JP5743871B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本発明は、被計測流体中に発熱抵抗体を設置し流量を測定する熱式の空気流量計に係り、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定に好適な空気流量計に関わる。

自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する空気流量計として、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量計が主流である。

近年では、マイクロマシン技術を用いてシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプのセンサ素子は、半導体基板の一部を矩形状に除去した空洞部を形成し、この空洞部すなわち薄膜部に形成した数ミクロンの電気絶縁膜上に発熱抵抗体を形成している。また、発熱抵抗体の近傍の上下流に温度センサ（感温抵抗体）を形成し、発熱抵抗体の上下流の温度差から流量を検出する温度差方式により、順流と逆流の判別も可能である。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、薄膜状に形成されることから、熱容量が小さく高速応答化や低消費電力化が可能である。

このような半導体タイプのセンサ素子を有する空気流量計におけるセンサ素子や駆動回路の実装構造、いわゆるチップパッケージ化に関して特許文献１に記載のものがある。

特許文献１には、流体の流量を検出するセンサチップと、センサチップと電気的に接続された外部接続端子としてのリードと、センサチップとリードの接続部が被覆され、流量検出部が露出されるように一体的に配置された封止樹脂とを備えた構成のものが開示されている。さらに特許文献１の図２には、センサチップと同時に駆動チップも金属のリードフレームに実装され樹脂封止されている例が示されている。

特開２００８−１７５７８０号公報

現在、実用化されている半導体タイプのセンサ素子を有する空気流量計は、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）などのセラミック基板上にセンサ素子や駆動回路が搭載され、製品の本体内部に基板が実装されている構成のものが主流である。駆動回路は、搭載性の観点から半導体の集積技術によって１チップ化されたＬＳＩが用いられている。また、サージや電波障害など外乱のノイズから駆動回路を保護するために、セラミック基板上にチップコンデンサが別途備えられ電気的な接続がなされている。このノイズから駆動回路を保護するためのチップコンデンサは容量が大きく、ＬＳＩの中へは配置せずセラミック基板上に外付けで配置されているものが多い。

一方で、自動車用の熱式空気流量計においては、エンジンに吸入される空気の温度を検出するための空気温度検出素子を一体化した構成のものが大半を占める。この空気温度の検出は、空気流量の計量とは無関係に、エンジンコントロールユニット内に取り込まれエンジンの燃焼を制御するために用いられている。特に冷間始動時の触媒の早期活性化やエンジン暖機後にエンジン状態の急変時に排出される排気中のＮＯｘ低減など過渡時のエンジン燃焼制御にも必要不可欠である。この使用目的からも温度検出素子には高速な応答性が要求される。

温度検出する手段は複数存在するが、これらの要件からサーミスタ素子を用いるケースが多く、特にアキシャルリードタイプと呼ばれる正極と負極が軸方向のほぼ同一直線上にリードワイヤが並ぶ素子が多く用いられている。またこのアキシャルリードタイプの温度検出素子は、空気流量計の樹脂筐体のインサートされたリード端子に溶接にて接続固定されている。

前述のとおり、駆動回路を保護するための保護回路を構成するチップコンデンサや吸入空気の温度を検出する素子が、それぞれ個別に実装されていることにより構造が複雑となっている。

本発明の目的は、高精度で信頼性が高く、かつ簡素な構造でより安価な熱式流量計を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、被計測流体を採り込む副通路と、前記副通路内の被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、被計測流体の温度を検出する温度検出素子と、前記センサ素子の加熱温度を制御する駆動回路と、ノイズから前記駆動回路を保護する保護回路と、を備え、前記センサ素子の基板に空洞部が形成され、前記空洞部上の薄膜部には電気絶縁膜を介して発熱抵抗体が形成されており、前記薄膜部の温度分布から流量を検出する熱式流量計において、前記センサ素子と前記駆動回路は、金属のリードフレームに実装され、前記センサ素子および前記駆動回路および前記リードフレームは、全周を熱硬化性樹脂で封止することによりチップパッケージされ、少なくとも駆動回路を保護するためのチップ部品あるいは空気温度検出素子のどちらか一方を、前記チップパッケージの内部に混載した。

