JP2018096910A - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力検出用のダイヤフラムを有する金属ステムにセンサチップを接合してなる圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a pressure sensor formed by joining a sensor chip to a metal stem having a pressure detection diaphragm.
従来、高圧を検出できる圧力センサとして、ダイヤフラムが形成された有底円筒状の金属ステムと、ダイヤフラムの歪検出を行う歪検出素子が形成されたセンサチップとを備え、接合ガラスを介してセンサチップがダイヤフラム上に接合されたものが知られている。 Conventionally, as a pressure sensor capable of detecting high pressure, a sensor chip having a bottomed cylindrical metal stem formed with a diaphragm and a sensor chip formed with a strain detection element for detecting strain of the diaphragm is provided through a bonding glass. Is known that is bonded on the diaphragm.
例えば、センサチップについては、シリコンからなる半導体基板に半導体素子が形成されたもので構成され、金属ステムについては、SUS430などの金属材料で構成されている。そして、センサチップは、ペースト状もしくはタブレット状の接合ガラスを介して金属ステムの上に配置されている。具体的には、センサチップは、例えば、ペースト状もしくはタブレット状の接合ガラス上に配置され、接合ガラスを熱処理によって焼成もしくは溶融した後に、冷却により固化することで、金属ステムの上に接合ガラスを介して接合されている。 For example, the sensor chip is composed of a semiconductor substrate made of silicon and the metal stem is composed of a metal material such as SUS430. And the sensor chip is arrange | positioned on the metal stem through the paste-like or tablet-like joining glass. Specifically, the sensor chip is disposed on, for example, a paste-like or tablet-like bonded glass, and the bonded glass is fired or melted by heat treatment and then solidified by cooling, whereby the bonded glass is placed on the metal stem. Are joined through.
上記のように金属ステムや半導体素子のように熱膨張係数の異なる部材間を安定的にガラス接合するためには、接合ガラスの熱膨張係数を2つの部材の熱膨張係数を考慮した上で所定の範囲に調整する必要がある。このような接合ガラスとしては、例えば特許文献1に記載の接合材が挙げられる。 In order to stably perform glass bonding between members having different thermal expansion coefficients such as metal stems and semiconductor elements as described above, the thermal expansion coefficient of the bonding glass is determined in consideration of the thermal expansion coefficients of the two members. It is necessary to adjust to the range. As such a bonding glass, for example, a bonding material described in Patent Document 1 can be mentioned.
特許文献1に記載の接合材は、3層以上のガラスが積層されて構成されると共に、該ガラスの積層方向に沿って30℃〜500℃の熱膨張係数が各層ごとに段階的に増大するように構成されている。また、このような構成において、当該接合材においては、いずれのガラス層にもアルカリ成分が含まれておらず、隣り合う各層の30℃〜500℃における熱膨張係数の差については、1.5ppm/K以下とされている。 The bonding material described in Patent Document 1 is configured by laminating three or more layers of glass, and a thermal expansion coefficient of 30 ° C. to 500 ° C. increases step by step along the direction of the glass lamination. It is configured as follows. In such a configuration, in the bonding material, any glass layer does not contain an alkali component, and the difference in thermal expansion coefficient between adjacent layers at 30 ° C. to 500 ° C. is 1.5 ppm. / K or less.
このように熱膨張係数の勾配を有する構成とされた接合材を用いることにより、熱膨張係数の異なる部材間における熱膨張係数の差を緩和でき、これらの部材間を強固に接合することができる。 By using the bonding material having the gradient of the thermal expansion coefficient in this way, the difference in the thermal expansion coefficient between the members having different thermal expansion coefficients can be alleviated, and the members can be firmly bonded. .
しかしながら、特許文献1に記載の接合材では、3層以上の熱膨張係数の異なるガラスを面方向に積み重ねて一体化した構成としており、その厚みが厚く、薄肉化された圧力センサには適用され難い。すなわち、近年、圧力センサでは、小型化、軽量化、高感度化が進み、接合ガラスの厚みを薄くすることが検討されており、接合ガラスの厚みが厚くなることは好ましくない。 However, the bonding material described in Patent Document 1 has a structure in which three or more layers of glasses having different thermal expansion coefficients are stacked and integrated in the surface direction, and is applied to a pressure sensor that is thick and thin. hard. That is, in recent years, pressure sensors have been reduced in size, weight, and sensitivity, and it has been studied to reduce the thickness of the bonding glass. It is not preferable that the thickness of the bonding glass be increased.
そこで、本発明者らが、接合ガラスおよびセンサチップが薄肉化された圧力センサについて検討したところ、単に接合ガラスやセンサチップを薄くしただけでは、接合ガラスおよびセンサチップに剥離や亀裂が発生することが判明した。 Therefore, the present inventors examined a pressure sensor in which the bonding glass and the sensor chip are thinned, and if the bonding glass or the sensor chip is simply thinned, peeling or cracking occurs in the bonding glass and the sensor chip. There was found.
