WO2013084700A1 - 熱式流量計 - Google Patents

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thermal flow
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徳安　昇
忍 田代
半沢　恵二
毅 森野
良介 土井
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/07—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas flow rate or velocity meter or sensor, intake flow meters only when exclusively used to determine exhaust gas parameters

Definitions

  • the present invention relates to a thermal air flow meter that installs a heating resistor in a fluid to be measured and measures the flow rate, and more particularly to an air flow meter suitable for measuring the intake air flow rate and exhaust gas flow rate of an internal combustion engine of an automobile. Involved.
  • a thermal air flow meter that can directly measure the mass flow rate is the mainstream.
  • a hollow portion is formed by removing a part of a semiconductor substrate in a rectangular shape, and a heating resistor is formed on an electrical insulating film of several microns formed in the hollow portion, that is, a thin film portion.
  • a temperature sensor temperature sensitive resistor
  • the size of the heating resistor is as small as several hundred microns and is formed in a thin film shape, the heat capacity is small and high-speed response and low power consumption are possible.
  • Patent Document 1 There is one described in Patent Document 1 regarding the mounting structure of a sensor element and a drive circuit in an air flow meter having such a semiconductor type sensor element, so-called chip packaging.
  • Patent Document 1 a sensor chip for detecting a flow rate of fluid, a lead as an external connection terminal electrically connected to the sensor chip, and a connection part between the sensor chip and the lead are covered, and the flow rate detection unit is exposed.
  • positioned integrally is disclosed.
  • FIG. 2 of Patent Document 1 shows an example in which a driving chip and a sensor chip are mounted on a metal lead frame and sealed with a resin.
  • Air flow meters with semiconductor-type sensor elements that are currently in practical use have sensor elements and drive circuits mounted on a ceramic substrate such as LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), and the substrate is placed inside the product body.
  • LTCC Low Temperature Co-fired Ceramics
  • the one with the implemented configuration is the mainstream.
  • As the drive circuit an LSI integrated into one chip by a semiconductor integration technique is used from the viewpoint of mountability. Further, in order to protect the drive circuit from disturbance noise such as surge and radio wave interference, a chip capacitor is separately provided on the ceramic substrate and is electrically connected. A chip capacitor for protecting the drive circuit from this noise has a large capacity, and is often arranged externally on the ceramic substrate without being arranged in the LSI.
  • thermal air flow meters for automobiles have a configuration in which an air temperature detection element for detecting the temperature of air taken into the engine is integrated.
  • This detection of the air temperature is taken into the engine control unit and used to control the combustion of the engine regardless of the measurement of the air flow rate.
  • it is indispensable for engine combustion control in a transient state such as early activation of the catalyst at the time of cold start and reduction of NOx in exhaust exhausted when the engine state suddenly changes after engine warm-up.
  • the temperature detecting element is required to have high-speed response.
  • thermosensor elements are often used, and in particular, an element called an axial lead type in which lead wires are arranged on almost the same straight line in the axial direction is often used. Yes. Further, this axial lead type temperature detecting element is connected and fixed to a lead terminal inserted in a resin casing of the air flow meter by welding.
  • the structure is complicated because the chip capacitor constituting the protection circuit for protecting the drive circuit and the element for detecting the temperature of the intake air are individually mounted.
  • An object of the present invention is to provide a thermal flow meter that is highly accurate, highly reliable, and has a simple structure and is less expensive.
  • a thermal flow meter of the present invention includes a sub-passage that takes a fluid to be measured, a sensor element that measures a flow rate of the fluid to be measured in the sub-passage, and a temperature of the fluid to be measured.
  • a temperature detection element to detect a drive circuit for controlling the heating temperature of the sensor element, and a protection circuit for protecting the drive circuit from noise, wherein a cavity is formed in a substrate of the sensor element, and the cavity
  • a heating resistor is formed on the upper thin film portion through an electrical insulating film.
  • the sensor element and the drive circuit are metal leads.
  • the sensor element, the drive circuit, and the lead frame mounted on a frame are chip-packaged by sealing the entire periphery with a thermosetting resin, and at least a chip for protecting the drive circuit Either the goods or air temperature detecting element, and embedded inside the chip package.
  • thermo flow meter that is highly accurate, highly reliable, and has a simple structure and is less expensive.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a chip package showing a first embodiment of the present invention. Sectional drawing of the chip package which shows the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 5 is a plan configuration diagram of a chip package showing a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan configuration diagram of a chip package similar to the third embodiment of the present invention.
  • the block diagram of the thermal type flow meter which mounted the chip package similar to the 3rd Embodiment of this invention. Sectional drawing of the suitable chip package based on the 2nd Embodiment of this invention.
