(57)【要約】      （修正有）【課題】基板や電子部品にかかるひずみ量を低減し信頼性を確保することができる力学量測定装置を提供する。【解決手段】複数の半導体ピエゾ抵抗を備え、複数の半導体ピエゾ抵抗と電気的に接続された複数の電極を備える半導体チップと、複数の電極と電気的に接続される複数の配線を備える電極部と、半導体チップが搭載されるチップ搭載面と、チップ搭載面の反対側に位置し被測定物に固定される実装面と、半導体チップの裏面がチップ搭載面と対向するように半導体チップが接合材を介して固定される板材と、板材のチップ搭載面と平行な面に同じ方向に接着材を介して固定される樹脂基板と、電極部と樹脂基板の電極部を繋ぐ配線部と、を有し、板材は、半導体チップの裏面と対向する第１領域と、樹脂基板の裏面と対向する第２領域と、を備え、板材の第２領域の厚さは、板材の第１領域の厚さよりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体ピエゾ抵抗を備え前記複数の半導体ピエゾ抵抗と電気的に接続された複数の電極を備える半導体チップと、
前記複数の電極と電気的に接続される複数の配線を備える電極部と、
前記半導体チップが搭載されるチップ搭載面と、
前記チップ搭載面の反対側に位置し被測定物に固定される実装面と、
前記半導体チップの前記裏面が前記チップ搭載面と対向するように前記半導体チップが接合材を介して固定される板材と、
前記板材の前記チップ搭載面と平行な面に同じ方向に接着材を介して固定される樹脂基板と、
前記電極部と前記樹脂基板の電極部を繋ぐ配線部と、を有し、
前記板材は、前記半導体チップの前記裏面と対向する第１領域と、前記樹脂基板の裏面と対向する第２領域と、を備え、
前記板材の前記第２領域の厚さは、前記板材の前記第１領域の厚さよりも大きいことを特徴とする力学量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力学量測定装置において、
前記板材は金属材料で構成されることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力学量測定装置において、
前記力学量測定装置は、前記板材の前記実装面に沿って負荷するひずみを測定することを特徴とする力学量測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力学量測定装置において
前記樹脂基板は、電子部品が搭載されており、
前記電子部品は、複数の電極が一方向に並んでおり、前記複数の電極の並ぶ方向と測定するひずみの方向が垂直になるように配置されていることを特徴とする力学量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物のひずみや応力を測定できる半導体ひずみセンサを用いた力学量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術として、例えば、特許文献１にはシリコンなどの半導体を利用した、従来の金属薄膜を用いた歪ゲージよりも高感度な半導体ひずみセンサが記載されている。また、特許文献２には力学量測定装置と同様のものであるロードセルに付属させる電気回路部基板について、前記ロードセルの剛体部にひずみが起こっても、前記電気回路部が安定した動作ができるようなロードセルが記載されている。また、特許文献３にはひずみ量を緩和する伸縮自在部を備えた歪ゲージ用ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｐｒｉｎｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）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２００９−２６４９７６号公報
【特許文献２】特開平１０−１７６９６４号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２５６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
構造物のひずみや応力を測定する方法として、最も普及しているのは、ひずみゲージを用いる方法である。ひずみゲージは、ポリイミドやエポキシ樹脂フィルム上に、Ｃｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金の金属薄膜の配線パターンを形成して、引出しリード線を設けた構造であり、被測定物に接着剤で接着して使用する。金属薄膜の変形に起因した抵抗値の変化から、ひずみ量を算出することができる。
【０００５】
これに対して、より高精度なひずみ計測を行う方法として、半導体を用いた半導体ひずみセンサの開発が進んでいる。ひずみ検知部を金属薄膜ではなく、シリコン（Ｓｉ）などの半導体に不純物をドープして形成した半導体ピエゾ抵抗を利用するデバイスである。半導体ひずみセンサは、ひずみに対する抵抗変化率が金属薄膜を用いたひずみゲージの数１０倍と大きく、微小なひずみを測定することが可能である。また、金属薄膜のひずみゲージでは、抵抗変化が小さいため、得られる電気信号を増幅するための外部のアンプが必要となる。半導体ひずみセンサは抵抗変化が大きいため、得られた電気信号を外部のアンプを用いずに使用することもでき、また半導体ひずみセンサの半導体チップにアンプ回路を作りこむことも可能であるため、適用用途や使用上の利便性が大きく広がると期待される。