具体的には、接合ガラスが薄肉化されるとその強度が低くなるため、センサチップを金属ステムにガラス接合した後の冷却プロセスにおいて、接合ガラスがこの接合ガラス内部に発生するせん断応力に耐え切れず、破壊され得る。また、冷熱サイクル等の信頼性試験においては、せん断応力が高い部位を起点にして接合ガラスとセンサチップとの間での剥離発生やセンサチップの亀裂発生が生じ得る。 Specifically, when the bonding glass is thinned, its strength decreases, so that the bonding glass can withstand the shear stress generated inside the bonding glass in the cooling process after glass bonding the sensor chip to the metal stem. And can be destroyed. In a reliability test such as a thermal cycle, peeling between the bonding glass and the sensor chip or cracking of the sensor chip may occur starting from a site having a high shear stress.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、薄肉化された接合ガラスを介してセンサチップを接合しつつ、薄肉化された構成でありながらも信頼性の高い圧力センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a pressure sensor that is highly reliable while having a thinned structure while bonding a sensor chip through a thinned bonding glass. For the purpose.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の圧力センサは、印加される圧力に応じて電気出力を発生させる圧力センサであって、圧力検出用のダイヤフラム(11)が形成された一面(10a)を有する金属ステム(10)と、一面のうちダイヤフラム上に配置された第1接合ガラス(31)と第2接合ガラス(32)とを有してなる接合ガラス(30)と、ダイヤフラム上に第1接合ガラスを介して接合され、ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出部(41)を備えるセンサチップ(40)と、を備える。このような構成において、一面に対する法線方向から見て、センサチップは、第1接合ガラスの外郭領域内に収まるように設けられると共に、センサチップの外縁部の一部または全部が第1接合ガラスと第2接合ガラスとが接合された接合界面(33)と重なるように配置され、第1接合ガラスの熱膨張係数は、第2接合ガラスの熱膨張係数より大きく、かつ金属ステムの熱膨張係数より小さく、第2接合ガラスは、法線方向から見て、第1接合ガラスの外郭領域のうちセンサチップの外縁部と重なる領域の外側に配置され、第1接合ガラスを囲むように形成されており、第2接合ガラスの熱膨張係数は、センサチップの熱膨張係数以上である。 In order to achieve the above object, a pressure sensor according to claim 1 is a pressure sensor that generates an electrical output in accordance with an applied pressure, and is provided with a surface (10a) on which a pressure detection diaphragm (11) is formed. ) Having a metal stem (10) having a first bonding glass (31) and a second bonding glass (32) disposed on the diaphragm of one surface, and on the diaphragm A sensor chip (40) including a strain detection unit (41) that is bonded via a first bonded glass and generates an electrical output corresponding to the strain of the diaphragm. In such a configuration, the sensor chip is provided so as to be within the outer region of the first bonding glass as viewed from the normal direction to the one surface, and a part or all of the outer edge portion of the sensor chip is the first bonding glass. And the second bonded glass are arranged so as to overlap the bonded interface (33), the first bonded glass has a thermal expansion coefficient larger than that of the second bonded glass, and the thermal expansion coefficient of the metal stem. The second bonded glass is smaller and is disposed outside the outer region of the first bonded glass that overlaps the outer edge of the sensor chip when viewed from the normal direction, and is formed so as to surround the first bonded glass. The thermal expansion coefficient of the second bonding glass is equal to or higher than the thermal expansion coefficient of the sensor chip.
これにより、センサチップおよび接合ガラスを薄肉化しつつも、接合ガラスに発生するせん断応力が緩和されることで、センサチップや接合ガラスの剥離や割れ亀裂を抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。 This makes it possible to suppress peeling and cracking of the sensor chip and the bonding glass by reducing the shear stress generated in the bonding glass while reducing the thickness of the sensor chip and the bonding glass, and a pressure sensor with high bonding reliability. It becomes.
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の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
第1実施形態にかかる圧力センサについて説明する。なお、本実施形態の圧力センサは、例えば、自動車における燃料噴射用の燃料パイプの燃料圧やブレーキ液圧の検出用のように、高圧、例えば200〜300MPa程度の圧力検出を行う製品に適用されると好適である。
(First embodiment)
