JP4908411B2 - 圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はセンサチップなどの電子部品を搭載した圧力センサ及びその製造方法に関する。

圧力検出素子としてセンサチップなどの電子部品（半導体素子）を搭載した半導体圧力センサは知られている。また、近年では、圧力検出素子と信号処理回路を同一のシリコンチップ上に集積化したワンチップ半導体圧力センサも開発されている。
特許文献１には、防水性を向上させた半導体圧力センサが記載されている。
この半導体圧力センサは、圧力センサ本体における出力端子として、半導体圧力検知ユニットからの接続ピン（リードピン）にＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）からなる結線材で接続されたコンタクトピンを設け、外部への電線の先端に結合されている端子に該コンタクトピンが嵌め込まれるようにし、該電線の端子とコンタクトピンの接続部（コネクタ部）を常温硬化性樹脂によってモールドするようにしている。
特開２００１−１４１５８８号公報

上述のように、従来の半導体圧力センサにおいては、外部機器と接続する電線の端子にコンタクトピンが嵌め込まれるコネクタ部が設けられており、防水性を要求される場合には、該コネクタ部を含めて樹脂を充填するようになされていた。
このような防水型の圧力センサにおいて、接続の信頼性を上げること及びコストダウンを図るために、前記コネクタ部をなくして外部への電線を前記コンタクトピンに直接接続することが考えられる。
このような電線直付け型の半導体圧力センサで要求される電線は通常３線式（出力、電源、接地）が多く、外部機器との接続に使用される長さは０．５〜３ｍ程度である。
要求される長さがまちまちで、その箇所をモールドするため、センサ組立工程中において電線組立は通常最後の工程になっている。中間工程で電線をつけてしまうと、電線がかさばり作業しづらく、また、電線の長さもまちまちであるため、装置の自動化も難しいためである。
電流を流して溶着させる抵抗溶接により電線芯線とコンタクトピンを直接接合する方法は、センサ製品において電子部品がついていない状態（中間工程）であれば使えるが、前述の理由から主流となっていない。
また、電線芯線とコンタクトピンとを直接接合する方法として、かしめる方法もあるが、モールド材がかしめ部に進入するので接合の信頼性は低く、導通不良を起こす可能性がある。
他の方法として、半田付けがある。しかし、半田付け作業は作業者の技量などにより接合の状態が変わる（半田不足や半田剥離など）。また、電線の熱容量が大きいため、半田が溶け出すのに時間を要するため、工数面で不利となる。周辺部品の温度も上昇するという問題もある。

そこで、本発明は、センサチップに電気的なダメージを与えず、作業性の向上と安価な構造を実現できる防水型の圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の圧力センサは、電子部品を搭載する圧力センサであって、前記電子部品に電気的に接続されるとともに、外部機器と接続する電線が直付けされたコンタクトピンを有し、該コンタクトピンは、前記電線を超音波溶着により直付けするときに前記電子部品と該コンタクトピンとの電気的接続が切断されるのを防止するために、前記電線が超音波溶着される超音波溶着用領域と前記電子部品に電気的に接続される結線材が接続される部分との間の領域に開口部を形成することにより、その剛性が低下するようになされているものである。
また、前記電線は複数本あり、複数個の前記コンタクトピンが一列に配置されて樹脂製の本体部に挿入されており、該樹脂製の本体部における前記コンタクトピン間には仕切り板が設けられているものである。
さらに、前記電線と前記コンタクトピンとの接合部を覆う樹脂ケースを有し、前記電線と前記コンタクトピンとの接合部は封止材でモールドされているものである。
さらにまた、前記樹脂ケースの内側に、電線の倒れを防止するための突起部が設けられているものである。
さらにまた、本発明の圧力センサの製造方法は、上述した圧力センサの製造方法であって、前記電子部品に電気的に接続されたリードピンと前記結線材とをレーザースポット溶接により接続する工程と、前記結線材と樹脂製の本体部に挿入されている前記コンタクトピンとをレーザースポット溶接により接続する工程と、前記電線を前記コンタクトピンに超音波溶着により接合する工程とを有するものである。
さらにまた、前記電線はセミストリップされた状態で前記コンタクトピンに超音波溶着されるものである。
さらにまた、前記電線は複数本あり、該複数本の電線と複数個一列に配置された前記コンタクトピンとを同時に超音波溶着するものである。
さらにまた、前記樹脂製の本体部に樹脂ケースを被せ、該樹脂ケースに封止材を流し込むことにより前記電線と前記コンタクトピンとの接合部を封止材でモールドする工程を有するものである。

