JP7037471B2 - 電子回路装置、圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、電子回路装置、および圧力センサに関する。

電子部品は様々な領域で利用されており、車両など温度条件が厳しい環境で使用されることも多い。特許文献１には、磁性体である繊維状フィラーを含む成形用樹脂を金型内のキャビティに射出する樹脂射出工程と、少なくとも実装される半導体素子と重なりあう成形品の部分に対応するキャビティに対して、成形用樹脂の流動方向と交差する方向に磁場を付加する磁場付加工程と、キャビティの成形用樹脂を硬化させる樹脂硬化工程とを備えた半導体素子実装用回路基板の製造方法が開示されている。

特開２００６－４１１３２号公報

特許文献１に記載されている発明は、信頼性を確保するためのコストが高い。

本発明の第１の態様による電子回路装置は、異方性フィラーが添加され樹脂が成形された樹脂成形体と、前記樹脂成形体上に形成され、配線を形成する配線層と、前記配線と電気的に接続された電子部品と、を備え、前記樹脂成形体において、前記電子部品が搭載される領域の前記異方性フィラーは、前記電子部品の短手方向よりも、前記電子部品の長手方向に配向している。
本発明の第２の態様による圧力センサは、上述した電子回路装置、およびひずみセンサを備える。

本発明によれば、追加のコストを要することなく電子回路装置の信頼性を向上させることができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

圧力センサ１００の外観図 圧力センサ１００の断面図 図２のＡ部の拡大図 第１の実施の形態における樹脂成形体２の製造時におけるゲート１０を示す図 第１の実施の形態における熱可塑性樹脂９の流動方向を示す図 電子部品６の搭載に不適切な領域を示す図 比較例圧力センサ１００Ｚの拡大図 圧力センサ１００および比較例圧力センサ１００Ｚの熱応力の比較を示す図 第２の実施の形態における樹脂成形体２の製造時におけるゲート１０およびゲート１１を示す図 第２の実施の形態における熱可塑性樹脂９の流動方向を示す図 第３の実施の形態における電子部品６付近の拡大図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

―第１の実施の形態―
以下、図１～図３を参照して、圧力センサの第１の実施の形態を説明する。

（外観）
図１は、圧力センサ１００の外観図である。圧力センサ１００は、ダイヤフラム１と、樹脂成形体２と、ひずみセンサである半導体素子３と、配線層４と、導電性接合材５と、電子部品６とを備える。ダイヤフラム１の上に樹脂成形体２と半導体素子３が配置されている。樹脂成形体２および半導体素子３は、接着剤などの接合材料でダイヤフラム１と接合されているが、図面では省略されている。樹脂成形体２は中央に穴の空いた構造を有し、中央部に半導体素子３が配置される。つまり、樹脂成形体２は半導体素子３を取り囲む構造をとる。なお、圧力センサ１００からダイヤフラム１および半導体素子３を除いた構成、すなわち樹脂成形体２と、配線層４と、導電性接合材５と、電子部品６とをあわせて、電子回路装置９９と呼んでもよい。

図２は、圧力センサ１００の断面図である。樹脂成形体２の表面にはめっきにより形成された配線層４を備え、配線層４と導電性接合材５により電子部品６が電気的に接続されている。また、半導体素子３と配線層４はワイヤ７により電気的に接続されている。ダイヤフラム１を介して半導体素子３に変形が伝わると、半導体素子３の比抵抗が変化し、この比抵抗変化を電圧としてワイヤ７を介して出力する。

樹脂成形体２の配線層４を含む回路は、ブレーキやエンジンコントロールユニットに接続されている。ここで、半導体素子３から出力される測定電圧は微小なため、樹脂成形体２の配線層４は増幅のためやノイズ対策、温度の影響を抑制するための回路が形成されることが多く、配線層には少なくとも１つ以上の電子部品６が実装されている。ここで、電子部品６としては、主に抵抗部品が使用される。

図３は、図２のＡ部の拡大図である。図３に示すように、電子部品６は導電性接合材５を介して配線層４に電気的に接続される。また電子部品６は長手方向の両端が導電性接合材５および配線層４を介して樹脂成形体２に固定される。すなわち電子部品６は、その全体が樹脂成形体２に固定されるのではないため、全体が樹脂成形体２に固定される構成に比べて実装が容易である。

