JP2007066924A - 薄膜サーミスタ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、感熱膜に接続された外部引出用電極に起因する特性変動を無くし、長期信頼性に優れた薄膜サーミスタを提供する。
【解決手段】絶縁基板上に形成された感熱膜の電極として用いられている端子電極及び感熱膜全体をガラス保護膜によって被覆して外気雰囲気と遮断できる構造とし、前記一対の端子電極に接続する一対の外部接続用電極を前記ガラス保護膜の外側に延在するように形成したことを特徴とする薄膜サーミスタ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜サーミスタの電極構造に関し、詳しくは、薄膜サーミスタを構成する感熱膜と前記感熱膜に接続された端子電極からなるセンサ部をガラス保護膜によって被覆し、前記ガラス保護膜内に形成された前記端子電極に接続して延在する外部接続用電極を別途前記端子電極から引き出し形成することによって、外気雰囲気からセンサ部を遮断することで感熱膜の特性変化を小さくすると共に機械的強度を増し、長期信頼性を向上させた薄膜サーミスタを提供するものである。

図４は従来の薄膜サーミスタの構成を示す断面図である。図において、１は絶縁基板で厚さが１００〜３００μｍ程度のアルミナ、石英、ムライト、ステアタイト等のセラミック基板であり、絶縁基板１の表面にはスパッタリングまたは蒸着等の方法によって、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）等からなる金属下地膜１５ａ、１５ｂと白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）合金、金（Ａｕ）等の電極薄膜層１６ａ、１６ｂからなる電極パッド１７ａ、１７ｂがパターン形成されている。なお、金属下地膜１５ａ、１５ｂは絶縁基板１との密着性をよくするために形成する金属薄膜層である。電極薄膜層１６ａ、１６ｂ間には感熱膜（サーミスタ膜）１３と絶縁基板１の熱処理時の反応を防止するために二酸化ケイ素または窒化ケイ素等の絶縁膜１４がパターン形成されている。１８ａ、１８ｂは電極パッド１７ａ、１７ｂと絶縁膜１４に接して対向するように形成された白金（Ｐｔ）等からなる外部引出用電極である。

外部引出用電極１８ａ、１８ｂをパターン形成した後、外部引出用電極１８ａ、１８ｂの一部を覆うように感熱膜１３がパターン形成される。そして、感熱膜１３は、パターン形成後に５００〜１０００℃の温度で１〜５時間程度熱処理が行われる。感熱膜１３は、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）等からなる複合酸化物の焼結体をターゲットとしてスパッタリング法によって形成される。１９は、感熱膜１３の電気的特性を微調整する目的で形成された第２の感熱膜であり必要に応じて形成されるものである。これら形成された感熱膜１３、１９上には、さらにこの感熱膜を保護する目的で、０．５〜２．０μｍ程度の二酸化ケイ素からなる保護膜をスパッタ形成し、さらに、その上に耐湿性を向上させるためのガラス保護膜をスクリーン印刷法等で塗布・焼付けして形成する。その後、パターニングによって図に示すような絶縁保護膜２０とガラス保護膜２１がパターン形成される。一般的に、外部引出用電極１８ａ、１８ｂに用いられる金属薄膜層の材料としては、感熱膜１３、１９を構成するサーミスタ材料と前記金属薄膜層との熱処理時の反応が小さく、完成した薄膜サーミスタとして安定した電気的特性を得るために、白金（Ｐｔ）の金属薄膜層からなる外部引出用電極がパターン形成される。

このようにして製造された薄膜サーミスタは、４０℃と２００℃との熱サイクル試験を１万回実施し、試験前後の抵抗値変化率を調べた結果、抵抗値の変化率は＋０．７％であった。また、薄膜サーミスタを２６０℃±５℃のハンダ槽に５秒間浸漬し、浸漬前後の抵抗値変化率を調べた結果、抵抗値の変化率は＋０．２％であり電極膜の剥離はなかった。

