JPH09138172A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体圧力センサを極めて小型化できかつ低
コストで製造できる半導体圧力センサおよびその製造方
法を提供する。 【解決手段】 基板４の一面４ａには圧力センサ素子の
形成箇所にプリント配線５をしかつ圧力センサ素子の接
続構造１２を形成し、他面４ｂには電極端子６を形成す
ると共に、一面４ａから他面４ｂに突き抜けてスルーホ
ール７を形成する。基板４の一面４ａに個々にセンサチ
ップ３を台座８に乗せて固定し該センサチップ３をリー
ド線９でプリント配線５に電気的に接続する。このセン
サチップ３をキャップ２で覆い固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高度、気圧、水深
等の圧力を計測できる腕時計（ダイバーズウオッチ）等
の、小型圧力センサを必要とする機器類に利用可能な半
導体圧力センサおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサは、空圧機器などの産業用か
ら大気圧モニター等の気象観測用さらには家庭電化製品
に至るまでその用途は極めて広い。しかも、現在におい
て、圧力センサは腕時計等の携帯用の機器にまで搭載さ
れており、登山用の高度計やダイバー用の水深計として
の利用により快適なスポーツライフを提供する等、その
用途はますます広がっている。

【０００３】前記携帯用の機器に圧力センサを搭載にす
るときには、搭載する圧力センサにより、機器が大型化
してしまっては、携帯用機器の意味をなさないため、当
然、圧力センサの小型化が必要である。

【０００４】従来の小型圧力センサは、ボタン型と称さ
れており、金属リードフレームでセンサチップとの導電
線路を形成し、パッケージ構造として周囲の絶縁体を樹
脂モールドで成形するリードフレーム法と称される方法
で製造されていた。

【０００５】図５にこの種の小型圧力センサの外観構造
を示す。図の圧力センサは上部を解放して（シリコーン
系のゲルが充填されている場合もある）外周部がモール
ド樹脂体からなるパッケージａで覆われており、通常は
機器への搭載側になる下面にリードフレームの電極端子
ｂが露出している。この電極端子ｂはパッケージａに搭
載されたセンサチップ（図示省略）にリードフレームを
介して接続されており、センサチップの電気的な出力を
外部機器に出力する。前記パッケージａの上部の開放に
はセンサチップの受圧面が臨み、該開放から測定圧力が
センサチップの受圧面に至るようになっている。

【０００６】前記小型圧力センサの従来の製造工程を図
６〜図８に示す。図６、図７はリードフレームおよびパ
ッケージａの成形工程である。まず、図６（ａ）に示す
ように、厚さの薄い（例えば０．２５〜０．５ｍｍ）リ
ードフレーム材（金属板例えば銅板）を帯状にしたもの
ｃを、（ｂ）に示すようにプレス加工により型抜きして
リードフレームｄを形成する。

【０００７】そして、図６（ｃ）および図７（ａ）に示
すようにリードフレームｄの所定箇所ｅを下方に向けて
折り曲げて電極端子ｂを形成する。さらに、図６（ｄ）
および図７（ｂ）に示すように、ＰＰＳ（ポリフェニレ
ンサルファイド）等のプラスチック樹脂を個々のリード
フレームｄに射出成形して上部の開放されたパッケージ
ａを形成する。その後、図７（ｃ）に示すように、パッ
ケ−ジａから下方に突出した電極端子ｂを折り曲げる。

【０００８】図８は、センサの組み立て工程である。前
記リードフレームｄに成形されたパッケ−ジａは、図８
（ａ）に示すように、上部の開放されており、その上部
開放部ｆ内に台座ｇおよびセンサチップｈを搭載してそ
れをシリコーン樹脂等で接着する。そして、図８（ｂ）
に示すように、センサチップｈをワイヤーボンドｉによ
りリードフレームｄに接続し、（ｃ）に示すように、上
部開放部ｆ内に柔軟性を有するシリコーン系のゲルから
なるシリコーン樹脂ｊを埋め込む。なお、シリコーン樹
脂は、条件に応じて使用できる。

