JP2007192790A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 実装コストが安価で、実装形態の多様化するとともに信頼性を向上した半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】 外ケース１に金属ピン２を圧入し、外ケース開口部に設けた半導体圧力センサチップ３と金属ピン２の先端面をボンディングワイヤー４にて導通させ、該開口部に保護部材を充填する。金属ピン２下端の台座を外側面または底面に露出させた構成とする。さらに、外ケース１と、金属ピンの下端の内側で囲まれた凹部に接着剤を充填し(図２)、外ケース１と金属ピン２の接着強度を高めた半導体圧力センサである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体圧力センサに関し、特に、実装形態の多様化に適した表面実装が可能で、低コスト化および信頼性の高い半導体圧力センサに関するものである。

従来、腕時計や家電製品、さらには自動車、航空機等に至る幅広い分野において用いられる圧力センサがある。その一種としてシリコン結晶板の上面にピエゾ抵抗を形成し、これらのピエゾ抵抗を感圧部として圧力を検出する半導体圧力センサがある。この半導体圧力センサは、半導体製造プロセス技術をそのまま転用することができるため製造が容易で、構造が簡素にできるという利点がある。また、電圧感度が極めて大きく、簡単に増幅可能であるため精度の良い圧力センサが得られることから様々な分野で広く用いられている。

ここで、従来の半導体圧力センサについて、詳細に説明する。
図１５は、従来の半導体圧力センサを示す斜視図で、図１６は、図１５の対角断面図である。
図１５において、３はシリコン結晶基板からなる半導体圧力センサチップである（以下単にチップという）。該チップ３は受圧面を上面にし、外ケース１の底部所定位置に図示しない接着材により固定されている。金属ピン２が外ケース１を貫通する形態で埋設されており、前記外ケース１内部に位置する前記金属ピン２の端部と前記チップ３上に設けられたボンディングパッド６は、ボンディングワイヤー４によりそれぞれ接続されている。金属ピン２は圧入または接着固定される。前記外ケース１の外部底面方向に突出する前記金属ピン２の端部は、図示しない回路基板のスルーホールに挿入され半田付けにて接続される構成で実装されるものである。

外ケース１は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂を射出成形して形成したものやセラミック材から成るものが好適に用いられている。

外ケース１内部にはゲル状のポッティング樹脂７が、チップ３の受圧面及びボンディングワイヤー４を覆うように充填され半導体圧力センサが構成される。該構成により、前記ゲル状ポッティング樹脂７を介してチップ３に圧力が加わると、その圧力に応じてピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値に基づき圧力が測定される（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−４００６８号公報

上記で説明した従来技術においては、次に説明するような問題点があった。
従来構成による半導体圧力センサは、外部回路基板との接続手段として金属ピン２が利用されることとなるため、外部回路基板側にピンの挿入穴等スルーホールの加工が必須となり、実装コストを増大させている。さらに、半田付けの状態の検査工程においては、半導体圧力センサ実装面とは反対側の裏面を検査することになり、後工程においても工数を増加させコストを増大させる要因となる。また、従来構成では表面実装に対応が難しく自動化の妨げとなり、結果的に製造コストを増大させてしまうという課題があった。また、実装形態も多様化してきており、半導体圧力センサの裏面側のみの半田付けに限らず、側面部からも半田付けするような複数方向からの半田実装が可能となる構成も望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、半導体圧力センサの外部回路基板との接続手段を簡易化し実装コストが安価で低コスト化が図られた半導体圧力センサを提供することにある。また、他の目的として、半導体圧力センサの複数方向からの半田実装を可能とする、実装形態の多様化に対応した表面実装が可能な半導体圧力センサを提供することにある。

また、他の目的として、圧力センサパッケージに埋設された接続端子となる導電部材と、圧力センサパッケージとの接合強度を増加させ、接続端子の脱落を防止することのできる半導体圧力センサを提供することにある。

外部からの圧力を検出する半導体圧力センサにおいて、 両端面に開口部を有し、それぞれの断面が凹型形状に形成された外ケースと、 前記外ケース内に充填し、前記外部からの圧力を伝達する保護部材と、その一部が前記外ケースの外部底面と外部側面に露出して埋設される端子部と、その受圧面と前記外ケースの一端面の開口部面とが一致する方向に前記外ケース内部に搭載され、前記保護部材から伝達された外部圧力の検知レベルに応じた電気信号を生成する半導体圧力センサチップと、前記半導体圧力センサチップと前記端子部とを導通させるボンディングワイヤーとを備える半導体圧力センサである。