しかしながら、近年、従来よりも高い温度で使用できる薄膜サーミスタに対する要求が高まり、使用温度範囲の上限が２５０〜３００℃となってきた。このように使用上限温度が高くなると、従来構造の薄膜サーミスタを使用した場合、高温放置試験や熱サイクル試験において試験前後の抵抗値変化率が従来のものと比較して大きくなる傾向があり、長期信頼性が低下する欠点があることが明らかになった。このような抵抗値変化率が大きくなる原因の一つとしては、薄膜サーミスタチップが高温の外気雰囲気中に放置された場合、感熱膜１３、１９は絶縁保護膜２０とガラス保護膜２１によって被覆されていて外気に対して保護されているが、外部引出用電極１８ａ、１８ｂの一部が外気に露出しているために、外部引出用電極１８ａ、１８ｂを構成する金属薄膜層である白金（Ｐｔ）と接触している絶縁保護膜２０との接触界面部分から白金を通して酸素の出入りが生じ、これによって金属酸化物から構成されたサーミスタ感熱膜の特性が変動し、長期信頼性試験において抵抗変化率が大きくなるものと考えられる。

本発明は、上記のような欠点を解消し信頼性の高い薄膜サーミスタを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を達成するためになされたものであり、請求項１に記載の発明は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された一対の電極パッドと、前記電極パッド間の絶縁基板面上に形成した絶縁膜と、前記絶縁膜に接して前記電極パッド上にパターン形成された金属薄膜層からなる一対の端子電極と、前記絶縁膜を下地とし前記端子電極間に形成された感熱膜と、前記感熱膜を保護する絶縁保護膜と、前記感熱膜と前記端子電極上を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタであって、前記端子電極から一対の外部接続用電極パッドが延在形成さていることを特徴とする薄膜サーミスタである。

また、請求項２に記載の発明は、前記絶縁基板上に形成された前記一対の電極パッドが、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種からなる第１金属下地膜と、前記第１金属下地膜上に形成された白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金の少なくとも一種からなる第１電極薄膜からなり、前記電極パッド上に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金の少なくとも一種の金属薄膜層からなる前記端子電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜サーミスタである。

また、請求項３に記載の発明は、前記端子電極から延在する外部接続用電極パッドが、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金の何れか一種からなる第２金属下地膜と、前記第２金属下地膜上に形成された第２電極薄膜が金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種とからなることを特徴とする請求項１、２に記載の薄膜サーミスタである。

また、請求項４に記載の発明は、前記第１、第２金属下地膜がチタン（Ｔｉ）、前記電極薄膜及び前記端子電極が白金（Ｐｔ）、前記第２電極薄膜がニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の薄膜サーミスタである。

本発明は、絶縁基板上に形成されたサーミスタ材料からなる感熱膜と、感熱膜の電極として形成された端子電極全体をガラス保護膜によって被覆し、前記一対の端子電極に接続する一対の外部接続用電極を前記ガラス保護膜の外側に延在するように形成することによって、前記端子電極と前記感熱膜が外気雰囲気から遮断されることになり、薄膜サーミスタが高温雰囲気中に置かれても、端子電極材料と外気中の酸素との反応が生じにくく、結果として感熱膜の電気的特性が安定するために、高温で使用した場合でも長期信頼性に優れた薄膜サーミスタを得ることができる。特に、感熱膜に対する安定な材料として白金（Ｐｔ）を端子電極に用いた場合に、その効果は非常に大きい。

また、絶縁基板と感熱膜との間に絶縁膜を設けたことで、感熱膜を構成する金属酸化物が熱処理時に反応して絶縁基板中に熱拡散することを防止し、感熱膜の電気的特性を安定にする効果がある。

また、外部接続用電極パッドを形成する場合、絶縁基板面との密着性を改善する目的で金属下地膜を設けることによって、外部接続用電極パッドにリード線を接続する場合の局部的加熱による電極剥離を防止し、さらに端子電極については電極パッドを予め形成した上に端子電極を形成し、かつ外部接続用電極パッドと端子電極を別々に形成することにより、端子電極と絶縁基板との密着性を改善するとともに、外部接続用電極パッドにリード線を接続したときの局部加熱による端子電極に対する熱の影響を小さくすることができ、薄膜サーミスタとしての信頼性を向上させることができる利点がある。