【０００９】以上の工程までは型抜きされた複数のリー
ドフレームｄ上に複数個のモールド樹脂からなるパッケ
ージａを一次元的に付けたままで、全組み立て工程を流
し、最終的にリードフレームｄ（例えばセンサ１０個／
１リードフレーム）を個々の圧力センサ毎に切り離して
分離し（図８（ｃ）参照）、これにより圧力センサが完
成する。

【００１０】上記のリードフレームによる製造方法を採
用するのは、金属板に一次元的に金属リードフレームを
製造できかつそのリードフレームｄに樹脂パッケージａ
を成形した状態で製造ライン上を流せるので、大量生産
に向くからである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の工程で作成される小型圧力センサでは、次のような
構造上および製造方法上の理由から小型化およびコスト
低減に限界があり、さらなる小型化および低価格化のニ
ーズに応えることができないという問題点がある。例え
ば、従来の小型圧力センサではボタン型で直径が５．８
ｍｍで厚さが２．５ｍｍ程度が限界になっていたが、従
来技術ではこの製造限界を低コストで超える技術が無か
った。

【００１２】射出成形樹脂からなるパッケージをリー
ドフレームに一体成形する従来のやり方には、小型化す
るのに加工技術上の限界がある。つまり、小型化するに
はフレームの厚さおよび幅を小さくする必要があり、セ
ンサチップへの接続端子部分等の箇所で部分的にリード
フレームの幅を０．２５ｍｍ程度の非常に小さいものに
成形しなければならない。しかしながら、従来のパッケ
ージは、リードフレームを複雑に折り曲げた構造をして
いるためにその加工精度を保つ寸法は、現在のプレス成
形技術ではリードフレームの幅および金属板の厚さの限
界があり、端子の幅をこの限界以下に狭くすると、その
端子でリードフレームが非常に脆弱になってしまうの
で、フレーム自体のゆがみや折れが生じやすく、また、
フレーム自体の剛性も低下してしまう。さらに、圧力セ
ンサの小型化にともなって、パッケージも小型化するた
めに、成形樹脂を射出する空間が小さくなってしまい、
現在の射出成形技術の限界を超えてしまっていた。した
がって、上記の理由から、小型圧力センサはボタン型で
直径が５．８ｍｍで厚さが２．５ｍｍ程度が限界になっ
ていた。

【００１３】この種の射出成形のパッケージでは、も
ともと、材料費よりも加工費がコストのほとんどを占め
ているので、この射出成形を行っていたのでは、パッケ
ージのコストがある程度以上下がらないものであった。

【００１４】センサの組み立て工数は、パッケージに
依存し、センサの大きさにほとんど無関係であるので、
コストをほとんど下げることができかった。

【００１５】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたものであって、半導体圧力センサを極めて小
型化できかつ低コストで製造できる半導体圧力センサお
よびその製造方法を提供することを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため次の構成を有する。請求項１の発明は、半導
体センサチップに圧力により歪む部分と歪みの検出部と
を形成し、該センサチップに測定対象圧力が作用して該
センサチップに生じる歪みを前記歪み検出部の出力信号
から検出することにより、該測定対象圧力を測定する半
導体圧力センサにおいて、一面にプリント配線がされ、
かつ、他面に端子が形成されていて、該一面から他面に
突き抜けて形成されたスルーホールの導体を介して該プ
リント配線と他面の端子とが電気的に接続された、絶縁
体からなる基板と、該基板の一面に固定されたセンサチ
ップと、該センサチップの歪み検出部を前記プリント配
線に電気的に接続する接続部と、該接続部でプリント配
線に接続されたセンサチップを覆うパッケージ部材とを
有し、前記歪み検出部の検出信号を接続部、プリント配
線、および、スルーホール導体を介して前記他面の端子
から出力することを特徴とする半導体圧力センサであ
る。

