(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出環境の状態を検出してセンサ信号を出力する半導体センサチップと、
この半導体センサチップから出力されるセンサ信号を演算処理して検出信号を生成する半導体回路チップと、
前記半導体センサチップに対応した半導体センサ用リード部および前記半導体回路チップに対応した半導体回路用リード部を有するリードフレームと、
このリードフレームに前記半導体回路チップをマウントすると共に電気的に接続した状態で且つ前記センサ用リード部を露出させてセンサマウント部を形成するように樹脂成形された樹脂パッケージとを備え、
前記半導体センサチップは、前記樹脂パッケージに形成されたセンサマウント部にマウントされると共に、前記リードフレームの半導体センサ用リード部に電気的に接続された状態に設けられ、
前記半導体回路チップは、前記リードフレームと共に前記樹脂パッケージに封入されていることを特徴とする半導体センサ装置。
【請求項２】
前記樹脂パッケージは、前記センサマウント部の周囲を樹脂により取り囲むようにした凹状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ装置。
【請求項３】
前記樹脂パッケージは、前記センサマウント部の裏面側に対応して凹部が形成されており、その凹部は成形時に樹脂の流れに抵抗を与えるように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ装置。
【請求項４】
前記樹脂パッケージは、熱硬化性樹脂を用いて成形されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体センサチップおよび半導体素子チップを一体に備えた半導体センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体センサ装置として、例えば、半導体圧力センサ装置においては、半導体圧力センサチップが圧力測定環境下にさらされた状態で、圧力媒体から受ける圧力でダイヤフラム部が変位するように設けられている。半導体圧力センサチップのダイヤフラム部にはピエゾ抵抗効果を有する抵抗体が形成されており、ダイヤフラム部が変位するとこれに応じて抵抗体の抵抗値が変化する。その抵抗値の変化をブリッジ接続した回路の出力端子から電圧信号としてセンサ出力を得て圧力を検出するものである。
【０００３】
このような半導体圧力センサ装置により、例えば、エンジンの吸入空気量を検出するために圧力を測定することに用いられるが、この場合に、圧力媒体としての吸入空気には、排気ガスや排気ガスが冷却されてできる酸性の凝縮水が混在していることが一般的である。そこで、このようにダイヤフラム部を圧力測定環境下にさらす必要があることから、圧力測定媒体からセンサチップを保護するための構成が必要となる。
【０００４】
このような構成のものとして、例えば、図１０に示すような半導体圧力センサ装置がある。この図１０において、ケース１にはコネクタとの接続を行うためのコネクタ部１ａが形成されていると共にセンサモジュール２が実装される実装部１ｂとが形成されている。また、ケース１にはセンサモジュール２とコネクタとを電気的に接続するための複数本のコネクタピン３がインサート成形により設けられている。
【０００５】
ケース１の実装部１ｂは、上下に開口しており、ここにはセンサモジュール２が接着固定されている。センサモジュール２は、セラミック製のプリント基板４の一方の面側には、台座５を介して圧力センサチップ６が接着固定されており、その圧力センサチップ６の電極パッドとプリント基板４に形成された電極部とがボンディングワイヤ７により電気的に接続されている。プリント基板４の他方の面側には、圧力センサチップ６から出力されるセンサ信号を処理するための信号処理回路を設けたＩＣチップ８や他の電子部品９などが実装されている。そして、プリント基板４とケース１のコネクタピン３との間が接続導体１０により電気的に接続されている。
【０００６】
センサモジュール２が実装された状態で、プリント基板４の圧力センサチップ６が搭載された面側には弾性を有する保護用の樹脂１１がコーティングされており、圧力センサチップ６は、樹脂１１を介して圧力測定媒体から圧力を受けるとダイヤフラム部が変位して圧力に応じた検出信号を出力するようになっている。また、プリント基板４の反対側の面にはポッティングにより樹脂１２が充填されており、これによってＩＣチップ８の部分への圧力測定媒体の侵入による特性劣化を防止すると共に、コネクタピン３と接続導体１０との接続部が保護されるように構成している。
【０００７】
