JP5175974B2 - 容量型湿度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子感湿膜を誘電体とした容量型湿度センサ及びその製造方法に関する。

湿度変化測定に用いられる湿度センサには、吸収または放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を誘電体とした静電容量型の湿度センサがある。容量型湿度センサは、上記高分子感湿膜と該高分子感湿膜で覆われてその静電容量を検出する一対の電極からなるセンサ部を備え、一対の電極端部に設けたパッド部がワイヤボンディングにより外部回路と電気的に接続可能となっている。このような容量型湿度センサは、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００８−１０７１６６号公報

上記従来構造では、高分子感湿膜とボンディングワイヤが剥き出しになっており、ボンディングワイヤが衝撃や腐食に弱いという課題があった。特に、外部回路としての制御ＩＣをセンサ部と同一の支持基板上に備える構造では、制御ＩＣ及びワイヤボンディング部を衝撃による破損や腐食から保護するために基板全体を封止したいという要望があるが、センサ部の高分子感湿膜を雰囲気に曝す必要があり、十分な封止が行なえていなかった。

また、容量型湿度センサには、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部を同一基板上に備え、センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力するタイプがある。このタイプでは、基板表面を剥き出しにしてセンサ部の高分子感湿膜を雰囲気に曝すと、基準部の封止性が十分に得られないおそれがあった。

本発明は、センサ部と基準部を有するセンサチップ基板とＩＣ基板とを同一の支持基板に搭載した容量型湿度センサ及びその製造方法において、ワイヤボンディング部及びＩＣ基板の衝撃による損傷や腐食を防止でき、さらに、基準部の封止性を向上させることを目的とする。

本発明は、センサ部の外周から基準部までを覆う保護部材を設ければ、保護部材の内側でセンサ部を雰囲気に露出させる空間を確保でき、保護部材により基準部の封止性が高められ、さらに保護部材の外側でセンサ部以外の構成要素を樹脂材料で封止できることに着目して完成されたものである。

すなわち、本発明は、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及び該センサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板と、導通ワイヤーを介して前記複数のパッド部と電気的に接続し、前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板とを同一の支持基板上に接着固定してなる容量型湿度センサにおいて、前記センサチップ基板上に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を設け、この保護部材で覆われた領域を除いて前記支持基板を封止樹脂で覆い、この保護部材で囲まれた領域で前記センサ部を雰囲気に曝露させるとともに、前記パッド部、前記導通ワイヤー及び前記ＩＣ基板を前記封止樹脂で覆ったことを特徴としている。前記封止樹脂の表面高さは、前記保護部材の表面高さと一致していることが実際的である。

また本発明は、製造方法の態様によれば、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及びこれらセンサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板を多数用意し、各センサチップ基板に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を形成する工程と、前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板を多数用意する工程と、ダイシングラインにより画定された多数のセンサエリアを有する単一の支持基板を用意する工程と、前記支持基板の上面に、各センサエリア毎に、前記保護部材を形成したセンサチップ基板と前記ＩＣ基板を一対で接着固定する工程と、導通ワイヤーにより前記センサチップ基板のパッド部と前記ＩＣ基板を電気的に接続する工程と、樹脂注入用のキャビティを規定する凹部を有する金型を用意し、この金型を、該金型の凹部と前記センサチップ基板に設けた保護部材の上面を当接させた状態で、前記支持基板の上面に固定する工程と、前記保護部材の外側で前記金型の凹面と前記支持基板の上面との間に形成されたキャビティに、溶融した封止樹脂を注入して硬化させる工程と、前記金型を外す工程と、前記支持基板をダイシングラインに沿って切断する工程とを有することを特徴としている。前記金型は、該金型の凹部に剥離シートを装着した状態で、前記支持基板に固定することが好ましい。

別の態様によれば、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及びこれらセンサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板を多数用意し、各センサチップ基板に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を形成する工程と、前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板を多数用意する工程と、ダイシングラインにより画定された多数のセンサエリアを有する単一の支持基板を用意する工程と、前記支持基板の上面に、各センサエリア毎に、前記保護部材を形成したセンサチップ基板と前記ＩＣ基板を一対で接着固定する工程と、導通ワイヤーにより前記センサチップ基板のパッド部と前記ＩＣ基板を電気的に接続する工程と、前記支持基板の上面の周縁部に、樹脂注入用のキャビティを規定する外枠を設ける工程と、この外枠内であって前記保護部材の外側に、溶融した封止樹脂を該保護部材の上面と表面高さが一致するまで注入して硬化させる工程と、前記外枠を外す工程と、前記支持基板をダイシングラインに沿って切断する工程と、を有することを特徴としている。