  • a chip package 1 includes a sensor element 2, a drive circuit 3, a chip capacitor 4, and a chip thermistor 5 that are directly mounted on a lead frame 6 that is a metal substrate, and the sensor element 2, drive circuit 3, drive circuit 3, and lead.
  • the frames 6 are electrically connected by gold wire 8a and 8b, respectively.
  • the lead frame 6 on which the sensor element 2, the drive circuit 3, the chip capacitor 4, and the chip thermistor 5 which are these chip parts are mounted has a configuration in which the entire periphery is sealed with a thermosetting resin 9 by molding. .
  • the chip components including the sensor element 2 are bonded and fixed to the lead frame 6 via adhesives 7a and 7b.
  • the conductive adhesive 7b of the chip capacitor 4 and the chip thermistor 5 shown in FIG. 1 needs to use a conductive adhesive in order to ensure electrical connection between the electrode parts of the chip components and the lead frame 6.
  • the sensor element 2 for measuring the flow rate to be measured has a hollow portion 10 formed in a semiconductor substrate, and a thin film portion 11 having a thickness of several microns is formed.
  • the thin film portion 11 is formed with a heat generating resistor and a temperature sensitive resistor in the vicinity thereof through an electric insulating film.
  • the thin film portion is heated by the heat generating resistor and depends on the flow rate change of the fluid flowing on the surface.
  • the mass flow rate is measured by detecting the change in the temperature distribution of the thin film portion which is caused by a temperature-sensitive resistor formed around the thin film portion. Based on these measurement principles, the thin film portion 11 of the sensor element 2 is partially exposed from the thermosetting resin 9 covering the periphery and sealed with resin.
  • aluminum electrodes are formed on the outer periphery of the sensor element 2 and the drive circuit 3, and the sensor element 2 and the drive circuit 3 are directly connected between the aluminum electrodes by a gold wire 8a, and further driven.
  • the power source, GND or output aluminum electrode of the drive circuit different from the aluminum electrode of the circuit 3 and the lead frame 6 are connected by a gold wire 8b.
  • the temperature of the heating resistor formed in the sensor element 2 and the signal detected by the sensor element 2 are converted into a signal converted into a flow rate. These flow rate signals are taken in and taken out from the input / output terminal 12 protruding from the thermosetting resin 9 from the drive circuit 3 through the gold wire 8b.
  • FIGS. 1 and 2 show a configuration in which the chip capacitor 4 that protects the drive circuit 3 and the chip thermistor 5 of the air temperature detecting element are simultaneously sealed with resin, but only one of them is mixedly mounted inside the chip package 1. It may be the configuration. In either case, the configuration of the thermal flow meter is simplified and the subsequent production process can be simplified, so that the effects of the present invention can be obtained.
  • the sensor element 2 has a cavity 10 formed therein and has a thin film portion 11 on the order of several microns.
  • the thinness of the thin film portion 11 greatly contributes to the high-speed response that is a feature of the thermal type flow meter using a semiconductor type element.
  • the thin film portion 11 is thin, it is sensitive to mechanical stress and stress applied by expansion and contraction due to heat, and attention is particularly required in the production process. Due to such characteristics, when the thermosetting resin 9 is molded, if the molding die directly touches the thin film portion 11, the thin film portion 11 may be damaged or cracked. Further, when the cavity 10 of the sensor element 2 is sealed with the thermosetting resin 9, the air sealed inside repeatedly expands and contracts depending on the surrounding temperature change and the like, and stress is applied to the thin film portion 11 to detect the flow rate. There are concerns about adverse effects on the
  • a relief (concave shape) is provided at a position where it contacts the thin film portion 11 of the molding die, and the thin film portion 11 is not directly touched. It is good to mold by a form and to expose partially the thin film part 11 of the sensor element 2 from the thermosetting resin 9 after shaping
  • thermosetting resin 9 Since the cavity 10 of the sensor element 2 is always in communication with the outside of the thermosetting resin 9, the expansion and contraction of the air in the cavity 10 caused by the change in ambient temperature is caused by the thermosetting resin 9. Stress is not applied to the thin film portion 11 by being absorbed by escape or suction to the outside.
  • FIG. 4 shows a configuration when the chip package whose cross section is shown in FIG. 3 is mounted on a thermal flow meter.
  • the chip package 1 is fixed to the housing 15 of the thermal flow meter.
  • a sub-passage 17 for taking in air flowing through the intake pipe 16 is formed at the tip of the housing 15.
  • the auxiliary passage 17 constitutes a passage by a cover arranged so as to sandwich the housing 15.
  • FIG. 4 shows an example of a straight pipe-type passage shape, but a passage shape that swirls the air taken into the sub-passage such as a bypass shape may be applied.
