JP2002310828A - 半導体圧力センサ - Google Patents
半導体圧力センサInfo
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Abstract
て、信頼性の高い半導体圧力センサを提供することにあ
る。 【解決手段】被測定媒体の圧力変化を電気信号に変換す
る半導体チップ1と、半導体チップ1を収納する凹型部
11と凹型部周辺から外部へ連通するリード端子7を有
する樹脂ケース4と、樹脂ケース4に半導体チップ1を
固定する保持部材3と、半導体チップ1とリード端子7
を電気的に接続するボンディングワイヤ5と、半導体チ
ップ1とボンディングワイヤ5の少なくとも一部を被覆
する被覆部材8とを有する。被覆部材8の針入度Hが1
5以上40以下であり、半導体チップ1および保持部材
3と樹脂ケース4の凹型部との隙間の断面積をS(mm
2)としたとき、S≦0.37Loge(0.69H)を
満足させるようにしている。
Description
に関する。
「富士時報、Vol.73、No.8、(2000)第
466頁から第468頁」に記載のように、被測定媒体
の圧力変化を電気信号に変換する半導体チップと、この
チップを収納する凹型部と凹型部周辺から外部へ連通す
るリード端子を有する樹脂ケースと、このケースに半導
体チップを固定する保持部材と、半導体チップとリード
端子を電気的に接続するボンディングワイヤを備えた構
成のものが知られている。更に、汚染媒体の半導体チッ
プの受圧面への付着や、半導体チップのAl配線、ボン
ディングワイヤ等の腐食を防ぐために、半導体チップと
ボンディングワイヤの少なくとも一部をシリコーンゲル
等で被覆している。ここで、半導体チップを樹脂ケース
に直接接合すれば、使用環境下の温度変化で半導体チッ
プと樹脂ケースの熱膨張差に起因する熱応力が発生し、
圧力の測定精度が悪化するので、半導体チップは低熱膨
張率の保持部材に接合され、保持部材と樹脂ケースが接
着されるようになっている。
造の半導体圧力センサについて、種々検討した結果、半
導体チップ、ボンディングワイヤを被覆する部材には、
シリコーンゲルなどを用いるが、針入度が大きいシリコ
ーンゲルを使用した場合、過酷環境を想定した作動耐久
試験の繰返し圧力負荷によって、ゲル内およびリード端
子と樹脂ケースの隙間に残存している気泡が膨張収縮
し、ボンディングワイヤに力を加え、ボンディングワイ
ヤが疲労損傷するという問題があった。一方、針入度の
小さいシリコーンゲルを用いた場合、過酷熱環境を想定
した熱衝撃試験の温度変化によって、半導体チップ、保
持部材と樹脂ケースの凹型部の隙間に充填されたシリコ
ーンゲルなどの被覆部材が膨張収縮してボンディングワ
イヤに力を加えるため、ボンディングワイヤが疲労損傷
するという問題があった。
負荷,温度変化に対して、信頼性の高い半導体圧力セン
サを提供することにある。
るために、本発明は、被測定媒体の圧力変化を電気信号
に変換する半導体チップと、この半導体チップを収納す
る凹型部と凹型部周辺から外部へ連通するリード端子を
有する樹脂ケースと、この樹脂ケースに上記半導体チッ
プを固定する保持部材と、上記半導体チップと上記リー
ド端子を電気的に接続するボンディングワイヤと、上記
半導体チップと上記ボンディングワイヤの少なくとも一
部を被覆する被覆部材とを有する半導体圧力センサにお
いて、上記被覆部材の針入度Hが15以上40以下であ
り、半導体チップおよび保持部材と樹脂ケースの凹型部
との隙間の断面積をS(mm2)としたとき、S≦0.