The pressure sensor according to the first embodiment will be described. The pressure sensor of the present embodiment is applied to a product that detects a high pressure, for example, about 200 to 300 MPa, for example, for detecting the fuel pressure or the brake fluid pressure of a fuel pipe for fuel injection in an automobile. It is preferable.
図1に示されるように、圧力センサは、金属ステム10、ハウジング20、接合ガラス30、センサチップ40、回路基板50、リード60、61、コネクタ70およびターミナル71などによって構成されている。
As shown in FIG. 1, the pressure sensor includes a
金属ステム10は、SUS430、SUS630、SUS304のようなステンレス鋼等の金属によって構成され、有底筒状部材とされている。金属ステム10の底面にて薄肉のダイヤフラム11が構成されており、金属ステム10のうちダイヤフラム11と反対側の他端部が中空の開口部12とされている。開口部12から形成された中空の内部空間13は円柱形状とされており、ダイヤフラム11の上面形状が円形状となっている。
The
また、金属ステム10は、ダイヤフラム11側の方が開口部12側に比べて外周径が大きくなるようにフランジ形状とされた底部14が形成されている。この底部14のうち開口部12と反対側の面を一面10aとして、一面10aの上に、接合ガラス30を介してセンサチップ40が配置されると共に、接合ガラス30およびセンサチップ40の周囲に回路基板50が配置されている。より詳しくは、底部14のうちダイヤフラム11と対応する位置に接合ガラス30を介してセンサチップ40が接合され、ダイヤフラム11の周囲の部分に回路基板50が固定されている。そして、開口部12を通じて導入される圧力媒体の圧力がダイヤフラム11における受圧面に印加され、その圧力に応じた歪みが接合ガラス30を介してセンサチップ40に伝えられるようになっている。
Further, the
さらに、底部14のうち回路基板50と対応する位置には凹部15が形成されており、当該凹部15内に、回路基板50を貫通するように設けられたリード60の先端が入り込んでいる。この凹部15内には図示しない接着剤等が充填されており、この接着剤を介して回路基板50が底部14に貼り付けられている。
Further, a recess 15 is formed at a position corresponding to the
ハウジング20は、例えば図示しない燃料パイプなどの被取付対象に直接取り付けられるもので、外周面に取付用のネジ21が形成されている。このネジ21の部分を例えば燃料パイプに螺合することによって開口部12が燃料パイプ内と連通して、金属ステム10への圧力媒体の導入が可能となる。
The
ハウジング20の内部には、金属ステム10の一部が嵌め込まれる中空部22と、センサチップ40などが収容される収容空間23とが形成されている。収容空間23の径は、中空部22の径よりも大きくされている。そして、上記した金属ステム10は、底部14よりも開口部12側の部分が中空部22に嵌め込まれることでハウジング20に固定されている。収容空間23には、底部14に加えて、接合ガラス30やセンサチップ40および回路基板50などが収容されている。
Inside the
また、ハウジング20のうちネジ21と反対側には、ハウジング20の内径が拡大されることで構成された第1段付部24と、更にハウジング20の内径が拡大されることで構成された第2段付部25が形成されている。第1段付部24に当接するようにシール部材26が配置され、シール部材26に当接するようにコネクタ70が配置されている。シール部材26は、ゴムで構成されたOリング26aと樹脂もしくは金属で構成された環状部26bとを有した構成とされている。そして、コネクタ70がOリング26aを押圧するようにしてハウジング20に固定されることで、ハウジング20とコネクタ70との間のシール性が確保されている。
Further, on the opposite side of the
さらに、ハウジング20のうちネジ21の反対側の先端部27が径方向内方にかしめられていることで、このかしめによってコネクタ70が先端部27に固定されている。
Further, the
なお、本実施形態では、ハウジング20を金属ステム10と別体のもので構成した場合を示してあるが、金属ステム10とハウジング20とを1部材で構成することもできる。例えば、1本の金属材料を用意し、切削加工を行うことによって、金属ステム10とハウジング20とを一体構造としたものを作製することも可能である。
In the present embodiment, the case where the
接合ガラス30は、センサチップ40を金属ステム10に対して接合するための接合材に相当する。接合ガラス30は、例えば酸化物からなるガラス質を母材として構成されている。このような材料としては、酸化鉛(PbO)、酸化ホウ素(B2O3)、アルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)などが挙げられる。これらの中でも、鉛を含むガラス質である酸化鉛については、流動性があり、金属ステム10とセンサチップ40との線膨張係数差に基づく熱膨張の制御を行うのに適していることから、接合ガラス30に好適な材料である。
The
また、接合ガラス30は、フィラーを含有していても良い。フィラーとしては、ガラス質のガラス転位温度でも形状変化が無い材料で構成され、例えば鉛、チタン、カルシウム、ジルコニウムおよびシリコンのうちの1種もしくは複数種の元素を含む金属酸化物を粒子状としたものを用いることができる。フィラーの粒径については任意であるが、20μm以下のものであると好ましい。なお、上記のようなフィラーを無機ガラスに含有させることにより、接合ガラス30の熱膨張係数を任意の値に調整することもできる。
Moreover, the
接合ガラス30は、熱膨張係数が異なる第1接合ガラス31と第2接合ガラス32とを有してなる。具体的には、第1接合ガラス31は、例えば図2に示すようにセンサチップ40の下部に配置され、センサチップ40を金属ステム10に対して接合させるための接合材である。第2接合ガラス32は、図3に示すように、金属ステム10の一面10aに対する法線方向(以下「一面法線方向」という)から見て、第1接合ガラス31を囲むようにこれに接して配置され、第1接合ガラス31の応力を緩和するためのものである。これらの具体的な配置や熱膨張係数等については、後ほど詳しく説明する。
The
第1接合ガラス31および第2接合ガラス32は、例えば上記のようなガラス質に溶媒を加えてなるペースト状ガラスを素材とし、このペーストを固化させてなる。例えば、ダイヤフラム11が形成された金属ステム10の一面10a上に第1接合ガラス31の材料に溶媒を加えてペースト状にしたペースト状ガラスをディスペンサーで略四角形状となるように塗布する。続けて、第2接合ガラス32の材料に溶媒を加えてペースト状にしたペースト状ガラスを、例えば第1接合ガラス31となるペースト状ガラスを囲みつつ、全体で一つの円となるように金属ステム10の一面10a上にディスペンサーで塗布する。
The
そして、例えば四角形状とされたセンサチップ40をその外郭と略四角形状とされた第1接合ガラス31となるペースト状ガラスの外郭とが重なるように配置する。その後、例えば、加熱炉にて440℃で10分間の加熱を行い、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の材料を加熱溶融し、その後自然冷却して固化する。このようにして、図3に示すようにセンサチップ40を接合することができる。
Then, for example, the
なお、上記ではハウジング20に固定される前の金属ステム10に接合ガラス30の材料を塗布する例を説明したが、ハウジング20に固定された後の金属ステム10やハウジング20と一体化された金属ステム10に接合ガラス30の材料を塗布してもよい。
In addition, although the example which apply | coats the material of the joining
