JP6507595B2 - 半導体センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体センサ装置に関する。

従来、圧力を検出する半導体センサ装置が知られている。このような半導体センサ装置の一例では、圧力を検出する半導体センサ素子は、樹脂パッケージにマウントされている。又、このような半導体センサ装置の他の例では、圧力を検出する半導体センサ素子は、接着樹脂を介して、樹脂にガラス繊維を含浸した基板（所謂ガラスエポキシ基板）に直接固定されている。後者の場合、例えば、基板に貫通孔を設け、貫通孔を通して圧力媒体（ガス等）を半導体センサ素子に導いている。

特開平１１−３０４６１９号公報

しかしながら、圧力媒体に接する部分、特に基板に設けた貫通孔の内壁面に基材が露出していると、基材を構成するガラス繊維を圧力媒体が透過して外部に漏れ出すおそれがあり、半導体センサ装置の信頼性を低下させる。

又、基板上の基材が露出した領域に半導体センサ素子を接着すると、接着樹脂の硬化時に、外部から基材を透過してきた水分や基材を構成する成分が気化し、接着樹脂の内部に気泡として残存するおそれがある。接着樹脂の内部に気泡が残存すると、接着樹脂の未接着部の発生や、センサ特性の悪化、ワイヤーボンド不良の発生等により、半導体センサ装置の信頼性を低下させる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、信頼性を確保した半導体センサ装置を提供することを課題とする。

本半導体センサ装置（１）は、基板（１０）と、前記基板（１０）に設けられた貫通孔（１０ｘ）と、前記基板（１０）の一方の側に実装され、前記基板（１０）の他方の側から前記貫通孔（１０ｘ）を介して導入された圧力媒体の圧力を検出する半導体センサ素子（２０）と、を有し、前記基板（１０）の一方の側に、前記半導体センサ素子（２０）が実装される素子搭載領域（１１）を備え、前記基板（１０）の他方の側に、前記貫通孔（１０ｘ）を介して前記半導体センサ素子（２０）に前記圧力媒体を導入する圧力媒体導入部材（８０）を備え、少なくとも前記貫通孔（１０ｘ）の内壁面、前記素子搭載領域（１１）、及び前記圧力媒体導入部材（８０）から前記半導体センサ素子（２０）に前記圧力媒体が導入される経路となる部分は、銅膜（１９）及び金めっき膜（１９０）で被覆される領域を有しており、前記半導体センサ素子（２０）は、低弾性樹脂（５１）によって接着され、前記素子搭載領域（１１）のうち、前記低弾性樹脂（５１）が塗布される領域は前記銅膜（１９）であることを要件とする。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

開示の技術によれば、信頼性を確保した半導体センサ装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図（その２）である。 第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図（その３）である。 第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図（その４）である。 第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図（その５）である。 半導体センサ素子実装部近傍の詳細図（その１）である。 半導体センサ素子実装部近傍の詳細図（その２）である。 半導体センサ素子実装部近傍の詳細図（その３）である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１〜図５は、第１の実施の形態に係る半導体センサ装置を例示する図である。なお、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は斜視図、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は底面図、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ部の拡大図、図４は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図５は基板のみを示す平面図である。又、図６は、半導体センサ素子実装部近傍の詳細図である。

まず、図１〜図５を参照しながら第１の実施の形態に係る半導体センサ装置１の全体の構造について説明し、その後、図６を参照しながら半導体センサ素子２０の実装部近傍の詳細な構造について説明する。

［第１の実施の形態に係る半導体センサ装置の全体の構造］
図１〜図５に示すように、半導体センサ装置１は、大略すると、基板１０と、シリンダ７０と、ノズル８０と、外部端子９０とを有する。シリンダ７０とノズル８０とは基板１０を挟んだ状態で接合されている。

なお、本実施の形態では、便宜上、半導体センサ装置１のシリンダ７０側を上側又は一方の側、ノズル８０側を下側又は他方の側とする。又、各部位のシリンダ７０側の面を上面又は一方の面、ノズル８０側の面を下面又は他方の面とする。但し、半導体センサ装置１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基板１０の上面の法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基板１０の上面の法線方向から視た形状を指すものとする。

半導体センサ装置１において、基板１０の平面形状は、例えば、略矩形状とすることができるが、略矩形状以外の任意の形状として構わない。又、必要に応じ、基板１０の外縁部に切り欠き等を設けても構わない。基板１０としては、所謂ガラスエポキシ基板やセラミック基板、シリコン基板等を用いることができる。

