JP4462864B2 - ガスセンサの製造方法 - Google Patents

Description

この発明はガスセンサの製造方法に関する。

特許文献１は、アルミナ基板の１面の４隅に金合金パッドを形成し、Ｐｔ系合金線などをパッドに溶接することを開示している。しかしながら充分なボンディング強度を得るには、溶接部を金ペーストなどで被覆し、再焼成するのが好ましい。
日本特許３４０８９１０

この発明の課題は、パッドへのボンディング部を金ペーストで被覆する必要がなく、基板に平行な方向にも垂直な方向にも、ボンディング強度を長期間維持できる、ガスセンサの製造方法を提供することにある。

この発明は、基板上にヒータ膜とガス感応部とパッドとを形成し、該基板を外部に接続するリードを、パッドにボンディングしたガスセンサの製造方法において、
直径ｒのリードの先端を金系のパッド上に配置し、バンプ形成用の金系ワイヤで、その直径がｒの１.５倍以上のものの先端に、直径がｒの５倍以上１０倍以下のボールを形成し、
該ボールを前記パッドに超音波熱圧着して、ワイヤの残部を除いて上面が平坦なバンプを形成すると共に、前記リードを該バンプとパッドとの間に挟み込んでボンディングし、
かつバンプは円盤状で上面に凹部がなく、その直径をＲ、及びパッドの上面からバンプの上面までの高さをＨとして、リードの直径ｒとの比を、６≦Ｒ／ｒ≦１２，２≦Ｈ／ｒ≦５としたことを特徴とする。

好ましくは、３０μｍ≦ｒ≦５０μｍで、３００μｍ≦Ｒ≦４４０μｍ、
８０μｍ≦Ｈ≦１６０μｍとし、
前記ボールと前記パッドとの接合を超音波熱圧着で行い、かつ超音波熱圧着時の、ボンディング荷重を３〜６Ｎ，超音波パワーを３〜１０Ｗ，超音波の印加時間を５０〜２００ｍsec，基板温度を２００〜３５０℃とする。

特に好ましくは、３２０μｍ≦Ｒ≦４００μｍ、１００μｍ≦Ｈ≦１２０μｍとし、
前記ボールと前記パッドとの接合を超音波熱圧着で行い、かつ超音波熱圧着時の、ボンディング荷重を４〜５Ｎ，超音波パワーを７〜８Ｗ，超音波の印加時間を１００〜１５０ｍsec，基板温度を２２０〜３００℃とする。
好ましくは、リードをバンプとパッドとの間に挟み込んでボンディングする際に、リードの先端がバンプの底面を通り越してしかもパッド上に存在するようにすることにより、リードがバンプをパッドの上面に沿って貫通して、リードの先端が該パッド上で前記バンプを突き抜けるようにする。

この発明では、リードを金系のバンプと金系のパッドの間に挟み込むようにしてボンディングする。そしてこのバンプを円盤状で上面には凹部がないようにし、リードの直径との比で、所定の高さと所定の直径とを備えたものにすると、同じサイズのボールから得られるバンプの範囲で、ボンディング強度を最大にできる。このため、金ペーストなどを塗布して再焼成する必要が無く、ガスセンサの製造工程が簡単になり、製造に要する時間も短縮される。バンプは金系のパッドへのボンディングを容易にするため金系のバンプとし、リードはＰｔ系等の高融点リードが適しているので、バンプとリードとの融着は困難であり、主としてバンプ／リード間での合金層の形成や摩擦力により、リードが保持される。バンプとパッドは共に金系で低融点なので、簡単に接合できる。

しかしながらリードのボンディング強度は時間と共に減少する。このことには、パッドが純金のパッドではなく、基板との付着力を増すため、厚膜の金合金パッドを用いることと関係がある。合金パッドでは、パッドとバンプとの界面の付着力、あるいはパッドが１層でなく複数の層からなる場合パッド内の層間での付着力が低下する。またこれ以外に、基板を加熱することや、基板温度を変化させることなども、リードとバンプとの付着力などを低下させる。そしてこのことに基づく、付着力の低下を補うため、バンプのサイズには制限が生じる。またバンプの厚さが薄いと、リードを基板に垂直な方向に引っ張った際に、リードがバンプの上面を破って剥離する現象が生じる。これらのことから、バンプの厚さＨはリードの直径ｒの２倍以上とし、厚すぎると金系のバンプを形成するための金系のボールの形成が困難になり、またバンプのボンディングも難しくなるので２≦Ｈ／ｒ≦５とし、好ましくは２≦Ｈ／ｒ≦４とし，最も好ましくは２.５≦Ｈ／ｒ≦３とする。

