JP5870837B2 - Pressure sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムに半導体素子を接合して構成する圧力センサ、およびそのような圧力センサの製造方法に関し、特に、200〜300MPa程度の高圧を検出できる高圧センサに用いて好適である。 The present invention relates to a pressure sensor configured by joining a semiconductor element to a metal stem having a pressure detection diaphragm, and a method for manufacturing such a pressure sensor, and particularly to a high pressure sensor capable of detecting a high pressure of about 200 to 300 MPa. It is suitable for use.
従来より、この種の圧力センサとしては、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムと、ダイアフラム上に設けられた接合部材と、ダイアフラムの歪みを検出する素子であって、接合部材上に設けられ、接合部材を介してダイアフラムに接合された半導体素子と、を備えるものが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, as this type of pressure sensor, a metal stem having a diaphragm for pressure detection, a joining member provided on the diaphragm, and an element for detecting distortion of the diaphragm, provided on the joining member, A semiconductor device having a semiconductor element bonded to a diaphragm via a bonding member has been proposed (for example, see Patent Document 1).
ここで、従来では、半導体素子は、シリコン半導体よりなるものであり、金属ステムは、低膨張金属であるコバールよりなるものが一般的である。ここで、コバールとは、鉄−ニッケル−クロム合金であり、20℃〜300℃の範囲における熱膨張係数が、53×10−7/℃程度のものである。また、接合部材は、接合ガラス等よりなるものが採用されていた。 Here, conventionally, the semiconductor element is generally made of a silicon semiconductor, and the metal stem is generally made of Kovar, which is a low expansion metal. Here, Kovar is an iron-nickel-chromium alloy having a thermal expansion coefficient of about 53 × 10 −7 / ° C. in the range of 20 ° C. to 300 ° C. Moreover, what consists of joining glass etc. was employ | adopted for the joining member.
しかしながら、200MPaを超える高圧領域では、耐圧性等を考慮して、材料強度の信頼性から、金属ステムとしては、上記コバール等の低熱膨張金属は使用できない。このため、高強度材であるステンレス(たとえばSUS430)を金属ステムとして使用することになる。 However, in a high pressure region exceeding 200 MPa, low thermal expansion metal such as the above-mentioned Kovar cannot be used as the metal stem in consideration of pressure resistance and the like because of the reliability of material strength. For this reason, stainless steel (for example, SUS430) which is a high-strength material is used as a metal stem.
しかし、この場合、接合部材である接合ガラスとステンレスとの熱膨張係数差が、50×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)を超えて大きいため、金属ステムからの熱応力の作用により接合部材に亀裂や破壊が生じ、ひいては半導体素子にも亀裂や破壊が生じてしまう。従って、従来の接合ガラスよりなる接合部材では、半導体素子を金属ステムに接合することができない。 However, in this case, the difference in coefficient of thermal expansion between the bonding glass, which is a bonding member, and stainless steel is large, exceeding 50 × 10 −7 / ° C. (in the range of 20 ° C. to 300 ° C.). Due to the action of stress, the joining member is cracked or broken, and the semiconductor element is also cracked or broken. Therefore, the semiconductor element cannot be bonded to the metal stem with the conventional bonding member made of bonded glass.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、圧力検出用のダイアフラムを有する金属ステムに半導体素子を接合して構成する圧力センサにおいて、接合部材と金属ステムの熱膨張差に起因する熱応力を低減して、接合部材および半導体素子に発生する亀裂や破壊を抑制し、製品の信頼性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and in a pressure sensor configured by joining a semiconductor element to a metal stem having a pressure detection diaphragm, heat caused by a difference in thermal expansion between the joining member and the metal stem is provided. An object of the present invention is to reduce the stress, suppress cracks and breakage generated in the bonding member and the semiconductor element, and improve the reliability of the product.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、圧力検出用のダイアフラム(11)を有する金属ステム(10)と、ダイアフラム上に設けられた接合部材(20)と、接合部材上に設けられて接合部材を介してダイアフラムに接合され、ダイアフラムの歪みを検出する半導体素子(30)と、を備え、
接合部材上にて、半導体素子の外周側には、接合部材と金属ステムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収する応力吸収材(40)が、設けられており、応力吸収材は接合部材に固定されていると共に、半導体素子と離間して配置されており、接合部材のうち半導体素子の外周側に位置する部位と当該部位上に位置する応力吸収材との合計厚さ(t2)は、接合部材のうち半導体素子の直下に位置する部位の厚さ(t1)よりも厚いものとされていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a metal stem (10) having a pressure detection diaphragm (11), a joining member (20) provided on the diaphragm, and a joining member are provided. A semiconductor element (30) that is provided and bonded to the diaphragm via a bonding member and detects distortion of the diaphragm, and
On the outer peripheral side of the semiconductor element on the bonding member, a stress absorbing material (40) that absorbs thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the bonding member and the metal stem is provided. Is fixed to the bonding member and is spaced apart from the semiconductor element, and the total thickness of the portion of the bonding member located on the outer peripheral side of the semiconductor element and the stress absorbing material located on the portion ( t2) is characterized in that it is thicker than the thickness (t1) of the portion of the bonding member located immediately below the semiconductor element.