本発明によれば、高精度で信頼性が高く、かつ簡素な構造でより安価な熱式流量計を提供できる。

本発明の第１の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第１の実施形態を示すチップパッケージの断面図。 本発明の第２の実施形態を示すチップパッケージの断面図。 本発明の第２の実施形態であるチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第２の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態であるチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第３の実施形態に類似したチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態に類似したチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第２の実施形態をベースとした好適なチップパッケージの断面図。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

図１と図２に本発明の第１の実施形態であるチップパッケージの構成を示す。図１において、チップパッケージ１は、センサ素子２と駆動回路３とチップコンデンサ４とチップサーミスタ５が金属基板であるリードフレーム６に直接実装され、センサ素子２と駆動回路３および駆動回路３とリードフレーム６間は金線ワイヤー８ａと８ｂによってそれぞれ電気的な接続がなされている。これらチップ部品であるセンサ素子２、駆動回路３、チップコンデンサ４、チップサーミスタ５が実装されたリードフレーム６をモールド成型によって、その全周を熱硬化性樹脂９にて樹脂封止した構成からなる。

図２の断面図に示したように、センサ素子２を初めとしたチップ部品は接着剤７ａ及び７ｂを介してリードフレーム６に接着固定されている。特にチップコンデンサ４や図１に表記したチップサーミスタ５の導電性接着剤７ｂは、それらチップ部品の電極部とリードフレーム６の導通を確保するために導電性接着剤を用いる必要がある。被計測流量を計測するセンサ素子２は、半導体基板に形成された空洞部１０を有し、数ミクロンの厚さの薄膜部１１が形成されている。この薄膜部１１には、電気絶縁膜を介して発熱抵抗体とその近傍に感温抵抗体が形成されており、発熱抵抗体によって薄膜部が加熱され、その表面を流れる流体の流量変化に依存して生じる薄膜部の温度分布の変化を、周囲に形成された感温抵抗体で検出することによって質量流量が計量されている。これらの計測原理に基づいてセンサ素子２の薄膜部１１は、周辺を覆う熱硬化性樹脂９から部分的に露出して樹脂封止されている。

また、センサ素子２や駆動回路３の外周にはアルミ電極が形成されており、センサ素子２と駆動回路３は前記アルミ電極間を直接金線ワイヤー８ａにて接続が行われており、さらに駆動回路３の前記アルミ電極とは異なる駆動回路の電源やＧＮＤあるいは出力用のアルミ電極とリードフレーム６が金線ワイヤー８ｂにより接続がなされている。駆動回路３では、センサ素子２に形成される発熱抵抗体の温度の制御やセンサ素子２によって検出された信号から流量に換算した信号に変換される。それら流量信号は、駆動回路３から金線ワイヤー８ｂを介して、熱硬化性樹脂９から突出した入出力端子１２から信号の取り込みや取り出しが行われる。

図１と図２には、駆動回路３を保護するチップコンデンサ４と空気温度検出素子のチップサーミスタ５を同時に樹脂封止した構成を示しているが、どちらか一方のみをチップパッケージ１内部へ混載した構成であってもよい。どちらか一方の場合においても熱式流量計の構成は簡素になり、後の生産工程が簡略できるため、本発明の効果を得ることができる。

ここで、本発案のような半導体タイプのセンサ素子を樹脂封止する構成における課題について述べる。図２で説明したとおり、センサ素子２は空洞部１０が形成されており、数ミクロンオーダの薄膜部１１を有する。半導体タイプの素子を用いた熱式流量計の特徴である高速応答は、この薄膜部１１の薄さが大きく寄与している。その反面、薄膜部１１の厚さが薄いため、機械的な応力や熱による膨張収縮によって加わる応力に敏感であり、特に生産の過程においては注意が必要になる。このような特徴を有するため、熱硬化性樹脂９のモールド成型時には、薄膜部１１に成型金型が直接触れると薄膜部１１の損傷や割れが発生する恐れがある。また前記センサ素子２の空洞部１０を熱硬化性樹脂９で密閉すると周囲の温度変化等に依存して内部に密閉された空気が膨張収縮を繰り返し薄膜部１１へ応力が加わり、流量の検出精度に悪影響を及ぼすことなどが懸念される。