センサチップ40は、開口部12から金属ステム10の内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイヤフラム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。具体的には、センサチップ40には、図2に示すように、ダイヤフラム11の歪みに応じた電気出力をセンサ信号として出力する歪検出素子としての歪検出部41が形成されている。例えば、センサチップ40は、本実施形態では、四角形状とされたシリコン基板によって構成されている。歪検出部41は、例えばセンサチップ40に形成された拡散抵抗によって構成され、4つのゲージ抵抗でホイートストンブリッジ回路が形成されたものとされている。
The
このような構成とされたセンサチップ40において、圧力印加に伴ってダイヤフラム11が変形すると、それに基づく歪みにより、ホイートストンブリッジ回路を構成する4つのゲージ抵抗のうち一方の対向する1組については圧縮応力が加わる。そして、残る他方の対向する1組については引張応力が加わる。これにより、ゲージ抵抗が構成するホイートストンブリッジ回路の中点電圧が変化するため、歪検出部41では、印加された圧力を電気信号に変換した電気出力をすることが可能となっている。
In the
なお、センサチップ40の所望箇所と回路基板50の所望箇所とがボンディングワイヤ42を介して電気的に接続されており、例えば歪検出部41の電気出力が回路基板50に伝えられる。また、センサチップ40に、歪検出部41の電気出力を信号処理する信号処理回路を備えることもできる。その場合、回路基板50には、歪検出部41の電気出力が信号処理回路で処理されてから回路基板50に対して出力される。
In addition, the desired location of the
回路基板50は、接着剤などを介して金属ステム10の底部14に固定されている。例えば、回路基板50は、ダイヤフラム11と対応する部分が開口させられた円環板状もしくはC字形板状などによって構成されている。そして、回路基板50には、ボンディングワイヤ42と電気的に接続される図示しない複数のパッドが形成されている。また、回路基板50には複数本のリード60が実装されており、複数のパッドのそれぞれに各リード60が電気的に接続されている。
The
なお、この回路基板50に対して、歪検出部41の電気出力を信号処理する信号処理回路等が形成されたICチップ等を配置することもできる。この場合、歪検出部41の電気出力がICチップ内の信号処理回路で信号処理されたのち、リード60などを通じて外部に出力されることになる。
Note that an IC chip or the like on which a signal processing circuit or the like that performs signal processing on the electrical output of the
リード60は、回路基板50を通じてセンサチップ40との電気的接続を行うための導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード60は、複数本備えられ、それぞれ回路基板50に対して立設されており、その一端が回路基板50の各パッドに対して電気的に接続され、他端がリード61に電気的に接続されている。
The
リード61は、リード60とターミナル71とを物理的および電気的に接続する導体部材であり、例えば銅などの金属によって構成されている。リード61は、リード60と対応して複数本備えられており、それぞれが各リード60に対して例えば溶接などによって接続されている。
The lead 61 is a conductor member that physically and electrically connects the
コネクタ70は、ターミナル71がコネクタケース72にインサート成形された部材である。ターミナル71は、リード60、61を介して回路基板50やセンサチップ40に電気的に接続されている。これにより、センサチップ40からの電気出力は、必要に応じて信号処理回路で信号処理されたのち、ボンディングワイヤ42から回路基板50に伝えられ、リード60、61およびターミナル71に伝えられるようになっている。
The
また、コネクタ70は、コネクタケース72のうちターミナル71の他端が突き出した側の面を下面として、当該下面をシール部材26側に押圧した状態でハウジング20の先端部27がかしめられることで、ハウジング20に固定保持されている。なお、ターミナル71は、図1では2本示されているが、実際には、電源印加用、GND接続用、出力用、検査用等のために必要な本数が備えられている。そして、コネクタ70に対して、自動車のECUなどに繋がる配線に接続された図示しない外部コネクタを接続することで、圧力センサの検出信号がECUなどに伝達されるようになっている。
Further, the
コネクタケース72は、コネクタ70の外形を成すものであり、例えばPBT(ポリブチレンテレフタレート樹脂の略)等によって構成されている。コネクタケース72は、下面がフランジ形状を成しており、このフランジ形状とされた部分がシール部材26と当接するようにしてハウジング20の先端部27の内側に挿入され、かしめられた先端部27によってハウジング20に固定保持される。つまり、コネクタケース72は、ハウジング20に組み付けられるパッケージを構成するものであり、ハウジング20に収容されたセンサチップ40や電気的接続箇所等を湿気や機械的外力より保護する機能を果たす。
The
以上が本実施形態における圧力センサの基本的な構成である。次に、圧力センサにおける金属ステム10、第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40の熱膨張係数について、具体的に述べる。
The above is the basic configuration of the pressure sensor in the present embodiment. Next, the thermal expansion coefficients of the
例えば、SUS430により構成された金属ステム10の熱膨張係数は、20℃〜300℃の範囲内において110×10−7/℃程度である。また、例えば、主にシリコンからなるセンサチップ40の熱膨張係数は、20℃〜300℃の範囲内において30×10−7/℃程度である。
For example, the thermal expansion coefficient of the
また、本実施形態では、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の熱膨張係数は、センサチップ40の熱膨張係数以上、かつ金属ステム10の熱膨張係数以下とされている。より具体的には、第1接合ガラス31の熱膨張係数については、第2接合ガラス32の熱膨張係数よりも大きく、第2接合ガラス32に比べて金属ステム10の熱膨張係数に近い数値とされていることが好ましい。このような第1接合ガラス31の熱膨張係数としては、例えば20℃〜300℃の範囲内において55×10−7〜65×10−7/℃程度が挙げられる。また、第2接合ガラス32の熱膨張係数については、第1接合ガラス31に比べてセンサチップ40の熱膨張係数に近い数値、例えば20℃〜300℃の範囲内において30×10−7〜40×10−7/℃程度とされることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the thermal expansion coefficients of the
なお、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の熱膨張係数については、上記のような大小関係とされていればよく、上記の具体的な数値範囲に限定されるものではない。また、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の厚みをセンサチップ40の厚みに対応して変更した場合であっても、2つの接合ガラスの熱膨張係数を上記の大小関係となるように適宜調整すればよい。また、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32を上記のように調整する理由については、次に説明する第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40の配置関係にて述べる。
In addition, about the thermal expansion coefficient of the
次に、圧力センサにおける第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40の配置関係およびこれによる効果について、図2、図3を参照して具体的に述べる。