ところで樹脂成形体２は、異方性フィラー８と熱可塑性樹脂９を含んで構成される。樹脂成形体２の電子部品６の搭載領域における異方性フィラー８は、電子部品６の短手方向より長手方向に配向している。異方性フィラー８が配向する方向では、樹脂成形体２における異方性フィラー８の影響が大きくなり、配向と直交する方向では、異方性フィラー８の影響が小さく、熱可塑性樹脂９の物性に近くなる。

つまり、樹脂成形体２の線膨張率は、異方性フィラー８の配向方向が直交方向よりも小さくなり、温度変化により生じる応力の大きさ、換言すると電子部品６および導電性接合材５にかかる熱応力を小さくすることができる。仮に電子部品６と樹脂成形体２の線膨張率が同一であれば熱応力を考慮する必要はないが、実際には電子部品６の線膨張率は樹脂成形体２に比べれば十分に小さいので、樹脂成形体２における電子部品６の長手方向の線膨張率が小さいほど熱応力は小さくなる。熱応力が小さくなることで、導電性接合材５のクラック発生を抑制することができ、電子回路の信頼性および圧力センサの信頼性を向上することが可能となる。

電子部品６は主に抵抗部品が使用されるため、図３に示されるように配線層４の第１の配線と第２の配線を接続するように搭載され、各配線と電子部品ははんだ等の導電性接合材５で接続されている。このような回路構造では、各部材の線膨張率差による応力が導電性接合材５にかかりやすく、電子部品６の搭載方向を実施の形態１の方向とすることで、線膨張率差を小さくし、熱応力を抑制することが可能である。

より厳密に異方性フィラー８の配向方向を説明すると、本実施の形態では電子部品６の長手方向における配向テンソルが０．３３以上であり、かつ短手方向よりも長手方向の配向テンソルが大きい。配向テンソルは任意の３軸に対して、それぞれの軸方向にフィラーが配向割合を示すものであり、１に近いほどフィラーが配向、０に近いほどフィラーがその軸方向に向いていないことを示す。配向テンソルは３軸の合計が１となるため、長手方向の配向テンソルが３分の１である０．３３よりも大きく、かつ短手方向よりも大きければ熱応力の抑制が可能である。

熱可塑性樹脂９としては、たとえばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミド（ＰＡ）樹脂を用いることができる。異方性フィラー８としては、ガラス繊維フィラー、ガラスフレーク、および偏平ガラスフィラーを用いることができる。異方性フィラーとしては、樹脂成形体の強度の観点から、ガラス繊維フィラーが好適に用いられ、フィラーの含有量は２０～５０質量％の範囲とすることが好ましい。また上述した異方性フィラー８と熱可塑性樹脂９の組み合わせは任意である。たとえばＰＢＴとガラス繊維フィラーとを組み合わせてもよいし、ＰＡとガラスフレークとを組み合わせてもよい。

ここで、導電性接合材５としてはんだを使用する場合は、樹脂の融点がはんだの融点以上である熱可塑性樹脂を使用することができる。たとえば、融点が２１０℃のＳｎ－Ａｇはんだを使用する場合は、熱可塑性樹脂として融点が２１０℃以上のＬＣＰやＰＡ樹脂が使用できる。導電性接合材として加熱硬化タイプの導電性ペーストや導電性接着剤を用いる場合も同様に、硬化温度よりも融点が高い熱可塑性樹脂を使用する。熱可塑性樹脂や導電性フィラーの種類は前記のものに限られず、適宜のものを用いることができる。

樹脂成形体２上に形成される配線層４はめっきにより形成されるが、配線層４の材質としては銅が好適に使用される。また、銅の腐食を防ぐために、銅配線上にニッケルまたはニッケルと金メッキをすることがより好ましい。銅配線の厚みとしては、５～２０μｍが好適に使用される。

（製造方法）
以上説明したように、樹脂成形体２におけるフィラーの配向方向と、電子部品６の長手方向との関係が重要である。ここでは樹脂成形体２の製造方法を説明する。実施の形態１に係る樹脂成形体２は異方性フィラー８を含む熱可塑性樹脂９を射出成形金型にて射出成形することにより得られる。射出成形時の熱可塑性樹脂９の流動により、異方性フィラー８は樹脂成形体２内で配向が発生する。

