JP6129980B2 - Mechanical quantity measuring apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は力学量測定装置の実装構造、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a mounting structure of a mechanical quantity measuring device and a manufacturing method thereof.
測定対象の変形(ひずみ)を測定する方法として、金属箔の抵抗値がひずみによって変化することを利用した金属箔ひずみゲージを用いる技術が知られている。このひずみゲージを測定対象に接着することで測定対象のひずみに追従して金属箔の長さを変化させ、その結果変化する金属箔の抵抗値を検出することにより測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。これまでに、Cu−Ni系合金箔やNi−Cr系合金箔などを用いたひずみゲージがあり、また、ひずみゲージ添着(貼付け)の確実、安定化を図るとともに、防湿性、耐衝撃性の高いプロテクタ付きひずみゲージも提案されている。 As a method for measuring the deformation (strain) of a measurement object, a technique using a metal foil strain gauge utilizing the fact that the resistance value of the metal foil changes due to strain is known. By attaching this strain gauge to the object to be measured, the length of the metal foil is changed following the strain of the object to be measured, and the resistance value of the metal foil that changes as a result can be detected to enable strain measurement of the object to be measured. Technology. Up to now, there are strain gauges using Cu-Ni alloy foils and Ni-Cr alloy foils, etc. In addition to ensuring and stabilizing the strain gauge attachment (sticking), it is also moisture and impact resistant. High protector strain gauges have also been proposed.
しかしながら、これらは消費電力が大きいため、電池がすぐに消費してしまう問題があった。そこで、低消費電力化するために、シリコンにひずみ感応抵抗体を形成した半導体歪ゲージが提案されている。 However, since these have high power consumption, there is a problem that the battery is consumed quickly. In order to reduce power consumption, a semiconductor strain gauge in which a strain sensitive resistor is formed on silicon has been proposed.
この半導体歪ゲージを従来の金属薄膜を用いた歪みゲージの代わりに被計測対象に貼り付ける構造としては、複数の電極が設けられた可橈性薄膜と、複数の電気素子が形成された半導体基板とを有し、上記可橈性薄膜は、上記半導体基板に被着されていて、上記複数の電極と上記複数の電気素子とは電気的に接続されていることを特徴とする半導体歪ゲージの構造が、特許文献1に提案されている。
As a structure for attaching this semiconductor strain gauge to an object to be measured instead of a strain gauge using a conventional metal thin film, a flexible thin film provided with a plurality of electrodes and a semiconductor substrate on which a plurality of electric elements are formed The flexible thin film is attached to the semiconductor substrate, and the plurality of electrodes and the plurality of electrical elements are electrically connected to each other. A structure is proposed in
また、特許文献2には、シリコンチップで構成される歪み検出素子と、検出すべき歪みを歪み検出素子に伝える台座を有し、台座は熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数の±50%の範囲に入る材料で形成され、ガラス系固定材を加熱溶融して前記台座に歪み検出素子が形成されたシリコンチップを固定した歪み検出センサが開示されている。
Further,
半導体歪ゲージとしては、被測定物に生じた歪みを、半導体チップ(以下センサチップと呼ぶ)の歪み検出部に正しく伝える精度、感度が重要である。また、被測定物に同じ量の歪みが長時間生じている場合には、センサチップでは同じ検出値を示すセンサ出力値の安定性が重要である。これらの要求は、被測定物が高温で使用される場合には、難しい課題となる。歪みや圧力などの力学量測定の用途としては、一般的な家庭用品のほかに、例えば、自動車の各機器の動作制御や、重要なインフラの監視などに用いられることも考えられる。この場合の使用環境は、高温では150℃程度の温度範囲までも想定する必要がある。 As a semiconductor strain gauge, accuracy and sensitivity for correctly transmitting strain generated in a measurement object to a strain detection unit of a semiconductor chip (hereinafter referred to as a sensor chip) are important. In addition, when the same amount of distortion occurs in the object to be measured for a long time, the stability of the sensor output value indicating the same detection value is important in the sensor chip. These requirements become a difficult problem when the object to be measured is used at a high temperature. In addition to general household items, applications for measuring mechanical quantities such as strain and pressure can be used for controlling the operation of automobile devices and monitoring important infrastructures, for example. In this case, it is necessary to assume the usage environment up to a temperature range of about 150 ° C. at high temperatures.
通常センサチップの主な材質はシリコンであり、被測定物とは、はんだなどの接合材料を用いて接合される。この接合はセンサチップの耐熱温度以下で行う必要がある。一般的なはんだとしては、融点が217℃付近のSn−3wt%Ag−0.5wt%Cuはんだや、融点が約310℃のPb−5wt%Snはんだなどが知られる。Sn−3wt%Ag−0.5wt%Cuはんだでは、100℃〜150℃付近の使用環境では融点に近い温度となり、はんだの降伏応力が小さくなり軟化するため、感度低下が懸念されるとともに、高温でひずみが負荷され続けるような条件では接合層のクリープなどの変形が起き、センサ出力の変動が問題となる。鉛を多く含むPb−5wt%Snはんだなどは、Sn系はんだと比較して融点は高いが、柔らかい材料であるため、感度低下、センサ出力値の変動がやはり懸念される。 Usually, the main material of the sensor chip is silicon, and it is bonded to the object to be measured using a bonding material such as solder. This bonding needs to be performed at a temperature lower than the heat resistance temperature of the sensor chip. As a general solder, Sn-3 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder having a melting point near 217 ° C., Pb-5 wt% Sn solder having a melting point of about 310 ° C., and the like are known. With Sn-3wt% Ag-0.5wt% Cu solder, the temperature is close to the melting point in the operating environment near 100 ° C to 150 ° C, and the yield stress of the solder becomes small and softens. Under conditions where the strain continues to be applied, deformation such as creep of the bonding layer occurs, and fluctuation in sensor output becomes a problem. Pb-5wt% Sn solder containing a large amount of lead has a higher melting point than Sn-based solder, but it is a soft material, so there are still concerns about sensitivity drop and fluctuations in sensor output value.
そこで、高温でのセンサの正常な動作を確保するために、非常に高融点の硬い接合材料を用いてセンサチップと被測定物とを接合することも考えられるが、接合温度はセンサチップの耐熱温度を超えることはできない。また、高温で接合する場合にはセンサチップと被測定物との熱膨張係数差により、接合時にシリコンチップに割れが生じる場合があり、製造時の歩留まり低下も懸念される。 Therefore, in order to ensure the normal operation of the sensor at a high temperature, it is conceivable to bond the sensor chip and the object to be measured using a hard bonding material having a very high melting point. The temperature cannot be exceeded. Further, when bonding at a high temperature, the silicon chip may be cracked at the time of bonding due to the difference in thermal expansion coefficient between the sensor chip and the object to be measured, and there is a concern that the manufacturing yield may be reduced.
これまで出願されている特許文献1では有機薄膜を用いているため、高温での使用は難しいと予測される。また、特許文献2では、ガラス系固定材を加熱溶融して用いる構造が示されていて硬い材料であると期待できるが、衝撃などの外力によって破壊されることも懸念され、使用環境の制約も必要と考えられる。
Since the organic thin film is used in
このように、半導体歪ゲージの実装構造においては、センサチップと被測定物の接合部の構造によって、感度やセンサ出力安定性などのセンサとして重要な性能が大きく影響される。このため、本発明では、半導体基板にひずみ検出部を有するセンサチップと被測定物との接合部を最適化し、被測定物に生じたひずみを高温下でも高感度に、且つ、正確に検出することが可能なセンサチップの接合構造(センサチップ、その接合部構造を含めて本発明では以下力学量測定装置と呼ぶ)、及びその製造方法を提供することを目的とする。 As described above, in the semiconductor strain gauge mounting structure, the performance of the sensor, such as sensitivity and sensor output stability, is greatly affected by the structure of the joint between the sensor chip and the object to be measured. For this reason, in this invention, the junction part of the sensor chip which has a distortion | strain detection part in a semiconductor substrate, and a to-be-measured object is optimized, and the distortion which generate | occur | produced in the to-be-measured object is detected with high sensitivity and correctly also at high temperature. It is an object of the present invention to provide a sensor chip bonding structure (including a sensor chip and its bonding portion structure, hereinafter referred to as a mechanical quantity measuring device in the present invention), and a manufacturing method thereof.
