JP2008096284A - 圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼成を行わず、かつ、半導体チップに形成される素子への高温による影響を抑制しつつ、半導体チップを金属ステムに接合できるようにする。
【解決手段】集積化チップ４０をガラス板にて構成されたガラス台座５０に陽極接合したのち、一体化されたガラス台座５０と共に集積化チップ４０を金属ステム１０に搭載し、金属ステム１０とガラス台座５０とを陽極接合することで、これらが接合されるようにする。これにより、４００℃以下での低温度で接合が可能になり、集積化チップ４０に形成されたアンプ機能を実現する回路部への影響を抑制することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタルダイアフラムが形成されたステムの上に歪ゲージとアンプ機能を実現する回路部とを集積化した集積化チップを接合する圧力センサに関するものである。

従来、この種の圧力センサでは、メタルダイアフラムが形成されたステムの表面に低融点ガラスを印刷する等によって配置したのち、この低融点ガラスの上に集積化チップを配置し、低融点ガラスを焼成することで、低融点ガラスを介して集積化チップがステムの表面に接合されるようにしている。
特開２００３−３０２２９９号公報

上記のように低融点ガラスを用いて集積化チップを金属ステムに接合する場合、印刷形成した低融点ガラスを仮焼成したのち、その上に集積化チップを搭載し、その後さらに、焼成を行うことが低融点ガラスを介して集積化チップを金属ステムに接合させられる。このとき、低融点ガラスを用いているため、仮焼成や焼成を比較的低温で行うことが可能となる。

しかしながら、比較的低温とは言え、低融点ガラスを仮焼成・焼成しなければならないため、一般的には４００℃を超える温度にする必要になる。このため、集積化チップに形成された素子、特に、アンプ機能を実現する回路部が高温によるダメージを受け、回路部に備えられたトランジスタの特性が変動してしまうなどの問題が発生する。これに対し、低融点ガラスの焼成を４００℃以下の温度で行うという手法も考えられるが、焼成に掛かる時間が長くなる等、製造工程が煩雑になるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、焼成を行わず、かつ、半導体チップに形成される素子への高温による影響を抑制しつつ、半導体チップを金属ステムに接合できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、半導体チップ（４０）とガラス台座（５０）とを陽極接合により接合し、かつ、ガラス台座（５０）と金属ステム（１０）とを陽極接合により接合することを特徴としている。

このように、半導体チップ（４０）とガラス台座（５０）とを陽極接合により接合し、かつ、ガラス台座（５０）と金属ステム（１０）とを陽極接合により接合することより、４００℃以下での低温度で接合が可能になり、半導体チップ（４０）に形成された素子への影響を抑制しつつ半導体チップを金属ステムに接合することが可能となる。特に、半導体チップ（４０）が歪ゲージ（４１）の出力を増幅するアンプ機能を実現する回路部が備えられた集積化チップである場合には、回路部が熱による影響を受け易いが、それを抑制することが可能となる。

例えば、ガラス板を陽極接合する工程やガラス台座（５０）および金属ステム（１０）を陽極接合する工程では、陽極接合時の電圧を５５０〜６５０Ｖとすることができる。

また、ガラス板を陽極接合する工程は、半導体チップ（４０）を多数備えるウェハ状のものにガラス板を陽極接合しておき、その後、ダイシングカットによりチップ単位に分割することで、ガラス台座（５０）が一体化された半導体チップ（４０）を形成すれば良い。このようなガラス板としては、１０〜２００μｍの板厚のものを用いることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１に本発明の実施形態に係る圧力センサＳ１の全体断面構成を示す。また、図２は、図１中の丸で囲んだＡ部の概略（集積化チップと金属ステムの断面）を拡大して示す斜視図である。

本実施形態の圧力センサＳ１は、例えば、自動車の燃料噴射系（例えばコモンレ−ル）における燃料パイプ（図示せず）に取り付けられ、この燃料パイプ内の圧力媒体としての液体または気液混合気の圧力を検出するものとして用いられる。

図１に示すように、金属ステム１０は有底筒状を成しており、底面にて薄肉のダイアフラム１１を構成すると共に、ダイアフラム１１が形成された端部の他端側を中空部の開口部１２とした構造とされている。金属ステム１０は、ネジ部材２０により、ハウジング３０にネジ結合され固定されている。また、金属ステム１０の他端側（開口部１２側）には、一端側（ダイアフラム１１側）に比べて外周径が大きい段付部１３が形成されている。