そして、本体ケース１のＩＣチップ８が搭載された側にはキャップ１３が接着固定され、圧力センサチップ６が搭載された側には圧力導入口１４ａが形成されたポート１４が接着固定されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記構成のものでは、センサモジュール２の構成として、一方の面に圧力センサチップ６を実装すると共に他方の面にＩＣチップ８等を実装する構成であるから、本体ケース１への実装に手間がかかると共に、ＩＣチップ８が圧力媒体により汚染されるのを防止するためのシール構造も複雑になり、総じて実装組立ての工数が増大することによりコスト高になる不具合がある。
【０００９】
そこで、このような不具合を解消すべく、本発明者らは図１１および図１２に示すような構成のものを考えた。すなわち、このものでは、センサモジュール１５を、導体パターン１６ａを一体に設けた基板１６の一方側の面に圧力センサチップ６およびＩＣチップ８などを実装したものとして構成している。そして、このセンサモジュール１５を本体ケース１７に実装する際には、圧力センサチップ６部分のみを樹脂１１でコーティングして圧力測定時に汚染されないようにして圧力媒体の圧力を伝達可能な構成とし、ＩＣチップ８を含んだ他の部分をポッティング用の樹脂１２でコーティングするようにするために、隔壁部材１８を別途に接着する構成としている。
【００１０】
この場合、ＩＣチップ８を圧力媒体による汚染から保護するためには、耐汚染性の優れた弾性率の高いコーティング用の樹脂１２を設ける必要があり、一方、圧力センサチップ６には圧力伝達をするためにゲル状の柔らかい弾性率をもった樹脂１１をコーティングする必要があり、このために隔壁部材１８を設けることが必須条件となる。
【００１１】
しかしながら、このような構成を想定した場合には、本体ケース１７への実装時にセンサモジュール１５に隔壁部材１８を個々に装着するための作業が必要となるが、位置合わせを行って接着する工程は面倒な作業となり、多大な工数を要することになる。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、隔壁部材などを設ける必要がなく、しかもＩＣチップを汚染物質から保護するための構成を新たな構成を追加することなく得られるようにした半導体センサ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、樹脂パッケージには、半導体センサチップが検知動作が可能となるように露出した状態に設けられると共に、半導体回路チップが樹脂に封入された状態に設けられるので、半導体センサチップと半導体回路チップとを一体に設ける構成としながら、半導体回路チップを汚染から保護するための構成を別途に採用する必要がなくなり、ケースなどに実装するための実装工数を低減することができるようになり、取り扱い上も便利になる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、ケースなどに実装する場合に、半導体センサチップの表面を検出媒体の状態が伝達可能となる状態で保護するようにコーティングすると共に、樹脂パッケージから外部に導出された接続用のリード部を検出媒体の雰囲気から保護するようにコーティングする必要があるときには、樹脂パッケージのセンサマウント部が凹状に形成されているので、樹脂パッケージそのものを分離用の隔壁として利用して上述の異なるコーティングを行うことができるようになり、実装時の組立てコストの低減を図れるようになる。
【００１５】
請求項３の発明によれば、樹脂パッケージをセンサマウント部の裏面側に対応して凹部を形成した構造としているので、樹脂パッケージを成形する際に、センサマウント部を形成している凹状部と裏面側に形成する凹部との両方により樹脂流れに対する抵抗を受けるようになり、これによって樹脂が一方側にだけ流れることによる内部での気泡残りが防止されて充填性の良い樹脂パッケージを形成することができるようになる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、樹脂パッケージを熱硬化性の樹脂により形成するので、内部に封入している半導体回路チップに対する気密性を高くすることができ、これによって耐汚染性の向上を図って信頼性の高い樹脂パッケージを得ることができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を半導体圧力センサ装置に適用した場合の第１の実施の形態について図１ないし図５を参照しながら説明する。