また、センサチップと被測定物の接合時のチップ割れ不良を防ぎ、高歩留まりで製造可能なセンサチップ接合構造、及びその製造方法を提供することも目的とする。 It is another object of the present invention to provide a sensor chip bonding structure that can be manufactured at a high yield, and a method for manufacturing the same, which prevents a chip crack failure when bonding the sensor chip and the measurement object.
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、
力学量測定装置の製造方法において、ベース基板上に、Auと固溶体を形成してAuを固溶強化する材料を含む初期メタライズ層を形成し、前記初期メタライズ層上にAuを少なくとも50wt%以上含むはんだを積層し、前記はんだの上に、半導体基板にひずみ検出部を形成したセンサチップを、その裏面を向けて搭載し、前記積層体を加熱炉内に載置して、前記センサチップの耐熱温度以下、及びはんだ溶融温度以上に加熱し、前記はんだに接する前記初期メタライズ層からはんだ中のAuを固溶強化する前記材料の一部、或いは全部をはんだ中に溶解させて接合層を形成するようにした。更に、前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線基板を取り付けて構成するようにした。The present application includes a plurality of means for solving the above problems.
In the manufacturing method of the mechanical quantity measuring device, an initial metallized layer including a material that forms a solid solution with Au and forms a solid solution strengthening is formed on a base substrate, and at least 50 wt% or more of Au is included on the initial metallized layer. A sensor chip in which a solder is stacked, a sensor chip in which a strain detection portion is formed on a semiconductor substrate is mounted on the solder with the back surface thereof facing, and the stacked body is placed in a heating furnace, so that the heat resistance of the sensor chip is increased. A bonding layer is formed by heating at a temperature below the solder melting temperature or higher and melting part or all of the material for solid solution strengthening of Au in the solder from the initial metallized layer in contact with the solder into the solder. I did it. Furthermore, a wiring board for drawing out wiring from the electrode of the sensor chip to the outside is attached and configured.
また、上記課題を解決するために本発明では、前記ベース基板に代えて、力学量の被測定物を構成する部材の表面に、Auと固溶体を形成してAuを固溶強化する材料を含む初期メタライズ層を形成し、前記部材の初期メタライズ層上に、Auを少なくとも50wt%以上含むはんだを積層し、前記はんだの上に、半導体基板にひずみ検出部を形成したセンサチップを、その裏面を向けて搭載し、前記積層体を前記加熱炉内に載置し、前記センサチップの耐熱温度以下、及びはんだ溶融温度以上に加熱し、前記はんだに接する前記初期メタライズ層からはんだ中のAuを固溶強化する前記材料の一部、或いは全部をはんだ中に溶解させて被測定物を構成する部材の表面に接合層を形成し、前記センサチップと、被測定物を構成する部材とを直接接合する方法を提供する。更に、前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線基板を取り付けて構成することを特徴とする力学量測定装置の製造方法を提供する。 Further, in order to solve the above problems, in the present invention, instead of the base substrate, a material that forms a solid solution with Au on the surface of a member constituting a mechanically measured object and includes a material that solidifies and strengthens Au is included. An initial metallization layer is formed, a solder containing at least 50 wt% or more of Au is laminated on the initial metallization layer of the member, and a sensor chip having a strain detection portion formed on a semiconductor substrate is formed on the solder, and a back surface thereof is formed. The laminated body is placed in the heating furnace, heated to a temperature lower than the heat resistance temperature of the sensor chip and higher than a solder melting temperature, and Au in the solder is fixed from the initial metallized layer in contact with the solder. A part or all of the material to be melt strengthened is dissolved in solder to form a bonding layer on the surface of the member constituting the object to be measured, and the sensor chip and the member constituting the object to be measured are directly bonded. How to Subjected to. Further, the present invention provides a method for manufacturing a mechanical quantity measuring device, characterized in that a wiring board for drawing wiring from the electrode of the sensor chip to the outside is attached.
また、上記課題を解決するために本発明では、力学量測定装置を、半導体基板にひずみ検出部を形成したセンサチップと、被測定物と前記センサチップとの間に介在して、前記センサチップを支持すると共に、検出すべき前記被測定物の歪みを前記センサチップに伝えるベース基板と、前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部とを備え、前記ベース基板と、前記センサチップとの間には、加熱前にはAuを少なくとも50wt%以上含み、加熱炉内の加熱によって、接続する前記メタライズ層からAuを固溶強化する材料の溶け込みにより、Auと前記材料を含む固溶体を形成するはんだから成る接合層と、前記材料が接続するはんだ層へ溶け出した残りの材料を有するメタライズ層とを有して、前記ベース基板と、前記センサチップとが接合されているように構成した。 In order to solve the above problems, in the present invention, a mechanical quantity measuring device is interposed between a sensor chip in which a strain detection unit is formed on a semiconductor substrate, and an object to be measured and the sensor chip. And a base substrate that transmits the strain of the measurement object to be detected to the sensor chip, and a wiring portion that draws wiring from the electrode of the sensor chip to the outside, the base substrate, the sensor chip, In between, at least 50 wt% or more of Au is contained before heating, and by heating in the heating furnace, a solid solution containing Au and the material is formed by melting a material that solidifies and strengthens Au from the metallized layer to be connected. The base substrate and the sensor chip each having a bonding layer made of solder and a metallized layer having the remaining material dissolved into the solder layer to which the material is connected. It comprised so that it might join.
また、上記課題を解決するために本発明では、前記力学量測定装置において、前記ベース基板に代えて、力学量の被測定物を構成する部材を備え、前記部材と、前記センサチップとの間には、積層状の前記メタライズ層と前記接合層とを有して、前記センサチップを直接、前記部材へ接合して構成した。 In order to solve the above problems, in the present invention, in the mechanical quantity measuring device, instead of the base substrate, a member constituting an object to be measured of the mechanical quantity is provided, and between the member and the sensor chip. Has a laminated metallized layer and a bonding layer, and the sensor chip is directly bonded to the member.
本発明によれば、被測定物に生じたひずみを高温下でも高感度に検出し、且つ、長期間ひずみが負荷された場合でも、安定して正確なセンサ出力が可能な接合構造となり、高性能な力学量測定装置、及びその製造プロセスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to detect a strain generated in an object to be measured with high sensitivity even at a high temperature, and to achieve a stable and accurate sensor output even when strain is applied for a long period of time. A high-performance mechanical quantity measuring device and a manufacturing process thereof can be provided.
また、センサチップと被測定物との接合時のチップ割れ不良を低減することができ、高歩留まりで製造することが可能な力学量測定装置、及びその製造プロセスを提供することができる。 Further, it is possible to provide a mechanical quantity measuring device capable of reducing chip cracking failure at the time of joining the sensor chip and the object to be measured, and capable of being manufactured at a high yield, and a manufacturing process thereof.
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, in the following description, the same components may be denoted by the same reference numerals and repeated description may be omitted. In order to clarify the description, the drawings may be schematically represented with respect to the width, thickness, shape, etc. of each part as compared to the actual embodiment, but are merely examples, and the interpretation of the present invention is not limited to them. It is not limited. Needless to say, the present invention is not limited to the following examples and can be variously modified.