基板１０には、素子搭載領域１１、ボンディングパッド１２、部品実装用パッド１３、外部端子実装用パッド１４、ソルダーレジスト１５、スルーホール１６、圧力媒体導入孔１０ｘ、位置決め孔１０ｙ、外部端子挿入孔１０ｚ等が形成されている。素子搭載領域１１には、例えば、銅（Ｃｕ）が露出している。又、ボンディングパッド１２、部品実装用パッド１３、外部端子実装用パッド１４には、例えば、銅（Ｃｕ）の上面に形成された金（Ａｕ）めっきが露出している。

基板１０の部品実装用パッド１３には、実装部品４０が実装されている。実装部品４０は、ＩＣ、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、インダクタの一部又は全部、或いは他の任意の部品を含んでよい。

ソルダーレジスト１５は、素子搭載領域１１、ボンディングパッド１２、部品実装用パッド１３、外部端子実装用パッド１４等を露出するように、基板１０の上面及び下面に設けられている。ソルダーレジスト１５は、素子搭載領域１１内に選択的に形成された凸部であるレジストスペーサ１５ａ及び１５ｂを有している。レジストスペーサ１５ａは、半導体センサ素子２０を実装する領域に選択的に設けられた、半導体センサ素子２０を搭載するための台座である。又、レジストスペーサ１５ｂは、制御ＩＣ３０を実装する領域に選択的に設けられた、制御ＩＣ３０を搭載するための台座である。

素子搭載領域１１のレジストスペーサ１５ａ上には半導体センサ素子２０が配置され、接着樹脂５１により固定されている。レジストスペーサ１５ｂ上には制御ＩＣ３０が配置され、接着樹脂５２により固定されている。なお、基板１０の上面には半導体センサ素子２０等を保護する保護部材であるシリンダ７０が接着樹脂５３により固定されており、半導体センサ素子２０及び制御ＩＣ３０はシリンダ７０の略中央部に設けられた開口部７０ｘ内に配されている。

半導体センサ素子２０は、圧力媒体の圧力を検出するセンサであり、ダイヤフラムを有している。ダイヤフラムは、半導体センサ素子２０の上面であるセンサ面を構成する部位であり、圧力により発生した応力を、電気信号に変換して検出する機能を有する。半導体センサ素子２０は、ダイヤフラムの歪みを抵抗値の変化として検出する半導体歪みゲージ方式の素子でもよいし、ダイヤフラムの変位を静電容量の変化として検出する静電容量方式の素子でもよいし、他の検出方式で圧力を検出する素子でもよい。

制御ＩＣ３０は、半導体センサ素子２０を制御するＩＣである。制御ＩＣ３０には、例えば、温度センサが内蔵されており、制御ＩＣ３０は半導体センサ素子２０の特性の温度補償を行う。半導体センサ素子２０の特性の温度補償の確度を高めるため、制御ＩＣ３０は半導体センサ素子２０の近傍に実装されている。

半導体センサ素子２０の上面及び制御ＩＣ３０の上面には、デバイス保護ゲル５８が設けられている。又、シリンダ７０の開口部７０ｘの内壁面の下面側に形成された段差部７０ｚ内において、半導体センサ素子２０及び制御ＩＣ３０の周辺部の基板１０の上面を被覆するように、基板保護ゲル５９が設けられている。デバイス保護ゲル５８としては、例えば、広い温度範囲で粘弾性の変化が小さいシリコーンゲルを用いることができる。基板保護ゲル５９としては、例えば、高信頼性のフッ素ゲルを用いることができる。但し、デバイス保護ゲル５８及び基板保護ゲル５９は、同じ材料を用いても構わない。

ノズル８０は半導体センサ素子２０に圧力媒体を導入する圧力媒体導入部材であり、略中央部に筒状の圧力媒体導入孔８１が設けられている。ノズル８０の圧力媒体導入孔８１（貫通孔）は基板１０の圧力媒体導入孔１０ｘ（貫通孔）に連通しており、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体（例えば、プロパンガスや都市ガス等のガス）は、圧力媒体導入孔１０ｘを介して、半導体センサ素子２０のダイヤフラムに達する。

半導体センサ素子２０のダイヤフラムの歪み（又は、変位）は、ノズル８０の圧力媒体導入孔８１から導入される圧力媒体の圧力と、シリンダ７０の開口部７０ｘから導入される大気圧との差に応じて変化する。そのため、ダイヤフラムの歪み量（又は、変位量）を抵抗値（又は、静電容量値）の変化量として検出することによって、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体の圧力を検出できる。