金属ステム１０のダイアフラム１１の表面には、図２に示すように、半導体からなる集積化チップ４０（本発明でいうセンサ基板）が、絶縁体となるガラス板で構成されたガラス台座５０を介して接合固定されている。ガラス台座５０を構成するガラス板としては、硬質ガラス（例えば、旭テクノガラス社製、パイレックス（登録商標）、ＳＷ２、ＳＷ３）等を用いることができる。

集積化チップ４０は、開口部１２から金属ステム１０内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイアフラム１１が変形したときに発生する歪みを検出するものである。この集積化チップ４０は、ダイアフラム１１の歪みを電気信号に変換するための歪ゲージ４１を備えていると共に、歪ゲージ４１の出力を増幅するためのアンプ機能を実現する回路部（図示せず）などが形成されている。

金属ステム１０の材料には、超高圧を受けることから高強度であること、及び、Ｓｉからなる集積化チップ４０およびガラス台座５０との陽極接合が行える材質であること、ガラス台座５０に接合されるため低熱膨張係数であることが求められ、具体的には、コバール、ＳＵＳ、４２アロイなどの金属にて構成されている。

ハウジング３０は、被取付対象となる上記燃料パイプに直接取り付けられるもので、外周面に該取付用のネジ３１が形成されている。このハウジング３０の内部には、金属ステム１０の開口部１２と連通する圧力導入通路３２が形成されており、この圧力導入通路３２により、ハウジング３０が上記燃料パイプに取り付けられたときに上記燃料パイプ内と連通して、金属ステム１０内へ圧力媒体が導入できるようになっている。

ネジ部材２０は、金属ステム１０の外周を覆う円筒形状を有し、その外周面に雄ネジ部２１が形成され、一方、ハウジング３０における雄ネジ部２１と対応する部位には、雄ネジ部２１に対応した形状の雌ネジ部３３が形成されている。

そして、これら両ネジ部２１、３３のネジ結合により、金属ステム１０において、ネジ部材２０からの押圧力が段付部１３に印加されるため、金属ステム１０はハウジング３０に押圧固定され、さらに、この押圧力によって、開口部１２と圧力導入通路３２との連通部、即ち、金属ステム１０の開口部１２側とハウジング３０の圧力導入通路３２側との境界部Ｋがシールされている。

このように、ハウジング３０は、上記燃料パイプへの固定（超高圧シール及び機械的保持）、及び、金属ステム１０のネジ部材２０を利用しての固定（超高圧シール及び機械的保持）を行う。そのため、ハウジング３０の要求品質としては、圧力媒体及び実車環境からの耐食性、また上記境界部Ｋにて高いシール面圧を発生させる軸力を維持するためのネジ強度などが挙げられる。そして、これらの要求品質から、ハウジング３０の材質としては、耐食性と高強度を合わせもつ炭素鋼（例えばＳ１５Ｃ等）に耐食性を上げるＺｎめっきを施したものや、耐食性を有するＸＭ７、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ６３０等を採用することができる。

また、ネジ部材２０は、金属ステム１０をハウジング３０に固定し、高いシール面圧を発生させる軸力を維持するために高強度が求められるが、ハウジング３０とコネクタケース８０により構成されるパッケージの内部に収納されることから、ハウジング３０と違い耐食性は必要なく、様々な材料、例えば炭素鋼等を採用できる。

セラミック基板６０は回路基板を構成するものであり、ネジ部材２０に接着され固定されることにより、ハウジング３０内における集積化チップ４０の周囲に配設されている。該基板６０には、集積化チップ４０から伝えられる信号の処理回路等が備えられたＩＣチップ６２が接着剤等を介して固定されている。また、図１では図示しないが、各ＩＣチップ６２とセラミック基板６０とはボンディングワイヤにより電気的に接続されている。

また、セラミック基板６０と集積化チップ４０とは、超音波ワイヤボンディングにより形成されたＡｌ（アルミニウム）等の細線であるボンディングワイヤ６４によって結線され、電気的に接続されている。そして、コネクタターミナル７０へ電気的接続するためのピン６６が、銀ろうにてセラミック基板６０に接合されている。

