JP4163202B2

JP4163202B2 - 薄膜デバイス、薄膜デバイスモジュールおよびその形成方法

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Publication number: JP4163202B2
Application number: JP2005215884A
Authority: JP
Inventors: 茂庄司
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: US20070023751A1; US7355261B2; JP2007035851A

Description

本発明は、電気的または磁気的に機能する薄膜エレメントを有する薄膜デバイスおよびそれを備えた薄膜デバイスモジュールならびにその形成方法に関する。

一般に、半導体デバイスや磁気センサなどの機能膜を有する薄膜デバイスは、リードフレーム等の導電性基板上に接着剤によって取り付けられている。例えば図８に示したように、シリコン（Ｓｉ）などの導電性基体１２１の表面に絶縁膜１２２を介して機能膜１２３が形成されてなる薄膜デバイス１２０が、接着層１４０を介してリードフレーム１３０上に固定配置されている。ところが接着層１４０は通常、絶縁体であることから機能膜１２３に電荷が蓄積され易く、その表面の電位が瞬間的に上昇することとなる。特に、薄膜デバイス１２０が小型化するほど影響を受けやすく、リードフレーム１３０への僅かな電荷の印加によって例えば１００００Ｖ程度にまで上昇する場合がある。その場合、リードフレーム１３０の表面と機能膜１２３の表面との電位差により静電気放電（以下、ＥＳＤ（electro-static discharge）という）が発生することとなり、機能膜１２３の損傷や誤動作を招く結果となっていた。

一方、リードフレームと薄膜デバイスとの接続をするにあたり、絶縁性接着剤の代わりに導電性フィラーを混入した導電性接着剤を用いて薄膜デバイスをリードフレーム上に固定する方法が考えられる。こうすることにより、機能膜における電位の急激な上昇の抑制が期待できる。導電性接着剤としては、例えば特許文献１に開示されたような、１〜１０Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有するものを用いる。この方法によれば、薄膜デバイスの表面（機能膜）の電位をリードフレームの表面と同程度に低減し、かつ安定化することができる。
特許第２８９３７８２号公報

しかしながら、上記のような導電性接着剤を用いる方法では、ＥＳＤの抑制を図ることができるものの、リードフレームと薄膜デバイスとの間の絶縁破壊電圧については１ｋＶ程度が限度であった。ところが実装状態において、使用環境によってはリードフレームに１ｋＶ以上の高電圧が印加される場合もあるので、薄膜デバイスに十分な絶縁性が確保されているとは言い難い。したがって、リードフレームと薄膜デバイスとの間の絶縁破壊電圧のさらなる向上が望まれる。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、ＥＳＤによる損傷を受けにくく、かつ耐電圧特性にも優れ、安定動作が可能な薄膜デバイスおよびそれを備えた薄膜デバイスモジュールならびにその形成方法を提供することにある。

本発明の薄膜デバイスは、比抵抗が１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板と、この耐電圧基板の一面に導電性接着層を介して配置された薄膜エレメントとを有するものである。

本発明の薄膜デバイスでは、薄膜エレメントが、１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示すＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に導電性接着層を介して配置されているので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷は多量に蓄積されることなく導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に放電されることとなり、ＥＳＤが抑制される。その一方で、十分な絶縁破壊電圧についても確保される。

本発明の薄膜デバイスモジュールは、比抵抗が１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板と、この耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して配置された薄膜エレメントと、耐電圧基板における薄膜エレメントと反対側の面に第２の導電性接着層を介して配置された導電性基板とを備えるようにしたものである。

本発明の薄膜デバイスモジュールでは、薄膜エレメントが、１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示すＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して配置されているうえ、この耐電圧基板における反対側の面に第２の導電性接着層を介して導電性基板が配置されているので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷は多量に蓄積されることなく導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に放電されることとなり、ＥＳＤが抑制される。その一方で、導電性基板と薄膜エレメントとの間における十分な絶縁破壊電圧についても確保される。

