JP3918301B2

JP3918301B2 - Semiconductor pressure sensor

Info

Publication number: JP3918301B2
Application number: JP14140098A
Authority: JP
Inventors: 澄夫赤井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JPH11337431A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス台座を介してダイアフラムの形成された半導体基板とパッケージとを接合してなる半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業上の様々な分野で圧力センサが用いられている。中でも、信頼性、コスト、小型軽量化の点から車載関係や家電製品等において半導体圧力センサの使用が急増している。
【０００３】
この半導体圧力センサは、図４に示すように、ダイアフラム１１を形成したシリコンチップ（半導体基板）１の一方の面にピエゾ抵抗１２を形成した構造が使用される。このシリコンチップ１はガラス台座２を介してパッケージ３に接合される。シリコンチップ１とガラス台座２とは陽極接合により接合されており、ガラス台座２のシリコンチップ１との接合面と反対側の面とパッケージ３とはメタライズ層４を介して半田５により半田ろう接合されている。これらの接合により、物理的に強固な接合を得ることができる。なお、ガラス台座２にはダイアフラム１１に圧力を導入するための圧力導入孔２１が形成されている。
【０００４】
このような半導体圧力センサは、半田ろう接合に際し、ガラス台座２と半田５との接合部に必要な機械的強度に問題があった。つまり、ガラス台座２とパッケージ３との接合に使用される半田ろう接合は、２００℃〜３００℃において熱処理することによる接合技術であるので、半導体圧力センサの組み立てに適用した場合に、ガラス台座２と半田５の熱膨張係数の違いによって発生する応力により、圧力印加時にガラス台座２の圧力導入孔２１の近傍でクラックが発生し、ガラス台座２が破壊され、結果としてシリコンチップ１の破壊の原因となる。
【０００５】
このような問題を改善するために、特開平９−１０１２１９号公報に開示されているような構成、つまり、図５（ａ）に示すように、ガラス台座２のパッケージ３との接合面でかつ圧力導入孔２１の近傍に切り欠き２２を形成することにより、ガラス台座２の圧力導入孔２１の近傍のクラックの発生を防止することができる。また、図５（ｂ）に示すように、テーパー形状の切り欠き２３により、クラックの発生を防止することもできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような半導体圧力センサにあっては、クラックの発生の防止のためにはある程度の大きさの切り欠き２２、２３としなければならず、切り欠き２２、２３の形成に時間がかかったり、その形状に形成するのが難しいという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、容易な構成でガラス台座に発生するクラックの伝達を防止することのできる半導体圧力センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半導体圧力センサは、ダイアフラムを有する半導体基板と前記ダイアフラムに圧力を導入するための圧力導入孔が形成されたガラス台座とを接合し、該ガラス台座の前記半導体基板との接合面と反対側の面とパッケージとを半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、前記ガラス台座を２枚のガラス板を接合して構成するとともに前記パッケージ側のガラス板を前記半導体基板側のガラス板よりも強度の弱いガラスで形成し、ガラス台座のパッケージとの接合面でかつ圧力導入孔の近傍に、複数の切り欠きを形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２記載の半導体圧力センサは、請求項１記載の半導体圧力センサにおいて、前記パッケージ側のガラス板を前記半導体基板側のガラス板よりも薄く形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３記載の半導体圧力センサは、ダイアフラムを有する半導体基板と前記ダイアフラムに圧力を導入するための圧力導入孔が形成されたガラス台座とを接合し、該ガラス台座の前記半導体基板との接合面と反対側の面とパッケージとを半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、前記ガラス台座を２枚のガラス板を接合して構成するとともに前記パッケージ側のガラス板を前記半導体基板側のガラス板よりも薄く形成し、ガラス台座のパッケージとの接合面でかつ圧力導入孔の近傍に、複数の切り欠きを形成したことを特徴とするものである。
請求項４記載の半導体圧力センサは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体圧力センサにおいて、前記２枚のガラス板の接合面でかつ圧力導入孔の近傍に複数の切り欠きを形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づき説明する。図１は本発明の参考例に係る半導体圧力センサ及びその製造方法を示す工程図である。
【００１２】
本参考例の半導体圧力センサは、まず、図１（ａ）に示すように、表面を研磨したガラス台座２の所定位置に圧力導入孔２１を超音波加工等により形成した後、圧力導入孔２１の近傍に複数のスリット６１を形成したマスク材６によりパターニングを行い、エッチングにより、圧力導入孔２１の近傍に複数の切り欠き２４を形成する。これらの処理は、例えば、マスク材６にウレタン系樹脂を使用し、シリコンカーバイトやアルミナ砥粒を用いたサンドブラスト法により行う。この時、パターニングやエッチング処理の設定により、つまり、ウエットエッチングとドライエッチングの組み合わせ、等方性エッチングと異方性エッチングの組み合わせにより、複数の切り欠き２４を多方向に多数形成することが可能である。
【００１３】
次に、図１（ｂ）に示すように、ガラス台座２の切り欠き２４を形成した面にスパッタリング法または蒸着法によりメタライズ層４を形成する。
【００１４】
次に、図１（ｃ）に示すように、一方の面に拡散によりピエゾ抵抗１２を形成し、他方の面側に凹部を形成することによりダイアフラム１１を形成したシリコンチップ（半導体基板）１とガラス台座２のメタライズ層４の形成されていない面とを電圧（１０００Ｖ）を印加した陽極接合により接合する。
