JP5853171B2 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体圧力センサおよびその製造方法に係り、特に、その実装構造に関する。

シリコンの弾性体としての性質を利用し、マイクロマシニング技術によりダイヤフラム部と呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした半導体圧力センサが提供されている。なかでも、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用してダイヤフラム部の歪みを拡散抵抗の抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗型の半導体圧力センサは、シリコンの化学的安定性から、特に腐食性を有する気体や導電性を有す液体などを被圧力検出流体とする用途に広く用いられている。このような従来の半導体圧力センサの一例を図１６に示す(たとえば特許文献１)。この半導体圧力センサでは、半導体基板を加工して薄膜のダイヤフラム部１０１ａ及びダイヤフラム部１０１ａの圧力による歪みを検出するピエゾ抵抗１１１が形成されるとともにガラス台座１０２に固着されたセンサチップ１０１を用いている。そして、略函形に形成されて内部にセンサチップ１０１が納装される本体１１２の開口部をステンレスダイヤフラム１１３で閉塞する。そして、本体１１２の内部にシリコンオイル１１４を封入する。そして、ハーメチックシール１１５によって本体１１２に端子１１６を封止している。また、この端子１１６をボンディング用のワイヤ１１７によってセンサチップ１０１のピエゾ抵抗１１１と接続している。すなわち、被圧力検出流体Ｐはステンレスダイヤフラム１１３の外側に接触しており、ステンレスダイヤフラム１１３が被圧力検出流体から受けた圧力が本体１１２内部のシリコンオイル１１４を介してセンサチップ１０１のダイヤフラム部１０１ａに伝達され、被圧力検出流体の圧力を検出することができる。
しかしながら、上記構成では、導圧媒体であるシリコンオイル１１４を本体１１２内に封止し且つ圧力をシリコンオイル１１４に伝達するためにステンレスダイヤフラム１１３を用いており、構造が複雑になり、コストが高くなるという欠点がある。また、大きさも嵩高くなり、小型化が困難である。さらに、ステンレスダイヤフラム１１３の反力の影響を受け、センサチップ１０１の検出精度が悪くなるという問題もあった。
そこで、図１７に示すように、薄膜のダイヤフラム部を用いたセンサチップ２２０に対し大気導入口２１２を圧力導入口２１１と対向して設けた実装構造を持つ圧力センサが提案されている（特許文献２）。２１０が本体、２３１がリードフレームである。図１７（ａ）はこの圧力センサの上面図、図１７（ｂ）および（ｃ）は圧力センサの側面図および正面図である。

特開平０９-２５０９６４号公報 特開２００９-５２９８８号公報

上記従来の圧力センサの構造では、図１７に示したように、小型化および軽量化が可能であるが、大気導入口が圧力導入口と反対方向にあるため、ユーザ側で基板への実装後に基板をポッティング剤で埋めると、大気導入口も埋まってしまい、正確な圧力測定ができないという問題があった。
本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、実装が容易で、正確な圧力測定が可能な半導体圧力センサを提供することを目的とする。

そこで本発明の半導体圧力センサは、ケースと、前記ケース内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口と、大気を導入する大気導入口と、大気圧に対する前記流体の圧力を測定するセンサチップとを備え、前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記ケースの同一面側に配設されており、前記圧力導入口は前記ケースの表面に立設された圧力導入部に連通し、前記大気導入口は前記圧力導入部に並置された大気圧導入部に連通し、前記圧力導入部と前記大気圧導入部は少なくとも一部で一体成型されたことを特徴とする。

また、上記半導体圧力センサであって、前記ケースは、第１の主面に、実装基板上に面実装するための端子を具備し、前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記第１の主面に対向する第２の主面に配設されたものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記大気導入口は、前記第２の主面に形成された延長部を介して配設され、その開口位置が前記実装基板から前記第２の主面よりも離間したものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記圧力導入部及び前記大気圧導入部は、ともに前記第２の主面から伸張方向に沿って当接面を有し、前記圧力導入部が前記大気圧導入部より高い位置まで伸張したものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記大気圧導入部は、前記圧力導入部との当接面に対向する側に切り欠きを有するものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記大気導入口は、前記大気圧導入部の長手方向に沿った最先端部で露出せず、前記大気圧導入部の長手方向に沿った側面で露出するものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記大気圧導入部の前記最先端部は、前記大気圧導入部とは別部材で形成されているものを含む。