本発明の薄膜デバイスモジュールの形成方法は、比抵抗が１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板を用意する工程と、この耐電圧基板の上に第１の導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置することにより薄膜デバイスを形成する工程と、この薄膜デバイスを、導電性基板上に第２の導電性接着層を介して配置する工程とを含むものである。

本発明の薄膜デバイスモジュールの形成方法では、１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示すＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置することにより薄膜デバイスを形成し、この薄膜デバイスを導電性基板上に第２の導電性接着層を介して配置するようにしたので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷は多量に蓄積されることなく導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に放電されることとなり、ＥＳＤが抑制される。その一方で、導電性基板と薄膜エレメントとの間における十分な絶縁破壊電圧についても確保される。

本発明の薄膜デバイス、薄膜デバイスモジュールおよび薄膜デバイスモジュールの形成方法では、耐電圧基板を構成する焼結体としては、全重量に対して、３０重量％以上３９重量％以下の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）と、２１重量％以上３３重量％以下の炭化チタン（ＴｉＣ）とを含むものが望ましい。

本発明の薄膜デバイスによれば、比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置するようにしたので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷が多量に蓄積される前に導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に移動させることによりＥＳＤの抑制が可能となる。その一方で、導電性基板上に配置した場合であっても十分な絶縁破壊電圧を確保することができる。したがって、ＥＳＤによる損傷を受けにくく、耐電圧特性にも優れ、安定して動作するものとなる。

本発明の薄膜デバイスモジュールによれば、比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置し、この耐電圧基板における反対側の面に第２の導電性接着層を介して導電性基板を配置するようにしたので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷が多量に蓄積される前に導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に移動させることによりＥＳＤの抑制が可能となる。その一方で、導電性基板と薄膜デバイスとの間における十分な絶縁破壊電圧を確保することも可能である。したがって、ＥＳＤによる損傷を受けにくく、耐電圧特性にも優れ、安定して動作するものとなる。

本発明の薄膜デバイスモジュールの形成方法によれば、比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下のＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、ＴｉＣおよびＭｇＯを含む焼結体からなる耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置することにより薄膜デバイスを形成したのち、この薄膜デバイスを導電性基板上に第２の導電性接着層を介して配置するようにしたので、薄膜エレメントに電荷が生じた場合であっても、それらの電荷が多量に蓄積される前に導電性接着層を介して耐電圧基板へ徐々に移動させることにより、ＥＳＤの発生を抑制することができる。そのうえ、導電性基板と薄膜デバイスとの間における十分な絶縁破壊電圧を確保することも可能である。したがって、ＥＳＤによる損傷を受けにくく、かつ、耐電圧特性に優れ、安定した動作が可能な薄膜デバイスモジュールを容易に得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

最初に、図１および図２を参照して、本発明における一実施の形態としての薄膜デバイスモジュール（以下、単にモジュールという）１の構成について説明する。なお、本実施の形態のモジュール１については、後述の変形例としての薄膜デバイスモジュールと区別するため、以下の説明ではモジュール１Ａと表記する。

図１は、モジュール１Ａの斜視構成を表すものであり、図２は、図１のモジュール１Ａの一部を拡大して示した積層断面を表すものである。モジュール１Ａは、薄膜デバイス２Ａがステンレススチールなどの導電材料からなる板状のリードフレーム３０の上に、導電性接着層４２（以下、単に接着層４２という。）を介して固着されたものである。薄膜デバイス２Ａは、薄膜エレメント１０が導電性接着層４１（以下、単に接着層４１という。）を介して耐電圧基板２０上に固着されたものである。したがって、リードフレーム３０の側から接着層４２と、耐電圧基板２０と、接着層４１と、薄膜エレメント１０とが順に積層された構成となっている。