【００１５】
次に、図１（ｄ）に示すように、ガラス台座２のメタライズ層４の形成されている面側とパッケージ３とを半田５を用いて２００℃〜３００℃で半田ろう接合で接合することにより、半導体圧力センサが完成される。
【００１６】
本参考例の半導体圧力センサによれば、ガラス台座２のパッケージ３との接合面でかつ圧力導入孔２１の近傍に、複数の切り欠き２４が形成されているので、ガラス台座２の圧力導入孔２１の近傍のクラックの伝達が複数の切り欠き２４により防止されるので、ガラス台座２の破壊が防止される。また、複数の切り欠き２４を多方向に形成することにより、クラックの伝達防止効果をさらに高めることができる。
【００１７】
図２は本発明の第１の実施形態に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【００１８】
本実施形態の半導体圧力センサは、参考例の半導体圧力センサにおいて、同種のガラス板２ａ、２ｂを接合させてガラス台座２としたものである。この接合は、例えば、金属を介して陽極接合する等により行われる。ガラス板２ｂのメタライズ層４が形成される側の面の圧力導入孔２１の近傍に複数の切り欠き２４が形成される。また、ガラス板２ａ、２ｂの接合面の圧力導入孔２１の近傍にも複数の切り欠き２５が形成される。ここで、パッケージ３側のガラス板２ｂの厚みはなるべく薄くする方が良い。
【００１９】
本実施形態の半導体圧力センサによれば、参考例のものに対して、ガラス台座２の圧力導入孔２１の近傍に発生するクラックの伝達をガラス板２ａ、２ｂの接合面に形成した切り欠き２５によりさらに防止することができる。
【００２０】
図３は本発明の第２の実施形態に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【００２１】
本実施形態の半導体圧力センサは、参考例の半導体圧力センサにおいて、異種のガラス板２ｃ、２ｄを接合させてガラス台座２としたものである。例えば、パッケージ３側のガラス板２ｄの方に強度の比較的弱いものを用いる。異種のガラス板２ｃ、２ｄ間の接合は、例えば、金属を介して陽極接合する等により行われる。ガラス板２ｄのメタライズ層４が形成される側の面の圧力導入孔２１の近傍に複数の切り欠き２４が形成される。また、ガラス板２ｃ、２ｄの接合面の圧力導入孔２１の近傍にも複数の切り欠き２５が形成される。ここで、パッケージ３側のガラス板２ｄの厚みはなるべく薄くする方が良い。
【００２２】
本実施形態の半導体圧力センサによれば、参考例のものに対して、ガラス台座２の圧力導入孔２１の近傍のクラックの伝達をガラス板２ａ、２ｂの接合面に形成した切り欠き２５によりさらに防止することができる。また、ガラス板２ｂとして強度の比較的弱いものを使用しておけば、ガラス板２ｂが緩衝材となり、さらにクラックの伝達の防止効果を高めることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ダイアフラムを有する半導体基板と前記ダイアフラムに圧力を導入するための圧力導入孔が形成されたガラス台座とを接合し、該ガラス台座の前記半導体基板との接合面と反対側の面とパッケージとを半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、ガラス台座のパッケージとの接合面でかつ圧力導入孔の近傍に、複数の切り欠きを形成したので、ガラス台座の圧力導入孔の近傍のクラックの伝達が複数の切り欠きにより防止されることになり、複数の切り欠きの形成という簡単な構成により、クラックの伝達を防止し、ガラス台座の破壊を防止することのできる半導体圧力センサが提供できた。
【００２４】
また、前記ガラス台座を２枚のガラス板を接合して構成するとともに前記パッケージ側のガラス板として前記半導体基板側のガラス板よりも強度の比較的弱いものを使用しておけば、パッケージ側のガラス板が緩衝材となり、さらにクラックの伝達の防止効果を高めることができる。
なお、パッケージ側のガラス板を半導体基板側のガラス板よりも薄く形成する又はパッケージ側のガラス板を半導体基板側のガラス板よりも強度の弱いガラスで形成することで、パッケージ側のガラス板の強度を半導体側のガラス板の強度よりも弱くすることができる。
また、前記２枚のガラス板の接合面でかつ圧力導入孔の近傍に複数の切り欠きを形成すれば、クラックの伝達の防止効果をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体圧力センサの製造工程を示す模式図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図４】従来例に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図５】他の従来例に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１シリコンチップ
２ガラス台座
２ａ〜２ｄガラス台座
３パッケージ
４メタライズ層
５半田
６マスク材
２１圧力導入孔
２４切り欠き
２５切り欠き
６１スリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor pressure sensor in which a semiconductor substrate on which a diaphragm is formed and a package are joined via a glass pedestal.
[0002]
[Prior art]
In recent years, pressure sensors have been used in various industrial fields. Among them, the use of semiconductor pressure sensors has been rapidly increasing in in-vehicle relations and home appliances in terms of reliability, cost, and reduction in size and weight.
[0003]
