JP2013108876A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の大気導入口への干渉を効果的に防止した半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体圧力センサは、ケース１０と、ケース１０内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口１１と、大気を導入する大気導入口１２と、大気圧に対する流体の圧力を測定するセンサチップ２０と、を備えている。圧力導入口１１及び大気導入口１２は、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０の表面に立設された管状の圧力導入部１０ｂに連通しており、大気導入口１２は圧力導入部１０ｂに並置された管状の大気圧導入部１０ｃおよびケース１０内に連通している。そして、大気圧導入部１０ｃにおける大気導入口１２から離間した位置に複数の凹部１６が形成されている。
【選択図】図１５

Description

本発明は、半導体圧力センサおよびその製造方法に係り、特に、その実装構造に関する。

シリコンの弾性体としての性質を利用し、マイクロマシニング技術によりダイヤフラム部と呼ばれる薄膜部をシリコン基板に形成して圧力変化を電気信号に変換するようにした半導体圧力センサが提供されている。なかでも、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用してダイヤフラム部の歪みを拡散抵抗の抵抗値変化として検出するピエゾ抵抗型の半導体圧力センサは、シリコンの化学的安定性から、特に腐食性を有する気体や導電性を有す液体などを被圧力検出流体とする用途に広く用いられている。このような従来の半導体圧力センサの一例を図１６に示す(たとえば特許文献１)。この半導体圧力センサでは、半導体基板を加工して薄膜のダイヤフラム部１０１ａ及びダイヤフラム部１０１ａの圧力による歪みを検出するピエゾ抵抗１１１が形成されるとともにガラス台座１０２に固着されたセンサチップ１０１を用いている。そして、略函形に形成されて内部にセンサチップ１０１が納装される本体１１２の開口部をステンレスダイヤフラム１１３で閉塞する。そして、本体１１２の内部にシリコンオイル１１４を封入する。そして、ハーメチックシール１１５によって本体１１２に端子１１６を封止している。また、この端子１１６をボンディング用のワイヤ１１７によってセンサチップ１０１のピエゾ抵抗１１１と接続している。すなわち、被圧力検出流体Ｐはステンレスダイヤフラム１１３の外側に接触しており、ステンレスダイヤフラム１１３が被圧力検出流体から受けた圧力が本体１１２内部のシリコンオイル１１４を介してセンサチップ１０１のダイヤフラム部１０１ａに伝達され、被圧力検出流体の圧力を検出することができる。
しかしながら、上記構成では、導圧媒体であるシリコンオイル１１４を本体１１２内に封止し且つ圧力をシリコンオイル１１４に伝達するためにステンレスダイヤフラム１１３を用いており、構造が複雑になり、コストが高くなるという欠点がある。また、大きさも嵩高くなり、小型化が困難である。さらに、ステンレスダイヤフラム１１３の反力の影響を受け、センサチップ１０１の検出精度が悪くなるという問題もあった。
そこで、図１７に示すように、薄膜のダイヤフラム部を用いたセンサチップ２２０に対し大気導入口２１２を圧力導入口２１１と対向して設けた実装構造を持つ圧力センサが提案されている（特許文献２）。２１０が本体、２３１がリードフレームである。図１７（ａ）はこの圧力センサの上面図、図１７（ｂ）および（ｃ）は圧力センサの側面図および正面図である。

特開平０９-２５０９６４号公報 特開２００９-５２９８８号公報

大気を導入する大気導入口と、被測定対象の流体を導入する圧力導入口を持つ形式の圧力センサにおいては、被測定対象の流体を含む液体の大気導入口への干渉に注意する必要があり、干渉を防止する工夫が求められる。

本発明の半導体圧力センサは、前記ケース内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口と、大気を導入する大気導入口と、大気圧に対する前記流体の圧力を測定するセンサチップと、を備え、前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記ケースの同一面側に配設されており、前記圧力導入口は前記ケースの表面に立設された管状の圧力導入部に連通しており、前記大気導入口は前記圧力導入部に並置された管状の大気圧導入部および前記ケース内に連通し、前記大気圧導入部に付着した液体を前記大気導入口から離間させるように導く凹部が前記大気圧導入部に形成されている。