薄膜エレメント１０は、例えば、磁気センサであり、基体１１の上に絶縁膜１２と、巨
大磁気抵抗効果を発現する巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜１３と、絶縁膜１４と、パッド
１５とが順に積層されたものである。基体１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）やアルティッ
ク（Ａｌ・ＴｉＣ）などの導電性を有するセラミックス材料からなる。ＧＭＲ膜１３の厚
みは例えば０．０１μｍ〜１０μｍであり、幅および長さはいずれも例えば１μｍ〜５０
０μｍ程度の範囲に収まっている。基体１１の厚みは、例えば５０μｍ〜１０００μｍで
あり、幅および長さはいずれも０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度である。絶縁膜１２，１４は、い
ずれも酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、例えば０．２５μｍの厚みを有している
。パッド１５は、ＧＭＲ膜１３の抵抗変化を読み出す際のセンス電流を供給するための電極である。パッド１５は、必要に応じてリード３１とそれぞれワイヤ等により電気的に接続される。

耐電圧基板２０は、１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示す材料により構成されている。この耐電圧基板２０を構成する材料は、Ａｌ₂Ｏ₃、炭化チタン（ＴｉＣ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が混合された焼結体である。より詳細には、この焼結体は、全重量に対して３０重量％（ｗｔ％）以上３９ｗｔ％以下のＡｌ₂Ｏ₃と２１ｗｔ％以上３３ｗｔ％以下のＴｉＣとを含むものである。

ここで、Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が３０ｗｔ％未満であると焼結体としての熱膨張率が大きすぎてしまい、薄膜エレメント１０の機能に悪影響を及ぼす可能性がある。一方、Ａｌ₂Ｏ₃の含有率が３０ｗｔ％を超えると加工性が劣化するので好ましくない。また、ＴｉＣの含有率が３３ｗｔ％を超えると製造時における焼結が不十分となり、耐電圧基板２０に要求される十分な絶縁耐圧や所望の比抵抗が得られなくなる。一方、ＴｉＣの含有率が２１ｗｔ％未満では、焼結体としての機械的強度が不十分となってしまう。

耐電圧基板２０の寸法については、厚みが５０μｍ〜１０００μｍであり、幅および長さはいずれも０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

モジュール１Ａでは、このような耐電圧基板２０を用いることにより、薄膜デバイス２Ａに電荷が発生した場合であっても大量にチャージされることなく徐々にリードフレーム３０へ放出される。したがって、薄膜エレメント１０とリードフレーム３０との間に生じる電位差は僅かであり、ＥＳＤのような瞬間的な放電現象が抑制される。その一方で、導電性フィラーを混合した１〜１０Ω・ｃｍ程度の比抵抗を有する導電性接着剤とは異なり、数ｋＶ以上の十分な絶縁破壊電圧についても確保される。さらに、温度変化による破損（クラックの発生など）や変形などが発生しにくく、機械的強度にも優れているので、薄膜デバイスモジュールとしての信頼性が高まる。

接着層４１，４２は、エポキシ樹脂に銀（Ａｇ）やシリコン（Ｓｉ）などのフィラーを混入した導電性接着剤からなるものである。

次に、上記の構成を有するモジュール１Ａの形成方法について説明する。

本実施の形態におけるモジュール１Ａの形成方法では、まず、耐電圧基板２０を作製す
る。具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃粉末（例えば平均粒径０．５μｍ、純度９９．９％）、ＴｉＣ
粉末（例えば平均粒径０．５μｍ、純度９９％、炭素含有量１９％以上でその１％以下は
遊離黒鉛であるもの）およびＭｇＯ粉末（例えば平均粒径０．１μｍ）を各々所定量秤量
し、ボールミル中でエタノールと共に３０分程度粉砕混合したのち、窒素中において１５
０℃でスプレー造粒することにより造粒物を得る。ここでは、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＴｉＣ粉末
およびＭｇＯ粉末を合わせた全重量に対して、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の含有量が３０ｗｔ％〜３９
ｗｔ％となると共にＴｉＣ粉末の含有量が３３ｗｔ％〜２１ｗｔ％となるように造粒物の組成を調整することが望ましい。続いて、これらの造粒物を各々約０．５ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｃｍ²）で一次成形し、例えばホットプレス法によって真空雰囲気で１時間、焼結温度１６００℃、プレス圧力約３０ＭＰａ（約３００ｋｇｆ／ｃｍ²）の諸条件下で焼成することによって所定の厚みを有する耐電圧基板２０を得る。

