JP2014116550A - 温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 パターン電極とリードフレームとの高い接合強度が得られ高温環境下でも温度測定が可能な温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法を提供すること。
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向して形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面に形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルムの裏面であって一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールＨを介して一対のパターン電極に接続された一対のリードフレーム６とを備え、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されている。
【選択図】図２
【解決手段】 絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向して形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面に形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルムの裏面であって一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールＨを介して一対のパターン電極に接続された一対のリードフレーム６とを備え、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されている。
【選択図】図２
Description
本発明は、高温環境での使用が可能になるフィルム型サーミスタ温度センサである温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法に関する。
温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いＢ定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ等の遷移金属酸化物が一般的である（特許文献１及び２参照）。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、６００℃以上の焼成が必要である。
また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献３では、一般式：ＭｘＡｙＮｚ（但し、ＭはＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ及びＺｒの少なくとも１種、ＡはＡｌ，Ｓｉ及びＢの少なくとも１種を示す。０．１≦ｘ≦０．８、０＜ｙ≦０．６、０．１≦ｚ≦０．８、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献３では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料で、０．５≦ｘ≦０．８、０．１≦ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．７、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１としたものだけが実施例として記載されている。このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理を行っている。さらに、このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料は、熱酸化膜付きシリコン、アルミナ、ガラス等の基材上に成膜される。
一方、例えば特許文献４には、フレキシブルプリント基板に構成部品を実装する際、構成部品のリードフレームとフレキシブルプリント基板の銅箔とに短波長である第二高調波のレーザ光を照射し、フレキシブルプリント基板を貫通させて銅箔とリードフレームとをレーザ溶接する方法が示されている。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
近年、樹脂フィルム上に薄膜状のサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、０．１ｍｍ程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
また、このようなフィルム型サーミスタセンサを作製する場合、樹脂フィルムに形成されたサーミスタ材料層とリードフレームとを接続するため、樹脂フィルム上にサーミスタ材料層と接続されたパターン電極をパターン形成し、このパターン電極とリードフレームとを接合する必要がある。しかしながら、従来のリードフレームの一般的な接続方法であるはんだ材での接合を行った場合、周囲温度が２００℃を超える高温環境下で使用すると、はんだの融点に近いために接合に問題が生じる。
このため、近年、高温用との電子部品の接続方法として微細溶接が普及しており、その中でも特許文献４に記載のようなレーザ溶接を採用することも考えられる。このようなレーザ溶接は、被接合体の表面状態に影響され難いことや、接合強度が高いこと、さらに微小な領域を溶接できるなどのメリットがある。しかしながら、従来、上記レーザ溶接を行う場合、特許文献４のように比較的厚い銅箔を対象にレーザ溶接を行うが、０．５μｍ以下の非常に薄いパターン電極にレーザ光を照射して該パターン電極にリードフレームをレーザ溶接すると、パターン電極が溶接時に熱で蒸発してしまう不都合があった。なお、パターン電極を銅箔のように厚くすると、大きな段差になって平坦性が損なわれると共に、熱容量が大きくなってしまう問題がある。逆に、リードフレーム側からレーザ光を照射して溶接した場合、パターン電極が非常に薄いためにリードフレームが深く溶け込めずに十分な接合強度が得られない。さらに、リードフレーム上にオーバーモールド樹脂を塗布すると、大きな段差が形成されてしまう不都合があった。
近年、樹脂フィルム上に薄膜状のサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、０．１ｍｍ程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
また、このようなフィルム型サーミスタセンサを作製する場合、樹脂フィルムに形成されたサーミスタ材料層とリードフレームとを接続するため、樹脂フィルム上にサーミスタ材料層と接続されたパターン電極をパターン形成し、このパターン電極とリードフレームとを接合する必要がある。しかしながら、従来のリードフレームの一般的な接続方法であるはんだ材での接合を行った場合、周囲温度が２００℃を超える高温環境下で使用すると、はんだの融点に近いために接合に問題が生じる。
このため、近年、高温用との電子部品の接続方法として微細溶接が普及しており、その中でも特許文献４に記載のようなレーザ溶接を採用することも考えられる。このようなレーザ溶接は、被接合体の表面状態に影響され難いことや、接合強度が高いこと、さらに微小な領域を溶接できるなどのメリットがある。しかしながら、従来、上記レーザ溶接を行う場合、特許文献４のように比較的厚い銅箔を対象にレーザ溶接を行うが、０．５μｍ以下の非常に薄いパターン電極にレーザ光を照射して該パターン電極にリードフレームをレーザ溶接すると、パターン電極が溶接時に熱で蒸発してしまう不都合があった。なお、パターン電極を銅箔のように厚くすると、大きな段差になって平坦性が損なわれると共に、熱容量が大きくなってしまう問題がある。逆に、リードフレーム側からレーザ光を照射して溶接した場合、パターン電極が非常に薄いためにリードフレームが深く溶け込めずに十分な接合強度が得られない。さらに、リードフレーム上にオーバーモールド樹脂を塗布すると、大きな段差が形成されてしまう不都合があった。