【０００６】
荷重や力を電気信号に変えるものとして、前記ひずみゲージや前記半導体ひずみセンサを起歪体に貼り付けたロードセルがある。近年、前記ロードセルには、前記ロードセルに必要な電気的機能を搭載した基板も備えられるようになった。前記ロードセルに備えられる前記基板は、前記ロードセルの起歪体に搭載されるため、前記起歪体のひずみの影響を受け、基板上の半田や電子部品等の電気回路部が破損してしまうおそれがあった。従来のロードセルの前記課題の解決方法として特許文献２や特許文献３がある。しかし、電子部品を半田で搭載している基板を接着材を介して起歪体に接着した力学量測定装置では、前記起歪体全体が一様にひずむことと、ＦＰＣよりも硬い基板を利用していることから、特許文献２や特許文献３による課題解決ができない。そのため、力学量を測定中における前記電子部品や前記半田へのひずみによる影響に関しては未だ改善の余地が残されている。
本発明の目的は、基板や電子部品にかかるひずみ量を低減し信頼性を確保することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、以下の通りである。複数の半導体ピエゾ抵抗を備え前記複数の半導体ピエゾ抵抗と電気的に接続された複数の電極を備える半導体チップと、前記複数の電極と電気的に接続される複数の配線を備える電極部と、前記半導体チップが搭載されるチップ搭載面と、前記チップ搭載面の反対側に位置し被測定物に固定される実装面と、前記半導体チップの前記裏面が前記チップ搭載面と対向するように前記半導体チップが接合材を介して固定される板材と、前記板材の前記チップ搭載面と平行な面に同じ方向に接着材を介して固定される樹脂基板と、前記電極部と前記樹脂基板の電極部を繋ぐ配線部と、を有し、前記板材は、前記半導体チップの前記裏面と対向する第１領域と、前記樹脂基板の裏面と対向する第２領域と、を備え、前記板材の前記第２領域の厚さは、前記板材の前記第１領域の厚さよりも大きい構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、力学量測定装置の起歪体に接着された基板にかかるひずみ量を低減することができ、樹脂基板上の電子部品および半田の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施の形態である樹脂基板を接着した起歪体を含む力学量測定装置の拡大平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である
【図３】板材側面１ｅの厚さに対する樹脂基板３の上面３ａのひずみ量のグラフである
【図４】板材側面１ｅの厚さと、板材１の搭載面１ａに対する樹脂基板３の上面３ａのひずみ量低減率のグラフである
【図５】搭載する電子部品の電極が測定するひずみ方向に並んだ時の力学量測定装置の拡大平面図である
【図６】搭載する電子部品の電極が測定するひずみ方向に対して垂直に並んだ時の力学量測定装置の拡大平面図である
【図７】電子部品の電極配置パターンを示した平面図である
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の実施の形態では同一または同様の部分は同一または類似の符号または参照番号で示し、特に必要なとき以外は同一または同様の部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、以下の実施の形態では便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数など（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。また、以下の実施の形態において、その構成要素は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、以下の実施の形態において、構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１１】
また、添付図面においては、却って、煩雑になる場合または空隙との区別が明確である場合には、断面であってもハッチング等を省略する場合がある。これに関連して、説明等から明らかである場合等には、平面的に閉じた孔であっても、背景の輪郭線を省略する場合がある。更に、断面でなくとも、空隙でないことを明示するために、ハッチングを付すことがある。
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１３】
本実施の形態の力学量測定装置の基本構成について図を用いて説明する。なお、図１では封止体８の内部構造を示すため封止体８の輪郭を二点鎖線で示し、封止体８を透過した内部構造を示している。
【００１４】