図４Ａは樹脂成形体２の製造時におけるゲート１０を示す図、図４Ｂは熱可塑性樹脂９の流動方向を示す図である。図４Ｂには、説明の便宜のために直行するＸ軸とＹ軸を示している。ゲート１０から異方性フィラー８および熱可塑性樹脂９が注入される。

樹脂成形体２は、中央部に半導体素子を配置するための角穴を有する。ここでは説明の便宜上、樹脂成形体２の領域をゲート側２１、ゲート対向側２２、ゲート左側２３、ゲート右側２４と呼ぶ。ゲート側２１は、樹脂成形体２を構成する４辺のうちゲート１０に接する辺であって、ゲート１０付近および辺の端部を除く領域である。ゲート対向側２２は、ゲート側２１と対向する領域である。ゲート左側２３は、ゲート１０が接する辺に隣接する辺であって、端部を除く領域である。ゲート右側２４は、ゲート左側２３と対向する領域である。

図４Ａに示すように、１点のゲート１０から注入された異方性フィラー８および熱可塑性樹脂９は、図４Ｂに示すように左右に分かれてゲート側２１を進む。そして異方性フィラー８および熱可塑性樹脂９は、流れ方向を９０度変えた後にゲート左側２３およびゲート右側２４の領域を直進し、さらに流れ方向を９０度変えてゲート対向側２２に到達する。異方性フィラー８および熱可塑性樹脂９は、ゲート対向側２２を超えてゲート１０に対向する位置で合流する。なおこのゲート１０に対向する位置であって、ゲート１０付近で左右に分流した異方性フィラー８と熱可塑性樹脂９が合流する箇所を「ウェルド」と呼ぶ。

異方性フィラー８の配向状態は、流動解析により樹脂の流動方向におおよそ沿っていることが確認されている。すなわちゲート左側２３およびゲート右側２４では、異方性フィラー８はＹ軸に沿って配向され、ゲート側２１およびゲート対向側２２では異方性フィラー８やＸ軸に沿って配向される。換言すると、異方性フィラー８の配向は樹脂成形体２の外周部におおよそ沿う構造になるため、電子部品６の長手方向が樹脂成形体２の外周部と略平行になるように搭載することで、圧力センサ１００を上述した構造にできる。

図５は、電子部品６の搭載に不適切な領域を示す図である。換言すると図５は、異方性フィラー８の配向が樹脂成形体２の外周部に沿っていない領域を示す図である。図５では、電子部品６の搭載に不適切な領域（以下、「不適切領域」と呼ぶ）をハッチングで示している。また図５では樹脂成形体２の外周の一辺の長さを便宜的に１０Ｌとしている。

流動解析により、ゲート１０付近、樹脂成形体２の角部、およびウェルド付近は熱可塑性樹脂９の流動方向が変わる領域であることが明らかになった。具体的には、ゲート位置およびウェルド位置から外周部１辺の長さの１０％の領域、および角部から外周部１辺の長さの１０％の領域は熱可塑性樹脂９の流れ方向が不定であり異方性フィラー８の配向方向が定まらないため電子部品６の搭載に不適切である。なお図５では不適切領域を矩形の領域として示しているが、角部を中心とする円弧の領域であってもよい。また樹脂成形体２に配置する電子部品６は、長手方向が樹脂成形体２の外周部に対して厳密に平行でなくてもよい。これは、電子部品６の長手方向における配向テンソルが０．３３以上でかつ電子部品６の長手方向における配向テンソルが電子部品６の短手方向における配向テンソルよりも大きければよいため、たとえば外周部に対して４５°程度までの角度であれば許容される。

（比較例）
図６は比較例である比較例圧力センサ１００Ｚの拡大図である。比較例圧力センサ１００Ｚの構成は上述した圧力センサ１００とおおよそ同じであり、異方性フィラー８の配向方向に対する電子部品６の配置のみが異なる。比較例圧力センサ１００Ｚでは、樹脂成形体２の電子部品６の搭載領域における異方性フィラー８の配向方向が、電子部品６の長手方向より短手方向になるように電子部品６が搭載される。この比較例は、たとえば図４Ｂに示すゲート左側２３において、樹脂成形体２の外周部に電子部品６の短手方向が沿うように搭載することで構成される。

