(57)【要約】【課題】外部応力の影響を抑制することが可能な圧力センサ及びその実装方法を提供する。【解決手段】樹脂パッケージ１４と、樹脂パッケージ１４上にダイボンド樹脂１２を介して設けられた台座１３と、台座１３上にダイボンド樹脂１２を介して設けられた圧力センサ素子１１とを備え、台座１３は、圧力媒体が圧力センサ素子１１に通じる経路１３ａを有し、台座１３は、樹脂パッケージ１４の線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質で形成され、台座１３は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されている。【選択図】図１
2018185213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂パッケージと、
前記樹脂パッケージ上にダイボンド樹脂を介して設けられた台座と、
前記台座上にダイボンド樹脂を介して設けられた圧力センサ素子とを備え、
前記台座は、圧力媒体が前記圧力センサ素子に通じる経路を有し、
前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質で形成され、
前記台座は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記台座は、少なくとも２０〜３００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成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。
【請求項３】
前記樹脂パッケージは、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を含み、前記台座は、アルミニウム、真鍮、銅合金から選択される金属で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサの実装方法であって、前記圧力センサ素子と電気的に接続された端子に半田を付与し、リフローする工程を有することを特徴とする圧力センサの実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ及びその実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力センサとしては、ダイアフラム等の機械的感圧素子により検知されたひずみを、ピエゾ抵抗等により電気信号に変換することで圧力を検知する方式が開発されている。特許文献１には、センサチップを収納するボディ内部に導入管から被圧力検出流体を導入する構成のパッケージを備えた圧力センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−８２９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
測定可能な圧力領域がより小さくなり、より微圧の測定が求められるにつれて、樹脂パッケージの変形による外部応力の影響が無視できなくなる。これにより、センサ出力のオフセット電圧の変動が大きくなる。特に、外部温度の変動があると、圧力センサの各部を構成する材料の熱膨張係数の違いから、センサ素子に応力が作用して、圧力センサの特性が変動するおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外部応力の影響を抑制することが可能な圧力センサ及びその実装方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージ上にダイボンド樹脂を介して設けられた台座と、前記台座上にダイボンド樹脂を介して設けられた圧力センサ素子とを備え、前記台座は、圧力媒体が前記圧力センサ素子に通じる経路を有し、前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の０．５倍〜１．５倍の線膨張係数を有する物質で形成され、前記台座は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていることを特徴とする圧力センサを提供する。
【０００７】
前記台座は、少なくとも２０〜３００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていてもよい。
前記樹脂パッケージは、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を含み、前記台座は、アルミニウム、真鍮、銅合金から選択される金属で形成されていてもよい。
【０００８】
また、本発明は、前記圧力センサの実装方法であって、前記圧力センサ素子と電気的に接続された端子に半田を付与し、リフローする工程を有することを特徴とする圧力センサの実装方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、温度の変動があってもセンサ素子に応力が作用しにくくなり、圧力センサの特性変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態の圧力センサを示す（ａ）縦断面図、（ｂ）Ａ−Ａ線に沿う横断面図である。
