JP2010506389A - センサ構成エレメントを製造するための方法およびセンサ構成エレメント - Google Patents

Abstract

センサ構成エレメントを製造するための方法およびセンサ構成エレメントが提案される。センサ構成エレメントは、半導体基板と金属基板とを有しており、半導体基板と金属基板とは低温法により互いに結合される。第１のステップでは金属粒子を有する結合材料を半導体基板および／または金属基板に被着させ、第２のステップでは、半導体基板と金属基板との間の結合を形成するために焼結プロセスを使用する。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の、センサ構成エレメントを製造するための方法から出発する。

このような構成エレメントは一般的に知られている。たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１５６４０６号明細書から、抵抗線歪みゲージを備えた変形量センサを製造するための方法、ならびに抵抗線歪みゲージおよび変形量センサを製造するための方法が公知である。このような方法において不都合となるのは、抵抗線歪みゲージをセンサ構成エレメントのその他の部分に結合させるために、結合したい少なくとも１つの表面に低融点性のガラス（シーリングガラス）が被着され、かつ結束されたアッセンブリが加熱されることである。この場合、第１には、たとえば約４４０℃またはそれよりも高い比較的高いプロセス温度が設定されていることが必要であり、第２には、それによってしばしばシーリングガラス層内に、抵抗線歪みゲージとその他のセンサ構成エレメント部分との結合に不都合な影響を与える封入物（いわゆる巣）が封入されてしまうという問題が生ぜしめられる。さらに、結合の形成時における比較的高いプロセス温度は、比較的高い機械的な応力を生ぜしめる恐れがある。この機械的な応力が生じた結果、抵抗線歪みゲージが故障する（たとえば電子評価装置の故障による）か、もしくはそれどころか抵抗線歪みゲージがその他のセンサ構成エレメント部分から解離する危険が生じる。

発明の開示
請求項１に記載の、センサ構成エレメントを製造するための本発明による方法、ならびに請求項９に記載の本発明によるセンサ構成エレメントは、従来にものに比べて次のような利点を有している。すなわち、半導体基板と金属基板との間の結合を形成するために低温ステップを使用することによって、公知先行技術における不都合が回避されるかまたは少なくとも減少され、特に結合材料内に巣もしくは封入物が存在しなくなるか、またはほとんど存在しなくなるか、もしくは結合層に熱機械的な応力が生じなくなるか、もしくはほとんど生じなくなる。これによって本発明によれば、不良発生を阻止するかまたは数字上減少させることが可能となり、さらに、改善されかつ簡略化された、ひいてはより廉価にされた製造フローを得ることが可能になる。たとえば本発明によれば、より高い負荷交番強さが得られ、さらには２５０℃よりも高い比較的高い温度下でも結合の高い強度が得られる。

本発明によれば、第１のステップの前に、半導体基板および／または金属基板にメタライジング層もしくは金属化層を被着させると有利である。これによって、金属基板と半導体基板との結合を改善することができ、特に結合材料と、それぞれ隣接している基板材料との結合特性を改善することができるので有利である。

さらに、結合材料が第２のステップの前に粉末状またはペースト状の材料として設けられているか、もしくは結合材料が金属粒子と、さらには添加剤、特に粉砕ワックスとを有しているか、もしくは添加剤が結合材料において比較的小さな含量を占めていると有利である。このことによって結合材料を特に良好に処理可能に形成することができるので、本発明による製造プロセスを、特に廉価に、簡単かつ比較的複雑でなく行うことができる。

さらに、金属粒子がナノ粒子であり、特に実質的に約１０００ナノメートルよりも小さく、有利には約５００ナノメートルよりも小さく、特に極めて有利には約１００ナノメートルよりも小さく形成されていると有利である。これによって、特に大きな表面が形成され、この表面によって金属粒子は焼結により互いに結合されるか、もしくは付着され得るので、結合材料の内部の特に良好な強度が保証されている。

本発明によれば、第２のステップ中に金属基板と半導体基板とを、半導体基板の自重を著しく上回る力によって押し合わせるか、あるいは主として金属基板または半導体基板の自重によってのみ形成される力によって押し合わせることが特に有利である。これによって、所望のプロセス順序もしくは使用された結合材料に応じて、基板同士の最適な結合を生ぜしめることができる。

本発明の別の対象は、半導体基板と金属基板とを備えたセンサ構成エレメントである。この場合、半導体基板と金属基板とは、特に低温法を用いて互いに結合されており、金属粒子を含有する結合材料は、半導体基板と金属基板との結合のために設けられている。これによって本発明によれば、結合材料の焼結された構造を介して半導体基板と金属基板との良好な結合が達成され得る。

本発明によれば、半導体基板と結合材料との間および／または金属基板と結合材料との間に機能層が設けられていると特に有利である。この場合、機能層は特に、電気的な絶縁または導電性を生ぜしめる機能層および／または熱絶縁を生ぜしめる機能層および／または高められた層付着を生ぜしめる機能層として設けられている。これによって本発明によるセンサ構成エレメントでは、付加的な機能を、本発明による構造によって実現することが可能になるので有利である。

