JP2008261670A - 検出器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接続信頼性が高く、排気ガス中の成分や熱による機械的振動の影響を受けにくい耐久性の高い検出器を提供する。
【解決手段】ガス検出部１１と電極パッド部１２とが設けられた半導体素子１０を内部空間２３に収納し、電極パッド部１２と配線層３１〜３４との間に介在導電性接続材４０を備え、半導体素子１０の半導体材料と、外囲器２０の構成材料と、導電性接続材４０の主材料の線膨脹係数が近似するように設定した。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば自動車の排気ガスに含まれる酸素や窒素化合物などの成分を検出する機能を有する検出器およびその製造方法に関する。

排気ガス中の成分を検出する手段としては、ガス検知機能を備える半導体素子を、樹脂製のパッケージに搭載し、反発性を有する押さえ部材の付勢力により接続を保持した構造のガスセンサ（例えば、特許文献１参照）や、ガス検知機能を備える半導体素子とベース体に固定したステムとの間を、熱変形に伴う応力を緩和するように金（Ａｕ）でなるリード（ボンディングワイヤ）で接続した構造のガスセンサ（例えば、特許文献２参照）が知られている。

これらのガスセンサは、半導体素子のパッド電極とパッケージ側の配線との間の接続部が排気ガスに晒される構造である。このため、接続部が排気ガスにより腐蝕され易いものであった。このように半導体素子のパッド電極とパッケージ側の配線との間を撓みを有するリードで接続した構造では、排気ガスの圧力やその変化に伴う振動によりリードの接続端部での断線を起こしやすい。なお、Ａｕでなるリードの接続端部と被接続面と接続力を得るために、両者の間に、ろう材を介在させる場合がある。この場合は、ろう材の腐蝕により更に断線を起こしやすくなる。したがって、これらのガスセンサは、長い期間に亘るガス検知測定には不向きなものであり、車載用ガスセンサとして利用できない。
特開２００２−１７４６０８号公報 特開２００２−１８９０１１号公報

近年では、自動車の排気ガス中の窒素化合物の濃度を検出して、排気ガス中にアンモニア噴射を行うことにより排気ガス中から窒素化合物を削減する制御を行うことが提案されている。そこで、自動車の排気ガス系に常時装着して、継続的もしくは間欠的に排気ガス中の成分の検出測定を行える耐久性を備えた検出器の実現が要望されている。

本発明の目的は、接続信頼性が高く、排気ガス中の成分や熱による機械的振動の影響を受けにくい検出器およびその製造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、車載用ガスセンサとしての使用も可能な検出器を得ることにある。

本発明の第１の特徴に係る検出器は、同じ主面に、接触するガス成分に応じて電気信号を生成するガス検出部と、前記電気信号を外部に出力する電極パッド部とが設けられたセンサ素子と、パッケージ内部空間に前記センサ素子を収納し、内側に、前記電極パッド部に対向するように配線層が配置され、前記ガス検出部と対応する位置にガス導入孔が形成された外囲器と、前記電極パッド部と前記配線層との間に介在された導電性接続材と、前記ガス導入孔の形成領域を取り囲むように、前記ガス導入孔の形成領域の周辺部と、前記半導体素子の前記主面と、の間の隙間を気密に前記半導体素子と前記パッケージとが接続させる接続材と、を具備することを要旨とする。

なお、この検出器では、ガス導入孔の形成領域を取り囲むように、ガス導入孔の形成領域の周辺部と、センサ素子の主面との間の隙間を接続材で気密的に埋められ、この接続材で半導体素子とパッケージとが接着されることが好ましい。接続材は、半導体材料、外器器の材料、および導電性接続材の主材料に対して線膨脹係数が近似する材料であることが好ましい。外囲器は、二酸化珪素を主成分とするガラス、窒化アルミニウムを主成分とする焼結セラミック、もしくは珪素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ），シリカ，炭素（Ｃ），コバール，アルミナ，ジルコニア，マグネシアのうちのいずれか一種またはその二種類以上の化合物で形成されることが好ましい。

