JP5841918B2

JP5841918B2 - センサ装置

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Publication number: JP5841918B2
Application number: JP2012184849A
Authority: JP
Inventors: 中野　洋; 洋中野; 松本　昌大; 昌大松本; 哲浅野; 半沢　恵二; 恵二半沢
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-08-24
Also published as: JP2014044048A; WO2014030493A1

Description

本発明は、物理量を検出するセンサ装置に係り、特に、内燃機関の吸気管路内を流れる吸入空気量を検出するセンサ装置に関する。

圧力、加速度、温度などの物理量の検出するセンサ装置のセンサ素子は、小型化、製造プロセスの簡略化のためにリードフレームにセンサ素子を設置して金型に投入し、金型内にモールド樹脂を高圧で充填することによりセンサ素子の実装及びモールド樹脂の成形を行う射出成型技術を用いた製造方法が提案されている。

最近では、ＭＥＭＳ技術を用いて半導体基板上に形成した数ミクロンの薄膜部に発熱部を設けた構造の熱式流量計においても、モールド樹脂による製造方法が提案されている。
熱式流量計のように検出部に薄膜構造を備えたセンサ素子は、検出部を部分的に露出させるために検出部または検出部周辺に金型を押しつけることによりモールド樹脂が検出部に流れ込むことを防止する製造方法が提案されている。

このように薄膜部を備えたセンサ素子は製造時の金型の押しつけやモールド樹脂の硬化時の熱収縮、さらに製造後に受ける周囲の温度変化によるモールド樹脂の収縮・膨張などの応力によりセンサ素子に形成した配線にダメージが加わり信頼性を低下させる可能性があった。そのためセンサ素子に加わる応力に関して十分な余裕度をもたせる必要があった。

このような部分露出モールドにおけるモールド樹脂の応力に関連する従来技術として特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、センサ素子の一端側をモールド樹脂で封止し他端側を露出させる構造において、応力緩和樹脂を介してモールド樹脂で封止することによりセンサ素子に加わる応力の低減を図っている。

特開２０１１−１１９５００号公報

特許文献１に示されるセンサ装置には次のような課題がある。特許文献１に示されるセンサ素子は、既知の射出成型技術などを用いてモールド樹脂によって覆われている。センサ素子とモールド樹脂との熱膨張率の差により生じる応力を低減するために応力緩和樹脂を介在させている。しかし、応力緩和樹脂をどの程度の範囲に設けることが必要かについては検討が不十分である。モールド樹脂で被覆されるセンサ素子表面のすべてに応力緩和樹脂を形成すると、ボンディングワイヤーやボンディングパッドのためのパッド部まで塗布することが必要になる。そうすると応力緩和樹脂の材料によっては応力緩和樹脂を介して水分が浸入しやすくなり、ボンディングワイヤーやボンディングパッドを腐食させることになる。一方、モールド樹脂で被覆されるセンサ素子の表面に部分的に応力緩和樹脂を設けた場合、モールド樹脂とセンサ素子が直接に接する部分ができてしまう。そうするとモールド樹脂とセンサ素子の線膨張率の差により生じる応力によりセンサ素子に長期的にダメージを加えてしまうおそれがある。また、緩和樹脂を成形するための工程が必要でありコスト増も招く。

上記のように従来技術では、センサ素子に加わる応力を低減することで対策を図っていたが、一方では、水分等の浸入による腐食や製造コストに課題があった。

本発明の目的は、センサ素子の信頼性を向上したセンサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のセンサ装置は、基板上に形成した下層絶縁膜と、前記下層絶縁膜上に形成した検出部と、前記検出部から引き出された配線と、前記配線上に形成した上層絶縁膜と、からなるセンサ素子と、前記センサ素子の前記検出部が形成された表面が露出するように部分的に被覆することによって形成した露出部を備えたモールド樹脂と、を備え、前記露出部の端部における前記配線を部分的に除去した配線除去部を形成した。