本発明によれば、半導体素子（電子部品）を用いたパッケージングに電線を直付けする場合、電子部品に電気的ダメージを与えることがないので、半導体素子などに電気破壊がなく、また、その接合方式が溶着による直付け接合であるため、防水処理の封止材が接合部へ進入することによる断線の問題も生じない信頼性の高い構造を容易に得ることができる。
また、コンタクトピンの剛性を低下させることにより、超音波振動による他部品への影響を受けないようにすることができる。
さらに、超音波溶着による接合部は摩擦により瞬間的に発熱するだけなので、他部品への熱影響が半田付けに比べ少ない。
さらにまた、超音波発振時間は１秒以下で充分な接合が達成されるため、複数本同時溶着と合わせ工数削減を図ることができる。
さらにまた、半田やコネクタを使用しないで電線と圧力センサを直接接合するため、部品点数が減り、安価な圧力センサを提供することができる。
さらにまた、複数個のコンタクトピンを一列に配置することにより、複数本同時溶着ができる。
さらにまた、コンタクトピン間に仕切り板を設けることにより、電線同士の短絡を防止することができる。
さらにまた、電線をセミストリップすることにより、安定した溶着を行うことができる。
さらにまた、電線とコンタクトピンとの接合部を封止材でモールドすることにより、接合部の固定と保護を確実なものとし、防水効果を高めることができる。
さらにまた、樹脂ケースの内側に電線の倒れを防止するための突起部を設けることにより、封止材を流し込むときの電線の倒れを防止するとともに、電線接合部のネック部へのダメージを少なくすることができる。

本発明の半導体圧力センサの一実施の形態の外観構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 図１に示した半導体圧力センサの構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。 樹脂本体及びコンタクトピンについて説明するための図であり、（ａ）は樹脂本体の正面図、（ｂ）は樹脂本体の平面図、（ｃ）はコンタクトピンの平面図、（ｄ）は樹脂本体にコンタクトピンが挿入された様子を示す正面図、（ｅ）はコンタクトピンの結合部を切り離した後の正面図である。 本発明の半導体圧力センサの製造方法を説明するための図である。 本発明の半導体圧力センサの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１０：圧力センサ本体、１１：圧力検出エレメント、１２：樹脂本体、１３：蓋体、１４：カシメ板、１５：エレメントハウジング、１６：ハーメチックガラス、１７：リードピン、１８：オイル充填用パイプ、１９：センサチップマウント部材、２０：センサチップ、２１：金属ダイヤフラム、２２：ダイヤフラム保護カバー、２３：液封室、２４：金属部材、２５：金属板、２６：結線材、２７，２７−１〜２７−３：コンタクトピン、２８：固定材、２９：封止材、３０：継手部、３１：結合用ねじ部、３２：流体導入通路、３３：ガイド板、３４：仕切り板、３５：挿入孔、３６：結合部、３７：切込み部、３８：穴、３９：超音波溶着用領域、４０：樹脂ケース、４１：突起部、４２：封止材、５０，５０−１〜５０−３：電線、５１：ストリップ部、５２：超音波溶着部、５５：超音波ホーン、５６：アンビル

本発明の半導体圧力センサの一実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明の半導体圧力センサの一実施の形態の外観構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。
図１に示すように半導体圧力センサは、外観上、圧力センサ本体１０、継手部３０及び樹脂ケース４０に大別され、外部機器に接続される電線５０が樹脂ケース４０内に導入されている。この実施の形態では、電線５０は、出力、電源及び接地に対応する３本の電線（５０−１、５０−２、５０−３）から構成されている。そして、図１の（ｃ）に示すように、前記電線５０が導入される樹脂ケース４０の内側はエポキシ樹脂やシリコン樹脂などの封止材（モールド樹脂）４２によりモールドされている。