本発明の第２の特徴に係る検出器の製造方法は、ガス導入孔が形成され、且つ前記ガス導入孔が形成された面上に配線層が配置された、センサ素子を収納する外囲器本体の前記配線層の素子接続位置に、前記半導体材料と線膨脹係数が近似する材料でなる、未硬化状態の導電性接続材を、印刷するとともに、前記ガス導入孔の周縁部に沿って、未硬化の接続材を印刷する印刷工程と、同じ主面に、接触するガス成分に応じて電気信号を生成する検出するガス検出部と、前記電気信号を外部に出力する電極パッド部とが設けられたセンサ素子の前記主面を前記配線層側に対向させた状態で、前記ガス検出部が前記接続材で囲まれた領域内に収まり、前記電極パッド部が前記導電性接続材と接触するようにフリップチップボンダを用いて位置決めするフリップチップ実装工程と、上記フリップチップ実装工程の状態で、加熱処理を施して前記導電性接続材および前記接続材を硬化させる第１加熱工程と、前記外囲器本体と外囲器蓋体との接合部に未硬化の外囲器用接続材を塗布し、その後前記外囲器本体に前記外囲器蓋体を搭載した状態で、加熱処理を施して前記外囲器用接続材を硬化させる第２加熱工程と、を備えることを要旨とする。

本発明によれば、接続信頼性が高く、排気ガス中の成分や熱による機械的振動の影響を受けにくい耐久性を有する検出器およびその製造方法を実現できる。

以下、本発明の実施の形態に係る検出器およびその製造方法の詳細を図面に基づいて説明する。但し、図面は模式的なものであり、各材料層の厚みやその比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

「検出器の構成」
図１は本実施の形態に係る検出器１を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は検出器１の底面図、図４は外囲器蓋体を搭載しない状態の平面図である。

図２に示すように、検出器１は、ガス成分を検出回路を備えた検出素子としての半導体素子（半導体チップ部品）１０と、この半導体素子１０をフリップチップ実装して収納する外囲器２０とから大略構成されている。

図２に示すように、半導体素子１０は、主面（図では下面）中央に設けられて、接触するガス成分に応じて電気信号を生成するガス検出部１１と、前記電気信号を外部に出力し、このガス検出部１１の外側に配置された電極パッド部１２とを備えている。この半導体素子１０の半導体材料の線膨脹係数は、７．７×１０^−６／℃である。ここで、半導体材料とは、半導体ウエハを構成した単結晶シリコンや、二酸化珪素を主成分とするガラス（絶縁膜）や、窒化アルミニウムを主成分とする焼結セラミックなどでなり、単一の材料を示すものではない。しかし、これら混合材料同士は線膨脹係数が近似する材料であるとともに、単結晶シリコンが骨格となっている。なお、本実施の形態では単結晶シリコンを半導体材料とする半導体素子１０としたが、他の半導体材料を用いた半導体素子であっても勿論よい。

図１に示すように、外囲器２０は、偏平な直方体形状をなす筐体であり、容器状の外囲器本体２１とこの外囲器本体２１の上部矩形開口部を塞ぐ外囲器蓋体２２とからなる。

特に、外囲器２０は、上記半導体材料と線膨脹係数が近似した材料で形成されている。具体的には、外囲器本体２１と外囲器蓋体２２は、化学式がＡｌ_２Ｏ_３で表せる、純度９０％のアルミナセラミックの組成を有する材料である。この半導体材料の線膨脹係数は、７．２×１０^−６／℃である。

この外囲器２０の内部空間２３に半導体素子１０が収納されている。内部空間２３の内側底面には、半導体素子１０の電極パッド部１２に対向する位置に配線層（リード部）３１〜３４が形成されている。図３および図４に示すように、これら配線層３１〜３４は、外囲器本体２１の両側に２本ずつ突出するように延在されている。なお、これら配線層３１〜３４は、全てが検出信号の出力の伝達に寄与するものでなくても構わない。

図２および図３に示すように、外囲器本体２１の底板２４には、半導体素子１０のガス検出部１１と対応する位置にガス導入孔２５が形成されている。なお、本実施の形態では、ガス導入孔２５は１つの貫通孔であるが、連続多孔質状のガス通路としてもよい。