本発明の実施例を図面に示し、以下に詳しく説明する。

本発明の第１の実施例による金属基板の断面図である。 本発明の第１の実施例による金属基板の斜視図である。 本発明の第１の実施例を、金属基板に第２の金属化層を被着させた後の状態で示す図である。 本発明の第１の実施例を、第２の金属化層に結合材料を被着させた後の状態で示す図である。 本発明の第１の実施例による半導体基板を示す拡大図である。 図４に示した、半導体基板に第１の金属化層を被着させた後の状態で示す図である。 本発明の第１の実施例を、既に金属基板上に配置された結合材料に半導体基板を被着させた後の状態で示す図である。 本発明の第１の実施例によるセンサ構成エレメント１０の分解斜視図である。 本発明の第２の実施例によるセンサ構成エレメントを示す概略図である。

発明の実施形態
図１ｂは金属基板３０を概略的に示した斜視図であり、図１ａは金属基板３０を概略的に示した断面図である。この実施例では金属基板３０は、たとえばほぼ円筒状の形状を有しており、この円筒体は、その長手方向軸線に沿って一方の端面を起点として１つの切欠きを有しており、他方の端面は閉じられていて、たとえば圧力センサを形成するためのセンサダイヤフラム３５を形成している。この場合、種々異なる圧力範囲を感知するために種々異なる厚さのセンサダイヤフラム３５が使用されることが規定されていてよい。円筒体の内部、つまり切欠き内に存在する圧力状態により、金属基板３０の、センサダイヤフラム３５を形成している端面に加えられる圧力が生ぜしめられ、これによりセンサダイヤフラム３５が湾曲させられる。このセンサダイヤフラム３５上で金属基板３０に結合された半導体基板２０（図１には図示せず）は、センサダイヤフラム３５の湾曲を検出することができる。このために本発明によれば、半導体基板２０と金属基板３０との間の結合が、結合材料４０（図１には図示せず）を介して、低温法で焼結プロセスを用いて形成される。

このために必要となるステップは、図２ないし図６に示されている。この場合、図２は、金属基板３０に第２の金属化層３１を被着させた後の状態を示している。図３は、第２の金属化層３１に結合材料４０を被着させた後の状態を示している。結合材料４０の被着は、この場合、たとえばステンシル印刷、スクリーン印刷、吹付け塗布および／またはディスペンサ塗布によって行うことができる。この場合、第２の金属化層３１は、特に、結合材料４０と金属基板３０との間のより良好な結合のために働く。図４は、（図１ないし図３に対して相対的に拡大された図で）半導体基板２０を示している。図５は、半導体基板２０に第１の金属化層２１を被着させた後の状態を示している。この場合、第１の金属化層２１は、特に、結合材料４０と半導体基板２０との間の結合の改善のために働く。本発明によれば両金属化層２１，３１は、特に金層および／または銀層、もしくはこれらの金属の合金から成る層、もしくはこれらの金属と別の貴金属との合金から成る層である。

図６は、本発明による方法により製造されたセンサ構成エレメント１０を示し、つまり既に金属基板３０上に配置された結合材料４０に半導体基板２０（第１の金属化層２１を含めて）を被着させた後の状態を示している。この際、半導体基板２０は特にセンサダイヤフラム３５の領域に配置されている。結合材料４０は特にあとからの半導体基板２０の領域にのみ配置されるか、もしくは設けられている。金属化層２１，３１は本発明によれば、特にそれぞれの基板２０，３０の、互いに向かい合わされた面の全延在長さにわたって配置されているが、しかも択一的にはあとからの半導体基板２０の領域にのみ配置されているか、もしくは設けられていてもよい（図示せず）。

図７には、もう一度、本発明によるセンサ構成エレメント１０における、半導体基板２０と金属基板３０との間の結合の構造が分解図の形で示されている。図示の構造は、原理的な構造もしくは結合領域における層順序を示しているにすぎない。金属基板３０もしくはセンサダイヤフラム３５と、半導体基板２０との間には、第１の金属化層２１、第２の金属化層３１ならびに結合材料４０が配置されている。

