特許 5847385 圧力センサ装置及び該装置を備える電子機器、並びに該装置の実装方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5847385

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月20日

(54)【発明の名称】圧力センサ装置及び該装置を備える電子機器、並びに該装置の実装方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20151224BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20151224BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20151224BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 301H

   B81B3/00

   H01L29/84 B

   H01L29/84 Z

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2010-194631(P2010-194631)

(22)【出願日】2010年8月31日

(65)【公開番号】特開2012-52874(P2012-52874A)

(43)【公開日】2012年3月15日

【審査請求日】2013年4月24日

【審判番号】不服2014-18954(P2014-18954/J1)

【審判請求日】2014年9月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】臼井 孝志

【合議体】

【審判長】 中塚 直樹

【審判官】 森 竜介

【審判官】 堀 圭史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３２６０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１０１２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１０５１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１８０２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−６４１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１８２８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01L 9/00

B81B 3/00

H01L 29/84

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体圧力センサ素子と、
前記半導体圧力センサ素子が実装される実装基板とを備え、
前記実装基板は、前記半導体圧力センサ素子に流体を導く開口部と、前記実装基板の周縁部に形成され且つ回路基板の被取り付け面にはんだ付けされる端子と、前記開口部が設けられた取り付け面とを有する、圧力センサ装置であって、
前記開口部に連通する連通口が、前記回路基板に設けられ、
前記連通口の投影範囲内に位置し且つ前記連通口の開口縁から離れて前記開口部と前記開口縁との間に位置する２つの段差によって形成された凹部が、前記取り付け面に設けられ、
前記凹部は、前記端子と前記開口縁との間であって前記被取り付け面と前記取り付け面との間に形成される隙間に浸入し前記取り付け面を伝わるフラックスをせき止める、ことを特徴とする、圧力センサ装置。

【請求項2】

前記凹部が、前記取り付け面のレジスト膜に形成された凹部である、請求項１に記載の圧力センサ装置。

【請求項3】

前記凹部が、前記取り付け面に印刷されたシルクである、請求項１に記載の圧力センサ装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置と、前記回路基板とを備える、電子機器。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサ装置の前記端子と前記被取り付け面とをはんだ付けする、圧力センサ装置の実装方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体圧力センサ素子を備える圧力センサ装置及び該装置を備える電子機器、並びに該装置の実装方法に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は、回路基板２１及び回路基板２１に実装された圧力センサ装置１の断面図である。圧力センサ装置１は、実装基板１２に実装された半導体圧力センサ素子１１がハウジング１６によってパッケージされた構造を有している。圧力センサ装置１は、実装基板１２に設けられた端子１９にはんだ３２が付くことによって、回路基板２１の被取り付け面２１Ａに固定される。半導体圧力センサ素子１１は、ハウジング１６に形成された圧力供給口１７から供給される被検出圧を検出するチップである。

【0003】

また、半導体圧力センサ素子１１が、その機能上、大気と通じている必要がある場合、実装基板１２には、大気と通ずる孔（圧力導入口１８）が設けられている。圧力導入口１８は、回路基板２１に形成された大気と通ずる孔（圧力導入口２２）に同軸的に連通している。

【0004】

なお、半導体圧力センサ素子を備える圧力センサ装置に関する先行技術文献として、例えば特許文献１，２が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−３２６０８８号公報

【特許文献2】特開２０１０−８４３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

図１に示されるような構成において、圧力センサ装置１を回路基板２１にはんだ付けするとき、はんだ中のフラックスの含有量が多すぎると、実装基板１２の取り付け面１２Ｂと回路基板２１の被取り付け面２１Ａとの間に形成された隙間３３に液状化したフラックスが入り込む毛細管現象が発生しやすい。この毛細管現象が発生すると、取り付け面１２Ｂ及び／又は被取り付け面２１Ａの表面の濡れ性によってその表面を伝わって進行した液状化したフラックスが、圧力導入口１８及び／又は圧力導入口２２を塞ぐことによって、圧力センサ装置１が正常に機能しなくなるおそれがある。