37Loge(0.69H)を満足させるように構成し
たものである。かかる構成により、針入度の小さい被覆
部材を使用するため、繰返し圧力負荷によって被覆部材
および樹脂ケースとリード端子に残存する気泡が膨張す
る量が少なく、ボンディングワイヤの疲労損傷が起こり
にくく、また、半導体チップ、保持部材と樹脂ケースの
凹型部で仕切られた隙間の体積が小さいので、温度変化
によって生じる隙間内の被覆部材の膨張収縮量が少な
く、針入度が小さい被覆部材を用いてもボンディングワ
イヤの熱による疲労損傷が起こりにくく、実働条件下の
繰返し圧力負荷,温度変化に対して、信頼性を向上し得
るものとなる。
上記被覆部材は、フッ素系あるいはフロロシリコーン系
のゲルで構成したものである。かかる構成により、被覆
部材がガソリンや軽油などに対して耐性があるゲルで構
成されているため、ガソリンあるいは軽油雰囲気などに
晒される場合でも問題無く使用でき、耐油性があり、か
つボンディングワイヤの疲労損傷が起こりにくいものと
なる。
上記ボンディングワイヤは、アルミあるいは金を主成分
とする材料により構成したものである。かかる構成によ
り、ボンディングワイヤが汎用的なアルミまたは金を主
成分とする材料で構成されているため、ボンディングワ
イヤに特別な材料や特別な加工、表面処理を加える必要
が無く、安価かつボンディングワイヤの疲労損傷が起こ
りにくいものとなる。
明の第1の実施形態による半導体圧力センサの構成につ
いて説明する。最初に、図1及び図2を用いて、本実施
形態による半導体圧力センサの第1の構造例について説
明する。図1は、本発明の第1の実施形態による半導体
圧力センサの第1の構造例を示す断面図である。図2
は、図1の斜視図である。
よる半導体圧力センサは、半導体チップ1と、樹脂ケー
ス4と、保持部材3と、ボンディングワイヤ5と、被覆
部材8とを主構成部品としている。
導体チップ1は、中央部の下面をエッチング等により、
凹型状に形成され、中央部には、薄肉のダイヤフラム2
が形成されている。
ラム2の部分には、図示しない圧力検出回路が半導体プ
ロセスにより一体的に形成されている。圧力検出回路
は、ダイヤフラム2上に形成された4個の拡散抵抗から
成り、アルミ導体でブリッジに配線して構成され、被測
定媒体の圧力変化を電気信号に変換する。
ム以外の周辺部には、図示しない特性補償回路及び保護
回路が、半導体プロセスにより一体的に構成されてい
る。特性補償回路は、圧力と出力の関係を所定の伝達関
数に調整するデジ・アナ混成回路で構成されている。デ
ジ・アナ混成回路は、特性調整信号を記憶・保持するE
PROMを有したデジタル部と、信号増幅をするアナロ
グ部を主要部として構成されている。特性調整信号と
は、ゼロ−スパン調整,感度調整,温度特性調整のとき
に得られる各特性を調整するための係数値等の調整値で
ある。保護回路は、外部と接続される入出力段に設けら
れた入出力信号に対する電磁気ノイズ等からの保護を行
う回路である。圧力検出回路、特性調整回路及び保護回
路は、それぞれ、アルミ導線等で電気的に接続されてい
る。
ィックボンディング等で接合されている。半導体チップ
1と保持部材3により、チップクミを構成する。半導体
チップ1のダイヤフラム2の下面と、保持部材3の上面
に挟まれた部分には、真空室が設けられている。保持部
材3は、硼珪酸塩ガラス等から成り、半導体チップ1と
線膨張係数が略等しく構成されている。保持部材3は、
樹脂ケース4に半導体チップ1を固定するために用いら
れる。
る凹型部11と、凹型部11の周辺から外部へ連通する
リード端子7を有している。半導体チップ1の接合され
た保持部材3は、接着剤9によって、樹脂ケース4に接
着固定される。
とリード端子7を電気的に接続する。被覆部材8は、半
導体チップ1とボンディングワイヤ5の少なくとも一部
を被覆するためのものである。被覆部材8は、例えば、
フッ素系あるいはフロロシリコーン系のゲルからなる。
ボンディングワイヤ5は、汎用的なアルミまたは金を主
成分とする材料からなる。
ース4の凹型部11の間には、隙間10が形成されてお
り、ボンディングワイヤ5は、隙間10をまたいでリー
ド端子7に接続されている。図1に示すように、樹脂ケ
ースの平面部4aと半導体チップ表面1aは、略同一の
