JP6909354B2 - Physical quantity measuring device - Google Patents

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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Description

本発明は、たとえば圧力等の物理量を測定する物理量測定装置に関する。 The present invention relates to a physical quantity measuring device that measures a physical quantity such as pressure.

物理量測定装置とは、例えば車両などに搭載される圧力センサ、トルクセンサ、荷重センサ、推力センサなどを指し、シリコンや炭化ケイ素からなる半導体素子を実装されることで構成され、エンジンの燃料圧、ブレーキ圧、各種ガス圧、荷重圧等の測定に用いられる。 The physical quantity measuring device refers to, for example, a pressure sensor, a torque sensor, a load sensor, a thrust sensor, etc. mounted on a vehicle or the like, and is configured by mounting a semiconductor element made of silicon or silicon carbide to form an engine fuel pressure. It is used to measure brake pressure, various gas pressures, load pressures, etc.

従来の圧力センサは、通常、金属のダイアフラムに半導体素子が実装される。このダイアフラムの材質としては、シリコンに近い熱膨張係数を有するFe−Ni系合金などが使用される場合もあるが、耐力や腐食性などの観点からステンレス系のダイアフラムを使用することが求められる。 In a conventional pressure sensor, a semiconductor element is usually mounted on a metal diaphragm. As the material of this diaphragm, an Fe—Ni alloy having a coefficient of thermal expansion close to that of silicon may be used, but it is required to use a stainless steel diaphragm from the viewpoint of proof stress and corrosiveness.

また、半導体素子とダイアフラムの接合に関しては、ガラスなどの脆性材を用いて、もしくは直接接合されることが望ましい。これは、一般的な樹脂やはんだ等で接合する場合には、接合層のクリープが問題となり半導体素子上で測定する物理量が変化してしまうためである。しかしながら、ステンレスと半導体素子とは、熱膨張係数が大きく異なるため、加熱して接合後の冷却工程で接合層に大きな熱応力が発生する。この熱応力によって接合層や半導体素子の破損が発生するため、接合時にかかる熱応力をいかに緩和して接合するかが問題となっている。
上記の問題を解決するため、例えば特許文献1では、接合部材上で、半導体素子の外周側に位置する部位に主成分が無機ガラスの応力吸収材を環状に設けることが開示されている。
Further, regarding the bonding between the semiconductor element and the diaphragm, it is desirable to use a brittle material such as glass or directly bond the semiconductor element and the diaphragm. This is because when joining with a general resin, solder, or the like, creep of the joining layer becomes a problem and the physical quantity measured on the semiconductor element changes. However, since stainless steel and semiconductor elements have significantly different coefficients of thermal expansion, a large thermal stress is generated in the bonding layer in the cooling step after heating and bonding. Since the bonding layer and the semiconductor element are damaged by this thermal stress, there is a problem of how to relax the thermal stress applied at the time of bonding for bonding.
In order to solve the above problem, for example, Patent Document 1 discloses that a stress absorbing material whose main component is inorganic glass is provided in an annular shape on a portion of a bonding member located on the outer peripheral side of a semiconductor element.

特開2013−234955公報JP 2013-234955

しかしながら、特許文献1の方法では、環状に設けた応力吸収材の内周部位の下部に位置する接合層に信頼性を低下させる引張応力が発生してしまう。また、半導体素子とダイアフラムの接合において、最も熱応力の大きくなる部位は半導体素子の下部周辺の接合層部位と接合層の端部(側面)であるが、この部位には応力吸収材を形成できず熱応力を吸収しきれないため、接合部位の信頼性に課題があった。 However, in the method of Patent Document 1, tensile stress that lowers the reliability is generated in the joint layer located below the inner peripheral portion of the stress absorbing material provided in the annular shape. Further, in the bonding between the semiconductor element and the diaphragm, the part where the thermal stress is the largest is the bonding layer portion around the lower part of the semiconductor element and the end portion (side surface) of the bonding layer, and a stress absorber can be formed in this portion. Since the thermal stress cannot be completely absorbed, there is a problem in the reliability of the joint portion.

本発明に係る物理量測定装置は、半導体素子と、基台と、前記半導体素子と前記基台とを接続する接合層と、を有する物理量測定装置において、少なくとも前記接合層側面の一部が応力緩和材と接触し、前記接合層は、少なくとも2層以上であり、かつ脆性材料で構成されていることを特徴とする。 The physical quantity measuring device according to the present invention is a physical quantity measuring device having a semiconductor element, a base, and a bonding layer connecting the semiconductor element and the base, and at least a part of the side surface of the bonding layer relaxes stress. It is characterized in that the bonding layer is in contact with a material and has at least two or more layers and is composed of a brittle material .

本発明によれば、物理量測定装置の熱応力を十分に緩和することができ、長期的に信頼性の高い装置を提供することができる。 According to the present invention, the thermal stress of the physical quantity measuring device can be sufficiently relaxed, and a device having high reliability in the long term can be provided.

