JP6265052B2 - 物理量センサ - Google Patents

Description

本発明は、物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ部にモールド樹脂が配置された物理量センサに関するものである。

従来より、この種の物理量センサとして、圧力に応じたセンサ信号を出力するセンシング部が形成されたセンサ部を有する圧力センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、この圧力センサは、センサ部には、センシング部と共にセンシング部と電気的に接続される電極が形成されている。そして、電極がリードと電気的に接続されることにより、リードを介して外部回路と接続されるようになっている。また、センサ部は、センシング部を露出させつつ、電極とリードとの接続部分が封止されるようにモールド樹脂で覆われている。

特開２０１１−１９１２７３号公報

しかしながら、上記圧力センサでは、センサ部とモールド樹脂とでは線膨張係数が異なるため、センサ部とモールド樹脂との間に応力が発生する。また、一般的なモールド樹脂は、型成形することによって製造されるものであり、接着力が弱い。このため、モールド樹脂は、センサ部を封止する部分の端部から剥離し始める可能性がある。そして、モールド樹脂の剥離が進行すると、電極がモールド樹脂から露出し、電極が外部環境に曝されて腐食する等の問題が発生する。

なお、ここでは、物理量センサとしての圧力センサを例に挙げて説明したが、例えば、流量を測定する流量センサ等においても同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、電極がモールド樹脂から露出することを抑制できる物理量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（３０ｂ）を有する基板（１０、３０）を有し、基板に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１９）が形成されていると共に、基板の一面にセンシング部と電気的に接続される電極（３７）が形成されたセンサ部（１）と、センシング部を露出させつつ電極を封止するモールド樹脂（２）と、を備え、以下の点を特徴としている。

すなわち、センサ部の一面には、当該一面のうちのモールド樹脂で封止される部分とモールド樹脂から露出する部分との境界部と、電極との間に、モールド樹脂よりも基板の線膨張係数に近く、電極と共にモールド樹脂に封止されるダム部（７０）が配置されており、ダム部は、複数形成され、境界部側から電極側に向かって順に高さが高くされており、モールド樹脂は、境界部側の部分から複数のダム部を封止する部分に渡り、一面との成す角度（θ）が鋭角とされたテーパ状とされていることを特徴としている。

これによれば、モールド樹脂がセンサ部を封止する部分の端部（基板の一面のうちのモールド樹脂で封止される部分とモールド樹脂から露出する部分との境界部）から剥離し始めると、剥離はダム部を越えて進行する。このため、電極がモールド樹脂から露出するまでの剥離距離を長くすることができ、電極がモールド樹脂から剥離することを抑制できる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における圧力センサの断面図である。 図１に示す第１基板の一面側の平面図である。 図１に示す第２基板の他面側の平面図である。 本発明の第２実施形態におけるダム部の拡大図である。 本発明の第３実施形態におけるダム部の拡大図である。 本発明の第４実施形態における圧力センサの断面図である。 本発明の第５実施形態におけるセンサ部とダム部との関係を示す図である。 本発明の第５実施形態における変形例のセンサ部とダム部との関係を示す図である。 本発明の第６実施形態における圧力センサの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、本発明の物理量センサを圧力センサに適用した例について説明する。なお、この圧力センサは、例えば、自動車に搭載され、オイルポンプから排出されたオイルの圧力を検出する圧力センサとして適用されると好適である。

図１に示されるように、圧力センサは、センサ部１と、モールド樹脂２とを備えている。まず、本実施形態のセンサ部１の構成について説明する。

センサ部１は、一面１０ａおよびこの一面１０ａと反対側の他面１０ｂを有する第１基板１０を備えている。本実施形態では、第１基板１０は、支持基板１１、絶縁膜１２、半導体層１３が順に積層され、一方向を長手方向（図１中紙面左右方向）とする平面矩形状のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板（半導体基板）で構成されている。そして、半導体層１３のうちの絶縁膜１２と反対側の一面が第１基板１０の一面１０ａとされ、支持基板１１のうちの絶縁膜１２と反対側の一面が第１基板１０の他面１０ｂとされている。なお、本実施形態では、半導体層１３はＰ型のシリコン基板等で構成されている。