バンプの直径が小さいと、バンプがパッドから剥がれる、あるいはパッドが損壊して、パッドの一部がバンプに付着した状態でバンプとパッドが剥離する現象が生じる。これはバンプにリードは充分に付着しているが、バンプとパッドの付着力が不足するために、バンプがパッドから剥離する、あるいはパッドがバンプに引きずられて破損してしまうためである。バンプとパッドの付着力は、バンプの底面積により定まるため、バンプは大きな直径が好ましい。もちろんバンプの直径Ｒを大きくすると、バンプの前駆体の金ボールの形成も困難になり、ボンディングも困難になる。そこでバンプの直径Ｒとリードの直径ｒの比は６≦Ｒ／ｒ≦１２とし、好ましくは７.５≦Ｒ／ｒ≦１１とし、最も好ましくは８≦Ｒ／ｒ≦１０とする。バンプの高さや直径の効果は図１１〜図１４に示し、リードの直径との比で定まる。

リードの直径ｒを３０〜５０μｍとすると、バンプの直径や高さは、例えば３００μｍ≦Ｒ≦４４０μｍ、８０μｍ≦Ｈ≦１６０μｍが好ましく、このバンプをパッドと充分融着して、かつ上面に凹部が生じないように超音波熱圧着するには、超音波熱圧着時の、ボンディング荷重を３〜６Ｎ，超音波パワーを３〜１０Ｗ，超音波の印加時間を５０〜２００ｍsec，基板温度を２００〜３５０℃とすれば良い。

ここで最も好ましくはバンプの直径や高さを、３２０μｍ≦Ｒ≦４００μｍ、１００μｍ≦Ｈ≦１２０μｍとし、このバンプをパッドと充分融着して、かつ上面に凹部が生じないように超音波熱圧着するため、超音波熱圧着時のボンディング荷重を４〜５Ｎ，超音波パワーを７〜８Ｗ，超音波の印加時間を１００〜１５０ｍsec，基板温度を２２０〜３００℃とすれば良い。

ここでリードの先端がバンプを貫通してパッド上に現れるようにすると、リードとバンプの接触面積を最大にし、バンプとリード間の摩擦力を大きくでき、ボンディング強度を増すことができる。

図１〜図４に、実施例のガスセンサ２の構造を示す。図において、４はベースで、６は例えば４本のステムで、８はセンサ本体である。センサ本体８には、アルミナなどの絶縁性の基板１０と、パッド１２並びにバンプ１４があり、例えば４本のリード１６が、基板１０の１面の４隅に、パッド１２とバンプ１４との間に挟まれるようにして取り付けられ、他端はステム６に例えば溶接されている。なお図３，図４に示すように、リードの先端１７はバンプ１４を貫通して、パッド１２上に配置されている。

４つのパッド１２のうち、例えば２つのパッドをヒータ膜２１に接続し、他の２つのパッドを基板の裏面の図示しないガス感応部に接続する。またガス感応部には、例えば金属酸化物半導体膜や固体電解質膜、あるいはこれらのチップなどを用いる。さらに実施例では、基板１０に４つのパッド１２を設けたが、例えば３パッドや５パッドなどとしてもよい。

パッド１２は例えば金と白金との合金パッド、あるいは下側を白金とし、上側を金とした２層のパッドなどとする。実施例では、パッド１２を下側１０μｍを白金、上側２０μｍを金とした２層パッドとし、上層と下層は部分的に合金化している。パッド１２はバンプ１４とのボンディングを容易にするため、金を含有することが必要で、少なくとも４０％以上の金を含有するパッドとする。