前記保護部材は、樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかで形成することが好ましい。

本発明によれば、センサ部を曝露させる空間が保護部材によって確保され、基準部が保護部材で覆われ、さらに保護部材の外側で支持基板が封止樹脂で覆われるので、支持基板に設けたセンサ部以外の構成要素を封止できる。これにより、ワイヤボンディング部及びＩＣ基板の衝撃による損傷や腐食を防止でき、基準部の封止性に優れた容量型湿度センサ及びその製造方法が得られる。

本発明を適用した容量型湿度センサの主要構成を示す断面図（図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図）である。 同容量型湿度センサを示す平面図である。 同容量型湿度センサのセンサ部と基準部に共通の平行平板構造を示す平面図である。 本発明の第１実施形態による容量型湿度センサの製造工程の一工程を示す断面図である。 図４の次工程を示す断面図である。 図５の次工程を示す断面図である。 図６の次工程を示す断面図である。 図７の次工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による容量型湿度センサの製造工程の一工程を示す断面図である。 図９の次工程を示す断面図である。 図１０の次工程を示す断面図である。 図１１の次工程を示す断面図である。 図１２の次工程を示す断面図である。 図１３の次工程を示す断面図である。

図１及び図２は、本発明による容量型湿度センサ１００の主要構成を示す断面図及び平面図である。容量型湿度センサ１００は、吸収または放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿材料を誘電体とした高分子膜湿度センサである。この容量型湿度センサ１００は、単一の支持基板１の上に接着固定したセンサチップ基板１０とＩＣ基板５０を有している。

例えばシリコンからなるセンサチップ基板１０には、湿度によって静電容量Ｃ２０が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量Ｃ３０を保持する基準部３０と、このセンサ部２０及び基準部３０の出力端子となる複数のパッド部４０が形成されている。

センサ部２０と基準部３０は、同一材料を用いて同一プロセスで形成された下部電極膜１１、高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３からなる同一の平行平板構造を有している。この平行平板構造を図３に示す。下部電極膜１１と高分子感湿膜１２と上部電極膜１３は、センサチップ基板１０上に下部電極膜１１から順に積層形成されていて、ほぼ同一の平面視円形状をなしている。下部電極膜１１と上部電極膜１３は、例えばＡｌ等の電極材料からなり、各々の膜厚は均一である。高分子感湿膜１２は、ポリイミドからなり、均一の膜厚で形成されている。下部電極膜１１と上部電極膜１３の間隔ｄは高分子感湿膜１２の膜厚に等しく、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間に蓄積される静電容量Ｃは、高分子感湿膜１２の誘電率ε、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間隔ｄと対向面積Ｓで決定される（Ｃ＝εＳ／ｄ）。

上部電極膜１３には、高分子感湿膜１２を露出させる開口部１３ａが多数設けられている。多数の開口部１３ａは、下部電極膜１１と対向する領域に左右上下方向に所定間隔をあけて並び、平面矩形状をなしている。この開口部１３ａの数、平面形状及び形成位置は任意である。図３のＩ−Ｉ線に沿う断面は、図１に示されている。

基準部３０では、雰囲気との水分授受を遮断する非透湿保護膜１４が上部電極膜１３の上に形成されており、この非透過保護膜１４によって上部電極膜１３の開口部１３ａが覆われている。非透湿保護膜１４は、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ膜）やＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂積層膜からなる。高分子感湿膜１２は、上部電極膜１３及び非透湿保護膜１４により覆われて雰囲気に曝されないので、雰囲気中の湿度（水分量）が変化しても該高分子感湿膜１２中の水分量は変化せず、誘電率εも変化しない。これにより、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間には一定の静電容量（基準容量）Ｃ３０が保持される。

一方のセンサ部２０では、非透湿保護膜１４が上部電極膜１３のみを覆っていて、上部電極膜１３に設けた多数の開口部１３ａは非透湿保護膜１４で覆われていない。高分子感湿膜１２は、この多数の開口部１３ａを介して雰囲気に曝されるので、雰囲気中の湿度（水分量）に応じて吸収または放出する水分量が変化し、誘電率εが変化する。この結果、下部電極膜１１と上部電極膜１３間の静電容量（センサ容量）Ｃ２０は変化する。