第１基板１０には、半導体層１３の表層部にＮ型層１４が形成されている。また、第１基板１０には、長手方向の一端部側（図１中紙面右側）に、他面１０ｂから凹部１５が形成されることでダイヤフラム部１６が形成されている。

凹部１５は、本実施形態では、第１基板１０の他面１０ｂから絶縁膜１２に達するように形成されている。つまり、凹部１５は支持基板１１に形成されている。そして、凹部１５の底面と第１基板１０の一面１０ａとの間に位置する絶縁膜１２および半導体層１３にてダイヤフラム部１６が構成されている。

ダイヤフラム部１６には、図１および図２に示されるように、ダイヤフラム部１６の変形に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗１７が形成されている。本実施形態では、ゲージ抵抗１７は、４つ形成されており、ブリッジ回路を構成するように接続配線層１８によって適宜接続されている。これにより、ダイヤフラム部１６の変形に応じたセンサ信号が出力される。

なお、本実施形態では、ダイヤフラム部１６およびゲージ抵抗１７を含んでセンシング部１９が形成されている。そして、図１中の第１基板１０は、図２中のI−I線に沿った断面図である。

また、半導体層１３には、ゲージ抵抗１７と電気的に接続される引き出し配線層２０が形成されている。この引き出し配線層２０は、ゲージ抵抗１７と接側される部分から半導体層１３の他端部側（図１および図２中紙面左側）まで引き出されている。引き出し配線層２０は、本実施形態では、４つ形成されており、それぞれ電源電圧を印加する１つの配線層、グランド電位と接続される１つの配線層、ブリッジ回路の中点電圧を出力する２つの配線層とされている。

そして、引き出し配線層２０のうちのゲージ抵抗１７と接続される部分と反対側の端部には、引き出し配線層２０と接続された接続部２１が形成されている。接続部２１は、後述する貫通電極３６と電気的に接続される部分であり、本実施形態では、平面円形状とされている。

なお、ゲージ抵抗１７、接続配線層１８、引き出し配線層２０、接続部２１は、それぞれＰ型の不純物を拡散させた拡散層等で構成され、Ｎ型層１４内に形成されている。

また、半導体層１３のうちのＮ型層１４内には、接続部２１よりも他端部側に、Ｎ型層１４よりも高不純物濃度とされたＮ^＋型のコンタクト層２２が形成されている。このコンタクト層２２は、Ｎ型層１４を所定電位に維持するために後述する貫通電極３６と接続される部分である。

さらに、半導体層１３には、コンタクト層２２よりも他端部側であってＮ型層１４の外側に、半導体層１３よりも高不純物濃度とされたＰ^＋型のコンタクト層２３が形成されている。このコンタクト層２３は、半導体層１３を所定電位に維持するために後述する貫通電極３６と接続される部分である。

また、図１に示されるように、上記第１基板１０の一面１０ａには、第２基板３０が配置されている。第２基板３０は、シリコン等の基板３１のうちの第１基板１０と対向する一面側に絶縁膜３２が形成されていると共に、この一面と反対側の他面に絶縁膜３３が形成された構成とされている。

そして、第２基板３０は、絶縁膜３２が第１基板１０（半導体層１３）と接合されている。本実施形態では、絶縁膜３２と第１基板１０（半導体層１３）とは、絶縁膜３２および半導体層１３のうちの接合面を活性化させて接合するいわゆる直接接合等で接合されている。

なお、本実施形態では、絶縁膜３２のうちの基板３１と反対側の一面が第２基板３０の一面３０ａとされ、絶縁膜３３のうちの基板３１と反対側の一面が第２基板３０の他面３０ｂとされている。また、本実施形態では、第１、第２基板１０、３０にて本発明の基板が構成され、第２基板３０の他面３０ｂが本発明の基板の一面に相当している。

基板３１（第２基板３０の一面３０ａ）には、ダイヤフラム部１６と対向する部分に窪み部３１ａが形成されている。そして、第１基板１０と第２基板３０との間には、この窪み部３１ａによって基準圧力室４０が構成され、ダイヤフラム部１６のうちの一面１０ａ側には基準圧力室４０から基準圧力が印加されるようになっている。なお、本実施形態では、基準圧力室４０は、真空圧とされている。