バンプ１４は金を主成分とし、これに５重量％（以下％は重量％）以下の範囲で銅などの他の金属を合金化させてもよい。金を主成分とするバンプ１４は、パッド１２への超音波熱圧着が容易である。図３，図４に示すように、バンプ１４は円盤状で、パッド１２の上面からバンプ１４の上面までの高さをＨとし、その直径をＲとする。バンプ１４の上面は、ワイヤの残部１９を除いて平坦で、図４に鎖線で示す凹部２０が生じないようにする。なお凹部２０が生じる場合、残部１９の周囲が窪むように生じ、凹部２０が生じるとは、バンプ１４の周面を基準とする深さがリード１６の直径ｒの１／２以上であることをいう。また残部１９は、キャピラリ中央のワイヤ挿通孔がボールに食い込むことや、キャピラリを上昇させた際にワイヤの上部が引きちぎられることにより生じる。

図３，図４により、各部の寸法を説明する。基板１０は例えば正方形状で、その１辺ａを例えば１.５ｍｍとし、パッド１２も正方形状でその１辺ｂを例えば０.５ｍｍとする。またヒータ膜２１は例えば０.７×０.７ｍｍとし、ガス感応膜も例えばほぼ同じサイズである。

リード１６には、例えばＰｔやＰｔ−Ｗ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−ＺＧＳ（Ｐｔの結晶粒界にジルコニアを分散させたもの），あるいはＡｕ−Ｐｄ−Ｍｏなどの貴金属合金線を用いる。これらの合金は、パッド１２やバンプ１４とのボンディング性能が低いので、主としてバンプ１４との合金層の形成や摩擦力により固定される。

図２に、リード１６のボンディングの過程を示すと、リード１６はキャピラリ２７から繰り出され、先端がパッド１２内に収まるように配置され、キャピラリ２６からの金系ワイヤ２５のボール２４で、超音波熱圧着される。実施例ではほぼ１００％金の金ワイヤ２５を用いた。２８は放電針、２９は高圧電源、３０はスイッチで、ワイヤ２５の先端と放電針２８との間の放電により、ボール２４を形成する。キャピラリ２６には図示しない超音波源から超音波を加えることができる、また図示しないチャックを設けて、ボンディング後にキャピラリ２６を上昇させ、ワイヤ２５を引きちぎるようにする。このようにすると、ボール２４の上部に弱い箇所があるので、その部分でワイヤ２５は引きちぎられる。さらに基板１０を加熱できるようにし、ボール２４の超音波熱圧着を容易にする。

実施例ではリード１６として直径４０μｍのＰｔ−Ｗ線（Ｗ８重量％）を用い、ワイヤ２５には直径約７５μｍの金線を用いた。ワイヤ２５の直径は、リード１６の直径の、例えば１．５〜２.５倍とする。そしてバンプの直径Ｒが３８０μｍ、バンプの高さＨが１１０μｍのものを代表例とした。なおボール２４は、例えば直径２８０μｍで、好ましい直径は２００〜４００μｍ（リードの直径との比で５〜１０倍）である。ボール２４の直径は通常はワイヤ２５の直径の２〜３倍程度とされているが、発明者の実験では、ワイヤ２５の直径の２〜４倍程度のものまで真球状のボールにできた。

図５，図６に、実施例のガスセンサでのリードの取り付け状況を示す。これらの図では、１個のガスセンサの４つのバンプを、それぞれ別に示している。図５，図６での値Ｘ、Ｙ，Ｄは画像解析により求めたもので、Ｘはバンプの直径に相当し、図５でのＹはバンプの高さに相当する。図６のＤはバンプ付近に引いた補助線による長方形の対角線の長さである。図５に示したように、バンプの上面は平坦で、その中央部にはワイヤの残部が見える。また図６に示すように、バンプは円盤状で、長軸と短軸の差は１０％程度である。

図７，図８に用いたボールを示すと、図７は直径７５μｍの金線から作成したボールで、直径は約２８０μｍである。図８は直径５０μｍの金線から作成したボールで、直径は約１５０μｍである。直径７５μｍのワイヤからは直径２８０μｍのボールの他に、直径２５０μｍのボールと２００μｍのボールを作成した。直径５０μｍのワイヤから直径１５０μｍのボールを作り、このボールを１回超音波熱圧着してバンプとしたものの他に、同じ場所に垂直に２つのボールを重ねて超音波熱圧着し、２重のバンプとしたものを作成した。図９に２重のバンプの断面を示す。パッドの上部にリードが円形に見え、バンプの部分には試料作成の過程で用いた樹脂が黒い点状に見えている。またバンプの上部には、ワイヤの残部が部分的に煙のように見えている。図１０に最適実施例（バンプ高さ１１０μｍ、バンプ直径３８０μｍ）での、基板とバンプの断面電子顕微鏡写真を示す。バンプの上面は平面的で、その中央にワイヤの残部が見えている。

