JP4362949B2 - 半導体圧力センサ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出するための半導体圧力センサチップを樹脂パッケージにマウントして構成される半導体圧力センサ装置に関するものである。なお、本発明の半導体圧力センサ装置は、例えば、自動車用エンジンの吸気負圧を測定するためのセンサ装置、或いは自動車の煤煙用フィルタの詰まり具合を検出すべく該フィルタ前後の圧力差を検出するためのセンサ装置として用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術として、特開平１１−３０４６１９号公報の半導体圧力センサ装置が知られている。同公報の装置では、樹脂パッケージに凹部が形成され、その凹部内に半導体圧力センサチップがマウントされる。また、樹脂パッケージには導体部がインサート成形され、その導体部がボンディングワイヤを介して半導体圧力センサチップに電気的に接続される。そしてその状態で、導体部及びその周辺部は、電気的な絶縁性を有し且つヤング率が比較的高いもの（樹脂材料或いはゴム材料）として構成された第１の保護部材によって覆われる。また、第１の保護部材は、半導体圧力センサチップのセンシング部を露出させた状態で設けられ、これらセンシング部及び第１の保護部材は、電気的な絶縁性を有し且つヤング率が比較的低いもの（ゲル状物質）として構成された第２の保護部材によって覆われる。
【０００３】
かかる場合、第１及び第２の保護部材から成る２層構造により、樹脂パッケージと導体部との間に生ずる空隙や導体部周囲の界面部分などに空気が閉じ込められた状態となる場合にも、その部分を覆う第１の保護部材が高ヤング率の材料から構成されるために、圧力検出時において上記空隙や界面部分などから気泡が発生する事態が抑制できる。これにより、半導体圧力センサ装置の動作信頼性を向上させるようにしていた。
【０００４】
また、上記センサ装置では、低ヤング率のゲル状物質により半導体圧力センサのセンシング部分を覆うことで、外部からの水、オイル、煤等に対し半導体圧力センサが影響を受けにくい構造となっていた。
【０００５】
しかしながら、上記の半導体圧力センサ装置を自動車に搭載することを考えると、その使用環境が過酷になるため、以下のような問題が生ずる。例えば、上記のセンサ装置を吸気負圧測定用の圧力センサとして用いる場合、ＥＧＲ等により多量な水や煤等が吸気管に導入されるため、その水や煤等がセンシング部分のゲル状物質に完全に覆い被さると、正常な圧力を検出することができなくなる。
【０００６】
また一方で、経済性の観点から保護部材の必要量を考えると、凹部の容積は小さい方が望ましく、上記の従来構成では、導体部やボンディングワイヤなどでの気泡発生を抑制するのに十分なだけの領域で凹部の開口面積を決めていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、経済性を考慮しつつ、汚れに対する耐量を向上させてひいては圧力を正しく検出することができる半導体圧力センサ装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体圧力センサ装置では、樹脂パッケージの第１の凹部には半導体圧力センサチップが配設され、該センサチップは、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する。また、樹脂パッケージの第１の凹部には、第１の凹部が設けられた面とは反対側の面に設けられた第２の凹部と同第１の凹部とを連通する貫通孔を塞ぐように半導体圧力センサチップをマウントした状態で、当該第１及び第２の凹部内に電気的な絶縁性を有する保護部材が設けられ、それにより半導体圧力センサチップが保護される。
【０００９】