図１に示すように、外囲器蓋体２２は、アルミナセラミックでなる矩形状の板であり、中央に通気口２６が貫通して形成されている。この通気口２６は、排気ガスの成分測定において熱に晒されたときに、外囲器２０の内部空間２３の圧力を逃がす機能を果たすものである。本実施の形態では、通気口２６が１つの貫通孔であるが、連続多孔質状の通気路として形成しても勿論よい。

図２に示すように、上記半導体素子１０の電極パッド部１２と、これらに対向する外囲器本体２１側の配線層３１〜３４と、の間には、導電性接続材４０が介在されて電気的に接続されている。本実施の形態では、これら導電性接続材４０は、印刷法により一括して形成されたものが熱処理を経て硬化したものである。本実施の形態では、導電性接続材４０は、水ガラスにアルミ（Ａｌ）粒子を混合したものを印刷法により形成し、その後熱処理により完全に硬化させて形成させている。この導電性接続材４０の線膨脹係数は、上記半導体材料、上記外囲器の材料線膨脹係数に近似するように水ガラスとアルミ粒子との配合が調製されている。

なお、水ガラスは、二酸化ケイ素ＳｉＯ_２と水酸化ナトリウムＮａＯＨを反応させたもので、アルカリ−ケイ酸系ガラスの濃厚水溶液である。また、アルミ粒子は、電極パッド部１２とこれに対向する配線層３１〜３４との間の電気導通材であり、且つギャップ材としての機能も備える程度の粒径に適宜設定されている。

なお、上述したように、配線層３１〜３４のうち検出信号の出力伝達に寄与しない所謂ダミー電極がある場合は、導電性接続材４０を用いずに、後述する非導電性接続材４１を用いてもよい。

図２に示すように、外囲器本体２１の内側底面には、ガス導入孔２５の形成領域を取り囲むように、非導電性接続材４１がガス導入孔２５の周縁に沿って周回して形成されている。そして、この非導電性接続材４１は、半導体素子１０の一側面（図では下面）と、の間の隙間を気密的に埋めるとともに、半導体素子１０と外囲器本体２１とを接着している。

この非導電性接続材４１は、上記半導体材料、上記外囲器の材料、および導電性接続材４０の主材料に対して線膨脹係数が近似する材料でなり、具体的には水ガラスにアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉を混合したものを印刷法により形成した後、熱処理により完全に硬化させたものである。

さらに、図２に示すように、外囲器本体２１と外囲器蓋体２２とは、外囲器接続材４２で接着されている。この外囲器接続材４２は、外囲器本体２１および外囲器蓋体２２の線膨脹係数と近似する材料でなる。具体的には、水ガラスにアルミナ粉を混合したものを熱処理を経て硬化させたものであり、上記非導電性接続材４１と同様の材料でなる。

以上、本実施の形態に係る検出器１の構成について説明したが、外囲器本体２１、外囲器蓋体２２、非導電性接続材４１、並びに外囲器接続材４２の構成材料としては、二酸化珪素を主成分とするガラス、窒化アルミニウムを主成分とする焼結セラミック、もしくは珪素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ），コバール（ＦｅにＮｉとＣｏを配合した合金），アルミナ，ジルコニア，マグネシア，シリカのうちのいずれか一種またはその二種類以上の化合物を挙げることができる。

導電性接続材４０の構成材料としては、ニッケル，チタン，タングステン，コバール，白金，銅，銀，アルミニウム，鉄，アルミナ，ジルコニア，マグネシア，シリカ，炭素のうちのいずれかを粉末状にして含有する二酸化珪素を主成分とするガラス、もしくは窒化アルミニウムを挙げることができる。

以上のような構成を有する検出器１を、自動車の排気ガス中に暴露して検出動作を行わせると、排気ガスはガス導入孔２５からガス検出部１１に導入される。この場合、排気ガスの温度により外囲器本体２１は加熱されて熱膨張を起こすが、半導体材料、導電性接続材４０および非導電性接続材４１の線膨脹係数が近似するように設定されているため、外囲器本体２１の熱膨張に追従する。この結果、電極パッド部１２と導電性接続材４０との接合面、または導電性接続材４０と配線層３１〜３４との接合面に急激な応力集中が発生せず、良好な接合状態を維持でき、電気的接続信頼性の高い検出器１を実現できる。