本発明によれば、センサ素子の信頼性を向上したセンサ装置が得られる。

第１の実施例におけるセンサ素子を示す平面図である。第１の実施例におけるセンサ素子を示す断面図である。センサ素子の駆動・検出回路を示す回路図である。第１の実施例におけるセンサパッケージの平面図である。第１の実施例におけるセンサパッケージの断面図である。第２の実施例におけるセンサパッケージの実装図である。従来の露出部端部を示す断面図である。第１の実施例における配線除去部を示す平面図である。第１の実施例における配線除去部を示す断面図である。第２の実施例における配線除去部のその他の形状を示す平面である。第３の実施例におけるセンサ素子を示す断面図である。第３の実施例における配線除去部を示す断面図である。第４の実施例におけるセンサ素子を示す断面図である。第４の実施例におけるセンサ素子の配線除去部を示す断面図である。第５の実施例におけるセンサ素子を示す断面図である。第５の実施例におけるセンサ素子の配線除去部を示す断面図である。第６の実施例におけるセンサ素子の配線除去部を示す平面図である。第６の実施例におけるセンサ素子の配線除去部を示す断面である。第６の実施例におけるセンサ素子のその他の配線除去部を示す平面図である。

以下、本発明に係る実施例について説明する。各実施例は、一例としてエンジンの吸気管路に取り付け、吸気管路内を流れる吸入空気の流量計測を行うものについて説明するが、例えば、圧力、加速度、排ガス流量やその他の物理量を計測するものにも適用できる。

本発明に係る第１の実施例について以下説明する。本実施例による熱式流量計のセンサ素子１の構成を図１、図２により説明する。センサ素子１の基板２は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板２上に下層絶縁膜３ａを形成する。下層絶縁膜３ａの表面には発熱抵抗体５を形成する。発熱抵抗体５の周囲に発熱抵抗体５の加熱温度を検出する加熱温度センサ７が、発熱抵抗体５を取り巻くように形成される。さらに加熱温度センサ７の両側には上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂを形成する。上流側温度センサ８ａ，８ｂは発熱抵抗体５に対して空気流６の流れの上流側、下流側温度センサ９ａ，９ｂは発熱抵抗体５に対して空気流６の流れの下流側に配置する。また、電気絶縁膜３ａ上には、空気流６の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体１０，１１，１２を配置する。そして、センサ素子１の最表面は上層絶縁膜３ｂによって覆われる。電気絶縁膜３ｂは電気的絶縁を行うほか、保護膜としても働く。
さらに基板２を裏面からエッチングすることで薄膜部を形成しダイアフラム４を形成する。

上記の構成で発熱抵抗体５の温度を加熱温度センサ７で検出し、空気流６の温度に対して一定温度高くなるように加熱制御し、空気流６により生じる上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂの温度差から空気流量を検出する原理である。

これらの発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２は温度によって抵抗値の変化が大きい材料で形成する。例えば、白金，モリブデン，タングステン，ニッケル合金などの金属材料や、不純物をドープした多結晶シリコンや単結晶シリコンなどの半導体材料で形成すると良い。また、下層絶縁膜３ａ，上層絶縁膜３ｂは二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）により約２ミクロン厚の薄膜状に形成し、熱絶縁効果が十分に得られる構造であればよい。上記のように、発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂも、感温抵抗体１０，１１，１２と同様に、温度依存性を有する感温抵抗体である。

さらにセンサ素子１の端部には、発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２を構成する各抵抗体を駆動・検出回路と接続するための複数の電極が形成された電極パッド部１３を設ける。尚、電極パッド部１３はアルミなどで形成する。また、発熱抵抗５や各温度センサと電極パッド１３を接続するための配線を形成する。この配線のうち発熱抵抗体５を電極パッド１３に接続するための配線１８ａ、１８ｂには配線除去部１９ａ、１９ｂを形成している。この配線除去部１９の詳細については後述する。

図２のセンサ素子１の断面構成と共に示した温度分布１４はセンサ素子１の表面温度の分布を示している。温度分布１４の実線は無風時のダイアフラム４の温度分布を示す。発熱抵抗体５は、空気流６の温度よりもΔＴｈ高くなるように加熱される。温度分布１４の破線は、空気流６が発生したときのダイアフラム４の温度分布を示している。空気流６が発生することにより、発熱抵抗体５の上流側は空気流６により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体５により加熱された空気が流れることから温度が上がる。したがって、上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂとの温度差ΔＴｓを測定することにより、空気流量を計測できる。

