JP5768179B2 - 熱式空気流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量を検出するセンサに関するものであり、特に、熱式空気流量センサに関するものである。

従来、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、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきている。

最近では、半導体マイクロマシニング技術によりシリコン基板上に抵抗体や絶縁層膜を堆積した後で、KOHなどを代表とする溶材でシリコン基板の一部を除去し、薄肉部を形成する空気流量センサが高速応答性を有することや、その応答性の速さを利用して逆流検出も可能であることから注目されている。また近年では、基板部（プリント基板や、セラミック基板など）の部品低減を目的として、上記空気流量センサはリードフレーム上に実装され、その外周部を樹脂でモールドした構造体の検討が進められている。

特許第3610484

特許文献１に記載されている従来の熱式空気流量センサでは、シリコン基板の一部を裏
面から除去加工することによって形成される薄肉部の信頼性向上を目的として、流量セン
サエレメントの表面に有機材料からなる保護膜を形成する発明が明記されている。特許文
献１によれば、薄肉部の絶縁膜の耐ダスト強度が向上することができる。しかしながら、
この発明は流量センサエレメントがリードフレームなどの部材に接着実装され、かつボンディングワイヤ等の電気的な接続部を保護するために流量センサエレメントの一部を樹脂により覆う構成において、この樹脂が製造時に薄肉部に到達することや、この樹脂の応力が薄肉部に伝達するといった影響を低減することについては検討の余地が残されている。

本発明は、半導体素子の一部をボンディングワイヤ等の電気的な接続部を保護するために樹脂で覆う場合において、薄肉部に対する樹脂からの影響を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量センサは、薄肉部と、前記薄肉部に設けられる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の上下流に設けられる測温抵抗体を有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた保護膜と、前記半導体基板を封止する樹脂と、を備え、前記樹脂は前記薄肉部を含む領域を部分的に露出する露出部を有する熱式空気流量センサであって、前記保護膜は、前記発熱抵抗体を囲うように設けられていて、前記有機保護膜の外周端部が前記薄肉部より外側で、かつ前記露出部にあることを特徴とする。

本発明は、半導体素子の一部を部分的に露出する樹脂封止をする場合において、製品の信頼性を向上することができる。

第一実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図(a)横から見た場合の断面図、(b)真上から見た場合の表面図 第一実施例をなすモールド後のセンサ素子の構成図(a)横から見た場合の断面図、(b)真上から見た場合の表面図 第一実施例におけるモールド成形の概略説明図 第一実施例におけるモールド樹脂の流れ出しの概略説明図 第二・第三実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図(a)横から見た場合の断面図、(b) 真上から見た場合の表面図 第二実施例をなすモールド後のセンサ素子の構成図(a) 横から見た場合の断面図、(b)真上から見た場合の表面図 第二実施例におけるモールド成形の概略説明図 第二実施例におけるモールド樹脂の流れ出しの概略説明図 スリットの説明図 第三実施例をなすモールド後のセンサ素子の構成図(a)横から見た場合の断面図、(b)真上から見た場合の表面図 第三実施例におけるモールド成形の概略説明図 第三実施例におけるモールド樹脂の流れ出しの概略説明図 第四実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図 第五実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図 本発明の熱式空気流量センサの構成図

本発明の熱式空気流量センサについて、図１５を用いて説明する。

熱式空気流量センサは、吸入空気１を自動車の内燃機関（図示せず）に供給するための吸気管路５内に、ハウジング３と、半導体パッケージ２とを設ける。

ハウジング３は、一端で半導体パッケージ２と電気的に接続されるコネクタ端子８と、ハウジング３を吸気管路５に固定するフランジ部４と、吸入空気１の一部を取り込む副通路６を備える。