一方、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が１５０℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも２００℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために６００℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献３に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料の実施例において、Ｂ定数：５００〜３０００Ｋ程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、パターン電極とリードフレームとの高い接合強度が得られ高温環境下でも温度測定が可能な温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法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、第１の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールを介して前記一対のパターン電極に接続された一対のリードフレームとを備え、前記一対のリードフレームが、前記ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されていることを特徴とする。
この温度センサでは、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されているので、ビアホール内の厚い金属材料がリードフレームと溶接され、パターン電極の厚さによらずに高い接合強度を得ることができる。また、溶接部がビアホール内であるため、測定面（薄膜サーミスタ部側の表面）の平坦性を損なうこともない。したがって、はんだ材よりも溶接状態で融点の高い金属材料を用いることで、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。
第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記絶縁性フィルムが帯状に形成され、前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムの一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が前記絶縁性フィルムの他端側まで前記絶縁性フィルムに沿って延在し、少なくとも前記リードフレームの前記溶接した部分から先端までが、前記絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、少なくともリードフレームの溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われているので、リードフレームの先端側と保護シートとによって絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。また、リードフレームの接続部分を外部応力から保護するために該接続部分に形成するオーバーモールド樹脂が不要になる。
すなわち、この温度センサでは、少なくともリードフレームの溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われているので、リードフレームの先端側と保護シートとによって絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。また、リードフレームの接続部分を外部応力から保護するために該接続部分に形成するオーバーモールド樹脂が不要になる。
第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。
本発明者らは、窒化物材料の中でもＡｌＮ系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるＡｌＮは、最適なサーミスタ特性（Ｂ定数：１０００〜６０００Ｋ程度）を得ることが難しいため、Ａｌサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なＢ定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
なお、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．７０未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、ＮａＣｌ型相との共存相又はＮａＣｌ型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５を超えると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５を超えると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。
第４の発明に係る温度センサの製造方法は、第１から第３の発明のいずれかに係る温度センサを製造する方法であって、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で薄膜サーミスタ部をパターン形成する工程と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向して一対の櫛型電極をパターン形成する工程と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面に一対のパターン電極をパターン形成する工程と、前記一対のパターン電極の直下の前記絶縁性フィルムに金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とがレーザ溶接されることで、高い接合強度が得られると共に接合部が表面に段差を形成せず、測定面の平坦性を確保することができる。また、リードフレームが厚くても直接裏面側からリードフレームにレーザ光を照射するよりも容易に溶接が可能になる。
すなわち、この温度センサの製造方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とがレーザ溶接されることで、高い接合強度が得られると共に接合部が表面に段差を形成せず、測定面の平坦性を確保することができる。また、リードフレームが厚くても直接裏面側からリードフレームにレーザ光を照射するよりも容易に溶接が可能になる。
第５の発明に係る温度センサの製造方法は、第４の発明において、前記レーザ溶接する工程の前に、一対の前記ビアホールの間の前記絶縁性フィルムにスリットを形成しておくことを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールの間の絶縁性フィルムにスリットを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリットが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
すなわち、この温度センサの製造方法では、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールの間の絶縁性フィルムにスリットを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリットが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
第６の発明に係るリードフレームの接続方法は、絶縁性フィルムの表面にパターン形成されたパターン電極とリードフレームとを接続する方法であって、前記パターン電極の直下に金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、このリードフレームの接続方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