また、第２基板３０のうちの他端部側（図１中紙面左側）には、当該第２基板３０を第１基板１０と第２基板３０との積層方向に貫通する６つの貫通孔３４（図１中では４つのみ図示）が形成されている。具体的には、この貫通孔３４は、各接続部２１およびコンタクト層２３、２３をそれぞれ露出させるように形成されている。そして、貫通孔３４の壁面には、ＴＥＯＳ（Tetra ethyl ortho silicate）等で構成される絶縁膜３５が成膜され、絶縁膜３５上にはＡｌ等で構成される貫通電極３６が適宜接続部２１およびコンタクト層２３、２３と電気的に接続されるように形成されている。さらに、絶縁膜３３上には、貫通電極３６を介してゲージ抵抗１７と電気的に接続されると共に外部回路と接続されるパッド部３７が形成されている。なお、本実施形態では、パッド部３７が本発明の電極に相当している。

また、第１基板１０の他面１０ｂの他端部側には、第１、第２基板１０、３０を搭載して支持する支持部材５０が接着剤等の接合部材６０を介して配置されている。この支持部材５０は、銅や４２アロイ等で構成されるリードフレームで構成されている。

そして、第１、第２基板１０、３０のうちの他端部側および支持部材５０等は、モールド樹脂２によって封止されて固定されている。つまり、ダイヤフラム部１６を露出させつつ貫通電極３６およびパッド部３７が封止されるように、モールド樹脂２が配置されている。

以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。そして、本実施形態では、図１および図３に示されるように、第２基板３０の他面３０ｂに２つのダム部７０がシリコーン系接着剤等で構成される接合部材７１を介して配置されている。具体的には、ダム部７０は、モールド樹脂２よりも第１、第２基板１０、３０の線膨張係数に近い材質で構成され、本実施形態ではシリコン基板で構成されている。そして、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂのうちのモールド樹脂２で封止される部分とモールド樹脂２から露出する部分との境界部と、パッド部３７との間に配置されている。なお、図１中の第２基板３０は、図３中のI−I線に沿った断面図である。

本実施形態では、このダム部７０は、第２基板３０の長手方向と直交する方向に沿った断面が矩形状とされている。また、ダム部７０は、第２基板３０の長手方向と直交する方向であり、第２基板３０の面方向に沿った方向（以下では、短手方向という）に延設されている。そして、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂのうちの短手方向の両端部に達するように延設されている。

以上が本実施形態における圧力センサの構成である。このような圧力センサでは、Ｎ型層１４（コンタクト層２２）が、Ｐ型のゲージ抵抗１７、接続配線層１８、引き出し配線層２０、接続部２１より高電位とされた状態で圧力の検出を行う。つまり、Ｎ型層１４と、Ｐ型のゲージ抵抗１７、接続配線層１８、引き出し配線層２０、接続部２１とで構成されるダイオードに逆バイアスが印加される状態で圧力の検出を行う。

そして、ダイヤフラム部１６のうちの他面１０ｂ側に測定媒体の圧力が印加されると、この圧力と一面１０ａ側に印加される基準圧力との差圧に応じてダイヤフラム部１６が変形し、当該変形に応じたセンサ信号が出力される。このため、このセンサ信号に基づいて測定媒体の圧力が検出される。

以上説明したように、本実施形態では、第２基板３０の他面３０ｂには、当該他面３０ｂのうちのモールド樹脂２で封止される部分とモールド樹脂２から露出する部分との境界部と、パッド部３７との間に、モールド樹脂２よりも第１、第２基板１０、３０の線膨張係数に近いダム部７０が配置されている。このため、モールド樹脂２がセンサ部１を封止する部分の端部（第２基板３０の他面３０ｂのうちのモールド樹脂２で封止される部分とモールド樹脂２から露出する部分との境界部）から剥離し始めると、剥離はダム部７０を越えて進行する。したがって、ダム部７０が配置されていない場合と比較して、パッド部３７がモールド樹脂２から露出するまでの剥離距離を長くすることができ、パッド部３７がモールド樹脂２から剥離することを抑制できる。