半導体パッケージ２は、リードフレーム１０と半導体基板２０と回路素子と温度センサとをモールド樹脂６０により一体成形することにより作成される。また、半導体パッケージ２は、流量検出部７を吸入空気にさらすように、モールド樹脂６０で覆わずに部分的に露出する領域を有している。流量検出部７は、副通路６内に設けられ、副通路６内を流れる流体の流量から、吸入空気１の流量を算出する。

本発明の第一実施例について図1から図４を用いて説明する。

第一実施例をなすセンサ素子の構成図を、図１と図２を用いて説明する。ここで、図１は第一実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図であり、図２は第一実施例をなすモールド後のセンサ素子の構成図である。

図１に示されるように、熱式空気流量センサはシリコンなどの半導体基板20上に絶縁膜や抵抗体層が積層されており、半導体基板２０の裏面側から、水酸化カリウム（KOH）
などを用いて部分的に除去され薄肉部２５が形成され、薄肉部２５上に、発熱抵抗体21と、上流側測温抵抗体22と、下流側測温抵抗体23と、が形成される。発熱抵抗体２１の温度が吸入空気量１の温度よりも一定温度高くなるように発熱抵抗体２１の温度をフィードバック制御しており、上流側測温抵抗体２２で測る温度と下流側測温抵抗体２３で測る温度との温度差の情報により吸入空気１の流量を測定する。熱式空気流量センサの表面には、ポリイミドなどを代表とした有機保護膜30が形成されている。有機保護膜30は一度スピナーなどの塗布機を用いて、センサ表面上全面に均一に塗布される。その後、パターニング技術により、部分的にエッチング除去することで、半導体基板２０と有機保護膜３０とで段差を形成する。有機保護膜３０は、発熱抵抗体21を切れ目なく囲っている形状とする。
発熱抵抗体21と上流側測温抵抗体22と下流側測温抵抗体23とによって吸入空気の流量を測定するので、発熱抵抗体21と上流側測温抵抗体22と下流側測温抵抗体23は吸入空気にさらされる必要があり、有機保護膜３０で覆わないようにする。また熱式空気流量センサの表面にはＡｌ配線40が形成されており、金線などのボンディングワイヤ50を介してリードフレーム１０と電気的に接続される。半導体基板20はリードフレーム10に接着剤などで固定されている。

図2に示されるように、半導体基板２０やリードフレーム１０がモールド樹脂６０により封止されている。ここで、発熱抵抗体２１と上流側測温抵抗体２２と下流側測温抵抗体２３とは、流量を検出するために被測定媒体にさらされる必要があるので、モールド樹脂６０に覆われずに、流量検出部７を含む領域がモールド樹脂６０から部分的に露出される構成となっている。さらに、発熱抵抗体21を囲うように形成される有機保護膜３０の外周端部は薄肉部２５よりも外側に位置するように設けられ、有機保護膜３０は部分的に露出される領域に配置されている。これにより、モールド成形時に熱式空気流量センサの表面と入れ駒８３との間から樹脂が洩れたとしても、有機保護膜３０でせき止めることができるので、薄肉部２０へ樹脂が到達しないようすることができる。

第一実施例におけるモールド成形について、図３と図４を用いて説明する。ここで、図３は第一実施例におけるモールド成形の概略説明図であり、図４は第一実施例におけるモールド樹脂の流れ出しの概略説明図である。

図３に示されるように、下金型８０と、上金型８１と、上金型８１に挿入するよう設けられた入れ駒８３を用いて部分露出構造の半導体パッケージを作成する。リードフレーム１０上に半導体基板２０を実装した熱式空気流量センサを下金型80と上金型81とで挟み込み、薄肉部２５など部分的に露出させる箇所は、モールド樹脂６０で覆われないように入れ駒８３で押えられていて、挿入口８２から樹脂を流し込むことで部分露出構造の半導体パッケージを製造することができる。なお、挿入口８２は下金型80、上金型81問わずに設けることができる。入れ駒８３の押し当て部を基板表面に押さえつけることで、入れ駒８３で抑えられている領域が樹脂封止されずに部分的に露出する構成とすることができる。しかし、薄肉部２５は他の部分よりも薄いので、入れ駒８３を薄肉部２５に直接押し当ててしまうと薄肉部２５に変形が生じてしまい、流量の検出誤差が生じてしまう。そこで、入れ駒８３は押し当て面に凹部を有する構成とし、薄肉部２５は凹部内に収まるようにし、この凹部外周縁に設けられる押し当て部で基板表面を押し当てることで、樹脂封止をする際に薄肉部２５に直接入れ駒８３があたらないようにしている。これにより、薄肉部２５に入れ駒８３を押し当てる荷重が加わることないので、薄肉部２５を含む領域を部分的に露出する樹脂封止をする場合に、薄肉部の変形を抑制することができる。