すなわち、このリードフレームの接続方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されているので、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。
また、本発明に係る温度センサの製造方法及びリードフレームの接続方法によれば、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサは、測定環境が高温になる電子機器の温度、特に熱定着ローラの温度測定に好適である。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されているので、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。
また、本発明に係る温度センサの製造方法及びリードフレームの接続方法によれば、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサは、測定環境が高温になる電子機器の温度、特に熱定着ローラの温度測定に好適である。
以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１から図１０を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
本実施形態の温度センサ１は、フィルム型サーミスタセンサであって、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極４に接続され絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルム２の裏面であって一対のパターン電極５の反対側に配され該絶縁性フィルム２に形成されたビアホールＨを介して一対のパターン電極５に接続された一対のリードフレーム６とを備えている。
上記一対のビアホールＨを除いて少なくとも薄膜サーミスタ部３の表面には、保護膜７が形成されている。この保護膜７は、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆って絶縁性フィルム２の表面に形成されている。
上記一対のリードフレーム６は、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されている。すなわち、リードフレーム６の先端部は、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍとレーザ溶接により接合されている。
上記金属材料Ｍは、例えばニッケル等であり、電解めっきで形成されている。なお、無電解めっきにより、金属材料ＭをビアホールＨ内に埋め込んでも構わない。
さらに、この温度センサ１では、絶縁性フィルム２の裏面側にリードフレーム６の接合部分を覆ってオーバーモールド樹脂が塗布され、オーバーモールド樹脂部８が形成されている。このオーバーモールド樹脂部８は、リードフレーム６の接続部分を外部応力から保護するために形成している。
上記金属材料Ｍは、例えばニッケル等であり、電解めっきで形成されている。なお、無電解めっきにより、金属材料ＭをビアホールＨ内に埋め込んでも構わない。
さらに、この温度センサ１では、絶縁性フィルム２の裏面側にリードフレーム６の接合部分を覆ってオーバーモールド樹脂が塗布され、オーバーモールド樹脂部８が形成されている。このオーバーモールド樹脂部８は、リードフレーム６の接続部分を外部応力から保護するために形成している。
上記絶縁性フィルム２は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも構わない。
この絶縁性フィルム２の一端側にビアホールＨが形成され、他端側に薄膜サーミスタ部３が形成されている。
また、前記絶縁性フィルム２には、一対のビアホールＨの間にスリット２ａが形成されている。
この絶縁性フィルム２の一端側にビアホールＨが形成され、他端側に薄膜サーミスタ部３が形成されている。
また、前記絶縁性フィルム２には、一対のビアホールＨの間にスリット２ａが形成されている。
上記薄膜サーミスタ部３は、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。
上記パターン電極５及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。なお、薄膜サーミスタ部３の下に櫛型電極４を形成しても構わない。
一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。
一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。
一対のパターン電極５は、櫛型電極４に先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム２の一端部に形成されたビアホールＨに達している。
上記保護膜７は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。
上記保護膜７は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。
上記薄膜サーミスタ部３は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図３に示すように、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。
また、この薄膜サーミスタ部３は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。
この温度センサ１の製造方法について、図４から図１１を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２上に一対のパターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆って保護膜７を形成する保護膜形成工程と、一対のパターン電極５の直下の絶縁性フィルム２に金属材料Ｍが埋め込まれたビアホールＨを形成するビアホール形成工程と、各センサに切断すると共にスリット２ａを形成するスリット切断工程と、金属材料Ｍにレーザ光Ｌを照射してリードフレーム６を溶接するレーザ溶接工程とを有している。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２上に一対のパターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆って保護膜７を形成する保護膜形成工程と、一対のパターン電極５の直下の絶縁性フィルム２に金属材料Ｍが埋め込まれたビアホールＨを形成するビアホール形成工程と、各センサに切断すると共にスリット２ａを形成するスリット切断工程と、金属材料Ｍにレーザ光Ｌを照射してリードフレーム６を溶接するレーザ溶接工程とを有している。
より具体的な製造方法の例としては、厚さ４０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、ＴｉｘＡｌｙＮｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。
成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉｘＡｌｙＮｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図４に示すように、レジスト剥離にて３００×４００μｍの薄膜サーミスタ部３にした。
なお、絶縁性フィルム２には、予めビアホール用の一対のフィルム貫通孔Ｈ０が一端側に形成されている。また、絶縁性フィルム２は、複数の温度センサ１を同時に作製するために、この時点では、大判シート状に形成されている。本実施形態では、２個の温度センサ１を同時作製する工程を示す。したがって、図４では、センサ２つ分の絶縁性フィルム２に、２つの薄膜サーミスタ部３と、２対のフィルム貫通孔Ｈ０とが形成されている。