次に、センサ素子１の駆動・検出回路について説明する。

図３に示されるように、発熱抵抗体５の温度によって抵抗値が変化する加熱温度センサ７と感温抵抗体１０とからなる直列回路と、感温抵抗体１１と感温抵抗体１２とからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成し、各直列回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。これらの直列回路の中間電圧を取り出し、増幅器１５に接続する。増幅器１５の出力は、トランジスタの１６のベースに接続する。トランジスタ１６のコレクタは電源ＶＢに接続し、エミッタは発熱抵抗体５に接続し、フィードバック回路を構成する。これにより、発熱抵抗体５の温度Ｔｈは空気流６の温度Ｔａに対して温度ΔＴｈ（＝Ｔｈ−Ｔａ）高くなるように制御される。

そして、上流側温度センサ８ａと下流側温度センサ９ａとからなる直列回路と、下流側温度センサ９ｂと上流側温度センサ８ｂとからなる直列回路とを並列に接続したブリッジ回路を構成し、各直列回路に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する。空気流により上流側温度センサ８ａ，８ｂと下流側温度センサ９ａ，９ｂとに温度差が発生すると、ブリッジ回路の抵抗バランスが変化して差電圧が発生する。この差電圧を増幅器１７を介して検出することよって空気流量に応じた出力が得られる。これらの駆動・検出回路は回路チップ２２として半導体プロセスによって製造される。

上記のセンサ素子１、回路チップ２２を部分露出モールドによって実装したセンサパッケージ２１について図４、図５により説明する。図４はセンサパッケージの概略平面図である。センサ素子１、回路チップ２２はリード部材３１上に接着固定されている。センサ素子１と回路チップ２２は金線などのボンディングワイヤー２４ａで電気的に接続する。
回路チップ２２は電源の供給やセンサ信号の取り出しのためのリード部材３１〜３５に、金線などのボンディングワイヤー２４ｂによってに電気的に接続される。このように接着、接続されたセンサ素子１、回路チップ２２、リード部材３１〜３５を金型に投入し、金型内にモールド樹脂２３を充填し硬化させることでセンサパッケージ２１となる。図４には図示していないが，回路チップ２２の表面はモールド樹脂２３で覆われている。また、センサ素子１においては、少なくとも薄膜部４が露出するようにモールド樹脂で覆われている。センサ素子１の薄膜部４を露出させ空気流に晒す構造である。また、外部との電源供給、センサ信号の取り出しのためリード部材３１〜３５の端部がモールド樹脂２３から露出している。リード部材３１〜３５としてはＣｕ系素材のほかＦｅ系素材などが用いられる。また、モールド樹脂２３としては、エポキシ系の封止材などが用いられる。本実施形態では、リード部材３１を、センサ素子１や回路チップを接着させるための支持材として利用するとともに、電源の供給などの電気的に接続する部材としても利用しているが、別部材とすることもできる。

図５にセンサパッケージ２１の断面構造を示す。センサ素子１の表面側を被覆しているモールド樹脂２３は、センサ素子１の薄膜部４が形成された部位を露出するように部分的にセンサ素子を被覆している。センサ素子１の発熱抵抗体５は配線１８ａを介して電流が供給され加熱される。センサ素子上の配線１８ａは部分露出した薄膜部４からモールド樹脂２３で被覆された領域へと延設している。さらに配線１８ａは、センサ素子１上のモールド樹脂２３で被覆された領域に形成した電極パッド１３に接続される。電極パッド１３には金線などのボンディングワイヤー２４ａによって回路チップ２２に電気的に接続される。これにより、回路チップ２２から、ボンディングワイヤー２４ａ、電極パッド１３、配線１８ａを介して発熱抵抗体５に電流を供給している。配線１８ａには、本発明の構成である配線除去部１９ａを設けている。配線除去部１９ａを設ける位置としては、センサ素子１の露出部端２２の位置であることがより望ましい。言い換えると、センサ素子１上のモールド樹脂２３の端部である。より詳細な配線除去部１９ａを設ける位置、及び作用については後述する。

本実施形態では、センサ素子１と回路チップ２２を別チップで構成しているが、両方とも半導体基板上に半導体プロセスを用いて形成することが可能である。したがって、センサ素子１と回路チップを一体形成したものであっても良い。