Next, the positional relationship of the
本実施形態では、図2もしくは図3に示すように、金属ステム10の一面10a上のうち図3に二点鎖線で示したセンサチップ40の下部領域に、一面法線方向から見てセンサチップ40と同じ面積とされた第1接合ガラス31が配置されている。第2接合ガラス32は、一面法線方向から見て、四角形状とされた第1接合ガラス31の四辺に接して配置されている。具体的には、4つの円弧形状とされた第2接合ガラス32は、図3に示すように、四角形状とされた第1接合ガラス31の四辺に接して1つずつ配置されている。つまり、第2接合ガラス32は、4つの第2接合ガラス32の円弧部分を繋ぐと、四角形状とされたセンサチップ40の角部すべてを通る外接円となるように配置されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2 or FIG. 3, the sensor chip as viewed from the normal direction of the one surface is formed in the lower region of the
言い換えると、センサチップ40は、本実施形態では、一面法線方向から見て、センサチップ40の外縁部が、第1接合ガラス31と第2接合ガラス32とが接合された界面である接合界面33とすべて重なるように配置されている。
In other words, in the present embodiment, the
なお、ここでいう「センサチップ40の外縁部が接合界面33と重なっている」とは、一面法線方向から見て、これらが完全に重なっている状態のみを意味するのではない。すなわち、部材の加工等による寸法誤差や工程による誤差などの不可避の誤差要因によって、センサチップ40の外縁部と接合界面33との間に位置ズレが生じている状態をも含む意味である。
Here, “the outer edge portion of the
次に、上記のような熱膨張係数とされた第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40をこのような配置関係とする理由について説明する。
Next, the reason why the
従来より、金属ステム上に1つの接合ガラスを介して1つのセンサチップが接合された圧力センサが知られており、当該1つの接合ガラスの熱膨張係数を所定の範囲内に制御することにより接合の信頼性を高めていた。具体的には、例えばSUS430からなる金属ステムと主にシリコンからなるセンサチップとを接合ガラスにより接合すると共に、接合ガラスの熱膨張係数を両者の熱膨張係数の間となるように調整していた。これにより、例えば冷熱サイクルにおける金属ステムとセンサチップとの熱膨張・収縮における応力を接合ガラスにより緩和することができ、接合ガラスやセンサチップの割れ亀裂の発生などを抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。 Conventionally, a pressure sensor in which one sensor chip is bonded to a metal stem via one bonding glass is known, and bonding is performed by controlling the thermal expansion coefficient of the one bonding glass within a predetermined range. The reliability of was improved. Specifically, for example, a metal stem made of SUS430 and a sensor chip mainly made of silicon are bonded with bonding glass, and the thermal expansion coefficient of the bonding glass is adjusted to be between the two. . As a result, for example, stress in the thermal expansion / contraction between the metal stem and the sensor chip in the thermal cycle can be relaxed by the bonding glass, and the occurrence of cracks and cracks in the bonding glass and the sensor chip can be suppressed. It becomes a high pressure sensor.
ここで、近年、圧力センサの高感度化、軽量化、小型化などの要求が高まっており、接合ガラスやセンサチップの薄肉化が検討されている。しかし、本発明者らが、金属ステム上に薄肉化した接合ガラスを介して加工限界近くまで薄肉化したセンサチップの接合を試みたところ、ガラス接合時に発生する熱応力にセンサチップが耐えられず、センサチップに割れ亀裂が発生することが判明した。また、特許文献1の接合ガラスを用いると、少なくとも3つの熱膨張係数の異なるガラスを積層方向にて一体化する必要がある。そのため、接合ガラスの厚みが厚くなってしまい、金属ステムに形成されたダイヤフラムの歪みの伝達効率が下がってしまうため、高感度化が難しい。 Here, in recent years, demands for higher sensitivity, lighter weight, and smaller size of pressure sensors are increasing, and thinning of bonded glass and sensor chips is being studied. However, the present inventors tried to join the sensor chip thinned to near the processing limit through the thinned joining glass on the metal stem, and the sensor chip could not withstand the thermal stress generated during glass joining. It was found that cracks occurred in the sensor chip. Further, when the bonding glass of Patent Document 1 is used, it is necessary to integrate at least three glasses having different thermal expansion coefficients in the laminating direction. For this reason, the thickness of the bonding glass is increased, and the transmission efficiency of the distortion of the diaphragm formed on the metal stem is lowered, so that it is difficult to increase the sensitivity.
そこで、本発明者らは、鋭意検討の結果、1つの接合ガラスを用いてセンサチップを金属ステムに接合しつつ、これと異なる熱膨張係数を有する他の接合ガラスを当該1つの接合ガラスを囲む配置とすることで、薄肉化と接合信頼性とを両立できることを見出した。 Therefore, as a result of intensive studies, the inventors of the present invention have used one bonding glass to bond the sensor chip to the metal stem and surround another bonding glass having a different thermal expansion coefficient around the one bonding glass. It has been found that the arrangement can achieve both thinning and bonding reliability.