次に、薄膜サーミスタ部３及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図５に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極４及びパターン電極５を形成する。
なお、パターン電極５の基端部は、対応するフィルム貫通孔Ｈ０まで達している。また、上記パターン電極５を形成する際に、２対のフィルム貫通孔Ｈ０を直列に接続する電解めっき用パターン５ａも後述する電解めっき用に形成しておく。
なお、パターン電極５の基端部は、対応するフィルム貫通孔Ｈ０まで達している。また、上記パターン電極５を形成する際に、２対のフィルム貫通孔Ｈ０を直列に接続する電解めっき用パターン５ａも後述する電解めっき用に形成しておく。
次に、その上にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、１５０℃で１０分のキュアを行い、図６に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜７を形成する。なお、この保護膜７にも、ビアホール用の保護膜貫通孔Ｈ１を予め形成しておき、保護膜貫通孔Ｈ１をフィルム貫通孔Ｈ０の直上に配して保護膜７を形成する。
次に、図７に示すように、保護膜貫通孔Ｈ１内に電解めっき用パターン５ａを用いて電解めっきにより、Ｎｉの厚付けめっきを行ってＮｉの金属材料Ｍが埋め込まれたビアホールＨを形成する。すなわち、ビアホールＨ内の金属材料Ｍは、パターン電極５に接続されていると共に、少なくとも絶縁性フィルム２の厚さ以上の厚さを有している。なお、ビアホールＨに埋め込む金属材料Ｍとしては、レーザ溶接後にはんだ材よりも融点の高い溶接部を形成するものであれば、他の金属材料でも構わない。
さらに、図８に示すように、各温度センサに分けるため絶縁性フィルム２を切断して切り離しを行う。この際、一対のビアホールＨの間でスリット２ａも形成する。
さらに、図８に示すように、各温度センサに分けるため絶縁性フィルム２を切断して切り離しを行う。この際、一対のビアホールＨの間でスリット２ａも形成する。
次に、図９及び図１０に示すように、厚さ０．１５ｍｍのリードフレーム６の先端部をビアホールＨの直下に配して、ビアホールＨ側（保護膜７側）からレーザ光Ｌを照射してレーザ溶接を行う。この際のレーザ溶接の条件は、レーザ光Ｌの波長５３２ｎｍ、出力２００Ｗ、パルス幅０．２ｍｓとする。また、レーザ光Ｌのスポット径は、ビアホールＨの内径よりも小さく設定される。
レーザ溶接後に、溶接部分を覆うようにリードフレーム６の先端部と絶縁性フィルム２の一端側とにオーバーモールド樹脂を塗布し、１５０℃、１０分のキュアを行い、オーバーモールド樹脂部８を形成する。これにより、図１及び図２に示すように、リードフレーム６が固定された温度センサ１が作製される。
レーザ溶接後に、溶接部分を覆うようにリードフレーム６の先端部と絶縁性フィルム２の一端側とにオーバーモールド樹脂を塗布し、１５０℃、１０分のキュアを行い、オーバーモールド樹脂部８を形成する。これにより、図１及び図２に示すように、リードフレーム６が固定された温度センサ１が作製される。
このように本実施形態の温度センサ１では、一対のリードフレーム６が、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されているので、ビアホールＨ内の厚い金属材料Ｍがリードフレーム６と溶接され、パターン電極５の厚さによらずに高い接合強度を得ることができる。また、溶接部がビアホールＨ内であるため、測定面（薄膜サーミスタ部３側の表面）の平坦性を損なうこともない。したがって、はんだ材よりも溶接状態で融点の高い金属材料Ｍを用いることで、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。
また、ビアホールＨ内の金属材料Ｍに絶縁性フィルム２の表面側からビアホールＨの径よりも小さいスポット径でレーザ光Ｌを照射してリードフレーム６と金属材料Ｍとをレーザ溶接するので、ビアホールＨ内でリードフレーム６と金属材料Ｍとが溶接されることで、高い接合強度が得られると共に接合部が表面に段差を形成せず、測定面の平坦性を確保することができる。また、リードフレーム６が厚くても直接裏面側からリードフレーム６にレーザ光Ｌを照射するよりも容易に溶接が可能になる。
さらに、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールＨの間の絶縁性フィルム２にスリット２ａを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリット２ａが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
さらに、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールＨの間の絶縁性フィルム２にスリット２ａを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリット２ａが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
また、薄膜サーミスタ部３が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。
なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の製造方法では、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記ＴｉＡｌＮからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
したがって、本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム２上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部３が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部３により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム２を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ０．１ｍｍの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ０．１ｍｍの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。
次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第２実施形態について、図１１及び図１２を参照して以下に説明する。なお、以下の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、リードフレーム６の先端部が絶縁性フィルム２の一端側に配されてレーザ溶接されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図１１及び図１２に示すように、リードフレーム６が、絶縁性フィルム２の一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が絶縁性フィルム２の他端側まで絶縁性フィルム２に沿って延在している点である。
また、第２実施形態では、少なくともリードフレーム６の溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルム２の裏面に接着された絶縁性の保護シート２７で覆われている点でも第１実施形態と異なっている。すなわち、第２実施形態では、オーバーモールド樹脂部８を形成せず、絶縁性フィルム２の裏面全体を覆って保護シート２７が貼り付けられている。この保護シート２７は、接着層を有するポリイミドフィルムである。