ガスセンサの場合、基板を吊すのに用いられるリードは、直径が３０〜５０μｍ程度のものが多いが、今後基板の小型化が進めば直径２０μｍのリードも考えられる。ここで重要なのはリードの直径と、バンプの高さやバンプの直径の比である。例えばバンプの高さとリードの直径との比が１.２〜１.３程度の場合（１５０μｍボールを重ねずに超音波熱圧着）、リードを基板に直角な方向に引っ張ると、バンプの上面をリードが破って抜けてしまう。バンプが充分な厚さを有し、リードがバンプにしっかりと固定されている場合、リードを支える力は、バンプとパッドとの間の界面に働く力である。この力はバンプの底面積に比例し、リードはバンプの底面を貫通しているので、リードとバンプの接触面積は一定となり、バンプの直径とリードの直径との比が問題となる。

これ以外に、バンプはその上面が平坦であることが重要である。超音波パワーが大きすぎる場合や、超音波の印加時間が長すぎる場合、あるいは超音波熱圧着時の荷重が大きすぎる場合、ワイヤの残部を取り囲むように凹部が生じる。凹部が生じると、この部分でバンプの強度が低下し、バンプが破損しやすくなる。これ以外に、大きなボールは製造することが難しく、また超音波熱圧着にも大きな荷重や高い温度、あるいは大きな超音波パワーなどが必要になる。荷重を大きくすると、基板などに破損が生じやすくなる。また実施例では２５０℃程度での超音波熱圧着を行っており、これよりも高い温度に加熱するのは装置的に難しい。

図１１〜図１４に、実施例での特性を示す。図１１では基板に直角な方向にリードを引っ張った際の剥離強度（垂直ピーリング強度）を測定し、１回の測定にガスセンサ８個を用いた。またセンサは５００℃に連続加熱してエージングした。垂直方向や水平方向の剥離強度は、ガスセンサが落下テストなどにさらされることを加味して余裕を見込むと、実用的には０.４Ｎ／リード以上が好ましい。

直径２８０μｍのボールを用いたガスセンサ（バンプ高さ１１０μｍ、バンプ直径３８０μｍ）では、垂直ピーリング強度の初期値は２.２Ｎ程度で、連続加熱を続けると、この強度は徐々に低下する。一方図９のように、直径１５０μｍのボールを２つ重ねたバンプでは、ほぼ同程度の垂直ピーリング強度が得られるが、強度の低下速度は直径２８０μｍのボールを用いた場合よりも速い。これに対して直径１５０μｍのボール１個でバンプを形成した場合、初期的な垂直ピーリング強度は１Ｎを超えているが、使用と共に強度が低下し、１８ヶ月程度経過すると、実用域を下回るサンプルも生じる。リードの外れ方を調べると、１５０μｍのボールを１回のみ用いたものでは、リードがバンプを破って上側に抜けているものが多かった。これに対して直径２８０μｍのボールを用いたものや、直径１５０μｍのボールを２個用いたものでは、リードが切れる、バンプが何らかの意味で破損する、バンプがパッドから外れる、あるいはパッドの一部がバンプに付着したままパッドから外れるなどのものが入り交じっていた。しかしながらリードがバンプの上部を破って外れるものは見当たらなかった。

図１２に、図１１と同様の条件での、基板の表面に平行な方向にリードを引っ張った際の剥離強度（水平ピーリング強度）を示す。この場合、直径１５０μｍのボール１個を用いたバンプと、１５０μｍのボールを２個用いたバンプとの差は小さく、１２ヶ月以上使用すると、直径２８０μｍのボールを用いたバンプとの強度差が著しくなる。直径２８０μｍのボールを用いたバンプでは、１２ヶ月後や１８ヶ月後の破損原因は、パッドが損傷するものが多い（１２ヶ月後に５／８，１８ヶ月後に６／８）。これに対して直径１５０μｍのボールを用いたものでは、ボールが１個でも２個でも、バンプが破損する、あるいはリードがバンプから外れるものが多く、バンプの底面積が不足すると水平ピーリング強度の耐久性が不足することが分かる。