【００１７】請求項２の発明は、半導体センサチップに
圧力により歪む部分と歪みの検出部とを形成し、該セン
サチップに測定対象圧力が作用して該センサチップに生
じる歪みを前記検出部の出力信号から検出することによ
り、該測定対象圧力を測定する半導体圧力センサの製造
方法において、絶縁体からなる基板素材の一面にプリン
ト配線をし、かつ、基板素材の他面に端子を形成して、
さらに、該一面から他面に突き抜けて該プリント配線と
他面の端子とを電気的に接続するスルーホールの導体を
形成した、一個の半導体センサチップに対応する接続構
造を基板素材に個別に複数形成し、前記接続構造に対応
する基板素材一面の複数の所定位置に個々にセンサチッ
プを固定し、固定されたセンサチップをプリント配線に
電気的に接続し、プリント配線にセンサチップが電気的
に接続された状態のセンサチップを個々にパッケージ部
材で覆いかつパッケージ部材を基板素材に固定し、パッ
ケージ部材で覆われたセンサチップをそれに対応する接
続構造およびパッケージ部材と共にセンサチップ毎に切
り離して、個々の半導体圧力センサ素材を製造すること
を特徴とする半導体圧力センサの製造方法である。

【００１８】請求項１および請求項２の発明において
は、半導体圧力センサおよびその製造方法において、基
板には、一面にプリント配線をし、かつ、他面に端子を
形成しておき、該一面から他面に突き抜けて形成された
スルーホールの導体を介して該プリント配線と他面の端
子とが電気的に接続する。また、センサチップは該基板
の一面に固定し、該センサチップの歪み検出部を前記プ
リント配線に接続部により電気的に接続しており、プリ
ント配線に接続されたセンサチップをパッケージ部材で
覆っている。そして、前記歪み検出部の検出信号を前記
接続部、プリント配線、および、スルーホール導体を介
して前記他面の端子から出力する。

【００１９】したがって、センサチップと端子との電気
的な接続を型抜きのリードフレーム材を用いずに行うこ
とができる。特にプリント配線では、光学的転写技術で
極めて微細な加工でき、また、スルーホールはドリルで
微細な孔を空けることが可能なため、従来の型抜きの際
に生じている曲がり等が全く生じることがない。

【００２０】よって、リードフレーム材を用いたときに
比較して、はるかに半導体圧力センサの小型化を図るこ
とができる。また、リードフレーム材を不要にしてプリ
ント配線を主にすると共に、パッケージは、射出成形に
よらずにキャン等を被せるだけで良いため、材料費、加
工費の面でコストダウンも確実に図れる。

【００２１】請求項２の発明では、半導体圧力センサの
製造に際して、まず、一面にプリント配線をし、かつ、
基板素材の他面に端子を形成して、さらに、該一面から
他面に突き抜けて該プリント配線と他面の端子とを電気
的に接続するスルーホールの導体を形成した、一個の半
導体センサチップに対応する接続構造を基板素材に個別
に複数形成する。

【００２２】そして、前記接続構造に対応する基板素材
一面の複数の所定位置に個々にセンサチップを固定す
る。次いで、固定されたセンサチップをプリント配線に
電気的に接続する。そして、プリント配線にセンサチッ
プが電気的に接続された状態のセンサチップを個々にパ
ッケージ部材で覆いかつパッケージ部材を基板素材に固
定する。

【００２３】その後、パッケージ部材で覆われたセンサ
チップをそれに対応する接続構造およびパッケージ部材
と共にセンサチップ毎に切り離して、個々の半導体圧力
センサ素材を製造する。

【００２４】したがって、基板素材上に一次元的な広が
りのみならず、二次元的な広がりを持ってセンサを形成
できるので、多数のセンサを基板素材上に形成できる。
しかも、そのセンサを素材基板の切り離しで個々のセン
サにできるので、多数のセンサを一括で製造できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に
係る半導体圧力センサの単体とした場合の説明図であっ
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。図１に
示すように、該圧力センサは、外形が概略椀形状であっ
てかつ中央部に穴（圧力導入穴）１の明いたキャップ
（パッケージ部材に相当）２が半導体センサチップ３上
を覆って基板４に固定されているものである。