このように第２実施形態の温度センサ２１では、少なくともリードフレーム６の溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルム２の裏面に接着された絶縁性の保護シート２７で覆われているので、リードフレーム６の先端側と保護シート２７とによって絶縁性フィルム２の剛性を向上させることができる。また、オーバーモールド樹脂による接合部分の保護が不要になる。
次に、本発明に係る温度センサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図１３から図２１を参照して具体的に説明する。
＜膜評価用素子の作製＞
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の評価を行う実施例及び比較例として、図１３に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部３を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の評価を行う実施例及び比較例として、図１３に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部３を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。
次に、上記薄膜サーミスタ部３の上に、スパッタ法でＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＡｕ膜を１００ｎｍ形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部１２４ａを有するパターン電極１２４を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、Ｂ定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子１２１とした。
なお、比較としてＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
なお、比較としてＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
＜膜の評価＞
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。
なお、上記Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、Ｘ線源をＭｇＫα（３５０Ｗ）とし、パスエネルギー：５８．５ｅＶ、測定間隔：０．１２５ｅＶ、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の定量精度は±２％、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の定量精度は±１％ある。
（２）比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。
なお、本発明におけるＢ定数算出方法は、上述したように２５℃と５０℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示
これらの結果からわかるように、ＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が図３に示す３元系の三角図において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内、すなわち、「０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」となる領域内の実施例全てで、抵抗率：１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数：１５００Ｋ以上のサーミスタ特性が達成されている。
上記結果から２５℃での抵抗率とＢ定数との関係を示したグラフを、図１４に示す。また、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示したグラフを、図１５に示す。これらのグラフから、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．７〜０．９５、かつ、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．４〜０．５の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数が１５００Ｋ以上の高抵抗かつ高Ｂ定数の領域が実現できている。なお、図１５のデータにおいて、同じＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比に対して、Ｂ定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。
表１に示す比較例３〜１２は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域であり、結晶系は立方晶のＮａＣｌ型となっている。また、比較例１２（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６７）では、ＮａＣｌ型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域では、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ未満、Ｂ定数が１５００Ｋ未満であり、低抵抗かつ低Ｂ定数の領域であった。
表１に示す比較例１，２は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）が４０％に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例１，２は、ＮａＣｌ型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、Ｂ定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。
（４）薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。一部のサンプルについては、入射角を０度とし、２θ＝２０〜１００度の範囲で測定した。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。一部のサンプルについては、入射角を０度とし、２θ＝２０〜１００度の範囲で測定した。
その結果、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７の領域においては、ウルツ鉱型相（六方晶、ＡｌＮと同じ相）であり、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．６５の領域においては、ＮａＣｌ型相（立方晶、ＴｉＮと同じ相）であった。また、０．６５＜ Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７においては、ウルツ鉱型相とＮａＣｌ型相との共存する結晶相であった。
このようにＴｉＡｌＮ系においては、高抵抗かつ高Ｂ定数の領域は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Ｓｉ基板Ｓ上に垂直な方向（膜厚方向）の結晶軸においてａ軸配向性が強いか、ｃ軸配向性が強いかであるかについて、ＸＲＤを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比を測定した。