【0007】

そこで、本発明は、圧力導入口がフラックスで塞がるのを防ぐことができる、圧力センサ装置及び該装置を備える電子機器、並びに該装置の実装方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る圧力センサ装置は、
半導体圧力センサ素子と、
前記半導体圧力センサ素子が実装される実装基板とを備え、
前記実装基板は、前記半導体圧力センサ素子に流体を導く開口部と、前記実装基板の周縁部に形成され且つ回路基板の被取り付け面にはんだ付けされる端子と、前記開口部が設けられた取り付け面とを有する、圧力センサ装置であって、
前記開口部に連通する連通口が、前記回路基板に設けられ、
前記連通口の投影範囲内に位置し且つ前記連通口の開口縁から離れて前記開口部と前記開口縁との間に位置する２つの段差によって形成された凹部が、前記取り付け面に設けられ、
前記凹部は、前記端子と前記開口縁との間であって前記被取り付け面と前記取り付け面との間に形成される隙間に浸入し前記取り付け面を伝わるフラックスをせき止める、ことを特徴とするものである。

【0009】

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電子機器は、
該圧力センサ装置と、前記回路基板とを備えるものである。

【0010】

また、上記目的を達成するため、本発明に係る実装方法は、
該圧力センサ装置の前記端子と前記被取り付け面とをはんだ付けするものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、圧力導入口がフラックスで塞がるのを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】回路基板２１及び回路基板２１に実装された圧力センサ装置１の断面図である。

【図2】回路基板２１及び回路基板２１に実装された圧力センサ装置２の断面図である。

【図3】圧力センサ装置２が実装された回路基板２１を裏面２１Ｂ側から見た裏面図である。

【図4】実装基板１２の具体例を示した外形図である。

【図5】段部４１Ａ，４１Ｂが形成された実装基板１２を取り付け面１２Ｂ側から見た裏面図である。

【図6】段部４１Ｃが形成された実装基板１２を取り付け面１２Ｂ側から見た裏面図である。

【図7】方形状の圧力導入口２２が形成された回路基板２１を裏面２１Ｂ側から見た裏面図である。

【図8】圧力導入口１８の塞がり試験を実施したときの、段部４１の各形態を示した図である。

【図9】図８の各形態について実施した塞がり試験の試験結果である。

【図10】圧力導入口１８の塞がり試験を実施したときの、回路基板２１の圧力導入口２２の各形態を示した図である。

【図11】図１０の各形態について実施した塞がり試験の試験結果である。

【図12】端子１９が取り付け面１２Ｂの縁部のみに設けられたときの断面図である。

【図13】実装基板１２の外側に向けて伸びた端子１９が取り付け面１２Ｂに設けられたときの断面図である。

【図14】端子１９が取り付け面１２Ｂの縁部内側のみに設けられたときの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。図２は、回路基板２１及び回路基板２１に実装された圧力センサ装置２の断面図である。本発明の一実施形態である圧力センサ装置２は、図１と同様、実装基板１２の搭載面１２Ａにシリコン樹脂等の接着剤１５で接着された半導体圧力センサ素子１１がハウジング１６によってパッケージされた構造を有している。圧力センサ装置２は、実装基板１２の取り付け面１２Ｂに設けられた端子１９と回路基板２１の被取り付け面２１Ａに設けられた不図示のランドとがはんだ付けされることによって、回路基板２１の被取り付け面２１Ａに固定されている。回路基板２１は、圧力センサ装置２によって検出された圧力情報を使用する圧力計等の電子機器の基板である。

【0014】

実装基板１２は、半導体圧力センサ１１を固定するための基部である。実装基板１２は、半導体圧力センサ１１が実装される搭載面１２Ａを有する。半導体圧力センサ素子１１は、ボンディングワイヤ１３によって、搭載面１２Ａに形成されたボンディングパッド１４に、ワイヤボンディングされている。半導体圧力センサ素子１１は、実装基板１２の搭載面１２Ａにエポキシ樹脂等の接着剤３１で接着されたハウジング１６に収容されている。

【0015】

半導体圧力センサ素子１１は、ハウジング１６に筒状に形成された圧力供給口１７から供給される気体等の流体の圧力を被測定圧として検出する。半導体圧力センサ素子１１は、圧力を検出するダイヤフラムが形成された素子であり、ダイヤフラムの歪みを抵抗値の変化として検出する半導体歪みゲージ方式の素子でもよいし、ダイヤフラムの変位を静電容量の変化として検出する静電容量方式の素子でもよいし、他の検出方式で被測定圧を検出する素子でもよい。半導体圧力センサ素子１１は、ダイヤフラムがハウジング１６の圧力供給口１７と実装基板１２の圧力導入口１８との間に挟まれるように、圧力供給口１７の下方且つ圧力導入口１８の上方に設置される。ダイヤフラムの歪み（又は、変位）は、圧力供給口１７から印加される被測定圧と圧力導入口１８から印加される大気圧との圧力差に応じて変化するので、その歪み量（又は、変位量）を抵抗値（又は、静電容量値）の変化量として検出することによって、被測定圧を測定することができる。