【００２６】また、前記圧力センサにおいては、半導体
センサチップ３に圧力により歪むダイヤフラム部３ａと
歪みを検出する歪み抵抗ゲージ３ｂとを形成し、該セン
サチップ３に前記圧力導入穴２を通る測定対象圧力が作
用して該センサチップ３に生じる歪みを前記歪み抵抗ゲ
ージ３ｂの出力信号から検出することにより、該測定対
象圧力を測定する。

【００２７】前記基板４は、一面（図１（ｂ）で上面）
４ａにプリント配線５がされ、かつ、他面４ｂに電極端
子６が形成されていて、該一面４ａから他面（図１
（ｂ）で下面）４ｂに突き抜けて形成されたスルーホー
ル７の導体７ａを介して該プリント配線５と他面４ｂの
電極端子６とが電気的に接続されている絶縁体からなる
ものである。したがって、実施形態の圧力センサはいわ
ゆる基板実装タイプである。

【００２８】また、前記基板４には基板材として、フェ
ノール樹脂基板、エポキシ樹脂基板、ガラスエポキシ樹
脂基板等を用いることができる。

【００２９】前記センサチップ３は前記基板４の一面４
ａのプリント配線５された回路部分近傍に台座８を介し
て直接ダイボンドにより接着されて固定される。また、
該センサチップ３の歪み抵抗ゲージ３ｂは前記プリント
配線５に金線等のリード線９で電気的に接続される。

【００３０】前記キャップ２は、前記リード線９により
基板４上のプリント配線５に接続されたセンサチップ３
をその上部から覆って、該基板４に固定するものであ
る。したがって、このキャップ２が被っていることによ
り、実施形態の圧力センサはキャンタイプである。前記
キャップ２は、ポリフェニレンサルファイド等のプラス
チックや金属キャン等の金属を材質とすることができ
る。また、前記キャップ２には、前記のように上部に圧
力導入穴１が設けてあり、実施形態の圧力センサで水圧
を測る場合には、この穴１からキャップ２内部にわたっ
てシリコーン系のゲル（符号２ａで示す）を充填するこ
とが望ましい。

【００３１】前記歪み抵抗ゲージ３ｂの検出信号をリー
ド線９、プリント配線５、および、スルーホール導体７
ａを介して前記他面４ｂの電極端子６から出力する。

【００３２】したがって、実施形態の圧力センサによれ
ば、リードフレームを用いることなくプリント配線５、
スルーホール７および電極端子６により接続構造を形成
するため、リードフレームのようなプレス成形時の曲が
りや折れが生じないようにするための寸法制約等がない
ため、リードフレームに比較してはるかにセンサの小型
化を図ることができる。また、プリント配線を主にする
ため、材料費、加工費の面でコストダウンも確実に図れ
る。

【００３３】次に、前記圧力センサの製造工程を説明す
る。図２、図３の（ａ）に示すように、切断後に個々の
圧力センサ素子１０の前記基板４になるいわば基板の素
材である絶縁体からなる基板素材１１を用意する。

【００３４】そして、図３の（ｂ）に示すように、この
基板素材１１の一面１１ａに個々の圧力センサ素子１０
の形成箇所にプリント配線５をする。このプリント配線
５は圧力センサ素子１０の形成に対応して縦横マトリッ
クス状に配列し、通常のプリント基板のプリント配線と
同じ方法で形成する。例えば、銅張の絶縁積層板をエッ
チングその他の手法によって処理して配線パターンどお
りの銅箔を残したものである。

