(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッダーの収納室上面が圧力を受けるダイヤフラムで密封され、半導体センサチップを収納した前記収納室内にシリコンオイルを充填してなる半導体圧力センサにおいて、テープボンダの導線部に前記半導体センサチップの導線部を接続して支持し、前記テープボンダの導線部に前記ヘッダーの基台に支持されたリードピンを固定することにより、前記半導体センサチップを基台に対して宙吊り状に支持して絶対圧を測定す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】
前記テープボンダの導線部または半導体センサチップの導線部のいずれか一方にバンプを形成し、該バンプ部分で両者を加熱融着して接続してなる請求項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記半導体センサチップを接続したテープボンダとリードピンとをバンプにより接続してなる請求項１または請求項２に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記半導体センサチップを接続したテープボンダとリードピンとを半田により接続してなる請求項１または請求項２に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水圧、油圧、冷媒圧等の絶対圧を検出する半導体センサに関し、特に半導体式圧力センサチップの固定に際して接着剤を用いることなく、また、ヘッダーからの応力を回避するようにした半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
半導体圧力センサは、シリコン等の半導体チップで形成されたダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗層を設け、ダイヤフラムに加わる圧力をピエゾ抵抗層の比抵抗の変化を利用して電気信号に変換するもので、コンプレッサを利用するエアコン、あるいは冷蔵庫等の家電用、車両用エアコンの冷媒圧力検出用として、また、油圧機械の油圧検知用、土木機械、トラック等のパワステアリングやプレーキオイル圧力検知用として、さらには、医療用、工業計測用等、広い分野で使用されている。
【０００３】
従来の半導体圧力センサにおいては、図３に示すように、ヘッダー３０の中央部に形成した収納室３１に基台３２を固定し、この基台３２上に各種応力を基台から半導体センサチップに伝達することを防止するため、ガラス製或いはシリコン製の台座３３を介して半導体センサチップ３４を設けている。この半導体センサチップ３４からのリード線３５に対して基台３２を貫通して設けたリードピン３６の先端と接続している。上記半導体圧力センサにおいては、半導体センサチップ３４とヘッダー３０との熱膨張差を吸収するため、特に基台３２と台座３３、及び台座３３と半導体センサチップ３４との材質を適切に選択し、また、種々の取付手段を採用する必要がある。
【０００４】
上記のような半導体圧力センサにおいては、半導体センサチップ３４に対する圧力を電気信号に変換して出力するものであるが、この半導体センサチップ３４を絶対圧力測定用として用いる際には、例えば図４に拡大して示すように、半導体センサチップ３４の下面を台座３３に対して気密に固定し、それにより半導体センサチップ３４の下面に室４０を形成し、この室４０を真空にすることにより、半導体センサチップ３４の上面に作用する被測定流体の圧力を絶対圧として測定する絶対圧センサが存在する。このような絶対圧センサは、冷媒回路のような密封された空間内の圧力を測定する場合に適している。
【０００５】
また、例えば図５に示すように、基台３２及び台座３３を共に貫通し、半導体センサチップ３４の下面の室４０に連通する通孔４２を設け、この通孔４２から第１の圧力を半導体圧力センサの下面に導き、その上面には被測定圧としての第２の圧力を作用させることにより、被測定圧の前記第１の圧力に対する相対圧力を測定する相対圧センサも存在する。例えば、解放されたタンク内の水位を測定するような場合において大気圧が加算された状態であるため、上記のような相対圧センサが適している。
【０００６】
上記半導体圧力センサにおいて、半導体センサチップ３４の取付に際して、半導体センサチップ３４を固定している台座３３を基台に３２に固定するためには、例えばシリコン系、エポキシ系等の接着剤４３が使用されている。即ち、この部分の固定に際しては、その固定が確実であること、及びヘッダー３０からの伝達される熱膨張差による応力等の応力を緩和することが必要であり、その面から上記のようなシリコン系接着剤等が使用されている。
【０００７】
このような半導体圧力センサにおいて、圧力を測定する流体がこれらのセンサ部分に直接接触する状態で使用する際は、その測定される流体の種類は、上記の接着剤やセンサチップに対して腐食作用を有しない流体に限られることとなる。それに対して、これらの接着剤や半導体センサチップ３４に対して腐食作用を有する気体や液体を測定しなければならないときには、図３に示すように、ヘッダー３０の上面にダイヤフラム４４を固定し、ダイヤフラム４４の下面における半導体センサチップ３４を収納する収納室３１内にオイルを封入し、ダイヤフラム４４の上面に直接作用する被測定流体の圧力を、ダイヤフラム４４の下面の収納室３１内のオイルを介して半導体センサチップ３４に伝達することにより腐食性流体の圧力を測定していた。このようにオイルを充填するものにおいては、上記の接着剤としては、シリコン系接着剤はオイルにより膨潤するため、エポキシ系接着剤を使用していた。