前記大気圧導入部の先端面に、高さが５−２０μｍの突起が複数設けられていることが好ましい。

前記圧力導入部と前記大気圧導入部は一体成型され、前記凹部は、前記圧力導入部と前記大気圧導入部との連結部分に形成されているのが好ましい。

前記凹部は、前記大気圧導入部の側面に設けられているのが好ましい。

前記先端面が、前記凹部に向かって傾斜している傾斜面として形成されているのが好ましい。

前記凹部の断面が略三角形の形状を呈することが好ましい。

本発明においては、大気圧導入部における大気導入口から離間した位置に、毛細管現象を誘発させる凹部が形成されており、水滴等が凹部を伝わって流れ、大気導入口の内部へ侵入することを防止することができる。すなわち、流体の大気導入口への干渉を効果的に防止することができる。

本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す上面図 図１のＡ１−Ａ２断面を示す図 図１のＢ１−Ｂ２断面を示す図 図１のＣ１−Ｃ２断面を示す図 本発明の実施の形態１のセンサチップを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図 （ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施の形態１の半導体圧力センサの製造工程を示す図 本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図 本発明の実施の形態１の半導体圧力センサを実装基板に載置した状態を示す説明図 本発明の実施の形態２の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態３の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサを示す図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの要部拡大断面図 本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの要部拡大断面図 本発明の実施の形態５の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は実施の形態４の半導体圧力センサの斜視図を用いて実施の形態５の要部の場所を示す図であり、（ｂ）は要部の正面図、（ｃ）は要部内の突起を表す図、（ｄ）は要部内の突起及び凹部を表す図 従来例の半導体圧力センサの断面図 従来例の半導体圧力センサを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図

以下、本発明の実施の形態に係る半導体圧力センサについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の半導体圧力センサの上面図、図２は図１のＡ１−Ａ２断面を示す図、図３は図１のＢ１−Ｂ２断面を示す図、図４は図１のＣ１−Ｃ２断面を示す図である。図５はこの半導体圧力センサで用いられる圧力センサチップを示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
本発明の実施の形態１の半導体圧力センサは、圧力導入口１１及び大気導入口１２が、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０内に連通するとともに、センサチップ２０は、ケース１０内に、圧力導入口１１との対向位置を避けて配置されたことを特徴とする。なお、このケース１０はプラスチック樹脂によって形成されており、このケース１０内に被測定対象の外部流体を導入する圧力導入口１１と、大気を導入する大気導入口１２と、大気圧に対する流体の圧力を測定するセンサチップ２０とを具備している。

ケース１０は、筒状のケース本体１０ａと、ケース本体１０ａに連通するようにケース本体の第２の主面１０Ｂから導出された管状の圧力導入部１０ｂと、同様にケース本体の第２の主面１０Ｂから導出された管状の大気圧導入部１０ｃと、を具備している。そして底面には基板１３がシール材１４で密着封止されている。
センサチップ２０は、シリコン単結晶基板２１をエッチングなどにより薄肉化して形成したダイヤフラム２２上に拡散やイオン打ち込みで形成したゲージ抵抗２３のピエゾ抵抗効果を、電極２４を介して取り出し、圧力を検出するものである。
ピエゾ抵抗効果は、応力によって起こる分極現象であるピエゾ効果とは異なり抵抗に加わった応力によって抵抗率が変化する現象である。この現象は印加された応力により結晶格子に歪が生じ、半導体中のキャリアの数や移動度が変化するために起こるものである。

このセンサチップ２０は、ダイヤフラムの第１の面２０Ａ側の圧力と第２の面２０Ｂ側の圧力との圧力差により変位する。従って、第１の面２０Ａ側が測定対象としての流体圧を受けるようにし、第２の面２０Ｂ側が大気圧を受けるようにすることで、大気圧に対する流体圧を検出することができる。

従ってこの半導体圧力センサでは、図２および３に示すようにケース１０内空間に圧力導入口１１を介してケース内部に供給される流体の圧力が、センサチップ２０のダイヤフラムの第１の面２０Ａにかかる。一方、大気導入口１２を介して大気圧がセンサチップ２０のダイヤフラムの第２の面２０Ｂにかかる。

ここでセンサチップの電極２４は、バンプを介していわゆるフリップフロップ法により、リードフレーム３１に接続され、このリードフレーム３１のアウターリードはケース１０から導出されている。

また、もう１枚の信号処理回路を搭載した処理回路チップ２８も同様にリードフレーム３１に接続されている。

次に、この半導体圧力センサの組み立て方法について説明する。
図６（ａ）に示すように、まず、センサチップ２０を通常の半導体プロセスにより形成する。
次いで図６（ｂ）に示すように、このセンサチップ２０および処理回路チップ２８を、リードフレーム３１に搭載する。
そして金型内にこのセンサチップ２０および処理回路チップ２８を搭載したリードフレーム３１を設置し、射出成型により、図６（ｃ）に示すように、ケース１０を形成する。

