JP2011196711A

JP2011196711A - 薄膜サーミスタセンサ

Info

Publication number: JP2011196711A
Application number: JP2010061053A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Inaba; 均稲場; Kensho Nagatomo; 憲昭長友
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: CN102192792B; CN102192792A; JP5316959B2

Abstract

【課題】引っ張り強度が高く信頼性の向上を図ることができる薄膜サーミスタセンサを提供すること。
【解決手段】絶縁基板２と、絶縁基板２の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜３と、絶縁基板２の上面からサーミスタ薄膜３の上面に亘ってパターン形成された一対の電極４と、一対の電極４に接続された一対のリードフレーム５と、を備え、リードフレーム５が、電極４に接合された先端接合部５ａと、外部と接続されるリード端部５ｂと、先端接合部５ａとリード端部５ｂとの間に形成されミアンダ形状とされた屈曲部５ｃと、からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば温度センサ、流量センサ等のセンサに用いられる薄膜サーミスタセンサに関するものである。

例えば、情報機器、通信機器、医療用機器、住宅設備機器、自動車用伝送機器等の温度センサ、流量センサとして、大きな負の温度係数を有する酸化物半導体の焼結体からなるサーミスタチップがある。このサーミスタチップを用いた薄膜サーミスタセンサは、端子電極が形成されており、この電極面にはんだ付け、導電性接着剤または溶接等によってリードフレームを取り付けた構造のものである。

例えば、特許文献１には、金属板で形成された複数本のリード部からなるリードフレームを用い、リード部の先端に薄膜サーミスタチップを電気的に接合した温度センサにおいて、リード部が先端部分を幅狭に形成した細幅部分と、他端側を幅広に形成した端末部分とからなり、細幅部分に薄膜サーミスタチップを電気的に接合し、細幅部分と薄膜サーミスタチップを絶縁被覆層で被覆して熱応答特性の良い薄膜サーミスタセンサとして使用される温度センサが提案されている。

特開２００６−３０８５０５号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来の技術では、サーミスタチップに接続されたリード部が強く引っ張られると、リード部の接合部に直接力が加わって、リード部と電極との接合部、電極と基板との接合部等から剥離してしまうおそれがあった。また、リード部をサーミスタチップに接続する際に、正確に位置決めすることが非常に難しく、位置ずれしてしまう問題があった。特に、リードフレームは平面状であるため、位置決めが難しいという不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、引っ張り強度が高く信頼性の向上を図ることができる薄膜サーミスタセンサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の薄膜サーミスタセンサは、表面に絶縁層が形成された基板または絶縁基板と、前記絶縁層または前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、前記絶縁層または前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってパターン形成された一対の電極と、一対の前記電極に接続された一対のリードフレームと、を備え、前記リードフレームが、前記電極に接合された先端接合部と、外部と接続されるリード端部と、前記先端接合部と前記リード端部との間に形成されミアンダ形状とされた屈曲部と、からなることを特徴とする。

この薄膜サーミスタセンサでは、リードフレームが、ミアンダ形状とされた屈曲部を有しているので、リードフレームが引っ張られた際に、ミアンダ形状により引っ張り方向の弾性が付加された屈曲部で力が緩衝されて、先端接合部に直接力が加わらないため、引っ張り強度および温度サイクルに対する信頼性が向上する。また、リードフレームの途中をミアンダ形状としたことで、リードフレームの熱伝達経路が長くなり、熱が放散され難くなって熱応答性が向上する。

また、本発明の薄膜サーミスタセンサは、前記先端接合部が、前記リード端部よりも幅狭に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この薄膜サーミスタセンサでは、先端接合部が、前記リード端部よりも幅狭に形成されているので、熱がリードフレームから放散され難くなり、さらに熱応答性を高めることができる。

また、本発明の薄膜サーミスタセンサは、前記絶縁層または前記絶縁基板の上面に絶縁性材料で形成され前記サーミスタ薄膜と前記先端接合部とを封止する絶縁被覆層を備えていることを特徴とする。
すなわち、この薄膜サーミスタセンサでは、サーミスタ薄膜と先端接合部とを封止する絶縁被覆層を備えているので、絶縁被覆層によりサーミスタ薄膜が保護されると共に先端接合部が補強されて接合強度が高くなり、高い信頼性を得ることができる。

また、本発明の薄膜サーミスタセンサは、前記屈曲部が、前記基板または前記絶縁基板の厚さ方向に折り曲げられて前記基板または前記絶縁基板の端面に当接していることを特徴とする。
すなわち、この薄膜サーミスタセンサでは、屈曲部が、基板または絶縁基板の厚さ方向に折り曲げられて基板または絶縁基板の端面に当接しているので、屈曲部が当接することで位置決めが容易になると共にリードフレームと基板または絶縁基板との密着性が向上し、レーザ溶接等によるリードフレームの接続がしやすくなる。