具体的には、1つの接合ガラスでセンサチップを金属ステムに接合する場合、当該接合ガラスによるセンサチップの接合工程において当該接合ガラスに熱応力が生じる。このとき、接合ガラスの熱応力は、動きシロの少ない中心部分よりも動きシロの多い外郭領域のほうが大きくなる。そこで、センサチップ40を金属ステム10上に接合する第1接合ガラス31よりも熱膨張係数の小さい第2接合ガラス32を第1接合ガラス31に接しつつ、これを囲むように配置する。これにより、第1接合ガラス31のうち外郭領域が第2接合ガラス32によりその動きが制限されるため、第1接合ガラス31のうち外郭領域における熱応力を緩和でき、センサチップ40にかかるせん断応力を緩和できると考えられる。また、第1接合ガラス31の熱膨張係数を第2接合ガラス32よりも金属ステム10寄りの値に調整することにより、第1接合ガラス31と金属ステム10との間の剥離を抑制できる。そのため、センサチップ40を加工限界近くまで薄肉化しつつも、第1接合ガラス31による応力によるセンサチップ40の割れ亀裂を抑制でき、接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
Specifically, when the sensor chip is bonded to the metal stem with one bonded glass, thermal stress is generated in the bonded glass in the bonding process of the sensor chip with the bonded glass. At this time, the thermal stress of the bonding glass is larger in the outer region where there is more movement than in the central portion where there is less movement. Therefore, the
このような理由により、本実施形態では、第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40の配置関係は、上記のようなものとされている。また、第1接合ガラス31の一面法線方向から見た面積(以下単に「面積」という)については、第1接合ガラス31の外郭領域がセンサチップ40の外縁部とすべて重なるように配置されているため、本実施形態では、センサチップ40の面積と同じになっている。また、第2接合ガラス32の面積については、第1接合ガラス31の熱応力を緩和することができればよいため、任意である。
For this reason, in the present embodiment, the arrangement relationship of the
次に、本実施形態の圧力センサにおける接合の信頼性評価の結果について、図4に示す各実施例および各比較例を参照して述べる。 Next, the result of the joint reliability evaluation in the pressure sensor of the present embodiment will be described with reference to each example and each comparative example shown in FIG.
図4は、熱膨張係数の異なる第1接合ガラス31と第2接合ガラス32とにより接合ガラス30が構成とされた複数の実施例と1つの熱膨張係数の材料により接合ガラス30が構成された複数の比較例について、信頼性試験を行った結果を示している。信頼性試験としては冷熱サイクル試験を行った後、第1接合ガラス31やセンサチップ40に剥離や割れ亀裂が生じていないか目視で確認を行った。冷熱サイクル試験については、160℃に加熱して5分間保持した後、−40℃に冷却して5分間保持する冷熱工程を200サイクル繰り返している。
In FIG. 4, the bonded
なお、図4中に接合ガラス30やセンサチップ40の剥離・割れ亀裂の有無について示してある。ここで、割れ亀裂が「なし」とは、目視確認において割れや亀裂が確認できないことを意味しており、信頼性に影響を与えない程度の小さな亀裂まで完全に存在していないことを意味しているのではない。「部材の厚さ」とは、センサチップ40、第1接合ガラス31もしくは第2接合ガラス32の一面法線方向における厚みをいう。比較例1〜6における第2接合ガラスの熱膨張係数の欄における「−」とは、各比較例では全体で1つの同一の熱膨張係数のガラスにより接合ガラス30を構成し、その熱膨張係数を第1接合ガラスの欄に記載したため、数値を省略したものである。また、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の熱膨張係数は、20℃〜300℃の範囲内における数値を示している。
In FIG. 4, the presence or absence of peeling / cracking cracks of the
また、図4に示した各実施例および各比較例では、4.2mm角サイズとしたセンサチップ40を用いた。図4に示した各実施例では、金属ステム10、第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40を図2もしくは図3に示す配置とした。すなわち、各実施例では、第1接合ガラス31が、センサチップ40と同じく4.2mm角サイズとされ、一面法線方向から見て、第1接合ガラス31の外郭線がセンサチップ40の外縁部とすべて重なるように配置されている。また、各実施例では、第2接合ガラス32が、一面法線方向から見て、第1接合ガラス31を囲みつつ、第1接合ガラス31と第2接合ガラス32とでセンサチップ40の4つの角すべてを通る一つの外接円となるように配置されている。一方、各比較例では、センサチップ40がこれと同じ面積の第1接合ガラス31で接合しただけのものとされており、各実施例のように第2接合ガラス32が形成されていない。
In each example and each comparative example shown in FIG. 4, a
図4に示すように、熱膨張係数の異なる第1接合ガラス31と第2接合ガラス32とにより接合ガラス30が構成された実施例1〜21では、接合ガラス30での割れ亀裂や接合ガラス30と金属ステム10もしくはセンサチップ40との間の剥離が発生しなかった。
As shown in FIG. 4, in Examples 1 to 21 in which the bonded
具体的には、実施例1〜9では、センサチップ40の厚みが90μmとされている。そして、実施例1〜9では、第1接合ガラス31の熱膨張係数については金属ステム10寄りの55×10−7〜65×10−7/℃とされ、第2接合ガラス32の熱膨張係数についてセンサチップ40寄りの30×10−7〜40×10−7/℃とされている。また、実施例1〜9では、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の厚みが300μmから200μmまで段階的に薄くされている。このような実施例1〜9については、冷熱サイクル試験後であっても金属ステム10からセンサチップ40までの間での剥離や割れ亀裂が発生しなかった。
Specifically, in Examples 1 to 9, the thickness of the
また、実施例10〜21では、センサチップ40の厚みが50μmへとさらに薄くされている。そして、実施例10〜21では、第1接合ガラス31の熱膨張係数については金属ステム10寄りの55×10−7〜65×10−7/℃とされ、第2接合ガラス32の熱膨張係数についてはセンサチップ40寄りの30×10−7〜40×10−7/℃とされている。また、実施例10〜21では、第1接合ガラス31および第2接合ガラス32の厚みが150μmから50μmまで段階的に薄くされている。このような実施例10〜21についても、冷熱サイクル試験後であっても金属ステム10からセンサチップ40までの間での剥離や割れ亀裂が発生しなかった。
In Examples 10 to 21, the thickness of the
これらの結果は、センサチップ40を金属ステム10寄りの熱膨張係数を有する第1接合ガラス31で接合しつつ、第1接合ガラス31をセンサチップ40寄りの熱膨張係数を有する第2接合ガラス32で囲むことで、接合の信頼性が高くなることを示している。
These results indicate that the