本実施例では、力学量測定装置の構成部品であるセンサチップとベース基板とそれらの接合部の構造の例を説明する。ベース基板は、力学量測定装置を製品として提供する場合に、ユーザが被測定対象に力学量測定装置を取り付けて(貼り付け・接続して)、被測定対象に生じた歪みを計測する際に、被測定対象への接続を容易にするための接続要素となるものである。なお、ベース基板を用いずに、センサチップを被測定対象を構成する部材に直接接合する力学量測定装置の構成方法も以下の実施例に説明する。 In this embodiment, an example of the structure of a sensor chip, a base substrate, and a joint portion thereof, which are components of the mechanical quantity measuring device, will be described. When a mechanical quantity measuring device is provided as a product, the base substrate is mounted when the user attaches (attaches / connects) the mechanical quantity measuring device to the object to be measured and measures the distortion generated in the object to be measured. This is a connection element for facilitating connection to the object to be measured. A configuration method of a mechanical quantity measuring apparatus that directly joins a sensor chip to a member constituting a measurement target without using a base substrate will be described in the following embodiments.
図1、図2は、本実施例の力学量測定装置100の断面構造と平面構造の例を示す図である。センサチップ1は、主面1aにひずみ検出部2を有し、センサチップ1の主面1aの反対の面であるセンサチップ裏面1bは接合層3、メタライズ層5、および中間メタライズ層6を介して、ベース基板4に接続されている。ひずみ検出部2はセンサチップの中央付近に設けられていて、4つの不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路が形成されている。これにより、センサチップ1の平面方向に生じた伸縮によって不純物拡散抵抗の抵抗値が変化することによりひずみを検出する。またこのセンサチップ1には、必要に応じて温度を測定する部位を形成しておく。このように温度計測が同時にできれば計測値の温度補正が可能となり、より高精度なひずみ量が計測可能となる。この例ではセンサチップ1は、ベース基板4のほぼ中央部に配置されているが、特に中央部でなくても問題はない。
1 and 2 are diagrams showing examples of a cross-sectional structure and a planar structure of the mechanical
ベース基板4上には、プリント基板20が配置され、プリント基板20上の電極パッド21とセンサチップ1の電極パッド29とがAu線などを用いたボンディングワイヤ22により接続される。プリント基板20はガラスエポキシ材料を用いた基板でも良いし、ポリイミド材料などを用いたフレキシブルな基板、セラミック基板などでも良い。また、メタルベース基板の作成方法に従ってベース基板4に配線も作り込み、ベース基板4とプリント基板20を1つにしても良い。
ベース基板4にはセンサチップ1の搭載位置にメタライズ層5が配置され、メタライズ層5とセンサチップ1の間の接合層3は、Auを含むはんだ層であり、Si、Ge、Ni、Sn、In、Sbのうち1種類以上の元素と、Cu、Ag、Co、Pt、Cr、Fe、Pdのうち1種類以上の元素を含んで構成されている。ベース基板4上のメタライズ層5は、Cu、Ag、Co、Pt、Cr、Fe、Pdのうち1種類以上の元素を含むものである。ベース基板4とメタライズ層5の中間は、メタライズ層5の密着性を向上させるために、Niなどの中間メタライズ層6を設けても良い。A printed
A metallized
メタライズ層は、通常はんだ層と被接合材との濡れ性を高めて密着性を向上するためにはんだ層と被接合材との間に挟んで接合されるなどの使用法が一般的である。本発明の実施例では、メタライズ層は、はんだ層へ溶け込んで、はんだ層に含まれるAuと固溶体、または金属間化合物を形成してAu相を改質する元素を含んでいて、該元素を接合部へ供給する役割も持つところが特徴である。 The metallized layer is generally used in such a manner that it is sandwiched between the solder layer and the material to be joined in order to improve the wettability between the solder layer and the material to be joined and improve the adhesion. In an embodiment of the present invention, the metallized layer contains an element that dissolves into the solder layer and forms a solid solution with Au contained in the solder layer or an intermetallic compound to modify the Au phase, and joins the element. It also has a role of supplying to the department.
図3に、力学量測定装置100の製造方法において、加熱炉10内でセンサチップ1とベース基板4とを接合するプロセスを説明する図を示す。すなわちベース基板4上には中間メタライズ層6と初期メタライズ層7が配置され、この初期メタライズ層7上にAuを含むはんだ材料8が搭載され、次にセンサチップ1のひずみ検出部2のある主面1aと反対の面1bがはんだ材料8に接するように搭載されている。センサチップ1の裏面1bには、はんだ材料8との接合性を向上させるために初期メタライズ層9としてTi、Ni、Au層、Ti、Pt、Au層、Ti、Pt、Ag層、Ti、Ni、Ag層などをめっき、あるいは蒸着により施されている。これらを加熱炉10内に入れ、例えばヒータ11などによって加熱する。
加熱、昇温と共に、Auを含むはんだ材料8が溶融し、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層9、及びベース基板4の初期メタライズ層7に接合される。このとき、ベース基板4の初期メタライズ層7は、Cu、Ag、Co、Pt、Cr、Fe、Pdのうち1種類以上の元素を含むものとする。すると、ベース基板4の初期メタライズ層7から、これらの初期メタライズ層の成分の一部、或いは全部がAuを含むはんだ材料8内に溶解する。FIG. 3 is a diagram illustrating a process for joining the
As the heating and temperature rise, the
一方、センサチップ1の界面では、初期メタライズ層9の表層のAu、Ag層などは一般的に薄く接続中にAuを含むはんだ材料8中に溶け込み、その下に形成したNi層(図示していない)などと接合されることとなる。
On the other hand, at the interface of the
Auを含むはんだ中に初期メタライズ層7の全部が溶け込んだ場合の接合層の様子を図4に示す。初期メタライズ層7の全てがAuを含むはんだ材料8に溶け込むと、中間メタライズ層6とはんだが接して、中間メタライズ層6の一部がはんだ中に溶けこむ場合があるが、中間メタライズ層6との界面に金属間化合物層13が形成される。またセンサチップ1表面の初期メタライズ層9との間に金属間化合物層14が形成される。その中間の接合層15は、Au中に初期メタライズ層7が溶け込んだ組成となっている。
FIG. 4 shows the state of the bonding layer when the entire
図5に、初期メタライズ層7の一部がAuを含むはんだ材料8に溶け込んだ場合の接合層の様子を示す。初期メタライズ層7の一部が溶け込むため、中間メタライズ層6上に初期メタライズ層7の一部が残り、これに隣接して金属間化合物層13が形成される。またセンサチップ1表面の初期メタライズ層9との間にも金属間化合物層14が形成される。これらの中間の接合層17はAu中に初期メタライズ層7の成分が溶け込んだ組成となっている。Auを含むはんだ材料8への初期メタライズ層7の溶け込みは均一ではなく、図6に示したように、チップ周囲の溶け込みがチップ中央部に比べて速く、中央付近の初期メタライズ層7が厚く残ることが多い。このように、チップ中央部の下部のみ厚いメタライズ層7となり、接合層17中のはんだの割合が少なく信頼性が向上する。
FIG. 5 shows a state of the bonding layer when a part of the
以上のように、冷却後のセンサチップ1とベース基板4間の接合層3、或いは接合層15、17においては、一般的に軟質なAuが初期メタライズ層7の成分の溶け込みによって固溶強化される。このため、硬度、引張り強度、ヤング率などの値が大きくなり、硬い接合層3、15、17を形成することが可能である。このように接合層3、15、17が硬い層となるため、ベース基板4に生じる力学量変化をセンサチップ1表面の歪み検出部2に感度良く伝達することが可能となる。また、長期間においても接合層3内のクリープ変形が低減し、センサ出力が安定する。
As described above, in the
例えば、初期メタライズ層7にAgを用いた場合には、接合時、Auを含むはんだ材料8にAgが溶け込み、Au中に固溶する。AuとAgは全率固溶する関係であり、溶解速さも早く、製造上問題とならない。したがって、冷却後の接合層3、15、17のAuは、初期のはんだ材料8のAuとは異なりAgが固溶したものとなっていて、固溶強化により軟質なAuが改質し強化層が形成されることとなる。且つ、Agが溶け込むことにより接合層3、15、17の融点も上昇させることが可能となることから、高温でのはんだのクリープ変形量を低減できる。したがって、高感度で、且つ長期間安定したセンサ計測が可能な接合構造となる。
For example, when Ag is used for the