次に、センサパッケージ２１を自動車などの内燃機関の吸入空気が流れる吸気管路２８に実装した一例について図６を用いて説明する。図６において、吸気管路２８の壁面から突出するようにベース部材２９を設ける。ベース部材２９には、吸気管路２８を流れる吸気３０の一部を取り込む副通路３１を形成する。センサパッケージ２１はセンサ素子１が副通路３１に露出するようにベース部材２９に固定している。副通路３１は、湾曲部を有した通路形状であるが、センサ素子１が位置する付近の通路形状は直線形状である。センサ素子１が位置する付近の通路形状を直線形状とすることにより、センサ素子１上を流れる空気の流れ方向を安定させることができ良好な空気流検出が可能になる。副通路３１内に露出したセンサパケージ２１は、図６ではセンサ素子１が露出した面を空気が流れるように図示されているが、センサパッケージ２１の裏面にも空気が流れるように片持ち支持された構成であっても良い。この場合、センサパッケージ２１が空気にさらされる面積を広げることができセンサパッケージ２１の冷却効果がより向上する。したがって、センサパッケージ２１内の回路チップ２２の発熱によるセンサチップ２１の温度上昇による検出誤差を低減することができる。ベース部材２９には、回路チップ２２やセンサ素子１の電源供給、センサ信号の取り出しのための端子２５を設ける。端子２５はセンサパッケージ２１の近傍から吸気管路の外側へ延設している。端子２５はセンサパッケージ２１のリード部材３１、３２、３３、３４、３５にアルミボンディングワイヤー２６などにより電気的に接続されている。本実施形態では、センサパッケージ２１のリード部材３１〜３５と端子２５の接続のためにアルミボンディングワイヤー２６を用いた構成であるが、溶着などによりリード部材３１〜３５と端子２５を直接接続する構成でも良い。

このように成形されるセンサパッケージ１の課題について説明する。図７は、図５における露出部端２２の近傍の拡大図である。センサ素子１をモールドするためにセンサ素子１は金型に投入され図７（ａ）のように露出させる部位に金型３６を押しつける。そして、モールド樹脂２３をセンサ素子１と金型３６との間に高圧で流しこみ金型内に充填する。センサ素子１の露出部は金型が押しつけられているのでモールド樹脂２３が流れ込まない。そして、モールド樹脂２３を硬化・冷却することにより部分露出を備えたセンサパッケージが得られる。

しかし、このような方法で製造する場合、以下の問題が起きる可能性がある。センサ素子１の表面に押しつける金型３６の押しつけ圧力は、モールド樹脂２３の充填圧力よりも十分に強くする必要がある。これは、モールド樹脂２３の充填圧力によりモールド樹脂２３が金型３６とセンサ素子１の押しつけ部に浸入することによる樹脂バリを抑制するためである。この金型３６の押しつけ圧力が強いと、センサ素子１に過大な圧力が加わりセンサ素子１にダメージを与えてしまう。特に、配線１８ａに過大な圧力がかかると、配線１８ａと下層絶縁膜３ａの界面にダメージが加わり、配線１８ａと下層絶縁膜３ａの密着力を低下させる原因となる。配線１８ａはアルミ、タンタル、タングステン、モリブデンなどの金属材料が用いられる。下層絶縁膜３ａ、上層絶縁膜３ｂには酸化シリコン、窒化シリコンなどシリコンを主成分とした絶縁膜が用いられる。このように異なる材料間の密着面は、線膨張係数の差による応力が集中しやすい。したがって、界面にダメージを受けると線膨張係数の差による応力によって剥がれや配線の断線を引き起こす原因になりうる。

さらに図７（ｂ）に示すように、モールド樹脂２３を流し込んだ後、モールド樹脂を硬化・冷却すると、モールド樹脂の収縮によってセンサ素子１の表面が引っ張られる。これにより、金型３６の押しつけによってダメージを受けた界面に剥がれが発生する可能性がある。また、このようなセンサ素子から成る熱式流量計を自動車のエンジンの吸気管路に設置して使用すると、エンジンからの熱や環境温度の変化により−４０℃から＋１２０℃の温度変化が長期間繰り返され、この剥がれを起点として配線１８ａの剥がれが徐々に拡大し、センサ素子１の劣化の原因となりうる。