図２において、（ａ）は図１に示した半導体圧力センサの構成を示す断面図、（ｂ）は平面図である。
図２の（ａ）に示すように、前記圧力センサ本体１０は、圧力検出エレメント１１、樹脂製の樹脂本体１２、蓋体１３及びこれらを機械的に結合する円筒状のカシメ板１４から構成されている。ここで、前記圧力検出エレメント１１と樹脂本体１２との間は封止材２９によりシールされている。
前記圧力検出エレメント１１は、金属製のエレメントハウジング１５と、該エレメントハウジング１５の中央開口部にハーメチック固着されたハーメチックガラス１６と、該ハーメチックガラス１６に貫通状態でハーメチック装着された複数のリードピン１７、オイル充填用パイプ１８及びセンサチップマウント部材１９と、前記センサチップマウント部材１９にガラスを介して固着された圧力検出用センサチップ２０とからなっている。
センサチップ２０はシリコン基板の裏面中央部をエッチングしてダイヤフラム（シリコンダイヤフラム）を形成したものであり、該シリコンダイヤフラム部の上部にはブリッジ回路を形成する複数の圧力検出素子（ピエゾ抵抗素子）が形成され、その周囲に該ブリッジ回路の出力信号を処理する増幅回路、直線補正回路、温度補正回路及び補正データ保持回路などの電子回路が半導体回路集積化技術により集積化されている。センサチップ２０表面のボンディングパッドと前記リードピン１７とはワイヤボンディングにより接続されている。

また、前記エレメントハウジング１５の中央開口部の開口縁部には、金属ダイヤフラム２１と、これを覆う連通孔を有するダイヤフラム保護カバー２２とが、それらの外周縁部を溶接することで気密に固着されている。エレメントハウジング１５の中央開口部、ハーメチックガラス１６及び金属ダイヤフラム２１により、シリコンオイルなどのオイルが封入される液封室２３が形成される。
例えばステンレス製とされるオイル充填用パイプ１８は、液封室２３にオイルを充填する充填口として使用され、オイル充填完了後に外側のパイプ先端をつぶして密着され、その部分を溶接される。これにより、オイルが液封室２３に封止される。
また、前記ハーメチックガラス１６の外周部の高さは中心部よりも高く形成されており、該外周部の内側に、リング状の金属部材２４が嵌め込まれ、その端部に開口部が設けられた金属板（シールド板）２５が電気的かつ機械的に接続されている。そして、該リング状の金属部材２４は前記センサチップのゼロ電位と接続されている。
これにより、前記金属ダイヤフラム２１と前記センサチップ２０上の電子回路のゼロ電位との間に電位差があるときでも、センサチップ２０に集積された電子回路に対する悪影響を防止することができる。

前記蓋体１３には継手部３０が結合されており、該継手部３０は、結合用ねじ部３１により被測定部に取り付けられるようになされている。これにより、流体導入通路３２を介して、流体の圧力が前記金属ダイヤフラム２１に伝達される。金属ダイヤフラム２１は極めて薄いため圧力損失が生ずることなく圧力伝達が行われる。この圧力により、センサチップ２０のシリコンダイヤフラムが変形し、これをピエゾ抵抗素子で検出した電気信号が電子回路で処理され、リードピン１７に出力される。
前記樹脂本体１２には、複数（この実施の形態においては３個）のコンタクトピン２７（２７−１〜２７−３）が挿入され、固定材（接着剤）２８により固定されている。前記リードピン１７とコンタクトピン２７はフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）などの結線材２６により電気的に接続される。ここで、前記リードピン１７と前記結線材２６の接続、及び、前記結線材２６と前記コンタクトピン２７−１〜２７−３との接続はレーザースポット溶接により行われる。
なお、前記リードピン１７として、前記センサチップ２０の電源電位、ゼロ電位、出力端子及び１又は複数のテストポイントにそれぞれ接続される複数のリードピンが設けられており、そのうちの前記電源電位、ゼロ電位及び出力端子のピンが前記結線材２６により、対応するコンタクトピン２７−１〜２７−３に接続される。