これらの課題を回避するために本発案のチップパッケージをモールド成型する場合には、例えば成型金型の薄膜部１１と接触する箇所に逃げ（凹部形状）を設けて薄膜部１１には直接触れない形態でモールド成型を行い、成型後の熱硬化性樹脂９からセンサ素子２の薄膜部１１を部分的に露出させるとよい。また、センサ素子２の空洞部１０密閉時の課題については、図３に示した本発明の第２の実施形態であるチップパッケージの断面に示したように、例えばチップ部品を実装するリードフレーム６に通路１３となる機能を事前に持たせておき、かつモールド成型時には前記通路１３の出口部１４を部分的に成型金型で抑えて、出口部１４がチップパッケージ１の外部と繋げるとよい。これにより、センサ素子２の空洞部１０は、常に熱硬化性樹脂９の外部と連通されているため、周囲温度の変化よって生じる空洞部１０内の空気の膨張収縮は、熱硬化性樹脂９の外部への逃げや吸い込みによって吸収され薄膜部１１へ応力が加わることはなくなる。

次に図３〜図５を用いて、チップパッケージ内部に実装するチップ部品の好適な配置について説明する。

図４を用いて、熱式流量計へのチップパッケージ実装の要点について説明する。図４は、図３に断面を示したチップパッケージを熱式流量計に実装した場合の構成を示す。チップパッケージ１は、熱式流量計の筐体１５へ固定されている。この固定方法については、従来から多くもので用いられている熱硬化型の接着剤で接着するとよい。その他の手段としては、常温硬化型の接着剤や、あるいは機械的な固定手段を用いても特に問題はない。筐体１５の先端には吸気管路１６内を流れる空気を採り込む副通路１７が形成されている。副通路１７は筐体１５を挟み込むように配置されるカバーによって通路を構成する。チップパッケージ１の熱硬化性樹脂９から露出したセンサ素子２の薄膜部１１と空気の温度を検出するチップサーミスタ５は、副通路１７中に配置されるように筐体１５へ配置される。また副通路１７の形状については、図４では直管型の通路形状の場合を例にとって示しているが、迂回形状など副通路内に採り込んだ空気を旋回させる通路形状を適用してもよい。チップパッケージ１の樹脂に封止したその他チップ部品の駆動回路３とチップコンデンサ４は、回路室１８内へ配置されており、副通路１７と回路室１８の境界部１９は副通路１７と回路室１８間の気密が保てる手段を用いて仕切られている。チップパッケージ１から突出した入出力端子１２は、回路室１８内でコネクタ端子２１と溶接等によって接続され、コネクタ２０から信号が出力される。

図５は図３に示したチップパッケージの平面の構成図を示す。前述のとおり、流量を検出するセンサ素子２と駆動回路３は、リードフレーム６に実装され金線ワイヤー８ａによって電気的接続がなされている。金線ワイヤーでボンディング接続する場合は、金線のループ高さや長さの制約からセンサ素子２と駆動回路３は２〜４mm程度に近接するのが好ましい。センサ素子２と駆動回路３が搭載される箇所のリードフレーム６の幅や長さは、前記センサ素子２や駆動回路３の大きさや入出力端子１２の這い回しによって制限される。これらの事情を鑑みて、チップパッケージ１の外形は、基本的には搭載チップ部品の大きさや配置に合わせて最小の大きさで長方形とするのが最適と考えられる。

次に図３と図５を用いて、センサ素子に形成された空洞部と熱硬化性樹脂の外部を繋ぐ通路とその出口部の構成や配置ついて説明する。図３に示した通路１３の形成は、前記センサ素子２と駆動回路３を搭載する箇所のリードフレーム６の形状から、それらチップ部品の配置と並行して形成するのが最も効率的である。すなわちセンサ素子２や駆動回路３の直下に形成するのが好適である。前記において、通路１３の出口部１４をセンサ素子２と駆動回路３の間に設ける場合は、金線ワイヤー８ａと交錯するために成形するのは現実的には不可能である。したがって、図５に示すように出口部１４は駆動回路３を中心にセンサ素子２の配置とは正反対の場所に設けるのが好ましい。これらの理由から、センサ素子２と駆動回路３とセンサ素子２の空洞部１０が熱硬化性樹脂９の外部と連通する出口部１４を同一直線方向に配置し、かつセンサ素子２と出口部１４の間に駆動回路３を配置すると効率よくチップ部品を配置することが可能になり、チップパッケージ１のサイズを小さくすることができる。