さらに、前記外ケースは、その裏面における前記開口部の中央部にその断面が凹型形状に形成され、接着剤を充填させるための凹部を備えた半導体圧力センサである。

前記端子部は、前記半導体圧力センサチップと導通させる前記ボンディングワイヤーとの接続端となり、前記外ケースから露出するピン端子部と、前記ピン端子部の下部に設けられ、前記外ケースに埋設されて、前記外ケースの外部底面と外部側面に露出する台座とを備え、前記台座は、その形状が円柱もしくは角柱であって、前記円柱もしくは角柱の、前記ピン端子部側の平面部に溝および／または前記円柱もしくは角柱の周囲にローレットが形成されている半導体圧力センサである。

前記外ケースの内側に露出する、前記端子部のボンディングワイヤーとの接続端面は、前記半導体チップの受圧面と平行であり、前記外ケースの開口部端面より底面方向に位置する半導体圧力センサである。

前記端子部は、その形状が円柱もしくは角柱であって、前記円柱もしくは角柱の周囲にローレットが形成されている半導体圧力センサである。

請求項１に記載の半導体圧力センサの構成によれば、端子部の一端が外ケースの外部底面と外部側面に露出する構成を採用しているので、面実装が容易になり、又、外部底面と外部側面の両方向に導電性を有する端子部の一部を露出させた構成であるので両方向から半田実装することができ、表面実装等の実装形態の多様化に対応できるという効果がある。

請求項２に記載の半導体圧力センサの構成によれば、裏面の中央部に設けた、断面が凹型形状に形成された開口部に接着剤を充填することにより、この接着剤が端子部の下部（台座）に絡まるように塗布され、端子部の固定強化を図ることができるという効果がある。

請求項３に記載の半導体圧力センサの構成によれば、細いピン端子部が太い台座上に形成した構造を採ることにより、接続用のピン端子の安定強化を図ることができるという効果がある。

請求項４に記載の半導体圧力センサの構成によれば、入力端子となる端子部の下部にある、接着剤が付着する台座の平面部に溝及び／または台座の周囲にローレットを設けるので、接着面が増加し、外ケースとの接合強度をさらに高め、半導体圧力センサの超小型化を実現できるという効果がある。

請求項５に記載の半導体圧力センサの構成によれば、ボンディングワイヤーが形成するループ高さより高い位置まで、外ケースの側壁が全周にわたり設けられる結果、ポッティング樹脂でボンディングワイヤーを保護出来るまで充填しても、ポッティング樹脂が外ケースの外へ流れ出るのを防止できるという効果がある。

請求項６に記載の半導体圧力センサの構成によれば、端子部の周囲にローレットを設けることにより、凹部に設けられる接着剤との接着面が増加し、外ケースとの接合強度を高めることができるという効果がある。

外部からの圧力を検出する半導体圧力センサにおいて、両端面に開口部を有し、それぞれの断面が凹型形状に形成された外ケースと、前記外ケース内に充填し、外部からの圧力を伝達する保護部材と、その一端が前記外ケースに埋設され、他端が前記外ケースから露出する端子部と、前記保護部材からの外部圧力の検知レベルに応じた電気信号を生成する半導体圧力センサチップと、その前記半導体圧力センサチップの受圧面と前記外ケースの一端面の開口部面とが一致する方向に前記半導体圧力センサチップが前記外ケース内部に搭載され、前記半導体圧力センサチップと前記端子部とを導通させるワイヤーを備え、露出した端子部と外ケースによってできた凹部に接着剤を塗布した半導体圧力センサである。
以下、本発明の半導体圧力センサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１乃至図４は、本発明に係る半導体圧力センサの実施例１の構成を示す。図１は半導体圧力センサの上面側から見た外観斜視図、図２はその下面側から見た外観斜視図、図３はその正面からみた断面図、図４は、半導体圧力センサの端子部である金属ピンを示す斜視図である。

図１及び図２に示すように、外ケース１は、両端面に開口部を有し、それぞれの断面が凹型形状に形成され、その材質はセラミック製で、該外ケース１に導電性部材である金属ピン２が埋設されている。該金属ピン２は外ケース１を貫通した形態で圧入されて固定してあり、さらに金属ピン２の一部が外ケース１の外部底面と外部側面に露出している。そして、図３に示すように、その外ケース１の裏面側における中央部の開口部に凹型形状の接着剤充填凹部５ａを設け、該凹部５ａに接着剤５を充填する。接着剤充填凹部５ａの反対側に半導体圧力センサチップ３を搭載するための開口部８が設けてあり、半導体圧力センサチップ３の受圧面を外ケース１の開口方向に向け、接着剤５により固定設置されている(接着剤不図示)。半導体圧力センサチップ３の受圧面上にボンディングパッド６が設けられている。