  • the drive circuit 3 and the chip capacitor 4 of other chip components sealed in the resin of the chip package 1 are disposed in the circuit chamber 18, and the boundary 19 between the sub passage 17 and the circuit chamber 18 is the sub passage 17 and the circuit chamber. It is partitioned using a means that can keep the airtightness between 18.
  • the input / output terminal 12 protruding from the chip package 1 is connected to the connector terminal 21 in the circuit chamber 18 by welding or the like, and a signal is output from the connector 20.
  • FIG. 5 shows a plan view of the chip package shown in FIG.
  • the sensor element 2 for detecting the flow rate and the drive circuit 3 are mounted on the lead frame 6 and electrically connected by the gold wire 8a.
  • the sensor element 2 and the drive circuit 3 are close to about 2 to 4 mm because of restrictions on the loop height and length of the gold wire.
  • the width and length of the lead frame 6 where the sensor element 2 and the drive circuit 3 are mounted are limited by the size of the sensor element 2 and the drive circuit 3 and the turning of the input / output terminals 12.
  • the outer shape of the chip package 1 is basically rectangular with a minimum size in accordance with the size and arrangement of the mounted chip components.
  • the passage 13 shown in FIG. 3 is most efficiently formed in parallel with the arrangement of the chip components from the shape of the lead frame 6 where the sensor element 2 and the drive circuit 3 are mounted. That is, it is preferable to form it immediately below the sensor element 2 and the drive circuit 3.
  • the outlet portion 14 of the passage 13 is provided between the sensor element 2 and the drive circuit 3, it is practically impossible to form the wire 13 in order to cross with the gold wire 8a. Therefore, as shown in FIG. 5, it is preferable that the outlet portion 14 be provided at a position opposite to the arrangement of the sensor element 2 around the drive circuit 3.
  • the sensor element 2, the drive circuit 3, and the cavity portion 10 of the sensor element 2 are arranged in the same linear direction with the outlet portion 14 communicating with the outside of the thermosetting resin 9, and the sensor element 2 and the outlet portion 14 are connected. If the drive circuit 3 is disposed between the chip circuits, chip components can be efficiently disposed, and the size of the chip package 1 can be reduced.
  • the shape of the thermosetting resin 9 covering the entire lead frame 6 on which the chip components are mounted is the front of the chip package 1.
  • the chip package 1 is a symmetrical rectangular chip package 1.
  • the chip thermistor 5 that detects the air temperature is sealed with the thermosetting resin 9 in the same manner as other chip components. Therefore, there is a possibility that the followability with respect to the temperature change of the air, that is, the response is deteriorated.
  • FIG. 6 shows a plan view of a chip package showing a third embodiment of the present invention.
  • the lead frame 6 on which the chip thermistor 5 is mounted may be extended and mounted, and the shape of the sealing resin 9 may be different from the mounting portion of the chip thermistor 5 only. By doing so, it is possible to suppress an adverse effect on temperature detection due to a pseudo heat capacity increase or heat transfer from the thermosetting resin 9 or the lead frame 6.
  • FIG. 7 shows an example in which the chip package according to the third embodiment of the present invention is mounted on a thermal flow meter.
  • a chip thermistor 5 is used as a preferable method for mounting the chip package 1 on the housing 15.
  • the arrangement is preferably arranged upstream of the flow of the intake air when mounted on the casing 15 of the thermal flow meter, that is, at a location where direct air collides. By arranging it at a location where air directly collides, it is possible to detect a change in the temperature of the air faster and with higher accuracy.
  • the flow rate detection unit 11 of the sensor element 2 and the chip thermistor 5 are arranged in the same sub-passage 17.
  • the sub-passage 17 may have various shapes such as a detour shape.
  • the sensor element 2 When the chip package described with reference to FIG. 6 is applied to the detour-shaped sub-passage 17, the sensor element 2 is disposed in the sub-passage 17.
  • the chip thermistor 5 is preferably arranged directly in the intake pipe line 16. By doing in this way, the detection of the air temperature in the chip thermistor 5 can be detected with high accuracy without depending on the shape of the sub passage 17.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the chip package plane of the alternative.
  • the arrangement of the chip thermistor 5 is characterized in that the chip thermistor 5 is arranged at a position opposite to the protruding direction of the input / output terminal 12 protruding from the thermosetting resin 9 of the chip package 1, that is, at the front end side of the chip package 1.
  • the lead frame 6 on which the chip thermistor 5 is mounted is extended, and the shape of the sealing resin 9 is a shape that protrudes only from the mounting portion of the chip thermistor 5.
  • FIG. 9 shows an example of the configuration when this alternative chip package is mounted on a thermal flow meter.
  • the sensor element 2 is arranged in the sub-passage 17 and the tip
  • the mounting portion of the chip thermistor 5 protruding to the side may be disposed in the intake pipe line 16.
  • T1 shown in FIG. 3 is the thickness of the chip package of the second embodiment.