図１および図２に示すように、本実施の形態である力学量測定装置１２は、起歪体１の実装面１ａにおいて接着剤１８を介して構造物１９に接着され、構造物１９のひずみ量を測定するものである。力学量測定装置１２は内部に半導体ピエゾ抵抗を備えた半導体ひずみセンサである半導体チップ２と、接合材１４を介して半導体チップ２が搭載される板材１と、半導体チップ２を封止する封止体８と、板材１に接着材７を介して接合され、かつ半導体チップ２と半導体チップ２に搭載される配線接続部１０及びワイヤ（導電性部材）１１を介して電気的に接続される電気回路部を持つ基板１３と、を有している。半導体チップ２と板材１を接合する接合材は、本実施例では金属素材としているが、前記金属素材に限らず樹脂素材等でも問題ない。また、基板１３は板材１の上面１ｃに接着材７を介して接合される樹脂基板３と、樹脂基板３にプリント配線されるプリント線１５と、樹脂基板３上の複数の電極１７に半田６を介して電気接続部１６と接続される電子部品４と、を有している。板材１はヤング率１９７ＧＰａのステンレス鋼であり、樹脂基板３はヤング率２０ＧＰａのガラスエポキシ基板で構成される。前記それぞれのヤング率は、ステンレス鋼のヤング率よりガラスエポキシ基板のヤング率の方が小さいことを除けば、各素材の構成によってその数値に限定されるものではない。
【００１５】
図２に示す例では、板材１は半導体チップ２が搭載される領域３１と、基板１３が搭載される領域３２と、を備え、領域３２の上面１ｃは半導体チップが搭載される領域３２の上面１ｂよりも構造物１９から離れた位置に配置される。つまり領域３１の板材１の側面１ｄの厚さよりも領域３２の板材１の側面１ｅの厚さの方が大きい。一方、板材１の実装面１ａは、構造体１９との接着強度を保つため、領域３１、３２共に平坦化されている。このように板材１において、領域３１よりも領域３２を厚くすることで得られる効果は後述する。
【００１６】
図１および図２に示すように、基板１３の樹脂基板３の上面３ａには半導体チップ２の複数の電極１０と電気的に接続される複数のワイヤ１１が接続される複数の電極９が配置される。前記配線はワイヤボンディング技術をもちいて行われている。また、樹脂基板３上の配線においては、樹脂基板３上の電極９から複数のプリント配線１５を介して電極１７および半田６に電気的に接続され、電子部品４の電極１６と電気的に接続する。電子部品４については、例えば測定したひずみ量のデータを伝達するコネクタ、もしくは抵抗、コンデンサ等をさすが、半田で接合可能な電気的機能を持った電子部品であること以外は特に限定しない。ワイヤ１１は例えば線径が１０μｍ〜２００μｍ程度の金線（Ａｕ線）であって、封止体８により封止されている。封止体８でワイヤ１１を覆うことにより、隣り合うワイヤ１１同士の短絡を防止できる。基板１３上の配線、電子部品は半導体チップ２とやりとりする電気的信号の変換処理や、半導体チップ２と図示しない外部機器との間で入出力電流を伝送すること等ができればよく、図１および図２に示す態様には限定されない。
【００１７】
次に力学量測定装置１２の機能について記述する。力学量測定装置１２は実装面１ａを構造物１９の平面に接着剤１８を介して接着することで構造物１９のひずみを検知し、前記ひずみが接着剤１８を介して板材１に伝わり、さらに接合面１ｂ及び接合材１４を介して、半導体チップ２に伝達し、半導体チップ２に伝わったひずみを半導体チップ２内の半導体ピエゾ抵抗を使って測定するものである。例えば図１に示すような矢印ＳＴの方向に板材にひずみ（引張ひずみ）がかかった場合、同方向のひずみが接合面１ｂ、接合材１４、半導体チップ２にも発生し、半導体チップ２にて同方向のひずみをセンシングする。この時、板材１および接合材１４を介することで半導体チップ２に伝達されるひずみ量は一定量緩和される。また、板材１の厚さ、図２でいうと側面１ｄの大きさを変えることで半導体チップ２に伝達されるひずみ量を変えることができ、これによって測定する構造体１９のひずみ量のダイナミックレンジを変えることができる。
【００１８】
一方、板材１にかかる前記ひずみは同時に上面１ｃ、接着材７、樹脂基板３を介してプリント配線１５や半田６にも伝達される。特に半田６にかかるひずみによって、半田６が破損する恐れがある。これを解決するために、板材１の側面１ｅの長さを大きくして、板材１の領域３２部分を厚くした。これによって構造物１９から伝わるひずみが板材１の内部で緩和され、領域３１よりも領域３２の方が大きくひずみ量を低減できる、つまり樹脂基板３の上面３ａにかかるひずみを低減することができる。この際、板材１の厚さつまり側面１ｅの大きさが大きいほど板材１の体積が増え、内部で緩和されるひずみ量が大きくなるため、樹脂基板３の上面３ａにかかるひずみの低減量は大きくなる。しかし、半導体チップ２にかかるひずみは、測定のダイナミックレンジによって設定されるため、安易に領域３１における板材１の厚み、つまり側面１ｄの厚みを変えることはできない。そのため、半導体チップ２にかかるひずみ量のダイナミックレンジを保ちながら、半田６の破損を防ぐ必要がある。ゆえに板材１において、基板１３が接着される領域３２の側面１ｅを半導体チップ２が接合される領域３１の側面１ｄよりも厚くすることで、半導体チップ２に伝わるひずみ量を変えることなく半田６にかかるひずみ量を低減することができる。
【００１９】