前記コンタクトピン２７−１〜２７−３と外部機器に接続する３本の電線５０−１〜５０−３の芯線は、それぞれ、超音波溶着部５２において超音波溶着により接合されている。なお、３４は各電線５０−１〜５０−３間の短絡を防止するために設けられている仕切り板である。
このように、本発明においては、コンタクトピン２７−１〜２７−３に外部機器に接続する電線を直付けする手段として、超音波溶着を採用した。超音波溶着は接合部のみが瞬間的に温度上昇するだけで、センサチップや周辺部品への熱影響が少ない。また、電流を流し溶着させる抵抗溶接とは、接合方式が異なり、摩擦により接合を行うため、電気的なダメージをセンサチップなどに与えることがない。したがって、電線組立を最後の工程とすることができる。
そして、樹脂ケース４０内に封止材４２を封入することにより該接合部はモールドされている。これにより、接合部の保護と防水を行うことができる。また、前記樹脂ケース４０の内側には、電線が倒れるのを防止する突起部４１が設けられている。

前記樹脂本体１２及び前記コンタクトピン２７について図３を参照して説明する。
図３の（ａ）は前記樹脂本体１２の正面図、（ｂ）は前記樹脂本体１２の平面図、（ｃ）は前記コンタクトピン２７の平面図、（ｄ）は樹脂本体１２にコンタクトピン２７が挿入された様子を示す正面図、（ｅ）はコンタクトピンの結合部を切り離した後の正面図である。
図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記樹脂本体１２には、前記コンタクトピン２７（２７−１〜２７−３）を挿入するためのガイド板３３、仕切り板３４及び挿入孔３５が設けられている。また、図３の（ｃ）に示すように、前記コンタクトピン２７は、当初は、結合部３６により結合されて一体の部品とされており、切込み部３７で折り曲げることで結合部３６を切り離すことにより、３本のコンタクトピン２７−１〜２７−３となるように構成されている。さらに、３９は前記電線が超音波溶着される超音波溶着用領域である。この超音波溶着用領域３９の面積は可能な限り大きくとられている。
そして、図３の（ｄ）に示すように、前記コンタクトピン２７の３本に分かれた部分を前記樹脂本体１２の挿入孔３５に挿入して前記固定材２８（図２）で固定する。
そして、前記切込み部３７から折ることにより結合部３６を切り離して、図３の（ｅ）に示すように、３本のコンタクトピン２７−１〜２７−３が一直線上に配置された樹脂本体１２とすることができる。

また、前述のように、コンタクトピン２７−１〜２７−３の超音波溶着用領域３９には、前記電線５０−１〜５０−３がそれぞれ超音波溶着により接合される。この超音波溶着を行うときに、コンタクトピン２７−１〜２７−３を介して超音波の振動が伝わり、前記結線材２６とのレーザースポット溶接箇所が切断されてしまうことがある。前記コンタクトピン２７−１〜２７−３と前記結線材２６とを接続するレーザースポット溶接部の径は、例えば、０．５mm程度と小さく、超音波溶着に使用する超音波の周波数を４６kHz、溶着に要する時間を０．４５秒とすると、レーザースポット溶接部に約２００００回の振動が加えられることとなり、該レーザースポット溶接による接続がはずれてしまう場合が多い。
そこで、本発明においては、図示するように、前記各コンタクトピン２７−１〜２７−３に穴（開口部）３８が形成されている。この穴３８は、各コンタクトピン２７−１〜２７−３の剛性を低下させるために設けられたものである。このように、コンタクトピン２７−１〜２７−３の剛性を低下させ、伝達される振動エネルギーを減衰させることにより、前記結線材２６との接続がはずれることを防止することができる。本発明者らによる実験では、何らの対策を施さずに超音波溶着を行うことにより約８０％のコンタクトピンにおいて結線材との接続が切断されていたのが、穴３８を設けることにより発生しないようになった。
なお、穴３８の形状は、図示したような四角形に限られることはなく、円形など他の形状でも良い。また、穴の数も、図示したように、各リードピンに１個ずつである必要はなく、複数個の穴を設けるようにしても良い。なお、加工される位置については、適切に決定される。
さらに、穴３８を設ける方法以外の方法でコンタクトピン２７−１〜２７−３の剛性を低下させるようにしてもよい。例えば、コンタクトピン２７−１〜２７−３の幅を狭くしたり、厚さを薄くしたりしても良い。前記方法を組み合わせることも、適切に決定される。
ただし、前記切込み部３７から折り曲げる工程でコンタクトピン２７−１〜２７−３の部分が曲がらないような強度は確保する必要がある。また、前記超音波溶着用領域３９を可能な限り大きく確保することも必要である。

