JP6111637B2 - Temperature sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、高温環境での使用が可能になるフィルム型サーミスタ温度センサである温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法に関する。 The present invention relates to a temperature sensor that is a film-type thermistor temperature sensor that can be used in a high temperature environment, a manufacturing method thereof, and a lead frame connection method.
温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いＢ定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ等の遷移金属酸化物が一般的である（特許文献１及び２参照）。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、６００℃以上の焼成が必要である。 A thermistor material used for a temperature sensor or the like is required to have a high B constant for high accuracy and high sensitivity. Conventionally, transition metal oxides such as Mn, Co, and Fe are generally used for such thermistor materials (see Patent Documents 1 and 2). In addition, these thermistor materials require firing at 600 ° C. or higher in order to obtain stable thermistor characteristics.
また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献３では、一般式：ＭｘＡｙＮｚ（但し、ＭはＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ及びＺｒの少なくとも１種、ＡはＡｌ，Ｓｉ及びＢの少なくとも１種を示す。０．１≦ｘ≦０．８、０＜ｙ≦０．６、０．１≦ｚ≦０．８、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献３では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料で、０．５≦ｘ≦０．８、０．１≦ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．７、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１としたものだけが実施例として記載されている。このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理を行っている。さらに、このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料は、熱酸化膜付きシリコン、アルミナ、ガラス等の基材上に成膜される。 In addition to the thermistor material composed of the metal oxide as described above, for example, in Patent Document 3, the general formula: M x A y N z (where M is at least one of Ta, Nb, Cr, Ti, and Zr) , A represents at least one of Al, Si, and B. 0.1 ≦ x ≦ 0.8, 0 <y ≦ 0.6, 0.1 ≦ z ≦ 0.8, x + y + z = 1) A thermistor material made of nitride has been proposed. Moreover, in this patent document 3, it is Ta-Al-N type material, 0.5 <= x <= 0.8, 0.1 <= y <= 0.5, 0.2 <= z <= 0.7, x + y + z = 1. Only those described above are described as examples. This Ta—Al—N-based material is produced by performing sputtering in a nitrogen gas-containing atmosphere using a material containing the above elements as a target. Moreover, the obtained thin film is heat-processed at 350-600 degreeC as needed. Furthermore, this Ta—Al—N-based material is formed on a base material such as silicon with thermal oxide film, alumina, or glass.
一方、例えば特許文献４には、フレキシブルプリント基板に構成部品を実装する際、構成部品のリードフレームとフレキシブルプリント基板の銅箔とに短波長である第二高調波のレーザ光を照射し、フレキシブルプリント基板を貫通させて銅箔とリードフレームとをレーザ溶接する方法が示されている。 On the other hand, for example, in Patent Document 4, when mounting a component on a flexible printed circuit board, the lead frame of the component part and the copper foil of the flexible printed circuit board are irradiated with a second harmonic laser beam having a short wavelength to A method of laser welding a copper foil and a lead frame through a printed board is shown.
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
近年、樹脂フィルム上に薄膜状のサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、０．１ｍｍ程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
また、このようなフィルム型サーミスタセンサを作製する場合、樹脂フィルムに形成されたサーミスタ材料層とリードフレームとを接続するため、樹脂フィルム上にサーミスタ材料層と接続されたパターン電極をパターン形成し、このパターン電極とリードフレームとを接合する必要がある。しかしながら、従来のリードフレームの一般的な接続方法であるはんだ材での接合を行った場合、周囲温度が２００℃を超える高温環境下で使用すると、はんだの融点に近いために接合に問題が生じる。
このため、近年、高温用との電子部品の接続方法として微細溶接が普及しており、その中でも特許文献４に記載のようなレーザ溶接を採用することも考えられる。このようなレーザ溶接は、被接合体の表面状態に影響され難いことや、接合強度が高いこと、さらに微小な領域を溶接できるなどのメリットがある。しかしながら、従来、上記レーザ溶接を行う場合、特許文献４のように比較的厚い銅箔を対象にレーザ溶接を行うが、０．５μｍ以下の非常に薄いパターン電極にレーザ光を照射して該パターン電極にリードフレームをレーザ溶接すると、パターン電極が溶接時に熱で蒸発してしまう不都合があった。なお、パターン電極を銅箔のように厚くすると、大きな段差になって平坦性が損なわれると共に、熱容量が大きくなってしまう問題がある。逆に、リードフレーム側からレーザ光を照射して溶接した場合、パターン電極が非常に薄いためにリードフレームが深く溶け込めずに十分な接合強度が得られない。さらに、リードフレーム上にオーバーモールド樹脂を塗布すると、大きな段差が形成されてしまう不都合があった。
The following problems remain in the conventional technology.
In recent years, development of a film type thermistor sensor in which a thin film thermistor material is formed on a resin film has been studied, and development of a thermistor material that can be directly formed on a film is desired. That is, it is expected that a flexible thermistor sensor can be obtained by using a film. Furthermore, although development of a very thin thermistor sensor having a thickness of about 0.1 mm is desired, conventionally, a substrate material using a ceramic material such as alumina is often used. For example, to a thickness of 0.1 mm However, if the film is made thin, there is a problem that it is very brittle and easily broken. However, it is expected that a very thin thermistor sensor can be obtained by using a film.
Also, when producing such a film type thermistor sensor, in order to connect the thermistor material layer formed on the resin film and the lead frame, the pattern electrode connected to the thermistor material layer is patterned on the resin film, It is necessary to join the pattern electrode and the lead frame. However, when joining with a solder material, which is a general connection method of a conventional lead frame, when used in a high temperature environment where the ambient temperature exceeds 200 ° C., there is a problem in joining because it is close to the melting point of the solder. .
For this reason, in recent years, fine welding has become widespread as a method for connecting electronic components for high temperature use. Among them, laser welding as described in Patent Document 4 can be considered. Such laser welding is advantageous in that it is not easily affected by the surface state of the object to be joined, the joint strength is high, and a minute region can be welded. However, conventionally, when laser welding is performed, laser welding is performed on a relatively thick copper foil as in Patent Document 4, and the pattern is obtained by irradiating a very thin pattern electrode of 0.5 μm or less with laser light. When the lead frame is laser-welded to the electrode, there is a problem that the pattern electrode evaporates due to heat during welding. When the pattern electrode is made thick like a copper foil, there is a problem that a large step is formed, flatness is impaired, and heat capacity is increased. Conversely, when welding is performed by irradiating a laser beam from the lead frame side, the pattern electrode is very thin, so that the lead frame does not melt deeply and sufficient bonding strength cannot be obtained. Furthermore, when overmold resin is applied on the lead frame, there is a disadvantage that a large step is formed.