また、本実施の形態の検出器１では、ガス導入孔２５に導入された排気ガスが非導電性接続材４１で遮断されて外囲器２０内へ流入することがない。このため、導電性接続材４０や配線層３１〜３４が排気ガスに暴露されることがなく、接続信頼性を長期間維持することができる。

さらに、本実施の形態では、排気ガスの熱によって検出器１全体が加熱され、内部空間２３の空気が膨脹した場合においても、通気口２６から圧力を逃がすことができるため、熱により検出器１が破損されることがない。

そして、本実施の形態では、半導体素子１０をフリップチップ実装で搭載できるため、後述するように製造を効率的且つ容易に行うことができる。

「検出器の製造方法」
図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、本実施の形態に係る検出器１の製造方法について説明する。

先ず、図５（ａ）を用いて、外囲器本体２１を用意する工程と、印刷工程について説明する。図５（ａ）に示すように、配線層３１〜３４（図では符号３１，３２のみを記載する。）を備えた外囲器本体２１を用意する。そして、外囲器本体２１の配線層３１〜３４の接続端子となる部分の上に導電性接続材４０を印刷法により塗布する。なお、図５（ａ）に示す導電性接続材４０は、未硬化状態のものでり、水ガラスに上記した構成材料を混合してなる。また、外囲器本体２１の底板２４に形成したガス導入孔２５の周縁に沿って、非導電性接続材４１を印刷法により塗布する。

次に、図５（ｂ）に示すように、半導体素子１０をフリップチップボンダなどの実装機を用いて外囲器本体２１にフリップチップ実装する（フリップチップ実装工程）。なお、半導体素子１０は、一側面中央にガス検出部１１が設けられ、このガス検出部１１の外側に電極パッド部１２が配置されている。フリップチップ実装により、半導体素子１０のガス検出部１１は非導電性接続材４１で取り囲まれた領域内に位置し、電極パッド部１２は導電性接続材４０の上に載置される。

上述のように外囲器本体２１内に半導体素子１０をフリップチップ実装した状態で、半導体素子１０を外囲器本体２１側へ押圧しつつ、１００℃以上の熱処理を行って導電性接続材４０および非導電性接続材４１を完全に硬化させる（第１加熱工程）。

次に、図５（ｃ）に示すように、外囲器本体２１の上部の開口部周縁の上端面に外囲器接続材４２を全周に亘って塗布する。その後、図５（ｄ）に示すように、外囲器蓋体２２を載置して加圧した状態で加熱処理して外囲器接続材４２を完全に硬化させる（第２加熱工程）。

本実施の形態に係る検出器１は、上述のように少ない工程数で製造が完了する。

本実施の形態に係る検出器１の製造方法によれば、半導体素子１０のフリップチップ実装が行えるため、容易に且つ効率的に製造できる。

（その他の実施の形態）
上述した実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

例えば、上述の実施の形態では、半導体素子１０と配線層３１〜３４との間は、導電性接続材４０で導通を図る構成であるが、図５（ａ）に示す導電性接続材４０に代えて、金、アルミニウムもしくは銅でなるバンプをバンプボンダを用いて配置させる構成としてもよい。このような構成とした場合、排気ガスの温度により外囲器本体２１が熱膨張すると、半導体材料および非導電性接続材４１は外囲器本体２１と線膨脹係数が近似する材料でなるため、同様に熱膨張して追従する。この結果、電極パッド部１２とバンプの接合面や、バンプと配線層３１〜３４との接合面には急激な応力集中が発生せず、接合が保持できるため電気的接続信頼性の高い検出器１を実現できる。なお、バンプは金属で形成されるため、半導体材料および非導電性接続材４１および外囲器本体２１の線膨脹係数より大きいが、半導体素子１０と外囲器本体２１との機械的接続は実質的に非導電性接続材４１によって保持されるため、電気的接続信頼性は保たれる。