特に本発明では、第１の凹部の底部の貫通孔の周囲にある開口面積が比較的小さい狭開口部には、半導体チップのセンシング部を露出させた状態で、電気的な絶縁性を有し且つヤング率の高い第１の保護部材が設けられると共に、その狭開口部よりも入り口側に設けられた開口面積が比較的大きい広開口部には、半導体圧力センサチップのセンシング部及び第１の保護部材を覆うようにして、電気的な絶縁性を有し且つヤング率の低い第２の保護部材が設けられており、狭開口部を設けたことにより第１の保護部材の充填量を必要最小限とする経済的な効果が得られ、広開口部を設けたことにより本センサ装置の汚れ耐量が向上するといった機能的な効果が得られる。すなわち、第１の凹部の入り口付近を拡げたことにより、第２の保護部材の表面に多量な水、煤等が付着したとしてもその水や煤等が保護部材表面で分散され、センシング部近辺の保護部材を完全に覆い塞ぐことが防止される。故に、圧力検出値への悪影響が解消される。その結果、本発明の半導体圧力センサ装置では、経済性を考慮しつつ、汚れに対する耐量を向上させてひいては圧力を正しく検出することができるようになる。
また、第１及び第２の保護部材から成る２層構造により、樹脂パッケージと当該半導体圧力センサ装置を構成する部材との間に生ずる空隙や界面部分などに空気が閉じ込められた状態となる場合にも、圧力検出時に上記空隙や界面部分などから気泡が発生する事態が抑制できる。これにより、半導体圧力センサ装置の動作信頼性が向上する。
しかも、上記構成では、第２の凹部の底部には低ヤング率のゲル状物質にて構成された保護部材が、且つ、第２の凹部の開口側には高ヤング率の樹脂材料或いはゴム材料にて構成された保護部材がそれぞれ設けられており、貫通孔には上記低ヤング率のゲル状物質にて構成された保護部材が充填されている。すなわち、貫通孔とその出口付近に配設される保護部材は低ヤング率のゲル状物質にて構成されており、高ヤング率の物質を用いる場合に比べて温度変化による貫通孔内での体積膨張収縮の影響が軽減される。よって、体積膨張収縮により半導体圧力センサチップが変位して正常な圧力検出値が得られなくなるといった不都合が解消されるようになる。
【００１０】
第１の凹部の構造としては、次の請求項２又は３の如く構成すると良い。つまり、請求項２に記載の発明では、第１の凹部の狭開口部及び広開口部が階段状に設けられ、請求項３に記載の発明では、第１の凹部の狭開口部及び広開口部がテーパ状に連続的に設けられる。
【００１１】
経済性の観点から保護部材の必要量を規定するには、請求項４に記載したように、導体部上のボンディングパッド部を最小限含む領域で前記第１の凹部の狭開口部を設けるようにすると良い。またこの場合、その狭開口部を拡げて広開口部を設けると良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、半導体圧力センサ装置を、自動車におけるエンジン吸気負圧測定用の圧力センサ装置に適用した比較例について図面を参照しながら説明する。図１には、半導体圧力センサ装置を要部で切断した状態の縦断面図を示し、図２には、同センサ装置の概略的な平面図を示す。
【００１４】
これら図１及び図２において、樹脂パッケージ１は、例えばフィラーが充填されたエポキシ樹脂より成るものであり、その上面には受圧面側（図の上側）に開口する凹部３が形成されている。そして、この凹部３に、後述する半導体圧力センサチップ２がマウントされている。樹脂パッケージ１には、銅などの導電材料より成る複数本のインサートピン４（本発明でいう導体部に相当）がインサート成形により一体的に設けられており、それらインサートピン４のうち所定の４本は、凹部３の底面における四隅部に露出した状態で配置されている。この場合、インサートピン４の各露出部分に金メッキが施されることにより、ボンディングパッド４ａ（図２参照）として機能するように構成されている。
【００１５】
半導体圧力センサチップ（以下、センサチップと略称する）２は、ピエゾ抵抗効果を利用した周知構成のものであり、負圧を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する。また、該センサチップ２は、その上面にセンシング部としてのダイヤフラム２ａ及び図示しない拡散抵抗などを備えた構成となっており、凹部３の底面に例えばフロロシリコーン系の接着剤５を介してダイボンディングされると共に、インサートピン４のボンディングパッド４ａに対しボンディングワイヤ６を介して電気的に接続されている。
【００１６】
凹部３には、その底部付近において開口面積が比較的小さい狭開口部７が設けられると共に、その狭開口部７よりも入り口側において開口面積が比較的大きい広開口部８が設けられ、その凹部３内には、センサチップ２及びボンディングワイヤ６等の保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などを図るための絶縁材料製の第１の保護部材９及び第２の保護部材１０が二層に充填されている。なおここで、狭開口部７は、インサートピン４上のボンディングパッド４ａを最小限含む領域で設けられ、その狭開口部７を拡げるようにして広開口部８が設けられる。