【図２】台座の違いによる応力のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】リフロー工程におけるオフセット変動を比較したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本実施形態の圧力センサを示す。本実施形態の圧力センサ１０は、概略として、圧力センサ素子１１と、ダイボンド樹脂１２と、台座１３と、樹脂パッケージ１４を備える。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、圧力センサ素子１１は、基板１１ｂに形成された検知部１１ａを有する。検知部１１ａとしては、例えばダイアフラムが挙げられる。検知部１１ａの厚さ、大きさ等により、圧力に対する感度を調整することができる。圧力センサ素子１１の内部には、圧力センサ１０の外部から圧力媒体が導入される凹部１１ｃが設けられている。圧力センサ素子１１は、例えばＭＥＭＳ技術によりシリコン等の半導体から構成されてもよい。
【００１３】
検知部１１ａは、凹部１１ｃ内の圧力と圧力センサ素子１１の外部の圧力との差の変化に応じて変形が可能である。本実施形態の圧力センサ１０は、絶対圧、相対圧（差圧、ゲージ圧）等の種類に応じた構成をとることができる。例えば、圧力センサ素子１１の外部が、図示しない蓋部などにより閉鎖された圧力基準室を構成する場合、検知部１１ａは、凹部１１ｃに導入される圧力媒体の圧力の変化に応じて、圧力センサ１０の外部の圧力の変化を検知することができる。検知部１１ａの両側の空間がそれぞれ圧力媒体の導入口を介して圧力センサ１０の外部に通じている場合、検知部１１ａは、その両側の空間の差圧を検知することができる。一方の空間の圧力が大気圧を示す場合、検知部１１ａは、他方の空間のゲージ圧を検知することができる。
圧力が変化すると、検知部１１ａに歪みが生じる。検知部１１ａに生じた歪みは、ピエゾ抵抗等により、電圧等の電気信号に変換することが可能である。電気信号は、圧力センサ素子１１と電気的に接続されたリード等の外部端子を通じて圧力センサ１０の外部に取り出される。圧力センサ１０を外部の基板等に実装する際は、外部端子に半田を付与し、リフローする工程を有することが、生産性の観点から好ましい。
【００１４】
圧力センサ素子１１は、台座１３の上方に配置されている。圧力センサ素子１１は、台座１３上にダイボンド樹脂１２を介して設けられている。台座１３は、圧力媒体が圧力センサ素子１１に通じる経路１３ａを有する。台座１３の材質は、例えば金属である。経路１３ａとしては、例えば台座１３を貫通する穴（スルーホール）が挙げられる。圧力媒体は、気体、液体等の流体である。
【００１５】
台座１３は、樹脂パッケージ１４に圧力センサ素子１１が実装される箇所に設けられている。また、台座１３は、樹脂パッケージ１４上にダイボンド樹脂１２を介して設けられている。樹脂パッケージ１４は、圧力媒体を通す経路１４ａを有する。経路１４ａとしては、例えば樹脂パッケージ１４の底部を貫通する穴（スルーホール）が挙げられる。樹脂パッケージ１４に設けられた圧力媒体の経路１４ａは、台座１３に設けられた圧力媒体の経路１３ａと重なり合う位置に設けられてもよい。経路１３ａ，１４ａを通して検知部１１ａの受圧面に圧力媒体が接触することができる。
【００１６】
台座１３の平面形状は、圧力センサ素子１１が樹脂パッケージ１４側に固着される箇所をすべて含んでもよい。図１（ｂ）では、台座１３の外形が四角形で、経路１３ａが円形の例を示す。これらの形状は特に限定されず、例えば台座１３の外形が円形等であってもよい。
【００１７】
樹脂パッケージ１４は、比較的安価な樹脂から構成することができる。樹脂パッケージ１４の構成材料として、例えば線膨張係数が約２．２×１０−５／Ｋのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が挙げられる。ＰＰＳは、例えば約２６０℃以上で熱変形温度となり、融点は約２８０℃である。樹脂パッケージ１４が、少なくとも２０〜３００℃の間においてガラス転移点又は融点を有してもよい。樹脂パッケージ１４が熱可塑性樹脂であると、モールド成形が容易であるので好ましい。なお、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等から樹脂パッケージ１４を構成することも可能である。
【００１８】
台座１３は、圧力センサ１０の実装時又は使用時における外部環境の温度範囲で剛性を保つ材料から構成される。台座１３の構成材料は、少なくとも２０〜２００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質であることが好ましく、少なくとも２０〜３００℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質であることがより好ましい。
【００１９】
また、台座１３は、樹脂パッケージ１４に近い線膨張係数を有する。台座１３の線膨張係数κ１は、樹脂パッケージ１４の線膨張係数κ２の０．５倍〜１．５倍の範囲内であることが好ましい。台座１３の線膨張係数κ１が、樹脂パッケージ１４の線膨張係数κ２の０．７倍〜１．３倍の範囲内であることがより好ましい。例えば、樹脂パッケージ１４がＰＰＳを含む場合は、台座１３は、線膨張係数が約２．４×１０−５／Ｋのアルミニウム（Ａｌ）、線膨張係数が約２．１×１０−５／Ｋの真鍮、もしくは、ＰＰＳに近い線膨張係数を有する銅合金から形成されていることが好ましい。なお、真鍮も銅合金の一種（銅と亜鉛の合金）であるが、適切な線膨張係数を有する金属であれば特に限定されず、他の合金でもよい。
【００２０】
