンジンの排気ガスである。より具体的には、例えば、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）における排気ガス再循環経路での圧力測定のために用いられる。より詳しくは、図８に示すように、圧力導入パイプ５０を連結した仕様形態にて圧力の測定が行われる。

図３において、プラスチック製のケース部材１のチップ収容室Ｒ１においてガラス台座１０を介して圧力センサチップ２０が固定されるとともに回路チップ３０が固定され、両チップ２０，３０は、熱可塑性樹脂シート内に配線を施したフレキシブルプリント配線板４０により電気的に接続され、かつ、ケース部材１のチップ収容室Ｒ１の上面開口部４はフレキシブルプリント配線板４０により塞がれている。

図４にはフレキシブルプリント配線板４０の平面図を示すとともに、図５には図４のＡ−Ａ線での縦断面を示す。図６には、図３におけるフレキシブルプリント配線板４０以外の部品（ケース部材１、圧力センサチップ２０、回路チップ３０等）の平面図を示し、図６におけるＡ−Ａ線での縦断面を図７に示す。

図６，７において、ケース部材１は板材２と枠体３とからなる。板材２は四角板状をなしている。枠体３は四角枠状をなしている。板材２の上に枠体３の一方の開口部側が密着した状態で接着固定されている。つまり、ケース部材１は、枠体３の下面側開口部を板材２で塞ぐ状態で両者を連結固定することにより構成されている。そして、ケース部材１の内部にチップ収容室Ｒ１が形成されるとともに上面には開口部４を有している。ここで、四角枠状の枠体３に関して、図６，７における右側の辺３ｂのみが他の辺３ａよりも高くなっている。

ケース部材１のチップ収容室Ｒ１（枠体３の内方）における板材２の上面にはガラス台座１０が接着剤５により固定されている。ガラス台座１０の上面には圧力センサチップ２０が接合されている。ガラス台座１０と圧力センサチップ２０とは、縦横寸法がほぼ同じである。

圧力センサチップ２０の半導体基板２１として、（１１０）面方位のシリコンチップを用いている。圧力センサチップ２０において、半導体基板２１の中央部には下面に開口する凹部２２が形成され、この凹部２２により薄肉部、即ち、ダイアフラム２３が形成されている。このダイアフラム２３は平面形状が図６に示すように八角形をなしている。図７においてガラス台座１０と圧力センサチップ２０とが接合されている状態で半導体基板２１の凹部２２内が基準圧力室（例えば真空室）となっている。ダイアフラム２３には４つのゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが応力解析により適当と判断される部位に形成されている。このゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは不純物拡散層よりなる（詳しくはｎ型シリコン基板の表面に形成したｐ型不純物拡散層よりなる）。圧力センサチップ２０内において、４つのゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを用いたフルブリッジ回路が構成されるように結線されている。そして、ダイアフラム２３の両面に加わる圧力の差によりダイアフラム２３での応力が変化し、この応力の変化に伴ないピエゾ抵抗効果により各ゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの抵抗が変化し、これがブリッジ回路により検出される。

また、圧力センサチップ２０において半導体基板２１の表面はシリコン酸化膜からなる絶縁膜２５にて被覆されている。
さらに、図６，７において、四角板状の圧力センサチップ２０における絶縁膜２５上には、その上面での外周部にアルミパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃおよびアルミパッド２６ｄ，２６ｅ，２６ｆが形成されている。アルミパッド２６ａ〜２６ｆはアルミ薄膜よりなる。これらのパッド２６ａ〜２６ｆを介して前記ブリッジ回路に定電流を流すとともに圧力センサチップ２０の圧力検出信号を外部に取り出せるようになっている。なお、アルミパッド２６ａ〜２６ｆ上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ膜と金（Ａｕ）メッキ膜が順に形成され、これによりアルミパッド２６ａ〜２６ｆに半田接合することができるようになっている。

また、ケース部材１のチップ収容室Ｒ１（枠体３の内方）における板材２の上面には回路チップ３０が接着剤６（図３参照）により圧力センサチップ２０と接近した位置に固定されている。回路チップ３０においては各種のデバイスが作り込まれるとともにこのデバイスにて増幅回路等が形成されている。回路チップ３０の上面にはアルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃが形成されている。アルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃはアルミ薄膜よりなる。これらのパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃを介して前記増幅回路等と電気的に接続することができるようになっている。なお、アルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃ上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ膜と金（Ａｕ）メッキ膜が順に形成され、これによりアルミパッド３１ａ，３１ｂ，３１ｃに半田接合することができるようになっている。

このように、ケース部材１において、開口部４を有するチップ収容室Ｒ１に、ダイアフラム２３とパッド２６ａ〜２６ｆを有する圧力センサチップ２０、および、パッド３１ａ〜３１ｃを有する回路チップ３０が、開口部４から圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆの形成面および回路チップ３０のパッド３１ａ〜３１ｃの形成面が露出する状態で固定された構成となっている。このとき、圧力センサチップ２０の上面（パッド形成面）と回路チップ３０の上面（パッド形成面）は、ケース部材１の枠体３における辺３ａの上面よりも高くなっている（図３参照）。