複数のパッド部４０は、センサ部２０の上部電極膜１３から引き延ばした配線導体の端部に設けられたパッド４０ａと、センサ部２０と基準部３０のそれぞれの下部電極膜１１を接続する配線導体から分岐された配線導体の端部に設けられたパッド４０ｂと、基準部３０の上部電極膜１３から引き延ばした配線導体の端部に設けられたパッド４０ｃとからなる。この複数のパッド部４０は、非透湿保護膜１４で覆われていない。

例えばシリコンからなるＩＣ基板５０には、複数のパッド部４０を介してセンサチップ基板１０のセンサ部２０と基準部３０に電気的に接続し、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０の差分ΔＣ＝Ｃ２０−Ｃ３０）を電圧に変換して出力する制御回路（制御ＩＣ）が形成されている。制御回路のパッド部とセンサチップ基板１０の複数のパッド部４０は、導体ワイヤー５１によって電気的に接続されている。またＩＣ基板５０は、導体ワイヤー５２（図１）によって支持基板１に接地されている。

上記全体構成を有する容量型湿度センサ１００は、センサチップ基板１０上に、センサ部２０を囲む閉領域を画成するとともにセンサ部２０の外周と基準部３０を完全に覆う保護部材６０を備え、この保護部材６０の外側で支持基板１が封止樹脂６１により封止されている。封止樹脂６１は、センサチップ基板１０上のパッド部４０とＩＣ基板５０全体と導体ワイヤー５１、５２を完全に覆っている。封止樹脂６１の表面高さは、保護部材６０の表面高さと一致する。封止樹脂６１には、例えばＳｉＯ₂フィラー含有のエポキシ樹脂が用いられ、保護部材６０には、例えば樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかが用いられている。本実施形態の保護部材６０は、平面円形をなすセンサ部２０直径よりも大径の内周面を有する円盤形状で形成されている。

上記保護部材６０を備えることで、保護部材６０で囲んだ閉領域にセンサ部２０を雰囲気に暴露するための空間を確保でき、センサ部２０を曝すこととセンサ部２０以外の構成部品を封止することを両立できる。そして、基準部３０は保護部材６０で覆われているので、基準部３０が封止樹脂６１によるダメージを受けずに済み、基準部３０の封止性が向上する。さらに封止樹脂６１により、センサチップ基板１０のパッド部４０、ＩＣ基板５０及び導通ワイヤー５１、５２の腐食や衝撃による破損を防止できる。

次に、図４〜図８を参照し、本発明による容量型湿度センサの製造方法の第１実施形態について説明する。図４〜図８は、第１実施形態による製造工程を示す断面図である。図４〜図８において、センサ部２０と基準部３０の詳細な構造及びパッド部４０は図示省略してある。

先ず、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部３０と、このセンサ部２０及び基準部３０の出力端子であるパッド部４０とを備えたセンサチップ基板１０を多数準備し、各センサチップ基板１０に、センサ部２０の外周及び該外周から基準部３２までを覆う保護部材６０を形成する。保護部材６０は、例えば樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかにより形成する。また、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０の容量差分ΔＣを電圧に変換して出力する制御回路（制御ＩＣ）を形成したＩＣ基板５０（図１、図２）を多数準備する。準備するセンサチップ基板１０とＩＣ基板５０の数は同一である。

次に、図４に示されるように、単一の支持基板１の上面１ａに、多数のセンサチップ基板１０及びＩＣ基板５０を接着固定する。支持基板１０には左右上下方向にダイシングラインが設定されており、このダイシングラインで画定される多数のセンサエリアに、センサチップ基板１０とＩＣ基板５０を一対でそれぞれ設ける。基板固定には、例えば樹脂接着剤を用いる。

続いて、同図４に示されるように、各センサエリアにおいて、センサチップ基板１０のパッド部４０とＩＣ基板５０のパッド部を導通ワイヤー５１で接続し、ＩＣ基板５０と支持基板１を導通ワイヤー５２で接続する。

そして、図５〜図７に示されるように、トランスファーモールド法を用いて支持基板１を封止する。この封止工程では、樹脂注入領域を定めるキャビティを形成する凹部７０ａを有する金型７０と、この金型７０の離型を容易にする剥離シート７１を用いる。