それによれば、接合部材のうち半導体素子の外周側に位置する部位と、半導体素子の直下に位置する部位とでは、前者の方が応力吸収材との合計厚さ(t2)によって厚いものとされているため、上記両部位のうち前者の方が後者に比べて、上記熱膨張係数差に起因する金属ステムからの応力によって、変位しにくいものとなる。 According to this, in the part located on the outer peripheral side of the semiconductor element and the part located directly below the semiconductor element in the joining member, the former is thicker due to the total thickness (t2) with the stress absorbing material. Therefore, the former of the two parts is less likely to be displaced by the stress from the metal stem due to the difference in thermal expansion coefficient than the latter.
そのため、本発明によれば、接合部材と金属ステムの熱膨張差に起因する熱応力を低減して、接合部材および半導体素子に発生する亀裂や破壊を抑制し、製品の信頼性を向上させることができる。 Therefore, according to the present invention, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the joining member and the metal stem is reduced, cracks and breakage occurring in the joining member and the semiconductor element are suppressed, and the reliability of the product is improved. Can do.
また、本発明によれば、接合部材のうち半導体素子の直下に位置する部位では、接合部材の厚さを薄くできるので、金属ステムのダイアフラムの歪みを、半導体素子によって感度良く検出できる。つまり、本発明によれば、センサ感度を確保しつつ製品の信頼性を向上させることができる。
さらに、応力吸収材は半導体素子と離間して配置されているため、応力吸収材と半導体素子とが接触している場合に比較して、応力吸収材からの応力を半導体素子が受けにくくなり、半導体素子の感度を確保しやすくなるという効果が、期待できる。
Further, according to the present invention, the thickness of the joining member can be reduced at a portion of the joining member located immediately below the semiconductor element, so that the distortion of the diaphragm of the metal stem can be detected with high sensitivity by the semiconductor element. That is, according to the present invention, it is possible to improve the reliability of the product while ensuring the sensor sensitivity.
Furthermore, since the stress absorbing material is disposed apart from the semiconductor element, compared to the case where the stress absorbing material and the semiconductor element are in contact, the semiconductor element is less likely to receive stress from the stress absorbing material, The effect that it becomes easy to ensure the sensitivity of a semiconductor element can be expected.
さらに、請求項2に記載の発明のように、接合部材および応力吸収材の熱膨張係数を、半導体素子の熱膨張係数以上、且つ金属ステムの熱膨張係数以下であるものにすれば、上記請求項1の効果が適切に発揮される。 Furthermore, as in the invention described in claim 2, if the thermal expansion coefficient of the joining member and the stress absorbing material is not less than the thermal expansion coefficient of the semiconductor element and not more than the thermal expansion coefficient of the metal stem, the above claim The effect of item 1 is exhibited appropriately.
さらに、請求項3に記載の発明のように、半導体素子の外周側にて、応力吸収材は連続した環状をなしているものにすれば、半導体素子の外側の全周において応力吸収材による上記効果が発揮されるから、好ましい。 Further, as in the invention described in claim 3, if the stress absorbing material has a continuous annular shape on the outer peripheral side of the semiconductor element, the stress absorbing material is formed on the entire outer periphery of the semiconductor element. Since an effect is exhibited, it is preferable.
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in the claim and this column is an example which shows 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、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。また、図2では、各部の識別の容易化のために、便宜上、接合部材20表面に片側斜線ハッチング、半導体素子30表面に点線ハッチング、応力吸収材40表面に点ハッチングを施してある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, parts that are the same or equivalent to each other are given the same reference numerals in the drawings for the sake of simplicity. Further, in FIG. 2, for easy identification of each part, for convenience, one-side oblique hatching is performed on the surface of the
本実施形態に係る圧力センサは、たとえば自動車に搭載されるもので、燃料やオイル等の圧力測定に適用されるものである。この圧力センサは、大きくは、圧力検出用のダイアフラム11を有する金属ステム10と、ダイアフラム11上に設けられた接合部材20と、接合部材20上に設けられて接合部材20を介してダイアフラム11に接合された半導体素子30と、を備えて構成されている。
The pressure sensor according to the present embodiment is mounted on, for example, an automobile and is applied to pressure measurement of fuel, oil, and the like. The pressure sensor is roughly divided into a