又、図４に示すように、金属ピン２は、ボンディングワイヤー４との接続端となるピン端子部２ａと、外ケース１に埋設され、ピン端子部２ａの下部に設けられる、外ケース１の外部底面と外部側面に露出する台座２ｂとを備える。そして、前記金属ピン２は金メッキにて表面処理されており、上端面にボンディングワイヤー４にて前記ボンディングパッド６と接続され、半導体圧力センサチップ３は外ケース１の外部と導通となる。前記開口部にゲル状ポッティング樹脂７を充填して半導体圧力センサが完成となる。ここで、半導体圧力センサチップ３は、ゲル状ポッティング樹脂７から伝達された外部圧力の検知レベルに応じた電気信号を生成する。尚、図４に示した端子ピン２の台座２ｂはその形状が円柱をなしているが、角柱であってもよい。

前記構成によれば、金属ピン２下端の台座２ｂが外ケース１の外部底面と外部側面に露出する構成としたので面実装が容易になる。また、外部底面と外部側面の両方向に金属ピン２下端の台座２ｂを露出させた構成であるので両方向から半田実装することができ、表面実装等の実装形態の多様化に対応できる。また、接着剤充填凹部５ａを設けることにより、外ケース１と金属ピン２下端の台座２ｂに接着剤５が付着することで、外ケース１と金属ピン２の接合について強度を高めることができる。この結果、金属ピン２が外ケース１から脱落することを防止できる。

次に、本発明に係る半導体圧力センサの実施例２について説明する。実施例２において、実施例１と異なる点についてのみ説明し、図において同一のブロックには同一の符号を付し、その同一のブロックについての詳細な説明は省略する。図５は、本発明の実施例２における半導体圧力センサの端子部である金属ピンの詳細を説明する斜視図である。図６は、その金属ピンを半導体圧力センサのパッケージに組み込んだ場合の断面を示す図である。
図５に示すように、実施例１と異なる点は導電性部材である金属ピン２において台座２ｃ上面に溝２ｅが設けた点にある。そして、図６に示すように、図５の金属ピン２をセラミック製の外ケース１に圧入し、該金属ピン２の台座２ｃが外部側面と外部底面に露出されている。台座２ｃと外ケース１によって形成された接着剤充填凹部５ａに接着剤５を充填すると、その溝２ｅに接着剤５が入り込み台座２ａが強固に固定されることになる。
尚、図６では、接着剤５が充填されない溝２ｅが図示されているが、接着剤５が充填される溝２ｅに限り、充填されない溝は省略することもできる。実施例１と同様に半導体圧力センサチップを搭載することで半導体圧力センサの完成となる。

以上説明したように、上記実施例１で得られたと同様の効果が得られるとともに、次に説明するような新たな効果が得られる。
入出力端子となる金属ピン２の下部の、接着剤５が付着する台座２ｃの上面に溝２ｅを設けることにより、接着剤５との接着面が増加し、外ケース１との接合についてさらなる強度を高めることができ、半導体圧力センサの金属ピン２の強化を実現できる。
尚、半導体圧力センサをさらに小型化する場合、溝２を設けることで接着面が確保され、外ケース１との接合についての強度を保持することができる。

次に、本発明に係る半導体圧力センサの実施例３について、説明する。実施例３において、実施例１と異なる点についてのみ説明し、図において同一ブロックには同一の符号を付し、その同一ブロックについての説明は省略する。図７は、本発明の実施例３における半導体圧力センサの端子部である金属ピン２の詳細を説明する斜視図である。図８は、図７に示した金属ピン２を半導体圧力センサのパッケージである外ケース１に組み込んだ場合の下面を示す図である。

図７に示すように、実施例１と異なる点は導電性部材である金属ピンの台座２dの周囲にローレット(ぎざぎざ)２ｆを設けた点にある。そして、図８に示すように、図７の金属ピン２をセラミック製の外ケース１に圧入し、台座２ｄと外ケース１によって形成された接着剤充填凹部５ａに接着剤５を充填すると、そのローレット２ｆに接着剤５が入り込み台座２ｄが強固に固定されることになる。尚、図８では、接着剤５が充填されないローレット２ｆが図示されているが、接着剤５が充填されるローレット２ｆに限り、充填されないローレット２ｆは省略することもできる。実施例１、実施例２と同様に半導体圧力センサチップを搭載することで半導体圧力センサの完成となる。