【００１７】
より具体的には、狭開口部７と広開口部８とは階段状に２段に設けられ、狭開口部７内に第１の保護部材９が配設され、広開口部８内に第２の保護部材１０が配設されている。
【００１８】
第１及び第２の保護部材９，１０のうち、下層側に配置された第１の保護部材９は、比較的高いヤング率（例えば０．１ＭＰａ以上、望ましくは０．３ＭＰａ以上、この場合は比較的硬いため針入度測定は困難）のフッ素系或いはフロロシリコーン系の樹脂材料若しくはゴム材料により構成されたものであり、センサチップ２のダイヤフラム２ａを露出させた状態で、インサートピン４の凹部３内での露出部分（ボンディングパッド４ａ部分）及びその周辺部、並びにセンサチップ２の下半部（樹脂パッケージ１に対するマウント部分である接着剤５も含む）を共に覆うように設けられている。
【００１９】
また、上層側に配置された第２の保護部材１０は、比較的低いヤング率（例えば針入度１０以上、望ましくは針入度４０以上、この場合は柔らかいため正確なヤング率の測定は困難）のフッ素系或いはフロロシリコーン系のゲル状物質により構成されたものであり、第１の保護部材９並びにセンサチップ２の上半部（ダイヤフラム２ａを含む）をボンディングワイヤ６のセンサチップ接続部分と共に覆うように設けられている。なおこの場合、センシング部であるダイヤフラム２ａはゲル状物質より成る第２の保護部材１０により覆われた状態となっているため、センサチップ２によるセンシング機能が損なわれることはない。
【００２０】
因みに、上記半導体圧力センサ装置ではその製造工程において、樹脂パッケージ１の凹部３にセンサチップ２が接着固定された状態で、ボンディングワイヤ６がセンサチップ２及びボンディングパッド４ａに接合され、その後、真空雰囲気で凹部３（狭開口部７と広開口部８）内に第１及び第２の保護部材９，１０が充填されるようになっている。
【００２１】
上記構成の半導体圧力センサ装置は、図示しないハウジングにより収納された状態で、その凹部３が自動車におけるエンジン吸気路と連通するように配置され、これによりセンサチップ２にて負圧が検出される。樹脂パッケージ１内には、センサチップ２の出力信号を増幅するための増幅回路１１及びその増幅率などの回路定数を調節するためのトリミング回路１２が設けられており、センサチップ２及び増幅回路１１間は図示しないリードフレームなどによって互いに接続されている。
【００２２】
以上詳述した比較例によれば、以下に示す効果が得られる。
樹脂パッケージ１の凹部３において、狭開口部７を設けたことにより第１の保護部材９の体積（充填量）を必要最小限とする経済的な効果が得られ、広開口部８を設けたことにより本センサ装置の汚れ耐量が向上するといった機能的な効果が得られる。すなわち、凹部３の入り口付近を拡げたことにより、第２の保護部材１０の表面に多量な水、煤等が付着したとしてもその水や煤等が保護部材１０表面で分散され、センシング部近辺の第２の保護部材１０を完全に覆い塞ぐことが防止される。故に、圧力検出値への悪影響が解消される。その結果、経済性を考慮しつつ、汚れに対する耐量を向上させてひいては負圧を正しく検出することができる半導体圧力センサ装置が実現できる。
【００２３】
因みに、広開口部８の開口面積と本センサ装置の汚れ耐量とはほぼ比例関係にあり、広開口部８の開口面積を大きくするほどセンサ装置の汚れ耐量が向上する。この場合、設計上実現したい汚れ耐量に基づいて、広開口部８の開口面積を決定するようにしても良い。
【００２４】
各々ヤング率が異なる第１及び第２の保護部材９，１０にて２層構造としたことにより、樹脂パッケージ１とインサートピン４との間に生ずる空隙（一般的にインサート成型後の樹脂収縮に起因して発生する）や、ボンディングパッド４ａ周囲の界面部分などに空気が閉じ込められた状態となる場合にも、センサチップ２による負圧検出時において上記空隙や界面部分などから気泡が発生する事態が抑制できる。また、接着剤５から気泡が発生する事態も未然に防止できる。これにより、気泡の発生に起因して第１及び第２の保護部材９，１０による絶縁保護性能が低下したり、気泡によりボンディングワイヤ６が断線したりするおそれがなくなり、以て半導体圧力センサ装置の動作信頼性が向上する。
