JP4968290B2

JP4968290B2 - 熱式空気流量センサの製造方法

Info

Publication number: JP4968290B2
Application number: JP2009135078A
Authority: JP
Inventors: 昌明田中; 敏哉池沢
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP2009192549A

Description

本発明は、発熱抵抗体を用いて空気流量を計測する熱式空気流量センサに係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するのに好適な熱式空気流量センサの製造方法に関する。

自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとしては、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。近年、このような熱式空気流量センサにおいて、シリコン（Ｓｉ）等の半導体基板上に半導体微細加工技術を用いて、薄膜状のセンサ領域を有する熱式空気流量センサが比較的容易に、しかも大量生産方式で生産でき、また、低電力で駆動できるために多く用いられるようになっている。

このような半導体基板上に薄膜状のセンサ領域を有するセンサ素子を備えた熱式空気流量センサとして、特開平9−26343号公報中に、図８（Ａ）に示すようにセンサ素子１０の片側のみを、センサ支持体３０の窪み３２に接着剤４８で接着する浮動的支持構造（片持ち支持構造）が開示されている。

センサ素子の裏面全面をセンサ支持体に接着する場合には、その接着工程において前記薄膜状のセンサ領域に損傷を与える危険性が高く、また、使用条件によっては温度サイクルにより、センサ素子とセンサ支持体の線膨張係数の違いにより接着部に損傷を生じる危険性が高い。従って、この種の浮動的支持構造が採用される。

ここで、熱式空気流量センサにおいてセンサ素子表面とセンサ支持体表面との間に段差が生じると、センサ素子表面の流れの様相が変化するため、単体調整を行い得ない大量生産においては、熱式空気流量センサの特性バラツキの要因となる。図８（Ａ）に示す構造では、接着剤４８の厚みがバラツキ、センサ素子１０表面とセンサ支持体３０表面を同一平面に保つことが困難であった。このため、特開2001-12986号公報に、図８（Ｂ）に示すようにセンサ素子１０の裏面に溝２６を設け、溝２６内に接着剤４８を充填することで、センサ素子１０をセンサ支持体３０に固定する構成が開示されている。この構成では、センサ素子１０の裏面がセンサ支持体３０の窪み３２の底面に直接接触するため、窪み３２の深さＤ１とセンサ素子１０の厚みＨ１が一致していれば、センサ素子１０表面とセンサ支持体３０表面を同一平面に保つことができる。ここで、エンジン制御に要求される検出精度を得るためには、センサ素子表面とセンサ支持体表面との段差を２０〜３０μｍ以内に納める必要がある。

特開平9−26343号公報特開2001-12986号公報

センサ素子１０は、研磨工程を経るため厚みＨ１を数μｍの公差範囲でほぼ一定に保つことができる。しかしながら、センサ支持体３０の窪み３２の深さ窪み３２の深さＤ１を一定にすることは困難である。センサ支持体３０にセラミックを用いる場合には、焼成の際に窪み３２の深さＤ１を一定（公差２０〜３０μｍ以下）にすることは難しく、歩留まりが下がることになる。特に、センサ支持体を樹脂で成形した場合には、窪み３２の深さＤ１が１００μｍレベルでバラツキ、段差を２０〜３０μｍ以内に納めることが不可能であった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、熱式空気流量センサのセンサ素子表面とセンサ支持体表面の段差をなくし、熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくする熱式空気流量センサの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、半導体基板１２に絶縁層１４を介して発熱抵抗体１６ａを形成した検出素子１０と、前記検出素子１０が固定される窪み３２を有する支持体３０と、を備えた熱式空気流量センサの製造方法において：
前記検出素子１０を、治具８０の平坦な上面に、前記検出素子１０の表面１０Ａが当接するように載置する工程と；
前記検出素子１０の裏面１０Ｂ側に接着剤４８を配置する工程と；
前記支持体３０を、前記窪み３２に前記検出素子１０を収容して当該窪み３２の底面３２ＢＴに前記接着剤４８を介して前記検出素子１０の裏面１０Ｂを対向させた状態で、前記治具８０の平坦な上面に該支持体３０の表面３０Ａが当接するように載置する工程と；前記接着剤４８を硬化させる工程と；から成ることを技術的特徴とする。