一方、図４，５において、フレキシブルプリント配線板４０は、四角板状をなしている。フレキシブルプリント配線板４０は熱可塑性樹脂製シート４１と配線（導体パターン）４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよび配線（導体パターン）４２ｄ，４２ｅ，４２ｆを具備し、熱可塑性樹脂製シート４１にて配線４２ａ〜４２ｆがモールドされている。熱可塑性樹脂製シート４１は可撓性および電気絶縁性を有する。熱可塑性樹脂製シート４１の材料として、例えばポリエステル、ポリイミドを挙げることができる。配線４２ａ〜４２ｆの材料として銅を挙げることができる。また、四角板状をなすフレキシブルプリント配線板４０（熱可塑性樹脂製シート４１）には四角形の貫通孔４３が形成されている。貫通孔４３は圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位を露出（開口）させるためのものである。図４，５において６つの配線４２ａ〜４２ｆは熱可塑性樹脂製シート４１における貫通孔４３の周囲において貫通孔４３から離れる方向に延設されている。

また、図４，５に示すようにフレキシブルプリント配線板４０における配線４２ａ〜４２ｆの内方側端部が熱可塑性樹脂製シート４１の下面から露出している。また、配線４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの外方側端部も熱可塑性樹脂製シート４１の下面から露出している。さらに、配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃの外方側端部は接続用導体４４ａ，４４ｂ，４４ｃと接合されている。

このように、フレキシブルプリント配線板４０は、可撓性および絶縁性を有する熱可塑性樹脂製シート４１で、パターニングした複数の配線４２ａ〜４２ｆを封止した構成となっている。

図４，５に示すフレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１が、図６，７に示す状態（ケース部材１のチップ収容室Ｒ１に、圧力センサチップ２０および回路チップ３０が開口部４から圧力センサチップ２０のパッド形成面および回路チップ３０のパッド形成面が露出する状態で固定された状態）におけるケース部材１の上面部および両チップ２０，３０の上面に熱圧着されて図１，２，３の構造となっている。

図１，２，３において、フレキシブルプリント配線板４０の配線４２ａ〜４２ｆは、上記圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆおよび回路チップ３０のパッド３１ａ〜３１ｃに半田によって接合されている。詳しくは、図４，５での配線４２ａ〜４２ｆの内方側の露出部および配線４２ｄ，４２ｅ，４２ｆの外方側の露出部に半田ペーストを塗布する。そして、このフレキシブルプリント配線板４０を圧力センサチップ２０上および回路チップ３０上に配置して熱可塑性樹脂製シート４１を圧力センサチップ２０および回路チップ３０に熱圧着する。この熱圧着時において、フレキシブルプリント配線板４０の配線４２ａ〜４２ｆの一端と圧力センサチップ２０のアルミパッド２６ａ〜２６ｆおよび回路チップ３０のパッド３１ａ〜３１ｃとが半田付けされる。この半田接合部はフレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１によって封止されている。また、フレキシブルプリント配線板４０の貫通孔４３により、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位が露出（開口）している。つまり、上記圧力センサチップ２０の上面は、圧力センサチップ２０のダイアフラム２３を形成した部位を除く領域がフレキシブルプリント配線板４０により覆われている。より詳しくは、センサ特性である感度を確保するために、熱可塑性樹脂製シート４１における、ダイアフラム２３の上方に位置する部分に貫通孔４３を設けたフレキシブルプリント配線板４０を用いて配線接続することで、感度が高く、信頼性の高い圧力センサを得ることができる。また、ケース部材１の枠体３における辺３ｂの内面（図１，２で符号７で示す部位）と他の辺３ａの上面（図２，３で符号８で示す部位）とがフレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１と圧着されている。これにより、枠体３における上面開口部４、即ち、チップ収容室Ｒ１の開口部４がフレキシブルプリント配線板４０により塞がれている。

このようにして、フレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート（広義には樹脂製シート）４１をケース部材１および圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆの形成面に熱圧着（広義には圧着）してケース部材１のチップ収容室Ｒ１の開口部４を塞ぐとともに、フレキシブルプリント配線板４０の配線４２ａ〜４２ｆと圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆとを接合し、かつ、当該接合部をフレキシブルプリント配線板４０の樹脂製シート４１で封止した。よって、圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆがフレキシブルプリント配線板４０の配線４２ａ〜４２ｆと接合され、この接合部（電気的接続部）が熱可塑性樹脂製シート４１で封止され、また、フレキシブルプリント配線板４０においては、配線４２ａ〜４２ｆが熱可塑性樹脂製シート４１に封止される。これにより、環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。この腐食防止構造においては、圧力センサチップのパッドやボンディングワイヤを充填材で封止する場合に比べ、耐食性に優れている。また、ケース部材１に加えてフレキシブルプリント配線板４０で圧力センサチップ２０を覆っており、更に腐食から保護する上で好ましい。

このように、新規な構成にて耐食性に優れた圧力センサを提供することができる。さらに、熱圧着にて簡単に組み立てることができる（シート３１を容易に圧着することができる）。