より具体的には、図５に示されるように、金型７０の凹部７０ａに剥離シート７１を装着し、この剥離シート７１を支持基板１の上面１ａに対向させて金型７０を支持基板１に固定する。この固定状態では、センサチップ基板１０に設けた保護部材６０の上面が剥離シート７１を介して金型７０の凹部７０ａに当接し、保護部材６０で囲まれた閉領域（内周側）は金型７０によって閉じられ、保護部材６０で覆われた領域の外側（外周側）で金型７０と支持基板１との間にキャビティが形成される。このように金型７０を固定したら、図６に示されるように、保護部材６０の外側で金型７０と支持基板１との間に形成されたキャビティに、溶融した封止樹脂６１を注入する。注入された封止樹脂６１は、保護部材６０の外側を埋めてＩＣ基板５０、導通ワイヤー５１、５２、センサチップ基板１０のパッド部４０を封止し、保護部材６０で囲まれた領域には入り込まない。そして、封止樹脂６１が硬化したら金型７０を剥がす。封止樹脂６０と金型７０の間には剥離シート７１を介在させているので、金型７０は容易に離型する。図７は、金型７０を外した後の状態を示している。封止樹脂６１の表面高さは、保護部材６０の表面高さと一致する。

金型７０を外したら、図８に示されるように支持基板１をダイシングラインに沿って切断し、個々の容量型湿度センサ１００（図１）を得る。

続いて、図９〜図１４を参照し、本発明による容量型湿度センサの製造方法の第２実施形態について説明する。図９〜図１４は、第２実施形態による製造工程を示す断面図である。図９〜図１４において、センサ部２０と基準部３０の詳細な構造及びパッド部４０は図示省略してある。

先ず、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部３０と、このセンサ部２０及び基準部３０の出力端子であるパッド部４０とを備えたセンサチップ基板１０を多数準備し、各センサチップ基板１０に、センサ部２０の外周と該外周から基準部３０までを覆う保護部材６０を形成する。保護部材６０は、例えば樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかにより形成する。また、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０の容量差分ΔＣを電圧に変換して出力する制御回路（制御ＩＣ）を形成したＩＣ基板５０（図１、図２）を多数準備する。準備するセンサチップ基板１０とＩＣ基板５０の数は同一である。

次に、図９に示されるように、単一の支持基板１の上面１ａに、多数のセンサチップ基板１０及びＩＣ基板５０を接着固定する。支持基板１０には左右上下方向にダイシングラインが設定されており、このダイシングラインで画定される多数のセンサエリアに、センサチップ基板１０とＩＣ基板５０を一対でそれぞれ設ける。基板固定には、例えば樹脂接着剤を用いる。

続いて、同図９に示されるように、各センサエリアにおいて、センサチップ基板１０のパッド部４０とＩＣ基板５０のパッド部を導通ワイヤー５１で接続し、ＩＣ基板５０と支持基板１を導通ワイヤー５２で接続する。ここまでの工程は、上述した第１実施形態と同様である。

ワイヤボンディング後は、図１０に示されるように、支持基板１の上面１ａの周縁部に、樹脂注入領域を定める外枠８０を設ける。そして、図１１及び図１２に示されるように、樹脂ディスペンサー８１を用いて、外枠８０内であって保護部材６０で覆われた領域の外側に、溶融した封止樹脂６１を注入する。封止樹脂６１の注入は、保護部材６０の上面と表面高さが一致するまで行う。封止樹脂６１が硬化したら外枠８０を外す。図１３は、外枠８０を外した後の状態を示している。

外枠８０を外したら、図１４に示されるように支持基板１をダイシングラインに沿って切断し、個々の容量型湿度センサ１００（図１）を得る。

上記第１及び第２実施形態の製造方法によれば、センサ部２０を囲む閉領域を除いて基準部３０を覆う保護部材６０を設けたことで、センサ部２０を雰囲気に曝すための空間を確保できるとともに、この空間を除いて支持基板１及び該支持基板１に設けたセンサ部２０及び基準部３０以外の構成要素を一括で樹脂モールドすることが可能になった。これにより、製造工程が容易となり、また、低コスト化を図れる。また、基準部３０は封止樹脂６１ではなく保護部材６０で覆われているので、封止樹脂６１としてフィラーを混入した樹脂材料を用いる場合に基準部３０にダメージを与えることがなく、基準部３０の封止性を向上させることができる。