金属ステム10は一端側に閉塞部としての薄肉状のダイアフラム11を有し、他端側に開口部12を有する中空円筒形状を成すものであり、外周の側面にネジ部10aを有する。金属ステム10は、このネジ部10aにより、上記した燃料やオイルの配管等の被取付部材に対してネジ結合により固定されるようになっている。そして、金属ステム10においては、開口部12から圧力媒体による圧力が導入され、この圧力はダイアフラム11の内面に印加されるようになっている。
The
また、接合部材20は、ダイアフラム11の外面と半導体素子30とを接合するものである。この接合部材20は接合ガラス等よりなり、厚さt1の層状のものである。接合部材20の詳細については、応力吸収材40とともに後述する。
The joining
半導体素子30は、ダイアフラム11の歪みを検出するものであり、ここでは、典型的な矩形板状をなす。この半導体素子30は、半導体プロセスにより形成されたシリコン半導体よりなる。
The
具体的には、半導体素子30は、開口部12から金属ステム10内部に導入された圧力媒体の圧力によってダイアフラム11が変形したときに発生する歪みを、圧力として検出する検出部として機能するものである。そして、これらダイアフラム11及び半導体素子30が、センサの基本性能を左右する。
Specifically, the
また、図示しないが、金属ステム10の外側には図示しない回路基板が設けられており、この回路基板に対して半導体素子30は、リード部材やワイヤボンディング等により電気的に接続されている。これにより、半導体素子30は、当該回路基板を介して自動車のECU等に電気的に接続されるようになっている。
Although not shown, a circuit board (not shown) is provided outside the
そして、たとえば燃料パイプ内の燃料圧(圧力媒体)が、金属ステム10の開口部12から金属ステム10の内部(中空部)へ導入されたときに、その圧力によってダイアフラム11が変形し、この変形を半導体素子30により電気信号に変換し、上記回路基板に出力することにより、圧力検出が行われるようになっている。
For example, when fuel pressure (pressure medium) in the fuel pipe is introduced from the opening 12 of the
ここにおいて、接合部材20上にて、半導体素子30の外周側には、応力吸収材40が設けられ、接合部材20に固定されている。この応力吸収材40は、接合部材20と金属ステム10との熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収するものである。この応力吸収材40は接合ガラス等よりなり、厚さt3の平面環状の層状をなすものである。
Here, on the bonding
ここで、接合部材20のうち半導体素子11の外周側に位置する部位と当該部位上に位置する応力吸収材40との合計厚さt2(=t1+t3)は、接合部材20のうち半導体素子30の直下に位置する部位の厚さt1よりも厚いものとされている。
Here, the total thickness t <b> 2 (= t <b> 1 + t <b> 3) of the
本実施形態では、応力吸収材40は、半導体素子30の外周側にて、連続した環状をなしている。なお、図1、図2の例では、応力吸収材40は平面円環状(たとえば内径6mm、外径7.5mm)をなすものであるが、平面矩形環状、平面多角形環状のものであってもよい。また、図2に示されるように、接合部材20上にて、応力吸収材40の内郭は、半導体素子30の外郭と離間して配置されている。
In the present embodiment, the
[圧力センサにおける各部10〜40の材質等]
次に、圧力センサにおける上記各部10〜40の材質等について、具体的に述べる。本実施形態では、典型的なものと同様、接合部材20の熱膨張係数は、半導体素子30の熱膨張係数以上、且つ金属ステム10の熱膨張係数以下である。
[Material of each part 10-40 in the pressure sensor]
Next, the material and the like of each of the
さらに、応力吸収材40についても、応力吸収材40の熱膨張係数は、半導体素子30の熱膨張係数以上、且つ金属ステム10の熱膨張係数以下である。つまり、本実施形態では、接合部材20および応力吸収材40の熱膨張係数は共に、半導体素子30の熱膨張係数以上、且つ金属ステム10の熱膨張係数以下である。
Further, also for the
このような接合部材20および応力吸収材40としては、主成分が無機ガラスよりなるものが挙げられる。より具体的には、本実施形態の接合部材20および応力吸収材40は、熱膨張係数を制御できるフィラーを無機ガラス中に含有し、これ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ものである。このように、接合部材20および応力吸収材40は、接合作用を提供する無機ガラスを主成分として含むものである。
Examples of the joining
当該無機ガラスとしては、半導体素子30の耐熱温度よりも低い温度で接合が可能な組成を有するものを採用できる。たとえば、バリウム(Ba)、ビスマス(Bi)、ホウ素(B)、シリコン(Si)、アルミニウム(Al)、スズ(Sn)、バナジウム(V)、りん(P)などの成分を含有する無鉛ガラスを採用することができる。また、鉛(Pb)を含有する鉛ガラスを採用してもよい。これらガラスは低融点組成であるため、半導体素子30の耐熱温度(たとえば470℃)よりも低い温度(400℃以下)の低温で、接合が可能である。
As said inorganic glass, what has a composition which can be joined at the temperature lower than the heat-resistant temperature of the
また、本実施形態の接合部材20および応力吸収材40は、熱膨張係数などを調整するために、ガラスと反応しない粒子、すなわちフィラーを含有している。このフィラーとしては、たとえばコージェライト、リン酸ジルコン酸タングステン、アルミナ、シリカ等の酸化物、あるいは、鉄(Fe)、コバルト(Co)、タングステン(W)、銅(Cu)、ストロンチウム(Sr)、銀(Ag)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、セリウム(Ce)、ガリウム(Ga)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)等の各種元素の酸化物を採用することができる。
Moreover, in order to adjust a thermal expansion coefficient etc., the joining
なお、当該フィラーの粒度は、0.1μmから50μmまで選択することができ、主に接合部材20および応力吸収材40の厚さや被接合体(金属ステム10や半導体素子30)の表面粗さに応じて選択される。
The particle size of the filler can be selected from 0.1 μm to 50 μm, and mainly depends on the thickness of the
また、本実施形態の金属ステム10の材料としては、従来と同様のコバール等でもよいが、ここでは、金属ステム10は、ステンレスよりなるもので、型加工や切削加工等により形成されている。
Further, the material of the
より具体的には、金属ステム10は、SUS430からなり、熱膨張係数は、たとえば120×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)である。また、シリコンからなる半導体素子30の熱膨張係数は、たとえば30×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)である。
More specifically, the
そして、本実施形態では、接合部材20および応力吸収材40の熱膨張係数は、上述のように、金属ステム10の熱膨張係数と半導体素子30の熱膨張係数との中間にあり、たとえば接合部材20は、56×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)であり、応力吸収材40は、49〜69×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)である。これら接合部材20および応力吸収材40の熱膨張係数は、無機ガラス中の上記フィラーの添加量を調整することにより、容易に調整することができる。