平面上に構成されている。ボンディングワイヤのスパン
間隔が長いと、振動環境下でボンディングワイヤが疲労
損傷することがあるが、図1のように樹脂ケースの平面
部4aと半導体チップ1の表面を略同一平面となるよう
に半導体圧力センサを構成すれば、ボンディングワイヤ
のスパン間隔を短くできるため、振動に対して信頼性の
高い半導体圧力センサを実現できる。
による半導体圧力センサの第2,第3の構造例について
説明する。図3は、本発明の第1の実施形態による半導
体圧力センサの第2の構造例を示す断面図である。図4
は、本発明の第1の実施形態による半導体圧力センサの
第3の構造例を示す断面図である。なお、図1と同一符
号は、同一部分を示している。
おいては、図1に示した構成と異なり、樹脂ケースの平
面部4aと半導体チップ表面1aが同一平面上に構成さ
れていないものである。半導体チップ1および保持部材
3と樹脂ケース4の凹型部11の間には隙間10が形成
されており、ボンディングワイヤ5は前記隙間10をま
たいでリード端子7に接続されている。
ースの凹型部を浅くできるため、繰返し温度変化に対し
てボンディングワイヤの疲労損傷が生じにくい。また、
図4に示すの半導体圧力センサでは、半導体チップから
離れた箇所にリード端子を配設するため、樹脂ケースと
リード端子の隙間に残存する気泡が繰返し圧力負荷によ
り膨張収縮し、圧力の測定精度を悪化させることがない
ものである。
態の半導体圧力センサにおいては、針入度Hが15以上
40以下のゲルを使用することにより、被覆部材8およ
び樹脂ケース4とリード端子7に残存する気泡が圧力負
荷時に膨張する量を少なくできる。また、半導体チップ
1および保持部材3と樹脂ケース4の凹型部11との隙
間の断面積をS(mm2)としたとき、 S≦0.37Loge(0.69H) を満足させるように構成することにより、温度変化によ
って生じる隙間内のゲルの膨張収縮量を少なくできる。
このように、圧力負荷時の気泡の膨張量および温度変化
によるゲルの膨張収縮量を少なくすることにより、ボン
ディングワイヤの疲労寿命が向上し、結果的に半導体圧
力センサの信頼性が向上する。
半導体圧力センサにおいて用いるゲルの針入度Hについ
て説明し、図6を用いて、本実施形態による半導体圧力
センサにおける凹型部の隙間の断面積Sについて説明す
る。
力センサにおいて、圧力負荷時にゲル内の気泡の成長に
よってボンディングワイヤに生じる力Fpは、ゲルの針
入度Hおよび繰返し圧力負荷の振幅Pに比例することか
ら、ボンディングワイヤに作用する力Fpは、 Fp=b・P・H となる。ただし、bは、樹脂ケース,保持部材およびリ
ード端子の構造などにより決まる定数である。
の疲労寿命は、1対1に対応するため、ゲルの針入度お
よび圧力負荷の振幅Pがわかれば、ボンディングワイヤ
の疲労寿命が把握できる。半導体圧力センサの繰返し圧
力負荷に対する信頼性を確認する作動耐久試験におい
て、本発明者らは、圧力振幅P=250KPaを用いて
おり、このような作動耐久試験においてゲルの針入度H
と前記手順に沿って計算したワイヤの疲労寿命の関係
は、図5に示すようになる。ここで、図5の横軸は、繰
返し圧力負荷に対して十分な信頼性を有するか否かのし
きい値となる疲労寿命で正規化した疲労寿命である。
のとき、正規化された疲労寿命が1となることから、ゲ
ルの針入度Hを40以下とすれば、繰返し圧力負荷に対
して十分な信頼性を有する半導体圧力センサが構成でき
ることがわかる。
導体圧力センサにおいて、半導体チップ、保持部材と樹
脂ケースの凹型部の隙間から、温度上昇によって外部に
移動するゲルの断面積ΔSは、ゲルの線膨張係数が樹脂
ケースの線膨張係数より十分大きいとき、 ΔS=2αg・ΔT・S となる。ただし、αgはゲルの線膨張係数、ΔTは温度
変化量、Sは隙間の断面積である。
隙間内部から外部(低温時は外部から内部)に移動する
ゲルの断面積ΔSに比例するから、ボンディングワイヤ
に作用する力Ftは、 Ft=a・ΔS=a・2αg・ΔT・S となる。ただし、aはゲルの材質などにより決まる定数
である。
の疲労寿命は、1対1に対応するため、ゲルおよび温度
変化量がわかれば、隙間の断面積Sが定まればワイヤの
疲労寿命が把握できる。半導体圧力センサの熱に対する