また、上記半導体圧力センサであって、前記センサチップは、前記ケース内に、前記圧力導入口との対向位置を避けて配置されたものを含む。

この構成によれば、圧力導入口及び大気導入口は、ケースの同一面側に配設されており、圧力導入口はケース内に連通するようにしている。従って、大気導入口が圧力導入口と同一側にあるため、実装面側には大気導入口が来ないように実装することができ、ユーザ側で基板への実装後に基板をポッティング剤で埋める際、大気導入口が埋まったりすることもなく、正確な圧力測定を行うことが可能となる。

本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す上面図 図１のＡ１−Ａ２断面を示す図 図１のＢ１−Ｂ２断面を示す図 図１のＣ１−Ｃ２断面を示す図 本発明の実施の形態１のセンサチップを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図 （ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１の半導体圧力センサの製造工程を示す図 本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図 本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを実装基板に載置した状態を示す説明図 本発明の実施の形態２の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態３の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの要部拡大断面図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの要部拡大断面図 本発明の実施の形態５の半導体圧力センサを説明する図であり、（ａ）は実施の形態４と同等の半導体圧力センサの正面図、（ｂ）は実施の形態４と同等の半導体圧力センサの上面図、（ｃ）は実施の形態５の半導体圧力センサの正面図、（ｄ）は実施の形態５の半導体圧力センサの上面図、（ｅ）は、（ｄ）の矢印Ｅ方向から見たときの大気圧導入部の頂部の拡大図、（ｆ）は、変形例を示す図 従来例の半導体圧力センサの断面図 従来例の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図

以下、本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半導体圧力センサの上面図、図２は図１のＡ１−Ａ２断面を示す図、図３は図１のＢ１−Ｂ２断面を示す図、図４は図１のＣ１−Ｃ２断面を示す図である。図５はこの半導体圧力センサで用いられる圧力センサチップを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
本発明の実施の形態１の半導体圧力センサは、圧力導入口１１及び大気導入口１２が、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０内に連通するとともに、センサチップ２０は、ケース１０内に、圧力導入口１１との対向位置を避けて配置されたことを特徴とする。なお、このケース１０はプラスチック樹脂によって形成されており、このケース１０内に被測定対象の外部流体を導入する圧力導入口１１と、大気を導入する大気導入口１２と、大気圧に対する流体の圧力を測定するセンサチップ２０とを具備している。

ケース１０は、筒状のケース本体１０ａと、ケース本体１０ａに連通するようにケース本体の第２の主面１０Ｂから導出された管状の圧力導入部１０ｂと、同様にケース本体の第２の主面１０Ｂから導出された管状の大気圧導入部１０ｃと、を具備している。そして底面には基板１３がシール材１４で密着封止されている。
センサチップ２０は、シリコン単結晶基板２１をエッチングなどにより薄肉化して形成したダイヤフラム２２上に拡散やイオン打ち込みで形成したゲージ抵抗２３のピエゾ抵抗効果を、電極２４を介して取り出し、圧力を検出するものである。
ピエゾ抵抗効果は、応力によって起こる分極現象であるピエゾ効果とは異なり抵抗に加わった応力によって抵抗率が変化する現象である。この現象は印加された応力により結晶格子に歪が生じ、半導体中のキャリアの数や移動度が変化するために起こるものである。

このセンサチップ２０は、ダイヤフラムの第１の面２０Ａ側の圧力と第２の面２０Ｂ側の圧力との圧力差により変位する。従って、第１の面２０Ａ側が測定対象としての流体圧を受けるようにし、第２の面２０Ｂ側が大気圧を受けるようにすることで、大気圧に対する流体圧を検出することができる。