As shown in FIG. 4, this semiconductor pressure sensor uses a structure in which a piezoresistor 12 is formed on one surface of a silicon chip (semiconductor substrate) 1 on which a diaphragm 11 is formed. The silicon chip 1 is bonded to the package 3 via the glass pedestal 2. The silicon chip 1 and the glass pedestal 2 are bonded by anodic bonding, and the surface of the glass pedestal 2 opposite to the bonding surface with the silicon chip 1 and the package 3 are solder brazed with the solder 5 via the metallized layer 4. Has been. By these joining, a physically strong joining can be obtained. The glass pedestal 2 is formed with a pressure introduction hole 21 for introducing pressure to the diaphragm 11.
[0004]
Such a semiconductor pressure sensor has a problem in mechanical strength necessary for the joint between the glass pedestal 2 and the solder 5 during solder brazing. That is, the solder brazing joint used for joining the glass pedestal 2 and the package 3 is a joining technique by heat treatment at 200 ° C. to 300 ° C. Therefore, when applied to the assembly of a semiconductor pressure sensor, the glass pedestal 2 Due to the stress generated by the difference between the thermal expansion coefficients of the solder 5 and the solder 5, a crack is generated in the vicinity of the pressure introducing hole 21 of the glass pedestal 2 when pressure is applied, and the glass pedestal 2 is destroyed, resulting in the destruction of the silicon chip 1 It becomes.
[0005]
In order to improve such a problem, the structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-101219, that is, as shown in FIG. By forming the notch 22 in the vicinity of the pressure introducing hole 21, it is possible to prevent the occurrence of cracks in the vicinity of the pressure introducing hole 21 of the glass pedestal 2. Further, as shown in FIG. 5B, the occurrence of cracks can be prevented by the tapered cutout 23.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor pressure sensor as described above, the cutouts 22 and 23 having a certain size must be formed in order to prevent the occurrence of cracks, and it takes time to form the cutouts 22 and 23. There is a problem that it is difficult to form the shape.
[0007]
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a semiconductor pressure sensor capable of preventing the transmission of cracks generated in a glass pedestal with an easy configuration. .
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a semiconductor substrate having a diaphragm and a glass pedestal formed with a pressure introduction hole for introducing pressure into the diaphragm are joined, and a joining surface of the glass pedestal to the semiconductor substrate is joined. In the semiconductor pressure sensor formed by soldering the surface opposite to the package and the package, the glass pedestal is formed by joining two glass plates and the glass plate on the package side is formed from the glass plate on the semiconductor substrate side. Is formed of glass having low strength , and a plurality of notches are formed in the vicinity of the pressure introduction hole on the joint surface with the package of the glass pedestal.