【0016】

圧力導入口１８は、実装基板１２の搭載面１２Ａと取り付け面１２Ｂとの間に形成された第１の貫通孔であり、圧力導入口２２は、回路基板２１の被取り付け面２１Ａと裏面２１Ｂとの間に形成された第２の貫通孔である。圧力導入口２２の口径は、圧力導入口１８の口径よりも大きい。圧力センサ装置２は、実装基板１２の圧力導入口１８と回路基板２１の圧力導入口２２とが連通するように、実装基板１２の取り付け面１２Ｂと回路基板２１の被取り付け面２１Ａとが対向した状態で、端子１９にはんだ３２が付くことによって回路基板２１に表面実装される。これにより、ハウジング１６外部の大気圧を半導体圧力センサ１１のダイヤフラムに導くことができる。

【0017】

圧力導入口１８は、実装基板１２の搭載面１２Ａと取り付け面１２Ｂとを貫通するように、半導体圧力センサ１１のダイヤフラムの下方に形成されている。１８Ａは、圧力導入口１８の搭載面１２Ａ側の開口部であり、１８Ｂは、圧力導入口１８の取り付け面１２Ｂ側の開口部である。

【0018】

取り付け面１２Ｂには、開口部１８Ｂと端子１９との間に、開口部１８Ｂ及び端子１９に接しないように形成された段部４１が設けられている。段部４１は、取り付け面１２Ｂに対する段差であって、図２の場合、取り付け面１２Ｂに対して凹んだ凹部である。段部４１は、図３に示されるように、圧力導入口１８の開口部１８Ｂの周囲に円状に形成されている。図３は、圧力センサ装置２が実装された回路基板２１を裏面２１Ｂ側から見た裏面図である。また、図３に示されるように、圧力導入口１８の開口部１８Ｂ及び段部４１が、圧力導入口２２の軸方向に圧力導入口２２の外形を投影した範囲内に露出して位置するように、圧力センサ装置２は回路基板２１に実装される。つまり、回路基板２１の裏面２１Ｂ側から圧力導入口２２を見たときに、圧力導入口１８の開口部１８Ｂ及び段部４１の全部が視認可能なように、圧力センサ装置２は回路基板２１に実装される。

【0019】

このような位置関係で段部４１を実装基板１２の取り付け面１２Ｂに設けることによって、圧力センサ装置２を回路基板２１にリフロー工程ではんだ付け実装する際に、リフロー炉内の高温によって液状化したフラックスの流れを段部４１でせき止めることができる。つまり、取り付け面１２Ｂと被取り付け面２１Ａとの間に形成された隙間３３に液状化したフラックスが浸入する毛細管現象が発生しても、そのフラックスの進行が圧力導入口１８の手前で止まるので、圧力導入口１８がフラックスで塞がることを防止できる。また、圧力導入口２２の開口縁が段部４１の外側に位置するので、圧力導入口２２もフラックスで塞がることを防止できる。

【0020】

なお、圧力導入口１８，２２がフラックスで塞がらないように、段部４１の開口部１８Ｂからの距離、段部４１の実装基板１２の板厚方向での深さ、段部４１の実装基板１２の基板平面方向での幅は、フラックスの量に応じて調整すればよい。例えば、フラックスの量が多いほど、これらの少なくとも一つ以上の寸法を大きくすればよい。