このような本発明の半導体圧力センサの製造方法について、図４及び図５を参照して説明する。ただし、前記圧力検出エレメント１１と蓋体１３及び継手部３０は既に組み合わされているものとする（図４の（ａ））。
（１）前記図３に示したように、前記コンタクトピン２７を樹脂本体１２に差し込み、固定材により固定する。なお、この段階では、前記結合部３６は切り離されていない（図３の（ｄ）及び図４の（ｂ））。
（２）前記複数のリードピン１７と前記コンタクトピン２７−１〜２７−３とを前記結線材２６で接続する。前記複数のリードピン１７の内の電源、出力及び接地に接続されたリードピンと前記結線材２６の対応する電極部をレーザースポット溶接により接続し、同様に、該結線材２６の電極部と前記コンタクトピン２７−１〜２７−３とをレーザースポット溶接により接続する。
（３）前記センサ本体の圧力検出エレメント１１と前記樹脂本体１２を封止材２９（図２）を介して組合せ、円筒状のカシメ板１４（図４の（ｃ））で機械的に結合する。これにより、図４の（ｄ）に示すように、継手部３０が接続された圧力センサ本体１０が構成される。
（４）前記コンタクトピンの結合部３６をクリップで挟み、絶縁抵抗及び絶縁耐力の検査を行う。絶縁抵抗及び絶縁耐力の検査は、このように、３本のコンタクトピンに接続された端子についてまとめて行う。
（５）前記切込み部３７からコンタクトピンを折ることにより前記結合部３６を切り離す。

（６）図５の（ａ）に示すように、被覆をフルあるいはセミストリップした電線５０−１〜５０−３をセットし、超音波溶着機により、前記コンタクトピン表面の超音波溶着用領域３９に直接結線する。図中５１はストリップ部であり、この図においては、セミストリップした電線を使用している。
図５の（ｂ）はその様子を示す図である。この図に示すように、超音波ホーン５５とアンビル５６とで前記コンタクトピン２７−１〜２７−３と前記電線５０−１〜５０−３をそれぞれ挟むことにより超音波溶着する。超音波ホーン５５の形状はコンタクトピン２７−１〜２７−３の超音波溶着用領域３９の面積に匹敵するサイズとされており、電線をセットする位置がコンタクトピン上にありさえすれば完全な溶着をすることができる形状とされている。
ここで、本発明においては、３本のコンタクトピン２７−１〜２７−３を一直線に配置し、超音波ホーン５５の形状は接合面を３箇所同じ高さに設け、それぞれのコンタクトピン上に来るように配置し、受け側のアンビル５６も同様に配置した。これにより、３線同時溶着が可能となり、工数を削減することができる。
また、前記樹脂本体１２には電線間に設けられた仕切り板３４とガイド板３３が設けられており、電線同士の短絡を防止することができる。ここで、図中５１に示すように電線がセミストリップの場合、溶着時にホーンとアンビルで挟み込む際に、芯線がばらけずに安定した溶着形状が得られる。また、超音波ホーン５５の電線への食い込み量を押さえられるため、接合部のネック強度も高くなる（図５の（ｃ））。