一方、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が１５０℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも２００℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために６００℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献３に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料の実施例において、Ｂ定数：５００〜３０００Ｋ程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。 On the other hand, a film made of a resin material generally has a heat resistant temperature as low as 150 ° C. or lower, and even a polyimide known as a material having a relatively high heat resistant temperature has only a heat resistance of about 200 ° C. In the case where heat treatment is applied, application is difficult. The conventional oxide thermistor material requires firing at 600 ° C. or higher in order to realize desired thermistor characteristics, and there is a problem that a film type thermistor sensor directly formed on a film cannot be realized. Therefore, it is desired to develop a thermistor material that can be directly film-formed without firing, but even with the thermistor material described in Patent Document 3, the obtained thin film can be obtained as necessary in order to obtain desired thermistor characteristics. It was necessary to perform heat treatment at 350 to 600 ° C. Further, in this example of the thermistor material, a material having a B constant of about 500 to 3000 K is obtained in the example of the Ta-Al-N material, but there is no description regarding heat resistance, and the thermal reliability of the nitride material. Sex was unknown.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、パターン電極とリードフレームとの高い接合強度が得られ高温環境下でも温度測定が可能な温度センサ及びその製造方法並びにリードフレームの接続方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a temperature sensor capable of obtaining a high bonding strength between a pattern electrode and a lead frame and capable of measuring a temperature even in a high temperature environment, a manufacturing method thereof, and a lead frame connecting method. The purpose is to provide.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールを介して前記一対のパターン電極に接続された一対のリードフレームとを備え、前記一対のリードフレームが、前記ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されていることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the temperature sensor according to the first invention includes an insulating film, a thin film thermistor portion patterned with the thermistor material on the surface of the insulating film, and a plurality of at least one above and below the thin film thermistor portion. A pair of comb-shaped electrodes that have a comb portion and are opposed to each other, a pair of pattern electrodes that are connected to the pair of comb-shaped electrodes and patterned on the surface of the insulating film, and the insulating film And a pair of lead frames connected to the pair of pattern electrodes through via holes formed in the insulating film on the opposite side of the pair of pattern electrodes. Is welded to the metal material embedded in the via hole.
この温度センサでは、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されているので、ビアホール内の厚い金属材料がリードフレームと溶接され、パターン電極の厚さによらずに高い接合強度を得ることができる。また、溶接部がビアホール内であるため、測定面（薄膜サーミスタ部側の表面）の平坦性を損なうこともない。したがって、はんだ材よりも溶接状態で融点の高い金属材料を用いることで、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。 In this temperature sensor, a pair of lead frames are welded to the metal material embedded in the via hole, so that the thick metal material in the via hole is welded to the lead frame, resulting in high bonding strength regardless of the thickness of the pattern electrode. Can be obtained. Further, since the welded portion is in the via hole, the flatness of the measurement surface (the surface on the thin film thermistor portion side) is not impaired. Therefore, by using a metal material having a higher melting point in the welded state than the solder material, it is possible to obtain a higher bonding strength than the solder bonding, enabling temperature measurement in a high temperature environment, and a flat measurement surface. As a result, the accuracy of temperature measurement is improved.
第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記絶縁性フィルムが帯状に形成され、前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムの一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が前記絶縁性フィルムの他端側まで前記絶縁性フィルムに沿って延在し、少なくとも前記リードフレームの前記溶接した部分から先端までが、前記絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、少なくともリードフレームの溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われているので、リードフレームの先端側と保護シートとによって絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。また、リードフレームの接続部分を外部応力から保護するために該接続部分に形成するオーバーモールド樹脂が不要になる。
The temperature sensor according to a second aspect of the present invention is the temperature sensor according to the first aspect, wherein the insulating film is formed in a band shape, and the lead frame is welded at one end side of the insulating film and more than the welded portion. Insulating protection in which the tip side extends along the insulating film to the other end side of the insulating film, and at least the welded portion of the lead frame to the tip is adhered to the back surface of the insulating film It is covered with a sheet.
That is, in this temperature sensor, at least from the welded portion of the lead frame to the tip is covered with an insulating protective sheet adhered to the back surface of the insulating film, the leading edge side of the lead frame and the protective sheet The rigidity of the insulating film can be improved. Moreover, in order to protect the connection portion of the lead frame from external stress, an overmold resin formed on the connection portion is not necessary.
第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。 Temperature sensor according to the third invention, in the first or second invention, the thin film thermistor portion has the general formula: Ti x Al y N z ( 0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95,0 4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), and the crystal structure thereof is a hexagonal wurtzite single phase.
本発明者らは、窒化物材料の中でもＡｌＮ系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるＡｌＮは、最適なサーミスタ特性（Ｂ定数：１０００〜６０００Ｋ程度）を得ることが難しいため、Ａｌサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なＢ定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
The inventors of the present invention focused on the AlN system among the nitride materials and made extensive research. As a result, it is difficult for AlN as an insulator to obtain optimum thermistor characteristics (B constant: about 1000 to 6000 K). For this reason, it was found that by replacing the Al site with a specific metal element that improves electrical conduction and having a specific crystal structure, a good B constant and heat resistance can be obtained without firing.
Therefore, the present invention has been obtained from the above findings, and the thin film thermistor portion has a general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), and its crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase, so that a good B constant can be obtained without firing and a high heat resistance. It has sex.
なお、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．７０未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、ＮａＣｌ型相との共存相又はＮａＣｌ型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５を超えると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。
When the above “y / (x + y)” (ie, Al / (Ti + Al)) is less than 0.70, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and a coexisting phase with an NaCl type phase or an NaCl type phase Therefore, a sufficiently high resistance and a high B constant cannot be obtained.
Further, if the above “y / (x + y)” (that is, Al / (Ti + Al)) exceeds 0.95, the resistivity is very high and the insulating property is extremely high, so that it cannot be applied as a thermistor material.
Further, when the “z” (that is, N / (Ti + Al + N)) is less than 0.4, since the amount of metal nitriding is small, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and a sufficiently high resistance and high B A constant cannot be obtained.
Furthermore, when the “z” (that is, N / (Ti + Al + N)) exceeds 0.5, a wurtzite single phase cannot be obtained. This is because in the wurtzite type single phase, the correct stoichiometric ratio when there is no defect at the nitrogen site is N / (Ti + Al + N) = 0.5.
第４の発明に係る温度センサの製造方法は、第１から第３の発明のいずれかに係る温度センサを製造する方法であって、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で薄膜サーミスタ部をパターン形成する工程と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向して一対の櫛型電極をパターン形成する工程と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面に一対のパターン電極をパターン形成する工程と、前記一対のパターン電極の直下の前記絶縁性フィルムに金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とがレーザ溶接されることで、高い接合強度が得られると共に接合部が表面に段差を形成せず、測定面の平坦性を確保することができる。また、リードフレームが厚くても直接裏面側からリードフレームにレーザ光を照射するよりも容易に溶接が可能になる。
A temperature sensor manufacturing method according to a fourth invention is a method for manufacturing a temperature sensor according to any of the first to third inventions, wherein a thin film thermistor portion is patterned with a thermistor material on the surface of the insulating film. Forming a pair of comb electrodes opposite to each other and having a plurality of comb portions above and below the thin film thermistor portion, connected to the pair of comb electrodes, and A step of patterning a pair of pattern electrodes on the surface of the insulating film, a step of forming a via hole in which a metal material is embedded in the insulating film immediately below the pair of pattern electrodes, and a back surface of the insulating film In the state where the lead frame is arranged directly under the via hole, the via hole is formed on the metal material in the via hole from the surface side of the insulating film. Characterized in that it has a step of laser welding said metal material and said lead frame by irradiating a laser beam with a small spot diameter than the diameter of the Le.
That is, in this temperature sensor manufacturing method, the lead frame and the metal material are laser welded by irradiating the metal material in the via hole with a laser beam with a spot diameter smaller than the diameter of the via hole from the surface side of the insulating film. By laser welding the lead frame and the metal material in the via hole, high bonding strength can be obtained and the bonding portion does not form a step on the surface, and the flatness of the measurement surface can be ensured. Even if the lead frame is thick, welding can be performed more easily than when the lead frame is directly irradiated with laser light from the back surface side.
第５の発明に係る温度センサの製造方法は、第４の発明において、前記レーザ溶接する工程の前に、一対の前記ビアホールの間の前記絶縁性フィルムにスリットを形成しておくことを特徴とする。
すなわち、この温度センサの製造方法では、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールの間の絶縁性フィルムにスリットを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリットが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
A temperature sensor manufacturing method according to a fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, a slit is formed in the insulating film between the pair of via holes before the laser welding step. To do.