図１や図５の本発明の実施形態であるチップパッケージの平面の構成に示したとおり、チップ部品が実装されたリードフレーム６全体を覆う熱硬化性樹脂９の形状は、チップパッケージ１を正面からみた場合、左右対称の長方形のチップパッケージ１である。この構成の場合は、空気の温度を検出するチップサーミスタ５が、その他チップ部品と同様に全周を熱硬化性樹脂９で封止しているため、熱容量の小さいチップサーミスタ５が擬似的に大きくなるため、空気の温度変化に対する追従性、すなわち応答性が悪化する恐れがある。また、全周を封止する熱硬化性樹脂９やリードフレーム６を介して、吸気管路や流量計の筐体を介した伝熱によって被計測流体の温度検出精度が低下することなどが懸念される。この課題は次のような対策によって改善することが可能である。

次に図６と図７を用いて、被計測流体の温度を検出するチップサーミスタの好ましい配置とチップパッケージ構造について説明する。図６には、本発明の第３の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図を示す。上記の課題を克服するために、チップサーミスタ５を搭載するリードフレーム６を延長して実装し、封止樹脂９の形状もチップサーミスタ５の搭載部のみを突出させた異形状にするとよい。このようにすることによって、擬似的な熱容量の増加や熱硬化性樹脂９やリードフレーム６からの伝熱による温度検出への悪影響を抑えることができる。

図７には本発明の第３の実施形態であるチップパッケージを熱式流量計に実装した例を示すが、チップパッケージ１の筐体１５への実装方法として好ましい形態としては、チップサーミスタ５の配置は、熱式流量計の筐体１５へ実装した場合に吸入空気の流れ上流、すなわち直接空気が衝突する場所へ配置するのが好適である。直接空気が衝突する場所へ配置することによって、より速くかつ高精度に空気の温度変化を検出することができる。図４では、センサ素子２の流量検出部１１とチップサーミスタ５は同じ副通路１７内に配置している。副通路１７は、迂回形状などさまざまな形状が考えられるが、このような迂回形状の副通路１７に図６で説明したチップパッケージを適用する場合は、センサ素子２は副通路１７へ配置して、チップサーミスタ５は吸気管路１６内に直接配置する構成とするとよい。このようにすることで、チップサーミスタ５での空気温度の検出は、副通路１７の形状に依存することなく、高精度に検出できる。

次に第３の実施形態の別案について、図８と図９を用いて説明する。図８には、前記別案のチップパッケージ平面の構成図を示す。チップサーミスタ５の配置を、チップパッケージ１の熱硬化性樹脂９から突出した入出力端子１２突出方向と正反対の位置すなわちチップパッケージ１の先端側に配置したことが特徴である。この構成においても、チップサーミスタ５が搭載されるリードフレーム６が延長されており、封止樹脂９の形状もチップサーミスタ５の搭載部のみを突出した形状であるため、図７で説明した構成によって生じる効果は同様に得られる。またこの別案のチップパッケージを熱式流量計に実装した場合の構成の例を図９に示すが、副通路１７が直管形状の場合は、センサ素子２を副通路１７へ配置して先端側へ突出したチップサーミスタ５の実装部は吸気管路１６内へ配置すればよい。

本発明のチップパッケージの厚みに関する好適な形態について、図３と図１０の比較で説明する。まず図３で表記したＴ１が第２の実施形態のチップパッケージ厚みである。熱式流量計に実装することを想定すると、本発明で提案するチップパッケージ全般において、チップパッケージの厚みは、筐体の幅と実装の自由度から上限が決定される。薄過ぎると当然のことながら強度不足など跳ね返りが生じるため下限値も存在するが、基本的にはレイアウトの自由度の観点からは、できる限りチップパッケージの厚さを抑える必要がある。