その結果、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ未満で成膜された実施例は、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強く、ａ軸配向性よりｃ軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ以上で成膜された実施例は、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、ｃ軸配向よりａ軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１６に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１７に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１７に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。
さらに、この実施例について、入射角を０度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中（＊）は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している（なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。）。
なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１８に示す。この比較例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６（ＮａＣｌ型、立方晶）であり、入射角を１度として測定した。ウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））として指数付けできるピークは検出されておらず、ＮａＣｌ型単独相であることを確認した。
次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表２及び図１９に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。
表２及び図１９に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。
これら両者を比較すると、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比が同じであると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、Ｂ定数が１００Ｋ程度大きいことがわかる。また、Ｎ量（Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））に着目すると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比：Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることから、ｃ軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。
＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部３の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２０に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２１に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。
次に、薄膜サーミスタ部３の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２０に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２１に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。
これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、ｃ軸配向が強い実施例及びａ軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断した際に生じたものである。
＜膜の耐熱試験評価＞
表１に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
表１に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
なお、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、Ｔａのイオン半径がＴｉやＡｌに比べて非常に大きいため、高濃度Ａｌ領域でウルツ鉱型相を作製することができない。ＴａＡｌＮ系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のＴｉ−Ａｌ−Ｎ系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例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。
１，２１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パターン電極、６…リードフレーム、２７…保護シート、Ｈ…ビアホール、Ｍ…金属材料
Claims (6)
- 絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、
前記絶縁性フィルムの裏面であって前記一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールを介して前記一対のパターン電極に接続された一対のリードフレームとを備え、
前記一対のリードフレームが、前記ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記絶縁性フィルムが帯状に形成され、
前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムの一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が前記絶縁性フィルムの他端側まで前記絶縁性フィルムに沿って延在し、
少なくとも前記リードフレームの前記溶接した部分から先端までが、前記絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする温度センサ。 - 請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサを製造する方法であって、
前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で薄膜サーミスタ部をパターン形成する工程と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向して一対の櫛型電極をパターン形成する工程と、
前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面に一対のパターン電極をパターン形成する工程と、
前記一対のパターン電極の直下の前記絶縁性フィルムに金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、
前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とする温度センサの製造方法。 - 請求項４に記載の温度センサの製造方法において、
前記レーザ溶接する工程の前に、一対の前記ビアホールの間の前記絶縁性フィルムにスリットを形成しておくことを特徴とする温度センサの製造方法。 - 絶縁性フィルムの表面にパターン形成されたパターン電極とリードフレームとを接続する方法であって、
前記パターン電極の直下に金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、
前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とするリードフレームの接続方法。
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