他には、初期メタライズ層7にCuを用いた場合には、接合時、Auを含むはんだ材料8にCuが溶け込み、Au中に固溶する。したがって、冷却後の接合層3、15、17のAuは、初期のはんだ材料8のAuとは異なりCuが固溶したものとなり、固溶強化により軟質なAuが改質され強化層が形成されることとなる。しかも、AuとCuの場合にはCu含有量によってAuCuの規則格子が形成され、軟質なAuを大幅に強化させる効果がある。この場合には、接合後、高温で長時間ベークし、規則格子化を促進するプロセスの追加が有効である。且つ、Au中にCuが溶解することにより接合層の融点も上昇し、高温でのはんだのクリープ変形量が低減し、高感度で、且つ、長期間安定したセンサ計測が可能な接合構造となる。
In addition, when Cu is used for the
他には、初期メタライズ層7にPt、Ni、Co、Cr、Fe、Pd層を用いた場合にも同様に、接合時、Auを含むはんだ材料8に初期メタライズ層7の各成分が溶け込み、軟質なAuを改質して強化層を形成することが可能となる。これにより、高温でのはんだのクリープ変形量が低減し、高感度で、且つ、長期間安定したセンサ計測が可能な接合構造となる。
初期メタライズ層7の成分によってAuを含むはんだ材料8への溶け込み速さは異なるため、加熱条件を最適化することが重要であるが、接合後、再度高温でのベーク処理を行い、拡散を進行させるプロセスも有効である。In addition, when a Pt, Ni, Co, Cr, Fe, Pd layer is used for the
It is important to optimize the heating conditions because the rate of penetration into the
ここで、加熱炉10の内部は雰囲気制御を行うことで、Auを含むはんだ材料8の表面酸化を抑制し、良好な接合を得ることができる。例えば、雰囲気はN2などが有効であるが、このほかに、還元性のある水素、あるいはこれらの混合物、または、ギ酸などの有機酸を用いても良い。他には、表面酸化物を還元可能なフラックスなどの有機物を用いても良い。センサチップ1の平行性、所望の接合高さ確保、位置ずれ防止、接合層中のボイド低減を図るために重り16やガイドなどの接合補正冶具12を用いても良い。またこれらの接合部材周辺を真空にしてボイドを低減させることも効果的である。このような工夫を行うことで、ボイドなどの欠陥の少ない良好な接合層3、15、17を得ることが可能になる。更に接合性を向上させるには、接合前のスパッタ処理や、プラズマ洗浄などを行い、接合部材の有機汚染量、酸化膜などを除去、或いは低減させておくことが有効である。Here, by controlling the atmosphere inside the
また加熱炉だけではなく、いわゆるダイボンダ装置を用いることも可能である。ベース基板4の初期メタライズ層7上にAuを含むはんだ材料8を供給し、一方、センサチップ1をコレットなどで真空吸着させて、センサチップ1をはんだ材料8上に圧着する。このとき、コレットをパルス的に加熱(パルスヒート)、或いはコンスタントに加熱して(コンスタントヒート)、Auを含むはんだ材料8を溶融させてセンサチップ1とベース基板4を接合させることも可能である。ベース基板は予め加熱しておくと、より接合時間が短縮化できる。このダイボンド接合時でも、接合部付近を不活性雰囲気にしておくと、より良好な接合が可能となる。このダイボンドによる接合後に、高温槽などの他の装置などに移して再度加熱し、メタライズ層7成分の接合層17への溶解量を増やすことも可能である。
Further, not only a heating furnace but also a so-called die bonder device can be used. The
ベース基板4の材料としては、Al、Al合金、Cu、Cu合金、SUS、42アロイ、Mo、CICなどを用いることができる。
As the material of the
Auを含むはんだ材料としては、AuとGe、AuとSi、AuとIn、AuとSn、AuとSbの2元はんだ、或いは、Ge、Si、In、Sn、Ni、Sb、Ti、Cu、Agのうち2種類以上を含み残りがAuで構成されるはんだが適当である。Auの組成は50wt%以上が望ましい。 As a solder material containing Au, Au and Ge, Au and Si, Au and In, Au and Sn, Au and Sb binary solder, or Ge, Si, In, Sn, Ni, Sb, Ti, Cu, A solder composed of two or more types of Ag and the remainder composed of Au is suitable. The Au composition is desirably 50 wt% or more.
例えば、AuとSiを含む2元系はんだでは、融点が1063℃のAuと比較して、約3.15wt%のSiの添加により融点が共晶温度の363℃程度まで下降するため、センサチップ1の耐熱性以下の約370〜450℃付近の温度で接合することが可能である。しかし、上記構成の初期メタライズ層7と接合することにより、Au中にメタライズ成分が固溶して接合層3、15、17の融点は上昇し、且つ固溶強化により接合層は強化され、クリープ耐性が向上する。初めから、Au、Si、及び初期メタライズ層からの溶け込み成分を含んだ高融点で、且つ高強度の接合材料を用いて接合することも考えられるが、センサチップ1の耐熱性、接合時のチップ割れ発生も考慮すると、製造上の課題が多い。そこで、まずはAuに3.15wt%のSiを含むAuSi共晶、或いはその付近の融点の低い組成のはんだ材料を用いて接合することによりチップ割れ発生確率を低減して確実に接合を行い、と同時に、メタライズ層からのAu強化成分の溶け込みを利用して軟質なAu相の改質を行い高強度化するプロセスが有効である。
For example, in the binary solder containing Au and Si, the melting point is lowered to the eutectic temperature of about 363 ° C. by adding about 3.15 wt% Si as compared with Au having a melting point of 1063 ° C. It is possible to join at a temperature of about 370 to 450 ° C., which is lower than the heat resistance of the steel. However, by bonding to the
同様にAuとGeを含む2元系はんだでは、融点が1063℃のAuと比較して、約12wt%のGeの添加により融点が共晶温度の356℃程度まで下降するため、センサチップ1の耐熱性以下の約370〜450℃付近の温度で接合することが可能である。しかし、上記構成の初期メタライズ層7と接合することにより、Au中にメタライズ成分が固溶して接合層3、15、17の融点は上昇し、且つ固溶強化により接合層は強化され、クリープ耐性が向上する。初めからAu、Ge、及び初期メタライズ層からの溶け込み成分を含んだこのような高融点で、且つ高強度の接合材料を用いて接合することも考えられるが、センサチップの耐熱性、接合時のチップ割れ発生も考慮すると、製造上の課題が多い。そこで、まずはAuに12wt%のGeを含むAuGe共晶、或いはその付近の融点の低い組成の材料を用いて接合することによりチップ割れ発生確率を低減して確実に接合を行い、と同時に、メタライズ層からのAu強化成分の溶け込みを利用して軟質なAu相の改質を行い高強度化するプロセスが有効である。
Similarly, in the binary solder containing Au and Ge, the melting point is lowered to about 356 ° C. of the eutectic temperature by adding about 12 wt% Ge as compared with Au having a melting point of 1063 ° C. Bonding is possible at a temperature of about 370 to 450 ° C., which is lower than heat resistance. However, by bonding to the
他にも、AuSn、AuIn、AuNi、AuSb系では、最も融点の低くなる組成、及びその付近の組成を用いて、チップの耐熱温度以下で接合してチップ割れ発生確率を低減し、且つ、初期メタライズ層7からのAu強化成分の溶け込みを利用して軟質なAu相の改質を行い高強度化するプロセスが有効である。
In addition, in the AuSn, AuIn, AuNi, and AuSb systems, the composition having the lowest melting point and the composition in the vicinity thereof are used to reduce the probability of chip cracking by bonding below the heat resistant temperature of the chip. A process of improving the strength by modifying the soft Au phase using the penetration of the Au reinforcing component from the metallized
或いは、Ge、Si、In、Sn、Ni、Sb、Ti、Cu、Agのうち2種類以上を含み残りがAuで構成されるはんだ材料を用いることにより、はんだ材料の融点を調整することが可能であるため、センサチップの耐熱性、チップ割れ強度に合わせて高歩留まりの接合を行うことが可能である。例えば、Au中にGeとSiを含むはんだ材料では、組成によって融点が350℃以下まで低下するため、接合時のチップ割れ不良発生率を低くすることが可能である。 Alternatively, the melting point of the solder material can be adjusted by using a solder material that contains two or more of Ge, Si, In, Sn, Ni, Sb, Ti, Cu, and Ag, and the remainder is made of Au. Therefore, high yield bonding can be performed in accordance with the heat resistance and chip cracking strength of the sensor chip. For example, in the case of a solder material containing Ge and Si in Au, the melting point is lowered to 350 ° C. or less depending on the composition, so that it is possible to reduce the incidence of chip crack failure during bonding.