  • the upper limit of the thickness of the chip package is determined from the width of the housing and the degree of mounting freedom in the chip package proposed in the present invention. If it is too thin, it will naturally bounce off due to insufficient strength, so there is also a lower limit value. However, from the viewpoint of freedom of layout, it is necessary to suppress the thickness of the chip package as much as possible.
  • one factor that determines the thickness of the chip package is the loop height of the gold wire 8a, 8b.
  • the loop height of the gold wire 8a or 8b is the height of the sensor element 2 or drive circuit 3 to be connected, the step height of the lead frame 6 (the distance from the surface of the chip component to the chip component mounting surface of the lead frame). ).
  • the step height of the lead frame 6 the distance from the surface of the chip component to the chip component mounting surface of the lead frame.
  • FIG. 10 shows an example in which the height of the drive circuit 3 is lower than the height of the sensor element 2, but in such a combination, the height of the drive circuit 3 is reduced by the amount of the gold wire 8a, 8b. Since it is assigned as the loop height, the highest point of the resulting gold wire 8a, 8b can be lowered, and the thickness of the chip package 1 can be reduced (T1> T2). Further, in the relationship between the chip height of the sensor element 2 and the drive circuit 3, a combination in which the chip height of the sensor element 2 is lower than the chip height of the drive circuit can obtain the same effect. There is no particular problem even if it is applied.
  • Chip Package 2 Sensor Element 3 Drive Circuit 4 Chip Capacitor (Protection Circuit) 5 Chip thermistor (air temperature detection element) 6 Lead frame 7a Adhesive 7b Conductive adhesive 8a, 8b Gold wire 9 Thermosetting resin (sealing resin) 10 Cavity part 11 Thin film part (flow rate detection part) 12 I / O terminal 13 Passage 14 Exit 15 Housing 16 Intake pipe 17 Sub-passage 18 Circuit chamber 19 Boundary 20 Connector 21 Connector terminal

Abstract

　高精度で信頼性が高く、かつ簡素な構造でより安価な熱式流量計を提供するために、被計測流体を採り込む副通路と、前記副通路内の被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、被計測流体の温度を検出する温度検出素子と、前記センサ素子の加熱温度を制御する駆動回路と、ノイズから前記駆動回路を保護する保護回路と、を備え、前記センサ素子の基板に空洞部が形成され、前記空洞部上の薄膜部には電気絶縁膜を介して発熱抵抗体が形成されており、前記薄膜部の温度分布から流量を検出する熱式流量計において、前記センサ素子と前記駆動回路は、金属のリードフレームに実装され、前記センサ素子および前記駆動回路および前記リードフレームは、全周を熱硬化性樹脂で封止することによりチップパッケージされ、少なくとも駆動回路を保護するためのチップ部品あるいは空気温度検出素子のどちらか一方を、前記チップパッケージの内部に混載した。