（７）前記樹脂本体１２に樹脂ケース４０を被せ、封止材（モールド樹脂）４２を流し込む（図５の（ｄ））。
一般に、半田付けに比べると、超音波溶着の場合、超音波ホーン５５とアンビル５６で挟むため、接合部の電線ネック部が細くなり、強度が弱くなるが、エポキシ樹脂・シリコン樹脂などのモールド樹脂を使用し固定されるので、ネック強度は製品上問題とならない。また、モールド前には樹脂ケース４０の内側の突起部４１にて電線の倒れを抑制しており、ネック部のダメージを最小限としている。また、その突起が封止材硬化後、樹脂ケース自体の抜け防止する構成としている。

以上のように、本発明では、作業工数及びモールド後の接合の信頼性を改善するために、コンタクトピンに外部機器に接続する電線を直付けする手段として、超音波溶着を採用している。
そして、コンタクトピンは可能な限り接合面の面積を設け、結線材に振動が伝わりにくい形状（穴を開けた形状）としている。
また、樹脂本体には、コンタクトピン間に仕切り板を設け、電線同士の短絡を防止するようにしている。
さらに、３本のコンタクトピンを本体上に一直線に配置し、ホーン形状は接合面を３箇所同じ高さに設けて、３線同時溶着が可能な形状としている。
さらにまた、樹脂本体に樹脂ケースをかぶせ、封止材を流し込むことにより、溶着部の保護と防水機能とを果たすようにしている。そして、樹脂ケース内側に設けた突起により、電線の倒れと接合部のネック強度低下を防止している。

なお、上述した実施の形態においては、センサチップ２０内に圧力検出素子だけではなく電子回路を設けていたが、本発明は、これに限られることはなく、圧力検出素子のみを搭載したセンサチップを用いる場合や他の電子部品を搭載した圧力センサについても同様に適用することができる。
また、上記においては、外部機器との接続を３本の電線により行う場合について説明したが、これに限られることはなく、１本又は任意の複数本の電線の場合にも同様に適用することができる。

Claims (6)

1. 電子部品を搭載する圧力センサであって、
   前記電子部品に電気的に接続されるとともに、外部機器と接続する電線が直付けされたコンタクトピンを有し、
   該コンタクトピンは、前記電線を超音波溶着により直付けするときに前記電子部品と該コンタクトピンとの電気的接続が切断されるのを防止するために、前記電線が超音波溶着される超音波溶着用領域と前記電子部品に電気的に接続される結線材が接続される部分との間の領域に開口部を形成することにより、その剛性が低下するようになされているものであることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記電線は複数本あり、
   複数個の前記コンタクトピンが一列に配置されて樹脂製の本体部に挿入されており、
   該樹脂製の本体部における前記コンタクトピン間には仕切り板が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記電線と前記コンタクトピンとの接合部を内側に突起部を有する樹脂ケースで覆い、
   前記電線と前記コンタクトピンとの接合部は封止材でモールドされていることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記請求項１記載の圧力センサの製造方法であって、
   前記電子部品に電気的に接続されたリードピンと前記結線材とをレーザースポット溶接により接続する工程と、
   前記結線材と樹脂製の本体部に挿入されている前記コンタクトピンとをレーザースポット溶接により接続する工程と、
   前記電線を前記コンタクトピンに超音波溶着により接合する工程と
   を有することを特徴とする圧力センサの製造方法。
5. 前記電線は複数本あり、セミストリップされた状態で複数個一列に配置された前記コンタクトピンに同時に超音波溶着されることを特徴とする請求項４記載の圧力センサの製造方法。
6. 前記樹脂製の本体部に樹脂ケースを被せ、該樹脂ケースに封止材を流し込むことにより前記電線と前記コンタクトピンとの接合部を封止材でモールドする工程を有することを特徴とする請求項４記載の圧力センサの製造方法。

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