図１および図２は本実施の形態の半導体圧力センサ装置２１を示しており、これは、例えば自動車のエンジン制御用としてエンジンの吸入空気量を検出するために用いられるもので、圧力測定範囲は、例えば１０ｋＰａ［ａｂｓ］〜２５０ｋＰａ［ａｂｓ］程度のものである。したがって、圧力媒体である吸入空気には空気だけではなく排気ガスや排気ガスが冷却されてできる酸性の凝縮水等が混じっており、このような半導体圧力センサ装置２１にとっては汚染環境下に配置して使用することになる。
【００１８】
さて、半導体圧力センサ装置２１は、後述するトランスファ成形法により形成した矩形容器状をなす樹脂パッケージ２２の一端面側から３本のターミナル２３を導出した状態に形成されている。これら３本のターミナル２３は、それぞれ電源端子，信号出力端子および接地端子に対応して設けられたものである。樹脂パッケージ２２の内部には、ターミナル２３を含んだリードフレーム２４およびこのリードフレーム２４の半導体回路用リード部２４ａに搭載された半導体回路チップとしてのＩＣチップ２５が封入されている。
【００１９】
リードフレーム２４は、上述した半導体回路用リード部２４ａ，ターミナル２３となる３つの端子リード部２４ｂおよび４つの半導体センサ用リード部２４ｃから構成されている。ＩＣチップ２５は、センサ信号が入力されるとこれを信号処理して検出信号として出力するもので、チップ表面に形成されている７つのボンディングパッドとリードフレーム２４の各部に対してボンディングワイヤ２６により電気的に接続されている。
【００２０】
樹脂パッケージ２２は、ＩＣチップ２５が搭載された側の面に矩形状をなす凹状に形成されたセンサマウント部２７が設けられており、このセンサマウント部２７の底面にはリードフレーム２４のセンサ用リード部２４ｃの一端部側が四隅部に露出されている。また、樹脂パッケージ２２のセンサマウント部２７の裏面側には、凹部として２本の凹状溝部２８が形成されている。この凹状溝部２８は後述するように成形時の樹脂流れに抵抗を与えるように設けられるもので、各凹状溝部２８の両端部にはセンサ用リード部２４ｃの裏面側が露出するように貫通した支持ピン用の孔２８ａが形成されており、成形時に裏面側から挿通される支持ピンによりセンサ用リード部２４ｃが支持されることにより形成されるものである。
【００２１】
このようにして形成されているセンサマウント部２７の中央にはガラス製の台座２９が接着固定され、その上に半導体センサチップとしての圧力センサチップ３０が陽極接合により接着された状態で搭載されている。圧力センサチップ３０は、シリコン基板の中央部にエッチングにより形成した薄肉部をダイヤフラムとして形成したもので、台座２９に接着することにより密閉された空間を圧力基準室３０ａとして用いるようになっている。そして、圧力センサチップ３０のダイヤフラム部にはピエゾ抵抗効果を利用した複数の抵抗体が形成されている。そして、これら複数の抵抗体はブリッジ接続された状態で信号端子および電源端子が４つの電極パッドに接続されている。
【００２２】
この圧力センサチップ３０の四隅の電極パッドとセンサ用リード部２４ｃの露出された部分との間は、ボンディングワイヤ３１によりボンディングされており、圧力センサチップ３０から出力されるセンサ信号はボンディングワイヤ３１，センサ用リード部２４ｃを介してＩＣチップ２５に入力されるようになっている。そして、圧力センサチップ３０のダイヤフラム部は圧力を受けて変位すると、抵抗体がこれに応じてピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化するので、ブリッジ回路の平衡状態が崩れてセンサ信号を出力するようになっている。
【００２３】
このように圧力センサチップ３０が搭載された状態で、圧力センサチップ３０のダイヤフラムの部分およびボンディングワイヤ３１が接続されるセンサ用リード部２４ｃの表面部分には、これらを覆うようにして保護用の樹脂３２がコーティングされている。この樹脂３２は、圧力センサチップ３０による圧力検出動作に支障を来さない程度の硬さのものを用いており、例えば、シリコーン樹脂系のゲル状物などを用いており、その複素弾性率としては、例えば１０３〜１０５Ｐａ程度のものを採用している。また、ボンディングワイヤ３１の表面には、図示はしないが薄くコーティング剤が塗布されており、汚染環境下でも電気的に絶縁状態が保たれるようになっている。
【００２４】
次に、このような半導体圧力センサ２１を実装用のケース３３に搭載した状態での構成について説明する。図３および図４において、ケース３３は、例えばＰＢＴ樹脂により形成されたもので、実装面側が開口された実装部３３ａおよびコネクタ部３３ｂが形成されこれらの間を電気的に接続するための３本のコネクタピン３４がインサート成形されている。
【００２５】