従ってこの半導体圧力センサでは、図２および３に示すようにケース１０内空間に圧力導入口１１を介してケース内部に供給される流体の圧力が、センサチップ２０のダイヤフラムの第１の面２０Ａにかかる。一方、大気導入口１２を介して大気圧がセンサチップ２０のダイヤフラムの第２の面２０Ｂにかかる。

ここでセンサチップの電極２４は、バンプを介していわゆるフリップフロップ法により、リードフレーム３１に接続され、このリードフレーム３１のアウターリードはケース１０から導出されている。

また、もう１枚の信号処理回路を搭載した処理回路チップ２８も同様にリードフレーム３１に接続されている。

次に、この半導体圧力センサの組み立て方法について説明する。
図６（ａ）に示すように、まず、センサチップ２０を通常の半導体プロセスにより形成する。
次いで図６（ｂ）に示すように、このセンサチップ２０および処理回路チップ２８を、リードフレーム３１に搭載する。
そして金型内にこのセンサチップ２０および処理回路チップ２８を搭載したリードフレーム３１を設置し、射出成型により、図６（ｃ）に示すように、ケース１０を形成する。

次にこのケース１０の開口部に基板１３を設置し、シール材１４で機密封止する。 このようにして図７（ａ）乃至（ｄ）に示すように、半導体圧力センサが完成する。
図中（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。

このようにして形成された半導体圧力センサを、図８に示すようにプリント基板４０上の配線パターン４１上に載置し、電気的接合を行った後ポッティングにより樹脂４２を供給することで固着される。

この構成によれば、圧力導入口１１及び大気導入口１２は、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０内に連通するようにしている。従って、大気導入口１２が圧力導入口１１と同一側にあるため、ユーザ側でプリント基板４０への実装後にケース１０とプリント基板４０との間をポッティング剤（樹脂４２）で埋める際、大気導入口１２が埋まったりすることもなく、正確な圧力測定を行うことが可能となる。
また、センサチップ２０は、ケース１０内に、圧力導入口１１との対向位置を避けて配置されているため、圧力導入口１１を経て汚染物が導入されるのを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
このケース１０は、第１の主面１０Ａに、実装基板としてのプリント基板４０上に面実装するための端子を具備し、圧力導入口１１及び大気導入口１２は、第１の主面１０Ａに対向する第２の主面１０Ｂに配設されているため、ケース１０の裏面から大気導入口１２までの距離を大きくすることができ、プリント基板４０などの実装基板上に実装する際、圧力導入口１１や大気導入口１２にポッティング樹脂などが入り込むのを防ぐことができる。

また、圧力導入口１１はケース１０の表面に立設された圧力導入部１０ｂに連通しており、大気導入口１２はこの圧力導入部１０ｂに並置された大気圧導入部１０ｃに連通されている。圧力導入口１１と大気導入口１２とが並置されているため、実装時にポッティングによる樹脂の流れ込みを容易に抑制することができる。

また、大気導入口１２は、ケース１０の第２の主面１０Ｂに形成された延長部としての、管状の大気圧導入部１０ｃを介して配設され、その開口位置がプリント基板４０から第２の主面１０Ｂよりも離間している。このため、より確実に、実装時のポッティングによる樹脂４２の流れ込みを容易に抑制することができる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２の半導体圧力センサについて説明する。
図９は、本発明の実施の形態２の半導体圧力センサを示す図である。前記実施の形態１では大気導入口１２は延長部として管状の大気圧導入部１０ｃに取り付けられているが、変形例として示すように、図９に示すようにケース本体１０ａに直接大気導入口１２が形成されるようにしてもよい。なお、図９は要部のみを示すが、延長部としての大気圧導入部１０ｃ以外は前記実施の形態１と同様に形成されている。２０は半導体圧力センサのセンサチップである。
この構成によれば、より構造が簡単で、小型化を図ることが可能となる。