図4に示されるように、入れ駒83を押し込む荷重が不足すると、熱式空気流量センサの表面と入れ駒との間に隙間が生じてしまう。この状態で樹脂を流し込んだ場合、入れ駒８３と熱式空気流量センサの表面との隙間61から樹脂が流れ出る虞がある。しかし、本発明の第一実施例においては、有機保護膜３０は発熱抵抗体２１を囲う構成であり、モールド樹脂６０から部分的に露出させる領域に有機保護膜３０を設けているので、隙間６１から漏れる樹脂６０を有機保護膜３０でせき止めることができ、薄肉部２５に樹脂が到達することを抑制することができる。入れ駒８３を押し当てる力が不足して、モールド樹脂６０が半導体素子部に漏れてしまうような製品が発生しても、その漏れ部がセンシングエリアである薄肉部２５に到達しなければ、性能として仕様を満足することができる。したがって、本発明の第一実施例によれば、入れ駒８３の荷重が小さく樹脂漏れが発生するような場合でも、熱式空気流量センサの信頼性を確保することができる。

ここで、入れ駒８３を移動量制御で押し当てる場合を考える。製品毎に半導体基板20表面の高さにはばらつきが生じるので、表面高さが高く出来上がったものについては、通常よりも大きな荷重が半導体基板20に加わり、荷重が大きすぎるとセンサ素子に変形が生じてしまう。一方で、表面高さが低く出来上がったものについては、入れ駒８３と熱式空気流量センサの表面とのあいだに隙間６１ができるので、樹脂が漏れる虞がある。本発明の第一実施例によれば、入れ駒８３の荷重が小さい場合でも熱式空気流量センサの信頼性を確保することができるので、量産時の製造マージンを入れ駒８３の荷重が小さいほうに広くすることができる。それゆえ、製品歩留まりを向上することができる。

また、薄肉部２５は無機材料から構成され、熱絶縁性を向上するために薄くしているので脆く、ダストの衝突に対する強度を確保する必要がある。特に薄肉部２５の周縁部は他の箇所と比べてダストの衝突に対する強度が弱くなっている。そこで、図1のように有機保護膜３０の内周端部が薄肉部２５に位置するように設けることで、薄肉部２５の周縁部を有機保護膜３０で覆い、ダストの衝突による衝撃を有機保護膜３０で吸収する構成とする。上記構成によれば、吸入空気に含まれるダストの衝突による薄肉部２５の強度を上げることができるので、熱式空気流量センサの対汚損性が向上し、信頼性の高い熱式空気流量センサを実現する。

本発明の第二実施例について、図５から図９を用いて説明する。なお、第一実施例と同じ構成に関しては説明を省略する。

第二実施例をなすセンサ素子の構成図を、図５と図６を用いて説明する。ここで、図５は第二実施例をなすモールド前のセンサ素子の構成図であり、図６は第二実施例をなすモールド後のセンサ素子の構成図である。