半導体圧力センサ２１はケース３３の実装部３３ａに収容載置されており、３本のターミナル２３とコネクタピン３４との間は溶接により電気的に接続されている。また、半導体圧力センサ２１の樹脂パッケージ２２は、外周部に樹脂注型剤（ポッティングシール剤）３５を用いてポッティング樹脂封止されており、これにより半導体圧力センサ２１がケース３３内に接着固定されている。
【００２６】
この場合、樹脂注型剤３５は、ケース３３内でコネクタピン３４のインサート部を介して負圧を受けたときでも実装部３３ａ内部に気泡が発生せず、しかもＩＣチップ２５が封入された樹脂パッケージ２２が実装部３３ａに強固に接着固定され、且つターミナル２３とコネクタピン３４との溶接部が汚染環境下でも保護できるような硬度および密着度の材質のものを使用する必要がある。このような樹脂注型剤３５としては、例えば、弾性率が１０５〜１０６Ｐａ程度のシリコーン樹脂系のゴムやエポキシ系の樹脂などがある。
【００２７】
上述のようにして半導体圧力センサ２１がケース３３内に収容されると、実装部３３ａの開口部３６に同じくＰＢＴ樹脂製のポート３７が接着固定される。このポート３７には、中央部に筒状をなす圧力伝達孔３８が形成されており、この圧力伝達孔３８を介してケース３３内部の半導体圧力センサ２１に搭載した圧力センサチップ３０に外部の圧力を伝達するようになっている。
【００２８】
次に、半導体圧力センサ２１の樹脂パッケージ２２の成形過程について簡単に説明する。成形時の樹脂流れの状態を縦断面で示す図５において、リードフレーム２４にはＩＣチップ２５がマウントされた状態でボンディングワイヤ２６が接続されている。この状態でリードフレーム２４は、下金型３９の所定部位に載置される。次いで、上金型４０により型を閉じた後、熱硬化性樹脂４１を型内に投入してプランジャ４２を押し込む。
【００２９】
これにより、熱硬化性樹脂４１は、一旦、金型３９，４０の熱によって溶融するとプランジャ４２による圧力でゲート４３を介してキャビティ４４内に流動するようになる。このとき、熱硬化性樹脂４１は、上金型４０の凸部４０ａ（樹脂パッケージ２２のセンサマウント部２７に対応する部分）と下金型３９の凸部３９ａ，３９ｂ（樹脂パッケージ２２の凹状溝部２８に対応する部分）との間が狭くなっていることにより、流れが抵抗を受けて上下共に均一に遅くなる。
【００３０】
これによって、熱硬化性樹脂４１は、キャビティ４４の末端部分まで気泡を残すことなく充填され、キャビティ４４内部の空気はエアベント４５を介して外部に抜けるようになる。そして、このように充填された熱硬化性樹脂４１は、さらに型内で加熱されて硬化し、固化し樹脂パッケージ２２が形成されるようになる。この後、成形物は金型３９，４０から取り出され、ゲート４３部分で切断されて樹脂パッケージ２２を得ることができるようになる。
【００３１】
上記構成の半導体圧力センサ２１では、圧力を検出する場合に次のようにして動作する。すなわち、ポート３７の圧力伝達孔３８を介して圧力媒体である空気が内部に連通しているので、保護用樹脂３２を介して圧力センサチップ３０のダイヤフラムに対して変形応力を与える。ダイヤフラムで受ける変形応力で、ピエゾ抵抗効果により抵抗体の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の平衡状態が崩れて電圧出力が得られる。この電圧信号をＩＣチップ２５において信号処理して圧力検出信号を得るようになる。
【００３２】
このような本実施の形態によれば、熱硬化性樹脂４１を用いて成形した樹脂パッケージ２２により、ＩＣチップ２５を封入した状態で圧力センサチップ３０のセンサマウント部２７を設ける構成としたので、ケース３３への実装時にＩＣチップ２５を圧力媒体としての空気による汚染から保護するためのコーティング剤を圧力センサチップ３０とは異なるコーティング剤で保護するための構造を設ける必要がなくなり、組立て性や実装作業が簡単且つ安価に行えると共に、ＩＣチップ２５の封入状態を熱可塑性樹脂などに比べて良好に保持することができるようになる。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、樹脂パッケージ２２に圧力センサチップ３０をマウントするためのセンサマウント部２７として凹状に形成したので、ターミナル２３とコネクタピン３４との溶接部を保護する樹脂注型剤３５とを隔てるための部材を別途に設ける必要がなくなり、部品点数を削減すると共に実装工数を低減することができるようになる。
【００３４】
さらに、本実施の形態によれば、樹脂パッケージ２２のセンサマウント部２７の裏面側に対応して２本の凹状溝部２８を設ける構成としたので、トランスファ成形時に熱硬化性樹脂４１の流れを均一にしてキャビティ４４内部に気泡などを残すことなく末端まで充填させることができるようになり、信頼性の高い樹脂パッケージ２２を製作することができるようになる。
【００３５】