以下、本発明に係る薄膜サーミスタの実施態様を図１〜図３を参照して説明する。絶縁基板１は、厚さが５０〜３００μｍ程度のアルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、石英、ムライト、ステアタイト等のセラミック基板あるいはサファイア基板からなり、その表面の平滑度が０．０５μｍ以下に研磨されたものを使用する。初めに、研磨された絶縁基板１の一表面上にスパッタリングまたは蒸着等の方法によって、金属薄膜層２、３が順次形成される（図２（ａ））。絶縁基板１上に形成される第１金属薄膜層２は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種からなる金属が被着形成され、さらに前記第１金属薄膜層２上には、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金等の少なくとも一種からなる第２金属薄膜層３が成膜形成される。これら第１及び第２金属薄膜層２、３は、真空チャンバ内で連続的に形成することによって、第１及び第２金属薄膜層２、３の境界部に酸化膜等の剥離層が形成されないように行われる。第１金属薄膜層２は、絶縁基板１との密着性をよくするために形成されるものであり、第１及び第２金属薄膜層２、３の総厚みは０．１〜０．５μｍ程度である。

続いて、フォトエッチング法によって、第１、第２金属薄膜層２、３の不要部分を除去して、第１金属下地膜２ａ、２ｂと第１電極薄膜３ａ、３ｂからなる電極パッド４ａ、４ｂがパターン形成される（図２（ｂ））。その後、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法などを用いて二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁層５が、厚さ０．１〜０．５μｍに成膜される（図２（ｃ））。そしてフォトエッチング法を用いてパターニングし、電極パッド４ａ、４ｂ間の絶縁基板上に絶縁膜５ａが形成される（図２（ｄ））。絶縁膜５ａは、熱処理時に後述する感熱膜と絶縁基板の反応を防止して薄膜サーミスタとしての安定な電気的特性を得るために必要なものである。なお、本実施例では、電極パッド４ａ、４ｂを形成した後に絶縁膜５ａを形成した場合について示したが、先に絶縁基板上に絶縁膜をパターン形成した後に電極パッドを設けても良い。

次に、端子電極６ａ、６ｂを形成する工程に進む。先ず、電極パッド４ａ、４ｂ上に、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム合金、金（Ａｕ）等からなる少なくとも一種の金属薄膜層６をスパッタリング、イオンプレーティングまたは蒸着等の方法で成膜する（図２（ｅ））。次に、フォトエッチング法を用いて、成膜した金属薄膜層６をパターニングし、電極パッド４ａ、４ｂと絶縁膜５ａに接する一対の端子電極６ａ、６ｂが対向するように形成される（図２（ｆ））。なお、端子電極６ａ、６ｂは、図３に示すように絶縁膜５ａ上で互いに平行な端部が対向するような構造としても良いし、対向する櫛歯状の端子電極としてもよいことは言うまでもない。

続いて、感熱膜７ａを形成する工程へ進む。前工程で形成された端子電極６ａ、６ｂと絶縁膜５ａを覆うように、スパッタ法などによって、０．３〜２．０μｍの厚さに感熱層７を成膜し（図３（ａ））、パターニング法を用いて端子電極６ａ、６ｂ間の絶縁膜５ａ上に感熱膜７ａがパターン形成される（図３（ｂ））。その後、感熱膜７ａは４００〜１２００℃の温度で１〜５時間の熱処理が行われる。感熱層７は、マンガン、ニッケル、コバルト、鉄などからなる複合酸化物の焼結体をターゲットとして、スパッタリング法を用いて絶縁基板上に形成される。感熱膜７ａの電気的特性を微調整する必要がある場合は、感熱膜７ａ上に図示しない第２の感熱膜をパターン形成し、感熱膜の厚みを調整することによって電気的特性を調整することができる。また、感熱膜の電気的特性を調整する第２の手段は、図２（ｄ）における絶縁膜５ａを形成した後に第１の感熱膜をパターン形成し、その後に端子電極６ａ、６ｂを形成する。そして、さらに端子電極６ａ、６ｂ上に厚みを調整した第２の感熱膜を形成することによって特性の微調整が可能となる。即ち端子電極６ａ、６ｂが第１及び第２の感熱膜によって挟持された構造となる。

次に、外部接続用電極パッドを形成する工程に進む。先ず、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金等の少なくとも一種からなる金属薄膜層８及び金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種からなる金属薄膜層９をスパッタリング、イオンプレーティングまたは蒸着等の方法で成膜する（図３（ｃ））。そして、金属薄膜層８、９の不要部分を除去して、第２金属下地膜８ａ、８ｂと第２電極薄膜９ａ、９ｂからなる外部接続用電極パッド１０ａ、１０ｂが、端子電極６ａ、６ｂの一部と接続するようにパターン形成される（図３（ｄ））。