In the present embodiment, the thermal expansion coefficients of the joining
ここで、上記熱膨張係数の関係が満足されるならば、接合部材20と応力吸収材40とは、同一の熱膨張係数でもよいし、異なる熱膨張係数でもよい。さらに言うならば、接合部材20および応力吸収材40は、互いに別部材ではあるが、同一の材料よりなるものであってもよいし、異種材料よりなるものであってもよい。
Here, if the relationship between the thermal expansion coefficients is satisfied, the joining
[製造方法の第1の例]
次に、本圧力センサの製造方法を述べる。まず、本製造方法の第1の例を述べる。まず、用意工程では、金属ステム10、半導体素子30、接合部材20の素材としての第1のガラスペースト、および、応力吸収材40の素材としての第2のガラスペーストを用意する。これら各ガラスペーストは、上記したフィラーを無機ガラス中に含有するペースト状ガラスである。
[First Example of Manufacturing Method]
Next, a method for manufacturing the pressure sensor will be described. First, a first example of this manufacturing method will be described. First, in a preparation process, the 1st glass paste as a raw material of the
そして、この第1の製造方法では、第1の工程として、第1のガラスペーストをダイアフラム11上に塗布し、これを熱処理することにより溶融して固化させ、接合部材20を形成する。こうして、ダイアフラム11上にいったん硬化された接合部材20が形成される。
In the first manufacturing method, as a first step, the first glass paste is applied onto the
次に、第2の工程では、この接合部材20のうち半導体素子30の外周側に位置する部位に、応力吸収材40の配置パターンにて第2のガラスペーストを塗布する。
Next, in the second step, the second glass paste is applied to the portion of the
次に、第3の工程では、接合部材20上にて第2のガラスペーストの内側に半導体素子30を設置し、熱処理する。これにより、第2のガラスペーストを溶融して固化させて応力吸収材40を形成するとともに、接合部材20を再溶融して固化させることで半導体素子30と接合部材20とを接合する。これが、本実施形態の製造方法の第1の例であり、これにより、図1、図2に示される圧力センサができあがる。
Next, in the third step, the
[製造方法の第2の例]
次に、本圧力センサの製造方法の第2の例を述べる。まず、用意工程では、上記第1の例の製造方法と同様に、金属ステム10、半導体素子30、接合部材20の素材としての第1のガラスペースト、および、応力吸収材40の素材としての第2のガラスペーストを用意する。
[Second Example of Manufacturing Method]
Next, a second example of the manufacturing method of the pressure sensor will be described. First, in the preparation process, the first glass paste as the material of the
そして、この第2の製造方法では、第1の工程として、第1のガラスペーストをダイアフラム11上に塗布して乾燥させることにより第1の固形物を得る。この第1の固形物は、溶融ではなく乾燥によりペースト中の溶媒が蒸発して、第1のガラスペーストが固化したものである。
And in this 2nd manufacturing method, a 1st solid substance is obtained by apply | coating and drying the 1st glass paste on the
次に、第2の工程では、当該第1の固形物のうち半導体素子30の外周側に位置する部位に、応力吸収材40の配置パターンにて第2のガラスペーストを塗布し、さらにこれを乾燥させることにより第2の固形物を得る。この第2の固形物は、溶融ではなく乾燥によりペースト中の溶媒が蒸発して、第2のガラスペーストが固化したものである。
Next, in the second step, a second glass paste is applied to the portion of the first solid material located on the outer peripheral side of the
次に、第3の工程では、第1の固形物上にて、第2の固形物の内側に半導体素子30を設置し、熱処理する。これにより、本第3の工程では、第1の固形物を溶融して固化させて接合部材20を形成し、半導体素子30と接合部材20とを接合するとともに、第2の固形物を溶融して固化させて応力吸収材40を形成する。これが、本実施形態の製造方法の第2の例であり、これにより、図1、図2に示される圧力センサができあがる。
Next, in the third step, the
本実施形態の圧力センサは、これらどちらの例で製造してもよい。第1の例と第2の例とを比較すると、第1の例の場合、半導体素子30を接合部材20に搭載する前に、第1の工程によって、第1のガラスペーストを溶融、固化して接合部材20を形成するようにしている。そのため、第1のガラスペースト中に存在するボイドを、第1のガラスペーストの表面全体から効率良く排出することができるという利点がある。
The pressure sensor of this embodiment may be manufactured using either of these examples. Comparing the first example and the second example, in the case of the first example, the first glass paste is melted and solidified by the first step before the
それに対して、第2の例の場合、半導体素子30を接合部材20に搭載した後、第1のガラスペーストを乾燥させてなる第1の固形物を溶融、固化して接合部材20を形成するようにしている。
On the other hand, in the case of the second example, after the
そのため、上記第1の例に比べて、第1のガラスペーストに相当する第1の固形物の表面が半導体素子30で覆われている分、第1のガラスペースト中に存在するボイドの排出という点で不利であるが、接合部材20および応力吸収材40を同時に熱処理して形成できるという点で、熱処理の手間やコストが軽減されるという面で有利である。
Therefore, compared to the first example, the amount of voids present in the first glass paste is discharged because the surface of the first solid corresponding to the first glass paste is covered with the
ここで、上記第1の例および第2の例の製造方法について、より具体的に述べる。当該各例の製造方法において、各ガラスペーストの塗布は、印刷法により行ってもよいが、たとえばディスペンサー装置により行ってもよい。 Here, the manufacturing methods of the first example and the second example will be described more specifically. In the manufacturing method of each example, the application of each glass paste may be performed by a printing method, but may be performed by, for example, a dispenser device.