図５に示されるように、半導体基板２０上に設けられる有機保護膜３０に、発熱抵抗体発熱抵抗体２１と上流側測温抵抗体２２と下流側測温抵抗体２３を被測定媒体にさらすように薄肉部２５の一部を露出する露出部と、薄肉部２５を囲うように設けられたスリット３５を形成している。スリット３５は薄肉部２５を切れ目なく囲っているので、樹脂成形時に樹脂漏れが起こったとしても、スリット３５にモールド樹脂６０がトラップされ、薄肉部２５へモールド樹脂６０が流れ込むことを防止する。薄肉部２５の周縁を保護するように有機保護膜３０が設けられているので、吸入空気中に含まれるダストの衝突に対する薄肉部２５の強度を上げることができる。スリット３５により、半導体基板２０の一部を有機保護膜３０から露出させていて、半導体基板２０の露出面と有機保護膜３０により段差を形成している。さらに、Ａｌ配線４０を有機保護膜３０で覆うことで、水等の腐食成分から保護する構成にするのが望ましい。

また、図６に示されるように、スリット３５の内周端部全体とスリット３５の外周端部とがモールド樹脂６０から部分的に露出させるように、半導体基板２０やリードフレーム１０をモールド樹脂６０で封止する。スリット３５の内周端部全体がモールド樹脂６０から部分的に露出させる領域に位置しているので、図８に示すように隙間６１からモールド樹脂６０が漏れたとしても、スリット３５でモールド樹脂６０をトラップし、薄肉部２５への樹脂の到達を抑制することができる。

第二実施例におけるモールド成形について、図７と図８を用いて説明する。ここで、図７は第二実施例におけるモールド成形の概略説明図であり、図８は第二実施例におけるモールド樹脂の流れ出しの概略説明図である。

図７に示すように、第二実施例の部分露出構造の半導体パッケージを作成する際には、入れ駒83の押し当て部を有機保護膜30に押し付けている。そのため、有機保護膜３０が緩衝材として働き、薄肉部２５へ伝わる応力を低減することができるので、モールド成形をする場合の薄肉部２５の変形を抑えることができる。それゆえ、本発明の第二実施例によれば、薄肉部２５の変形による検出誤差を抑制することができるので、熱式空気流量センサの信頼性を向上することが可能となる。

ここで、有機保護膜３０にスリット３５を設けることによる更なる効果について図９を用いて説明する。

モールド樹脂60と熱式空気流量センサが、有機保護膜30を仲介した構造とした場合、モールド成形後の樹脂収縮によって有機保護膜30に応力が加わる。有機保護膜30の形状が薄肉部端部まで連通して形成されている場合では、モールド樹脂６０の熱収縮による応力が薄肉部２５の端部まで働き、流量特性に影響を与えてしまう虞がある。しかし、本発明の第二実施例では、モールド樹脂60と熱式空気流量センサの接触部に位置する有機保護膜31と、薄肉部端部に形成された有機保護膜32が隔離されるようにスリット部35を形成しているため、薄肉部端部に形成された有機保護膜32には応力が有機保護膜30を介して伝達しない。したがって流量特性への応力影響を低減する効果がある。

本発明の第三実施例について、図１０から図１２を用いて説明する。なお、第二実施例と同じ構成に関しては説明を省略する。

図１０、図１１に示されるように、スリット内周側有機保護膜３３は、モールド樹脂６０から部分的に露出させるように位置し、スリット外周側有機保護膜３４はモールド樹脂６０に覆われるように樹脂成形する。スリット内周側有機保護膜３３がモールド樹脂６０から部分的に露出させる領域に位置しているので、図１２に示すように隙間６１からモールド樹脂６０が漏れたとしても、スリット内周側有機保護膜３３によりモールド樹脂６０をせき止めることができるので、薄肉部２５へのモールド樹脂６０の到達を抑制することができる。