【００３５】また、基板素材１１は個々の圧力センサ素
子１０に対応して、センサチップ３を搭載する箇所毎に
圧力センサ素子１０の接続構造１２を複数形成する。こ
の接続構造１２は基板素材１１の他面１１ｂに電極端子
６を形成する。それと共に基板素材１１の一面１１ａか
ら他面１１ｂ突き抜けて（もちろん他面１１ｂから一面
に突き抜けてでも同じである）ドリル等でスルホール７
を形成しかつそのスルーホール７内に導体７ａを通す。
この導体７ａは、前記プリント配線５と他面１１ｂの電
極端子６とを電気的に接続するように形成する。

【００３６】次いで、図３の（ｃ）に示すように、前記
接続構造１２に対応する基板素材１１の一面１１ａの複
数の所定箇所に個々にセンサチップ３を台座８に乗せて
固定する。この固定はシリコーン樹脂の接着剤で行う。
そして、固定されたセンサチップ３をリード線９でプリ
ント配線５に電気的に接続する。なお、前記基板素材１
１の一面１１ａの各所定箇所にセンサチップ３を固定す
る作業、あるいは、リード線９の接続作業は、予め定め
られたプログラムにしたがって、精度良くＸ−Ｙ位置決
めできかつこのような種々の作業が実行可能な、産業用
のロボットハンドを用いて行うことができる。

【００３７】次いで、図３の（ｄ）に示すように、プリ
ント配線５にセンサチップ３が電気的に接続された状態
のセンサチップ３を個々にキャップ２で覆いかつキャッ
プ２を基板素材１１に固定する。この際にセンサ素子１
０が水圧を検出するものであれば、シリコーン系のゲル
２ａをキャップ２内に充填する。

【００３８】最後に、キャップ２で覆われたセンサチッ
プ３をそれに対応する接続構造１２およびキャップ２と
共にキャップ２の外形に合わせて、例えば図３の（ｄ）
の二点鎖線で示すように、キャップ２の外形線１３に応
じて（理想的には、キャップ２と側面と面一に）、プレ
スによりダイ１４とポンチ１５で打ち抜いて、センサ素
子１０毎に切り離し、個々の圧力センサ素子１０の製造
が終了する。

【００３９】上記の製造工程によれば、大きなプリント
基板の基板素材１１上に一次元的な広がりのみならず、
二次元的な広がりを持ってセンサ素子１０を形成でき
る。例えば、１００×１００以上のセンサ素子を配列で
きる。したがって、基板素材１１上に多数のセンサ素子
１０を形成できる。しかも、そのセンサ素子１０を基板
素材１１の切り離しで個々のセンサにできるので、多数
のセンサを一括で製造できる。したがって、量産性が極
めて高い。

【００４０】次に、前記実施形態の圧力センサの応用例
を説明する。図４（ａ）は応用例の平面図、（ｂ）は縦
断面図である。図４に示すように、この応用例は、前記
実施形態の圧力センサ素子１０に他の機器と接続する引
き出し電極１６を接続するものである。この引き出し電
極１６と圧力センサ素子１０との間には、折り曲げ自在
の樹脂フィルム表面に導電膜回路１７ａが形成されたＦ
ＰＣ（フレキシブルプリントサーキット）１７が配置さ
れ、該導電膜回路１７ａの一端が前記圧力センサ素子１
０の電極端子６に半田１８で接続されかつ他端が一体ま
たは別体に引き出し電極１６に電気的に接続される。

【００４１】この応用例によれば、機器に圧力センサ素
子１０を組みつける場合に引き出し電極１６により圧力
センサ素子１０と他の機器との位置関係を厳密に調整す
ることなく比較的自由に選択して接続することができる
ので、容易な接続を可能にし、圧力センサ素子１０の組
付け性を向上させることができる。

