JP4249193B2 - 半導体圧力センサ装置 - Google Patents

Description

この発明は半導体圧力センサ装置に関し、特にその気密封止特性を改善した半導体圧力センサ装置に関するものである。

従来の半導体圧力センサ装置、たとえば自動車用エンジンの吸気圧を測定するために用いられる半導体圧力センサ装置は、特開２０００−３３７９８７（特許文献１）や特開平１０−１７０３８０（特許文献２）に示されるような構成のものが良く知られている。
図８は特許文献１に示される半導体圧力センサ装置の断面構成を示したものであり、以下これについて説明する。図において、外装ケース１は実装部１aとコネクタ部１bとからなり、外部接続用のターミナル２をその一部が外部に突出するようにインサート成形している。実装部１aには図の下方に開いた凹型開口部４を有し、これにセンサモジュール３が収容されている。上記センサモジュール３から導出しているリードフレーム５とターミナル２とを溶接することにより信号を外部に出力するようになっている。

また、上記センサモジュール３は半導体圧力センサ部６や信号処理部７がマウントされ、図示していないがワイヤボンディング等により内部素子やＩＣチップと上記リードフレーム５との電気接続を行っている。一方、上記センサモジュール３の露出空間を覆うようにポート８を有する漏斗状の蓋体９を設置する。ポート８には圧力伝達孔８aが設けられ、ここからエンジンの吸入空気が導入されその圧力が測定されるようになっている。上記外装ケース１のコネクタ部１bには、上記凹型開口部４の外周部位に凸部１０が設けられ、これに対応する上記蓋体９には上記凸部１０が収容されるように凹部１１が設けられており、両者の隙間に接着剤１２を充填することにより気密封止を図っている。

しかし、上述のような構成においては、外装ケース１の凹型開口部４は、センサモジュール３を収納した状態でターミナル２とリードフレーム５とを抵抗溶接等で接続しなければならず、その際の正負二極の溶接電極がコンタクトできるエリアを備えなければならないため、凹型開口部４はセンサモジュール３のサイズに対して一回り大きな開口面積が必要となる。さらに、前記凹型開口部４の周囲には、蓋体９と外装ケース１を接着固定する勘合部を設ける必要があるため、結果として本構成における半導体圧力センサ装置は、センサモジュール３に対して著しく大型となってしまっていた。

一方、外部接続用のターミナル２をその一部が外部に突出するようにインサート成形したセンサモジュール３を更にインサートモールドして外装ケース１を形成する一体モールド構造の半導体圧力センサ装置が提案されている。このタイプの装置は、外装ケース１と蓋体９との勘合部を、センサモジュール３の周囲部直近に設けることができるため、従来の構成よりも小型化した半導体圧力センサ装置を得ることができる。

しかし、このような一体モールド構造においては、センサモジュール３と外装ケース１との間に微小な間隙が形成される問題があり、この隙間を伝わって外部から汚染された圧力媒体である空気や水分が浸入し、内部金属の腐食、被測定気体のリーク等の原因となっていた。この間隙は、センサモジュール３の成形材料と、センサモジュール３をインサートモールドする外装ケース１の成形材料との線膨張係数の差によって、成形温度から実使用温度間で冷却される過程で生じるものである。

また、センサモジュール３は少なくとも半導体圧力センサ部６を実装した箇所とターミナル２の端子とを、外装ケース１より露出させる必要があるが、センサモジュール３のインサートモールドは、一般に熱可塑性樹脂を射出成形することにより形成されており、樹脂の固化時に発生する体積収縮により、外部に露出するターミナル等の金属部材との間に微小な間隙が生じることがある。従って、この露出部に生じる間隙を伝って水分が浸入した場合は、外装ケース１に内蔵されている金属リードフレーム５が腐食する恐れがあり、間隙を経由して露出部を繋ぐリーク経路が構成されるため、被測定気体が圧力導入室からリークし、正確な圧力の計測が不可能となる問題がある。

特開２０００−３３７９８７号公報 特開平１０−１７０３８０号公報

この発明はこのような問題に対処するためになされたものであって、半導体圧力センサ部を収容したセンサモジュールを外装ケース内に一体モールドした構造の半導体圧力センサ装置において、気密不良やリード腐食の問題を防止して、封止性能の信頼性を向上せしめた半導体圧力センサ装置を提供するものである。

この発明になる半導体圧力センサ装置は、圧力を電気信号に変換する半導体圧力センサ部と一部が外部に導出されるターミナルとを第一の樹脂でインサートモールドされたセンサモジュールと、前記センサモジュールを第二の樹脂でさらにインサートモールドして外部接続用コネクタ部を形成した外装ケースと、圧力導入用ポートを通して前記センサモジュールの露出空間に圧力導入室を形成するように前記外装ケースと嵌合接着される蓋体を備えた半導体圧力センサ装置において、前記圧力導入室内であって前記センサモジュールと外装ケースとの境界部に溝を形成し、該溝を接着剤で充填したことを特徴とするものである。