またこのように少しでも低融点のはんだ材料を用いて接合することにより、製造時の電力などを低減でき、環境負荷も低減することが可能である。
図7に本発明の力学量測定装置100を利用して被測定物30のひずみ量を計測する場合の構成図を示す。これはベース基板4と被測定物30とを、溶接31によって数箇所固定したものである。これにより、被測定物30に生じたひずみ量をまずはベース基板4に伝え、その後、感度、クリープ耐性を向上させた接合層3を介してセンサチップ1の歪み検出部2に、感度良く伝え、歪み量を正確に測定することが可能となる。ここでは、溶接31によりベース基板4と被測定物を固定したが、ねじ留めや接着材、かしめ、摩擦による熱を利用する方法などで固定しても良い。In addition, by using a solder material having a low melting point as much as possible, it is possible to reduce power during production and to reduce the environmental load.
FIG. 7 shows a configuration diagram when measuring the strain amount of the device under
また、図示していないが、これらの力学量測定装置100のセンサチップ1の表面保護、或いはボンディングワイヤ22などの保護のため、センサチップ1表面とボンディングワイヤ22を含むエリアを絶縁材料などで覆ってもよい。または、キャップなどで全体を覆うことも考えられる。
Although not shown, the surface including the surface of the
次に本実施例の力学量測定装置100の形状について説明する。例えば、センサチップ1はほぼ1mm〜5mm角、厚さは50〜400μmのサイズであり、接合層3の厚さは最大200μm程度のサイズである。ベース基板4は0.1〜3mm程度の厚さであるが、ベース基板を用いず被測定物に直接接合する場合には、更に厚いものでも問題ない。またAuを含むはんだ材料8は、それぞれのチップの大きさに適する大きさで、厚みは20〜200μm程度のはんだペレットを用いる。しかしこれ以外にも、円盤状のはんだペレット、ボール形状のはんだ、線状のはんだ、或いははんだ粒子を有機物と混合させたはんだペーストを用いても良い。
また軟質なAuを改質して強化できる成分を有する初期メタライズ層の厚みは、その成分の改質効果にもよるが、例えば最大100μm程度である。Next, the shape of the mechanical
Further, the thickness of the initial metallized layer having a component that can be strengthened by modifying soft Au is, for example, about 100 μm at maximum, depending on the modification effect of the component.
一例として、AuとSiの2元はんだを用いた例を示す。ベース基板4にはSUS420を用い、厚みを1mmとし、これに中間メタライズ層6としてNiを施し、これに初期メタライズ層5としてCuを施した。それぞれの層の厚みは、製造上のばらつきもあるが、Niによる中間メタライズ層は3μm、Cuによる初期メタライズ層は10μmとした。これらのメタライズ層はベース基板4全体にめっき処理により形成した。Auを含むはんだ材料8は、Au−3.15wt%Siの2元系の材料を用い、形状は、チップとほぼ同じ大きさで30μm厚みのはんだペレットを用意した。またセンサチップ1は3mm角であり、歪み検出部2と反対の面1bにはTi/Ni/Auを施した。次に、上記のベース基板4、Au−3.15wt%Siはんだペレット、センサチップ1を順に積層し、N2雰囲気としたリフロー炉にて最高温度400℃で3分間程度加熱し、その後冷却させた。この例では、軟質なAuを改質して強化できる成分としてCuを用いているため、接合層3ではAu中にCuが溶け込んでいて、その溶け込み量は場所によるばらつきもあるが、Auに対しほぼ30〜70at%のCuが溶解していた。これらは更に追加の高温ベークを行うことにより、AuCuの規則格子化が進むことにより、硬度が増し、高温でのクリープ耐性が向上する。チップの形状が変わると、ベース基板との熱膨張係数差に起因するチップ端部に発生する応力が変化するため、チップ割れ耐性が変わり、且つ、クリープ耐性も変化が生じる。そこで、チップ形状が4〜5mm角程度であれば、最適なCuの溶解度も変化し、Auに対しほぼ10〜50at%のCuの溶解でもクリープ耐性が良好であった。As an example, an example using a binary solder of Au and Si is shown. The
上記と同様な検討を行った結果の例を図8の表に示すが、これらのメタライズ層とはんだの組み合わせを用いることにより、接合時のチップ割れを防止し、且つ高温でのクリープ耐性が向上するものである。図8では、接合性が良好な場合「○」とし、クリープ特性(クリープ耐性)が良好な場合「○」とし、クリープ特性が極めて良好な場合「◎」としている。 An example of the result of the same examination as described above is shown in the table of FIG. 8. By using a combination of these metallized layers and solder, chip cracking at the time of joining is prevented and creep resistance at high temperature is improved. To do. In FIG. 8, “◯” is indicated when the bondability is good, “◯” is indicated when the creep property (creep resistance) is good, and “「 ”is indicated when the creep property is very good.
ここで、ベース基板4への中間メタライズ層6と初期メタライズ層7の形成する領域は、全体に形成しても良いし、センサチップ1が搭載される付近にのみメタライズ層を形成してもよい。この場合、レジストなどを用いた部分めっきなどを実施する。または、ベース基板4全体に中間メタライズ層6を施し、その後、レジストなどでマスクをしてセンサチップ1が搭載される部分のみに初期メタライズ層7を施しても良い。また、ベース基板4の材質がSUS等の、表面が安定していてめっきとの密着性が悪く剥がれが懸念される材質の場合には、小さい面積のメタライズ層では剥がれによる特性劣化などが心配になるが、中間メタライズ層6はなるべく大面積としておくことで、めっき剥がれ不良を低減することが可能である。
Here, the region where the
このようなAuをベースとするはんだを改質することの別の効果は、Auは非常に軟質であるが、主に固溶強化の効果によって改質しているため、脆性な材料で懸念される耐衝撃性の問題が少なく、特に自動車用途などの振動、衝撃への信頼性が重要な場合には有効である。且つ、低温での耐性も高く、温度サイクルなどの信頼性にも優れている。
また、センサチップ1の主材料であるSiとAuとは共晶反応を起こすため、温度、雰囲気を最適化することで、図17に示したようにセンサチップ1の側面の一部、或いは側面全体にフィレット23を形成することも可能であり、クリープ耐性が向上する。Another effect of modifying such an Au-based solder is the concern with brittle materials because Au is very soft, but mainly modified by the effect of solid solution strengthening. This is effective when there is little problem of impact resistance, especially when reliability for vibration and impact is important, such as in automobile applications. In addition, it has high resistance at low temperatures and is excellent in reliability such as temperature cycle.
Further, since Si and Au, which are the main materials of the
本実施例では、力学量測定装置の構成部品であるセンサチップとベース基板を用いた力学量測定装置の別の製造方法、構造の例を説明する。
本実施例の力学量測定装置200では、センサチップ1は実施例1の場合と同様であるが、Auを含むはんだ材料8の軟質なAuを改質して強化可能な成分を含む初期メタライズ層41を、センサチップ1の裏面1bに形成したことを特徴とする。In the present embodiment, an example of another manufacturing method and structure of a mechanical quantity measuring device using a sensor chip and a base substrate that are components of the mechanical quantity measuring device will be described.