【００４２】なお、前記実施形態では、センサ素子の製
造に際して素材基板１１上にキャップ２を固定した後に
各センサ素子毎に切り離していたが、請求項１の発明は
これに限定されない。例えば、センサチップの固定と接
続が終了した後にパッケージ部材を取り付ていない状態
で各センサ素子に対応する基板素材を切り離し、切り離
した後にパッケージ部材をセンサチップで覆って基板に
固定するようにしてもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、リー
ドフレームによる加工の限界がないので、半導体圧力セ
ンサを極めて小型化でき、従来不可能であったセンササ
イズ、例えば直径５ｍｍ以下、例えば外径４ｍｍ、厚さ
２．５ｍｍも可能にできる。また、リードフレーム法で
は一次元的に配列してセンサ素子を製造していたのに比
較して、本発明は基板素材上に二次元的に配列してセン
サ素子を製造できるため、より一層の大量生産が可能で
あり圧力センサを低コストで製造できることを可能にす
る。また、圧力センサの他面に端子を有するため、他の
基板表面に容易に実装できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの単
体とした場合の説明図であって、（ａ）は平面図、
（ｂ）は縦断面図である。

【図２】基板素材上にセンサ素子を配列した状態の斜視
図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ圧力センサ素子の製
造工程の説明図である。

【図４】実施形態の圧力センサの応用例を説明するもの
であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。

【図５】従来の小型圧力センサの外観構造を示す説明図
であって（ａ）は側面視図、（ｂ）は底面視図である。

【図６】図５の小型圧力センサの従来の製造工程の説明
図であって、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれリードフレーム
およびパッケージの成形工程説明図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれリードフレームお
よびパッケージの成形工程説明図である。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれパッケージ内のセ
ンサチップの接続工程説明図である。

【符号の説明】

１ 圧力導入穴 ２ キャップ ３ センサチップ ４ 基板（単一のもの） ５ プリント配線 ６ 電極端子 ７ スルーホール ７ａ スルーホールの導体 ９ リード線 １０ 圧力センサ素子 １１ 基板素材 １２ 接続構造

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体センサチップに圧力により歪む部
   分と歪みの検出部とを形成し、該センサチップに測定対
   象圧力が作用して該センサチップに生じる歪みを前記歪
   み検出部の出力信号から検出することにより、該測定対
   象圧力を測定する半導体圧力センサにおいて、 一面にプリント配線がされ、かつ、他面に端子が形成さ
   れていて、該一面から他面に突き抜けて形成されたスル
   ーホールの導体を介して該プリント配線と他面の端子と
   が電気的に接続された、絶縁体からなる基板と、 該基板の一面に固定されたセンサチップと、 該センサチップの歪み検出部を前記プリント配線に電気
   的に接続する接続部と、 該接続部でプリント配線に接続されたセンサチップを覆
   うパッケージ部材とを有し、 前記歪み検出部の検出信号を接続部、プリント配線、お
   よび、スルーホール導体を介して前記他面の端子から出
   力することを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 半導体センサチップに圧力により歪む部
   分と歪みの検出部とを形成し、該センサチップに測定対
   象圧力が作用して該センサチップに生じる歪みを前記検
   出部の出力信号から検出することにより、該測定対象圧
   力を測定する半導体圧力センサの製造方法において、 絶縁体からなる基板素材の一面にプリント配線をし、か
   つ、基板素材の他面に端子を形成して、さらに、該一面
   から他面に突き抜けて該プリント配線と他面の端子とを
   電気的に接続するスルーホールの導体を形成した、一個
   の半導体センサチップに対応する接続構造を基板素材に
   個別に複数形成し、 前記接続構造に対応する基板素材一面の複数の所定位置
   に個々にセンサチップを固定し、 固定されたセンサチップをプリント配線に電気的に接続
   し、 プリント配線にセンサチップが電気的に接続された状態
   のセンサチップを個々にパッケージ部材で覆いかつパッ
   ケージ部材を基板素材に固定し、 パッケージ部材で覆われたセンサチップをそれに対応す
   る接続構造およびパッケージ部材と共にセンサチップ毎
   に切り離して、個々の半導体圧力センサ素子を製造する
   ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。