この発明は上記構成とすることにより、水分や気体の浸入経路となる外装ケースと第二の樹脂の境界部は接着剤により封止されているので、水分浸入によるリードの腐食や、気体の浸入による気密不良を防止することができ、信頼性の高い半導体圧力センサ装置を得ることが出来る。

実施の形態１．
以下、図１及び図２によりこの発明の実施の形態１について説明する。図１は実施形態１における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図、図２はセンサモジュール３の正面図である。図中、従来技術で説明した図８と同一または相当部分には同一符号を付している。

本実施の形態におけるセンサモジュール３は、ターミナル２を、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂からなる第一の樹脂をトランスファ成形法により成形して形成したものである。センサモジュール３は、半導体圧力センサ部６を搭載するための凹型開口部４を備えており、ターミナル２は一端が凹型開口部４内に露出し、他端が凹型開口部４の外側（図の右側）に露出するように、インサートモールドされている。図２に示すように、凹型開口部４の外側に露出されたターミナル２の一部は、後述する特性調整端子１５であり、また、一部は外装ケース１に一体モールドされた際のコネクタ端子１６を構成している。

半導体圧力センサ部６は、例えばフッ素系のダイボンド材１７を介して上記凹型開口部４の底面にダイボンディングされ、凹型開口部４内に露出したターミナル２と、金やアルミからなるボンディングワイヤ１８によって電気的に接続されている。凹型開口部４の内部の半導体圧力センサ部６と、ターミナル２、ボンディングワイヤ１８は、被測ガスによる腐食を防止し、電気絶縁性を確保するために、例えばフッ素ゲルなどの保護樹脂層１９によって被覆されている。この保護樹脂層１９は圧力センサの圧力検出動作に支障のない程度のやわらかのものが選ばれる。

半導体センサ部６は、ピエゾ抵抗効果を利用した周知のものであって、ダイヤフラムを有するシリコンチップ２２と、このシリコンチップ２２と陽電極接合されたガラス台座２１とから構成されている。上記シリコンチップ２２とガラス台座２１との接合によって、ダイヤフラムの下部には真空室２０が形成されており、圧力は真空室２０との圧力差によって生じたダイヤフラムの歪みを、このダイヤフラム上に形成したゲージ抵抗の抵抗値変化からブリッジ回路の平衡状態の崩れを検出し、センサ信号を出力するものである。

また、半導体圧力センサ部６には、ダイヤフラムを含む感圧部以外の箇所に、図示していないが感圧部からの電気信号を増幅する増幅回路や、所望の出力電圧特性への調整を行う調整回路や、調整データを格納するROM等が形成されている。特性調整は、調整端子１５を介して外部から電気信号を入力することによって行われる。外装ケース１は、上記センサモジュール３を、例えばPBT（ポリブチレンテレフタレート）やPPS(ポリフェニレンスルファド)などの熱可塑性樹脂である第二の樹脂により、射出成形法によって一体的にモールドしたものである。

外装ケース１には、外部接続用のコネクタ部１bと圧力導入用のポート８とを接着接合
させる凸部１０が形成されており、蓋体９の対向部分に設けられた凹部１１との間で接着剤１２により封止されている。また外装ケース１は、ターミナル２のコネクタ端子部１６と、半導体圧力センサ実装部１aと、センサモジュール３の背面部２３との３箇所において第二の樹脂から露出した部分がある。なお、外装ケース１の背面部２３の露出は、一体的にモールドされる際に外装ケース１が位置ずれしないように、成形金型の上型と下型によってケースを挟み込んで保持した結果生じるものである。

この実施形態においては、上記の外装ケース１から露出しているセンサモジュール３の部分のうち、外装ケース１とセンサモジュール３との境界部が接着剤２４で覆われている。接着剤２４としては、エポキシ系の接着剤や、シリコーン樹脂系のゴムなどの材料が用いられる。なお、上記境界部には図示したように接着剤２４を充填できる溝が形成されていることが望ましい。このように、水分や気体の浸入経路となる少なくとも外装ケース１とセンサモジュール３との境界部が接着剤により封止されているので、前述したような水分浸入によるリードの腐食や、気体の浸入による気密不良を効果的に防止することができ、信頼性の高い半導体圧力センサ装置を得ることが出来る。