[0009]
The semiconductor pressure sensor according to claim 2 is characterized in that, in the semiconductor pressure sensor according to claim 1, the glass plate on the package side is formed thinner than the glass plate on the semiconductor substrate side .
[0010]
4. The semiconductor pressure sensor according to claim 3 , wherein a semiconductor substrate having a diaphragm and a glass pedestal having a pressure introducing hole for introducing pressure into the diaphragm are joined, and a joining surface of the glass pedestal to the semiconductor substrate is joined. In the semiconductor pressure sensor formed by soldering the surface opposite to the package and the package, the glass pedestal is formed by joining two glass plates and the glass plate on the package side is formed from the glass plate on the semiconductor substrate side. In addition, a plurality of notches are formed in the vicinity of the pressure introduction hole at the joint surface with the glass pedestal package .
A semiconductor pressure sensor according to a fourth aspect is the semiconductor pressure sensor according to any one of the first to third aspects, wherein a plurality of cuts are formed at the joint surface of the two glass plates and in the vicinity of the pressure introduction hole. It is characterized by forming a notch.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process diagram showing a semiconductor pressure sensor and a manufacturing method thereof according to a reference example of the present invention.
[0012]
In the semiconductor pressure sensor of this reference example , first, as shown in FIG. 1A, after a pressure introducing hole 21 is formed at a predetermined position of a glass pedestal 2 whose surface is polished by ultrasonic processing or the like, the pressure introducing hole 21 is formed. Then, patterning is performed with the mask material 6 in which a plurality of slits 61 are formed in the vicinity, and a plurality of notches 24 are formed in the vicinity of the pressure introducing hole 21 by etching. These processes are performed by, for example, a sand blast method using a urethane resin for the mask material 6 and using silicon carbide or alumina abrasive grains. At this time, it is possible to form a plurality of notches 24 in many directions by patterning and etching processing settings, that is, a combination of wet etching and dry etching, or a combination of isotropic etching and anisotropic etching. is there.
[0013]
Next, as shown in FIG. 1B, the metallized layer 4 is formed on the surface of the glass pedestal 2 where the notches 24 are formed by sputtering or vapor deposition.
[0014]
Next, as shown in FIG. 1C, a silicon chip (semiconductor substrate) 1 in which a piezoresistor 12 is formed by diffusion on one surface and a diaphragm 11 is formed by forming a recess on the other surface side. The surface of the glass pedestal 2 where the metallized layer 4 is not formed is bonded by anodic bonding to which a voltage (1000 V) is applied.
[0015]
Next, as shown in FIG. 1 (d), the surface of the glass pedestal 2 where the metallized layer 4 is formed and the package 3 are joined by solder brazing at 200 ° C. to 300 ° C. using solder 5. Thus, the semiconductor pressure sensor is completed.
[0016]
According to the semiconductor pressure sensor of the present reference example , the plurality of notches 24 are formed in the vicinity of the pressure introducing hole 21 at the joint surface of the glass pedestal 2 with the package 3, so that the pressure introducing hole in the glass pedestal 2 is formed. Since the transmission of cracks near 21 is prevented by the plurality of notches 24, the glass pedestal 2 is prevented from being broken. Further, by forming the plurality of notches 24 in multiple directions, the effect of preventing crack transmission can be further enhanced.
[0017]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
[0018]
The semiconductor pressure sensor of the present embodiment is the same as the semiconductor pressure sensor of the reference example , but the same type of glass plates 2a and 2b are joined to form the glass pedestal 2. This bonding is performed, for example, by anodic bonding through a metal. A plurality of notches 24 are formed in the vicinity of the pressure introducing hole 21 on the surface of the glass plate 2b on which the metallized layer 4 is formed. A plurality of notches 25 are also formed in the vicinity of the pressure introducing holes 21 on the joint surfaces of the glass plates 2a and 2b. Here, it is better to make the glass plate 2b on the package 3 side as thin as possible.
[0019]
According to the semiconductor pressure sensor of this embodiment, compared with the reference example , the notch 25 is formed in the joint surface of the glass plates 2a and 2b to transmit cracks generated in the vicinity of the pressure introducing hole 21 of the glass pedestal 2. Can be further prevented .
