JP4207846B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

圧力センサにおいて、圧力センサチップの実装構造（電気的接続および保護構造）が特許文献１，２に開示されている。特許文献１においては、ボンディングワイヤを含めて圧力センサチップを充填材により封止している。特許文献２においては、半導体基板上に配置したアルミパッドをＴｉ／Ｐｄ膜で被覆するとともにダイアフラムを形成した半導体基板をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等からなる保護膜およびシリコーンゲルで被覆している。
特表２００１−５０９８９０号公報 特開平１０−１５３５０８号公報

圧力センサチップが腐食性流体（例えば、エンジンの排気ガス）に直接曝される状況において特許文献１，２に開示された構造を用いた場合、次のような不具合が発生する。特許文献１に示された構造においては、代表的な充填材であるシリコーンゲルを用いた場合、排ガス水溶液のレベルの酸性液においてはアルミパッド等の保護には不十分である。また、圧力センサチップにおけるダイアフラム部に形成したゲージの上にもシリコーンゲルが配置されているので感度の低下を招いてしまう。さらに、シリコーンゲルの内部応力はダイアフラム部に余分な応力を与えるので、感度特性が変わってしまう。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、新規な構成にて耐食性に優れるとともに高精度な圧力センサを提供することにある。

請求項１に記載の圧力センサによれば、圧力センサチップのパッドがフレキシブルプリント配線板の配線と接合され、この接合部（電気的接続部）が樹脂製シートで封止され、また、フレキシブルプリント配線板においては、配線が樹脂製シートに封止される。これにより、環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。この腐食防止構造においては、圧力センサチップのパッドやボンディングワイヤを充填材で封止する場合に比べ、耐食性に優れている。さらに、フレキシブルプリント配線板の樹脂製シートが、圧力センサチップに対し、圧力センサチップにおけるダイアフラムを形成した部位が露出する状態で圧着され、高精度に圧力を検出することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の圧力センサにおいて樹脂製シートは熱可塑性樹脂製シートであり、当該シートを圧力センサチップに熱圧着すると、シート
を容易に圧力センサチップに圧着することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における圧力センサの平面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図である。本圧力センサは車載エンジンの排気系部品に設けられ、排気ガスの圧力を検出するセンサである。つまり、圧力検出対象の流体（圧力媒体）がエンジンの排気ガスである。より具体的には、例えば、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）における排気ガス再循環経路での圧力測定のために用いられる。

図２において、圧力センサチップ２０の上面には、熱可塑性樹脂シート内に配線を施したフレキシブルプリント配線板３０が圧着されている。
図３にはフレキシブルプリント配線板３０の平面図を示すとともに、図４には図３のＡ−Ａ線での縦断面を示す。図５には、図２においてフレキシブルプリント配線板３０の下側に配置される圧力センサチップ２０等の部品の平面図を示し、図５におけるＡ−Ａ線での縦断面を図６に示す。

図５，６において、圧力センサチップ２０がガラス台座１０の上面に接合されている。圧力センサチップ２０の半導体基板２１として、（１１０）面方位のシリコンチップを用いている。圧力センサチップ２０において、半導体基板２１の中央部には下面に開口する凹部２２が形成され、この凹部２２により薄肉部、即ち、ダイアフラム２３が形成されている。このダイアフラム２３は平面形状が図５に示すように八角形をなしている。図６においてガラス台座１０と圧力センサチップ２０とが接合されている状態で半導体基板２１の凹部２２内が基準圧力室（例えば真空室）となっている。ダイアフラム２３には４つのゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが応力解析により適当と判断される部位に形成されている。このゲージ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは不純物拡散層よりなる（詳しくはｎ型シリコン基板の表面に形成したｐ型不純物拡散層よりなる）。圧力センサチップ２０内において、４つのゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを用いたフルブリッジ回路が構成されるように結線されている。そして、ダイアフラム２３の両面に加わる圧力の差によりダイアフラム２３での応力が変化し、この応力の変化に伴ないピエゾ抵抗効果により各ゲージ（不純物拡散層）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの抵抗が変化し、これがブリッジ回路により検出される。