なお、外装ケース１と蓋体９とは、嵌合部で接着剤１２を介して接着固定され、内部に圧力導入室２５を形成している。接着剤１２としては、上述した境界部封止用の接着剤２４とは異なり、機械的な強度が要求されるため、ゴム状のものより硬度が高いエポキシ系の接着剤が望ましい。ところで、本実施の形態においては、センサモジュール３を形成する第一の樹脂に熱硬化性樹脂を、外装ケース１を形成する第二の樹脂に熱可塑性樹脂を用いているが、その理由は次のとおりである。

すなわち、外装ケース１とセンサモジュール３との界面部には、前述のとおり、微小な間隙が存在するが、一般に金属と良好な密着性が得られる熱硬化性樹脂を第一の樹脂に用いることによって、気泡の残留を伴うことなく充填することができ、樹脂内に残留したガスが熱膨張により、センサモジュール３を形成する第一の樹脂とターミナル２との界面を通って凹型開口部４内に漏れ出し、保護層１９を破壊するようなことをなくすことができる。しかし、一方、コネクタ部１６等の複雑な構造を有する外装ケース１の材料としては、成形性の良好な熱可塑性樹脂を用いており、これにより両者の特徴を効果的に発揮して信頼性と生産性とを両立した圧力センサ装置を得ることが出来る。
ものである。

実施の形態２．
次に、図３によりこの発明の実施の形態２について説明する。図３は実施の形態２の半導体圧力センサ装置の断面を示すものである。なお図1、図２と同一部分には同一符号を付している。実施の形態１との相違点は、コネクタ部１bの内部に露出しているセンサモジュール３の一部であるコネクタ端子１６と、外装ケース１を形成する第二の樹脂との境界部の、接着剤２４による封止が省略されていることである。

実施の形態１で説明したように、外装ケース１には、ターミナル２のコネクタ端子部１６と、半導体圧力センサ実装部１aと、センサモジュール３の背面部２３との３箇所において第二の樹脂から露出した部分が存在している例を示した。実施の形態２では、コネクタ部１bが防水機能を有している場合には、ターミナル２のコネクタ端子部１６における封止を省略できることを示している。ここで、防水機能を有するとは、使用時にコネクタ端子部１６が相手方のコネクタ（図示していない）に装着された状態で、オスの金属端子とメスの金属端子の露出部への防水が実現されるタイプのコネクタのことを指す。

本実施の形態のコネクタの場合は、相手方のメス型コネクタにゴムパッキンが取り付けられており、装着によって防水シールされる。防水機能を有するコネクタを用いることで、コネクタ端子１６と第二の樹脂の境界部は封止しなくても、実使用において水が浸入する懸念がない。また、コネクタ内部以外のセンサモジュール３を構成する第一の樹脂と外装ケース１を構成する第二の樹脂との境界部は接着剤２４で封止されているため、ガスが浸入しても、リークに至る心配がない。この実施の形態によれば、接着剤２４で塗布するセンサモジュール３と第二の樹脂との境界部を低減できるため、実施の形態１のものより製造工程が簡素化できる効果がある。

実施の形態３．
次に実施の形態３について説明する。図４は実施の形態３の半導体圧力センサ装置の断面を示すものである。なお図1〜３と同一部分または相当部分には、同一の符号を用いている。本実施の形態においては、更にセンサモジュール３の背面部２３においてもセンサモジュール３の露出部をなくした物を示している。従って、この実施の形態では、コネクタ端子１６の内部以外で、センサモジュール３が第二の樹脂から露出している箇所は、半導体圧力センサチップ４の実装部１aを含む箇所のみとなり製造工程のより一層の簡素化が期待できる。

このような外装ケース１を実現するには、第二の樹脂で射出成形する際のセンサモジュール３の固定方法に工夫を要する。即ち、実施の形態１のように成形時にセンサモジュール３を上下の金型で固定することが出来ないため、第二の樹脂の金型内流動に伴い、センサモジュール３の位置ずれが生じたり、露出部に第二の樹脂があふれ出たりする懸念がある。これを防止するために、第二の樹脂を成形する際の樹脂注入湯口であるゲート２６（図5参照）を、半導体圧力センサ部６の実装部１aを含むセンサモジュール３の露出部と第二の樹脂との境界を通る面Ｘ−Ｘよりもセンサモジュール３の背面側に設けている。

図５は金型による成形状態を示す図であり、図において、３０は上部金型、３１は下部金型、３２は置き駒金型を指している。センサモジュール３のターミナル２の端部を置き駒金型３２に挿入保持した状態で下部金型３１上に載置、上部から上部金型３０で閉じる。上述したようにＸ−Ｘ面より上部（センサモジュール３の背面側）に設置されたゲート２６から、第二の樹脂２７を注入すると、センサモジュール３の背面部から優先的に充填され始めるため、センサモジュール３は樹脂の流動が完了するまで、常に射出圧によって金型３２に押し付けられ、固定される。従ってセンサモジュール３がずれたり、露出部に第二の樹脂が浸入したりする懸念がない。またこのとき、センサモジュール３の側面部に、センサモジュール３の背面に向かうほど狭くなるテーパを設けることで、センサモジュール３の金型に押し付けられる効果がより高くなる。