図７は、圧力センサ１００および比較例圧力センサ１００Ｚの樹脂成形体２における電子部品６を搭載する領域の長手方向における熱応力の比較を示す図である。図７はシミュレーションにより得られた結果である。ただし圧力センサ１００と比較例圧力センサ１００Ｚのいずれも、異方性フィラー８はガラス繊維フィラー、熱可塑性樹脂９はＰＢＴ樹脂とし、樹脂成形体２における異方性フィラー８と熱可塑性樹脂９の質量比は３：１０である。図７に示すように、圧力センサ１００のテンソルは０．９４、線膨張係数は２．２１×１０^－５［１／℃］、最大主応力は６７［ＭＰａ］であり、比較例圧力センサ１００Ｚのテンソルは０．０４、線膨張係数は８．９３×１０^－５［１／℃］、最大主応力は４０６［ＭＰａ］である。電子部品は１６０８抵抗体であり、その線膨張係数は７．６×１０^－６［１／℃］である。ただし最大主応力は温度が－５０度から＋１３０度まで変化した際のものである。

以上のように、樹脂成形体２の電子部品６の搭載領域における異方性フィラー８の配向方向が、電子部品６の短手方向より長手方向になるように電子部品６を搭載することで、電子部品６および導電性接合材５にかかる熱応力を小さくすることが可能となる。熱応力が小さくなることで、導電性接合材のクラック発生を抑制することができ、電子回路の信頼性および圧力センサの信頼性を向上することが可能となる。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電子回路装置９９は、異方性フィラー８が添加され熱可塑性樹脂９が成形された樹脂成形体２と、樹脂成形体２上に形成され、配線を形成する配線層４と、配線と電気的に接続された電子部品６と、を備える。樹脂成形体２において、電子部品６が搭載される領域の異方性フィラー８は、電子部品６の短手方向よりも、電子部品の長手方向に配向している。そのため追加のコストを要することなく電子部品６にかかる熱応力を小さくし、電子回路装置９９の信頼性を向上させることができる。

（２）電子部品６が搭載される領域の異方性フィラーは、さらに、電子部品６の長手方向の配向テンソルが０．３３よりも大きい。そのため、電子部品６の長手方向の配向テンソルが３軸の中で最も大きくなり、熱応力をより小さくできる。

（３）電子部品６は、長手方向の両端のみが配線層を介して樹脂成形体に固定される。そのため電子部品６の実装が容易である。

（４）配線と電子部品６ははんだにより接続されており、樹脂成形体の融点がはんだの融点よりも高い。そのため、はんだを用いて効率よく実装できる。

（５）異方性フィラー８には、ガラス繊維フィラー、偏平ガラスフィラー、およびガラスフレークの少なくとも１つが含まれる。

（６）電子部品６の長手方向が、樹脂成形体２の外周部と略平行である。そのため電子部品６の実装、および実装の確認が容易である。

（７）電子部品６は、樹脂成形体の角部から樹脂成形体の１辺の長さの１０％以上離れた位置であり、ゲート１０およびウェルドを避けて配される。そのため異方性フィラー８の配向が明確な領域に電子部品６を配することができる。

（８）圧力センサ１００は、電子回路装置９９、およびひずみセンサである半導体素子３を備える。そのため圧力センサ１００の信頼性を向上させることができる。

（変形例１）
上述した第１の実施の形態では、電子部品６は長手方向の両端のみが樹脂成形体２に固定された。しかし、電子部品６の全体が配線層４を介して樹脂成形体２に固定されてもよい。

（変形例２）
図５では、樹脂成形体２の外形を、縦横ともに１０Ｌの正方形として説明した。しかし樹脂成形体２の縦と横の長さは異なってもよい。

（変形例３）
樹脂成形体２を構成する樹脂は、熱硬化性を有しなくてもよい。樹脂成形体２を構成する樹脂は何らかの手段で硬化可能であればよく、たとえば紫外線硬化性樹脂でもよい。

―第２の実施の形態―
図８を参照して、圧力センサの第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、樹脂成形体２の製造工程において２つのゲートを用いる点で、第１の実施の形態と異なる。樹脂成形体２の製造工程以外は第１の実施の形態と同様なので、ここでは樹脂成形体２の製造工程のみを説明する。