請求項１の熱式空気流量センサの製造方法では、治具８０の平坦な上面に検出素子１０の表面１０Ａが当接するように載置した状態で、検出素子１０の裏面１０Ｂ側に接着剤４８を配置する。そして、支持体３０を、窪み３２に検出素子１０を収容し当該窪み３２の底面３２ＢＴに接着剤４８を介して検出素子１０の裏面１０Ｂを対向させ、治具８０の平坦な上面に該支持体３０の表面３０Ａが当接するように載置した状態で、接着剤４８を硬化させる。即ち、治具８０上で検出素子１０の表面と支持体３０の表面３０Ａとが揃った状態で接着するため、熱式空気流量センサの検出素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａの段差をなくし、大量生産における熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくすることが可能になる。

請求項２では、接着剤４８の硬化を、治具８０の平坦な上面に検出素子１０の表面１０Ａと支持体３０の表面３０Ａとが当接するように載置した状態で行う。治具８０上で検出素子１０の表面１０Ａと支持体３０の表面３０Ａとが揃った状態で接着剤４８を硬化させるため、熱式空気流量センサの検出素子１０の表面１０Ａと支持体３０の表面３０Ａの段差をなくし、大量生産における熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくすることが可能になる。

参考例に係る熱式空気流量センサの断面図である。図１に示す熱式空気流量センサの平面図である。図１に示すセンサ素子裏面側の平面図である。図３に示すセンサ素子裏面側のチップ分割前の状態を示す部分平面図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、参考例に係るセンサ素子のセンサ支持体への取り付けを示す工程図である。本発明の実施形態に係る熱式空気流量センサの断面図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、実施形態に係るセンサ素子のセンサ支持体への取り付けを示す工程図である。（Ａ）、（Ｂ）は従来技術に係る熱式空気流量センサの断面図である。

[参考例]
以下、参考例について図面を参照しながら説明する。
図１は参考例に係るセンサ素子１０が接着剤４８によりセンサ支持体３０に取付けられた状態の断面図を示し、図２は平面図を示す。図１は図２のＡ−Ａ断面図である。センサ素子１０は半導体製造技術により作製され、単結晶シリコン基板１２上に電気絶縁層１４を形成し、その上に少なくとも１つの発熱抵抗体１６ａ及び空気温度測温抵抗体１６ｂを有している。発熱抵抗体１６ａ及び空気温度測温抵抗体１６ｂの上には保護層２２が被覆されている。この発熱抵抗体１６ａの領域下部には単結晶シリコン基板１２をエッチングにより除去した空洞部（窪み）１８が形成される。このような構造により、発熱抵抗体１６ａの熱が単結晶シリコン基板１２を熱伝導して逃げることを防止する。

センサ素子１０の発熱抵抗体１６ａ及び空気温度測温抵抗体１６ｂはセンサ素子側電極２０に接続されており、この電極と樹脂等の電気絶縁基板上に形成された信号処理回路の電極５０が金線５２等によるボンディングにより接続されている。この信号処理回路は公知の制御方式によりセンサ素子１０への電流，電圧供給、及びセンサ素子１０からの電気信号の出力のために使用される。センサ素子１０が取付けられたセンサ支持体３０は例えば、内燃機関の吸入空気通路の内部にある副通路中にセンサ素子１０が配置されるように固定される。図２中に示すように空気流６０はセンサ素子１０の長辺側方から加えられる。

ここで、センサ素子１０は、例えば図示の例では長辺が６mm，短辺が２.５mm，厚さが０.３mm程度である。一方、センサ支持体３０は樹脂から成り、窪み３２と、窪み３２の直下に接着剤４８を充填するための充填孔３４とが形成されている。接着剤４８は、窪み３２の突出底面３２ＢＴとセンサ素子１０の裏面１０Ｂとの間に充填される。窪み３２はセンサ素子１０が完全に収容される形状であり、窪み３２の深さ（窪み３２の内のセンサ素子を支持する突出底面３２ＢＴでの深さ）Ｄ２はセンサ素子１０の厚さＨ２よりもわずかに大きく、例えば図示の例では０.３２mm程度である。窪み３２の側壁とセンサ素子１０との間には、隙間６２ａ、６２ｂ、６２ｃが設けられている。