さらに、本発明の薄膜サーミスタセンサは、前記絶縁層または前記絶縁基板の上面に絶縁性材料で形成され前記サーミスタ薄膜と前記先端接合部とを封止すると共に、前記基板または前記絶縁基板の端面まで回り込んで前記屈曲部の一部も覆っている絶縁被覆層を備えていることを特徴とする。
すなわち、この薄膜サーミスタセンサでは、基板または絶縁基板の端面まで回り込んで屈曲部の一部も覆っている絶縁被覆層を備えているので、リードフレームの接合が端面でも補強され、さらに引っ張り強度が改善される。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る薄膜サーミスタセンサによれば、リードフレームが、ミアンダ形状とされた屈曲部を有しているので、引っ張り強度および温度サイクルに対する信頼性が向上すると共に、熱応答性が向上する。したがって、本発明は、接合強度、高速応答性および高耐熱性等が必要とされる複写機等に用いられる薄膜サーミスタセンサとして好適である。

本発明に係る薄膜サーミスタセンサの第１実施形態において、絶縁被覆層を除いた薄膜サーミスタセンサを示す斜視図である。第１実施形態において、薄膜サーミスタセンサを示す断面図である。第１実施形態において、ウエハ状での作製工程およびチップ状に切り出した状態を示す斜視図である。第１実施形態において、レーザ溶接工程を示す断面図である。本発明に係る薄膜サーミスタセンサの第２実施形態において、薄膜サーミスタセンサを示す断面図である。本発明に係る薄膜サーミスタセンサの第３実施形態において、絶縁被覆層形成前後の薄膜サーミスタセンサを示す斜視図である。

以下、本発明に係る薄膜サーミスタセンサの第１実施形態を、図１から図４を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材又は構成を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態の薄膜サーミスタセンサ１は、図１および図２に示すように、アルミナ基板の絶縁基板２と、絶縁基板２の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜３と、絶縁基板２の上面からサーミスタ薄膜３の上面に亘ってパターン形成された一対の電極４と、一対の電極４に接続された一対のリードフレーム５と、を備えている。

上記サーミスタ薄膜３は、例えばＭｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ₃Ｏ₄−Ｃｏ₃Ｏ₄系複合金属酸化物）又は、Ｍｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕのうち少なくとも一種類の元素を含む複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ₃Ｏ₄−Ｃｏ₃Ｏ₄−Ｆｅ₂Ｏ₃系複合金属酸化物）からなる複合金属酸化物膜である。

本実施形態のサーミスタ薄膜３は、絶縁基板２の上面に、スパッタリング法により平面視略正方形状に成膜されたものである。
このサーミスタ薄膜３は、半導体の性状を呈し、温度が上昇すると抵抗が低くなる負特性、いわゆるＮＴＣサーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）の性質を有している。

一対の上記電極４は、絶縁基板２の上面からサーミスタ薄膜３の上面に亘ってＰｔでパターン形成された一対のＰｔ接合層と、これらＰｔ接合層上にＮｉで形成された一対のＮｉめっき層と、で形成されている。なお、Ｎｉめっき層の表面には、自然酸化膜としてＮｉ酸化膜が形成されていても構わない。
一対のＰｔ接合層は、サーミスタ薄膜３の上面から絶縁基板２の上面に亘って形成されている。この一対のＰｔ接合層は、一対のＮｉめっき層の下地層となるものであり、成膜される面の材料（本実施形態では絶縁基板２及びサーミスタ薄膜３）との接合強度がＮｉめっき層よりも高い。なお、Ｐｔ接合層の厚さは、１００〜１０００ｎｍに設定されている。また、このＮｉめっき層の厚さは、３０μｍ程度である。

また、本実施形態の電極４は、図３の（ａ）（ｂ）に示すように、サーミスタ薄膜３の上面に形成され互いに対向した一対の櫛歯部４ａと、各櫛歯部４ａに接続された一対の引き出し電極である電極パッド部４ｂと、を有している。なお、図１の斜視図では、電極４は簡略化して図示している。

上記リードフレーム５は、ステンレス（ＳＵＳ）で形成され、電極４に接合された先端接合部５ａと、外部と接続されるリード端部５ｂと、先端接合部５ａとリード端部５ｂとの間に形成されミアンダ形状とされた屈曲部５ｃと、から構成されている。
上記先端接合部５ａは、リード端部５ｂよりも幅狭に形成されている。
また、この薄膜サーミスタセンサ１は、絶縁基板２の上面に絶縁性材料で形成されサーミスタ薄膜３と先端接合部５ａとを封止する絶縁被覆層６を備えている。