Description

熱式流量計
　本発明は、被計測流体中に発熱抵抗体を設置し流量を測定する熱式の空気流量計に係り、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定に好適な空気流量計に関わる。
　自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する空気流量計として、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量計が主流である。
　近年では、マイクロマシン技術を用いてシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプのセンサ素子は、半導体基板の一部を矩形状に除去した空洞部を形成し、この空洞部すなわち薄膜部に形成した数ミクロンの電気絶縁膜上に発熱抵抗体を形成している。また、発熱抵抗体の近傍の上下流に温度センサ（感温抵抗体）を形成し、発熱抵抗体の上下流の温度差から流量を検出する温度差方式により、順流と逆流の判別も可能である。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、薄膜状に形成されることから、熱容量が小さく高速応答化や低消費電力化が可能である。
　このような半導体タイプのセンサ素子を有する空気流量計におけるセンサ素子や駆動回路の実装構造、いわゆるチップパッケージ化に関して特許文献１に記載のものがある。
　特許文献１には、流体の流量を検出するセンサチップと、センサチップと電気的に接続された外部接続端子としてのリードと、センサチップとリードの接続部が被覆され、流量検出部が露出されるように一体的に配置された封止樹脂とを備えた構成のものが開示されている。さらに特許文献１の図２には、センサチップと同時に駆動チップも金属のリードフレームに実装され樹脂封止されている例が示されている。
特開２００８－１７５７８０号公報
　現在、実用化されている半導体タイプのセンサ素子を有する空気流量計は、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）などのセラミック基板上にセンサ素子や駆動回路が搭載され、製品の本体内部に基板が実装されている構成のものが主流である。駆動回路は、搭載性の観点から半導体の集積技術によって１チップ化されたＬＳＩが用いられている。また、サージや電波障害など外乱のノイズから駆動回路を保護するために、セラミック基板上にチップコンデンサが別途備えられ電気的な接続がなされている。このノイズから駆動回路を保護するためのチップコンデンサは容量が大きく、ＬＳＩの中へは配置せずセラミック基板上に外付けで配置されているものが多い。
　一方で、自動車用の熱式空気流量計においては、エンジンに吸入される空気の温度を検出するための空気温度検出素子を一体化した構成のものが大半を占める。この空気温度の検出は、空気流量の計量とは無関係に、エンジンコントロールユニット内に取り込まれエンジンの燃焼を制御するために用いられている。特に冷間始動時の触媒の早期活性化やエンジン暖機後にエンジン状態の急変時に排出される排気中のＮＯｘ低減など過渡時のエンジン燃焼制御にも必要不可欠である。この使用目的からも温度検出素子には高速な応答性が要求される。
　温度検出する手段は複数存在するが、これらの要件からサーミスタ素子を用いるケースが多く、特にアキシャルリードタイプと呼ばれる正極と負極が軸方向のほぼ同一直線上にリードワイヤが並ぶ素子が多く用いられている。またこのアキシャルリードタイプの温度検出素子は、空気流量計の樹脂筐体のインサートされたリード端子に溶接にて接続固定されている。
　前述のとおり、駆動回路を保護するための保護回路を構成するチップコンデンサや吸入空気の温度を検出する素子が、それぞれ個別に実装されていることにより構造が複雑となっている。
　本発明の目的は、高精度で信頼性が高く、かつ簡素な構造でより安価な熱式流量計を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、被計測流体を採り込む副通路と、前記副通路内の被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、被計測流体の温度を検出する温度検出素子と、前記センサ素子の加熱温度を制御する駆動回路と、ノイズから前記駆動回路を保護する保護回路と、を備え、前記センサ素子の基板に空洞部が形成され、前記空洞部上の薄膜部には電気絶縁膜を介して発熱抵抗体が形成されており、前記薄膜部の温度分布から流量を検出する熱式流量計において、前記センサ素子と前記駆動回路は、金属のリードフレームに実装され、前記センサ素子および前記駆動回路および前記リードフレームは、全周を熱硬化性樹脂で封止することによりチップパッケージされ、少なくとも駆動回路を保護するためのチップ部品あるいは空気温度検出素子のどちらか一方を、前記チップパッケージの内部に混載した。
　本発明によれば、高精度で信頼性が高く、かつ簡素な構造でより安価な熱式流量計を提供できる。