これに対して、1つの熱膨張係数の材料により接合ガラス30が構成された比較例1〜6については、いずれも接合ガラス30での割れ亀裂または接合ガラス30と金属ステム10もしくはセンサチップ40との間で剥離が発生した。
On the other hand, as for Comparative Examples 1 to 6 in which the
具体的には、比較例1、2のように接合ガラス30の熱膨張係数をセンサチップ40寄りの30×10−7/℃に調整した場合、金属ステム10と接合ガラス30との間で剥離が発生した。これは、金属ステム10とセンサチップ40に接合されている接合ガラス30との間の熱膨張係数差が大きく、当該界面に生じる熱応力に接合ガラス30が追従できなかったためであると考えられる。
Specifically, when the coefficient of thermal expansion of the
比較例3、4のように接合ガラス30の熱膨張係数をセンサチップ40からやや金属ステム10寄りの50×10−7/℃に調整した場合、接合ガラス30に亀裂が生じた。これは、接合ガラス30と金属ステム10もしくはセンサチップ40との間の熱膨張係数差が緩和され、これらの界面における剥離が抑制されるものの、接合ガラス30が熱応力により自身に生じるせん断応力に耐えきれなかったためであると考えられる。
When the thermal expansion coefficient of the
比較例5、6のように接合ガラス30の熱膨張係数を金属ステム10寄りの65×10−7/℃に調整した場合、接合ガラス30とセンサチップ40との間で剥離が発生した。これは、センサチップ40と金属ステム10に接合されている接合ガラス30との間の熱膨張係数差が大きく、当該界面に生じる熱応力に接合ガラスが追従できなかったためであると考えられる。
When the thermal expansion coefficient of the
すなわち、図4に示した各比較例の結果は、薄肉化したセンサチップを1つの接合ガラスで接合しただけの場合、接合ガラスと金属ステムもしくはセンサチップとの界面または接合ガラスの層内に生じる熱応力の制御による信頼性確保が困難であることを示している。 That is, the result of each comparative example shown in FIG. 4 occurs at the interface between the bonding glass and the metal stem or the sensor chip or in the layer of the bonding glass when the thinned sensor chip is only bonded with one bonding glass. This indicates that it is difficult to ensure reliability by controlling thermal stress.
このようにセンサチップ40を金属ステム10寄りの熱膨張係数を有する第1接合ガラス31で接合しつつ、第1接合ガラス31をセンサチップ40寄りの熱膨張係数を有する第2接合ガラス32で囲む構造を備える圧力センサとする。これにより、薄肉化された接合ガラス30およびセンサチップ40を用いた場合であっても、金属ステム10からセンサチップ40までの間の接合の信頼性の高い圧力センサとなる。
In this manner, the
また、接合ガラス30が薄肉化されることにより、金属ステム10に形成されたダイヤフラム11の歪みを精度良く検出ことが可能となるため、高感度の圧力センサとなる。加えて、接合ガラス30およびセンサチップ40の薄肉化により、高感度の圧力センサとなることで、センサチップ40の必要なサイズおよびこれに付随する接合ガラス30のサイズをさらに小さくでき、小型化、軽量化された圧力センサとなる。そして、高感度化、小型化、軽量化されることで製造コストの少ない圧力センサとなる。
Further, since the
(第2実施形態)
第2実施形態の圧力センサについて、図5、図6を参照して説明する。本実施形態の圧力センサは、図5に示すように、第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40の配置を変更した点で、上記第1実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点を主に説明する。
(Second Embodiment)
A pressure sensor according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 5, the pressure sensor of the present embodiment is different from the first embodiment in that the arrangement of the first bonded
第1接合ガラス31は、本実施形態では、一面法線方向から見て、図5に示すように四角形状とされたセンサチップ40の外縁部のうち角部のすべてを通る外接円の形状とされている。そして、第2接合ガラス32は、本実施形態では、一面法線方向から見て、図5に示すように第1接合ガラス31の外郭領域すべてに接しつつ、これを囲む枠体円形状とされている。
In the present embodiment, the
すなわち、センサチップ40は、図5に示すように、一面法線方向から見て、二点鎖線で示したセンサチップ40の外縁部のうち角部のすべてが接合界面33と重なるように配置されている。そのため、センサチップ40の対角線上における断面構成については、上記第1実施形態の図2と同じとなるが、図5の一点鎖線VI−VI間の断面構成については図6に示すように、第1接合ガラス31がセンサチップ40の外縁部から外側にはみ出すこととなる。
That is, as shown in FIG. 5, the
なお、センサチップ40は、一面法線方向から見て、その角部のすべてが接合界面33と重なるように配置されることが好ましく、上記第1実施形態のように、その外縁部がすべて接合界面33と重なるように配置されることがより好ましい。上記第1実施形態で説明したのと同様に、第1接合ガラス31の外郭領域においてセンサチップ40にかかるせん断応力を緩和できるためである。
Note that the
また、センサチップ40は、一面法線方向から見て、第1接合ガラス31の外郭領域内に収まるように配置されることが好ましい。センサチップ40が第2接合ガラス32上にはみ出すように配置されると、センサチップ40のうち接合界面33上の領域にて第1接合ガラス31と第2接合ガラス32との熱膨張係数差による熱応力差が生じ、割れ亀裂等の不具合が生じ得るためである。
In addition, the
このようにセンサチップ40が例えば四角形状とされている場合において、その角部のすべてを第1接合ガラス31と第2接合ガラス32との接合界面33上に配置する。これにより、センサチップ40の割れ亀裂が発生しやすいと思われる角部が、第2接合ガラス32により第1接合ガラス31の熱応力が緩和された外郭領域に配置されることとなる。その結果、センサチップ40にかかる第1接合ガラス31による熱応力やせん断応力が緩和され、金属ステム10からセンサチップ40までの間における接合の信頼性の高い圧力センサとなる。また、上記第1実施形態と同様の理由により第1接合ガラス31、第2接合ガラス32およびセンサチップ40を薄肉化できるため、高感度化、小型化、軽量化された圧力センサとなる。
In this way, when the
(他の実施形態)
なお、上記した第1実施形態に示した圧力センサは、本発明の圧力センサの一例を示したものであり、上記の第1実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The pressure sensor shown in the first embodiment described above is an example of the pressure sensor of the present invention, and is not limited to the first embodiment described above, but is described in the claims. Changes can be appropriately made within the range.