Ａｌ配線４０を水等の腐食成分から保護するために有機保護膜３０で保護しているが、有機保護膜３０自体が水分を吸収してしまい、有機保護膜３０を介してＡｌ配線４０に水分が伝達してしまう虞があるところ、本発明の第三実施例ではモールド樹脂６０中にＡｌ配線４０を覆っている有機保護膜３４があり、有機保護膜３４は空気に直接触れない構成となっているのでよりＡｌ配線４０の腐食を防ぐことができる。さらに、半導体基板２０とモールド樹脂６０の界面から水などの腐食成分が浸入したとしても、有機保護膜３４によりせき止めることが可能であるので、Ａｌ配線４０への水などの腐食成分の浸入をより低減することができる。それゆえ、本発明の第三実施例の構成によれば、Ａｌ配線４０の腐食をより低減することができるので、信頼性を向上している。

また、第二実施例と同様に、モールド樹脂と半導体基板に挟まれる保護膜と薄肉部に形成される保護膜は互いに独立しているため、薄肉部への応力影響を低減する構成となっている。

第四実施例について図１３を用いて説明する。

第一実施例のスリット形状は、全周が隔離した形状となっているが、図6に示すような片側、あるいは一辺方向のみにスリットが形成されている場合でも、モールド樹脂の流れ出し防止の効果は得られる。

予め、入れ駒と半導体基板20がかた当りする傾向がある場合は、隙間が発生する可能性が高い方向を特定できる。したがってその方向にスリットを形成しておけば、樹脂漏れが発生する場合でも、薄肉部２５へのモールド樹脂６０の到達を抑制できるので、製品歩留まりを大きく向上できる。

同様に、前記応力影響も同様であり、ある方向から樹脂の応力が大きく加わることが実機評価や解析などを用いて解明できれば、その方向にスリットを形成することによって、効果的に薄肉部の信頼性を向上できる。

第五実施例について図１４を用いて説明する。

第二実施例のスリット形状は、全周が一段隔離した形状となっているが、図１４に示すような多段形状にスリットが形成されている場合でも、上記モールド樹脂の流れ出し防止の効果は得られる。

多段にする目的の一つに半導体基板上に形成された抵抗体37をダストの衝突から保護する場合や、熱応答性を向上させるために半導体基板上に形成された温度センサ37を薄肉部２５と同様に露出したい場合は、第二実施例で構成されるスリット内に保護膜３１を形成する場合がある。この場合、モールド樹脂６０の流れ込みを防止するためのスリットが多段形状になる。このような場合でも、モールド樹脂６０の流れ防止に対して有効な形状となる。

第一実施例から第五実施例において、有機保護膜３０がポリイミドで形成されることが望ましい。吸入空気流量を測定するために発熱抵抗体２１が発熱し、薄肉部２５は高温となるが、ポリイミドは耐熱性に優れているために、発熱による材質の劣化を抑えることができる。そのため、長期にわたり固体粒子の衝突に対して測定素子１ の強度を向上することができる。

モールド樹脂６０が半導体素子部に漏れてしまうような製品が発生しても、その漏れ部がセンシングエリアである薄肉部２５に到達しなければ、性能として仕様を満足できる。したがってある製品において、樹脂が漏れてしまうような場合でも、薄肉部２５に到達しにくい構造を構成することによって、製品歩留まりの低下を抑制することができる。

有機保護膜３０をポリイミドで形成すると、半導体素子の一部を部分的に露出するように樹脂封止するような場合においても、上記薄肉部の絶縁膜の耐ダスト強度を向上させてなおかつ、コストアップせずに上記製品歩留まりの低下を抑制する熱式空気流量センサを提供することができる。

１・・・・吸入空気
２・・・・半導体パッケージ
３・・・・ハウジング
４・・・・フランジ
５・・・・吸気管路
６・・・・副通路
７・・・・流量検出部
８・・・・コネクタ端子
10・・・リードフレーム（基板支持部材）
20・・・半導体基板
21・・・発熱抵抗体
22・・・上流側温抵抗体
23・・・下流側温抵抗体
25・・・薄肉部
30・・・有機保護膜
31・・・有機保護膜
33・・・スリット内周側有機保護膜
34・・・スリット外周側有機保護膜
35・・・スリット
36・・・スリット
37・・・半導体基板上に形成される抵抗体
38・・・半導体基板上に形成される温度センサ
40・・・Ａｌ配線
50・・・ボンディングワイヤ
60・・・モールド樹脂
61・・・モールド樹脂と熱式流量センサの境界部
80・・・モールド下金型
81・・・モールド上金型
８２・・・樹脂流し口
83・・・入れ駒