【００２５】
更に、第１及び第２の保護部材９，１０が共に、ガソリンや軽油などに対し耐性がある材料のフッ素系或いはフロロシリコーン系の材料により構成されるので、本実施の形態のエンジン吸気負圧測定用の圧力センサ装置のように、ガソリン或いは軽油雰囲気などに晒される状況下にある場合であっても問題なく使用できるようになる。
【００２６】
（実施の形態）
本発明は、車載煤煙用フィルタに付加される差圧センサへの応用が有用であり、本実施の形態ではその概要を説明する。ここで、煤煙用フィルタとは、煤煙排出量の多いディーゼル自動車の排気系に設けられ、排ガス中に含まれるパティキュレート（黒煙微粒子）等を除去するものである。また、差圧センサは、煤煙用フィルタの前後の差圧を検出し、それにより当該フィルタの詰まり具合（捕集具合）をモニタするものである。
【００２７】
図３には、差圧センサの構成の概要を示す。図３において、樹脂パッケージ２１には、図中上下一対のカバー２２，２３が組み付けられ、それにより、上下一対の排ガス室２４，２５が形成されている。一方（図の上側）の排ガス室２４には連通路２６を介して煤煙用フィルタ通過後の排ガスが導入され、他方（図の下側）の排ガス室２５には連通路２７を介して煤煙用フィルタ通過前の排ガスが導入されるようになっている。
【００２８】
また、樹脂パッケージ２１には、図の上側の排ガス室２４側に開口する凹部（便宜上、これを上側凹部という）２８と、図の下側の排ガス室２５側に開口する凹部（便宜上、これを下側凹部という）２９とが形成されており、これら凹部２８，２９は貫通孔３０を介して連通されている。上側凹部２８には、貫通孔３０を塞ぐような状態で半導体圧力センサチップ（センサチップ）３１がマウントされ、接着剤等により固定されている。また、センサチップ３１は、ボンディングワイヤ３２を介してインサートピン３３に電気的に接続されている。
【００２９】
上側凹部２８には、その底部付近において開口面積が比較的小さい狭開口部３４が設けられると共に、入り口付近において開口面積が比較的大きい広開口部３５が設けられている。そして、狭開口部３４内には、高ヤング率の樹脂又はゴム材料から成る第１の保護部材３６が配設され、広開口部３５内には、低ヤング率のゲル状物質から成る第２の保護部材３７が配設されている。ここで、第１の保護部材３６は、センサチップ３１のダイヤフラム３１ａ（センシング部）を露出させた状態でインサートピン３３上のボンディングパッド部を覆うようにして設けられ、第２の保護部材３７は、センサチップ３１のダイヤフラム３１ａ及び第１の保護部材３６を覆うようにして設けられる。
【００３０】
また、下側凹部２９には、保護部材３８及び３９が２層に分けて設けられている。ここで、貫通孔３０とその出口付近に配設される保護部材３８は低ヤング率のゲル状物質にて構成されており、高ヤング率の物質を用いる場合に比べて温度変化による貫通孔３０内での体積膨張収縮の影響が軽減される。故に、体積膨張収縮によりダイヤフラム３１ａが変位して正常な差圧圧力が得られなくなるといった不都合が解消されるようになっている。
【００３１】
一方、図の下側の保護部材３９は、高ヤング率の樹脂材料或いはゴム材料にて構成されており、上側の保護部材３８の下面を完全に覆うように配設される。この場合、上側の保護部材３８（ゲル状物質）が振動してもそれが下側の保護部材３９（樹脂材料或いはゴム材料）で緩和され、圧力検出値への影響が抑制される。なお、貫通孔３０の入り口部分にはテーパ部４０が設けられており、保護部材３８，３９が充填し易くなるように構成されている。
【００３２】
上記構成の差圧センサでは、センサチップ３１上下の排ガス室２４，２５の圧力差により煤煙用フィルタ前後の差圧が測定される。そして、該センサの検出結果に応じて、煤煙用フィルタに捕集したパティキュレート等が燃焼除去されて該フィルタが再生される。
【００３３】
以上詳述した本実施の形態によれば、樹脂パッケージ２１の上側凹部２８において、狭開口部３４と広開口部３５とを２段に設けたことにより、保護部材の体積（充填量）を必要最小限とする経済的な効果と、水や煤等の汚れに対する耐量が向上するといった機能的な効果が共に得られる。それ故、圧力検出値への悪影響が解消され、長期に渡って差圧センサを正しく機能させることが可能となる。また、下側凹部２９についてもその開口面積を拡げたことにより、上側凹部２８と同様に、水や煤等の汚れに対する耐量が向上する。