本発明の第１の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第１の実施形態を示すチップパッケージの断面図。 本発明の第２の実施形態を示すチップパッケージの断面図。 本発明の第２の実施形態であるチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第２の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態であるチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第３の実施形態に類似したチップパッケージの平面の構成図。 本発明の第３の実施形態に類似したチップパッケージを実装した熱式流量計の構成図。 本発明の第２の実施形態をベースとした好適なチップパッケージの断面図。
　以下、本発明に係る実施の形態について説明する。
　図１と図２に本発明の第１の実施形態であるチップパッケージの構成を示す。図１において、チップパッケージ１は、センサ素子２と駆動回路３とチップコンデンサ４とチップサーミスタ５が金属基板であるリードフレーム６に直接実装され、センサ素子２と駆動回路３および駆動回路３とリードフレーム６間は金線ワイヤー８ａと８ｂによってそれぞれ電気的な接続がなされている。これらチップ部品であるセンサ素子２、駆動回路３、チップコンデンサ４、チップサーミスタ５が実装されたリードフレーム６をモールド成型によって、その全周を熱硬化性樹脂９にて樹脂封止した構成からなる。
　図２の断面図に示したように、センサ素子２を初めとしたチップ部品は接着剤７ａ及び７ｂを介してリードフレーム６に接着固定されている。特にチップコンデンサ４や図１に表記したチップサーミスタ５の導電性接着剤７ｂは、それらチップ部品の電極部とリードフレーム６の導通を確保するために導電性接着剤を用いる必要がある。被計測流量を計測するセンサ素子２は、半導体基板に形成された空洞部１０を有し、数ミクロンの厚さの薄膜部１１が形成されている。この薄膜部１１には、電気絶縁膜を介して発熱抵抗体とその近傍に感温抵抗体が形成されており、発熱抵抗体によって薄膜部が加熱され、その表面を流れる流体の流量変化に依存して生じる薄膜部の温度分布の変化を、周囲に形成された感温抵抗体で検出することによって質量流量が計量されている。これらの計測原理に基づいてセンサ素子２の薄膜部１１は、周辺を覆う熱硬化性樹脂９から部分的に露出して樹脂封止されている。
　また、センサ素子２や駆動回路３の外周にはアルミ電極が形成されており、センサ素子２と駆動回路３は前記アルミ電極間を直接金線ワイヤー８ａにて接続が行われており、さらに駆動回路３の前記アルミ電極とは異なる駆動回路の電源やＧＮＤあるいは出力用のアルミ電極とリードフレーム６が金線ワイヤー８ｂにより接続がなされている。駆動回路３では、センサ素子２に形成される発熱抵抗体の温度の制御やセンサ素子２によって検出された信号から流量に換算した信号に変換される。それら流量信号は、駆動回路３から金線ワイヤー８ｂを介して、熱硬化性樹脂９から突出した入出力端子１２から信号の取り込みや取り出しが行われる。
　図１と図２には、駆動回路３を保護するチップコンデンサ４と空気温度検出素子のチップサーミスタ５を同時に樹脂封止した構成を示しているが、どちらか一方のみをチップパッケージ１内部へ混載した構成であってもよい。どちらか一方の場合においても熱式流量計の構成は簡素になり、後の生産工程が簡略できるため、本発明の効果を得ることができる。
　ここで、本発案のような半導体タイプのセンサ素子を樹脂封止する構成における課題について述べる。図２で説明したとおり、センサ素子２は空洞部１０が形成されており、数ミクロンオーダの薄膜部１１を有する。半導体タイプの素子を用いた熱式流量計の特徴である高速応答は、この薄膜部１１の薄さが大きく寄与している。その反面、薄膜部１１の厚さが薄いため、機械的な応力や熱による膨張収縮によって加わる応力に敏感であり、特に生産の過程においては注意が必要になる。このような特徴を有するため、熱硬化性樹脂９のモールド成型時には、薄膜部１１に成型金型が直接触れると薄膜部１１の損傷や割れが発生する恐れがある。また前記センサ素子２の空洞部１０を熱硬化性樹脂９で密閉すると周囲の温度変化等に依存して内部に密閉された空気が膨張収縮を繰り返し薄膜部１１へ応力が加わり、流量の検出精度に悪影響を及ぼすことなどが懸念される。
　これらの課題を回避するために本発案のチップパッケージをモールド成型する場合には、例えば成型金型の薄膜部１１と接触する箇所に逃げ（凹部形状）を設けて薄膜部１１には直接触れない形態でモールド成型を行い、成型後の熱硬化性樹脂９からセンサ素子２の薄膜部１１を部分的に露出させるとよい。また、センサ素子２の空洞部１０密閉時の課題については、図３に示した本発明の第２の実施形態であるチップパッケージの断面に示したように、例えばチップ部品を実装するリードフレーム６に通路１３となる機能を事前に持たせておき、かつモールド成型時には前記通路１３の出口部１４を部分的に成型金型で抑えて、出口部１４がチップパッケージ１の外部と繋げるとよい。これにより、センサ素子２の空洞部１０は、常に熱硬化性樹脂９の外部と連通されているため、周囲温度の変化よって生じる空洞部１０内の空気の膨張収縮は、熱硬化性樹脂９の外部への逃げや吸い込みによって吸収され薄膜部１１へ応力が加わることはなくなる。
　次に図３～図５を用いて、チップパッケージ内部に実装するチップ部品の好適な配置について説明する。