【０００８】
一方、上記のような半導体圧力センサにおいて、相対圧型センサにおいては、半導体センサチップの固定に際して、半導体センサチップとヘッダーとの接着部分の気密性保持は非常に重要なものとなる。それに対して絶対圧型のセンサにおいては、真空室の気密性保持は重要であるものの、圧力センサチップとヘッダーの接着部分の気密性は必要とされない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の半導体圧力センサにおいて、センサチップの固定にエポキシ系接着剤を使用する際には、この接着剤の硬化温度が１５０℃〜２００℃と高温であり、また、硬化後の硬度も高いため、ヘッダー３０の応力を半導体センサチップに伝達しやすかった。その対策として、ガラスやシリコン製の台座３３の高さを高くしたり、或いは図６に示すように台座３３に適宜の溝４６を設ける等により応力を緩和しており、そのためセンサのコストアップの要因となっていた。
【００１０】
また、上記半導体圧力センサにおいては、半導体センサチップ３４とヘッダー３０との熱膨張差を吸収するため、特に基台３２と台座３３、及び台座３３と半導体センサチップ３４との材質を適切に選択し、また、種々の取付手段を採用する必要があると共に、高度の取付技術が必要となっている。
【００１１】
したがって、本発明は、上記のように絶対圧型のセンサにおいては、真空室の気密性保持は重要であるものの、圧力センサチップとヘッダーの接着部分の気密性は必要とされないことを利用して、簡単な構造で、しかも特別の取付技術を必要とすることなく、半導体センサチップに外部の応力を伝達させることのない半導体圧力センサを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、ヘッダーの収納室上面が圧力を受けるダイヤフラムで密封され、半導体センサチップを収納した前記収納室内にシリコンオイルを充填してなる半導体圧力センサにおいて、テープボンダの導線部に前記半導体センサチップの導線部を接続して支持し、前記テープボンダの導線部に前記ヘッダーの基台に支持されたリードピンを固定することにより、前記半導体センサチップを基台に対して宙吊り状に支持して絶対圧を測定するようにしたものである。
【００１３】
本発明においては、上記のように構成したので、半導体センサチップは基台に対してリードピンに支持されたテープボンダを介して宙吊り状態で支持されるので、基台を支持するヘッダー等の部材の熱膨張、基台の熱膨張等、半導体センサチップとは熱膨張の異なる各種部材との熱膨張差による応力、或いはそれらの支持部材からの応力等は、特に樹脂フイルムからなるテープボンダ部分で吸収され、これらの応力が半導体センサチップに伝達されることはない。また、従来のような半導体センサチップを支持する際に用いられる接着剤を用いることが無くなるので、半導体センサの腐食を考慮することが必要なくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体圧力センサの構成の実施例を図１に添って説明する。各種機器の流体圧測定部分に固定されるヘッダー１には中央に収納室２が形成され、この収納室２の下部には基台３が固定されている。基台３には複数本のリードピン４が貫通して固定されており、このリードピンの先端には、樹脂フイルムに銅メッキ等により導線部が形成され、通常の半導体部品組立工場で多用されている周知のテープボンダ５の周辺の導線部が接続固定されている。また、このテープボンダ５の略中央に位置する導線部には、半導体センサチップ６の導線部が接続されている。それにより、半導体センサチップ６は、基台３に固定されたリードピン４に対してテープボンダ５を介して宙吊り状態で支持される。ヘッダー１の収納室２の上部は、ダイヤフラム７により密封されており、収納室２内にはヘッダー１に設けた孔８からシリコンオイルが注入され、ボール１０でその孔８を封止することにより収納室内にはシリコンオイルが充填されることにより、半導体圧力センサ１１が構成されているている。
【００１５】
このような半導体圧力センサ１１の製造に際しては、図２（イ）に示すように、半導体センサチップ６に突出形成された圧力センサ回路の導線部としての複数のＡｌパッド１２に対して、周囲がニードル１３によって覆われた金（Ａｕ）線１４の先端を垂下し、ニードルに超音波を掛けることによりＡｕを溶融し、アルミニウム（Ａｌ）パッドの上にＡｕバンプ１５を形成する。全てのＡｌパッドの上にＡｕバンプ１５を形成した後、バンプ１５が適正に形成されているか検査を行う。
【００１６】
次いで、通常の半導体製造工場で多用されている、ポリイミド等の合成樹脂製のフイルムからなり、この半導体センサチップ接続用に設計された、図２（ロ）に示すようなテープボンダ１６のテープ１７を巻いたリールから上記テープボンダを引き出す。このテープボンダ１６の両側縁には通常のものと同様にガイド１８が設けられ、その中心部には半導体センサチップ取付孔２０を備え、その周囲に切り取り部２１を備えている。この切り取り部２１で囲まれる平面部２２には合成樹脂フイルムの表面に設けた銅箔に対してメッキを施した導線部が形成されている。このようなパターン２３がテープボンダ１６のテープ１７に対して多数列設されている。
【００１７】