【００３４】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、樹脂パッケージの第１の凹部の構造として、狭開口部及び広開口部を階段状に２段に設けたが、これを変更する。例えば、第１の凹部の狭開口部及び広開口部をテーパ状に連続的に設けるようにしても良い。
【００３５】
また、上記実施の形態では、第１の凹部の狭開口部には高ヤング率の第１の保護部材を設け、同第１の凹部の広開口部には低ヤング率の第２の保護部材を設けるといった２層構造としたが、これを変更し、第１の凹部の狭開口部及び広開口部内を全て低ヤング率の保護部材としても良い。或いは、第１の保護部材と第２の保護部材との間に、それら保護部材の中間レベルの硬さ（ヤング率）の第３の層が存在する構成としても良い。
【００３６】
過給圧を検出する過給圧用圧力センサに本発明を具体化することも可能である。半導体圧力センサチップとしては、ピエゾ抵抗効果を利用したダイヤフラム形式のものに限らず、静電容量形式の半導体センサチップなど、他の形式のものを利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較例における半導体圧力センサ装置の縦断面図。
【図２】半導体圧力センサ装置の概略的な平面図。
【図３】車載煤煙用フィルタに付加される差圧センサへの応用例を示す断面図。
【符号の説明】
１…樹脂パッケージ、２…センサチップ、３…凹部、４…インサートピン、４ａ…ボンディングパッド、６…ボンディングワイヤ、７…狭開口部、８…広開口部、９…第１の保護部材、１０…第２の保護部材、２１…樹脂パッケージ、２８…上側凹部、３１…センサチップ、３２…ボンディングワイヤ、３３…インサートピン、３４…狭開口部、３５…広開口部、３６…第１の保護部材、３７…第２の保護部材。

Claims (4)

1. 圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体圧力センサチップと、受圧面側に開口する第１の凹部及び同第１の凹部が設けられた面とは反対側の面に開口する第２の凹部が形成されるとともにこれら第１の凹部と第２の凹部とを連通する貫通孔が形成された樹脂パッケージとを備え、樹脂パッケージの前記第１の凹部に前記貫通孔を塞ぐように半導体圧力センサチップをマウントした状態で、これら第１及び第２の凹部内に電気的な絶縁性を有する保護部材を設けた半導体圧力センサ装置において、
   前記第１の凹部の底部の前記貫通孔の周囲にある開口面積が小さい狭開口部には、前記半導体圧力センサチップのセンシング部を露出させた状態で、電気的な絶縁性を有し且つヤング率の高い第１の保護部材が設けられ、その狭開口部よりも入り口側に設けられた開口面積が大きい広開口部には、前記半導体圧力センサチップのセンシング部及び第１の保護部材を覆うようにして、電気的な絶縁性を有し且つヤング率の低い第２の保護部材が設けられるとともに、前記第２の凹部の底部には低ヤング率のゲル状物質にて構成された保護部材が、且つ、同第２の凹部の開口側には高ヤング率の樹脂材料或いはゴム材料にて構成された保護部材がそれぞれ設けられ、前記貫通孔には前記低ヤング率のゲル状物質にて構成された保護部材が充填されていることを特徴とする半導体圧力センサ装置。
2. 前記第１の凹部の狭開口部及び広開口部を階段状に設けた請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
3. 前記第１の凹部の狭開口部及び広開口部をテーパ状に連続的に設けた請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
4. 樹脂パッケージにインサート成形された導体部と、半導体圧力センサチップとをボンディングワイヤで電気的に接続し、導体部上のボンディングパッド部を最小限含む領域で前記第１の凹部の狭開口部を設けたのに対し、その狭開口部を拡げて広開口部を設けた請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体圧力センサ装置。

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