That is, in this temperature sensor manufacturing method, since the slit is formed in the insulating film between the pair of via holes before the laser welding step, the slit heat-insulates between the adjacent welded portions. When laser welding is performed, it is possible to prevent the heat from affecting the other welded portion.
第６の発明に係るリードフレームの接続方法は、絶縁性フィルムの表面にパターン形成されたパターン電極とリードフレームとを接続する方法であって、前記パターン電極の直下に金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有していることを特徴とする。
すなわち、このリードフレームの接続方法では、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a lead frame connecting method for connecting a pattern electrode patterned on the surface of an insulating film and a lead frame, wherein a via hole is embedded with a metal material directly under the pattern electrode. And in a state where the lead frame is disposed on the back surface of the insulating film and directly below the via hole, the metal material in the via hole is made larger than the diameter of the via hole from the surface side of the insulating film. And a step of laser welding the lead frame and the metal material by irradiating a laser beam with a small spot diameter.
That is, in this lead frame connection method, the lead frame and the metal material are laser welded by irradiating the metal material in the via hole with a laser beam with a spot diameter smaller than the diameter of the via hole from the surface side of the insulating film. By welding the lead frame and the metal material in the via hole, it is possible to obtain a high bonding strength, and the bonding portion does not form a step on the surface, thereby ensuring flatness.
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームが、ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接されているので、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。
また、本発明に係る温度センサの製造方法及びリードフレームの接続方法によれば、ビアホール内の金属材料に絶縁性フィルムの表面側からビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射してリードフレームと金属材料とをレーザ溶接するので、ビアホール内でリードフレームと金属材料とが溶接されることで、高い接合強度を得ることが可能であると共に接合部が表面に段差を形成せず、平坦性を確保することができる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサは、測定環境が高温になる電子機器の温度、特に熱定着ローラの温度測定に好適である。
The present invention has the following effects.
That is, according to the temperature sensor according to the present invention, since the pair of lead frames are welded to the metal material embedded in the via hole, it is possible to obtain higher joint strength than solder joint, and in a high temperature environment. The temperature can be measured and a flat measurement surface can be obtained to improve the accuracy of temperature measurement.
According to the temperature sensor manufacturing method and lead frame connecting method of the present invention, the lead is obtained by irradiating the metal material in the via hole with a laser beam with a spot diameter smaller than the diameter of the via hole from the surface side of the insulating film. Since the frame and the metal material are laser welded, the lead frame and the metal material are welded in the via hole, so that a high bonding strength can be obtained and the bonding portion does not form a step on the surface and is flat. Sex can be secured.
Furthermore, the thin film thermistor portion is formed by metal nitriding represented by the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1). By using a material that has a hexagonal wurtzite type single phase and has a crystal structure, a good B constant can be obtained without firing, and high heat resistance can be obtained.
Therefore, the temperature sensor of the present invention is suitable for measuring the temperature of an electronic device where the measurement environment is high, particularly the temperature of a heat fixing roller.
以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１から図１０を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, a temperature sensor according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that in some of the drawings used for the following description, the scale is appropriately changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.
本実施形態の温度センサ１は、フィルム型サーミスタセンサであって、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極４に接続され絶縁性フィルム２の表面にパターン形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルム２の裏面であって一対のパターン電極５の反対側に配され該絶縁性フィルム２に形成されたビアホールＨを介して一対のパターン電極５に接続された一対のリードフレーム６とを備えている。 The temperature sensor 1 of the present embodiment is a film type thermistor sensor, and as shown in FIGS. 1 and 2, an insulating film 2 and a thin film thermistor patterned on the surface of the insulating film 2 with a thermistor material. Part 3, a pair of comb electrodes 4 having a plurality of comb parts 4 a on the thin film thermistor part 3 and patterned to face each other, and the surface of the insulating film 2 connected to the pair of comb electrodes 4 A pair of pattern electrodes 5 and a pair of pattern electrodes via via holes H formed on the back surface of the insulating film 2 on the opposite side of the pair of pattern electrodes 5 and formed in the insulating film 2 And a pair of lead frames 6 connected to 5.
上記一対のビアホールＨを除いて少なくとも薄膜サーミスタ部３の表面には、保護膜７が形成されている。この保護膜７は、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆って絶縁性フィルム２の表面に形成されている。 A protective film 7 is formed on at least the surface of the thin film thermistor portion 3 except for the pair of via holes H. The protective film 7 is formed on the surface of the insulating film 2 so as to cover the thin film thermistor portion 3, the comb electrode 4, and the pattern electrode 5.
上記一対のリードフレーム６は、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されている。すなわち、リードフレーム６の先端部は、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍとレーザ溶接により接合されている。
上記金属材料Ｍは、例えばニッケル等であり、電解めっきで形成されている。なお、無電解めっきにより、金属材料ＭをビアホールＨ内に埋め込んでも構わない。
さらに、この温度センサ１では、絶縁性フィルム２の裏面側にリードフレーム６の接合部分を覆ってオーバーモールド樹脂が塗布され、オーバーモールド樹脂部８が形成されている。このオーバーモールド樹脂部８は、リードフレーム６の接続部分を外部応力から保護するために形成している。
The pair of lead frames 6 are welded to the metal material M embedded in the via hole H. That is, the leading end of the lead frame 6 is joined to the metal material M embedded in the via hole H by laser welding.
The metal material M is, for example, nickel and is formed by electrolytic plating. Note that the metal material M may be embedded in the via hole H by electroless plating.
Further, in this temperature sensor 1, overmold resin is applied to the back surface side of the insulating film 2 so as to cover the joint portion of the lead frame 6, thereby forming the overmold resin portion 8. The overmold resin portion 8 is formed to protect the connection portion of the lead frame 6 from external stress.
上記絶縁性フィルム２は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも構わない。
この絶縁性フィルム２の一端側にビアホールＨが形成され、他端側に薄膜サーミスタ部３が形成されている。
また、前記絶縁性フィルム２には、一対のビアホールＨの間にスリット２ａが形成されている。
The insulating film 2 is formed in a band shape with, for example, a polyimide resin sheet having a thickness of 7.5 to 125 μm. In addition, as the insulating film 2, PET: polyethylene terephthalate, PEN: polyethylene naphthalate, or the like may be used.
A via hole H is formed on one end side of the insulating film 2, and a thin film thermistor portion 3 is formed on the other end side.
In addition, a slit 2 a is formed between the pair of via holes H in the insulating film 2.
上記薄膜サーミスタ部３は、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。 The thin film thermistor portion 3 is formed of a TiAlN thermistor material. In particular, the thin film thermistor portion 3 is a metal represented by the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1). It consists of nitride and its crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase.
上記パターン電極５及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。なお、薄膜サーミスタ部３の下に櫛型電極４を形成しても構わない。
一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。
The pattern electrode 5 and the comb-shaped electrode 4 are formed on the thin film thermistor portion 3 with a thickness of 5 to 100 nm of a Cr or NiCr bonding layer and a noble metal such as Au on the bonding layer with a thickness of 50 to 1000 nm. And an electrode layer formed. Note that the comb electrode 4 may be formed under the thin film thermistor portion 3.
The pair of comb-shaped electrodes 4 has a comb-shaped pattern in which comb portions 4a are arranged alternately and arranged in opposition to each other.