次にこのケース１０の開口部に基板１３を設置し、シール材１４で機密封止する。 このようにして図７（ａ）乃至（ｄ）に示すように、半導体圧力センサが完成する。
図中（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。

このようにして形成された半導体圧力センサを、図８に示すようにプリント基板４０上の配線パターン４１上に載置し、電気的接合を行った後ポッティングにより樹脂４２を供給することで固着される。

この構成によれば、圧力導入口１１及び大気導入口１２は、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０内に連通するようにしている。従って、大気導入口１２が圧力導入口１１と同一側にあるため、ユーザ側でプリント基板４０への実装後にケース１０とプリント基板４０との間をポッティング剤（樹脂４２）で埋める際、大気導入口１２が埋まったりすることもなく、正確な圧力測定を行うことが可能となる。
また、センサチップ２０は、ケース１０内に、圧力導入口１１との対向位置を避けて配置されているため、圧力導入口１１を経て汚染物が導入されるのを防ぎ、信頼性の向上を図ることができる。
このケース１０は、第１の主面１０Ａに、実装基板としてのプリント基板４０上に面実装するための端子を具備し、圧力導入口１１及び大気導入口１２は、第１の主面１０Ａに対向する第２の主面１０Ｂに配設されているため、ケース１０の裏面から大気導入口１２までの距離を大きくすることができ、プリント基板４０などの実装基板上に実装する際、圧力導入口１１や大気導入口１２にポッティング樹脂などが入り込むのを防ぐことができる。

また、圧力導入口１１はケース１０の表面に立設された圧力導入部１０ｂに連通しており、大気導入口１２はこの圧力導入部１０ｂに並置された大気圧導入部１０ｃに連通されている。圧力導入口１１と大気導入口１２とが並置されているため、実装時にポッティングによる樹脂の流れ込みを容易に抑制することができる。

また、大気導入口１２は、ケース１０の第２の主面１０Ｂに形成された延長部としての、管状の大気圧導入部１０ｃを介して配設され、その開口位置がプリント基板４０から第２の主面１０Ｂよりも離間している。このため、より確実に、実装時のポッティングによる樹脂４２の流れ込みを容易に抑制することができる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２の半導体圧力センサについて説明する。
図９は、本発明の実施の形態２の半導体圧力センサを示す図である。前記実施の形態１では大気導入口１２は延長部として管状の大気圧導入部１０ｃに取り付けられているが、変形例として示すように、図９に示すようにケース本体１０ａに直接大気導入口１２が形成されるようにしてもよい。なお、図９は要部のみを示すが、延長部としての大気圧導入部１０ｃ以外は前記実施の形態１と同様に形成されている。２０は半導体圧力センサのセンサチップである。
この構成によれば、より構造が簡単で、小型化を図ることが可能となる。

（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３の半導体圧力センサについて説明する。
なお、前記実施の形態１では大気導入口１２はケース本体１０ａに延長部として別途形成された大気圧導入部１０ｃに取り付けられるとともに、圧力導入口１１はケース本体１０ａに延長部として別途形成された圧力導入部１０ｂに取り付けられている。これに対し、本実施の形態では、変形例として、１つの導入部に直接大気導入口１２と圧力導入口１１が形成される。
図１０は、本発明の実施の形態３の半導体圧力センサを示す斜視図である。
圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃは一体成型されており、大気圧導入部１０ｃの管璧に大気導入口１２が搾設されたことを特徴とする。１０ａはケース本体であり、ここにＭＥＭＳチップなどが収納されている。
この構成によれば、大気圧導入部および圧力導入部が肉薄となり、材料厚を小さくすることができることから、熱容量を小さくすることができ、実装時にリフローを行う際、熱効率を高めることができる。

（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４の半導体圧力センサについて説明する。
図１１は本発明の実施の形態４の半導体圧力センサの斜視図、図１２（ａ）乃至（ｄ）はこの半導体圧力センサの実装状態を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は下面図である。また図１３および図１４は、この圧力導入口１１および大気導入口１２付近を示す部分拡大断面図である。図１４は圧力導入口に測定対象の管に接続するためのチューブ５０を装着した状態を示す図である。