上記屈曲部５ｃは、絶縁基板２の厚さ方向に折り曲げられて先端側が絶縁基板２の端面に当接している。本実施形態の屈曲部５ｃでは、絶縁基板２の上面から厚さ方向下方に９０度折り曲げられたあと、厚さ方向上方に折り曲げられて断面コ字状に折り返され、さらに二度折り返されて３箇所の折り返し部によってジグザグ状に構成されている。
このように各屈曲部５ｃの先端側は、互いに先端接合部５ａから下方にＬ字状に折り曲げられており、互いに対向する一対の先端接合部５ａを一対の電極４上に配してリードフレーム５を絶縁基板２に嵌め込むと、同時に屈曲部５ｃの先端側が絶縁基板２の端面に当接するように設定されている。

上記絶縁被覆層６は、サーミスタ薄膜３及び櫛歯部４ａを内部に封止する保護膜であり、例えば、表面に滴下したセラミックスモールド材又はガラスペーストを焼成してモールドしたものである。この絶縁被覆層６は、厚さ２００〜８００μｍに設定されている。なお、サーミスタ薄膜３及び櫛歯部４ａ上にＳｉＯ₂膜を保護膜として形成し、この上に絶縁被覆層６を形成しても構わない。

次に、このように構成された薄膜サーミスタセンサ１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。

まず、図３の（ａ）に示すように、絶縁基板２のウエハ表面にサーミスタ薄膜３をパターン形成する薄膜形成工程を行う。即ち、絶縁基板２の全面に所定のスパッタ条件で上述した複合金属酸化物膜をスパッタリング法で成膜する。

続いて、フォトリソグラフィ技術により、複合金属酸化物膜の上面であってサーミスタ薄膜３を形成する領域にフォトレジスト膜をパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとして、所定の溶液を利用したウェットエッチング加工によりマスクされていない複合金属酸化物膜を選択的に除去する。そして、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去する。これにより、絶縁基板２の上面に平面視略正方形状のサーミスタ薄膜３をパターン形成することができる。この後、耐熱性向上のため必要に応じて所定温度及び所定時間でアニール処理を行う。

次いで、サーミスタ薄膜３の上面から絶縁基板２の上面に亘って、所定のスパッタ条件でＰｔ接合層、Ｐｔをスパッタリング法で成膜する。続いて、フォトリソグラフィ技術により、Ｐｔの上面であって一対の電極を形成する領域にフォトレジスト膜をパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとして、ドライエッチング加工によりマスクされていないＰｔ接合層及びＰｔを選択的に除去する。そして、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去する。これにより、サーミスタ薄膜３の上面に櫛型状の電極４をパターン形成することができる。

続いて、Ｎｉめっき時の櫛歯部４ａ上への析出を防ぐために、めっき用レジスト１０（図中のハッチング領域）を施し、Ｐｔ接合層の電極パッド部４ｂ上に、スルファミン酸Ｎｉめっき浴によりＮｉめっきを３０μｍ程度成膜し、Ｎｉめっき層を形成する。なお、この際又はこの後の大気中においてＮｉめっき層の表面には、自然酸化膜としてＮｉ酸化膜が形成されても構わない。これにより、一対の電極４が形成される。この後、図３の（ｂ）に示すように、ダイシングを行ってチップ状に切り出す。

次に、図４に示すように、平坦な一対の電極４上に配したリードフレーム５の先端部分（先端接合部５ａ）に、レーザ溶接を行ってリードフレーム５の先端部をＮｉめっき層に溶接して先端接合部５ａとする。このとき、一対のリードフレーム５を、屈曲部５ｃが絶縁基板２の端面に当接した状態で絶縁基板２に嵌め込み、位置決めされた状態で、レーザ溶接を行う。

この後、めっき用レジスト１０を除去し、図２に示すように、セラミックスモールド材又はガラスペーストを、リードフレーム５の先端接合部５ａを含む表面全体を覆うようにディスペンサーで表面に滴下、焼成し、絶縁被覆層６としてモールドすることで、薄膜サーミスタセンサ１が作製される。

このように本実施形態の薄膜サーミスタセンサ１では、リードフレーム５が、ミアンダ形状とされた屈曲部５ｃを有しているので、リードフレーム５が引っ張られた際に、ミアンダ形状により引っ張り方向の弾性が付加された屈曲部５ｃで力が緩衝されて、先端接合部５ａに直接力が加わらないため、引っ張り強度および温度サイクルに対する信頼性が向上する。また、リードフレーム５の途中をミアンダ形状としたことで、リードフレーム５の熱伝達経路が長くなり、熱が放散され難くなって熱応答性が向上する。

さらに、先端接合部５ａが、リード端部よりも幅狭に形成されているので、熱がリードフレーム５から放散され難くなり、さらに熱応答性を高めることができる。
また、サーミスタ薄膜３と先端接合部５ａとを封止する絶縁被覆層６を備えているので、絶縁被覆層６によりサーミスタ薄膜３が保護されると共に先端接合部５ａが補強されて接合強度が高くなり、高い信頼性を得ることができる。