一対のパターン電極５は、櫛型電極４に先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム２の一端部に形成されたビアホールＨに達している。
上記保護膜７は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。
The pair of pattern electrodes 5 has a tip end connected to the comb-shaped electrode 4 and a base end reaching a via hole H formed at one end of the insulating film 2.
The protective film 7 is an insulating resin film or the like, for example, a polyimide film having a thickness of 20 μm is employed.
上記薄膜サーミスタ部３は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図３に示すように、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。
As described above, the thin film thermistor portion 3 is a metal nitride material, and has a general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal crystal system with a single phase of wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)) is there. That is, this metal nitride material has a composition in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Ti—Al—N ternary phase diagram as shown in FIG. It is a metal nitride that is a wurtzite type.
In addition, each composition ratio (x, y, z) (atomic%) of the points A, B, C, and D is A (15, 35, 50), B (2.5, 47.5, 50), C (3, 57, 40), D (18, 42, 40).
また、この薄膜サーミスタ部３は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。
The thin film thermistor portion 3 is a columnar crystal that is formed in a film shape of, for example, a film thickness of 100 to 1000 nm and extends in a direction perpendicular to the surface of the film. Further, it is preferable that the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface.
Whether the a-axis orientation (100) is strong or the c-axis orientation (002) is strong in the direction perpendicular to the film surface (film thickness direction) is determined using X-ray diffraction (XRD). By examining the orientation, from the peak intensity ratio of (100) (Miller index indicating a-axis orientation) and (002) (Miller index indicating c-axis alignment), “(100) peak intensity” / “(( 002) peak intensity ”is less than 1.
この温度センサ１の製造方法について、図４から図１１を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２上に一対のパターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２上に薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆って保護膜７を形成する保護膜形成工程と、一対のパターン電極５の直下の絶縁性フィルム２に金属材料Ｍが埋め込まれたビアホールＨを形成するビアホール形成工程と、各センサに切断すると共にスリット２ａを形成するスリット切断工程と、金属材料Ｍにレーザ光Ｌを照射してリードフレーム６を溶接するレーザ溶接工程とを有している。
A method for manufacturing the temperature sensor 1 will be described below with reference to FIGS.
The manufacturing method of the temperature sensor 1 of the present embodiment includes a thin film thermistor portion forming step of patterning the thin film thermistor portion 3 on the insulating film 2 and a pair of comb-shaped electrodes 4 facing each other on the thin film thermistor portion 3. Then, an electrode forming step of patterning a pair of pattern electrodes 5 on the insulating film 2 and a protective film 7 is formed on the insulating film 2 so as to cover the thin film thermistor portion 3, the comb electrode 4 and the pattern electrode 5. A protective film forming step, a via hole forming step for forming a via hole H in which the metal material M is embedded in the insulating film 2 directly below the pair of pattern electrodes 5, and a slit cutting step for cutting each sensor and forming the slit 2a. And a laser welding process of welding the lead frame 6 by irradiating the metal material M with the laser beam L.
より具体的な製造方法の例としては、厚さ４０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、ＴｉｘＡｌｙＮｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。 As a more specific example of the manufacturing method, Ti x Al y is used by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target on a 40 μm-thick polyimide insulating film 2. A thermistor film of N z (x = 9, y = 43, z = 48) is formed with a film thickness of 200 nm. The sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 5 × 10 −6 Pa, a sputtering gas pressure of 0.4 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 20 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉｘＡｌｙＮｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図４に示すように、レジスト剥離にて３００×４００μｍの薄膜サーミスタ部３にした。 A resist solution is applied onto the deposited thermistor film with a bar coater, pre-baked at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, exposed to light with an exposure apparatus, and unnecessary portions are removed with a developer, and further at 150 ° C. Patterning is performed by post-baking for minutes. Thereafter, the thermistor film unnecessary Ti x Al y N z by wet etching in a commercial Ti etchant, as shown in FIG. 4, and the thin film thermistor portion 3 of 300 × 400 [mu] m with a resist peeling.
なお、絶縁性フィルム２には、予めビアホール用の一対のフィルム貫通孔Ｈ０が一端側に形成されている。また、絶縁性フィルム２は、複数の温度センサ１を同時に作製するために、この時点では、大判シート状に形成されている。本実施形態では、２個の温度センサ１を同時作製する工程を示す。したがって、図４では、センサ２つ分の絶縁性フィルム２に、２つの薄膜サーミスタ部３と、２対のフィルム貫通孔Ｈ０とが形成されている。 The insulating film 2 has a pair of via holes H0 for via holes formed on one end side in advance. In addition, the insulating film 2 is formed in a large sheet at this point in order to simultaneously produce a plurality of temperature sensors 1. In the present embodiment, a process of simultaneously producing two temperature sensors 1 is shown. Therefore, in FIG. 4, two thin film thermistor portions 3 and two pairs of film through holes H0 are formed in the insulating film 2 for two sensors.
次に、薄膜サーミスタ部３及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。 Next, a 20 nm-thick Cr film bonding layer is formed on the thin film thermistor portion 3 and the insulating film 2 by sputtering. Further, an Au film electrode layer is formed to a thickness of 200 nm on this bonding layer by sputtering.
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図５に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極４及びパターン電極５を形成する。
なお、パターン電極５の基端部は、対応するフィルム貫通孔Ｈ０まで達している。また、上記パターン電極５を形成する際に、２対のフィルム貫通孔Ｈ０を直列に接続する電解めっき用パターン５ａも後述する電解めっき用に形成しておく。
Next, after applying a resist solution on the electrode layer formed by a bar coater, pre-baking was performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions were removed with a developer, and 150 ° C. Then, patterning is performed by post-baking for 5 minutes. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched in the order of commercially available Au etchant and Cr etchant, and as shown in FIG. 5, desired comb electrodes 4 and pattern electrodes 5 are formed by resist stripping.
Note that the base end portion of the pattern electrode 5 reaches the corresponding film through hole H0. Moreover, when forming the said pattern electrode 5, the pattern 5a for electroplating which connects two pairs of film through-holes H0 in series is also formed for the electroplating mentioned later.
次に、その上にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、１５０℃で１０分のキュアを行い、図６に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜７を形成する。なお、この保護膜７にも、ビアホール用の保護膜貫通孔Ｈ１を予め形成しておき、保護膜貫通孔Ｈ１をフィルム貫通孔Ｈ０の直上に配して保護膜７を形成する。 Next, a polyimide varnish is applied thereon by a printing method and cured at 150 ° C. for 10 minutes to form a polyimide protective film 7 having a thickness of 20 μm as shown in FIG. A protective film through hole H1 for a via hole is formed in advance in the protective film 7, and the protective film 7 is formed by arranging the protective film through hole H1 directly above the film through hole H0.
次に、図７に示すように、保護膜貫通孔Ｈ１内に電解めっき用パターン５ａを用いて電解めっきにより、Ｎｉの厚付けめっきを行ってＮｉの金属材料Ｍが埋め込まれたビアホールＨを形成する。すなわち、ビアホールＨ内の金属材料Ｍは、パターン電極５に接続されていると共に、少なくとも絶縁性フィルム２の厚さ以上の厚さを有している。なお、ビアホールＨに埋め込む金属材料Ｍとしては、レーザ溶接後にはんだ材よりも融点の高い溶接部を形成するものであれば、他の金属材料でも構わない。
さらに、図８に示すように、各温度センサに分けるため絶縁性フィルム２を切断して切り離しを行う。この際、一対のビアホールＨの間でスリット２ａも形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a via hole H in which Ni metal material M is embedded is formed by electrolytic plating using electrolytic plating pattern 5a in protective film through-hole H1. To do. That is, the metal material M in the via hole H is connected to the pattern electrode 5 and has a thickness at least equal to or greater than the thickness of the insulating film 2. The metal material M embedded in the via hole H may be another metal material as long as it forms a welded portion having a melting point higher than that of the solder material after laser welding.