図１３に、ボールの直径と水平ピーリング強度や垂直ピーリング強度を示す。横軸には用いたワイヤの直径とボールの直径とをμｍ単位で示し、バンプの直径やバンプの高さは図１４に黒抜きで示したサンプルのものである。ボールの直径２００μｍ程度で、１８ヶ月後のピーリング強度が信頼性のある範囲と信頼性のない範囲の境界に現れる。リードの直径は４０μｍなので、ボールの直径は好ましくはリードの直径の６倍以上８倍以下とし、より広くはリードの直径の５倍以上１０倍以下とする。

図１４にバンプの直径Ｒやバンプの高さＨに対する、１８ヶ月経過後の水平方向の強度や垂直方向の強度を示す。これらの値が共に１Ｎを超えるためには、バンプの高さＨは８０μｍ以上必要で、より好ましくは１００μｍ以上必要である。バンプの高さを無制限に大きくすると、ボールの形成も難しく、超音波熱圧着も困難になる。これらのことから、Ｈの値は２以上５以下が良く、より好ましくは２以上４以下とし、最も好ましくは２.５以上３以下とする。バンプの直径Ｒはリードの直径４０μｍに対して少なくとも２４０μｍ以上必要で、好ましくは３００μｍ以上とし、最も好ましくは３２０μｍ以上とする。なお、バンプ直径が４４０μｍで、バンプ高さ８５μｍのサンプルでは、バンプの上面に凹部が存在し、そのため垂直方向の強度が低下している。バンプの直径Ｒとリードの直径ｒの比Ｒ／ｒは、一般的には６〜１２とし、好ましくは７.５〜１１とし、最も好ましくは８以上１０以下とする。

超音波熱圧着の条件を説明すると、超音波パワーが大きく、超音波の印加時間が長く、荷重が大きく、基板の加熱温度が高いほど、超音波熱圧着自体は容易になる。しかしこれらの条件が強すぎる場合、バンプに凹部が生じることがある。また基板の温度を高くするのは、ボンディング装置の構造上困難である。さらに荷重を大きくすると、基板の損傷などが生じやすい。一方超音波パワーやその印加時間、荷重、基板温度などが低すぎると、バンプとパッドとの付着強度が不足する上、バンプの形状が半球状となり、バンプの直径が不足したサンプルが生じやすかった。

リードの直径ｒを３０〜５０μｍとすると、バンプの直径は例えば３００〜４４０μｍ、より好ましくは３２０〜４００μｍが良く、バンプの高さは８０〜１６０μｍが好ましく、より好ましくは１００〜１５０μｍとなる。このような直径や高さのバンプを直径２８０μｍや２５０μｍのボールから形成するには、バンプの直径が３００〜４４０μｍ、高さが８０〜１６０μｍの範囲で、超音波熱圧着時のボンディング荷重を３〜６Ｎ、超音波パワーを３〜１０Ｗ，超音波の印加時間を５０〜２００ｍsec、基板温度を２００〜３５０℃とすると、良かった。またバンプの直径を３２０〜４００μｍとし、その高さを１００〜１２０μｍとするには、ボンディング荷重を４〜５Ｎ、超音波パワーを７〜８Ｗ，その印加時間を１００〜１５０ｍsec、基板温度を２２０〜３００℃とすれば良かった。なおこのボンディング条件は、直径２５０〜２８０μｍのボールから、最適形状のバンプを作るための条件で、リードの直径とは独立した値である。