[0020]
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to the second embodiment of the present invention.
[0021]
The semiconductor pressure sensor of this embodiment is the same as the semiconductor pressure sensor of the reference example , except that different glass plates 2c and 2d are joined to form a glass pedestal 2. For example, a glass plate 2d on the package 3 side having a relatively weak strength is used. The bonding between the different types of glass plates 2c and 2d is performed by, for example, anodic bonding through a metal. A plurality of notches 24 are formed in the vicinity of the pressure introducing hole 21 on the surface of the glass plate 2d on the side where the metallized layer 4 is formed. A plurality of notches 25 are also formed in the vicinity of the pressure introducing hole 21 on the joint surface of the glass plates 2c and 2d. Here, it is better to make the glass plate 2d on the package 3 side as thin as possible.
[0022]
According to the semiconductor pressure sensor of the present embodiment, the crack transmission near the pressure introducing hole 21 of the glass pedestal 2 is further transmitted by the notch 25 formed on the joining surface of the glass plates 2a and 2b, compared to the reference example. Can be prevented . Further, if a glass plate 2b having a relatively low strength is used, the glass plate 2b serves as a cushioning material, and the effect of preventing crack transmission can be further enhanced.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention , a semiconductor substrate having a diaphragm and a glass pedestal having a pressure introduction hole for introducing pressure into the diaphragm are joined, and the glass pedestal is joined to the semiconductor substrate. In the semiconductor pressure sensor, which is formed by soldering the surface opposite to the surface and the package, a plurality of notches are formed in the vicinity of the pressure introduction hole at the surface where the glass pedestal is bonded to the package. The transmission of cracks in the vicinity of the introduction hole is prevented by a plurality of notches, and the simple configuration of forming a plurality of notches can prevent the transmission of cracks and prevent the glass pedestal from being broken. A semiconductor pressure sensor could be provided.
[0024]
Further, if the glass pedestal is constructed by joining two glass plates and a glass plate on the package side having a relatively weaker strength than the glass plate on the semiconductor substrate side is used, The glass plate serves as a buffer material, and the effect of preventing crack transmission can be further enhanced.
In addition, the glass plate on the package side is formed thinner than the glass plate on the semiconductor substrate side, or the glass plate on the package side is formed of glass having a lower strength than the glass plate on the semiconductor substrate side. The strength can be made lower than the strength of the glass plate on the semiconductor side.
Further, if a plurality of notches are formed in the vicinity of the pressure introducing hole at the joining surface of the two glass plates, the effect of preventing crack transmission can be further enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a manufacturing process of a semiconductor pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to a conventional example.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to another conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon chip 2 Glass base 2a-2d Glass base 3 Package 4 Metallization layer 5 Solder 6 Mask material 21 Pressure introduction hole 24 Notch 25 Notch 61 Slit

Claims

A semiconductor substrate having a diaphragm and a glass pedestal formed with a pressure introducing hole for introducing pressure to the diaphragm are joined, and the surface of the glass pedestal opposite to the joining surface with the semiconductor substrate is soldered to the package. In a semiconductor pressure sensor formed by bonding,
The glass pedestal is formed by joining two glass plates and the glass plate on the package side is formed of glass having a lower strength than the glass plate on the semiconductor substrate side,
A semiconductor pressure sensor characterized in that a plurality of notches are formed in the vicinity of a pressure introduction hole at a joint surface with a glass pedestal package.

2. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the glass plate on the package side is formed thinner than the glass plate on the semiconductor substrate side.

A semiconductor substrate having a diaphragm and a glass pedestal formed with a pressure introducing hole for introducing pressure to the diaphragm are joined, and the surface of the glass pedestal opposite to the joining surface with the semiconductor substrate is soldered to the package. In a semiconductor pressure sensor formed by bonding,
The glass pedestal is constructed by joining two glass plates and the glass plate on the package side is formed thinner than the glass plate on the semiconductor substrate side,
A semiconductor pressure sensor characterized in that a plurality of notches are formed in the vicinity of a pressure introduction hole at a joint surface with a glass pedestal package.

4. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein a plurality of cutouts are formed in the vicinity of the pressure introduction hole on the joining surface of the two glass plates. 5.