以上、説明したように、上記実施例１と同様の効果が得られるとともに、次に説明するような新たな効果が得られる。
入出力端子となる金属ピン２の台座２ｄの接着剤が付着する部分にローレット(ぎざぎざ)を設けることにより、接着剤５との接着面が増加し、外ケース１との接合についてさらなる強度を高めることができるので、実施例１と実施例２と同様の半導体圧力センサ構成にすることで、半導体圧力センサの金属ピン２の強化を実現できる。
尚、半導体圧力センサをさらに小型化する場合、ローレット２ｆを設けることで接着面が確保され、外ケース１との接合についての強度を保持することができる。

ここで、実施例４は、実施例１の図４に示す台座２ｂの形状が円柱もしくは角柱であって、円柱もしくは角柱の、ピン端子部２ａ側の平面部に溝２ｅを、および前述の円柱もしくは角柱の周囲にローレット２ｆを形成したものである。その他の点については、実施例１と同じである。
図９は、金属ピン２の台座２ｇの上面部に溝２ｅ、および台座２ｇの周囲にローレット２ｆが形成されていることを示す斜視図である。該金属ピン２をセラミック製の外ケース１に埋設し、実施例１と同様に半導体圧力センサを構成する。

上記実施例１で得られたと同様の効果が得られるとともに、接着剤５との接着面が大きく増加し、外ケース１との接合についてさらなる強度を高めることができるので、半導体圧力センサの金属ピン２の強化を実現できる。また、半導体圧力センサをさらに小型化する場合、溝２ｅとローレット２ｆを設けることで接着面が確保され、外ケース１との接合についての強度を保持することができる。

次に、本発明に係る半導体圧力センサの実施例５について、説明する。実施例５において、実施例１と異なる点についてのみ説明し、図において同一ブロックには同一の符号を付し、その同一ブロックについての説明は省略する。図１０は、本発明に係る半導体圧力センサの構造を示す外観斜視図、図１１は、その下面側から見た外観斜視図、図１２は、正面から見た断面図である。
図１０において、実施例１と異なる点は、該外ケース１の角部付近に、導電性部材である端子部９が円柱形状をなし、実施例１のピン端子部をなくして端子部９の上端面をボンディングワイヤー４との接続端面としたものである。そして、図１１に示すように、外ケース１を貫通した形態で、その内側より外部底面部および外部側面部に端子部９の一部面が現れるように、配置されている。尚、ケース１の裏面に凹部５が形成されていることは、実施例１と同様である。

又、図１２に示すように、端子部９の露出部は、外ケース１の外部底面および外部側面とほぼ同一面と成るように配置され、又、この端子部９の上端は外ケース１の内部に向かい大きくせり出し、その接続端面９ａはボンディングワイヤー４の一端が接続される。ここで、ボンディングワイヤー４は金線が利用されているので、その接続強度を得るために、端子部９の少なくとも上端面のボンディングワイヤー４との接続端面９ａは、金メッキにて表面処理されている。

図１２において、半導体圧力センサチップ３の受圧面（検知部）は、端子部９のボンディングワイヤー４との接続端面９ａとは平行で、外ケース１の開口部端面より底面方向に位置し、半導体圧力センサチップ３の上端面にあるボンディングパッド６の高さと、端子部９のボンディングワイヤー４との接続端面９ａはほぼ一致した構成である。ボンディングパッド６と接続端面９ａのそれぞれの位置を一致させることにより、ボンディングワイヤー４の接続が容易になり、ボンディング精度がよくなる。さらに、ボンディングワイヤー４が形成するループ高さより高い位置まで、外ケース１の側壁が全周にわたり設けられているので、ポッティング樹脂７でボンディングワイヤー４を保護出来るまで充填しても、ポッティング樹脂が外ケース１の外へ流れ出ることを防止できる。
前記構成によれば、実施例１で説明した効果が得られるとともに、導電性部材である端子部９全体が円柱形状をなすことにより、外ケースの外部側面がさらに広く取れるので、さらなる側面における半田実装が可能となる。

次に、端子部にローレットを設けた実施例６について、図１３、図１４を参照して説明する。図１３は、実施例６における端子部９の構造を示す図で、（ａ）は円柱形状の端子部９を、（ｂ）は角柱形状の端子部１０を示す斜視図である。図１４は、図１３（ａ）に示す端子部９を用いた半導体圧力センサの裏面側から見た断面図である。
図１３（ａ）に示す端子部９は、円柱の周囲にローレット９ｂを、（ｂ）の端子部１０は、角柱の周囲にローレット１０ｂを設けたもので、それぞれの上面は、半導体圧力センサチップ３との接続用ボンディングワイヤー４の接続端面９ａ，１０ａとなる。図１４に示すように、このローレット９ｂを、又、図示していないが角柱の場合のローレット１０ｂ設けることにより、凹部５ｂに設けられる接着剤５との接着面が増加し、外ケース１との接合強度を高めることができるのは、実施例３の場合と同様である。
尚、図１４は、円柱もしくは角柱の周囲の全面にローレットを設けているが、一部であってもよい。