In the mechanical
図9は、力学量測定装置200の製造方法を示す図である。加熱炉10内でセンサチップ1とベース基板4とを接合するが、ベース基板4上には通常のメタライズ層42が形成されている。このメタライズ層42上にAuを含むはんだ材料8が搭載され、次にセンサチップ1のひずみ検出部2のある主面1aと反対の面1bに形成されている初期メタライズ層41がはんだ材料8に接するように搭載される。その後、加熱することにより、センサチップ1の裏面1b上に形成された初期メタライズ層41の成分がAuを含むはんだ材料8に溶け込み、図10に示した力学量測定装置200の接合構造を形成する。この例での接合層43は、軟質なAuが改質されて強化されたはんだにより構成される。初期メタライズ層41の材質は実施例1の初期メタライズ層7と同様である。はんだ材料8も実施例1と同様である。詳細には、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層41の一部、或いは全部がAuを含むはんだ8内に溶け込み、図示していないが、界面には金属間化合物層などが形成されている。このように、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層41をこのような材質、構造を採ることにより、高温でのクリープ耐性を向上させ、感度良く被測定物の力学量変化を計測することが可能となる。且つ接合時のチップ割れ発生確率を低減可能である。
FIG. 9 is a diagram showing a method for manufacturing the mechanical
本実施例では、力学量測定装置の構成部品であるセンサチップとベース基板を用いた力学量測定装置の別の製造方法、構造の例を説明する。
本実施例の力学量測定装置300では、センサチップ1は実施例1の場合と同様であるが、Auを含むはんだ材料8の軟質なAuを改質して強化可能な成分を含む初期メタライズ層を、センサチップ1の裏面1b、及び、ベース基板4上の両方に形成したことを特徴とする。In the present embodiment, an example of another manufacturing method and structure of a mechanical quantity measuring device using a sensor chip and a base substrate that are components of the mechanical quantity measuring device will be described.
In the mechanical
図11は、力学量測定装置300の製造方法を示す図である。加熱炉10内でセンサチップ1とベース基板4とを接合するが、ベース基板4上には軟質なAuを強化可能な成分を含む初期のメタライズ層44が形成されている。このメタライズ層44上にAuを含むはんだ材料8が搭載され、次にセンサチップ1のひずみ検出部2のある主面1aと反対の面1bがはんだ材料8に接するように搭載される。このとき、センサチップ1の裏面1bには同様に軟質なAuを強化可能な成分を含む初期メタライズ層45が形成されている。ここで、ベース基板4と初期メタライズ層44の間には、密着性を向上させるなどの理由で中間メタライズ層6が形成されていてもよい。
FIG. 11 is a diagram illustrating a method for manufacturing the mechanical
その後、これらを加熱することにより、センサチップ1の裏面1b上に形成された初期メタライズ層45の成分、及びベース基板4の表面に形成されている初期メタライズ層44の成分がAuを含むはんだ材料8に溶け込み、図12に示した力学量測定装置300の接合構造を形成する。この例での接合層46は、軟質なAuが改質されて強化されたはんだにより構成される。詳細には、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層45、ベース基板4の初期メタライズ層44の一部、或いは全部がAuを含むはんだ8内に溶け込み、図示していないが、界面には金属間化合物層などが形成されるものとなっている。このように、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層45、ベース基板の初期メタライズ層44をこのような材質、構造を採ることにより、高温でのクリープ耐性を向上させ、感度良く被測定物の力学量変化を計測することが可能となる。且つ接合時のチップ割れ発生確率を低減可能である。
実施例3の例では、センサチップ1の初期メタライズ層45とベース基板4表面の初期メタライズ層44は同じ成分でもよいし、別の成分を用いても良い。また、初期メタライズ層44、初期メタライズ層45の材質は実施例1の初期メタライズ層7と同様である。はんだ材料8も実施例1と同様である。Thereafter, by heating them, a solder material in which the components of the
In the example of Example 3, the
本実施例では、力学量測定装置の構成部品であるセンサチップとベース基板を用いた力学量測定装置の別の製造方法、構造の例を説明する。
実施例3では、ベース基板4上、およびセンサチップ1の裏面1bの両方に軟質なAuを強化可能な成分を含む初期のメタライズ層44,45を形成して、はんだ材料8への溶け込みをより早く効率化する実施例を示した。更に迅速にはんだ材料8への溶け込みを実現するためには、はんだ材料8の間に初期のメタライズ層を挟み込む方式が有効と考えられる。
本実施例の力学量測定装置400では、センサチップ1は実施例1の場合と同様であるが、Auを含むはんだ材料8の軟質なAuを改質して強化可能な成分を含む初期メタライズ層を、Auを含むはんだ材料8の間、センサチップ1の裏面1b、及び、ベース基板4上の3箇所に形成したことを特徴とする。In the present embodiment, an example of another manufacturing method and structure of a mechanical quantity measuring device using a sensor chip and a base substrate that are components of the mechanical quantity measuring device will be described.
In Example 3, the initial metallized layers 44 and 45 containing a component capable of strengthening soft Au are formed on both the
In the mechanical
図13は、力学量測定装置400の製造方法を示す図である。加熱炉10内でセンサチップ1とベース基板4とを接合するが、ベース基板4上には軟質なAuを強化可能な成分を含む初期のメタライズ層47が形成されている。このメタライズ層47上にAuを含むはんだ材料8が搭載され、その上にシート状のAu改質材料49、Auを含むはんだ材料8が搭載され、次にセンサチップ1のひずみ検出部2のある主面1aと反対の面1bがはんだ材料8に接するように搭載される。このとき、センサチップ1の裏面1bには同様に軟質なAuを強化可能な成分を含む初期メタライズ層48が形成されている。ここで、ベース基板4と初期メタライズ層47の間には、密着性を向上させるなどの理由で中間メタライズ層6が形成されていてもよい。
FIG. 13 is a diagram illustrating a method for manufacturing the mechanical
その後、これらを加熱することにより、センサチップ1の裏面1b上に形成された初期メタライズ層48の成分、はんだ材料8に挟まれたAu改質材料49の成分、及びベース基板4の表面に形成されている初期メタライズ層47の成分がAuを含むはんだ材料8に比較的速やかに溶け込み、図14に示した力学量測定装置400の接合構造を形成する。この例での接合層61,62は、軟質なAuが改質されて強化されたはんだにより構成される。詳細には、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層48、はんだ材料8に挟まれたAu改質材料49、及びベース基板4上の初期メタライズ層47の一部、或いは全部がAuを含むはんだ8内に比較的速やかに溶け込み、図示していないが、界面には金属間化合物層などが形成されるものとなっている。このように、センサチップ1の裏面1bの初期メタライズ層48、はんだ材料8に挟まれたAu改質材料49、及びベース基板上の初期メタライズ層47をこのような材質、構造を採ることにより、高温でのクリープ耐性を向上させ、感度良く被測定物の力学量変化を計測することが可能となる。且つ接合時のチップ割れ発生確率を低減可能である。
実施例4の例では、センサチップ1の初期メタライズ層48と、はんだ材料8に挟まれたAu改質材料49と、及びベース基板4表面の初期メタライズ層47は同じ成分でも良いし、別の成分を用いても良い。また、初期メタライズ層48、Au改質材料49、初期メタライズ層47の材質は実施例1の初期メタライズ層7と同様である。はんだ材料8も実施例1と同様である。Thereafter, these are heated to form a component of the
In the example of Example 4, the
また、本実施例において、ベース基板4上、またはセンサチップ1の裏面1bに形成された初期のメタライズ層47,48のいずれか、または両方ともに省略して、はんだ材料8の間にのみAu改質材料49を挟み込んで、接合層を形成する構成も考えられる。
Further, in this embodiment, either or both of the initial metallized layers 47 and 48 formed on the
本発明の力学量測定装置を圧力センサモジュールに適用した例を図15に示す。
図15に断面図を示す圧力センサモジュール500は、中空孔51を内側に設けた筒部52とこの筒部52における中空孔51の上部を閉塞する蓋部分53からなる容器54を有している。また、中空孔51の上部の蓋部分53にはダイアフラム56の領域が形成されていて、センサチップ1をベース基板4に接合層3を介して取り付けたセンサモジュール57がダイアフラム56部分の中空孔51と反対側の面に取り付けられている。またセンサチップ1からはひずみ検出量を出力するため、ボンディングワイヤ22を介して配線基板20が取り付けられている。更にこれらのセンサモジュール(力学量測定装置)57部分を保護し、且つ計測値を出力するためにケース58、また図示していないがコネクタが周囲にとりつけられている。An example in which the mechanical quantity measuring device of the present invention is applied to a pressure sensor module is shown in FIG.