　図４を用いて、熱式流量計へのチップパッケージ実装の要点について説明する。図４は、図３に断面を示したチップパッケージを熱式流量計に実装した場合の構成を示す。チップパッケージ１は、熱式流量計の筐体１５へ固定されている。この固定方法については、従来から多くもので用いられている熱硬化型の接着剤で接着するとよい。その他の手段としては、常温硬化型の接着剤や、あるいは機械的な固定手段を用いても特に問題はない。筐体１５の先端には吸気管路１６内を流れる空気を採り込む副通路１７が形成されている。副通路１７は筐体１５を挟み込むように配置されるカバーによって通路を構成する。チップパッケージ１の熱硬化性樹脂９から露出したセンサ素子２の薄膜部１１と空気の温度を検出するチップサーミスタ５は、副通路１７中に配置されるように筐体１５へ配置される。また副通路１７の形状については、図４では直管型の通路形状の場合を例にとって示しているが、迂回形状など副通路内に採り込んだ空気を旋回させる通路形状を適用してもよい。チップパッケージ１の樹脂に封止したその他チップ部品の駆動回路３とチップコンデンサ４は、回路室１８内へ配置されており、副通路１７と回路室１８の境界部１９は副通路１７と回路室１８間の気密が保てる手段を用いて仕切られている。チップパッケージ１から突出した入出力端子１２は、回路室１８内でコネクタ端子２１と溶接等によって接続され、コネクタ２０から信号が出力される。
　図５は図３に示したチップパッケージの平面の構成図を示す。前述のとおり、流量を検出するセンサ素子２と駆動回路３は、リードフレーム６に実装され金線ワイヤー８ａによって電気的接続がなされている。金線ワイヤーでボンディング接続する場合は、金線のループ高さや長さの制約からセンサ素子２と駆動回路３は２～４mm程度に近接するのが好ましい。センサ素子２と駆動回路３が搭載される箇所のリードフレーム６の幅や長さは、前記センサ素子２や駆動回路３の大きさや入出力端子１２の這い回しによって制限される。これらの事情を鑑みて、チップパッケージ１の外形は、基本的には搭載チップ部品の大きさや配置に合わせて最小の大きさで長方形とするのが最適と考えられる。
　次に図３と図５を用いて、センサ素子に形成された空洞部と熱硬化性樹脂の外部を繋ぐ通路とその出口部の構成や配置ついて説明する。図３に示した通路１３の形成は、前記センサ素子２と駆動回路３を搭載する箇所のリードフレーム６の形状から、それらチップ部品の配置と並行して形成するのが最も効率的である。すなわちセンサ素子２や駆動回路３の直下に形成するのが好適である。前記において、通路１３の出口部１４をセンサ素子２と駆動回路３の間に設ける場合は、金線ワイヤー８ａと交錯するために成形するのは現実的には不可能である。したがって、図５に示すように出口部１４は駆動回路３を中心にセンサ素子２の配置とは正反対の場所に設けるのが好ましい。これらの理由から、センサ素子２と駆動回路３とセンサ素子２の空洞部１０が熱硬化性樹脂９の外部と連通する出口部１４を同一直線方向に配置し、かつセンサ素子２と出口部１４の間に駆動回路３を配置すると効率よくチップ部品を配置することが可能になり、チップパッケージ１のサイズを小さくすることができる。
　図１や図５の本発明の実施形態であるチップパッケージの平面の構成に示したとおり、チップ部品が実装されたリードフレーム６全体を覆う熱硬化性樹脂９の形状は、チップパッケージ１を正面からみた場合、左右対称の長方形のチップパッケージ１である。この構成の場合は、空気の温度を検出するチップサーミスタ５が、その他チップ部品と同様に全周を熱硬化性樹脂９で封止しているため、熱容量の小さいチップサーミスタ５が擬似的に大きくなるため、空気の温度変化に対する追従性、すなわち応答性が悪化する恐れがある。また、全周を封止する熱硬化性樹脂９やリードフレーム６を介して、吸気管路や流量計の筐体を介した伝熱によって被計測流体の温度検出精度が低下することなどが懸念される。この課題は次のような対策によって改善することが可能である。
　次に図６と図７を用いて、被計測流体の温度を検出するチップサーミスタの好ましい配置とチップパッケージ構造について説明する。図６には、本発明の第３の実施形態を示すチップパッケージの平面の構成図を示す。上記の課題を克服するために、チップサーミスタ５を搭載するリードフレーム６を延長して実装し、封止樹脂９の形状もチップサーミスタ５の搭載部のみを突出させた異形状にするとよい。このようにすることによって、擬似的な熱容量の増加や熱硬化性樹脂９やリードフレーム６からの伝熱による温度検出への悪影響を抑えることができる。
　図７には本発明の第３の実施形態であるチップパッケージを熱式流量計に実装した例を示すが、チップパッケージ１の筐体１５への実装方法として好ましい形態としては、チップサーミスタ５の配置は、熱式流量計の筐体１５へ実装した場合に吸入空気の流れ上流、すなわち直接空気が衝突する場所へ配置するのが好適である。直接空気が衝突する場所へ配置することによって、より速くかつ高精度に空気の温度変化を検出することができる。図４では、センサ素子２の流量検出部１１とチップサーミスタ５は同じ副通路１７内に配置している。副通路１７は、迂回形状などさまざまな形状が考えられるが、このような迂回形状の副通路１７に図６で説明したチップパッケージを適用する場合は、センサ素子２は副通路１７へ配置して、チップサーミスタ５は吸気管路１６内に直接配置する構成とするとよい。このようにすることで、チップサーミスタ５での空気温度の検出は、副通路１７の形状に依存することなく、高精度に検出できる。