なお、ダム部７０は、モールド樹脂２よりも第１、第２基板１０、３０の線膨張係数に近い材料で構成されている。このため、第１、第２基板１０、３０とダム部７０との間に発生する応力によってモールド樹脂２の剥離が促進することを抑制できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してダム部７０のうちのモールド樹脂２と接する部分を荒らしたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図４に示されるように、ダム部７０は、モールド樹脂２と接する部分が荒らされている。言い換えると、ダム部７０は、接合部材７１と接する部分と異なる部分が荒らされている。なお、図４は、図１中の二点鎖線で囲まれる領域Ａに相当する図である。

これによれば、ダム部７０はモールド樹脂２と接する部分が荒らされている。このため、アンカー効果によってダム部７０とモールド樹脂２との接合力を向上でき、モールド樹脂２をダム部７０から剥離し難くできる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してダム部７０に凹部を形成したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図５に示されるように、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂ側（絶縁膜３３側）と反対側の一面に凹部７０ａが形成されている。これによれば、ダム部７０に凹部７０ａが形成されていることにより、パッド部３７がモールド樹脂２から露出するまでの剥離距離をさらに長くすることができる。なお、図５は、図１中の二点鎖線で囲まれる領域Ａに相当する図である。

なお、ここでは、ダム部７０のうちの第２基板３０の他面３０ｂ側と反対側の一面に凹部７０ａが形成されている例を説明したが、凹部７０ａはモールド樹脂２と接する部分であれば形成される場所は特に限定されない。また、ダム部７０に凹部７０ａを形成する代わりに、凸部を形成するようにしてもよい。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してモールド樹脂２よりヤング率の小さい保護膜を配置したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図６に示されるように、第２基板３０の他面３０ｂ側およびダム部７０は、モールド樹脂２で封止される部分に当該モールド樹脂２よりヤング率の小さいポリイミド等で構成される保護膜８０が配置されている。言い換えると、第２基板３０の他面３０ｂ側およびダム部７０と、モールド樹脂２との間に保護膜８０が配置されている。

これによれば、モールド樹脂２よりヤング率の小さい保護膜８０が配置されているため、センサ部１とモールド樹脂２との間に発生する応力を小さくできる。このため、モールド樹脂２がセンサ部１から剥離すること自体を抑制できる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してセンサ部１の側面にもダム部７０を配置したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図７に示されるように、ダム部７０は、第１基板１０の一面１０ａと他面１０ｂとを繋ぐ側面１０ｃ、１０ｄ、および第２基板３０の一面３０ａと他面３０ｂとを繋ぐ側面３０ｃ、３０ｄにも配置されている。そして、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂに配置された部分と、第１、第２基板１０、３０の側面１０ｃ、１０ｄ、３０ｃ、３０ｄに配置された部分とが連結されている。なお、図７は、図１中のＢ方向から視たセンサ部１とダム部７０との関係を示す図である。

これによれば、モールド樹脂２が第１、第２基板１０、３０の側面１０ｃ、１０ｄ、３０ｃ、３０ｄのうちのモールド樹脂２で封止される部分とモールド樹脂２から露出する部分との境界部から剥離した際、当該剥離が第１、第２基板１０、３０の他端部に到達するまでの剥離距離を長くできる。このため、支持部材５０がモールド樹脂２から剥離することを抑制できる。

（第５実施形態の変形例）
上記第５実施形態において、図８に示されるように、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂに配置された部分と、第１、第２基板１０、３０の側面１０ｃ、１０ｄ、３０ｃ、３０ｄに配置された部分とが分離されていてもよい。このようなダム部７０を配置した圧力センサとしても、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、図８は、図１中のＢ方向から視たセンサ部１とダム部７０との関係を示す図である。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してダム部７０の高さおよびモールド樹脂２の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、図９に示されるように、２つのダム部７０は、パッド部３７側のダム部７０の方が高くされている。つまり、ダム部７０は、境界部側（一端部側）からパッド部３７側（他端部側）に向かって順に高さが高くされている。

そして、モールド樹脂２は、第２基板３０の他面３０ｂのうちのモールド樹脂２で封止される部分とモールド樹脂２から露出する部分との境界部からダム部７０を封止する部分に渡って第２基板３０の他面３０ｂとの成す角度θが鋭角とされたテーパ状とされている。つまり、モールド樹脂２は、第２基板３０を封止する部分の端部がテーパ状とされている。