このようにして作製した耐電圧基板２０は、所望の比抵抗を有するうえ、結晶構造上の欠陥が少ないことから耐電圧特性、熱伝導性、機械的強度および加工性の面で優れた機能を発揮する。

続いて、耐電圧基板２０の上に導電性接着剤を塗布して接着層４１を形成したのち、薄膜エレメント１０を載置して固着させることにより薄膜デバイス２Ａを形成する。

最後に、リードフレーム３０上に導電性接着剤を塗布して接着層４２を形成したのち、薄膜デバイス２Ａを載置して固着させることによりモジュール１Ａの形成が終了する。

以上のように、本実施の形態におけるモジュール１Ａによれば、１０⁸Ω・ｃｍ以上１０¹⁰Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示す耐電圧基板２０の一面に導電性の接着層４１を介して薄膜エレメント１０を配置し、耐電圧基板２０における反対側の面に導電性の接着層４２を介してリードフレーム３０を配置するようにしたので、薄膜エレメント１０に大量の電荷が蓄積される前に、その電荷を耐電圧基板２０と接着層４２と通じてリードフレーム３０へ徐々に放電させることができる。その結果、ＥＳＤの発生を抑制することができる。そのうえ、耐電圧基板２０は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＣおよびＭｇＯが所定の組成比で混合された焼結体であるので、リードフレーム３０とＧＭＲ膜１３との間における十分な絶縁破壊電圧を確保することもできる。したがって、ＥＳＤによる損傷を受けにくく、かつ、耐電圧特性に優れ、安定動作が可能な信頼性の高いものとなる。

＜変形例＞
続いて、本実施の形態の変形例について説明する。

本実施の形態では、ＧＭＲ膜１３を有する磁気センサとしての薄膜エレメント１０を備えるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示した第１の変形例（変形例１）としてのモジュール１Ｂのように、薄膜デバイス２Ｂが、半導体素子などを有する集積回路（ＩＣ）５１を含む薄膜エレメント５０を備えるようにしてもよい。

さらに、図４に示した第２の変形例（変形例２）としてのモジュール１Ｃのように、図１に示した薄膜デバイス２Ａと、図３に示した薄膜デバイス２Ｂとを、１つのリードフレーム３０の上に設けるようにしてもよい。

これらの各変形例１，２においても、本実施の形態のモジュール１Ａと同様の効果が得られる。

続いて、本発明の実施例について説明する。

本実施例では、図１および図２に示したモジュール１Ａに対応したサンプルを作製し、その絶縁破壊電圧を測定した。

ここでは、油槽内にサンプルを浸漬した状態で、図５に示したプロファイルに従い、時間（秒）の経過に応じて印加電圧（ｋＶ）を変化させ、最大で１５ｋＶを印加するようにした。

図６は、耐電圧基板２０の絶縁破壊電圧を測定した結果である。図６では、横軸が印加電圧を示し、縦軸がモジュール全体の抵抗を示す。本実施例では、耐電圧基板の厚みを８０μｍ、１５０μｍ、３００μｍの３水準とし、それぞれＴ８０、Ｔ１５０、Ｔ３００で示した。この結果、厚みが８０μｍのときに５ｋＶ、１５０μｍのときに１１ｋＶ、３００μｍのときに１４ｋＶの絶縁破壊電圧をそれぞれ得ることができた。

さらに、図１および図２に示したモジュール１Ａに対応したサンプルについて、ＥＳＤ破壊試験をおこなった。図７は、０．２５μｍ厚のＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜１２の絶縁破壊電圧を測定した結果である。図７では、図６と同様に横軸が印加電圧を示し、縦軸が基体１１とＧＭＲ膜１３との間における抵抗を示す。図７に示したように、絶縁膜１２は５〜６００Ｖ程度で絶縁破壊を起こした。しかしながら、Ｓｉ基体１１とＧＭＲ膜１３との間に生じる電位差は最大で約５０Ｖ程度であった。このため、絶縁膜１２の絶縁破壊が生じることはなく、ＧＭＲ膜１３のＥＳＤ破壊が生じることもなかった。