次いで、図２（ハ）に示すように、上記のようなテープボンダ１６の一つのパターン２３における取付孔２０に対して、前記のようにしてバンプ１５が形成された半導体センサチップ６のバンプ１５形成側を当接する。この時、両者の導線部が一致するように設計され製造されている。それにより、半導体センサチップ６のバンプ１５とテープボンダ１６の導線部２４が一致し、テープボンダの反対側からＩＣボンディングツール２５を当て、４７０℃乃至５１０℃の熱を加える。それによりバンプ１５を形成しているＡｕ（金）は、金共晶が形成され、両者を接合する。その後この接合が適正に行われた否かの検査を行う。
【００１８】
次いで、図２（ニ）に示すように、半導体センサチップの接合されたテープボンダ１６を切り取り部２１の連結部において切り取り、チップユニット２６とし、このチップユニット２６部分を切り離す。切り離されたチップユニット２６におけるテープボンダ１６の平面部２２に形成された導線部に対して、上記図２（イ）に示した方法と同様の方法により、Ａｕのバンプを形成する（図示省略）。
【００１９】
一方、ヘッダー１に対しては、中央形成した収納室２の下部に基台３を固定し、この基台３には、複数本のリードピン４を貫通して固定されたヘッダーユニットを製造しておく。このリードピン４の位置は、前記テープボンダに形成した導線上のＡｕバンプと一致する位置に設定されている。それにより、リードピン４の先端に前記チップユニット２６を載置すると、リードピンの先端とＡＵバンプの位置は一致し、その状態で前記図２（ハ）に示す方法と同様にＩＣボンディングツールを用いてＡｕを溶融し、両者を接合する。この状態は図２（ホ）に示される。
【００２０】
次いで、図２（へ）に示すように、ヘッダー１の収納室２の上面をダイヤフラム２８を溶接等により固定する。その後、収納室に対して開口しているヘッダー１の孔８からシリコンオイル等のオイルを注入し、オイルの充填後にこの孔８の外側にボール１０を圧入し、オイルを収納室内に密封する。それにより絶対圧型の半導体圧力センサが製造される。
【００２１】
なお、上記実施例において、半導体センサチップの導線部とテープボンダの導線部とを接合するに際して、半導体センサチップの導線部にＡｕバンプを形成した例を示したが、テープボンダの導線部にＡｕバンプを形成し、両者を接合しても良い。また、テープボンダとリードピンの接合に際して、上記実施例においてはテープボンダ側にＡｕバンプを形成した例を示したが、テープボンダの導線部にバンプを形成し、両者を接合しても良い。また、テープボンダとリードピントの接合に際して、上記実施例ではＡｕバンプを形成して接続した例を示したが、テープボンダの導線部或いはリードピンの先端のいずれか一方に例えばクリーム半田等の半田を塗布し両者を重ね合わせた後加熱して接合することもできる。
【００２２】
上記半導体圧力センサで使用するテープボンダのベースとなるフイルムとしては、熱可塑性樹脂を使用するのが好ましい。また、ベースとなるフイルム上に設ける銅箔としては電解銅箔が好適である。また、その上に形成するメッキ材としては金又は錫と亜鉛とからなる金属を用いることが好ましい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明においては、上記のように構成したので、半導体センサチップは基台に対してリードピンに支持されたテープボンダを介して宙吊り状態で支持されるので、基台を支持するヘッダー等の部材の熱膨張、基台の熱膨張等、半導体センサチップとは熱膨張の異なる各種部材との熱膨張差による応力、或いはそれらの支持部材からの応力等は、特に樹脂フイルムからなるテープボンダ部分で吸収され、これらの応力が半導体センサチップに伝達されることはない。また、従来のような半導体センサチップを支持する際に用いられる接着剤を用いることが無くなるので、半導体センサの腐食を考慮することが必要なくなる。また、絶対圧型のセンサにおいては、真空室の気密性保持は重要であるものの、圧力センサチップとヘッダーの接着部分の気密性は必要とされないことを利用して、簡単な構造で、しかも特別の取付技術を必要とすることなく、半導体センサチップに外部の応力を伝達させることのない半導体圧力センサとすることができる。
【００２４】
また、シリコンオイル中にテープボンダにて宙吊りになっており、圧力センサチップを固定するための接着剤は使用していなので、ヘッダーからの応力の影響を受けることがなく、高精度の圧力検出が可能である。充填されたオイルはＴＡＢテープにダンパー作用をもたらし、機械的振動や衝撃に耐える事が出来る。
さらに圧力センサチップもヘッダーとの接着が不要のため、接合による機械的、熱的応力を受ける事がない。そのため応力緩和のためのガラス台座を使用する必要がなく、圧力センサチッブの構造が簡単になり、低価格の圧力センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の半導体圧力センサの断面図である。
【図２】図１の半導体圧力センサの製法を示す工程図である。
【図３】従来の半導体圧力センサの断面図である。
【図４】従来の絶対圧型半導体圧力センサの断面図である。
【図５】同相対圧型半導体センサの断面図である。
【図６】同他の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ヘッダー
２  収納室
３  基台
４  リードピン
５  テープボンダ
６  半導体センサチップ
７  ダイヤフラム
８  孔
１０  ボール
１１  半導体圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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