Claims (18)

1. 発熱抵抗体及び測温抵抗体が形成される薄肉部を有する半導体素子と、
   前記発熱抵抗体を露出するように前記半導体素子表面に形成される保護膜と、
   前記半導体素子と電気的に接続されるボンディングワイヤと、
   前記ボンディングワイヤを封止しつつ、前記薄肉部を含む領域を露出するように前記半導体素子の一部を覆う樹脂と、を有し、
   前記保護膜は、外周端部が前記薄肉部よりも外側で、かつ、前記樹脂に覆われていないことを特徴とする熱式流量センサ。
2. 請求項１に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記保護膜は有機材料からなり、前記保護膜の内周端部は前記薄肉部上にあることを特徴とする熱式空気流量センサ。
3. 請求項２に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記半導体素子表面であって、前記保護膜よりも外側に第２の保護膜を設けることを特徴とする熱式空気流量センサ。
4. 請求項３に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記第２の保護膜は、前記保護膜を囲うように設けられていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
5. 請求項４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記第２の保護膜のすべてが、前記樹脂に覆われている領域に設けられていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
6. 請求項４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記第２の保護膜の内周端部が前記露出部に設けられていて、前記第２の保護膜の外周端部が前記樹脂に覆われている領域に設けられていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
7. 請求項４に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記第２の保護膜は前記保護膜と同一の材料からなることを特徴とする熱式空気流量センサ。
8. 請求項７に記載の熱式流量センサにおいて、
   前記有機材料は、ポリイミドであることを特徴とする熱式空気流量センサ。
9. 請求項４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
   前記第２の保護膜よりも外側に形成される前記第３の保護膜を有することを特徴とする熱式空気流量センサ。
10. 請求項９に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記第２の保護膜は、前記樹脂に覆われていないことを特徴とする熱式空気流量センサ。
11. 請求項９に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記第２の保護膜の内周端部が前記樹脂に覆われていない領域に設けられ、前記第２の保護膜の外周端部が前記樹脂に覆われている領域に設けられていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
12. 請求項９に記載の熱式流量センサにおいて、
    前記保護膜と前記第２の保護膜と前記第３の保護膜とは同一の材料からなることを特徴
    とする熱式空気流量センサ。
13. 発熱抵抗体及び測温抵抗体が形成される薄肉部を有する半導体素子と、
    前記発熱抵抗体を露出するように前記半導体素子表面に形成される保護膜と、
    前記半導体素子と電気的に接続されるボンディングワイヤと、
    前記ボンディングワイヤを封止しつつ、前記薄肉部を含む領域を露出するように前記半導体素子の一部を覆う樹脂と、を有し、
    前記保護膜は、前記樹脂に覆われている領域と前記薄肉部との間にスリットが形成されることを特徴とする熱式空気流量センサ。
14. 請求項１３に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記保護膜は有機材料からなることを特徴とする熱式空気流量センサ。
15. 請求項１３または１４に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記スリットは、前記薄肉部を切れ目なく囲うように設けられていることを特徴とする熱式空気流量センサ。
16. 請求項１５に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記保護膜は、前記スリットの外周側に第２のスリットが形成されることを特徴とする熱式空気流量センサ。
17. 請求項１６に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記第２のスリットは前記樹脂に覆われていないことを特徴とする熱式空気流量センサ。
18. 請求項１６に記載の熱式空気流量センサにおいて、
    前記第２のスリットは、一部が前記樹脂に覆われていることを特徴とする熱式空気流量計。