結合材料４０は本発明によれば、特に金属粒子（図示せず）を有しており、この金属粒子は、特にいわゆるナノ粒子の形、かつ特に銀粒子もしくは銀合金の粒子の形に形成されている。結合材料４０は、これによって粉末状もしくはペースト状のコンシステンシもしくは稠度を有している。金属粒子もしくはナノ粒子は、約１０００ナノメートルよりも下のサイズ、有利には約１０ナノメートルないし約１００ナノメートルの範囲か、または約１００ナノメートルないし約６００ナノメートルの範囲の粒度を有しており、この場合、この粒度は所定の粒度分布における平均粒度である。結合材料４０は、金属粒子の他にさらに有機助剤を有しており、この助剤は有利には金属粒子を少なくとも部分的に取り囲んでいて、結合材料４０の粉末状またはペースト状のコンシステンシを提供する。これによって本発明によれば、結合プロセスの際に低い温度で作業することができ、しかも基板２０，３０の間の長い寿命にわたり安定した十分な結合が形成可能となることが実現される。この場合、本発明によれば、結合プロセスステップ中に、基板２０，３０間に押付け圧もしくは押付け力が加えられるように設定するか、または（たとえば上側に載置されている基板、たとえば半導体基板２０の重量を除いて）ほとんど押付け力が加えられないように設定することができる。この場合、本発明によれば、たとえば約２５０℃の温度と、約１０メガパスカルないし約１００メガパスカル、有利には約１５メガパスカルないし約４５メガパスカルの押付け圧／押付け力との組合せが設定されているか、または３００℃の温度と、約１０メガパスカルの圧力ないし無押付け圧との組合せが設定されている。これにより本発明によれば、より高い温度を要求するプロセスに比べて、炉プロセスの時間的な長さを減少させ、ひいてはセンサ構成エレメント１０の製造時におけるサイクル時間を減少させることが可能になるので有利である。さらには、より小さな炉を使用することが可能になり、それによってセンサ構成エレメント１０の製造のためのコストがさらに減じられる。本発明により製造されたセンサ構成エレメント１０の生産時および作動時には、結合材料４０が、十分に巣なしに製造可能であり、減じられた熱機械的な応力が可能となり、ひいてはチップ不良率の低減が達成可能となり、高められた負荷交番強さが提供されており、たとえば２５０℃を超える比較的高い温度でも結合の高い強度が提供されているという利点が得られる。

図８には、センサ構成エレメント１０の第２の実施形態が概略的に示されている。この場合、第２の実施形態は、第１の金属化層２１と半導体基板２０との間に第１の機能層２２が配置されている点で、第１の実施形態とは異なっている。これに対して択一的または付加的には、第２の金属化層３１と金属基板３０との間に、第２の機能層３２が配置されていてよい。これにより本発明によれば、機能層２２，３２によって、本発明によるセンサ構成エレメント１０が、別の有利な特性、たとえば改善された電気的な絶縁破壊強さ（つまりより良好な電気的な絶縁）、より良好な層付着、結合領域と、半導体基板２０および／または金属基板３０との熱絶縁を具備することが可能になる。機能層２２，３２は、たとえば二酸化ケイ素層であるかまたは窒化物層またはこれに類するものであってよい。この場合、機能層２２，３２は、たとえば汎用の析出法を用いて被着され得る。

Claims (10)

1. センサ構成エレメント（１０）を製造するための方法であって、該センサ構成エレメント（１０）が、半導体基板（２０）と金属基板（３０）とを有している形式の方法において、半導体基板（２０）と金属基板（３０）とを低温法によって互いに結合させ、この場合、第１のステップで結合材料（４０）を半導体基板（２０）および／または金属基板（３０）に被着させ、第２のステップで半導体基板（２０）と金属基板（３０）との間の結合を形成するために焼結プロセスを使用することを特徴とする、センサ構成エレメントを製造するための方法。
2. 第１のステップの前に、金属化層（２１，３１）を半導体基板（２０）および／または金属基板（３０）に被着させる、請求項１記載の方法。
3. 前記結合材料（４０）が、第２のステップの前に、金属粒子を有する粉末状またはペースト状の材料として設けられている、請求項１または２記載の方法。
4. 前記結合材料（４０）が、金属粒子ならびに添加剤、特に有機添加剤を有している、請求項３記載の方法。
5. 金属粒子がナノ粒子であって、特に実質的に約１マイクロメートルよりも小さく、有利には約５００ナノメートルよりも小さく形成されている、請求項３または４記載の方法。
6. 前記添加剤が、結合材料（４０）において比較的に小さな含量を占めている、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 第２のステップ中に、金属基板（３０）と半導体基板（２０）とを、該半導体基板（２０）の自重を著しく上回る力によって押し合わせる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 第２のステップ中に、金属基板（３０）と半導体基板（２０）とを、主として金属基板（３０）または半導体基板（２０）の自重によってのみ押し合わせる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
9. 半導体基板（２０）と金属基板（３０）とを備えたセンサ構成エレメント（１０）であって、半導体基板（２０）と、金属基板（３０）とが、特に低温法によって互いに結合されている形式のものにおいて、半導体基板（２０）と金属基板（３０）とを結合するために、金属粒子を有する結合材料（４０）が設けられていることを特徴とするセンサ構成エレメント。
10. 半導体基板（２０）と結合材料（４０）との間および／または金属基板（３０）と結合材料（４０）との間に、機能層（２２，３２）が設けられており、該機能層（２２，３２）が、特に電気的な絶縁または導電性を生ぜしめる機能層（２２，３２）および／または熱絶縁を生ぜしめる機能層（２２，３２）および／または高められた層付着を生ぜしめる機能層（２２，３２）として設けられている、請求項９記載のセンサ構成エレメント。

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