図３は、板材１の素材をステンレス鋼（ヤング率１９７ＧＰａ）とし、樹脂基板３をガラスエポキシ基板（ヤング率２０ＧＰａ）とし、側面１ｄを０．５ｍｍ、側面１ｅを１．０ｍｍ〜２．０ｍｍとして、基板を搭載する板材の実装面１ａに矢印ＳＴ方向に２９００μεのひずみが発生した時に同時に樹脂基板３の上面３ａにかかるひずみ量を有限要素法解析によって示したものである。また、その際の板材１の実装面１ａのひずみ量に対する、前記上面３ａのひずみ量低減率を示したものが図４である。図４に示すように、矢印ＳＴで示す方向に引張ひずみが前記実装面１ａに付加されたとき、前記実装面１ａのひずみ量に対する前記上面３ａのひずみ量は２５％低減されることがわかる。また、素材を同条件とし、側面１ｄを０．５ｍｍ、側面１ｅを２．０ｍｍとすると、前記実装面１ａのひずみ量に対する前記上面３ａのひずみ量は５３％低減されることがわかる。上記により前記上面３ａ、前記上面３ａに接続される半田６および電子部品４にかかるひずみ量を低減することができ、基板１３の信頼性を確保することができる。
【００２０】
一方、板材１の厚さつまり側面１ｅを厚くするのではなく、樹脂基板３の側面３ｂを厚くすることも前記上面３ａ、前記上面３ａに接続される半田６および電子部品４にかかるひずみ量を低減する方法の一つとして考えられる。これについても上記同様に板材１の実装面１ａに矢印ＳＴ方向に２９００μεのひずみが発生した時に同時に樹脂基板３の上面３ａにかかるひずみ量に対して有限要素法解析を行うと、板材１の側面１ｅを１．０ｍｍとし、樹脂基板３の側面３ｂを０．１ｍｍとした場合、最大２１６０με（低減率２５％）となり、側面１ｅを０．５ｍｍ、樹脂基板３の側面３ｂを０．６ｍｍとした場合、最大２７２０με（低減率６％）となる。このため、側面３ｂと側面１ｅを足した長さを変えないまま前記どちらかの部材の側面を厚くする場合、樹脂基板３の側面３ｂを厚くするより、板材１の側面１ｅを厚くした方がひずみ量低減効果が高いことがわかる。
【実施例２】
【００２１】
本実施例では図５および図６に示される電子部品の搭載方法について記述する。実施例１では基板１３にかかるひずみ量の低減方法として、板材１の厚さつまり図２における板材１の側面１ｅの大きさを大きくすることで前記ひずみ量の低減を図った。しかし、図５および図６において、電子部品４および電子部品２２の搭載の向きによっては電子部品自体にかかるひずみ量が変わる。
【００２２】
上記ひずみ量がかわる理由について、図７を用いて記述する。図７に示すような電子部品５１、電子部品５４、電子部品５７において、それぞれの電子部品本体５２、電子部品本体５５、電子部品本体５８に接続する電極５３、電極５６、電極５９は矢印Ｘと同じ方向に並んでいる。これらに類似する電子部品を搭載する際に、図７の矢印Ｙと図５における矢印ＳＴが同じ方向になるように電子部品を配置する場合は、図７の矢印Ｘと図５における矢印ＳＴが同じ方向になるように電子部品を配置する場合に比べて、１つの電子部品においてひずみの方向に対して電極が並び、かつ電極と電極の間に電子部品本体があるかないかの違いがある。図５および図６において板材１においてＳＴ方向にかかるひずみが十分大きく、電子部品や半田の剛性が前記ひずみに及ぼす影響が十分少ない場合、１つの電子部品において、ひずみの方向に対して電極と電極の間に電子部品本体がある、つまり図７の矢印Ｘと図５における矢印ＳＴが同じ方向になるように電子部品を配置する場合は、１つの電子部品の電極と電極の間に電子部品本体がない、つまり図７の矢印Ｙと図５における矢印ＳＴが同じ方向になるように電子部品を配置する場合と比べて、それぞれの電極の間にある電子部品にもひずみが発生しているため、電子部品本体にかかるひずみ量が大きくなる。一方、前記に比べて、図７に示す電子部品６０、電子部品６３、電子部品６６、のように一方向だけに電極が並んでいない場合には、それぞれの電子部品本体６１、６４、６７にかかるひずみ量は方向に依存することが少なくなる。従って、図７の電子部品５１（図５の電子部品４、図６の電子部品２２に相当）、電子部品５４、電子部品５７のように一方向に電極が並んでいる電子部品を樹脂基板３に搭載する際には、電極が並んでいる方向を図１の矢印ＳＴと垂直の方向にして前記電子部品を搭載することで、電子部品へのひずみの影響を低減することができる。従って、図５の電子部品４は図６の電子部品２２と比べてＳＴ方向のひずみに対する、電子部品へのひずみ量の影響は少なくなり、信頼性が向上する。上記記述は、一方向に限らず、測定するひずみの方向によって電子部品の配置の向きを最適化することを阻むものではない。
【００２３】
最後に、実施例１および２の組合せについて説明する。実施例１および２において、外的な環境や、求められる強度等によって、それぞれの実施例の特徴を組合せることで最適な形状を選択することが出来る。前記特徴をどのように選択するかは、求められる信頼性、素材の特性等によって最適に合わせていくものである。
【符号の説明】
【００２４】
１  板材
２  半導体チップ
３  樹脂基板
９，１０  電極
１１  ワイヤ
１５  プリント配線
３１，３２  領域
【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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