（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３の半導体圧力センサについて説明する。
なお、前記実施の形態１では大気導入口１２はケース本体１０ａに延長部として別途形成された大気圧導入部１０ｃに取り付けられるとともに、圧力導入口１１はケース本体１０ａに延長部として別途形成された圧力導入部１０ｂに取り付けられている。これに対し、本実施の形態では、変形例として、１つの導入部に直接大気導入口１２と圧力導入口１１が形成される。
図１０は、本発明の実施の形態３の半導体圧力センサを示す斜視図である。
圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃは一体成型されており、大気圧導入部１０ｃの管璧に大気導入口１２が搾設されたことを特徴とする。１０ａはケース本体であり、ここにＭＥＭＳチップなどが収納されている。
この構成によれば、大気圧導入部および圧力導入部が肉薄となり、材料厚を小さくすることができることから、熱容量を小さくすることができ、実装時にリフローを行う際、熱効率を高めることができる。

（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４の半導体圧力センサについて説明する。
図１１は本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの斜視図、図１２（ａ）乃至（ｄ）はこの半導体圧力センサの実装状態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。また図１３および図１４は、この圧力導入口１１および大気導入口１２付近を示す部分拡大断面図である。図１４は圧力導入口に測定対象の管に接続するためのチューブ５０を装着した状態を示す図である。

前記実施の形態１では大気導入口１２はケース本体１０ａに延長部として別途形成された大気圧導入部１０ｃに取り付けられるとともに、圧力導入口１１はケース本体１０ａに延長部として別途形成された圧力導入部１０ｂに取り付けられている。これに対し、本実施の形態では、変形例として、大気導入口１２を備えた大気圧導入部１０ｃを構成する管状部と、圧力導入口１１が形成された圧力導入部１０ｂを構成する管状部とが一部で一体化されたものである。つまり圧力導入部１０ｂ及び大気圧導入部１０ｃは、ともにケース本体１０ａの第２の主面１０Ｂから伸張方向Ｄに沿って当接面Ｓを有し、圧力導入部１０ｂが大気圧導入部１０ｃより高い位置まで伸張している。そしてこの大気導入口１２の近傍に切り欠き部１５が形成され、大気の導入を確保するようにした構成である。１４は基板の底面を密着封止するためのシール材である。

本実施の形態においても、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃは一体成型されているが、圧力導入口１１および大気導入口１２が所望の高さに設けられ、一部で一体化されている。本実施の形態では、圧力導入口１１が、大気導入口１２よりも所望の高さだけ高い位置に設けられており、大気圧導入部１０ｃの頂部に大気導入口１２が配設され、圧力導入部１０ｂの頂部に圧力導入口１１が配設されている。１０ａはケース本体であり、ここにＭＥＭＳチップなどが収納されている。
この構成によれば、圧力導入部１０ｂが大気圧導入部１０ｃにつながって立設されているため、圧力導入口の物理的強度を高くすることができる。

また、図１３に要部拡大断面図を示すように、大気導入口１２先端に切り欠き部１５を設けている。このため、圧力を測定するための管をチューブ５０で接続した場合にも、図１４に示すように、大気導入口１２が塞がれないように維持される。
また、本実施の形態においても、実施の形態１の場合に比べて材料厚を小さくすることができることから、熱容量を小さくすることができ、実装時にリフローを行う際、熱効率を高めることができる。

（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５の半導体圧力センサについて説明する。
図１５は本発明の実施の形態５の半導体圧力センサを説明する図である。（ａ）は実施の形態４と同等の半導体圧力センサの正面図、（ｂ）は実施の形態４と同等の半導体圧力センサの上面図、（ｃ）は実施の形態５の半導体圧力センサの正面図、（ｄ）は実施の形態５の半導体圧力センサの上面図である。また、（ｅ）は、（ｄ）の矢印Ｅ方向から見たときの大気圧導入部１０ｃの頂部の拡大図、（ｆ）は、変形例を示す図である。

図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、チューブ（ホース）５０が圧力導入部１０ｂに接続されると、大気圧導入部１０ｃの大気導入口１２にも隣接することになる。このとき、チューブ５０を圧力導入部１０ｂに固定するための接着剤等が大気導入口に侵入したり、チューブ５０にて結露した水滴が、大気導入口へ侵入したりするおそれがある。