【0021】

次に、段部４１の具体例について説明する。図４は、実装基板１２の具体例を示した外形図である。図４（ａ）は、実装基板１２の搭載面１２Ａ側から見た平面図である。図４（ｂ）は、実装基板１２の側面１２Ｃ側から見た側面図である。図４（ｃ）は、実装基板１２の取り付け面１２Ｂ側から見た下面図である。この実装基板１２の材質は、ＦＲ４等のガラスエポキシ基板である。図４において、梨地模様部は、レジスト膜が無く、金めっき処理を施した部位である。また、格子部は、レジスト膜が無く、銅箔も無い部位である。１２Ａ１，１２Ｂ１，１２Ｂ２は、実装基板１２の基材表面に形成されたレジスト膜である。実装基板１２の周縁部に形成された複数の端子１９（１９ａ〜１９ｎ）は、不図示の配線パターンによって、ボンディングパッド１４に電気的に接続されている。端子１９は、搭載面１２Ａと側面１２Ｃと取り付け面１２Ｂに沿って設けられている。

【0022】

レジストスペーサ５２は、半導体圧力センサ素子１１を載せるための台座である。レジストスペーサ５２は、搭載面１２Ａ側のレジスト膜１２Ａ１を除去することによって、圧力導入口１８の開口部１８Ａと端子１９との間に形成された凸部である。Ｂは、レジスト膜１２Ａ１を除去することによって露出したレジスト膜除去面である。つまり、レジストスペーサ５２は、レジスト膜除去面Ｂに対して突き出ていて、圧力導入口１８の開口部１８Ａの周りに、開口部１８Ａと間隔を空けて形成されている。開口部１８Ａと間隔を空けてレジストスペーサ５２を設けることによって、半導体圧力センサ素子１１をレジストスペーサ５２に接着させるためにレジストスペーサ５２に塗布されたダイボンド樹脂が、開口部１８Ａに流れて到達しにくくなる。その結果、圧力導入口１８がそのダイボンド樹脂によって塞がりにくくすることができる。

【0023】

図４において、段部４１は、取り付け面１２Ｂ側のレジスト膜１２Ｂ１を除去することによって、開口部１８Ｂのレジスト膜除去部４２（圧力導入口１８に接する部位）と端子１９との間に形成された円環状凹部である。このように形成された段部４１によって、圧力センサ装置２が回路基板２１にはんだ付けされるときに、取り付け面１２Ｂの端子１９に付いたはんだ内の液状化したフラックスが、レジスト膜１２Ｂ１の表面上を伝わって圧力導入口１８の開口部１８Ｂを塞ぐことを防止できる。

【0024】

基板外周を囲うように形成されたレジスト膜除去部Ａは、基板をダイシングによって分割する際にレジスト膜１２Ｂ１、１２Ａ１にクラックが入らないようにするため、レジスト膜１２Ｂ１，１２Ａ１を除去することによって形成される。段部４１は、レジスト膜除去面Ｂを形成する際に同時に形成することができる。

【0025】

また、段部４１は、図５に示されるように、複数形成されてもよい。段部４１Ａ，４１Ｂは、取り付け面１２Ｂ側のレジスト膜を除去することによって、圧力導入口１８の開口部１８Ｂに対して同心円状に形成された円環状凹部である。段部４１を複数形成することによって、液化したフラックスを溜めることができる量を増やすことができる。

【0026】

また、段部４１は、図６に示されるように、シルク印刷によって形成されてもよい。段部４１Ｃは、取り付け面１２Ｂ側のレジスト膜上にシルクを印刷することによって、圧力導入口１８の開口部１８Ｂの周囲に形成された円環状凸部である。すなわち、段部４１Ｃは、取り付け面１２Ｂのレジスト膜１２Ｂ１に対して突き出た形状である。したがって、レジスト膜１２Ｂ１の面よりも高い段差が形成されるので、液化したフラックスが圧力導入口１８の開口部１８Ｂまで流れることを防ぐことができる。

【0027】

また、回路基板２１の圧力導入口２２の開口部の形状は、図３に示したように円状に限る必要は無く、他の形状でもよい。例えば図７に示されるように、方形状でもよい。また、実装基板１２の圧力導入口１８の開口部の形状も、円状に限らず、方形状などの円状以外の形状でもよい。