この後、感熱膜を保護する目的で、０．５〜２．０μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁保護膜１１をパターン形成する。さらに、感熱膜７ａに対する耐湿性を向上させ、外気雰囲気の影響をなくすために感熱膜７ａと端子電極６ａ、６ｂを覆うように絶縁保護膜１１上にガラスペーストをスクリーン印刷等の手段で塗布した後、４００〜８００℃で熱処理してガラス保護膜１２が形成される（図３（ｅ））。ガラス保護膜１２はスクリーン印刷法の他に、基板全体に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等からなる絶縁保護層とガラス膜層を形成した後、フォトエッチングによるパターニングによって絶縁保護膜１１とガラス保護膜１２を同時形成してもよい。

上記した各種金属薄膜層の組み合わせの中で、第１及び第２金属下地膜２ａ、２ｂ、８ａ、８ｂとしてチタン（Ｔｉ）、第１電極薄膜３ａ、３ｂ及び前記端子電極６ａ、６ｂとして白金（Ｐｔ）を用い、外部接続用の電極となる第２電極薄膜９ａ、９ｂにニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）を形成した本発明構造の薄膜サーミスタについて、電気的特性に関する長期信頼性や機械的試験を行った結果、優れた性能が得られることが判明した。

上述した薄膜サーミスタの構造は、ひとつの薄膜サーミスタの構造を示したものであるが、実際は絶縁基板上に上述の構造を有する薄膜サーミスタが多数配列された薄膜サーミスタ集合基板が形成される。薄膜サーミスタ集合基板は、個々の薄膜サーミスタチップに切断分離するために、ダイシングテープ等に貼着してからレーザースクライブ装置またはダイシングソー等を用いて切断する。このようにして個々の薄膜サーミスタチップが形成される。

この発明の薄膜サーミスタの一実施形態を示す平面図である。 図１に示した薄膜サーミスタの製造工程の一実施形態を示す断面図である。 図２に続く製造工程を示す断面図である。 従来の薄膜サーミスタの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 絶縁基板
２、３ 金属薄膜層
２ａ、２ｂ 第１金属下地膜
３ａ、３ｂ 第１電極薄膜
４ａ、４ｂ 電極パッド
５ａ 絶縁膜
６ａ、６ｂ 端子電極
７ａ 感熱膜
８、９ 金属薄膜層
８ａ、８ｂ 第２金属下地膜
９ａ、９ｂ 第２電極薄膜
１０ａ、１０ｂ 外部接続用電極パッド
１１ 絶縁保護膜
１２ ガラス保護膜

Claims (4)

1. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された一対の電極パッドと、前記電極パッド間の絶縁基板面上に形成した絶縁膜と、前記絶縁膜に接して前記電極パッド上にパターン形成された金属薄膜層からなる一対の端子電極と、前記絶縁膜を下地とし前記端子電極間に形成された感熱膜と、前記感熱膜を保護する絶縁保護膜と、前記感熱膜と前記端子電極上を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタであって、前記端子電極から一対の外部接続用電極パッドが延在形成さていることを特徴とする薄膜サーミスタ。
2. 前記絶縁基板上に形成された前記一対の電極パッドが、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種からなる第１金属下地膜と、前記第１金属下地膜上に形成された白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金の少なくとも一種の第１電極薄膜とからなり、前記電極パッド上に白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金の少なくとも一種の金属薄膜層からなる前記端子電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜サーミスタ。
3. 前記端子電極から延在する外部接続用電極パッドが、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｔｉ合金の少なくとも一種からなる第２金属下地膜と、前記第２金属下地膜上に形成された第２電極薄膜が金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）またはＮｉ−Ｃｒ合金の少なくとも一種とからなることを特徴とする請求項１、２に記載の薄膜サーミスタ。
4. 前記第１、第２金属下地膜がチタン（Ｔｉ）、前記第１電極薄膜及び前記端子電極が白金（Ｐｔ）、前記第２電極薄膜がニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の薄膜サーミスタ。
   

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