ここで、本発明に係る実施例の変形例について、説明する。
上記で本発明の実施例について説明したが、セラミック製の角形器状の外ケース１は絶縁部材であれば良く樹脂材で構成することが、又、ボンディングワイヤー４はボンディング方法を変えるとアルミ線でも可能である。そして、アルミ線を用いる場合には、金属ピン２のピン端子部２ａの少なくとも上端面（ボンディングワイヤー４を接続する面）の金メッキが不要となる。
以上説明したように、本発明の精神を逸脱しない範囲で改変を実施することが可能である。

本発明に係る半導体圧力センサの実施例１の構成を示し、半導体圧力センサの上面側から見た外観斜視図である。（実施例１） 半導体圧力センサの下面側から見た外観斜視図である。（実施例１） 正面からみた断面図である。（実施例１） 半導体圧力センサの端子部を示す斜視図である。（実施例１） 半導体圧力センサの端子部を示す斜視図である。（実施例２） 図５を外ケースに組み込んだ断面図である。（実施例２） 半導体圧力センサの端子部を示す斜視図である。（実施例３） 図７を外ケースに組み込み下面側から見た正面図である。（実施例３） 金属ピン２の台座２ｇの上面部に溝２ｅ、および台座２ｇの周囲にローレット２ｆが形成されていることを示す斜視図である。（実施例４） 本発明に係る半導体圧力センサの構造を示す外観斜視図である。（実施例５） 図１０の半導体圧力センサの下面側から見た外観斜視図である。（実施例５） 図１０の半導体圧力センサの正面から見た断面図である。（実施例５） 実施例６における端子部９の構造を示す図で、（ａ）は円柱形状の端子部９を、（ｂ）は角柱形状の端子部１０を示す斜視図である。（実施例６） 図１３（ａ）に示す端子部９を用いた半導体圧力センサの裏面側から見た断面図である。（実施例６） 従来の半導体圧力センサを示す外観斜視図である。 図１５の対角の断面図である。

符号の説明

１ 外ケース ２ 金属ピン (端子部) ２ａ ピン端子部
２ｂ、２ｃ、２ｄ 、２ｇ 台座 ２ｅ 溝 ２ｆ ローレット
３ 半導体圧力センサチップ
４ ボンディングワイヤー
５ 接着剤 ５ａ 凹部 ６ ボンディングパッド
７ ポッティング樹脂（保護部材） ８ 一端の開口部
９、１０ 端子部 ９ａ、１０ａ 接続端面 ９ｂ、１０ｂ ローレット。

Claims (6)

1. 外部からの圧力を検出する半導体圧力センサにおいて、
   両端面に開口部を有し、それぞれの断面が凹型形状に形成された外ケースと、
   前記外ケース内に充填し、前記外部からの圧力を伝達する保護部材と、
   その一部が前記外ケースの外部底面と外部側面に露出して埋設される端子部と、
   その受圧面と前記外ケースの一端面の開口部面とが一致する方向に前記外ケース内部に搭載され、前記保護部材から伝達された外部圧力の検知レベルに応じた電気信号を生成する半導体圧力センサチップと、
   前記半導体圧力センサチップと前記端子部とを導通させるボンディングワイヤーとを備えることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記外ケースは、その裏面における前記開口部の中央部にその断面が凹型形状に形成され、接着剤を充填させるための凹部を備え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。
3. 前記端子部は
   前記半導体圧力センサチップと導通させる前記ボンディングワイヤーとの接続端となり、前記外ケースから露出するピン端子部と、
   前記ピン端子部の下部に設けられ、前記外ケースに埋設されて、前記外ケースの外部底面と外部側面に露出する台座とを備え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。
4. 前記台座は、その形状が円柱もしくは角柱であって、
   前記円柱もしくは角柱の、前記ピン端子部側の平面部に溝および／または前記円柱もしくは角柱の周囲にローレットが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体圧力センサ。
5. 前記外ケースの内側に露出する、前記端子部のボンディングワイヤーとの接続端面は、
   前記半導体チップの受圧面と平行であり、前記外ケースの開口部端面より底面方向位置す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。
6. 前記端子部は、その形状が円柱もしくは角柱であって、
   前記円柱もしくは角柱の周囲にローレットが形成されてい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。

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