配線１８ａの剥がれを低減するためには、金型３６の押しつけ圧力を弱めることによって界面のダメージを低減することが考えられる。しかし、モールド樹脂２３を高圧で流し込むと、金型３６の押しつけ部分にモールド樹脂２３が浸入し薄膜部４が破壊される。また、モールド樹脂２３を流し込む圧力を低下させると十分に樹脂が充填されず、ボイド（空洞部）の発生、モールド樹脂の成形後の形状のばらつきを引き起こすことになる。このように、センサ素子１の配線１８ａの剥がれの問題は、センサ素子１の信頼性を低下させるとともに、部分露出モールドを備えたセンサパッケージ１の成形を困難にする。この課題は、本実施例のようにセンサ素子１を部分的に露出した部分露出モールドの成形において、金型３６をセンサ素子１に押しつける方法を用いた場合に発生する特有の課題である。

上記の課題を解決した本実施例の構成を図８及び図９を用いて詳細に説明する。図８は、センサ素子１上に形成した配線１８ａを示す平面図である。配線１８ａの一端は、図５で示したようにセンサ素子１の発熱抵抗体５に接続され、配線１８の他端は電極パッド１３に接続している。配線１８ａの上層には上層絶縁膜１３ｂが堆積されている。モールド樹脂２３は上層絶縁膜３ｂを介して配線１８ａを部分的に被覆している。モールド樹脂２３によって覆われた領域と露出部した領域との境界が露出部端部２２である。露出部端２２に位置する配線１８ａには、配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成している。

図９は図８のＸ線に沿った断面を示す断面図である。基板２上に形成した下層絶縁膜１３ａと、下層絶縁膜１３ａ上に形成した配線１８ａと、配線１８ａ上に形成した上層絶縁膜１８ｂから成る。露出部端２２における配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成している。これにより、配線除去部１９ａにおいて、上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａが接する構成である。上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａは同一材料からなる絶縁膜で形成されているため配線１８ａと密着させたときと比べ密着力が強い。また上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの線膨張係数をほぼ等しくすることから、温度変化による配線除去部１９ａにおける上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの接着面の応力を非常に小さくすることができる。

上記のように露出部端２２に位置する配線１８ａに、配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａすることにより、特に配線１８ａの剥がれが発生しやすい露出部端２２の配線１８ａの密着を維持することができる。これによりセンサ素子１の信頼性を向上する。また、金型３６の押しつけ圧力を強くしても配線１８ａの剥がれが抑制される構造であるため、部分露出モールドを備えたセンサパッケージ１の成形を簡易にすることができる。

本実施形態では、発熱抵抗体５に接続された配線１８ａに配線除去部１９ａを設けた構成であるが、その他の配線に関しても露出部端２２に位置する配線に配線除去部１９ａを設けることによって同様な効果が得られる。とりわけ、発熱抵抗体５に接続された配線１８ａは発熱抵抗５を加熱するために電流が多く流れる。配線抵抗が大きいと電流による発熱、電力損失が大きくなる。これを低減するために発熱抵抗体５に接続された配線１８ａ、１８ｂは配線幅が広くなるように形成している。配線幅が広いと、配線と絶縁膜の接着面が連続して広がり、配線の剥がれが進行すると広範囲で剥がれが発生する。したがって、本実施例による配線除去部１９ａは特に発熱抵抗体５に接続された配線１８ａ、１８ｂに形成することにより高い効果が得られる。

またモールド樹脂２３の形状は図９で示すようになだらかな裾部３７を引く形状となる場合があり、露出部端２２が明確には定まらないことがある。この場合、特にモールド樹脂２３の高さの勾配の変化が特に大きい点を露出部端２２とする。これは、裾部３７のように薄く覆われたモールド樹脂のセンサ素子表面を引っ張る力は小さいためであるまた、裾部３７は、モールド樹脂２３に合成されたフィラーの量が必然的に少なくなり、比較的や柔軟な樹脂になっていると考えられる。

次に、本発明のその他の一例として実施例２について説明する。実施例１では、図８に示したような配線除去部１９ａを設けた構成であるが、以下のように配線除去部１９ａを設けた構成でも効果が得られる。