実施例では、長期間にわたって水平方向にも垂直方向にもリードの剥離強度が高いガスセンサを、簡単に製造することができる

実施例のガスセンサの平面図 実施例のガスセンサでの、パッドへのリードのボンディング工程を模式的に示す図 実施例での基板やリード、パッド、バンプの配置を示す平面図 実施例でのパッドとバンプ及びリードの関係を示す要部側面図 実施例のガスセンサの側面視写真 実施例のガスセンサの平面視写真 実施例で用いたボールの３００倍電子顕微鏡写真 比較例で用いたボールの５００倍電子顕微鏡写真 比較例のガスセンサでのボンディング部の２５０倍電子顕微鏡写真 実施例でのバンプと基板の断面を示す電子顕微鏡写真 １８ヶ月間の連続加熱（５００℃）でのリードの基板に垂直な方向での剥離強度の変化を示す特性図： サンプル数は各８個、バンプは２８０μｍボール（実施例）、１５０μｍボールを垂直方向に２個重ねて形成、１５０μｍボール（比較例）の３種類 １８ヶ月間の連続加熱（５００℃）でのリードの基板表面に平行な方向での剥離強度の変化を示す特性図： サンプル数は各８個、バンプは２８０μｍボール（実施例）、１５０μｍボールを垂直方向に２個重ねて形成、１５０μｍボール（比較例）の３種類 １８ヶ月間の連続加熱（５００℃）でのリードの剥離強度の変化を示す特性図： バンプ形成に用いたボールの直径は、 ２８０μｍ，２５０μｍ（実施例） ２００μｍ，１５０μｍ（比較例） １８ヶ月間の連続加熱後（５００℃）での、リードの剥離強度（Ｎ単位）をバンプの直径とバンプの高さに対して示す特性図：

符号の説明

２ ガスセンサ
４ ベース
６ ステム
８ センサ本体
１０ 基板
１２ パッド
１４ バンプ
１６ リード
１７ ワイヤの先端
１８ 上面
１９ ワイヤの残部
２０ 凹部
２１ ヒータ膜
２４ ボール
２５ ワイヤ
２６，２７ キャピラリ
２８ 放電針
２９ 高圧電源
３０ スイッチ
ａ 基板の１辺
ｂ パッドの１辺
Ｒ バンプの直径
ｒ リードの直径
Ｈ バンプの高さ

Claims (4)

1. 基板上にヒータ膜とガス感応部とパッドとを形成し、該基板を外部に接続するリードを、パッドにボンディングしたガスセンサの製造方法において、
   直径ｒのリードの先端を金系のパッド上に配置し、直径がｒの１.５倍以上のバンプ形成用の金系ワイヤの先端に、直径がｒの５倍以上１０倍以下のボールを形成し、
   該ボールを前記パッドに超音波熱圧着して、ワイヤの残部を除いて上面が平坦なバンプを形成すると共に、前記リードを該バンプとパッドとの間に挟み込んでボンディングし、
   かつバンプは円盤状で上面に凹部がなく、その直径をＲ、及びパッドの上面からバンプの上面までの高さをＨとして、リードの直径ｒとの比を、６≦Ｒ／ｒ≦１２，２≦Ｈ／ｒ≦５としたことを特徴とする、ガスセンサの製造方法。
2. リードの直径ｒを３０μｍ≦ｒ≦５０μｍとし、
   バンプの直径Ｒ及びバンプの高さＨを、３００μｍ≦Ｒ≦４４０μｍ、
   ８０μｍ≦Ｈ≦１６０μｍとし、
   前記ボールと前記パッドとの接合を超音波熱圧着で行い、かつ超音波熱圧着時の、ボンディング荷重を３〜６Ｎ，超音波パワーを３〜１０Ｗ，超音波の印加時間を５０〜２００ｍsec，基板温度を２００〜３５０℃とすることを特徴とする、請求項１のガスセンサの製造方法。
3. ３２０μｍ≦Ｒ≦４００μｍ、１００μｍ≦Ｈ≦１２０μｍとし、
   前記ボールと前記パッドとの接合を超音波熱圧着で行い、かつ超音波熱圧着時の、ボンディング荷重を４〜５Ｎ，超音波パワーを７〜８Ｗ，超音波の印加時間を１００〜１５０ｍsec，基板温度を２２０〜３００℃とすることを特徴とする、請求項２のガスセンサの製造方法。
4. リードをバンプとパッドとの間に挟み込んでボンディングする際に、リードの先端がバンプの底面を通り越してしかもパッド上に存在するようにすることにより、リードがバンプをパッドの上面に沿って貫通して、リードの先端が該パッド上で前記バンプを突き抜けるようにしたことを特徴とする、請求項１のガスセンサの製造方法。