　次に第３の実施形態の別案について、図８と図９を用いて説明する。図８には、前記別案のチップパッケージ平面の構成図を示す。チップサーミスタ５の配置を、チップパッケージ１の熱硬化性樹脂９から突出した入出力端子１２突出方向と正反対の位置すなわちチップパッケージ１の先端側に配置したことが特徴である。この構成においても、チップサーミスタ５が搭載されるリードフレーム６が延長されており、封止樹脂９の形状もチップサーミスタ５の搭載部のみを突出した形状であるため、図７で説明した構成によって生じる効果は同様に得られる。またこの別案のチップパッケージを熱式流量計に実装した場合の構成の例を図９に示すが、副通路１７が直管形状の場合は、センサ素子２を副通路１７へ配置して先端側へ突出したチップサーミスタ５の実装部は吸気管路１６内へ配置すればよい。
　本発明のチップパッケージの厚みに関する好適な形態について、図３と図１０の比較で説明する。まず図３で表記したＴ１が第２の実施形態のチップパッケージ厚みである。熱式流量計に実装することを想定すると、本発明で提案するチップパッケージ全般において、チップパッケージの厚みは、筐体の幅と実装の自由度から上限が決定される。薄過ぎると当然のことながら強度不足など跳ね返りが生じるため下限値も存在するが、基本的にはレイアウトの自由度の観点からは、できる限りチップパッケージの厚さを抑える必要がある。
　図３の例で説明するとチップパッケージの厚みを決めている一つの因子として、金線ワイヤー８ａ、８ｂのループ高さが挙げられる。この金線ワイヤー８ａや８ｂのループ高さは、接続の対象となるセンサ素子２や駆動回路３のチップ高さやリードフレーム６の段差（チップ部品の表面からリードフレームのチップ部品実装面までの距離）に依存する。換言すると、チップパッケージ１厚みを薄くする観点においては、センサ素子２と駆動回路３はチップ高さに異なるものを適用した方が有利と言える。
　図１０には駆動回路３の高さがセンサ素子２の高さより低い場合の例を示すが、このような組合せにすると、駆動回路３の高さを低くした分を金線ワイヤー８ａ、８ｂのループ高さとして割り当てられるため、結果とした金線ワイヤー８ａ、８ｂの最高点を低くでき、チップパッケージ１の厚みを薄くすることができる（Ｔ１＞Ｔ２）。また、センサ素子２と駆動回路３のチップ高さの関係において、駆動回路のチップ高さよりセンサ素子２のチップ高さが低い組合せも同様の効果を得られるため、そのような組合せのチップ部品を適用しても特に問題はない。
１　チップパッケージ
２　センサ素子
３　駆動回路
４　チップコンデンサ（保護回路）
５　チップサーミスタ（空気温度検出素子）
６　リードフレーム
７ａ　接着剤
７ｂ　導電性接着剤
８ａ、８ｂ　金線ワイヤー
９　熱硬化性樹脂（封止樹脂）
１０　空洞部
１１　薄膜部（流量検出部）
１２　入出力端子
１３　通路
１４　出口部
１５　筐体
１６　吸気管路
１７　副通路
１８　回路室
１９　境界部
２０　コネクタ
２１　コネクタ端子

Claims (10)

  1. 　被計測流体を採り込む副通路と、前記副通路内の被計測流体の流量を計測するセンサ素子と、被計測流体の温度を検出する温度検出素子と、前記センサ素子の加熱温度を制御する駆動回路と、ノイズから前記駆動回路を保護する保護回路と、を備え、前記センサ素子の基板に空洞部が形成され、前記空洞部上の薄膜部には電気絶縁膜を介して発熱抵抗体が形成されており、前記薄膜部の温度分布から流量を検出する熱式流量計において、
    　前記センサ素子と前記駆動回路は、金属のリードフレームに実装され、
    　前記センサ素子および前記駆動回路および前記リードフレームは、全周を熱硬化性樹脂で封止することによりチップパッケージされ、
    　少なくとも駆動回路を保護するためのチップ部品あるいは空気温度検出素子のどちらか一方が、前記チップパッケージの内部に混載されていることを特徴とする熱式流量計。
  2. 　前記薄膜部は、前記熱硬化性樹脂から部分的に露出していることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
  3. 　前記チップパッケージに、前記空洞部と前記熱硬化性樹脂の外部とを連通する連通機構を設けたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の熱式流量計。
  4. 　前記センサ素子と前記駆動回路と前記空洞部が外部と連通する孔とを、同一直線方向に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計。
  5. 　前記センサ素子と前記空洞部が外部と連通する孔との間に前記駆動回路を配置したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱式流量計。
  6. 　前記空気温度検出素子が前記チップパッケージの内部に混載され、前記センサ素子と前記空気温度検出素子を異なる流路に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱式流量計。
  7. 　前記チップパッケージの形状は、前記温度検出素子を配置した部分のみ突出した形状であり、かつ、前記被計測流体の流れ上流方向に前記温度検出素子を配置したことを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
  8. 　前記チップパッケージから前記リードフレームの一部が突出しており、前記突出方向とは反対の位置に前記温度検出素子を配置したことを特徴とする請求項６に記載の熱式流量計。
  9. 　前記センサ素子と前記駆動回路のチップ高さが異なることを特徴とする請求項５に記載の熱式流量計。
  10. 　前記駆動回路のチップ高さは、前記センサ素子のチップ高さより低いことを特徴とする請求項９に記載の熱式流量計。
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