この場合、ディスペンサー装置としては、典型的には、上記ガラスペーストを吐出するノズルと、金属ステム10を搭載し、ワーク位置決め駆動が可能なテーブルで構成する支持機構と、を備えるものが挙げられる。たとえば10〜50Pa・sの粘度としたガラスペーストを用いる場合、当該ノズルの吐出口径は、直径0.2〜0.5mm程度のものにできる。
In this case, typically, a dispenser device includes a nozzle that discharges the glass paste and a support mechanism that includes a
さらに、ガラスペーストが塗布されるダイアフラム11の外面に対して上記ノズルの相対位置制御を行う位置制御手段と、ペースト塗布時に上記ノズルの位置補正を行う位置補正手段とを備えるものが望ましい。このような位置制御手段および位置補正手段は、アクチュエータやコンピュータ等により構成される。
Further, it is desirable to include a position control means for controlling the relative position of the nozzle with respect to the outer surface of the
また、接合部材20および応力吸収材40の形状について検査を行い、異常形状のものを排除するためには、さらに、塗布されたガラスペースト形状をカメラによって測定する画像手段を備えたディスペンサー装置が望ましい。このようなカメラとして、CCDカメラ、CMOSカメラ等が使用でき、立体(3D)寸法計測手段によって検査ができる。
Further, in order to inspect the shapes of the
なお、CCDカメラとは、電荷結合素子(CCD:Charge Coupled Device)である固体撮像素子カメラであり、CMOSカメラとは、相補性金属酸化膜半導体(Complementary Metal Oxide Semiconductor)である固体撮像素子カメラである。 The CCD camera is a solid-state imaging device camera that is a charge coupled device (CCD), and the CMOS camera is a solid-state imaging device camera that is a complementary metal oxide semiconductor (Complementary Metal Oxide Semiconductor). is there.
さらに、当該カメラは、自動焦点機能を備えたものが望ましい。具体的には、当該カメラは、金属ステム10上の上記ガラスペーストの塗布面であるダイアフラム11の外面に、自動焦点するものであることが望ましい。
Further, it is desirable that the camera has an autofocus function. Specifically, it is desirable that the camera automatically focuses on the outer surface of the
また、圧力センサにおける焼成後の接合部材20および応力吸収材40の形状も上記に記載のCCDカメラ、CMOSカメラ等を用いた立体(3D)寸法計測手段によって検査ができる。
Further, the shapes of the bonded
[効果等]
ところで、本実施形態によれば、接合部材20のうち半導体素子30の外周側に位置する部位と、半導体素子30の直下に位置する部位とでは、前者の方が応力吸収材40との合計厚さt2によって厚いものとされている。そのため、上記両部位のうち前者の方が後者に比べて、上記熱膨張係数差に起因する金属ステム10からの応力によって、変位しにくいものとなる。
[Effects]
By the way, according to this embodiment, in the part located in the outer peripheral side of the
より具体的に言うと、本実施形態では、接合部材20であるガラスが溶融から冷却過程で固化することにより半導体素子30を金属ステム10に接合している。従って、半導体素子30および接合部材20には、金属ステム10の収縮に伴う熱応力が発生する。ここで、本実施形態では、応力吸収材40を半導体素子30の外周側に構成することにより当該熱応力を低減するようにしている。
More specifically, in this embodiment, the
すなわち、金属ステム10の方が半導体素子30よりも熱膨張係数が大きいため、当該冷却過程では、半導体素子30よりも金属ステム10の方が大きく収縮する。このことにより、半導体素子30直下の接合部材20には、圧力センサの中心(ダイアフラム11の中心)方向へ引張応力が作用する。
That is, since the
一方、接合部材20のうち半導体素子30の外周側に位置する部位は、応力吸収材40との合計厚さt2によって厚いものとされ、上記引張応力によって変位しにくいものとなっているから、接合部材20に作用する引張応力は、全体的に相殺される。そのため、接合部材20や半導体素子30に作用する引張応力が低減し、これら部材20、30において亀裂および破壊が無い接合が実現する。
On the other hand, the portion located on the outer peripheral side of the
このように、本実施形態によれば、接合部材20と金属ステム10との熱膨張差に起因する熱応力を低減して、接合部材20および半導体素子30に発生する亀裂や破壊を抑制し、製品の信頼性を向上させることができる。
Thus, according to the present embodiment, the thermal stress due to the difference in thermal expansion between the joining
また、本実施形態によれば、接合部材20のうち半導体素子30の直下に位置する部位では、従来通りに接合部材20の厚さを薄くできるので、金属ステム10のダイアフラム11の歪みを、半導体素子30によって感度良く検出できる。こうして、本実施形態によれば、センサ感度を確保しつつ製品の信頼性を向上させることができる。