図２に、外部環境が２５℃から２６０℃まで昇温されたときに、樹脂パッケージ１４のスルーホール付近にかかる応力について、シミュレーションを実施した結果を示す。「ガラス」、「Ａｌ」、「真鍮」は台座１３の材質を示す。また、「台座無」は台座１３を省略して、樹脂パッケージ１４上にダイボンド樹脂１２を介して圧力センサ素子１１を実装した構成を示す。台座の材質に添えた数値は、長さＬ×幅Ｗ×厚さＴ（単位：ｍｍ）を表す。図２（ａ）では、Ａｌ台座をガラス台座、台座無と比較し、図２（ｂ）では、真鍮台座をガラス台座、台座無と比較した。対比例の台座に用いたガラスの線膨張係数は、約０．０５８×１０−５／Ｋである。
【００２１】
図２の結果から、ガラス、台座無、Ａｌ、真鍮の順番で、樹脂パッケージにかかる応力が小さくなっていることが分かる。これは、樹脂パッケージと台座の線膨張係数差が小さいほど、樹脂パッケージにかかる応力が小さくなることを表わしている。また、このシミュレーションでは、台座の厚さ、大きさの変化に対して応力の有意な差は見られないことが分かった。よって、台座の材質、特に台座の線膨張係数を考慮することが有意である。
【００２２】
以上の結果を踏まえて、台座の有無及び材料が異なるサンプルを用意して、オフセット変動を比較した結果を図３のグラフに示す。各サンプルは、樹脂パッケージにＰＰＳを主な材料として用いた樹脂を使用し、シリコンを主な材料としたＭＥＭＳの圧力センサ素子を使用した。台座の材質は、ガラス、Ａｌ、真鍮、銅合金の４種類であり、これに「台座無」を加えた５種類の水準が比較対象である。各水準の実験投入数、台座の厚さ及び線膨張係数（ＣＴＥ）を表１に示す。なお、ＰＰＳの線膨張係数は約２．２×１０−５／Ｋ、シリコンの線膨張係数は約０．２６×１０−５／Ｋである。
【００２３】
【表１】
2018185213.tif 000003
【００２４】
オフセット変動の測定方法は、各サンプルについて、最大温度が２７０℃のリフロー工程を実施し、リフロー工程前のオフセット出力と、リフロー工程から３０分経過後のオフセット出力を測定し、フルスケールに対する変動（％ＦＳ）に換算する方法である。ここで、３０分経過後をリフロー直後としたのは、サンプルの温度がリフロー工程前と十分同じ室温まで戻るのに要する時間を考慮したためである。
【００２５】
図３の結果から、台座の線膨張係数が樹脂パッケージの線膨張係数と近くなるほど、オフセット変動を抑制する効果が大きいことが判明した。すなわち、本発明の解決手段が効果を奏する可能性が極めて高いことが示された。
【００２６】
リフロー工程によるオフセット変動については、次のようなメカニズムが考えられる。
（１）室温から樹脂パッケージの温度が上昇すると、樹脂パッケージと圧力センサ素子の線膨張係数差、温度差から、圧力センサ素子に弾性的な応力が発生する。
（２）樹脂パッケージの温度が、樹脂の融点等（相転移点）に達すると、樹脂が粘性を獲得して、圧力センサ素子の弾性的な応力が減少する。
（３）温度が樹脂の凝固点等（相転移点）以上で、樹脂パッケージが粘性を有する間は、樹脂パッケージの応力があまり発生しない。なお、熱可塑性樹脂は融点と異なる凝固点を有する場合がある。
（４）樹脂パッケージが弾性を獲得するまで温度が低下すると、樹脂パッケージと圧力センサ素子の線膨張係数差、温度差から、圧力センサ素子に弾性的な応力が発生する。
【００２７】
リフロー工程の間、樹脂パッケージが粘性を獲得せず、弾性を維持する場合は、温度の上昇による膨張と、温度の下降による収縮がほぼ釣り合うため、室温に戻ったときに圧力センサ素子に残留する応力は小さくなると考えられる。しかし、その場合は、樹脂パッケージの材料や加工のコストが高いという懸念がある。
【００２８】
上述したように、リフロー工程の間に樹脂パッケージが粘性を獲得すると、高温において圧力センサ素子の応力が緩和される。しかし、リフロー工程から冷却される過程で、樹脂パッケージが圧力センサ素子より大きく収縮することにより、圧力センサ素子に応力が発生する。そこで、リフロー温度範囲内に樹脂パッケージがガラス転移点や融点等の相転移点を持ち、熱変形し得るとしても、圧力センサ素子の応力を抑制する必要がある。
【００２９】
圧力センサ素子１１と台座１３の線膨張係数が異なるので、リフロー工程により圧力センサ１０全体の温度が上昇すると、圧力センサ素子１１が応力を受ける。しかし、圧力センサ素子１１の変形は弾性的な変化なので、温度が室温に戻ると、圧力センサ素子１１が受けた応力は無くなる。一方、台座１３と樹脂パッケージ１４との間で線膨張係数差を小さくすることにより、樹脂パッケージ１４の変形を抑制することができる。よって、本実施形態によれば、リフロー工程後に樹脂パッケージ１４から受ける台座１３の変形の影響が少なくなるため、台座１３の変形が圧力センサ素子１１に与える影響も少なくなる。
【００３０】
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【００３１】
上述の圧力センサは、水深計、高度計等のように、周囲の水圧又は気圧に基づいて、圧力以外の物理量を計測する機器に利用することもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１０…圧力センサ、１１…圧力センサ素子、１２…ダイボンド樹脂、１３…台座、１４…樹脂パッケージ。
【図１】
2018185213.tif 000004
【図２】
2018185213.tif 000005
【図３】
2018185213.tif 000006