実施の形態４．
次に実施の形態４について説明する。図６は実施の形態４の半導体圧力センサ装置の断面を示すものである。なお図1〜４と同一部分には、同一の符号を用いている。本実施の形態においては、蓋体９には、凸部２８が設けられており、これが外装ケース１とセンサモジュール３との境界部に形成されている溝部２９内に挿入され、相互間に接着剤２４を充填することにより封止している。接着剤２４としては、エポキシ系の接着剤や、シリコーン樹脂系のゴムなどの材料が用いられる。
この実施の形態によれば、センサモジュールと第二の樹脂との境界部の封止と同時に、圧力伝達孔８aを有する蓋体９の接合を実現することができ、製造工程を簡略化できるともに、封止用の溝部を接着勘合部と共用できるため小型化が実現できる。

実施の形態５．
次に実施の形態５について説明する。図７は実施の形態５の半導体圧力センサ装置の断面を示すものである。なお、図１〜５と同一部分には、同一の符号を用いている。本実施の形態においては、ターミナル２は、センサモジュール３を形成する第一の樹脂にインサートモールドされているリード２ａと、一端がコネクタ端子１６となっているリード２ｂが抵抗溶接法などの接合法によって一体化されたものとなっている。
実施の形態５によれば、コネクタ端子形状が複数のバリエーションをもつ半導体圧力センサ装置を製造するに際しても、コネクタ端子部を含むリード部にバリエーションを持たせるだけで、センサモジュール３は共用パーツとすることが出来るため、製造工程を簡素化できる。

なお、実施の形態１から５における半導体圧力センサ装置は、ピエゾ抵抗効果方式のものとして説明したが、静電容量方式等、他の測定原理を利用した半導体圧力センサ装置であってもよい。また、感圧部と、信号処理回路部が同一のチップ上に形成されているが、両者が別々のチップに形成されたものであってもよい。

この発明の実施形態１における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 上記実施の形態１の半導体圧力センサ装置に組み込まれるセンサモジュールの正面図である。 この発明の実施の形態２における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 上記実施の形態３の金型による成形状態を示す図である。 この発明の実施の形態４における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態５における半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。 従来技術による半導体圧力センサ装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 外装ケース、 ２ ターミナル、
３ センサモジュール、 ４ 凹型開口部、
５ リードフレーム、 ６ 半導体圧力センサ部、
７ 信号処理部、 ８ ポート、 ８a 圧力伝達孔
９ 蓋体、 １０ 凸部、 １１ 凹部、
１２ 接着剤、 １５ 調整部、
１６ コネクタ端子、 １８ ボンディングワイヤ、
１９ 保護樹脂層、 ２４ 接着剤、
２６ ゲート、 ２８ 凸部、 ２９ 凹部、
３０ 上部金型、 ３１下部金型、 ３２ 置き駒金型。

Claims (6)

1. 圧力を電気信号に変換する半導体圧力センサ部と一部が外部に導出されるターミナルとを第一の樹脂でインサートモールドされたセンサモジュールと、前記センサモジュールを第二の樹脂でさらにインサートモールドして外部接続用コネクタ部を形成した外装ケースと、圧力導入用ポートを通して前記センサモジュールの露出空間に圧力導入室を形成するように前記外装ケースと嵌合接着される蓋体を備えた半導体圧力センサ装置において、前記圧力導入室内であって前記センサモジュールと外装ケースとの境界部に溝を形成し、該溝を接着剤で充填したことを特徴とする半導体圧力センサ装置。
2. 前記センサモジュールと外装ケースとの境界部を封止する接着剤には、エポキシ樹脂あるいはシリコーン樹脂系のゴムが用いられることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
3. 前記外装ケースのセンサモジュール周辺部に設けられた凸部と、蓋体の対応部分に設けられた凹部とにより嵌合部を形成し、該嵌合部をエポキシ系接着剤により封止したことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
4. 前記センサモジュールと外装ケースとの境界部に形成された溝に蓋体の対応部分に設けられた凸部を挿入し、これら相互間を接着剤により封止したことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
5. 前記第一の樹脂は熱硬化性樹脂であり、前記第二の樹脂は熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
6. 前記ターミナルは、一部が第一の樹脂でインサートモールドされている第一のリードと、一部が外部との電気的接続用のコネクタ端子となっている第二のリードが接合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。

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