Further, according to the present embodiment, since the thickness of the
そして、本実施形態によれば、接合部材20および応力吸収材40の熱膨張係数を、半導体素子30の熱膨張係数以上、且つ金属ステム10の熱膨張係数以下とすることで、上記効果を適切に発揮するようにしている。
And according to this embodiment, the said effect is appropriate by making the thermal expansion coefficient of the joining
また、本実施形態では、半導体素子30の外周側にて、応力吸収材40を、連続した環状をなしているものとしている。これによれば、半導体素子30の外側の全周において応力吸収材40による上記効果が発揮される。
In the present embodiment, the
また、応力吸収材40は半導体素子30と接触して配置されていてもよいが、本実施形態では、応力吸収材40は、半導体素子30と離間して配置されている。このように離間配置形態を採用することにより、接触配置形態を採用する場合に比べて、応力吸収材40からの応力を半導体素子30が受けにくくなり、半導体素子30の感度を確保しやすくなるという利点がある。
Further, although the
また、本実施形態では、金属ステム10を、ステンレスよりなるものにすることで、従来のコバール製の金属ステムに比べて、耐圧性に優れ高圧測定に適した圧力センサを提供できる。そして、このような高圧タイプの圧力センサにおいて上記した応力吸収材40による効果を発揮することができる。
Moreover, in this embodiment, the
次に、上記熱応力を低減して接合部材20および半導体素子30に発生する亀裂や破壊を抑制するという本実施形態の効果について、図3、図4に示される実施例1〜18および比較例1、2を参照して、より具体的に述べる。ここで、比較例1、2は、応力吸収材40を省略した構成のものである。
Next, Examples 1 to 18 shown in FIG. 3 and FIG. 4 and Comparative Examples shown in FIG. 3 and FIG. A more specific description will be given with reference to FIGS. Here, Comparative Examples 1 and 2 have a configuration in which the
この図3、図4の例では、ガラスペーストの調製は以下のように行った。ここでは、接合部材20および応力吸収材40のガラスペースト原料となるガラスフリットとして、V2O5、P2O5、TeO2、Fe2O3を用いた。
In the examples of FIGS. 3 and 4, the glass paste was prepared as follows. Here, V 2 O 5 , P 2 O 5 , TeO 2 , and Fe 2 O 3 were used as the glass frit used as the glass paste raw material for the
ガラスフリットの組成は、酸化物換算でVが50重量%、Pが15重量%、Teが25重量%、Feが10重量%となるようにした。上記した各酸化物を上記組成となるように調合し、混合した。 The composition of the glass frit was such that V was 50% by weight, P was 15% by weight, Te was 25% by weight, and Fe was 10% by weight in terms of oxide. The above oxides were prepared and mixed so as to have the above composition.
そして、この混合した原料をPtるつぼに入れ、焼成炉で10℃/分で昇温し、900〜950℃で1時間保持して、ガラスを得た。この得られたガラスをPtるつぼから取り出し、その後、粉砕処理により粒径20μm未満まで粉砕した。次いで、篩(ふるい)通しを行って、粒度3μmのガラスフリットを得た。 And this mixed raw material was put into the Pt crucible, it heated up at 10 degree-C / min with the baking furnace, and it hold | maintained at 900-950 degreeC for 1 hour, and obtained glass. The obtained glass was taken out from the Pt crucible and then pulverized to a particle size of less than 20 μm by pulverization. Subsequently, a sieve was passed to obtain a glass frit having a particle size of 3 μm.
次に、接合部材20および応力吸収材40において熱膨張係数を制御する材料であるフィラーを用意し、各フィラーと上記した粒度3μmのガラスフリットとを混合して種々の混合粉を得た。ここで、フィラーとしては、リン酸ジルコン酸タングステン(Zr2WP2O12)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化タングステン(WO3)を用いた。
Next, fillers, which are materials for controlling the thermal expansion coefficient, were prepared in the
そして、上記混合粉をガラスペーストとするために、上記混合粉に、溶媒として、ブチルカルビレートアセテート、バインダーとしてエチルセルロースを添加して混合し、ガラスペーストを得た。 And in order to make the said mixed powder into a glass paste, butyl carbyl acetate as a solvent and ethyl cellulose as a binder were added and mixed to the said mixed powder, and the glass paste was obtained.