コネクタターミナル７０は、ターミナル７２が樹脂７４にインサート成形により構成されたアッシー（ＡＳＳＹ）である。ターミナル７２とセラミック基板６０とはピン６６にレーザ溶接等により接合されている。これによって、集積化チップ４０からの出力は、ボンディングワイヤ６４からピン６６を介してターミナル７２へ伝達可能となっている。また、コネクタターミナル７０は、コネクタケース８０の下面と接触することによりネジ部材２０の壁面に押し付けられて固定保持され、ターミナル７２は自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続可能となっている。なお、ターミナル７２は、図１では１本示されているが、上記アンプＩＣチップ６２を介して集積化チップ４０へ電圧を入出力する入力用、出力用及び接地用など、複数本が備えられている。

コネクタケース８０は、コネクタターミナル７０の外形を成すもので、Ｏリング９０を介してハウジング３０の一端側（圧力導入通路３２の他端側）の開口部に挿入され、ハウジング３０の開口端をかしめることで一体化される。つまり、コネクタケース８０は、ハウジング３０に組みつけられるパッケージを構成するもので、該パッケージ内部の集積化チップ４０、各種ＩＣ、電気的接続部を湿気・機械的外力より保護する機能を果たす。コネクタケース８０の材質は、加水分解性の高いＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等を採用できる。

次に、集積化チップ４０およびガラス台座５０の詳細な構成およびこれらと金属ステム１０との接合方法について図２を参照して述べる。

図２に示すように、本実施形態では、金属ステム１０と集積化チップ４０との接合は、ガラス台座５０を用いて行われている。ガラス台座５０は、集積化チップ４０をダイシングカットする前の状態、つまり歪ゲージ４１およびアンプ機能を実現する回路部が多数形成されたウェハ状態のものにガラス板を陽極接合したのち、それをチップ単位にダイシングカットすることで集積化チップ４０に接合される。具体的には、ダイシングカットする前のウェハ状態の集積化チップ４０の上に１０〜２００μｍ程度、例えば１００μｍ程度の厚みのガラス板を配置したのち、集積化チップ４０を陽極、ガラス板を陰極として例えば５５０〜６５０Ｖ（好ましくは５９０〜６１０Ｖ）の電圧を例えば１０〜３０分程度印加する。これにより、集積化チップ４０とガラス板の間に電気的二重層を発生させ、静電引力によりこれらを接合することができる。このとき、陽極接合により３７０〜３８０℃程度の温度まで接合部が高温化するが、４００℃以下の温度であり、集積化チップ４０に形成されたアンプ機能を実現する回路部への影響を抑制することが可能となる。

そして、このようにガラス台座５０と一体化した集積化チップ４０をダイシングカットしてチップ単位に分割したのち、１チップ分を金属ステム１０の表面に載せ、その後、ガラス台座５０を金属ステム１０の表面に陽極接合する。具体的には、金属ステム１０を陽極、ガラス台座５０を陰極として例えば５５０〜６５０Ｖ（好ましくは５９０〜６１０Ｖ）の電圧を例えば１０〜３０分秒程度印加する。これにより、金属ステム１０がガラス台座５０の間に電気的二重層を発生させ、静電引力によりこれらを接合することができる。このとき、上記と同様に、陽極接合により３７０〜３８０℃程度の温度まで接合部が高温化するが、４００℃以下の温度であり、集積化チップ４０に形成されたアンプ機能を実現する回路部への影響を抑制することが可能となる。