Furthermore, as shown in FIG. 8, in order to divide into each temperature sensor, the insulating film 2 is cut and separated. At this time, a slit 2 a is also formed between the pair of via holes H.
次に、図９及び図１０に示すように、厚さ０．１５ｍｍのリードフレーム６の先端部をビアホールＨの直下に配して、ビアホールＨ側（保護膜７側）からレーザ光Ｌを照射してレーザ溶接を行う。この際のレーザ溶接の条件は、レーザ光Ｌの波長５３２ｎｍ、出力２００Ｗ、パルス幅０．２ｍｓとする。また、レーザ光Ｌのスポット径は、ビアホールＨの内径よりも小さく設定される。
レーザ溶接後に、溶接部分を覆うようにリードフレーム６の先端部と絶縁性フィルム２の一端側とにオーバーモールド樹脂を塗布し、１５０℃、１０分のキュアを行い、オーバーモールド樹脂部８を形成する。これにより、図１及び図２に示すように、リードフレーム６が固定された温度センサ１が作製される。
Next, as shown in FIGS. 9 and 10, the tip of the lead frame 6 having a thickness of 0.15 mm is disposed directly under the via hole H, and the laser beam L is irradiated from the via hole H side (the protective film 7 side). Then, laser welding is performed. The laser welding conditions at this time are a wavelength of laser beam L of 532 nm, an output of 200 W, and a pulse width of 0.2 ms. The spot diameter of the laser beam L is set smaller than the inner diameter of the via hole H.
After laser welding, overmold resin is applied to the tip of the lead frame 6 and one end of the insulating film 2 so as to cover the welded portion, and then cured at 150 ° C. for 10 minutes to form the overmold resin portion 8. To do. Thereby, as shown in FIG.1 and FIG.2, the temperature sensor 1 with which the lead frame 6 was fixed is produced.
このように本実施形態の温度センサ１では、一対のリードフレーム６が、ビアホールＨに埋め込まれた金属材料Ｍと溶接されているので、ビアホールＨ内の厚い金属材料Ｍがリードフレーム６と溶接され、パターン電極５の厚さによらずに高い接合強度を得ることができる。また、溶接部がビアホールＨ内であるため、測定面（薄膜サーミスタ部３側の表面）の平坦性を損なうこともない。したがって、はんだ材よりも溶接状態で融点の高い金属材料Ｍを用いることで、はんだ接合よりも高い接合強度を得ることが可能で高温環境下での温度測定が可能になると共に、平坦な測定面が得られ、温度測定の精度が向上する。 As described above, in the temperature sensor 1 of the present embodiment, the pair of lead frames 6 are welded to the metal material M embedded in the via hole H, so that the thick metal material M in the via hole H is welded to the lead frame 6. A high bonding strength can be obtained regardless of the thickness of the pattern electrode 5. Further, since the welded portion is in the via hole H, the flatness of the measurement surface (the surface on the thin film thermistor portion 3 side) is not impaired. Therefore, by using the metal material M having a higher melting point in the welded state than the solder material, it is possible to obtain a bonding strength higher than that of the solder bonding, and it is possible to measure the temperature in a high temperature environment, and a flat measurement surface. And the accuracy of temperature measurement is improved.
また、ビアホールＨ内の金属材料Ｍに絶縁性フィルム２の表面側からビアホールＨの径よりも小さいスポット径でレーザ光Ｌを照射してリードフレーム６と金属材料Ｍとをレーザ溶接するので、ビアホールＨ内でリードフレーム６と金属材料Ｍとが溶接されることで、高い接合強度が得られると共に接合部が表面に段差を形成せず、測定面の平坦性を確保することができる。また、リードフレーム６が厚くても直接裏面側からリードフレーム６にレーザ光Ｌを照射するよりも容易に溶接が可能になる。
さらに、レーザ溶接する工程の前に、一対のビアホールＨの間の絶縁性フィルム２にスリット２ａを形成しておくので、隣接する溶接部間をスリット２ａが断熱することで、一方をレーザ溶接する際、その熱が他方の溶接部に影響を与えることを防ぐことができる。
Further, since the metal material M in the via hole H is irradiated with the laser beam L with a spot diameter smaller than the diameter of the via hole H from the surface side of the insulating film 2, the lead frame 6 and the metal material M are laser-welded. By welding the lead frame 6 and the metal material M in H, high joint strength can be obtained, and the joint does not form a step on the surface, and the flatness of the measurement surface can be ensured. Further, even if the lead frame 6 is thick, welding can be performed more easily than when the laser light L is directly applied to the lead frame 6 from the back side.
Furthermore, since the slit 2a is formed in the insulating film 2 between the pair of via holes H before the laser welding step, the slit 2a insulates between the adjacent welded portions, so that one of the two is laser welded. At that time, the heat can be prevented from affecting the other welded portion.
また、薄膜サーミスタ部３が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。
The thin-film thermistor portion 3 has the general formula: metal represented by Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95,0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) Since it is made of nitride and its crystal structure is a hexagonal crystal system and is a wurtzite single phase, it has a good B constant without firing and has high heat resistance.
In addition, since this metal nitride material is a columnar crystal extending in a direction perpendicular to the surface of the film, the film has high crystallinity and high heat resistance can be obtained.
Further, in this metal nitride material, by aligning the c-axis more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface, a higher B constant can be obtained than when the a-axis alignment is strong.
なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の製造方法では、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記ＴｉＡｌＮからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
In the method for manufacturing the thermistor material layer (thin film thermistor portion 3) of the present embodiment, since the film is formed by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target, the above-mentioned TiAlN is used. The metal nitride material can be formed without firing.
Further, by setting the sputtering gas pressure in reactive sputtering to less than 0.67 Pa, a metal nitride material film in which the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface is formed. be able to.
したがって、本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム２上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部３が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部３により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム２を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ０．１ｍｍの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサを得ることができる。
Therefore, in the temperature sensor 1 of the present embodiment, since the thin film thermistor portion 3 is formed of the thermistor material layer on the insulating film 2, the thin film thermistor portion 3 is formed without firing and has a high B constant and high heat resistance. Thus, an insulating film 2 having low heat resistance such as a resin film can be used, and a thin and flexible thermistor sensor having good thermistor characteristics can be obtained.
In addition, substrate materials using ceramics such as alumina are often used in the past. For example, when the thickness is reduced to 0.1 mm, the substrate material is very brittle and easily broken. Therefore, as described above, for example, a very thin film type thermistor sensor having a thickness of 0.1 mm can be obtained.
次に、本発明に係る温度センサ及びその製造方法の第２実施形態について、図１１及び図１２を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。 Next, a second embodiment of the temperature sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Note that, in the following description of the embodiment, the same components described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、リードフレーム６の先端部が絶縁性フィルム２の一端側に配されてレーザ溶接されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図１１及び図１２に示すように、リードフレーム６が、絶縁性フィルム２の一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が絶縁性フィルム２の他端側まで絶縁性フィルム２に沿って延在している点である。 The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, the tip portion of the lead frame 6 is disposed on one end side of the insulating film 2 and laser-welded, whereas the second embodiment is different from the second embodiment. In the temperature sensor 21 of the embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, the lead frame 6 is welded on one end side of the insulating film 2 and the tip side is other than the insulating film 2 from the welded portion. It is a point that extends along the insulating film 2 to the end side.