前記実施の形態１では大気導入口１２はケース本体１０ａに延長部として別途形成された大気圧導入部１０ｃに取り付けられるとともに、圧力導入口１１はケース本体１０ａに延長部として別途形成された圧力導入部１０ｂに取り付けられている。これに対し、本実施の形態では、変形例として、大気導入口１２を備えた大気圧導入部１０ｃを構成する管状部と、圧力導入口１１が形成された圧力導入部１０ｂを構成する管状部とが一部で一体化されたものである。つまり圧力導入部１０ｂ及び大気圧導入部１０ｃは、ともにケース本体１０ａの第２の主面１０Ｂから伸張方向Ｄに沿って当接面Ｓを有し、圧力導入部１０ｂが大気圧導入部１０ｃより高い位置まで伸張している。そしてこの大気導入口１２の近傍に切り欠き部１５が形成され、大気の導入を確保するようにした構成である。１４は基板の底面を密着封止するためのシール材である。

本実施の形態においても、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃは一体成型されているが、圧力導入口１１および大気導入口１２が所望の高さに設けられ、一部で一体化されている。本実施の形態では、圧力導入口１１が、大気導入口１２よりも所望の高さだけ高い位置に設けられており、大気圧導入部１０ｃの頂部に大気導入口１２が配設され、圧力導入部１０ｂの頂部に圧力導入口１１が配設されている。１０ａはケース本体であり、ここにＭＥＭＳチップなどが収納されている。
この構成によれば、圧力導入部１０ｂが大気圧導入部１０ｃにつながって立設されているため、圧力導入口の物理的強度を高くすることができる。

また、図１３に要部拡大断面図を示すように、大気導入口１２先端に切り欠き部１５を設けている。このため、圧力を測定するための管をチューブ５０で接続した場合にも、図１４に示すように、大気導入口１２が塞がれないように維持される。
また、本実施の形態においても、実施の形態１の場合に比べて材料厚を小さくすることができることから、熱容量を小さくすることができ、実装時にリフローを行う際、熱効率を高めることができる。

（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５の半導体圧力センサについて説明する。
図１５は本発明の実施の形態５の半導体圧力センサを示す図である。（ａ）は実施の形態４の半導体圧力センサの斜視図を用いて実施の形態５の要部の場所を示す図である。（ｂ）は要部の正面図であり、（ａ）の点線Ｓ１で示した部分の拡大図である。（ｃ）は要部内の突起を表す図であり、（ｂ）の点線Ｓ２で示した部分の拡大図である。（ｄ）は要部内の突起及び凹部を表す図であり、（ｂ）の点線Ｓ３で示した部分の拡大図である。

実施の形態５の半導体圧力センサは、実施の形態１〜４の半導体圧力センサと同様に、ケース１０と、ケース１０内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口１１と、大気を導入する大気導入口１２と、大気圧に対する流体の圧力を測定するセンサチップ２０と、を備えている。圧力導入口１１及び大気導入口１２は、ケース１０の同一面側に配設されており、圧力導入口１１はケース１０の表面に立設された管状の圧力導入部１０ｂに連通しており、大気導入口１２は圧力導入部１０ｂに並置された管状の大気圧導入部１０ｃおよびケース１０内に連通している。これらの構成は、実施の形態１〜４のものと同じであってよい。

そして、本実施の形態の半導体圧力センサにおいては、大気圧導入部１０ｃにおける大気導入口１２から離間した位置に複数の凹部１６が形成されている。さらに、大気圧導入部１０ｃの先端面１８に、高さが５−２０μｍの突起１７が複数設けられている。

そして、図１５（ａ）に示すように実施の形態４と同様、本実施の形態においても、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃは一体成型されており、この形態においては、上述した凹部１６（図１５（ｂ）における１６ａ）は、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃとの連結部分に一つ形成されている。さらに、複数の凹部１６（凹部１６ａを含む）が、大気圧導入部１０ｃの側面、特に大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿って設けられている。

実施の形態４で述べたように、ユーザが、圧力導入口１１にチューブ５０（図１４）を装着した際、チューブ５０の外周縁が大気圧導入部１０ｃにおける大気導入口１２の先端に触れることが生じやすい。このとき、結露等により発生した水滴等の液体がチューブ５０を伝わり、大気導入口１２の内部へ侵入する恐れがある。そこで、本実施の形態においては、大気導入口１２が存在する大気圧導入部１０ｃにおいて、毛細管現象を発生させる機構を設ける。具体的には、大気圧導入部１０ｃの少なくとも先端部分（先端面１８）において、大気圧導入部１０ｃに付着した液体を大気導入口１２から離間させるように導く凹部が、大気圧導入部１０ｃに形成されている。特に、大気導入口１２から離間した位置に凹部１６を設けることにより、付着した水滴等の液体が凹部１６を伝わって流れ、大気導入口１２の内部へ侵入することを防止することができる。