図3、図4の例では、ガラスフリットとしては同一組成のものとし、フィラーの添加量を異ならせたガラスペーストを作製することにより、熱膨張係数の異なる種々の接合部材20および応力吸収材40を形成するようにした。
3 and 4, the glass frit has the same composition, and
そして、図3、図4の例では、接合部材20および応力吸収材40となるガラスペーストは、上記溶媒の添加量によって10〜50Pa・sに粘度調整し、これを、ディスペンサー装置を用いて、SUS430よりなる金属ステム10のダイアフラム11上に塗布した。
And in the example of FIG. 3, FIG. 4, the glass paste used as the joining
そして、この塗布されたガラスペーストについて、上記した本実施形態の第1の例または第2の例の製造方法を適用し、乾燥、加熱による溶融および固化を行うことにより、接合部材20および応力吸収材40を形成した。
And about this apply | coated glass paste, the manufacturing method of the 1st example or 2nd example of this embodiment mentioned above is applied, and it melts and solidifies by drying, heating, and joining
図3、図4の各実施例1〜18および比較例1、2では、接合部材20の熱膨張係数は、56×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)で一定とし、接合部材20の厚さt1は、金属ステム10の表面すなわちダイアフラム11表面を基準として50〜100μmの範囲で制御した。
In each of Examples 1 to 18 and Comparative Examples 1 and 2 in FIGS. 3 and 4, the thermal expansion coefficient of the joining
また、応力吸収材40の熱膨張係数は、49〜69×10−7/℃(20℃〜300℃の範囲にて)の範囲で変えていき、応力吸収材40の厚さt3は50〜150μmの範囲で制御した。なお、半導体素子30の厚さは、すべての例において100μmとした。これら、半導体素子30、接合部材20の厚さは、この種の圧力センサとして典型的な厚さである。
Moreover, the thermal expansion coefficient of the
そして、各例について、接合後における半導体素子30および接合部材20に発生した亀裂や破壊を調査した。その結果、図3、図4に示されるように、実施例1〜18では、半導体素子30や接合部材20に亀裂や破壊は見られず、評価サンプルすべてにおいて接合形態が確保されたのに対し、応力吸収材20を省略した構成の比較例1、2では、半導体素子30や接合部材40に亀裂や破壊が発生した。
And about each example, the crack and destruction which generate | occur | produced in the
このように、本実施形態によれば、高圧タイプに適したステンレスよりなる金属ステム10を用いた場合においても、接合ガラスよりなる接合部材20を介して、半導体素子30を金属ステム10に適切に接合できるのである。
Thus, according to this embodiment, even when the
(他の実施形態)
なお、上記実施形態では、半導体素子30の外周側にて、応力吸収材40は連続した環状に配置されたものであったが、これに限定されるものではなく、たとえば断続的に環状に配置されたものであってもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、半導体素子30は平面矩形の板状であったが、半導体素子30としては、平面形状が円形、または、角部がR加工された多角形であってもよい。半導体素子30が平面矩形の場合、角部に上記熱応力が集中しやすく、当該角部に亀裂が発生しやすい。その点、半導体素子30を円形板状もしくは角部がR加工された多角形板状のものとすれば、半導体素子30における上記熱応力集中を抑制しやすい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、接合部材20および応力吸収材40は、主成分が無機ガラスよりなるものとしたが、当該主成分としては、アルミナやシリカ等の酸化物であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the joining
また、上記製造方法において、ディスペンサー装置による各ガラスペーストの塗布形状及び圧力センサにおける焼成後の接合部材20および応力吸収材40の形状の検査を行う場合、立体(3D)寸法計測手段によって、ペースト形状検査を行ってもよい。それによれば、より高速で高精度な形状判定が可能となる。このような立体(3D)寸法計測は、たとえば光切断法に基づくものである。
Moreover, in the said manufacturing method, when test | inspecting the application shape of each glass paste by a dispenser apparatus, and the shape of the joining
また、上記した各実施形態同士の組み合わせ以外にも、上記各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせてもよく、また、上記各実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。 In addition to the combination of the above-described embodiments, the above-described embodiments may be appropriately combined within the possible range, and the above-described embodiments are not limited to the illustrated examples.
10 金属ステム
11 ダイアフラム
20 接合部材
30 半導体素子
40 応力吸収材
t1 接合部材の厚さ
t2 接合部材とその上に位置する応力吸収材との合計厚さ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記ダイアフラム上に設けられた接合部材(20)と、
前記接合部材上に設けられて前記接合部材を介して前記ダイアフラムに接合され、前記ダイアフラムの歪みを検出する半導体素子(30)と、を備え、
前記接合部材上にて、前記半導体素子の外周側には、前記接合部材と前記金属ステムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収する応力吸収材(40)が、設けられており、
前記応力吸収材は、前記接合部材に固定されていると共に、前記半導体素子と離間して配置されており、
前記接合部材のうち前記半導体素子の外周側に位置する部位と当該部位上に位置する前記応力吸収材との合計厚さ(t2)は、前記接合部材のうち前記半導体素子の直下に位置する部位の厚さ(t1)よりも厚いものとされていることを特徴とする圧力センサ。 A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
A joining member (20) provided on the diaphragm;
A semiconductor element (30) provided on the joining member, joined to the diaphragm via the joining member, and detecting distortion of the diaphragm;
On the bonding member, a stress absorbing material (40) that absorbs thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the bonding member and the metal stem is provided on the outer peripheral side of the semiconductor element. ,
The stress absorbing material, as well is fixed to the joining member, it is disposed apart from the semiconductor element,
The total thickness (t2) of the part located on the outer peripheral side of the semiconductor element in the joining member and the stress absorbing material located on the part is the part located directly below the semiconductor element in the joining member A pressure sensor characterized by being thicker than the thickness (t1).