以上では、高分子感湿膜１２を下部電極膜１１と上部電極膜１３で挟んだ平行平板構造からなるセンサ部２０と基準部３０を備えた実施形態について説明したが、センサ部と基準部が高分子感湿膜とこの高分子感湿膜で覆われてその静電容量を検知する一対の電極とを有する構造の容量型湿度センサにおいても本発明を適用できる。

本願発明は、環境測定用の湿度センサに適用可能である。

１００ 容量型湿度センサ
１ 支持基板
１０ センサチップ基板
１１ 下部電極膜
１２ 高分子感湿膜
１３ 上部電極膜
１４ 非透湿保護膜
２０ センサ部
３０ 基準部
４０ パッド部
５０ ＩＣ基板
６０ 保護部材
６１ 封止樹脂
７０ 金型
７１ 剥離シート
８０ 外枠
８１ 樹脂ディスペンサー

Claims (7)

1. 湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及び該センサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板と、導通ワイヤーを介して前記複数のパッド部と電気的に接続し、前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板とを同一の支持基板上に接着固定してなる容量型湿度センサにおいて、
   前記センサチップ基板上に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を設け、この保護部材で覆われた領域を除いて前記支持基板を封止樹脂で覆い、この保護部材で囲まれた領域で前記センサ部を雰囲気に曝露させるとともに、前記パッド部、前記導通ワイヤー及び前記ＩＣ基板を前記封止樹脂で覆ったことを特徴とする容量型湿度センサ。
2. 請求の範囲第１項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記封止樹脂の表面高さと前記保護部材の表面高さを一致させた容量型湿度センサ。
3. 請求の範囲第１項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記保護部材は、樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかで形成されている容量型湿度センサ。
4. 湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及びこれらセンサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板を多数用意し、各センサチップ基板に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を形成する工程と、
   前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板を多数用意する工程と、
   ダイシングラインにより画定された多数のセンサエリアを有する単一の支持基板を用意する工程と、
   前記支持基板の上面に、各センサエリア毎に、前記保護部材を形成したセンサチップ基板と前記ＩＣ基板を一対で接着固定する工程と、
   導通ワイヤーにより前記センサチップ基板のパッド部と前記ＩＣ基板を電気的に接続する工程と、
   樹脂注入用のキャビティを規定する凹部を有する金型を用意し、この金型を、該金型の凹部と前記センサチップ基板に設けた保護部材の上面を当接させた状態で、前記支持基板の上面に固定する工程と、
   前記保護部材の外側で前記金型の凹面と前記支持基板の上面との間に形成されたキャビティに、溶融した封止樹脂を注入して硬化させる工程と、
   前記金型を外す工程と、
   前記支持基板をダイシングラインに沿って切断する工程と、
   を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
5. 請求の範囲第４項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記金型は、該金型の凹部に剥離シートを装着した状態で、前記支持基板に固定する容量型湿度センサの製造方法。
6. 湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部、湿度によらず静電容量が変化しない基準部及びこれらセンサ部及び基準部の出力端子である複数のパッド部を備えたセンサチップ基板を多数用意し、各センサチップ基板に、前記センサ部を囲む閉領域を画成するとともに前記基準部を覆う保護部材を形成する工程と、
   前記センサ部と前記基準部の容量差分を電圧に変換して出力するＩＣ基板を多数用意する工程と、
   ダイシングラインにより画定された多数のセンサエリアを有する単一の支持基板を用意する工程と、
   前記支持基板の上面に、各センサエリア毎に、前記保護部材を形成したセンサチップ基板と前記ＩＣ基板を一対で接着固定する工程と、
   導通ワイヤーにより前記センサチップ基板のパッド部と前記ＩＣ基板を電気的に接続する工程と、
   前記支持基板の上面の周縁部に、樹脂注入用のキャビティを規定する外枠を設ける工程と、
   この外枠内であって前記保護部材の外側に、溶融した封止樹脂を該保護部材の上面と表面高さが一致するまで注入して硬化させる工程と、
   前記外枠を外す工程と、
   前記支持基板をダイシングラインに沿って切断する工程と、
   を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
7. 請求の範囲第４項ないし第６項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記保護部材は、樹脂材料、シリコン、ガラスのいずれかで形成する容量型湿度センサの製造方法。

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