図８Ａは第２の実施の形態における樹脂成形体２の製造時におけるゲート１０およびゲート１１を示す図、図８Ｂは第２の実施の形態における熱可塑性樹脂９の流動方向を示す図である。図８Ｂには、説明の便宜のために直行するＸ軸とＹ軸を示している。本実施の形態では、ゲート１０だけでなくゲート１１からも異方性フィラー８および熱可塑性樹脂９が注入される。

図８Ｂに示すように、第１領域２５、第２領域２６、第３領域２７、第４領域２８を定義する。第１領域２５は、第１の実施の形態におけるゲート側２１と同一であり、第２領域２６は、第１の実施の形態におけるゲート対向側２２と同一である。第３領域２７は、第１の実施の形態におけるゲート左側２３から辺の中央部を除いた領域である。第４領域２８は、第１の実施の形態におけるゲート右側２４から辺の中央部を除いた領域である。第３領域２７および第４領域２８は、ウェルドを避けるために辺の中央部が除かれている。電子部品６は、第１領域２５、第２領域２６、第３領域２７、および第４領域２８のいずれかに、長手方向が樹脂成形体２の外周部に沿うように配される。

上述した第２の実施の形態によれば、複数のゲートを利用して高速に樹脂成形体２を成形することができる。またこの場合も第１の実施の形態における作用効果が得られる。

―第３の実施の形態―
図９を参照して、圧力センサの第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、圧力センサ１００がさらに封止樹脂を備える点で、第１の実施の形態と異なる。

図９は、第３の実施の形態における電子部品６付近の拡大図である。すなわち図９は、第１の実施の形態における図３に相当する。第３の実施の形態では、電子部品６および導電性接合材５を覆うように封止樹脂１２がさらに備えられる。封止樹脂１２としては低弾性、低膨張の液状エポキシ封止剤が好適に使用される。封止樹脂１２が電子部品６の変形を防止する働きを有するから、弾性率と熱膨張係数が低い封止樹脂１２をさらに備えることで、導電性接合材５にかかる応力を低減することができる。

上述した第３の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。

（９）樹脂成形体２上に形成された配線と電気的に接続された電子部品６上に封止樹脂１２を備える。そのため、導電性接合材５にかかる応力を低減することができ、電子回路装置９９および圧力センサ１００の信頼性をさらに向上させることができる。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

２…樹脂成形体
３…半導体素子
４…配線層
５…導電性接合材
６…電子部品
８…異方性フィラー
９…熱可塑性樹脂
１０、１１…ゲート
１２…封止樹脂
９９…電子回路装置
１００…圧力センサ

Claims (9)

1. 異方性フィラーが添加され樹脂が成形された樹脂成形体と、
   前記樹脂成形体上に形成され、配線を形成する配線層と、
   前記配線と電気的に接続された電子部品と、を備え、
   前記樹脂成形体において、前記電子部品が搭載される領域の前記異方性フィラーは、前記電子部品の短手方向よりも、前記電子部品の長手方向に配向している電子回路装置。
2. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記電子部品が搭載される領域の前記異方性フィラーは、さらに、前記電子部品の長手方向の配向テンソルが０．３３よりも大きい電子回路装置。
3. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記電子部品は、長手方向の両端のみが前記配線層を介して前記樹脂成形体に固定される電子回路装置。
4. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記配線と前記電子部品ははんだにより接続されており、
   前記樹脂成形体の融点が前記はんだの融点よりも高い電子回路装置。
5. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記異方性フィラーには、ガラス繊維フィラー、偏平ガラスフィラー、およびガラスフレークの少なくとも１つが含まれる電子回路装置。
6. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記樹脂成形体上に形成された前記配線と電気的に接続された前記電子部品上に封止樹脂をさらに備える電子回路装置。
7. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記電子部品の長手方向が、前記樹脂成形体の外周部と略平行である電子回路装置。
8. 請求項１に記載の電子回路装置において、
   前記電子部品は、前記樹脂成形体の角部から前記樹脂成形体の１辺の長さの１０％以上離れた位置であり、ゲートおよびウェルドを避けて配される電子回路装置。
9. 請求項１に記載の電子回路装置、およびひずみセンサを備える圧力センサ。
   

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