参考例の熱式空気流量センサは、センサ素子１０は、センサ支持体３０に設けられた窪み３２の底部の突出底面３２ＢＴに接着剤４８を介して固定されている。ここで、センサ素子１０を窪み３２の突出底面３２ＢＴに固定する接着剤４８の厚みを、センサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃うように窪み３２の突出底面３２ＢＴに設けられた充填孔３４から接着剤４８を充填してある。このため、熱式空気流量センサのセンサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａの段差をなくし、単体調整を行い得ない大量生産における熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくすることが可能になる。

また、参考例の熱式空気流量センサは、センサ支持体３０が樹脂からなるため、廉価である反面、窪み３２の深さが１００μｍのオーダでばらつく。しかし、接着剤４８の厚みを、センサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃うように充填してある。これにより、熱式空気流量センサのセンサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａの段差をなくしてある。なお、参考例では、センサ支持体３０が樹脂からなったが、アルミナ等のセラミックを用いることも可能である。

以下、センサ素子１０の製造プロセスについて説明する。
図３は図１に示すセンサ素子１０の裏面側の平面図、図４は図３のセンサ素子１０をチップに分割する前の状態の部分平面図である。単結晶シリコン基板１２上に電気絶縁層１４として二酸化シリコン層を熱酸化あるいはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)等の方法で形成後、窒化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。次に多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成し、不純物としてリンを熱拡散またはイオン注入によりドーピングする。その後、公知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定の形状に形成し、反応性イオンエッチング等の方法により、多結晶シリコン層をパターニングすることにより発熱抵抗体１６ａ，空気温度測温抵抗体１６ｂ等を形成する。次に、保護層２２として窒化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成後、二酸化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。その後、電極２０を形成する部分の保護層をエッチングにより取り除きアルミニウムにより電極２０を形成する。最後に、空洞部１８を形成するために、単結晶シリコン基板１２の発熱抵抗体１６ａを形成していない面にＣＶＤ等の方法により窒化シリコン層を形成し、図示しないマスクを使用して公知のホトリソグラフィ技術によりレジストを所定の形状に形成し、イオンエッチング等によりパターニングを行う。その後、異方性エッチングを行い、空洞部１８を形成する（図４参照）。その後、ダイシングによりチップに分割される（図３参照）。

図５を参照してセンサ素子１０のセンサ支持体１０への取り付けについて説明する。
まず、治具８０の平坦な上面に、センサ素子１０を表面１０Ａ側が当接するように載置する（図５（Ａ））。次に、センサ支持体３０を、窪み３２内にセンサ素子１０を収容させるように、該センサ支持体３０の表面３０Ａが治具８０の上面に当接するように載置する（図５（Ｂ））。この状態で、センサ支持体３０の表面３０Ａとセンサ素子１０の表面１０Ａとの段差が無くなると共に、センサ支持体３０に対してセンサ素子１０の傾きがゼロになる。その後、センサ支持体３０の窪み３２の突出底面３２ＢＴに設けられた充填孔３４から、センサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃うようにセンサ素子１０の裏面１０Ｂと窪み３２の突出底面３２ＢＴとの間に接着剤４８を充填し、この状態で接着剤４８を硬化させる（図５（Ｃ））。治具８０から外して反転させることで、センサ素子１０のセンサ支持体３０への取り付けが完了する（図５（Ｄ））。なお、接着剤４８としてはエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。ここで、センサ素子１０の裏面１０Ｂと窪み３２の突出底面３２ＢＴとの間のクリアランスは狭いので、この間に接着剤４８を充填する際には、毛細管現象により均等、かつ、エアー等を残すことなく完全に充填することが可能である。ここで、突出底面３２ＢＴは窪み３２の他の底部から僅かに突出しているので、突出底面３２ＢＴの端部において接着剤４８は止まり、過剰な圧力を加えて接着剤４８を充填しない限り、突出底面３２ＢＴの端部から接着剤４８が溢れることはない。