凹部１６へ水が引っ張られる力学的作用、経路等の技術的なメカニズムは、水の毛細管現象を利用している。毛細管現象とは、細い管状物体の内側の液体が管の中を上昇及び下降する現象のことである。水の隣り合う分子同士は反対電荷が互いに引き合う力で結びついており、水素結合と呼ばれるこの力は、水の特性、すなわち、表面張力、凝縮、付着等の要因でもある。

本実施の形態においては、凹部１６が、大気圧導入部１０ｃの先端部分のみならず、大気圧導入部１０ｃの長手方向に沿って設けられている。したがって、より効果的に水滴等が大気導入口１２の内部へ侵入することを防止することができる。

また、大気圧導入部１０ｃの先端面１８に、図１５（ｃ）のＨで示される高さが５−２０μｍの突起１７が複数設けられることにより、付着した水滴等がさらに流れ落ちやすくなる。本実施の形態では、突起１７の形状は略三角錐の形状を呈しているが、特に形状は限定されない。

また、先端面１８が、大気圧導入部１０ｃの側面に形成された複数の凹部１６に向かって傾斜している傾斜面として形成されている。すなわち、大気圧導入部１０ｃの断面は円形状であるが、先端面１８は傾斜しているため楕円形状を呈し、楕円形状の低い側の弧の部分に複数の凹部１６が形成されている。このような構成により、水滴等が凹部１６に向けて流れやすくなり、ひいては凹部１６による毛細管現象の誘引効果がより大きくなる。

図１５（ｄ）に示すように、凹部１６の断面は略三角形の形状を呈している。断面略三角形の形状は、凹部１６自身による毛細管現象の発生をより効果的に誘引し、大気圧導入部１０ｃの肉厚を保ち、その強度を維持することが可能となる。

尚、図１５（ａ）に示すように、本実施の形態においては、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃとが一体成型された例を示したが、圧力導入部１０ｂと大気圧導入部１０ｃが必ずしも一体成形されている必要はなく、隣接している場合であっても、凹部１６、突起１７の効果は発揮される。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１０ ケース
１０ａ ケース本体
１０ｂ 圧力導入部
１０ｃ 大気圧導入部
１０Ａ 第１の主面
１０Ｂ 第２の主面
Ｓ 当接面
Ｄ 伸張方向
１１ 圧力導入口
１２ 大気導入口
１３ 基板
１４ シール材
１５ 切り欠き部
１６ 凹部
１７ 突起
１８ 先端面
２０ センサチップ
２０Ａ 第１の面
２０Ｂ 第２の面
２１ シリコン単結晶基板
２２ ダイヤフラム
２３ ゲージ抵抗
２４ 電極
２８ 処理回路チップ
３１ リードフレーム
４０ プリント基板
４１ 配線パターン
４２ 樹脂（ポッティング剤）
５０ チューブ

Claims (6)

1. ケースと、
   前記ケース内に被測定対象の流体を導入する圧力導入口と、
   大気を導入する大気導入口と、
   大気圧に対する前記流体の圧力を測定するセンサチップと、を備え、
   前記圧力導入口及び前記大気導入口は、前記ケースの同一面側に配設されており、
   前記圧力導入口は前記ケースの表面に立設された管状の圧力導入部に連通しており、
   前記大気導入口は前記圧力導入部に並置された管状の大気圧導入部および前記ケース内に連通し、
   前記大気圧導入部に付着した液体を前記大気導入口から離間させるように導く凹部が前記大気圧導入部に形成されている半導体圧力センサ。
2. 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
   前記大気圧導入部の先端面に、高さが５−２０μｍの突起が複数設けられている半導体圧力センサ。
3. 請求項１または２に記載の半導体圧力センサであって、
   前記圧力導入部と前記大気圧導入部は一体成型され、
   前記凹部は、前記圧力導入部と前記大気圧導入部との連結部分に形成されている半導体圧力センサ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、
   前記凹部は、前記大気圧導入部の側面に設けられている半導体圧力センサ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、
   前記先端面が、前記凹部に向かって傾斜している傾斜面として形成されている半導体圧力センサ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、
   前記凹部の断面が略三角形の形状を呈する半導体圧力センサ。

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