上述の実施の形態では、通気口２６が外囲器蓋体２２に形成したが、外囲器本体２１側に通気口２６を開設してもよいし、図６に示すように、外囲器本体２１と外囲器蓋体２２とが隙間２６を有するように配置された状態で、外囲器接続材４２により間欠的に接着して複数の隙間２６が形成された構成としてもよい。

上述の実施の形態では、電極パッド部１２と配線層３１〜３４との間に導電性接続材４０を１つずつ配置したが、これに限定されるものではなく、複数の導電性接続材４０の集合体として配置してもよい。また、電極パッド部１２と配線層３１〜３４との間に金属バンプを設ける場合においても、１つの金属バンプではなく、複数の金属バンプを配置する構成としてもよい。

本発明の実施の形態に係る検出器を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本実施の形態に係る検出器の底面図である。 本実施の形態に係る検出器において外囲器蓋体を外した状態を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は本実施の形態に係る検出器の製造工程を示す工程図である。 本発明のその他の実施の形態に係る検出器の側面図である。

符号の説明

１…検出器、１０…半導体素子、１１…ガス検出部、１２…電極パッド部、２０…外囲器、２１…外囲器本体、２２…外囲器蓋体、２３…内部空間、２４…底板、２５…ガス導入孔、２６…通気口、２６…隙間、３１〜３４…配線層、４０…導電性接続材、４１…非導電性接続材、４２…外囲器接続材。

Claims (6)

1. 同じ主面に、接触するガス成分に応じて電気信号を生成するガス検出部と、前記電気信号を外部に出力する電極パッド部とが設けられたセンサ素子と、
   パッケージ内部空間に前記センサ素子を収納し、内側に、前記電極パッド部に対向するように配線層が配置され、前記ガス検出部と対応する位置にガス導入孔が形成された外囲器と、
   前記電極パッド部と前記配線層との間に介在された導電性接続材と、
   前記ガス導入孔の形成領域を取り囲むように、前記ガス導入孔の形成領域の周辺部と、前記半導体素子の前記主面と、の間の隙間を気密に前記半導体素子と前記パッケージとが接続させる接続材と、
   を具備することを特徴とする検出器。
2. 前記外囲器と前記導電性接続材と前記接続材と前記センサ素子の構成材料は、線膨脹係数が互いに近似していることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
3. 電気的接続を必要としない、前記電極パッド部と前記配線層との間には、非導電性有する前記接続材が介在されていることを特徴とする請求項２または請求項１に記載の検出器。
4. 前記外囲器は、前記パッケージ内部空間内の圧力を逃がす通気口が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された検出器。
5. 前記外囲器は、二酸化珪素を主成分とするガラス、窒化アルミニウムを主成分とする焼結セラミック、もしくは珪素（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），鉄（Ｆｅ），シリカ，炭素（Ｃ），コバール，アルミナ，ジルコニア，マグネシアのうちのいずれか一種またはその二種類以上の化合物でなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された検出器。
6. ガス導入孔が形成され、且つ前記ガス導入孔が形成された面上に配線層が配置された、センサ素子を収納する外囲器本体の前記配線層の素子接続位置に、前記半導体材料と線膨脹係数が近似する材料でなる、未硬化状態の導電性接続材を、印刷するとともに、前記ガス導入孔の周縁部に沿って、未硬化の接続材を印刷する印刷工程と、
   同じ主面に、接触するガス成分に応じて電気信号を生成する検出するガス検出部と、前記電気信号を外部に出力する電極パッド部とが設けられたセンサ素子の前記主面を前記配線層側に対向させた状態で、前記ガス検出部が前記接続材で囲まれた領域内に収まり、前記電極パッド部が前記導電性接続材と接触するようにフリップチップボンダを用いて位置決めするフリップチップ実装工程と、
   上記フリップチップ実装工程の状態で、加熱処理を施して前記導電性接続材および前記接続材を硬化させる第１加熱工程と、
   前記外囲器本体と外囲器蓋体との接合部に未硬化の外囲器用接続材を塗布し、その後前記外囲器本体に前記外囲器蓋体を搭載した状態で、加熱処理を施して前記外囲器用接続材を硬化させる第２加熱工程と、
   を備えることを特徴とする検出器の製造方法。

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