参考例の熱式空気流量センサの製造方法では、センサ素子１０をセンサ支持体３０の窪み３２に収容し、治具８０の平坦な上面に、センサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが当接するように載置した状態で、接着剤４８を充填孔３４からセンサ素子１０の裏面１０Ｂとセンサ支持体３０の窪み３２の突出底面３２ＢＴとの間に充填して、硬化させる。即ち、治具８０上でセンサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃い、且つ、センサ支持体３０に対してセンサ素子１０の傾きが全く無い状態で接着するため、熱式空気流量センサのセンサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａの段差、及び、センサ素子１０の傾きをなくし、大量生産における熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくすることが可能になる。

[実施形態]
引き続き、本発明の実施形態に係る熱式空気流量センサ及びその製造方法について図６、図７を参照して説明する。
図６は、本発明の実施形態に係るセンサ素子１０が接着剤４８によりセンサ支持体３０に取付けられた状態の断面図を示す。
図１を参照して上述した参考例では、センサ支持体３０に接着剤を充填するための充填孔が設けられていたが、実施形態では充填孔が省略されている。

図７を参照して実施形態に係るセンサ素子１０のセンサ支持体１０への取り付けについて説明する。
まず、治具８０の平坦な上面に、センサ素子１０を表面１０Ａ側が当接するように載置し、裏面１０Ｂ側に接着剤４８を乗せる（図７（Ａ））。次に、センサ支持体３０を、窪み３２内にセンサ素子１０を収容させるように、該センサ支持体３０の表面３０Ａが治具８０の上面に当接するように載置する（図７（Ｂ））。この際に、センサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃った状態でセンサ素子１０の裏面１０Ｂと窪み３２の突出底面３２ＢＴとの間に接着剤４８が広がる。その後、この状態で接着剤４８を硬化させる（図７（Ｃ））。これにより、センサ素子１０のセンサ支持体３０への取り付けが完了する（図７（Ｄ））。

実施形態に係る熱式空気流量センサの製造方法では、治具８０の平坦な上面にセンサ素子１０の表面１０Ａが当接するように載置した状態で、センサ素子１０の裏面１０Ｂ側に接着剤４８を配置する。そして、センサ支持体３０を、窪み３２にセンサ素子１０を収容し当該窪み３２の底面３２ＢＴに接着剤４８を介してセンサ素子１０の裏面１０Ｂを対向させ、治具８０の平坦な上面に該センサ支持体３０の表面３０Ａが当接するように載置した状態で、接着剤４８を硬化させる。即ち、治具８０上でセンサ素子１０の表面とセンサ支持体３０の表面３０Ａとが揃った状態で接着するため、熱式空気流量センサのセンサ素子１０の表面１０Ａとセンサ支持体３０の表面３０Ａの段差をなくし、大量生産における熱式空気流量センサ特性のバラツキを小さくすることが可能になる。

１０センサ素子（検出素子）
１０Ａセンサ素子の表面
１０Ｂセンサ素子の裏面
１２単結晶シリコン基板
１４電気絶縁層
１６ａ発熱抵抗体
１６ｂ空気温度測温抵抗体
１８空洞部
２０電極
３０センサ支持体
３０Ａセンサ支持体の表面
３２窪み
３２ＢＴ突出底面
３４充填孔
４８接着剤
８０治具

Claims

半導体基板に絶縁層を介して発熱抵抗体を形成した検出素子と、前記検出素子が固定される窪みを有する支持体と、を備えた熱式空気流量センサの製造方法において：
前記検出素子を、治具の平坦な上面に、前記検出素子の表面が当接するように載置する工程と；
前記検出素子の裏面側に接着剤を配置する工程と；
前記支持体を、前記窪みに前記検出素子を収容して当該窪みの底面に前記接着剤を介して前記検出素子の裏面を対向させた状態で、前記治具の平坦な上面に該支持体の表面が当接するように載置する工程と；
前記接着剤を硬化させる工程と；から成ることを特徴とする熱式空気流量センサの製造方法。
前記接着剤の硬化は、前記治具の平坦な上面に、前記検出素子の表面と前記支持体の表面とが当接するように載置した状態で行うことを特徴とする請求項１の熱式空気流量センサの製造方法。