A
ベース基板4は、例えばCIC基板、Mo、42Alloy、SUS、Al、セラミックなどを素材として、筒部52、ダイアフラム56部分などは例えばSUS材料などが適用される。また、ケース58は樹脂などが適用されるが、耐熱性が持たない場合には金属材料のものでも良い。
The
ダイアフラム56とベース基板4との接合は、溶接、ロウ材、ねじ固定、かしめ、摩擦による熱などを用いて行う。またプリント基板20は、圧力センサモジュール500の容積が限られていて収納できない場合には、フレキシブル基板のようなものを用いたり、コネクタ、プローブピンのようなばね性のものを用いて信号を取り出すことも可能である。
The
この圧力センサモジュール500は、例えば自動車の油圧系の配管などに継手部55が接続される。そこで、ダイアフラム56上に貼り合わされたベース基板4上に本発明の実施例1〜4に記載の接合層を介して接続されたセンサチップ1が、油圧の変化に従ってダイアフラム56を介して歪むことによって、圧力の変化を電気信号に変換する。
In the
この圧力センサモジュール500の製造においては、センサチップ1をベース基板4に接合層3を介して取り付けたセンサモジュール(力学量測定装置)57を別途作成してから蓋部分53に取り付けても良いし、先に蓋部分53にベース基板4を取り付けてからセンサチップ1を接合するプロセスでも良い。
In manufacturing the
ベース基板4を用いずにダイアフラム56(被測定対象)に直接センサチップ1を接合した圧力センサモジュール600構造も可能である。この例(変形例)を図16に示すが、センサチップ1はダイアフラム56に本発明の実施例1〜4に記載の接合層を用いて直接接合されていて、油圧の変化に従ってダイアフラム56が歪み、この歪み量をセンサチップ1のひずみ検出部2で検出することによって、圧力の変化を電気信号に変換する。この例のようにベース基板4を用いない場合には、ダイアフラム56の中空孔51の反対側の面に、Au中に固溶し軟質なAuを改質して強化可能な成分を含むメタライズ層を予め施しておく必要がある。或いは、Au中に固溶し軟質なAuを改質して強化可能な成分を含むメタライズ層をセンサチップ1の裏面1bに形成する場合には、ダイアフラム56上にははんだの濡れを確保できる表面処理層のみ形成しても良い。
A
センサチップ1の搭載される部分のダイアフラム56の裏側は、局所的に薄い部分を形成し、その部分の厚みを変えることによって、圧力の計測範囲を変えることも可能である。
It is also possible to change the pressure measurement range by forming a thin portion locally on the back side of the
このように作成した圧力センサモジュール500、600では、センサチップ1の接合部3が高温でもクリープ変形が少なく安定で、且つ温度サイクルなどの信頼性も高いため、自動車のガソリンの燃料圧など計測時など、高温の環境で使用される場合の圧力変化を感度良く、且つ長期間安定して圧力変化を計測可能である。また、このセンサチップ1の接合プロセスにおいてもチップ割れ不良も少なく、歩留まりも良好である。
In the
1 センサチップ
1a センサチップの主面
1b センサチップ裏面
2 ひずみ検出部
3 接合層
4 ベース基板
5 メタライズ層
6 中間メタライズ層
7 初期メタライズ層
8 Auを含むはんだ材料
9 初期メタライズ層
10 加熱炉
11 ヒータ
12 接合補正冶具
13 金属間化合物層
14 金属間化合物層
15 初期メタライズ層が全て溶け込んだ接合層
16 重り
17 初期メタライズ層の一部が溶け込んだ接合層
20 プリント基板
21 プリント基板の電極
22 ボンディングワイヤ
23 フィレット
29 センサチップのワイヤボンディング用電極
30 被測定物
31 溶接部
41 センサチップ裏面の初期メタライズ層
42 ベース基板表面の初期メタライズ層
43 接合層
44 ベース基板表面の初期メタライズ層
45 センサチップ裏面のメタライズ層
46 接合層
47 ベース基板表面の初期メタライズ層
48 センサチップ裏面のメタライズ層
49 Au改質材料
51 中空孔
52 筒部
53 蓋部分
54 容器
55 継手部
56 ダイアフラム
57 センサモジュール
58 ケース
61,62 接合層
100 力学量測定装置
200 力学量測定装置
300 力学量測定装置
400 力学量測定装置
500 圧力センサモジュール
600 圧力センサモジュールDESCRIPTION OF
Claims (15)
前記初期メタライズ層上にAuを少なくとも50wt%以上含むはんだを積層し、
前記はんだの上に、半導体基板にひずみ検出部を形成したセンサチップを、その裏面を向けて搭載し、
前記メタライズ層と前記はんだと前記センサチップとを含む積層体を加熱炉内に載置して、前記センサチップの耐熱温度以下、及びはんだ溶融温度以上に加熱し、
前記はんだに接する前記初期メタライズ層からはんだ中のAuを固溶強化する前記材料の一部、或いは全部をはんだ中に溶解させて接合層を形成する力学量測定装置の製造方法。 An initial metallization layer containing a material that forms a solid solution with Au and solidifies and strengthens Au is formed on the base substrate or on the surface of the member constituting the object to be measured of a mechanical quantity ,
Laminating a solder containing at least 50 wt% Au on the initial metallization layer,
On the solder, a sensor chip in which a strain detection part is formed on a semiconductor substrate is mounted with its back surface facing,
A laminate including the metallized layer, the solder, and the sensor chip is placed in a heating furnace, and is heated to a temperature not higher than the heat resistance temperature of the sensor chip and not lower than a solder melting temperature.
A method for manufacturing a mechanical quantity measuring device, wherein a bonding layer is formed by dissolving a part or all of the material for solid solution strengthening of Au in solder from the initial metallized layer in contact with the solder into the solder.
前記センサチップの前記ひずみ検出部が形成された主面と反対の裏面に、前記初期メタライズ層に含まれるAuを固溶強化する材料と同じ材料、または異なる種類のAuを固溶強化する材料を含む初期メタライズ層を形成し、
前記はんだの上に、前記センサチップの初期メタライズ層を形成した裏面を積層して搭載する力学量測定装置の製造方法。 In claim 1,
On the back surface opposite to the main surface on which the strain detection portion of the sensor chip is formed, the same material as the material that solidifies and strengthens Au contained in the initial metallization layer, or a material that strengthens and dissolves different types of Au. Forming an initial metallization layer containing,
A method for manufacturing a mechanical quantity measuring device, wherein a back surface on which an initial metallized layer of the sensor chip is formed is laminated and mounted on the solder.
前記ベース基板、または前記力学量の被測定物を構成する部材、並びに前記センサチップの間に積層して挟み込むAuを少なくとも50wt%以上含むはんだを2層に分けて積層し、
前記2層に分けて積層したはんだの間に、Au改質材料を挟み込んで接合層を形成する力学量測定装置の製造方法。 In claim 1,
The base substrate or the member constituting the object to be measured of the mechanical quantity, and laminated in two layers of solder containing at least 50 wt% or more of Au sandwich was laminated between the sensor chip,
A method of manufacturing a mechanical quantity measuring apparatus, wherein a bonding layer is formed by sandwiching an Au modified material between solders divided into two layers.