例えば、上記各実施形態では、センサチップ40を四角形状とした例について述べたが、センサチップ40は、四角形状に限らず、多角形状や円形状、楕円形状にされていてもよく、他の形状とされていてもよい。
For example, in each of the above embodiments, the example in which the
この場合、第1接合ガラス31については、一面法線方向から見てセンサチップ40と同じ形状とされていてもよく、センサチップ40の外接円形状、外接楕円形状などの形状とされていてもよい。第2接合ガラス32については、第1接合ガラス31およびセンサチップ40の形状に合わせて任意の形状とされる。例えば、センサチップ40が正方形状とされ、第1接合ガラス31がこれと同じ面積の正方形状とされている場合には、図7に示すように第1接合ガラス31を囲む枠体正方形状とされていてもよい。また、センサチップ40が長方形状とされ、第1接合ガラス31がこれと同じ面積の長方形状とされている場合には、図8に示すように第1接合ガラス31を囲む枠体長方形状とされていてもよい。
In this case, the first bonded
また、第2接合ガラス32は、第1接合ガラス31の外郭領域を囲むように配置されていればよいため、第2接合ガラス32の外郭領域のうち第1接合ガラス31の反対側の外郭については、任意の形状とされていてよい。すなわち、第2接合ガラス32は、枠体矩形状、枠体円形状や枠体楕円状などに限られず、その他の形状にされていてもよい。
Moreover, since the 2nd joining
10 金属ステム
11 ダイヤフラム
20 ハウジング
30 接合ガラス
31 第1接合ガラス
32 第2接合ガラス
33 接合界面
40 センサチップ
41 歪検出部
70 コネクタ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
圧力検出用のダイヤフラム(11)が形成された一面(10a)を有する金属ステム(10)と、
前記一面のうち前記ダイヤフラム上に配置された第1接合ガラス(31)と第2接合ガラス(32)とを有してなる接合ガラス(30)と、
前記ダイヤフラム上に前記第1接合ガラスを介して接合され、前記ダイヤフラムの歪みに応じた電気出力を発生する歪検出部(41)を備えるセンサチップ(40)と、を備え、
前記一面に対する法線方向から見て、前記センサチップは、前記第1接合ガラスの外郭領域内に収まるように設けられると共に、前記センサチップの外縁部の一部または全部が前記第1接合ガラスと前記第2接合ガラスとが接合された接合界面(33)と重なるように配置され、
前記第1接合ガラスの熱膨張係数は、前記第2接合ガラスの熱膨張係数より大きく、かつ前記金属ステムの熱膨張係数より小さく、
前記第2接合ガラスは、前記法線方向から見て、前記第1接合ガラスの外郭領域のうち前記センサチップの外縁部と重なる領域の外側に配置され、前記第1接合ガラスを囲むように形成されており、
前記第2接合ガラスの熱膨張係数は、前記センサチップの熱膨張係数以上である圧力センサ。 A pressure sensor that generates an electrical output in response to an applied pressure,
A metal stem (10) having one surface (10a) on which a pressure detection diaphragm (11) is formed;
A bonded glass (30) comprising a first bonded glass (31) and a second bonded glass (32) disposed on the diaphragm of the one surface;
A sensor chip (40) including a strain detection unit (41) that is bonded onto the diaphragm via the first bonding glass and generates an electrical output corresponding to the distortion of the diaphragm;
The sensor chip is provided so as to be within the outer region of the first bonding glass when viewed from the normal direction to the one surface, and a part or all of the outer edge portion of the sensor chip is the first bonding glass. Arranged so as to overlap the bonded interface (33) bonded to the second bonded glass,
The thermal expansion coefficient of the first bonding glass is larger than the thermal expansion coefficient of the second bonding glass and smaller than the thermal expansion coefficient of the metal stem,
The second bonded glass is arranged outside the region overlapping the outer edge of the sensor chip in the outer region of the first bonded glass as viewed from the normal direction, and is formed so as to surround the first bonded glass. Has been
The pressure sensor, wherein a thermal expansion coefficient of the second bonding glass is equal to or higher than a thermal expansion coefficient of the sensor chip.
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