信頼性を確認する熱衝撃試験において、本発明者らは、
温度変化量ΔT=170℃を用いており、前記手順に沿
って計算すれば、このような熱衝撃試験でのワイヤの疲
労寿命が求められる。ゲルの針入度Hと半導体チップ、
保持部材と樹脂ケースの凹型部で仕切られた断面積Sを
様々に変化させて熱衝撃試験に対する疲労寿命を求め、
その疲労寿命が繰返し熱負荷に対して十分な信頼性を有
するか否かのしきい値となる規定の疲労寿命と一致する
針入度Hと断面積S(mm2)の関係を整理すると、図
6のようになる。
規定の疲労寿命を満足する半導体圧力センサが構成でき
ることがわかる。
度の変化によって規定の疲労寿命を満足する断面積Sが
大きく変化するため、規定の疲労寿命を満足する半導体
圧力センサを構成し難いことがわかる。
施形態の半導体圧力センサは、ゲルの針入度Hを15以
上40以下とし、半導体チップ、保持部材と樹脂ケース
で仕切られた隙間の断面積S(mm2)が、 S≦0.37Loge(0.69H) を満足するようにしている。かかる特徴により、温度変
化によって生じる隙間内のゲルの膨張収縮量を少なくで
きる。このように、圧力負荷時の気泡の膨張量および温
度変化によるゲルの膨張収縮量を少なくすることによ
り、ボンディングワイヤの疲労寿命が向上し、結果的に
半導体圧力センサの信頼性が向上する。
施形態による半導体圧力センサの第4の構造例について
説明する。図7は、本発明の第1の実施形態による半導
体圧力センサの第4の構造例を示す断面図である。な
お、図1と同一符号は、同一部分を示している。
圧力導入孔12が形成されている。圧力導入孔12を通
して、半導体チップ1の感圧ダイヤフラム2に検出圧力
が導入される。なお、図3や図4に示した樹脂ケースの
平面部4aと半導体チップ表面1aが同一平面上に構成
されていない半導体圧力センサにおいても、保持部材3
と樹脂ケース4に圧力導入孔を設けることにより、圧力
導入方式が採用できる。
による半導体圧力センサの製造方法について説明する。
図8及び図9は、本発明の第1の実施形態による半導体
圧力センサの製造方法を示す工程図である。なお、ここ
では、図1に示した構成の半導体圧力センサの製造工程
について説明するが、図3,図4,図7の半導体圧力セ
ンサについても、同様に製造することができる。なお、
図1と同一符号は、同一部分を示している。
部材3と樹脂ケース4を接着するための接着剤9を、樹
脂ケース4に塗布する。この工程において、半導体チッ
プ1と保持部材3から成るセンサ部を樹脂ケース4に接
着したときに、図9に示すように、保持部材3と樹脂ケ
ース4の隙間10が接着剤9で充填されるように、接着
剤9の塗付量を設定する。このような製造方法では、工
程数を増加させることなく、保持部材3と樹脂ケース4
の凹型部に仕切られた隙間10を接着剤で埋めることが
できるため、ゲルで充填される隙間の断面積が小さい半
導体圧力センサが実現できる。
実施形態による半導体圧力センサの第5の構造例につい
て説明する。図10は、本発明の第1の実施形態による
半導体圧力センサの第5の構造例を示す断面図である。
なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
の内面に金属板13を埋設し、金属板13に保持部材3
を接着した構成としている。本例の半導体圧力センサで
は、金属板13が樹脂ケース4の熱変形によるチップの
ひずみの影響を低減するため、保持部材3のガラス台の
厚さを薄く、すなわち半導体チップ1、保持部材3と樹
脂ケースの凹型部で仕切られた隙間10の体積を小さく
できる。
に圧力導入孔12を有する半導体圧力センサに対して
は、金属板を埋設した場合、金属板13に貫通孔を設け
ることにより、同様の圧力導入方式を保持しつつ、隙間
10の断面積Sを小さくできる。
ば、実働条件下の繰返し圧力負荷,温度変化に対して、
信頼性を向上することができる。
第2の実施形態による半導体圧力センサの構成について
説明する。最初に、図11及び図12を用いて、本実施
形態による半導体圧力センサの第1の構造例について説
明する。図11は、本発明の第2の実施形態による半導
体圧力センサの第1の構造例を示す断面図である。図1
2は、図11の斜視図である。なお、図1,図7と同一
符号は、同一部分を示している。