前記ダイアフラム上に設けられた接合部材(20)と、
前記接合部材上に設けられて前記接合部材を介して前記ダイアフラムに接合され、前記ダイアフラムの歪みを検出する半導体素子(30)と、を備え、
前記接合部材上にて、前記半導体素子の外周側には、前記接合部材と前記金属ステムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収する応力吸収材(40)が、設けられており、
前記応力吸収材は前記接合部材に固定されており、
前記接合部材のうち前記半導体素子の外周側に位置する部位と当該部位上に位置する前記応力吸収材との合計厚さ(t2)は、前記接合部材のうち前記半導体素子の直下に位置する部位の厚さ(t1)よりも厚いものとされている圧力センサの製造方法であって、
前記金属ステム、前記半導体素子、前記接合部材の素材としての第1のガラスペースト、および、前記応力吸収材の素材としての第2のガラスペーストを用意する用意工程と、
前記第1のガラスペーストを前記ダイアフラム上に塗布し、これを熱処理することにより溶融して固化させ、前記接合部材を形成する第1の工程と、
前記接合部材のうち前記半導体素子の外周側に位置する部位に、前記第2のガラスペーストを塗布する第2の工程と、
前記接合部材上にて前記第2のガラスペーストの内側に前記半導体素子を設置し、熱処理することにより、前記第2のガラスペーストを溶融して固化させて前記応力吸収材を形成するとともに、前記接合部材を再溶融して固化させて前記半導体素子と前記接合部材とを接合する第3の工程と、を備えることを特徴とする圧力センサの製造方法。 A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
A joining member (20) provided on the diaphragm;
A semiconductor element (30) provided on the joining member, joined to the diaphragm via the joining member, and detecting distortion of the diaphragm;
On the bonding member, a stress absorbing material (40) that absorbs thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the bonding member and the metal stem is provided on the outer peripheral side of the semiconductor element. ,
The stress absorbing material is fixed to the joining member,
The total thickness (t2) of the part located on the outer peripheral side of the semiconductor element in the joining member and the stress absorbing material located on the part is the part located directly below the semiconductor element in the joining member A pressure sensor manufacturing method that is thicker than the thickness (t1) of
A preparation step of preparing the metal stem, the semiconductor element, a first glass paste as a material of the joining member, and a second glass paste as a material of the stress absorber;
Applying the first glass paste on the diaphragm, heat-treating it to melt and solidify it, and forming the joining member;
A second step of applying the second glass paste to a portion of the bonding member located on the outer peripheral side of the semiconductor element;
The semiconductor element is placed on the inside of the second glass paste on the bonding member, and heat-treated to melt and solidify the second glass paste to form the stress absorbing material, and And a third step of bonding the semiconductor element and the bonding member by re-melting and solidifying the bonding member.
前記ダイアフラム上に設けられた接合部材(20)と、
前記接合部材上に設けられて前記接合部材を介して前記ダイアフラムに接合され、前記ダイアフラムの歪みを検出する半導体素子(30)と、を備え、
前記接合部材上にて、前記半導体素子の外周側には、前記接合部材と前記金属ステムとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を吸収する応力吸収材(40)が、設けられており、
前記応力吸収材は前記接合部材に固定されており、
前記接合部材のうち前記半導体素子の外周側に位置する部位と当該部位上に位置する前記応力吸収材との合計厚さ(t2)は、前記接合部材のうち前記半導体素子の直下に位置する部位の厚さ(t1)よりも厚いものとされている圧力センサの製造方法であって、
前記金属ステム、前記半導体素子、前記接合部材の素材としての第1のガラスペースト、および、前記応力吸収材の素材としての第2のガラスペーストを用意する用意工程と、
前記第1のガラスペーストを前記ダイアフラム上に塗布して乾燥させることにより第1の固形物を得る第1の工程と、
前記第1の固形物のうち前記半導体素子の外周側に位置する部位に、前記第2のガラスペーストを塗布して乾燥させることにより第2の固形物を得る第2の工程と、 前記第1の固形物上にて、前記第2の固形物の内側に前記半導体素子を設置し、熱処理することにより、前記第1の固形物を溶融して固化させて前記接合部材を形成し、前記半導体素子と前記接合部材とを接合するとともに、前記第2の固形物を溶融して固化させて前記応力吸収材を形成する第3の工程と、を備えることを特徴とする圧力センサの製造方法。 A metal stem (10) having a diaphragm (11) for pressure detection;
A joining member (20) provided on the diaphragm;
A semiconductor element (30) provided on the joining member, joined to the diaphragm via the joining member, and detecting distortion of the diaphragm;
On the bonding member, a stress absorbing material (40) that absorbs thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the bonding member and the metal stem is provided on the outer peripheral side of the semiconductor element. ,
The stress absorbing material is fixed to the joining member,
The total thickness (t2) of the part located on the outer peripheral side of the semiconductor element in the joining member and the stress absorbing material located on the part is the part located directly below the semiconductor element in the joining member A pressure sensor manufacturing method that is thicker than the thickness (t1) of
A preparation step of preparing the metal stem, the semiconductor element, a first glass paste as a material of the joining member, and a second glass paste as a material of the stress absorber;
A first step of obtaining a first solid by applying and drying the first glass paste on the diaphragm; and
A second step of obtaining a second solid material by applying the second glass paste to a portion of the first solid material located on an outer peripheral side of the semiconductor element and drying the first solid material; On the solid material, the semiconductor element is placed inside the second solid material and subjected to heat treatment to melt and solidify the first solid material, thereby forming the joining member. And a third step of bonding the element and the bonding member and melting and solidifying the second solid material to form the stress absorbing material.
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