実施の形態５の半導体圧力センサにおいては、図１５（ｃ）−（ｅ）に示すように、大気導入口１２は、大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿った最先端部（頂部の更に先端）で露出せず、大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿った側面で露出している。すなわち、大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿った最先端部は、最先端平面部６０として形成され、大気導入口１２は最先端壁部６１で覆われている。そして、大気導入口１２は、大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿った側面で露出しているが、特に本実施の形態では、大気圧導入部１０ｃの半径方向の中心方向寄りの部分で露出している。

このような構成により、チューブ５０を圧力導入部１０ｂに固定するための接着剤等が大気導入口に侵入したり、チューブ５０にて結露した水滴が、大気導入口へ侵入したりすることを効果的に防止することができる。

上記実施形態では、最先端平面部６０、最先端壁部６１は、大気圧導入部１０ｃと一体的に同じ材料で形成されている。一方、図１５（ｆ）は本実施形態の変形例を示し、最先端平面部６０、最先端壁部６１を含む大気圧導入部１０ｃの最先端部が、大気圧導入部１０ｃとは別部材で形成されている。すなわち、図１５（ｆ）の斜線部で示された部分が、大気圧導入部１０ｃとは別体のカバー６２で形成されている。カバー６２は、樹脂やシール材等で成形することができる。すなわち、大気圧導入部１０ｃの最先端部には、大気圧導入部１０ｃとは別体のカバーが取り付けられており、図１５（ｆ）の最先端平面部６０、最先端壁部６１はカバー６２で形成される。本例によれば、簡単に図１５（ｅ）と同様な構成が実現される。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１０ ケース
１０ａ ケース本体
１０ｂ 圧力導入部
１０ｃ 大気圧導入部
１０Ａ 第１の主面
１０Ｂ 第２の主面
Ｓ 当接面
Ｄ 伸張方向
１１ 圧力導入口
１２ 大気導入口
１３ 基板
１４ シール材
１５ 切り欠き部
１６ 凹部
１７ 突起
１８ 先端面
２０ センサチップ
２０Ａ 第１の面
２０Ｂ 第２の面
２１ シリコン単結晶基板
２２ ダイヤフラム
２３ ゲージ抵抗
２４ 電極
２８ 処理回路チップ
３１ リードフレーム
４０ プリント基板
４１ 配線パターン
４２ 樹脂（ポッティング剤）
５０ チューブ
６０ 最先端平面部
６１ 最先端壁部
６２ カバー

Claims (8)

1. ケースと、前記ケース内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口と、大気を導入する大気導入口と、大気圧に対する前記流体の圧力を測定するセンサチップとを備え、
   前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記ケースの同一面側に配設されており、
   前記圧力導入口は前記ケースの表面に立設された圧力導入部に連通し、
   前記大気導入口は前記圧力導入部に並置された大気圧導入部に連通し、
   前記圧力導入部と前記大気圧導入部は少なくとも一部で一体成型された半導体圧力センサ。
2. 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
   前記ケースは、第１の主面に、実装基板上に面実装するための端子を具備し、
   前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記第１の主面に対向する第２の主面に配設された半導体圧力センサ。
3. 請求項２に記載の半導体圧力センサであって、
   前記大気導入口は、前記第２の主面に形成された延長部を介して配設され、その開口位置が前記実装基板から前記第２の主面よりも離間した半導体圧力センサ。
4. 請求項２に記載の半導体圧力センサであって、
   前記圧力導入部及び前記大気圧導入部は、ともに前記第２の主面から伸張方向に沿って当接面を有し、前記圧力導入部が前記大気圧導入部より高い位置まで伸張した半導体圧力センサ。
5. 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
   前記大気圧導入部は、前記圧力導入部との当接面に対向する側に切り欠きを有する半導体圧力センサ。
6. 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
   前記大気導入口は、前記大気圧導入部の長手方向に沿った最先端部で露出せず、前記大気圧導入部の長手方向に沿った側面で露出する半導体圧力センサ。
7. 請求項６に記載の半導体圧力センサであって、
   前記大気圧導入部の前記最先端部は、前記大気圧導入部とは別部材で形成されている半導体圧力センサ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体圧力センサであって、
   前記センサチップは、前記ケース内に、前記圧力導入口との対向位置を避けて配置された半導体圧力センサ。