と同様に保持部材3と樹脂ケース4に圧力導入孔12を
備えている。本例の半導体圧力センサでは、半導体チッ
プ1の対向する2辺にボンディングワイヤ5を配設して
構成している。なお、対向する2辺にボンディングワイ
ヤを配置するのでなく、半導体チップ1の隣合う2辺、
任意の3辺および全辺にボンディングワイヤを配設する
こともできる。
半導体圧力センサの第2の構造例について説明する。図
13は、本発明の第2の実施形態による半導体圧力セン
サの第2の構造例を示す断面図である。なお、図11と
同一符号は、同一部分を示している。
と同様に、圧力導入孔を保持部材と樹脂ケースに設けな
い構成を有している。なお、対向する2辺にボンディン
グワイヤを配置するのでなく、半導体チップ1の隣合う
2辺、任意の3辺および全辺にボンディングワイヤを配
設することもできる。
グワイヤを配設した本実施形態の半導体圧力センサは、
ゲルの針入度をHとしたとき、半導体チップ1、保持部
材3と樹脂ケース4の凹型部11に仕切られた隙間10
のうち、ボンディングワイヤ5がまたいでいる全ての隙
間の断面積S(mm2)が S≦0.37Loge(0.69H) を満足するように構成し、被覆部材の針入度を15以上
40以下としている。
aと半導体チップ表面1aが同一平面上に構成されてい
ない半導体圧力センサにおいても、半導体チップの多辺
にボンディングワイヤを配設することにより、同様の配
線が採用できる。
ば、実働条件下の繰返し圧力負荷,温度変化に対して、
信頼性を向上することができる。
力負荷,温度変化に対して、信頼性を向上することがで
きる。
サの第1の構造例を示す断面図である。
サの第2の構造例を示す断面図である。
サの第3の構造例を示す断面図である。
サにおいて用いるゲルの針入度Hの説明図である。
サにおける凹型部の隙間の断面積Sの説明図である。
サの第4の構造例を示す断面図である。
サの製造方法を示す工程図である。
サの製造方法を示す工程図である。
ンサの第5の構造例を示す断面図である。
ンサの第1の構造例を示す断面図である。
ンサの第2の構造例を示す断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】被測定媒体の圧力変化を電気信号に変換す
る半導体チップと、 この半導体チップを収納する凹型部と凹型部周辺から外
部へ連通するリード端子を有する樹脂ケースと、 この樹脂ケースに上記半導体チップを固定する保持部材
と、 上記半導体チップと上記リード端子を電気的に接続する
ボンディングワイヤと、 上記半導体チップと上記ボンディングワイヤの少なくと
も一部を被覆する被覆部材とを有する半導体圧力センサ
において、 上記被覆部材の針入度Hが15以上40以下であり、 半導体チップおよび保持部材と樹脂ケースの凹型部との
隙間の断面積をS(mm2)としたとき、 S≦0.37Loge(0.69H) を満足させるように構成したことを特徴とする半導体圧
力センサ。 - 【請求項2】請求項1記載の半導体圧力センサにおい
て、 上記被覆部材は、フッ素系あるいはフロロシリコーン系
のゲルで構成されることを特徴とする半導体圧力セン
サ。 - 【請求項3】請求項1記載の半導体圧力センサにおい
て、 上記ボンディングワイヤは、アルミあるいは金を主成分
とする材料により構成されることを特徴とする半導体圧
力センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001120719A JP2002310828A (ja) | 2001-04-19 | 2001-04-19 | 半導体圧力センサ |
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- 2001-04-19 JP JP2001120719A patent/JP2002310828A/ja active Pending
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Legal Events
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
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