また、圧力センサチップ２０において半導体基板２１の表面はシリコン酸化膜からなる絶縁膜２５にて被覆されている。
さらに、図５，６において、四角板状の圧力センサチップ２０における絶縁膜２５上には、その上面での四隅にアルミパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが形成されている。アルミパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄはアルミ薄膜よりなる。これらのパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを介して前記ブリッジ回路に定電流を流すとともに圧力センサチップ２０の圧力検出信号を外部に取り出せるようになっている。なお、アルミパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ膜と金（Ａｕ）メッキ膜が順に形成され、これによりアルミパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄに半田接合することができるようになっている。

一方、図３，４において、フレキシブルプリント配線板３０は、四角板状をなしている。フレキシブルプリント配線板３０は熱可塑性樹脂製シート３１と配線（導体パターン）３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを具備し、熱可塑性樹脂製シート３１にて配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄがモールドされている。熱可塑性樹脂製シート３１は可撓性および電気絶縁性を有する。熱可塑性樹脂製シート３１の材料として、例えばポリエステル、ポリイミドを挙げることができる。配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの材料として銅を挙げることができる。また、四角板状をなすフレキシブルプリント配線板３０（熱可塑性樹脂製シート３１）の中央部には四角形の貫通孔３３が形成されている。貫通孔３３は圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位を露出（開口）させるためのものである。図３，４において４つの配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは熱可塑性樹脂製シート３１における貫通孔３３の周囲において貫通孔３３から離れる方向に延設されている。

また、図３，４に示すようにフレキシブルプリント配線板３０における配線３２ａ〜３２ｄの内方側端部が熱可塑性樹脂製シート３１の下面から露出している。また、配線３２ａ〜３２ｄの外方側端部も熱可塑性樹脂製シート３１から露出し、接続用導体３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄと接合されている。

このように、フレキシブルプリント配線板３０は、可撓性および絶縁性を有する熱可塑性樹脂製シート３１で、パターニングした複数の配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを封止した構成となっている。

図３，４に示すフレキシブルプリント配線板３０が、図５，６に示す圧力センサチップ２０上に配置され、センサチップ２０に熱可塑性樹脂製シート３１が熱圧着されて図１，２の構造となっている。

図１，２において、フレキシブルプリント配線板３０の配線３２ａ〜３２ｄは、上記圧力センサチップ２０の各パッド２６ａ〜２６ｄに半田によって接合されている。詳しくは、図３，４での配線３２ａ〜３２ｄの内方側の露出部に半田ペーストを塗布する。そして、このフレキシブルプリント配線板３０を圧力センサチップ２０上に配置して熱可塑性樹脂製シート３１を圧力センサチップ２０に熱圧着する。この熱圧着時において、フレキシブルプリント配線板３０の配線３２ａ〜３２ｄの一端と圧力センサチップ２０のアルミパッド２６ａ〜２６ｄとが半田付けされる。この半田接合部はフレキシブルプリント配線板３０の熱可塑性樹脂製シート３１によって封止されている。また、フレキシブルプリント配線板３０の貫通孔３３により、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位が露出（開口）している。つまり、上記圧力センサチップ２０の上面は、圧力センサチップ２０のダイアフラム２３を形成した部位を除く領域がフレキシブルプリント配線板３０により覆われている。より詳しくは、センサ特性である感度を確保するために、熱可塑性樹脂製シート３１における、ダイアフラム２３の上方に位置する部分に貫通孔３３を設けたフレキシブルプリント配線板３０を用いて配線接続することで、感度が高く、信頼性の高い圧力センサを得ることができる。