図６は本発明の第２の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態と異なるところは、樹脂パッケージ２２に代えて、裏面側に広く浅く形成した凹状溝部４６を設けた樹脂パッケージ４７を形成したところである。つまり、凹状溝部４６を、センサマウント部２７の開口寸法とほぼ同じ程度となるように形成したもので、その深さ寸法については、第１の実施の形態のものに比べて肉厚になるように設定することができる。
【００３６】
そして、このような構成によっても、樹脂パッケージ４７をトランスファ成形する際に、センサマウント部２７と裏面側の凹状溝部４６とに熱硬化性樹脂４１を均一に流動させることができ、気泡など残留空気のない状態で樹脂パッケージ４７を成形することができるものである。
【００３７】
図７は本発明の第３の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態と異なるところは、樹脂パッケージ２２に代えて、裏面側に狭く深く形成した凹状溝部４８を設けた樹脂パッケージ４９を形成したところであり、これによっても、第２の実施の形態と略同様の作用効果を得ることができる。なお、センサマウント部２７の裏面側の樹脂の厚さ寸法は、圧力センサチップ３０のマウント時に強度が保持できる程度に設定することが好ましい。
【００３８】
図８および図９は本発明の第４の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態と異なるところは、樹脂パッケージ２２に代えて樹脂パッケージ５０を設ける構成としたところである。すなわち、樹脂パッケージ５０においては、センサマウント部５１の外周には周壁となるような部分がなく、熱硬化性樹脂はＩＣチップ２５がマウントされた部分に形成されるだけの構成である。
【００３９】
この実施の形態の場合には、圧力センサチップ３０を保護するための樹脂３２をターミナル２３とコネクタピン３４との溶接部にも樹脂注型剤として使用可能な測定環境下での用途に対応するもので、ケース３３に実装する際には、樹脂パッケージ５０の全体が覆われるように保護用の樹脂３２でポッティング樹脂封止されるものである。
【００４０】
このような第４の実施の形態によれば、用途に応じては簡単に保護用の樹脂３２をポッティングにより圧力センサチップ３０部分と樹脂パッケージ５０の外周部分とに同時に充填してポッティング樹脂封止することができるようになる。
【００４１】
本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
圧力センサチップ３０を保護する樹脂３２は、センサマウント部２７内全域に渡って充填する構成としても良い。
気体の圧力センサ以外に、水圧センサ，湿度センサ，成分センサ，光センサあるいは加速度センサなど半導体センサチップが検出雰囲気の影響を受ける状態で検出動作を行うようにした半導体センサ装置全般に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す縦断側面図
【図２】平面図
【図３】本体ケースに実装した状態で示す縦断側面図
【図４】本体ケースのポートを外した状態で示す平面図
【図５】成形時の樹脂の流れる状態を示す縦断側面図
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す図１相当図
【図７】本発明の第３の実施の形態を示す図１相当図
【図８】本発明の第４の実施の形態を示す図３相当図
【図９】同図４相当図
【図１０】従来例を示す図３相当図
【図１１】発明者の想定した従来例を示す図３相当図
【図１２】同図４相当図
【符号の説明】
２１は半導体圧力センサ（半導体センサ装置）、２２は樹脂パッケージ、２３はターミナル、２４はリードフレーム、２４ａは半導体回路用リード部、２４ｂは端子リード部、２４ｃは半導体センサ用リード部、２５はＩＣチップ（半導体回路チップ）、２６はボンディングワイヤ、２７はセンサマウント部、２８は凹状溝部（凹部）、２９は台座、３０は圧力センサチップ（半導体センサチップ）、３１はボンディングワイヤ、３２は保護用樹脂、３３はケース、３３ａは実装部、３３ｂはコネクタ部、３４はコネクタピン、３５は樹脂注型剤、３７はポート、３８は圧力伝達孔、３９は下金型、４０は上金型、４１は熱硬化性樹脂、４２はプランジャ、４３はゲート、４４はキャビティ、４５はエアベント、４６，４８は凹状溝部、４７，４９，５０は樹脂パッケージ、５１はセンサマウント部である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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