【0028】

次に、実際の圧力センサ装置を回路基板にリフロー工程ではんだ実装した後の圧力導入口１８の液状化したフラックスによる塞がり状態を確認した試験結果について説明する。

【0029】

図８は、圧力導入口１８の塞がり試験を実施したときの、段部４１の各形態を示した図である。図８（ａ）〜図８（ｅ）に示される段部４１（４１Ａ，４１Ｂ）は、実装基板１２の基材１２Ｄ上に形成されたソルダーレジスト膜１２Ｂ１を除去することによって形成されたものである。図８（ｆ）に示される段部４１Ｃは、実装基板１２の基材１２Ｄ上に形成されたソルダーレジスト膜１２Ｂ１上にシルク印刷することによって形成されたものである。図８（ａ）〜図８（ｄ）に示した形態は、図４に示したものに相当し、図８（ｅ）に示した形態は、図５に示したものに相当し、図８（ｆ）に示した形態は、図６に示したものに相当する。実装基板１２の圧力導入口１８の直径Ｅをφ０．５ｍｍとし、回路基板２１の圧力導入口２２の直径Ｆをφ２．５ｍｍとし、図８（ｆ）の円環状段部４１Ｃの直径Ｇをφ１．６ｍｍとし、レジスト膜除去部４２の幅を０．１５ｍｍとした。

【0030】

図９は、図８の各形態について実施した塞がり試験の試験結果である。図９に示したＮＧ率は、図８の各形態について、フラックスを含有するはんだを多量に供給したときに圧力導入口１８が塞がった不良率を示している。図９から明らかなように、段部４１によって形成される液状化フラックスの溜まり部の総容積を増やすにつれて、圧力導入口１８のフラックスによる塞がりを効果的に抑えることができる。

【0031】

図１０は、圧力導入口１８の塞がり試験を実施したときの、回路基板２１の圧力導入口２２の各形態を示した図である。図１０に示される圧力導入口２２の直径Ｆは、互いに異なっている。レジスト膜１２Ｂ２の幅Ａを０．３ｍｍとし、段部４１の幅Ｂを０．３ｍｍとし、実装基板１２の圧力導入口１８の直径Ｅをφ０．５ｍｍとし、レジスト膜除去部４２の幅を０．１５ｍｍとした。

【0032】

図１１は、図１０の各形態について実施した塞がり試験の試験結果である。図１１に示したＮＧ率は、図９の各形態について、フラックスを含有するはんだを多量に供給したときに圧力導入口１８が塞がった不良率を示している。図１１から明らかなように、実装基板１２の圧力導入口１８及び段部４１が、回路基板２１の圧力導入口２２の投影範囲内に位置するように、実装基板１２と回路基板２１とをはんだ付けすることによって、圧力導入口１８のフラックスによる塞がりを効果的に抑えることができる。特に、回路基板２１の圧力導入口２２の開口縁は、段部４１からできるだけ離すことが好ましい。例えば、０．１ｍｍ以上（より好ましくは、０．１５ｍｍ以上）離すとよい。

【0033】

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0034】

例えば、はんだ付け部である端子１９を取り付け面１２Ｂに設けた形態は、図１２，１３，１４に示されるようなものでもよい。図１２は、端子１９を取り付け面１２Ｂの縁部のみに設けた形態を示している。図１３は、実装基板１２の外側に向けて伸びた端子１９を取り付け面１２Ｂに設けた形態を示している。図１４は、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）のように、端子１９を取り付け面１２Ｂの縁部内側のみに設けた形態を示している。

【0035】

また、段部４１は、圧力導入口１８の開口部１８Ｂの全周を囲むように形成されることが好ましいが、液状化フラックスの浸入方向によっては、開口部１８の一部を囲むように形成してもよい。すなわち、段部４１は、圧力導入口１８への液状化フラックスの浸入を妨げる位置に形成されていればよい。

【0036】

また、圧力導入口１８から供給される気体等の流体は、大気に限らなくてもよい。また、図２等に示した上述の実施形態の圧力センサ装置は、圧力供給口１７から供給される気体等の流体の圧力を被測定圧として測定するものであるが、圧力導入口１８，２２から供給される気体等の流体の圧力を被測定圧として測定するものでもよい。

【符号の説明】

【0037】

１，２，３，４，５ 圧力センサ装置
１１ 半導体圧力センサ素子
１２ 実装基板
１２Ｂ 取り付け面
１２Ｂ１，１２Ｂ２，１２Ｂ３ レジスト膜
１３ ボンディングワイヤ
１４ ボンディングパッド
１５ 接着剤
１６ ハウジング
１７ 圧力供給口
１８ 圧力導入口
１９ 端子
２１ 回路基板
２２ 圧力導入口
３１ 接着剤
３２ はんだ
４１ 段部
４１Ａ，４１Ｂ 凹部
４１Ｃ 凸部（シルク）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】