図１０は、センサ素子１上に形成した配線１８ａに形成した配線除去部１９ｃ、１９ｄを示す平面図である。図１０（ａ）は、露出部端２２に位置する配線１８ａを配線の両側から除去し部分的に配線１８ａが細くなるように配線除去部１９ｃを形成した実施例である。また、図１０（ｂ）は露出部端２２に位置する配線１８ａを配線の片側から除去し部分的に配線１８ａが細くなるように配線除去部１９ｄを形成した実施例である。図１０（ａ）（ｂ）に示した配線除去部１９ｃ、１９ｄを適用する場合、配線１８ａの配線幅が比較的狭い場合に有効である。配線１８ａの配線幅が広いものに適用する場合、配線除去部１９ｃ、１９ｄによって配線１８ａが急激に細くなり（抵抗が大きくなり）発熱や電力損失を引き起こす可能性があるためである。したがって、配線幅によって配線除去部１９ｃ、１９ｄの除去面積を調整することが望ましい。

次に、本発明のその他の一例として実施例３について説明する。実施例１及び２におけるセンサ素子１の膜構成では、図２や図９に示したように、基板２の表面に電気絶縁膜３ａを形成し、発熱体５や温度センサや配線となる金属膜を形成し、さらに電気絶縁膜３ｂで覆った構成であるが、以下のような膜構成でも同様な効果が得られる。

図１１はセンサ素子１のその他の膜構成において、本発明を適用して成る実施例である。図１１に示すように、センサ素子１の基板２はシリコン基板を用いている。基板２上には基板２を熱酸化した酸化シリコン膜３ｃ（ＳｉＯ２）を形成する。酸化シリコン膜３ｃの上層にはＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｄを堆積し、さらにＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜からなる下層絶縁膜３ａが設けられている。そして下層絶縁膜３ａの上層には発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２や配線１８ａ、１８ｂとなる金属膜パターンを形成する。これらの金属膜の上層にはＰＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜から成る上層絶縁膜３ｂが堆積される。さらにＰＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｅ、酸化シリコン膜３ｆが順次堆積されている。

図１２に、本実施例のような膜構成において部分露出モールドしたセンサパッケージの露出部端２２の断面図を示す。露出部端２２における配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成している。配線除去部１９ａにおいて、上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａが接する構成である。本実施例のセンサ素子の膜構成の各層の界面は、酸化シリコン膜と窒化シリコン、金属膜（配線１８ａ）と酸化シリコン膜の界面が存在する。酸化シリコン膜と窒化シリコンは、両膜ともにシリコンを材料として形成されていることから密着力は強い。本膜構成の各層において密着力が弱くなるのは金属膜（配線１８ａ）と酸化シリコン膜から成る下層絶縁膜３ａ及び上層絶縁膜３ｂの界面である。したがって、配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成することにより配線除去部１９ａにおいて上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａを密着させることができる。本実施例の膜構成における上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａは両膜とも酸化シリコン膜で同一材料であることから金属材料である配線１８ａと密着させたときと比べ密着力を強くすることができる。また上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの線膨張係数をほぼ等しくすることから、温度変化による配線除去部１９ａにおける上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの接着面の応力を非常に小さくすることができる。

次に、本発明のその他の一例として実施例４について説明する。図１３は、センサ素子１のその他の膜構成において、本発明を適用して成る実施例である。図１３に示すように、センサ素子１の基板２はシリコン基板を用いている。基板２上には、基板２を熱酸化した酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜３ｃ、ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜３ｄ、ＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜３ｇ、ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｈ、ＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜からなる下層絶縁膜３ａを順に堆積している。そして下層絶縁膜３ａの上層には発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２や配線１８ａ、１８ｂとなる金属膜を形成する。これらの金属膜の上層にはプラズマＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜から成る上層絶縁膜３ｂ、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｅ、プラズマＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜３ｆが順に堆積している。

図１４に、上記のような膜構成において部分露出モールドしたセンサパッケージの露出部端２２の断面図を示す。露出部端２２における配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成している。これにより上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａが接する構成である。本実施例においても密着力が弱くなるのは金属膜（配線１８ａ）と酸化シリコン膜から成る下層絶縁膜３ａ及び上層絶縁膜ｃｂの界面である。したがって、配線１８ａを部分的に除去した配線除去部１９ａを形成することにより配線除去部１９ａにおいて上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａを密着させることができる。本膜構成における上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａは両膜とも酸化シリコン膜で同一材料であることから金属材料である配線１８ａと密着させたときと比べ強くすることができる。また上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの線膨張係数をほぼ等しくすることから、温度変化による配線除去部１９ａにおける上層絶縁膜３ｂと下層絶縁膜３ａの接着面の応力を非常に小さくすることができる。