このように、本実施例では、５ｋＶ以上という十分に大きな絶縁破壊電圧を有し、かつ、ＥＳＤ破壊に対する十分な耐性を有することを確認することができた。すなわち、薄膜デバイスとしての良好な機能を維持可能であることが確認できた。

以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば本実施の形態では、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＣおよびＭｇＯによって耐電圧基板を構成するようにしたが、他の種類の材料を添加してもよい。例えば二酸化チタン（ＴｉＯ₂）を所定量加えることによって、機械的強度をさらに向上させることもできる。また、薄膜エレメントとしては、磁気抵抗効果素子や半導体素子以外の機能素子を含むものであってもよい。さらに、導電性接着剤を用いて導電性接着層を構成するようにしたが、金属性のロウ材を溶融させて付着させたものを導電性接着層としてもよい。

本発明の一実施の形態としてのモジュール１Ａの構成を表す斜視図である。図１に示したモジュール１Ａの要部を拡大して示した断面図である。本発明の一実施の形態における第１の変形例としてのモジュール１Ｂの構成を表す斜視図である。本発明の一実施の形態における第２の変形例としてのモジュール１Ｃの構成を表す斜視図である。本発明の実施例における絶縁破壊電圧を測定する条件を表す特性図である。本発明の実施例における耐電圧特性を表す特性図である。本発明の実施例における他の耐電圧特性を表す特性図である。従来の薄膜デバイスモジュールの構成を表す断面図である。

符号の説明

１（１Ａ〜１Ｃ）…薄膜デバイスモジュール、２（２Ａ，２Ｂ）…薄膜デバイス、１０…薄膜エレメント、１１…基体、１２，１４…絶縁膜、１３…ＧＭＲ膜、１５…パッド、２０…耐電圧基板、３０…リードフレーム、４１，４２…接着層。

Claims

比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下の酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）、炭化チタン（ＴｉＣ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む焼結体からなる耐電圧基板と、
前記耐電圧基板の一面に導電性接着層を介して配置された薄膜エレメントと
を有することを特徴とする薄膜デバイス。
前記焼結体は、全重量に対して、３０重量％以上３９重量％以下の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）と、２１重量％以上３３重量％以下の炭化チタン（ＴｉＣ）とを含むものである
ことを特徴とする請求項１に記載の薄膜デバイス。
前記薄膜エレメントは、基体上に絶縁膜と磁気抵抗効果素子とが順に積層された構成を含むものである
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜デバイス。
比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下の酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）、炭化チタン（ＴｉＣ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む焼結体からなる耐電圧基板と、
前記耐電圧基板の一面に第１の導電性接着層を介して配置された薄膜エレメントと、
前記耐電圧基板における前記薄膜エレメントと反対側の面に第２の導電性接着層を介して配置された導電性基板と
を備えたことを特徴とする薄膜デバイスモジュール。
前記焼結体は、全重量に対して、３０重量％以上３９重量％以下の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）と、２１重量％以上３３重量％以下の炭化チタン（ＴｉＣ）とを含むものである
ことを特徴とする請求項４に記載の薄膜デバイスモジュール。
比抵抗が１０ ⁸ Ω・ｃｍ以上１０ ¹⁰ Ω・ｃｍ以下の酸化アルミニウム（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）、炭化チタン（ＴｉＣ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む焼結体からなる耐電圧基板を用意する工程と、
前記耐電圧基板の上に第１の導電性接着層を介して薄膜エレメントを配置することにより薄膜デバイスを形成する工程と、
前記薄膜デバイスを、導電性基板上に第２の導電性接着層を介して配置する工程と
を含むことを特徴とする薄膜デバイスモジュールの形成方法。
前記焼結体として、全重量に対して、３０重量％以上３９重量％以下の酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）と、２１重量％以上３３重量％以下の炭化チタン（ＴｉＣ）とを含むものを用いる
ことを特徴とする請求項６に記載の薄膜デバイスモジュールの形成方法。