また、第２実施形態では、少なくともリードフレーム６の溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルム２の裏面に接着された絶縁性の保護シート２７で覆われている点でも第１実施形態と異なっている。すなわち、第２実施形態では、オーバーモールド樹脂部８を形成せず、絶縁性フィルム２の裏面全体を覆って保護シート２７が貼り付けられている。この保護シート２７は、接着層を有するポリイミドフィルムである。 The second embodiment differs from the first embodiment in that at least the welded portion of the lead frame 6 to the tip is covered with an insulating protective sheet 27 adhered to the back surface of the insulating film 2. ing. That is, in 2nd Embodiment, the overmold resin part 8 is not formed, but the protective sheet 27 is affixed so that the whole back surface of the insulating film 2 may be covered. This protective sheet 27 is a polyimide film having an adhesive layer.
このように第２実施形態の温度センサ２１では、少なくともリードフレーム６の溶接した部分から先端までが、絶縁性フィルム２の裏面に接着された絶縁性の保護シート２７で覆われているので、リードフレーム６の先端側と保護シート２７とによって絶縁性フィルム２の剛性を向上させることができる。また、オーバーモールド樹脂による接合部分の保護が不要になる。 As described above, in the temperature sensor 21 according to the second embodiment, at least the welded portion to the tip of the lead frame 6 is covered with the insulating protective sheet 27 adhered to the back surface of the insulating film 2. The rigidity of the insulating film 2 can be improved by the front end side of the frame 6 and the protective sheet 27. Further, it is not necessary to protect the joint portion with the overmold resin.
次に、本発明に係る温度センサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図１３から図２１を参照して具体的に説明する。 Next, the results of evaluating the temperature sensor according to the present invention by the example produced based on the above embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
＜膜評価用素子の作製＞
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３）の評価を行う実施例及び比較例として、図１３に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部３を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。
<Production of film evaluation element>
As examples and comparative examples for evaluating the thermistor material layer (thin film thermistor portion 3) of the present invention, a film evaluation element 121 shown in FIG. 13 was produced as follows.
First, by reactive sputtering, Ti—Al alloy targets having various composition ratios are used to form Si substrates S on a Si wafer with a thermal oxide film at various composition ratios shown in Table 1 having a thickness of 500 nm. A thin film thermistor portion 3 of the formed metal nitride material was formed. The sputtering conditions at that time were: ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.1 to 1 Pa, target input power (output): 100 to 500 W, in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas The nitrogen gas fraction was changed to 10 to 100%.
次に、上記薄膜サーミスタ部３の上に、スパッタ法でＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＡｕ膜を１００ｎｍ形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部１２４ａを有するパターン電極１２４を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、Ｂ定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子１２１とした。
なお、比較としてＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
Next, a 20 nm Cr film was formed on the thin film thermistor portion 3 by sputtering, and a 100 nm Au film was further formed. Further, after applying a resist solution thereon with a spin coater, pre-baking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds. After exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developing solution, and post-baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Then, patterning was performed. Thereafter, unnecessary electrode portions were wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and a patterned electrode 124 having a desired comb-shaped electrode portion 124a was formed by resist stripping. Then, this was diced into chips to obtain a film evaluation element 121 for B constant evaluation and heat resistance test.
For comparison, comparative examples in which the composition ratio of Ti x Al y N z is out of the scope of the present invention and the crystal system is different were similarly prepared and evaluated.
＜膜の評価＞
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。
<Evaluation of membrane>
(1) Composition analysis About the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method, the elemental analysis was conducted by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this XPS, quantitative analysis was performed on the sputtered surface having a depth of 20 nm from the outermost surface by Ar sputtering. The results are shown in Table 1. In addition, the composition ratio in the following table | surface is shown by "atomic%".
なお、上記Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、Ｘ線源をＭｇＫα（３５０Ｗ）とし、パスエネルギー：５８．５ｅＶ、測定間隔：０．１２５ｅＶ、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の定量精度は±２％、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の定量精度は±１％ある。 In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the X-ray source is MgKα (350 W), the path energy is 58.5 eV, the measurement interval is 0.125 eV, the photoelectron extraction angle with respect to the sample surface is 45 deg, and the analysis area is about Quantitative analysis was performed under the condition of 800 μmφ. As for the quantitative accuracy, the quantitative accuracy of N / (Ti + Al + N) is ± 2%, and the quantitative accuracy of Al / (Ti + Al) is ± 1%.
（２）比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。
(2) Specific resistance measurement About the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method, the specific resistance in 25 degreeC was measured by the 4 terminal method. The results are shown in Table 1.
(3) B constant measurement The resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC of the element 121 for film | membrane evaluation was measured within the thermostat, and B constant was computed from the resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC. The results are shown in Table 1.
なお、本発明におけるＢ定数算出方法は、上述したように２５℃と５０℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示
In addition, the B constant calculation method in this invention is calculated | required by the following formula | equation from each resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC as mentioned above.
B constant (K) = ln (R25 / R50) / (1 / T25-1 / T50)
R25 (Ω): resistance value at 25 ° C. R50 (Ω): resistance value at 50 ° C. T25 (K): 298.15K 25 ° C. is displayed as an absolute temperature T50 (K): 323.15K 50 ° C. is displayed as an absolute temperature
これらの結果からわかるように、ＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が図３に示す３元系の三角図において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内、すなわち、「０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」となる領域内の実施例全てで、抵抗率：１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数：１５００Ｋ以上のサーミスタ特性が達成されている。 As can be seen from these results, the composition ratio of Ti x Al y N z is within the region surrounded by the points A, B, C, and D in the ternary triangular diagram shown in FIG. ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1 ”, thermistor characteristics of resistivity: 100 Ωcm or more, B constant: 1500 K or more Has been achieved.
上記結果から２５℃での抵抗率とＢ定数との関係を示したグラフを、図１４に示す。また、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示したグラフを、図１５に示す。これらのグラフから、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．７〜０．９５、かつ、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．４〜０．５の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数が１５００Ｋ以上の高抵抗かつ高Ｂ定数の領域が実現できている。なお、図１５のデータにおいて、同じＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比に対して、Ｂ定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。 FIG. 14 shows a graph showing the relationship between the resistivity at 25 ° C. and the B constant based on the above results. FIG. 15 shows a graph showing the relationship between the Al / (Ti + Al) ratio and the B constant. From these graphs, in the region of Al / (Ti + Al) = 0.7 to 0.95 and N / (Ti + Al + N) = 0.4 to 0.5, the wurtzite single crystal system is hexagonal. As a phase, a high resistance and high B constant region having a specific resistance value at 25 ° C. of 100 Ωcm or more and a B constant of 1500 K or more can be realized. In the data of FIG. 15, the B constant varies for the same Al / (Ti + Al) ratio because the amount of nitrogen in the crystal is different.
表１に示す比較例３〜１２は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域であり、結晶系は立方晶のＮａＣｌ型となっている。また、比較例１２（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６７）では、ＮａＣｌ型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域では、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ未満、Ｂ定数が１５００Ｋ未満であり、低抵抗かつ低Ｂ定数の領域であった。 Comparative Examples 3 to 12 shown in Table 1 are regions of Al / (Ti + Al) <0.7, and the crystal system is a cubic NaCl type. In Comparative Example 12 (Al / (Ti + Al) = 0.67), the NaCl type and the wurtzite type coexist. Thus, in the region of Al / (Ti + Al) <0.7, the specific resistance value at 25 ° C. was less than 100 Ωcm, the B constant was less than 1500 K, and the region was low resistance and low B constant.