図１５は本発明を適用してなるさらに効果的なセンサ素子の一例を示した実施例である。図１５に示すように、センサ素子１の基板２はシリコン基板を用いている。基板２には、下層から順に、基板２を熱酸化した酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜３ｃ、ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜３ｄ、ＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜３ｇ、ＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｈ、ＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜からなる下層絶縁膜３ａを堆積している。そして下層絶縁膜３ａの上には発熱抵抗体５、加熱温度センサ７、上流側温度センサ８ａ，８ｂ、下流側温度センサ９ａ，９ｂ、感温抵抗体１０，１１，１２や配線１８ａ、１８ｂとなる金属膜を形成する。これらの金属膜の上層にはプラズマＣＶＤ法によって形成した酸化シリコン膜から成る上層絶縁膜３ｂが形成される。本実施例では上層絶縁膜３ｂを堆積した後に、化学機械研磨（ＣＭＰ）法により上層絶縁膜３ｂの表面を平坦化している。上層絶縁膜３ｂの表面を平坦化した後、プラズマＣＶＤ法により形成した窒化シリコン膜３ｅ、プラズマＣＶＤ法により形成した酸化シリコン膜３ｆが順に堆積している。

上記のように上層絶縁膜３ｂの表面を平坦化したことによる効果について説明する。図１６は上層絶縁膜３ｂの表面が平坦化されていない場合と、平坦化されている場合とで、金型３６の押しつけによる部分露出モールドを形成する時の露出部端部２２の断面を比較した図である。図１６（ａ）は、上層絶縁膜３ｂが平坦化されていない場合の構成を示す。配線１８ａより上層の各膜には配線１８ａに形成した配線除去部１９ａによる段差により表面に凹凸が生じている。この状態で金型３６を押しつけると、センサ素子１表面の凸部に押しつけ圧力が集中する。表面の凸部の下層には配線１８ａが設けられているため、金型３６の押しつけ圧力が配線１８ａに集中することになる。これにより配線１８ａに損傷を与える可能性がある。

また、上層絶縁膜３ｂに段差３８があり、その上層の窒化シリコン膜３ｅは、段差３８に沿うように堆積される。段差３８があるとそこに堆積された窒化シリコン膜３ｅの膜質が低下すことがある。また、窒化シリコン膜３ｅのつきまわり性も悪化し、上層に形成した酸化シリコン膜３ｆとの間にボイド等が発生し、強度の低下を招く恐れがある。この状態で、モールド樹脂２３からの引っ張りによる応力を受けると、窒化シリコン膜３ｅや酸化シリコン膜３ｆが損傷する可能性がある。

これに対し図１６（ｂ）は、上層絶縁膜３ｂを平坦化している。センサ素子１の表面には配線１８ａに形成した配線除去部１９ａによる凹凸が生じない。そのため金型３６の押しつけ圧力が均等に分散され、配線１８ａに加わる圧力を低減できる。また、上層の窒化シリコン膜３ｅ、酸化シリコン膜３ｆも平坦に堆積されるため膜質の低下が起きない。したがって、配線除去部１９ａよって配線１８ａの密着力を維持すると同時に、配線１８ａの上層の絶縁膜の信頼性の低下を招くことがない。

本発明を適用して成る、より効果的な配線除去部の構成の一例について図１７により説明する。配線１８ａの配線除去部１９ａを露出部端２２に沿って複数個配列している。加えて、配線除去部１９ａを配列した位置よりも発熱抵抗体側（露出部側）に配線除去部１９ｃを設けた。更に、配線除去部１９ａと配線除去部１９ｃは互い違いになるように配線除去部１９ｃは露出部端２２に沿う方向にずらして設けている。言い換えると、配線除去部１９ａと配線除去部１９ｂを千鳥状に配置している。