また、屈曲部５ｃが、絶縁基板２の厚さ方向に折り曲げられて絶縁基板２の端面に当接しているので、屈曲部５ｃが当接することで位置決めが容易になると共にリードフレーム５と絶縁基板２との密着性が向上し、レーザ溶接によるリードフレーム５の接続がしやすくなる。

次に、本発明に係る薄膜サーミスタセンサの第２および第３実施形態について、図５および図６を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、絶縁被覆層６が絶縁基板２の上面のみを覆っているのに対し、第２実施形態の薄膜サーミスタセンサ２１は、図５に示すように、絶縁被覆層６が、絶縁基板２の端面まで回り込んで屈曲部５ｃの一部も覆っている点である。
すなわち、この第２実施形態の薄膜サーミスタセンサ２１では、絶縁被覆層６が絶縁基板２の端面まで回り込んで屈曲部５ｃの一部も覆っているので、リードフレーム５の接合が端面でも補強され、さらに引っ張り強度が改善される。

次に、第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、屈曲部５ｃが絶縁基板２の厚さ方向に折り曲げられたミアンダ形状であるのに対し、第３実施形態の薄膜サーミスタセンサ３１は、図６に示すように、リードフレーム３５の屈曲部３５ｃが絶縁基板２の上面と平行な方向に繰り返し屈曲したミアンダ形状とされている点である。
すなわち、第２実施形態の屈曲部３５ｃでは、絶縁基板２の上面から幅方向一方に９０度屈曲したあと、幅方向他方にコ字状に折り返して屈曲し、再び二度折り返して屈曲して３箇所の折り返し部によってジグザグ状に構成されている。

したがって、この第３実施形態の薄膜サーミスタセンサ３１でも、第１実施形態と同様に、リードフレーム３５が引っ張られた際に、ミアンダ形状により引っ張り方向の弾性が付加された屈曲部３５ｃで力が緩衝されて、先端接合部３５ａに直接力が加わらないため、引っ張り強度および温度サイクルに対する信頼性が向上する。また、リードフレーム３５の途中をミアンダ形状としたことで、リードフレーム３５の熱伝達経路が長くなり、熱が放散され難くなって熱応答性が向上する。
なお、第３実施形態のリードフレーム３５は、第１実施形態のリードフレーム５のような曲げ加工が不要で、打ち抜き等で容易にミアンダ形状の屈曲部３５ｃを形成することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、アルミナ基板の絶縁基板を用いた場合を例にしたが、これに限られず、石英基板等の絶縁基板や、表面に熱酸化によるＳｉＯ₂層の絶縁層が形成されたシリコン基板又はその他の半導体基板でも構わない。また、リードフレームはステンレス材料を用いた場合を例にしたが、これに限らず、コバールやインバー材料でも構わない。

１，２１，３１…薄膜サーミスタセンサ、２…絶縁基板、３…サーミスタ薄膜、４…電極、５，３５…リードフレーム、５ａ，３５ａ…先端接合部、５ｂ，３５ｂ…リード端部、５ｃ，３５ｃ…屈曲部、６…絶縁被覆層

Claims

表面に絶縁層が形成された基板または絶縁基板と、
前記絶縁層または前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、
前記絶縁層または前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってパターン形成された一対の電極と、
一対の前記電極に接続された一対のリードフレームと、を備え、
前記リードフレームが、前記電極に接合された先端接合部と、外部と接続されるリード端部と、前記先端接合部と前記リード端部との間に形成されミアンダ形状とされた屈曲部と、からなることを特徴とする薄膜サーミスタセンサ。
請求項１に記載の薄膜サーミスタセンサにおいて、
前記先端接合部が、前記リード端部よりも幅狭に形成されていることを特徴とする薄膜サーミスタセンサ。
請求項１または２に記載の薄膜サーミスタセンサにおいて、
前記絶縁層または前記絶縁基板の上面に絶縁性材料で形成され前記サーミスタ薄膜と前記先端接合部とを封止する絶縁被覆層を備えていることを特徴とする薄膜サーミスタセンサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の薄膜サーミスタセンサにおいて、
前記屈曲部が、前記基板または前記絶縁基板の厚さ方向に折り曲げられて前記基板または前記絶縁基板の端面に当接していることを特徴とする薄膜サーミスタセンサ。
請求項４に記載の薄膜サーミスタセンサにおいて、
前記絶縁層または前記絶縁基板の上面に絶縁性材料で形成され前記サーミスタ薄膜と前記先端接合部とを封止すると共に、前記基板または前記絶縁基板の端面まで回り込んで前記屈曲部の一部も覆っている絶縁被覆層を備えていることを特徴とする薄膜サーミスタセンサ。