表１に示す比較例１，２は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）が４０％に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例１，２は、ＮａＣｌ型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、Ｂ定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。 Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1 are regions where N / (Ti + Al + N) is less than 40%, and the metal is in a crystalline state with insufficient nitriding. In Comparative Examples 1 and 2, neither the NaCl type nor the wurtzite type was in a state of very poor crystallinity. Further, in these comparative examples, it was found that both the B constant and the resistance value were very small and close to the metallic behavior.
（４）薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。一部のサンプルについては、入射角を０度とし、２θ＝２０〜１００度の範囲で測定した。
(4) Thin film X-ray diffraction (identification of crystal phase)
The crystal phase of the thin film thermistor part 3 obtained by the reactive sputtering method was identified by grazing incidence X-ray diffraction (Grazing Incidence X-ray Diffraction). This thin film X-ray diffraction was a small angle X-ray diffraction experiment, and the measurement was performed in the range of 2θ = 20 to 130 degrees with Cu as the tube, the incident angle of 1 degree. Some samples were measured in the range of 2θ = 20 to 100 degrees with an incident angle of 0 degrees.
その結果、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７の領域においては、ウルツ鉱型相（六方晶、ＡｌＮと同じ相）であり、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．６５の領域においては、ＮａＣｌ型相（立方晶、ＴｉＮと同じ相）であった。また、０．６５＜ Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７においては、ウルツ鉱型相とＮａＣｌ型相との共存する結晶相であった。 As a result, in the region of Al / (Ti + Al) ≧ 0.7, it is a wurtzite type phase (hexagonal crystal, the same phase as AlN), and in the region of Al / (Ti + Al) <0.65, the NaCl type phase. (Cubic, same phase as TiN). Further, in the case of 0.65 <Al / (Ti + Al) <0.7, it was a crystal phase in which the wurtzite type phase and the NaCl type phase coexist.
このようにＴｉＡｌＮ系においては、高抵抗かつ高Ｂ定数の領域は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
Thus, in the TiAlN system, a region having a high resistance and a high B constant exists in the wurtzite phase of Al / (Ti + Al) ≧ 0.7. In the examples of the present invention, the impurity phase is not confirmed, and is a wurtzite type single phase.
In Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1, the crystal phase was neither the wurtzite type phase nor the NaCl type phase as described above, and could not be identified in this test. Further, these comparative examples were materials with very poor crystallinity because the peak width of XRD was very wide. This is considered to be a metal phase with insufficient nitriding because it is close to a metallic behavior due to electrical characteristics.
次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Ｓｉ基板Ｓ上に垂直な方向（膜厚方向）の結晶軸においてａ軸配向性が強いか、ｃ軸配向性が強いかであるかについて、ＸＲＤを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比を測定した。 Next, all the examples of the present invention are films of wurtzite type phase, and since the orientation is strong, is the a-axis orientation strong in the crystal axis in the direction perpendicular to the Si substrate S (film thickness direction)? Whether the c-axis orientation is strong was investigated using XRD. At this time, in order to investigate the orientation of the crystal axis, the peak intensity ratio between (100) (Miller index indicating a-axis orientation) and (002) (Miller index indicating c-axis orientation) was measured.
その結果、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ未満で成膜された実施例は、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強く、ａ軸配向性よりｃ軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ以上で成膜された実施例は、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、ｃ軸配向よりａ軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
As a result, the example in which the film was formed at a sputtering gas pressure of less than 0.67 Pa was a film having a (002) strength much stronger than (100) and a stronger c-axis orientation than a-axis orientation. . On the other hand, the example in which the film was formed at a sputtering gas pressure of 0.67 Pa or higher was a material having a (100) strength much stronger than (002) and a a-axis orientation stronger than the c-axis orientation.
In addition, even if it formed into a film on the polyimide film on the same film-forming conditions, it confirmed that the single phase of the wurtzite type phase was formed similarly. Moreover, even if it forms into a film on a polyimide film on the same film-forming conditions, it has confirmed that orientation does not change.
ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１６に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１７に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。
An example of the XRD profile of an example with strong c-axis orientation is shown in FIG. In this example, Al / (Ti + Al) = 0.84 (wurtzite type, hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. As can be seen from this result, in this example, the intensity of (002) is much stronger than (100).
Moreover, an example of the XRD profile of an Example with a strong a-axis orientation is shown in FIG. In this example, Al / (Ti + Al) = 0.83 (wurtzite type, hexagonal crystal), and the incident angle was measured as 1 degree. As can be seen from this result, in this example, the intensity of (100) is much stronger than (002).
さらに、この実施例について、入射角を０度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中（＊）は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している（なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。）。 Further, for this example, the symmetric reflection measurement was performed with the incident angle set to 0 degree. In the graph, (*) is a peak derived from the device, and it is confirmed that it is not the peak of the sample body or the peak of the impurity phase (in addition, the peak disappears in the symmetric reflection measurement). It can be seen that the peak is derived from the apparatus.)
なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１８に示す。この比較例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６（ＮａＣｌ型、立方晶）であり、入射角を１度として測定した。ウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））として指数付けできるピークは検出されておらず、ＮａＣｌ型単独相であることを確認した。 An example of the XRD profile of the comparative example is shown in FIG. In this comparative example, Al / (Ti + Al) = 0.6 (NaCl type, cubic crystal), and the incident angle was 1 degree. A peak that could be indexed as a wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)) was not detected, and it was confirmed to be a NaCl type single phase.
次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表２及び図１９に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。
Next, the correlation between the crystal structure and the electrical characteristics was further compared in detail for the example of the present invention which is a wurtzite type material.
As shown in Table 2 and FIG. 19, a material in which the crystal axis having a strong degree of orientation in the direction perpendicular to the substrate surface is the c-axis with respect to the Al / (Ti + Al) ratio being substantially the same ratio (Examples 5, 7, 8, 9) and a material which is a-axis (Examples 19, 20, 21).
これら両者を比較すると、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比が同じであると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、Ｂ定数が１００Ｋ程度大きいことがわかる。また、Ｎ量（Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））に着目すると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比：Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることから、ｃ軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。 Comparing the two, it can be seen that when the Al / (Ti + Al) ratio is the same, the material having a strong c-axis orientation has a larger B constant by about 100K than the material having a strong a-axis orientation. Further, when focusing attention on the N amount (N / (Ti + Al + N)), it can be seen that the material having a strong c-axis orientation has a slightly larger amount of nitrogen than the material having a strong a-axis orientation. Since the ideal stoichiometric ratio: N / (Ti + Al + N) = 0.5, it can be seen that a material with a strong c-axis orientation is an ideal material with a small amount of nitrogen defects.
＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部３の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２０に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３における断面ＳＥＭ写真を、図２１に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。
<Evaluation of crystal form>
Next, as an example showing the crystal form in the cross section of the thin film thermistor part 3, an example (Al / (Ti + Al) = 0.84 wurtzite type, hexagonal crystal formed on the Si substrate S with a thermal oxide film, FIG. 20 shows a cross-sectional SEM photograph of the thin film thermistor portion 3 having a strong c-axis orientation. FIG. 21 shows a cross-sectional SEM photograph of the thin film thermistor portion 3 of another example (Al / (Ti + Al) = 0.83, wurtzite hexagonal crystal, strong a-axis orientation).
The samples of these examples are those obtained by cleaving the Si substrate S. Moreover, it is the photograph which observed the inclination at an angle of 45 degrees.
これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、ｃ軸配向が強い実施例及びａ軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断した際に生じたものである。 As can be seen from these photographs, all the examples are formed of high-density columnar crystals. That is, it has been observed that columnar crystals grow in a direction perpendicular to the substrate surface in both the embodiment with strong c-axis orientation and the embodiment with strong a-axis orientation. Note that the breakage of the columnar crystal occurred when the Si substrate S was cleaved.
＜膜の耐熱試験評価＞
表１に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
<Evaluation of heat resistance test of membrane>
In Examples and Comparative Examples shown in Table 1, resistance values and B constants before and after a heat resistance test at 125 ° C. and 1000 h in the atmosphere were evaluated. The results are shown in Table 3. For comparison, comparative examples using conventional Ta—Al—N materials were also evaluated in the same manner.
As can be seen from these results, although the Al concentration and the nitrogen concentration are different, when compared with the same B constant as that of the comparative example which is a Ta-Al-N system, the heat resistance when viewed in terms of changes in electrical characteristics before and after the heat resistance test is The Ti-Al-N system is superior. Examples 5 and 8 are materials with strong c-axis orientation, and Examples 21 and 24 are materials with strong a-axis orientation. When both are compared, the heat resistance of the example with a strong c-axis orientation is slightly improved as compared with the example with a strong a-axis orientation.
なお、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、Ｔａのイオン半径がＴｉやＡｌに比べて非常に大きいため、高濃度Ａｌ領域でウルツ鉱型相を作製することができない。ＴａＡｌＮ系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のＴｉ−Ａｌ−Ｎ系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。 Note that, in the Ta—Al—N-based material, the ionic radius of Ta is much larger than that of Ti or Al, and thus a wurtzite type phase cannot be produced in a high concentration Al region. Since the TaAlN system is not a wurtzite type phase, the Ti-Al-N system of the wurtzite type phase is considered to have better heat resistance.
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１，２１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パターン電極、６…リードフレーム、２７…保護シート、Ｈ…ビアホール、Ｍ…金属材料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 ... Temperature sensor, 2 ... Insulating film, 3 ... Thin film thermistor part, 4 ... Comb-shaped electrode, 4a ... Comb part, 5 ... Pattern electrode, 6 ... Lead frame, 27 ... Protection sheet, H ... Via hole, M ... Metal material
Claims (5)
該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、
前記絶縁性フィルムの裏面であって前記一対のパターン電極の反対側に配され該絶縁性フィルムに形成されたビアホールを介して前記一対のパターン電極に接続された一対のリードフレームと、
前記薄膜サーミスタ部、前記櫛型電極及び前記パターン電極を覆って前記絶縁性フィルムの表面に形成された保護膜とを備え、
前記絶縁性フィルムが、前記ビアホール用のフィルム貫通孔を有し、
前記保護膜が、前記フィルム貫通孔の直上に配された保護膜貫通孔を有し、
前記ビアホール内に前記絶縁性フィルムの厚さ以上の厚さで金属材料が埋め込まれ、
前記一対のリードフレームが、前記ビアホールに埋め込まれた金属材料と溶接され、
前記金属材料の溶接部が、前記ビアホール内に露出して形成されていることを特徴とする温度センサ。 An insulating film;
A thin film thermistor portion patterned with a thermistor material on the surface of the insulating film;
A pair of comb-shaped electrodes that have a plurality of comb portions on at least one of the upper and lower sides of the thin film thermistor portion and are patterned to face each other;
A pair of pattern electrodes connected to the pair of comb electrodes and patterned on the surface of the insulating film;
A pair of lead frames that are arranged on the opposite side of the pair of pattern electrodes on the back surface of the insulating film and connected to the pair of pattern electrodes via via holes formed in the insulating film ;
A protective film formed on the surface of the insulating film so as to cover the thin film thermistor portion, the comb electrode and the pattern electrode ;
The insulating film has a film through hole for the via hole,
The protective film has a protective film through-hole disposed immediately above the film through-hole,
A metal material is embedded in the via hole with a thickness equal to or greater than the thickness of the insulating film,
The pair of lead frames are welded to a metal material embedded in the via hole ,
The temperature sensor , wherein the welded portion of the metal material is exposed in the via hole .
前記絶縁性フィルムが帯状に形成され、
前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムの一端側で溶接されていると共に該溶接した部分よりも先端側が前記絶縁性フィルムの他端側まで前記絶縁性フィルムに沿って延在し、
少なくとも前記リードフレームの前記溶接した部分から先端までが、前記絶縁性フィルムの裏面に接着された絶縁性の保護シートで覆われていることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 1,
The insulating film is formed in a strip shape,
The lead frame is welded on one end side of the insulating film and the tip side of the welded part extends along the insulating film to the other end side of the insulating film;
A temperature sensor characterized in that at least the welded portion to the tip of the lead frame are covered with an insulating protective sheet adhered to the back surface of the insulating film.
前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする温度センサ。 The temperature sensor according to claim 1 or 2,
The thin film thermistor portion is a metal nitride represented by the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) A temperature sensor characterized in that its crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase.
前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で薄膜サーミスタ部をパターン形成する工程と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向して一対の櫛型電極をパターン形成する工程と、
前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの表面に一対のパターン電極をパターン形成する工程と、
前記薄膜サーミスタ部、前記櫛型電極及び前記パターン電極を覆って前記絶縁性フィルムの表面に保護膜を形成する工程と、
前記一対のパターン電極の直下の前記絶縁性フィルムに金属材料が埋め込まれたビアホールを形成する工程と、
前記絶縁性フィルムの裏面であって前記ビアホールの直下に前記リードフレームを配した状態で、前記ビアホール内の金属材料に前記絶縁性フィルムの表面側から前記ビアホールの径よりも小さいスポット径でレーザ光を照射して前記リードフレームと前記金属材料とをレーザ溶接する工程とを有し、
前記ビアホールを形成する工程で、前記絶縁性フィルムに、前記ビアホール用のフィルム貫通孔を形成しておくと共に、前記保護膜に、前記フィルム貫通孔の直上に配された保護膜貫通孔を形成しておき、前記ビアホール内に前記絶縁性フィルムの厚さ以上の厚さで前記金属材料を埋め込むことを特徴とする温度センサの製造方法。 A method for manufacturing the temperature sensor according to any one of claims 1 to 3,
Patterning a thin film thermistor portion with a thermistor material on the surface of the insulating film; and
Patterning a pair of comb-shaped electrodes facing each other and having a plurality of comb portions above and below the thin film thermistor portion; and
Patterning a pair of pattern electrodes on the surface of the insulating film connected to the pair of comb electrodes;
Forming a protective film on the surface of the insulating film so as to cover the thin film thermistor portion, the comb electrode and the pattern electrode;
Forming a via hole in which a metal material is embedded in the insulating film directly below the pair of pattern electrodes;
A laser beam with a spot diameter smaller than the diameter of the via hole from the surface side of the insulating film on the metal material in the via hole in a state where the lead frame is disposed on the back surface of the insulating film and directly below the via hole. Irradiating the lead frame and the metal material by laser welding ,
In the step of forming the via hole, a film through hole for the via hole is formed in the insulating film, and a protective film through hole arranged immediately above the film through hole is formed in the protective film. The method of manufacturing a temperature sensor , wherein the metal material is embedded in the via hole with a thickness greater than or equal to the thickness of the insulating film .
前記レーザ溶接する工程の前に、一対の前記ビアホールの間の前記絶縁性フィルムにスリットを形成しておくことを特徴とする温度センサの製造方法。 In the manufacturing method of the temperature sensor according to claim 4,
Prior to the laser welding step, a slit is formed in the insulating film between the pair of via holes.
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