前記メタライズ層と前記センサチップの間に積層して挟み込むAuを少なくとも50wt%以上含むはんだを2層に分けて積層し、
前記2層に分けて積層したはんだの間に、Au改質材料を挟み込んで接合層を形成する力学量測定装置の製造方法。 The base substrate or on the surface of the part material that make up the object to be measured of a physical quantity, form a metallized layer to ensure only wetting I,
Laminating two layers of solder containing at least 50 wt% or more Au sandwiched between the metallized layer and the sensor chip;
A method of manufacturing a mechanical quantity measuring apparatus, wherein a bonding layer is formed by sandwiching an Au modified material between solders divided into two layers .
前記はんだ中のAuを固溶強化できる材料として、Cu、Ag、Co、Pt、Cr、Fe、またはPdの少なくともいずれか1つの元素を含む初期メタライズ層を用いる力学量測定装置の製造方法。 In any one of claims 1 to 4 ,
The manufacturing method of the mechanical quantity measuring apparatus using the initial metallization layer containing at least any one element of Cu, Ag, Co, Pt, Cr, Fe, or Pd as a material which can carry out the solid solution strengthening of Au in the said solder.
Auを含む前記はんだは、AuとGe、AuとSi、AuとIn、AuとSn、AuとSb、AuとNiの2元はんだである力学量測定装置の製造方法。 In any one of claims 1 to 4 ,
The method of manufacturing a mechanical quantity measuring device, wherein the solder containing Au is a binary solder of Au and Ge, Au and Si, Au and In, Au and Sn, Au and Sb, and Au and Ni.
Auを含む前記はんだは、Ge、Si、In、Sn、Ni、Sb、Ti、Cu、およびAgのうち少なくとも2種類以上の元素を含み、残りがAuで構成されるはんだである力学量測定装置の製造方法。 Oite to claim 1 or 2,
The solder containing Au is a mechanical quantity measuring device in which the solder containing Ge, Si, In, Sn, Ni, Sb, Ti, Cu, and Ag contains at least two kinds of elements and the rest is made of Au. Manufacturing method.
被測定物と前記センサチップとの間に介在して、前記センサチップを支持すると共に、検出すべき前記被測定物の歪みを前記センサチップに伝えるベース基板、または力学量の被測定物を構成する部材と、
前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部と、
を備え、
前記ベース基板または前記力学量の被測定物を構成する部材と、前記センサチップとの間には、
Auと固溶体を形成してAuを固溶強化する材料を含み、加熱炉内の加熱によって、前記材料が接続するはんだ層へ溶け出した残りの材料を有するメタライズ層と、
加熱前にはAuを少なくとも50wt%以上含み、加熱炉内の加熱によって、接続する前記メタライズ層からAuを固溶強化する材料の溶け込みを受け入れて、Auと前記材料を含む固溶体を形成するはんだから成る接合層と、
を有して、
前記ベース基板または前記力学量の被測定物を構成する部材と、前記センサチップとが接合されている力学量測定装置。 A sensor chip having a strain detection part formed on a semiconductor substrate;
A base substrate that is interposed between the measurement object and the sensor chip and supports the sensor chip and transmits the distortion of the measurement object to be detected to the sensor chip or a measurement object of a mechanical quantity A member to be
A wiring portion for drawing wiring from the electrode of the sensor chip to the outside;
With
Between the sensor chip and the member constituting the base substrate or the measurement object of the mechanical quantity ,
A metallized layer including a material that forms a solid solution with Au and that strengthens the solid solution of Au, and has the remaining material that has melted into the solder layer to which the material is connected by heating in a heating furnace;
Before heating, the solder contains at least 50 wt% or more, and by heating in the heating furnace, accepts the penetration of the material that solidifies and strengthens Au from the metallized layer to be connected, and forms a solid solution containing Au and the material. A bonding layer comprising:
Having
A mechanical quantity measuring apparatus in which a member constituting the base substrate or the mechanical quantity to be measured is joined to the sensor chip.
前記ベース基板と、前記センサチップとの間には、前記ベース基板の上に、前記メタライズ層、前記接合層が積層され、
前記接合層と前記センサチップとの間には、第2のメタライズ層が積層されて、または省略されて、前記ベース基板と、前記センサチップとが接合されている力学量測定装置。 In claim 8 ,
Between the base substrate and the sensor chip, the metallized layer and the bonding layer are laminated on the base substrate,
A mechanical quantity measuring device in which a second metallized layer is laminated or omitted between the bonding layer and the sensor chip, and the base substrate and the sensor chip are bonded.
前記ベース基板と、前記センサチップとの間には、前記接合層が、第1、第2の接合層に分けられ、前記第1、第2の接合層の間に第3のAu改質材料が積層され、
前記ベース基板と前記第1の接合層の間に第1のメタライズ層、及び前記第2の接合層と前記センサチップとの間に第2のメタライズ層は、それぞれが積層されて、または省略されて、前記ベース基板と、前記センサチップとが接合されている力学量測定装置。 In claim 8 ,
The bonding layer is divided into a first bonding layer and a second bonding layer between the base substrate and the sensor chip, and a third Au modifying material is provided between the first bonding layer and the second bonding layer. Are stacked,
The first metallized layer between the base substrate and the first bonding layer, and the second metallized layer between the second bonding layer and the sensor chip are laminated or omitted, respectively. A mechanical quantity measuring device in which the base substrate and the sensor chip are joined.
前記力学量の被測定物を構成する部材と、前記センサチップとの間には、前記部材の上に、前記メタライズ層、前記接合層が積層され、
前記接合層と前記センサチップとの間には、第2のメタライズ層が積層されて、または省略されて、前記部材と、前記センサチップとが接合されている力学量測定装置。 In claim 8 ,
Between the member constituting the mechanical measurement object and the sensor chip, the metallized layer and the bonding layer are laminated on the member,
A mechanical quantity measuring apparatus in which a second metallized layer is laminated or omitted between the bonding layer and the sensor chip, and the member and the sensor chip are bonded.
前記力学量の被測定物を構成する部材と、前記センサチップとの間には、前記接合層が、第1、第2の接合層に分けられ、前記第1、第2の接合層の間にAu改質材料が積層され、
前記部材と前記第1の接合層の間に第1のメタライズ層、及び前記第2の接合層と前記センサチップとの間に第2のメタライズ層は、それぞれが積層されて、または省略されて、前記部材と、前記センサチップとが接合されている力学量測定装置。 In claim 8 ,
The bonding layer is divided into a first bonding layer and a second bonding layer between a member constituting the object to be measured of the mechanical quantity and the sensor chip, and between the first and second bonding layers. Au modified material is laminated to
The first metallized layer between the member and the first bonding layer, and the second metallized layer between the second bonding layer and the sensor chip are respectively laminated or omitted. The mechanical quantity measuring device in which the member and the sensor chip are joined.
前記はんだ中のAuを固溶強化できる材料として、Cu、Ag、Co、Pt、Cr、Fe、またはPdの少なくともいずれか1つの元素を含むメタライズ層を用いる力学量測定装置。 In any of claims 8 to 1 2,
A mechanical quantity measuring device using a metallized layer containing at least one element of Cu, Ag, Co, Pt, Cr, Fe, or Pd as a material capable of solid solution strengthening of Au in the solder.
Auを含む前記はんだは、AuとGe、AuとSi、AuとIn、AuとSn、AuとSbの2元はんだである力学量測定装置。 In any of claims 8 to 1 2,
The solder containing Au is a mechanical quantity measuring device which is a binary solder of Au and Ge, Au and Si, Au and In, Au and Sn, and Au and Sb.
Auを含む前記はんだは、Ge、Si、In、Sn、Ni、Sb、Ti、Cu、およびAgのうち少なくとも2種類以上の元素を含み、残りがAuで構成されるはんだである力学量測定装置。 In any of claims 8 to 1 2,
The solder containing Au is a mechanical quantity measuring device in which the solder containing Ge, Si, In, Sn, Ni, Sb, Ti, Cu, and Ag contains at least two kinds of elements and the rest is made of Au. .
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