また、フレキシブルプリント配線板４０は、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位を露出させる貫通孔４３を有しているので、フレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１が、圧力センサチップ２０に対し、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位が露出する状態で圧着され、高精度に圧力を検出することができる。

さらに、ケース部材１のチップ収容室Ｒ１に、開口部４からパッド３１ａ〜３１ｃの形成面が露出する状態で回路チップ３０が固定され、フレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１を、ケース部材１、圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆの形成面、および、回路チップ３０のパッド３１ａ〜３１ｃの形成面に圧着してケース部材１のチップ収容室Ｒ１の開口部４を塞ぐとともに、フレキシブルプリント配線板４０の配線４２ａ〜４２ｆと圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆ、および、フレキシブルプリント配線板４０の配線４２ｄ〜４２ｆと回路チップ３０のパッド３１ａ〜３１ｃとを接合し、かつ、当該接合部をフレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１で封止した。よって、回路チップ３０もケース部材１内に耐食性に優れた状態でパッケージすることができる。

また、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであるので、実用上より好ましい仕様形態となる。即ち、フレキシブルプリント配線板４０で配線を形成することで、ガソリンエンジンの排気系で発生する酸性液に対する耐性を向上させることができる。

より詳しくは、ＥＧＲ雰囲気中での圧力測定においては腐食性の液体が圧力センサチップ２０に直接曝される状況となり、従来、チップ上のボンディングパッドおよびボンディングワイヤがアルミ（Ａｌ）であるために腐食しやすいが、本実施形態においては、パッド部及びその配線をフレキシブルプリント配線板４０の熱可塑性樹脂製シート４１で覆って腐食性雰囲気に曝されないようにし、かつ、感度低下を避けるために熱可塑性樹脂製シート４１における、ダイアフラム２３の上方に位置する部分に貫通孔４３を設けることにより雰囲気の圧力をより正確に測定できる。このようにして、腐食雰囲気中に曝される圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｆ及び配線材の腐食をフレキシブルプリント配線板４０で防ぐとともに、感度低下を防ぎ、かつ配線の信頼性を高めることができる。

なお、ＥＧＲにおける排気ガス再循環経路での圧力測定のための圧力センサ以外にも、例えば、ディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧を計測する圧力センサに適用してもよい。また、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであったが、他にも例えば車両のタイヤ空気であってもよい。

また、ケース部材１のチップ収容室Ｒ１に圧力センサチップ２０と回路チップ３０を収納したが、回路チップ３０を収納することなく圧力センサチップ２０を収容してもよい。

実施形態における圧力センサの平面図。図１のＡ−Ａ線での縦断面図。図１のＢ−Ｂ線での縦断面図。フレキシブルプリント配線板の平面図。図４のＡ−Ａ線での縦断面図。圧力センサチップ等を示す平面図。図６のＡ−Ａ線での縦断面図。実施形態における圧力センサの縦断面図。

符号の説明

１…ケース部材、４…開口部、２０…圧力センサチップ、２３…ダイアフラム、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ…パッド、３０…回路チップ、３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…パッド、４０…フレキシブルプリント配線板、４１…熱可塑性樹脂製シート、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ…配線、４３…貫通孔、Ｒ１…チップ収容室。

Claims

ダイアフラム（２３）およびパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）を有する圧力センサチップ（２０）と、
開口部（４）を有するチップ収容室（Ｒ１）に、前記圧力センサチップ（２０）が、開口部（４）から前記圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）の形成面が露出する状態で固定されたケース部材（１）と、
可撓性および絶縁性を有する樹脂製シート（４１）で、パターニングした配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ）を封止したフレキシブルプリント配線板（４０）と、
を備え、
前記フレキシブルプリント配線板（４０）の前記樹脂製シート（４１）を前記ケース部材（１）および前記圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）の形成面に圧着して前記ケース部材（１）のチップ収容室（Ｒ１）の開口部（４）を塞ぐとともに、フレキシブルプリント配線板（４０）の配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ）と圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）とを接合し、かつ、当該接合部を前記フレキシブルプリント配線板（４０）の樹脂製シート（４１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
前記フレキシブルプリント配線板（４０）は、圧力センサチップ（２０）における前記ダイアフラム（２３）を形成した部位を露出させる貫通孔（４３）を有することを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記樹脂製シート（４１）は熱可塑性樹脂製シートであり、当該シート（４１）を前記ケース部材（１）および圧力センサチップ（２０）に熱圧着したことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
前記ケース部材（１）のチップ収容室（Ｒ１）に、前記開口部（４）からパッド（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）の形成面が露出する状態で回路チップ（３０）が固定され、前記フレキシブルプリント配線板（４０）の前記樹脂製シート（４１）を、前記ケース部材（１）、前記圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）の形成面、および、回路チップ（３０）のパッド（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）の形成面に圧着して前記ケース部材（１）のチップ収容室（Ｒ１）の開口部（４）を塞ぐとともに、フレキシブルプリント配線板（４０）の配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ）と圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ）、および、フレキシブルプリント配線板（４０）の配線（４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ）と回路チップ（３０）のパッド（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）とを接合し、かつ、当該接合部を前記フレキシブルプリント配線板（４０）の樹脂製シート（４１）で封止したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。