図３の例で説明するとチップパッケージの厚みを決めている一つの因子として、金線ワイヤー８ａ、８ｂのループ高さが挙げられる。この金線ワイヤー８ａや８ｂのループ高さは、接続の対象となるセンサ素子２や駆動回路３のチップ高さやリードフレーム６の段差（チップ部品の表面からリードフレームのチップ部品実装面までの距離）に依存する。換言すると、チップパッケージ１厚みを薄くする観点においては、センサ素子２と駆動回路３はチップ高さに異なるものを適用した方が有利と言える。

図１０には駆動回路３の高さがセンサ素子２の高さより低い場合の例を示すが、このような組合せにすると、駆動回路３の高さを低くした分を金線ワイヤー８ａ、８ｂのループ高さとして割り当てられるため、結果とした金線ワイヤー８ａ、８ｂの最高点を低くでき、チップパッケージ１の厚みを薄くすることができる（Ｔ１＞Ｔ２）。また、センサ素子２と駆動回路３のチップ高さの関係において、駆動回路のチップ高さよりセンサ素子２のチップ高さが低い組合せも同様の効果を得られるため、そのような組合せのチップ部品を適用しても特に問題はない。

１ チップパッケージ
２ センサ素子
３ 駆動回路
４ チップコンデンサ（保護回路）
５ チップサーミスタ（空気温度検出素子）
６ リードフレーム
７ａ 接着剤
７ｂ 導電性接着剤
８ａ、８ｂ 金線ワイヤー
９ 熱硬化性樹脂（封止樹脂）
１０ 空洞部
１１ 薄膜部（流量検出部）
１２ 入出力端子
１３ 通路
１４ 出口部
１５ 筐体
１６ 吸気管路
１７ 副通路
１８ 回路室
１９ 境界部
２０ コネクタ
２１ コネクタ端子

Claims (10)

1. 被計測流体を採り込む副通路と、前記副通路内の被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、被計測流体の温度を検出する温度検出素子と、前記センサ素子の加熱温度を制御する駆動回路と、を備え、前記センサ素子の基板に空洞部が形成され、前記空洞部上の薄膜部には電気絶縁膜を介して発熱抵抗体が形成されており、前記薄膜部の温度分布から流量を検出する熱式流量計において、
   前記駆動回路と前記駆動回路を保護するためのチップ部品は、金属のリードフレーム上に実装され、前記駆動回路および前記リードフレームは、熱硬化性樹脂で封止することによりチップパッケージされ、
   前記リードフレームは、一端側が前記熱硬化性樹脂から突出し、外部との信号の入出力を行う入出力端子部と、前記駆動回路が実装される実装部と、を有しており、
   前記入出力端子部は、前記実装部と一体に形成されている端子と、前記実装部とは独立して形成され、前記駆動回路とワイヤボンディングを介して電気的に接続されている端子とを、有しており、
   前記チップ部品は、前記実装部と一体に形成されている端子と前記実装部とは独立して形成されている端子とを橋渡しするように前記リードフレーム上に導電性接着材を介して直接実装されていることを特徴とする熱式流量計。
2. 前記薄膜部は、前記熱硬化性樹脂から部分的に露出していることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記チップパッケージに、前記空洞部と前記熱硬化性樹脂の外部とを連通する連通機構を設けたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の熱式流量計。
4. 前記センサ素子と前記駆動回路と前記連通機構とを、同一直線方向に配置したことを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
5. 前記センサ素子と前記連通機構の外部と連通する側の開口孔との間に前記駆動回路を配置したことを特徴とする請求項４に記載の熱式流量計。
   
6. 前記空気温度検出素子が前記チップパッケージの内部に混載され、前記センサ素子と前記空気温度検出素子を異なる流路に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計。
7. 前記チップパッケージの形状は、前記温度検出素子を配置した部分のみ突出した形状であり、かつ、前記被計測流体の流れ上流方向に前記温度検出素子を配置したことを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
8. 前記チップパッケージから前記リードフレームの一部が突出しており、前記突出方向とは反対の位置に前記温度検出素子を配置したことを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
9. 前記センサ素子と前記駆動回路のチップ高さが異なることを特徴とする請求項５に記載の熱式流量計。
10. 前記駆動回路のチップ高さは、前記センサ素子のチップ高さより低いことを特徴とする請求項９に記載の熱式流量計。