このように、半導体センサ素子２０のダイヤフラムの下面側で圧力媒体を受ける構造とすることにより、半導体センサ素子２０のダイヤフラムの上面側に形成された抵抗や配線等に腐食が生じることを防止できる。又、この構造では、基板１０と圧力媒体が接触する面積が少なくなるため、圧力媒体が基板１０へ与える影響を最小限にすることができ、信頼性の向上が可能となる。

なお、図３（ｂ）に示したように、圧力媒体導入孔８１の基板１０側には圧力媒体の流量を制限する流量制限部８２が設けられ、流量制限部８２の更に基板１０側に流量制限部８２より断面積の大きいバッファ部８３が設けられている。なお、流量制限部８２の断面積は、バッファ部８３側に近づくにつれて徐々に小さくなる形状とされている。

言い換えれば、圧力媒体導入孔８１は、基板１０と遠い方から近い方にかけて、第１の断面積を備えた第１の部分（流量制限部８２及びバッファ部８３を除く部分）と、第１の断面積よりも小さい第２の断面積を備えた第２の部分（流量制限部８２）と、第２の断面積よりも大きい第３の断面積を備えた第３の部分（バッファ部８３）とを有している。

第１〜第３の部分の各断面（横断面）は、例えば、円形とすることができる。その場合、流量制限部８２及びバッファ部８３を除く部分の圧力媒体導入孔８１の直径は、例えば、２ｍｍ程度とすることができる。流量制限部８２のバッファ部８３から遠い側の直径は、例えば、０．８ｍｍ程度、バッファ部８３に近い側の直径は、例えば、０．３ｍｍ程度とすることができる。バッファ部８３の直径は、例えば、１．１ｍｍ程度とすることができる。

このように、流量制限部８２により圧力媒体の流量を制限すると共に、流量制限部８２の基板１０側に流量制限部８２より断面積の大きいバッファ部８３を設けることで、圧力伝播に対してバッファ部８３が形成する空間が緩衝器の役割を果たす。その結果、突発的な圧力印加に対して半導体センサ素子２０を保護することができる。

又、ノズル８０の上面には、柱状の位置決め部８９（例えば、４カ所）が設けられている。ノズル８０の各位置決め部８９は、連通する基板１０の位置決め孔１０ｙ及びシリンダ７０の位置決め孔７０ｙに挿入され、先端がシリンダ７０の上面から突出している。位置決め部８９のシリンダ７０の上面から突出している部分は、熱溶着により外縁部がシリンダ７０の上面の位置決め孔７０ｙの周囲に環状に広がり、シリンダ７０の上面と接合されている。

なお、基板１０とシリンダ７０とは接着樹脂５３により接着され、基板１０とノズル８０とはシール用接着樹脂５４とノズル接着樹脂５５により接着されている。これにより、基板１０とシリンダ７０及びノズル８０とは密着するため、ノズル８０の圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体が漏れることを防止できる。そして、更に、基板１０を挟むようにシリンダ７０とノズル８０とが熱溶着により接合されている。これにより、接着樹脂５３、５４、５５による接着と熱溶着による固定を併用することで、基板１０とシリンダ７０及びノズル８０との機械的強度を高めることができる。すなわち、圧力媒体をシールする部分の信頼性を向上することができる。

なお、半導体センサ装置１では、半導体センサ素子２０をシリンダ７０やノズル８０等の外装部分に直接接続せずに、基板１０に実装しているため、半導体センサ装置１を取り付け対象物に取り付ける際に、外装部分から半導体センサ素子２０に応力が伝わることを防止できる。

又、従来のようにガラス台座を使用しない代わりに、半導体センサ素子２０の厚みを厚くし、低弾性樹脂である接着樹脂５１を介して基板１０に実装している。接着樹脂５１として低弾性樹脂を使用することで、外部応力による影響を低減し、ガラス台座を有している場合と同等に外部応力を緩和することができる。更に、この構造では、ガラス台座を実装しないため、製造コストが低減できる。

なお、シリンダ７０やノズル８０は樹脂成型により作製できるため、形状の変更が容易である。そのため、適宜な形状に変更することで、様々な用途に向けた半導体センサ装置を実現できる。

［半導体センサ素子の実装部近傍の詳細な構造］
次に、図６を参照しながら、半導体センサ素子２０の実装部近傍の詳細な構造について説明する。図６は、第１の実施の形態に係る半導体センサ素子２０の実装部近傍を例示する図であり、図６（ｂ）は平面図、図６（ａ）は図６（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。但し、図６（ｂ）では一部の構成要素の図示が省略されている。