そして、このように全て陽極接合による接合としているため、ガラス台座５０を溶融させることもないため、ガラス台座５０の形状はほぼダイシングカットされたときの状態のまま維持される。このため、ガラス台座５０の側面と集積化チップ４０の側面とが面一となる。これに対して、従来のように、低融点ガラスを介して集積化チップ４０を金属ステム１０に貼り付けた場合には、図３に示す断面図のように、印刷形成した低融点ガラス１００を溶融させているため、低融点ガラス１００が金属ステム１０の表面に濡れ広がった状態となる。このため、集積化チップ４０が低融点ガラス１００の上で移動してしまい、集積化チップ４０の位置ずれしてしまう可能性もある。したがって、本実施形態のように、金属ステム１０に対して、ガラス台座５０と一体化した集積化チップ４０を陽極接合にて接合することで、集積化チップ４０の位置ずれ防止を図ることも可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、集積化チップ４０をガラス板にて構成されたガラス台座５０に陽極接合したのち、一体化されたガラス台座５０と共に集積化チップ４０を金属ステム１０に搭載し、金属ステム１０とガラス台座５０とを陽極接合することで、これらが接合されるようにしている。これにより、４００℃以下での低温度で接合が可能になり、集積化チップ４０に形成されたアンプ機能を実現する回路部への影響を抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、集積化チップ４０が多数形成されたウェハ状態のものにガラス板を配置し、それをダイシングカットすることで集積化チップ４０にガラス台座５０が接合された構造を実現したが、ダイシングカット後の集積化チップ４０に対してガラス台座５０を陽極接合することもできる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの全体構成を示す概略断面図である。 図１中の丸で囲んだＡ部を拡大した断面図である。 従来の低融点ガラスを用いて集積化チップを金属ステムに接合したときの様子を示す断面図である。

符号の説明

１０…金属ステム、１１…ダイアフラム、２０…ネジ部材、３０…ハウジング、３２…圧力導入通路、４０…集積化チップ、４１…歪ゲージ、５０…ガラス台座、６０…セラミック基板、６４…ボンディングワイヤ、７０…コネクタターミナル、７２…ターミナル、８０…コネクタケース。

Claims (10)

1. 金属製のハウジング（３０）と、
   前記ハウジング内に収納され、圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、
   前記金属ステム（１０）における前記ダイヤフラムの表面に、ガラス板にて構成されたガラス台座（５０）を介して接合され、歪ゲージ（４１）が形成された半導体チップ（４０）とを有し、
   前記半導体チップ（４０）と前記ガラス台座（５０）が陽極接合により接合されており、かつ、前記ガラス台座（５０）と前記金属ステム（１０）とが陽極接合により接合されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記ガラス台座（５０）の側面と前記半導体チップ（４０）の側面が面一となっていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記ガラス台座（５０）を構成する前記ガラス板は１０〜２００μｍの板厚で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記半導体チップ（４０）は、前記歪ゲージ（４１）の出力を増幅するアンプ機能を実現する回路部が備えられた集積化チップであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の圧力センサ。
5. 金属製のハウジング（３０）と、
   前記ハウジング内に収納され、圧力検出用のダイヤフラム（１１）を有する金属ステム（１０）と、
   前記金属ステム（１０）における前記ダイヤフラムの表面にガラス台座（５０）を介して接合され、歪ゲージ（４１）が備えられた半導体チップ（４０）とを有してなる圧力センサの製造方法であって、
   前記半導体チップ（４０）の表面に前記ガラス台座（５０）を構成するガラス板を陽極接合する工程と、
   前記ガラス台座（５０）と一体化された前記半導体チップ（４０）を前記金属ステム（１０）の表面に配置したのち、前記ガラス台座（５０）および前記金属ステム（１０）を陽極接合する工程と、を含んでいることを特徴とする圧力センサの製造方法。
6. 前記ガラス板を陽極接合する工程は、前記半導体チップ（４０）を多数備えるウェハ状のものに前記ガラス板を陽極接合する工程と、ダイシングカットによりチップ単位に分割することで、前記ガラス台座（５０）が一体化された前記半導体チップ（４０）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサの製造方法。
7. 前記ガラス板を陽極接合する工程では、前記ガラス板として膜厚が１０〜２００μｍのものを用いることを特徴とする請求項５または６に記載の圧力センサの製造方法。
8. 前記ガラス板を陽極接合する工程では、陽極接合時の電圧を５５０〜６５０Ｖとすることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法。
9. 前記ガラス台座（５０）および前記金属ステム（１０）を陽極接合する工程では、陽極接合時の電圧を５５０〜６５０Ｖとすることを特徴とする請求項５ないし８のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法。
10. 前記半導体チップ（４０）として、前記歪ゲージ（４１）の出力を増幅するアンプ機能を実現する回路部が備えられた集積化チップを用いることを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１つに記載の圧力センサの製造方法。

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