このようにして、フレキシブルプリント配線板３０の熱可塑性樹脂製シート（広義には樹脂製シート）３１を、ダイアフラム２３およびパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを有する圧力センサチップ２０に、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位が露出する状態で熱圧着（広義には圧着）するとともに、フレキシブルプリント配線板３０の配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと圧力センサチップ２０のパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄとを接合し、かつ、当該接合部をフレキシブルプリント配線板３０の熱可塑性樹脂製シート３１で封止している。よって、圧力センサチップ２０のパッド２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄがフレキシブルプリント配線板３０の配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと接合され、この接合部（電気的接続部）が熱可塑性樹脂製シート３１で封止され、また、フレキシブルプリント配線板３０においては、配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄが熱可塑性樹脂製シート３１に封止される。これにより、環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。この腐食防止構造においては、圧力センサチップのパッドやボンディングワイヤを充填材で封止する場合に比べ、耐食性に優れている。さらに、フレキシブルプリント配線板３０の熱可塑性樹脂製シート３１が、圧力センサチップ２０に対し、圧力センサチップ２０におけるダイアフラム２３を形成した部位が露出する状態で圧着され、高精度に圧力を検出することができる。

このように、耐食性に優れるとともに高精度な圧力センサを提供することができる。さらに、熱圧着にて簡単に組み立てることができる（シート３１を容易に圧力センサチップ２０に圧着することができる）。

また、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであるので、実用上より好ましい仕様形態となる。即ち、フレキシブルプリント配線板３０で配線を形成することで、ガソリンエンジンの排気系で発生する酸性液に対する耐性を向上させることができる。

より詳しくは、ＥＧＲ雰囲気中での圧力測定においては腐食性の液体が圧力センサチップ２０に直接曝される状況となり、従来、チップ上のボンディングパッドおよびボンディングワイヤがアルミ（Ａｌ）であるために腐食しやすいが、本実施形態においては、パッド部及びその配線をフレキシブルプリント配線板３０の熱可塑性樹脂製シート３１で覆って腐食性雰囲気に曝されないようにし、かつ、感度低下を避けるために熱可塑性樹脂製シート３１における、ダイアフラム２３の上方に位置する部分に貫通孔３３を設けることにより雰囲気の圧力をより正確に測定できる。このようにして、腐食雰囲気中に曝される圧力センサチップ２０のパッド２６ａ〜２６ｄ及び配線材の腐食をフレキシブルプリント配線板３０で防ぐとともに、感度低下を防ぎ、かつ配線の信頼性を高めることができる。

なお、ＥＧＲにおける排気ガス再循環経路での圧力測定のための圧力センサ以外にも、例えば、ディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧を計測する圧力センサに適用してもよい。また、圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであったが、他にも例えば車両のタイヤ空気であってもよい。

実施形態における圧力センサの平面図。 図１のＡ−Ａ線での縦断面図。 フレキシブルプリント配線板の平面図。 図３のＡ−Ａ線での縦断面図。 圧力センサチップ等を示す平面図。 図５のＡ−Ａ線での縦断面図。

符号の説明

２０…圧力センサチップ、２３…ダイアフラム、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ…パッド、３０…フレキシブルプリント配線板、３１…熱可塑性樹脂製シート、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ…配線。

Claims (3)

1. ダイアフラム（２３）および該ダイアフラムの周囲に複数のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ）を有する圧力センサチップ（２０）と、
   可撓性および絶縁性を有する樹脂製シート（３１）で、中央部に貫通孔（３３）を有するとともに、該貫通孔の周囲にパターニングした複数の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）を封止したフレキシブルプリント配線板（３０）と、
   を備え、
   前記樹脂製シート（３１）の貫通孔（３３）から前記圧力センサチップ（２０）における前記ダイヤフラム（２３）を形成した部位が露出する状態で前記樹脂製シート（３１）を前記圧力センサチップ（２０）に圧着するとともに、前記フレキシブルプリント配線板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（２０）のパッド（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ）とを接合し、かつ、当該接合部を前記フレキシブルプリント配線板（３０）の樹脂製シート（３１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記フレキシブルプリント配線板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）は、前記樹脂製シート（３１）における貫通孔（３３）の周囲において貫通孔（３３）から離れる方向に延設されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記樹脂製シート（３１）は熱可塑性樹脂製シートであり、当該シート（３１）を前記圧力センサチップ（２０）に熱圧着したことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。

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