図６（ｂ）における四角の破線と丸の破線とで囲まれた領域２０ａは、素子搭載領域１１中の半導体センサ素子２０の底面が配される部分である。領域２０ａにはレジストスペーサ１５ａが形成されており、金めっき膜１９０が形成される領域１１ａを除く領域２０ａの一部又は全部に接着樹脂５１が塗布される。

図６に示すように、基板１０は、基材１７を備え、基材１７の所定領域には銅膜１９が形成されている。銅膜１９の厚さは、例えば、２０〜４０μｍ程度とすることができる。銅膜１９は、基材１７の全体にわたって形成しても構わないが、少なくとも圧力媒体の経路となる部分（圧力媒体と接する可能性のある部分）の全てに形成されている。

具体的には、銅膜１９は、基材１７の上面において、少なくとも、素子搭載領域１１中の半導体センサ素子２０と平面視で重複する領域に形成されている。又、銅膜１９は、少なくとも、基材１７の下面において、ノズル８０から圧力媒体が導入される経路となる部分（基材１７の下面の圧力媒体導入孔８１内に露出する領域１１ｂ）に形成されている。更に、銅膜１９は、少なくとも、圧力媒体導入孔１０ｘの内壁面に形成されている。

これらの領域に、連続的に銅膜１９を形成することにより、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体が半導体センサ素子２０に至る経路に、基材１７が全く露出しない構造とすることができる。

本実施の形態では、更に、半導体センサ素子２０と平面視で重複する領域中の接着樹脂５１を塗布する領域の内側である領域１１ａにおいて、銅膜１９の表面が金めっき膜１９０で被覆されている。又、圧力媒体導入孔８１と接する領域１１ｂにおいて、銅膜１９の表面が金めっき膜１９０で被覆されている。更に、圧力媒体導入孔１０ｘの内壁面において、銅膜１９の表面が金めっき膜１９０で被覆されている。金めっき膜１９０の厚さは、例えば、０．３μｍ以上とすることができる。金めっき膜１９０の周縁部が領域２０ａにはみ出してもよい。

なお、銅膜１９や金めっき膜１９０は、無電解めっき法や電解めっき法等の一般的な基板製造工程により形成できるため、経済性に優れている。

このように、半導体センサ装置１では、基板１０において、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体の経路となる部分（圧力媒体と接する可能性のある部分）が、圧力媒体に対する透過性の低い金属膜で全て被覆されている。これにより、圧力媒体が基材１７を介して外部に漏れ出すことを防止できる。又、基材１７を透過してきた水分や基材１７を構成する成分が気化した気体が、半導体センサ素子２０や接着樹脂５１に達することを防止できる。その結果、半導体センサ装置１の長期的な信頼性を確保できる。

ここで、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体と接する可能性のある部分に銅膜１９のみを形成しても半導体センサ装置１の信頼性を向上できるが、銅膜１９の表面を更に金めっき膜１９０で被覆することにより耐腐食性が良好となり、半導体センサ装置１の信頼性をいっそう向上できる。金めっき膜１９０に代えて錫合金めっき膜（錫銅合金等）を用いても耐腐食性を向上できる。錫合金めっき膜は、金めっき膜１９０よりも安価な点で好適である。

なお、金めっき膜１９０は接着樹脂５１との接着性が良くないため、接着樹脂５１を塗布する領域には金めっき膜１９０を形成せずに銅膜１９を露出させている。これにより、半導体センサ素子２０を基板１０に接着する際の接着樹脂５１の硬化不良や未接着を防ぎ、半導体センサ素子２０の実装信頼性を向上できる。すなわち、半導体センサ素子２０の接着状態を安定化できる。

又、半導体センサ素子２０の接着状態が安定化することで、金属線６０のワイヤボンダビリティを向上できる。更に、半導体センサ素子２０の接着状態が安定化することで、半導体センサ素子２０のダイヤフラムに不要な応力が印加されることを防止可能となる。これにより、半導体センサ素子２０の出力のシフトを低減できると共に、半導体センサ素子２０の破壊耐圧や耐久性を向上できる。

なお、接着樹脂５１を塗布する領域に露出する銅膜１９の表面を粗化すると、銅膜１９と接着樹脂５１との接着性をいっそう向上できる点で好適である。粗化後の銅膜１９の表面の粗度は、例えば、Ｒａ３〜５μｍ程度とすることができる（粗化前の銅膜１９の表面の粗度はＲａ１μｍ以下程度）。粗化は、例えば、有機溶剤等を用いて行うことができる。