これによれば、モールド樹脂２がテーパ状とされているため、モールド樹脂２のうちの第２基板３０を封止する部分の端部に発生する応力を小さくでき、モールド樹脂２がセンサ部１から剥離すること自体を抑制できる。また、モールド樹脂２のうちのダム部７０を封止する部分をテーパ状とすることにより、圧力センサが大型化することを抑制できる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、圧力センサを例に挙げて説明したが、センシング部１９が露出すると共にパッド部３７がモールド樹脂２で封止された流量センサ等に本発明を適用することもできる。

また、上記各実施形態において、第１基板１０としてＳＯＩ基板ではなく、シリコン基板等を用いることもできる。

さらに、上記各実施形態において、ダム部７０として、第１、第２基板１０、３０とモールド樹脂２の線膨張係数の略中間の線膨張係数を有するセラミック部材等を用いてもよい。また、ダム部７０として、コンデンサ等の電子部品を用いることもできる。

そして、上記各実施形態において、ダイヤフラム部１６は、半導体層１３のみで構成されていてもよい。つまり、凹部１５によって絶縁膜１２が除去されていてもよい。

また、上記各実施形態において、Ｎ型のシリコン基板を用いて半導体層１３を構成することもできる。この場合は、Ｎ型層１４の代わりにＰ型層を形成し、コンタクト層２２をＰ^＋型とすると共にコンタクト層２３をＮ^＋型とし、ゲージ抵抗１７、接続配線層１８、引き出し配線層２０、接続部２１をＮ型とすればよい。そして、圧力を検出する際には、ゲージ抵抗１７、接続配線層１８、引き出し配線層２０、接続部２１がＰ型層より高電位となるようにすればよい。

そして、上記各実施形態において、Ｎ型層１４の電位を維持するコンタクト層２２と、グランド電位と接続される引き出し配線層２０の接続部２１とを共用してもよい。

さらに、上記各実施形態において、窪み部３１ａの側面に絶縁膜３２が形成されていてもよい。

また、上記各実施形態において、ダム部７０の数は適宜変更可能である。

そして、上記第１〜第６実施形態において、ダム部７０は、第２基板３０の他面３０ｂのうちの短手方向の両端部に達するように延設されていなくてもよい。

１ センサ部
２ モールド樹脂
１０ 第１基板
１０ａ 一面
１０ｂ 他面
１９ センシング部
３０ 第２基板
３０ａ 一面
３０ｂ 他面
３７ パッド部（電極）
７０ ダム部

Claims (6)

1. 一面（３０ｂ）を有する基板（１０、３０）を有し、前記基板に物理量に応じたセンサ信号を出力するセンシング部（１９）が形成されていると共に、前記基板の一面に前記センシング部と電気的に接続される電極（３７）が形成されたセンサ部（１）と、
   前記センシング部を露出させつつ前記電極を封止するモールド樹脂（２）と、を備え、
   前記センサ部の一面には、当該一面のうちの前記モールド樹脂で封止される部分と前記モールド樹脂から露出する部分との境界部と、前記電極との間に、前記モールド樹脂よりも前記基板の線膨張係数に近く、前記電極と共に前記モールド樹脂に封止されるダム部（７０）が配置されており、
   前記ダム部は、複数形成され、前記境界部側から前記電極側に向かって順に高さが高くされており、
   前記モールド樹脂は、前記境界部側の部分から複数の前記ダム部を封止する部分に渡り、前記一面との成す角度（θ）が鋭角とされたテーパ状とされていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記ダム部は、前記モールド樹脂と接する部分が荒らされていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記ダム部は、前記モールド樹脂と接する部分に凹部（７０ａ）または凸部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の物理量センサ。
4. 前記センサ部および前記ダム部のうちの前記モールド樹脂で封止される部分には、前記モールド樹脂よりヤング率の小さい保護膜（８０）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の物理量センサ。
5. 前記センサ部は、前記基板における一方向の一端部側に前記センシング部が形成されていると共に前記一方向の他端部側に前記電極が形成されており、
   前記ダム部は、前記基板の一面のうちの前記一方向と直交する方向の両端部に達するように延設されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の物理量センサ。
6. 前記ダム部は、前記基板の一面と繋がる側面（１０ｃ、１０ｄ、３０ｃ、３０ｄ）にも配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の物理量センサ。

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