図１８は、図１７におけるＸ１線及びＸ２線に沿った断面図を示す。図１８（ａ）に示すＸ１線に沿った断面図において、露出部端２２に位置する配線１８ａには、配線除去部１９ａが設けられている。図１８（ｂ）に示したＸ２線に沿った断面図では、露出部端２２の直下から外れた位置に配線除去部１９ｃが設けられている。図１８（ｂ）に示したように複数の配線除去部１９ａの露出部端２２の直下には配線除去部１９ａが設けられていない。したがって、モールド樹脂２３による引っ張りを受ける領域が残ってしまう。モールド樹脂２３の材料としてさらに温度による膨張・収縮が大きい材料を用いると複数の配線除去部１９ａの間に位置する配線１８ａに剥がれが発生する可能性が出てくる。これを低減するために、本実施例では配線除去部１９ａの配列に加えて配線除去部１９ｃの配列を千鳥状になるように設けている。これにより、露出部端２２の直下の配線１８ａを配線除去部１９ａと配線除去部１９ｃの３点で密着をすることができる。また、千鳥状に配線除去部１９ｃを設けているため過酷な環境条件に晒されることにより露出部端２２の直下で配線１８ａの剥がれが発生しても、配線除去部１９ｂにより剥がれの拡大を抑制することができる。

また本実施例のように配線除去部を設けた場合、配線１８ａの線幅が広くなっても、それに応じて配線除去部を追加すればよく、図１０に示したような配線除去部による急激な抵抗変化を引き起こすことがない。

本実施形態では、配線除去部１９ｃを配線除去部１９ａの配列よりも発熱抵抗体５側に設けたが、加えて図１９に示すようにモールド樹脂２３で被覆された側にさらに配線除去部１９ｄの配列を千鳥状に配置することができる。これにより、モールド樹脂２３被覆された側に配線１８ａの剥がれが拡大することを低減することができる。

１・・・センサ素子、２・・・基板、３ａ・・・下層絶縁膜、３ｂ・・・上層絶縁膜、３ｃ、３ｆ、３ｇ・・・酸化シリコン膜、３ｄ、３ｅ、３ｈ・・・窒化シリコン膜、４・・・薄膜部、５・・・発熱抵抗体、６・・・空気流、８ａ・・・上流側温度センサ、８ｂ・・・上流側温度センサ、９ａ・・・下流側温度センサ、９ｂ・・・下流側温度センサ、１０・・・感温抵抗体、１１・・・抵抗体、１２・・・抵抗体、１３・・・電極パッド、１４・・・温度分布、１５・・・増幅器、１６・・・トランジスタ、１７・・・増幅器、１８ａ〜１８ｂ・・・配線、１９ａ〜１９ｄ・・・配線除去部、２１・・・センサパッケージ、２２・・・露出部端、２４ａ、２４ｂ・・・ボンディングワイヤー、２５・・・端子、２６・・・アルミボンディングワイヤー、２８・・・吸気管路、２９・・・ベース部材、３０・・・吸気、３１・・・副通路、３１〜３５・・・リード部材、３６・・・金型、３７・・・裾部、３８・・・段差部

Claims

基板上に形成した下層絶縁膜と、前記下層絶縁膜上に形成した検出部と、前記検出部から引き出された配線と、前記配線上に形成した上層絶縁膜と、からなるセンサ素子と、
前記センサ素子の前記検出部が形成された表面が露出するように部分的に被覆することによって形成した露出部を備えたモールド樹脂と、を備え、
前記露出部の端部における前記配線を部分的に除去した配線除去部を形成したことを特徴とするセンサ装置。
請求項１記載のセンサ装置において、
前記上層絶縁膜と前記下層絶縁膜とは、同一材料からなる絶縁膜で形成され、
前記配線の前記配線除去部において前記上層絶縁膜と下層絶縁膜が接するように設けられたことを特徴とするセンサ装置。
請求項１または２のセンサ装置において、
前記配線除去部が形成された部位の前記センサ素子表面が平坦となるように前記上層絶縁膜を前記配線の厚みよりも段差が小さくなるように平坦化したことを特徴とするセンサ装置。
請求項１乃至３のいずれかのセンサ装置において、
前記配線除去部は、１つの配線内に複数個設けられていることを特徴とするセンサ装置。
請求項４のセンサ装置において、
前記配線除去部は、複数列設けられており、
前記複数列の前記配線除去部は、互い違いに配置されていることを特徴とするセンサ装置。
請求項１乃至５のいずれかのセンサ装置において、
前記配線は、金属材料で形成されたことを特徴とするセンサ装置。
請求項１乃至６のいずれかのセンサ装置において、
前記配線は、前記検出部に発熱部を備え前記発熱部に電流を流すための配線であることを特徴とするセンサ装置。