〈第１の実施の形態の変形例〉
第１の実施の形態の変形例では、半導体センサ素子の実装部近傍の構造の他の例を示す。なお、第１の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図７は、半導体センサ素子２０の実装部近傍を例示する図（その２）であり、図６（ａ）に対応する断面を示している。図７の構造では、銅膜１９の表面に金めっき膜１９０を形成していない点が図６の構造と相違する。

このように、金めっき膜１９０を形成しない場合でも、基板１０において、圧力媒体導入孔８１から導入された圧力媒体と接する可能性のある部分は、圧力媒体に対する透過性の低い金属膜（銅膜１９）で全て被覆されている。これにより、圧力媒体が基材１７を介して外部に漏れ出すことを防止できる。又、基材１７を透過してきた水分や基材１７を構成する成分が気化した気体が、半導体センサ素子２０や接着樹脂５１に達することを防止できる。その結果、半導体センサ装置１の信頼性を確保できる。

但し、前述のように、特に耐腐食性を問題とする場合には、銅膜１９を被覆するように金めっき膜１９０や錫合金めっき膜を形成することが好ましい。

図８は、半導体センサ素子２０の実装部近傍を例示する図（その３）であり、図６（ａ）に対応する断面を示している。図８の構造では、基材１７の端面が銅膜１９で被覆されている点が図６の構造と相違する。これにより、基材１７の端面から水分等が入り込むことを防止できる。その他の効果については、第１の実施の形態と同様である。

なお、図７や図８の構造において、必要に応じ、銅膜１９の表面に、圧力媒体に対する透過性の低い樹脂をコーティングしてもよい。例えば、銅膜１９に微細なピンポールが存在する場合に、ピンポールを樹脂で埋めることにより、信頼性を確保できる。又、図６の構造において、金めっき膜１９０の表面に、圧力媒体に対する透過性の低い樹脂をコーティングしてもよい。例えば、金めっき膜１９０に微細なピンポールが存在する場合に、ピンポールを樹脂で埋めることにより、信頼性を確保できる。

以上、好ましい実施の形態及び変形例について詳説したが、上述した実施の形態及び変形例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び変形例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ 半導体センサ装置
１０ 基板
１０ｘ 圧力媒体導入孔
１０ｙ 位置決め孔
１０ｚ 外部端子挿入孔
１１ 素子搭載領域
１１ａ 圧力媒体導入孔の周辺領域
１１ｂ 圧力媒体導入孔と接する領域
１２ ボンディングパッド
１３ 部品実装用パッド
１４ 外部端子実装用パッド
１５ ソルダーレジスト
１５ａ、１５ｂ レジストスペーサ
１６ スルーホール
１７ 基材
１８ テスト用パッド
１９ 銅膜
２０ 半導体センサ素子
２０ａ 半導体センサ素子の底面が配される部分
３０ 制御ＩＣ
４０ 実装部品
５１、５２、５３ 接着樹脂
５４ シール用接着樹脂
５５ ノズル接着樹脂
５８ デバイス保護ゲル
５９ 基板保護ゲル
６０ 金属線
７０ シリンダ
７０ｘ 開口部
７０ｙ 位置決め孔
７０ｚ 段差部
８０ ノズル
８１ 圧力媒体導入孔
８２ 流量制限部
８３ バッファ部
８９ 位置決め部
９０ 外部端子
１９０ 金めっき膜

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた貫通孔と、
   前記基板の一方の側に実装され、前記基板の他方の側から前記貫通孔を介して導入された圧力媒体の圧力を検出する半導体センサ素子と、を有し、
   前記基板の一方の側に、前記半導体センサ素子が実装される素子搭載領域を備え、
   前記基板の他方の側に、前記貫通孔を介して前記半導体センサ素子に前記圧力媒体を導入する圧力媒体導入部材を備え、
   少なくとも前記貫通孔の内壁面、前記素子搭載領域、及び前記圧力媒体導入部材から前記半導体センサ素子に前記圧力媒体が導入される経路となる部分は、銅膜及び金めっき膜で被覆される領域を有しており、
   前記半導体センサ素子は、低弾性樹脂によって接着され、
   前記素子搭載領域のうち、前記低弾性樹脂が塗布される領域は前記銅膜である半導体センサ装置。
2. 前記低弾性樹脂が塗布される領域の前記銅膜の表面が粗化されている請求項１記載の半導体センサ装置。
3. 前記基板の端面が銅膜で被覆されている請求項１又は２記載の半導体センサ装置。

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