圧力測定装置の断面図である。It is sectional drawing of the pressure measuring apparatus. 圧力測定装置の回路図である。It is a circuit diagram of a pressure measuring device. 接合体の断面図である。It is sectional drawing of the joint body. 接合体の断面図である。It is sectional drawing of the joint body. 接合体の断面図である。It is sectional drawing of the joint body. 接合体の上面図である。It is a top view of the joined body. 応力緩和材の種類等に基づく解析値及び測定値を示す図である。It is a figure which shows the analysis value and the measured value based on the type of a stress relaxation material and the like. 応力緩和材の種類等に基づく解析値を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis value based on the type of a stress relaxation material and the like.

以下、本発明の実施形態について図1から図8を用いて詳細に説明する。本発明は、半導体素子を使用して検出する物理量であれば特に制限されるものではないが、以下では検出する物理量の一例として、圧力測定装置について述べる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 8. The present invention is not particularly limited as long as it is a physical quantity detected by using a semiconductor element, but a pressure measuring device will be described below as an example of the physical quantity to be detected.

(圧力測定装置)
図1は、圧力測定装置100の断面図である。
圧力測定装置100は、圧力ポート11と基台14とフランジ13とが形成される金属筐体10と、圧力ポート11内の圧力を測定する半導体素子15と、半導体素子15と電気的に接続される基板16と、カバー18と、外部と電気的に接続するためのコネクタ19とを備える。
(Pressure measuring device)
FIG. 1 is a cross-sectional view of the pressure measuring device 100.
The pressure measuring device 100 is electrically connected to a metal housing 10 in which a pressure port 11, a base 14, and a flange 13 are formed, a semiconductor element 15 for measuring the pressure in the pressure port 11, and the semiconductor element 15. The substrate 16 is provided with a cover 18, and a connector 19 for electrically connecting to the outside.

圧力ポート11は、軸方向の一端側(図面下側)に圧力導入口12aが形成された中空筒状の圧力導入部12haと、圧力導入部12haの軸方向の他端側(図面上側)に形成された円筒状のフランジ13とを備えている。フランジ13の中央部位には、圧力によって変形し歪を生じる基台14が立設されている。 The pressure port 11 is provided on a hollow tubular pressure introduction portion 12ha in which a pressure introduction port 12a is formed on one end side in the axial direction (lower side in the drawing) and on the other end side (upper side in the drawing) of the pressure introduction portion 12ha in the axial direction. It includes a formed cylindrical flange 13. At the central portion of the flange 13, a base 14 that is deformed by pressure and causes distortion is erected.

基台14は、圧力導入口12aから導入された圧力を受ける受圧面と、受圧面とは反対の面にセンサ搭載面とを有する。 The base 14 has a pressure receiving surface that receives the pressure introduced from the pressure introduction port 12a, and a sensor mounting surface on a surface opposite to the pressure receiving surface.

圧力ポート11の圧力導入部12haの、基台14側の半導体素子15に対向する先端部12hatは矩形形状になっており、フランジ13の中央部であって基台14の上部表面より若干低い高さの部位まで連続して穿設されている。この先端部12hatの矩形形状によって、基台14にはx方向−y方向の歪差が生じる。 The tip portion 12hat of the pressure introduction portion 12ha of the pressure port 11 facing the semiconductor element 15 on the base 14 side has a rectangular shape, and is the central portion of the flange 13 and slightly lower than the upper surface of the base 14. It is continuously drilled up to the site. Due to the rectangular shape of the tip portion 12 hat, a distortion difference in the x-direction-y direction is generated in the base 14.

半導体素子15は、基台14のセンサ搭載面上のほぼ中央部に後述する接合層を介して接合されている。半導体素子15は、シリコンチップ上に基台14の変形(歪)に応じた電気信号を出力する1つ以上の歪抵抗ブリッジ30a〜30cを備える半導体チップとして構成される。 The semiconductor element 15 is bonded to a substantially central portion on the sensor mounting surface of the base 14 via a bonding layer described later. The semiconductor element 15 is configured as a semiconductor chip including one or more strain resistance bridges 30a to 30c that output an electric signal corresponding to the deformation (distortion) of the base 14 on the silicon chip.

基板16は、半導体素子15から出力された各検出信号を増幅するアンプ、そのアンプのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するA−D変換器、そのデジタル信号に基づいて後述する補正演算を行うデジタル信号演算処理回路、各種データが格納されたメモリおよびコンデンサ17等が搭載されている。 The substrate 16 includes an amplifier that amplifies each detection signal output from the semiconductor element 15, an AD converter that converts the analog output signal of the amplifier into a digital signal, and a digital that performs a correction calculation described later based on the digital signal. It is equipped with a signal arithmetic processing circuit, a memory in which various data are stored, a capacitor 17, and the like.

カバー18の軸方向他端を閉塞する閉塞板18aの、中央よりの所定径範囲は切り欠かれており、その切欠部には例えば樹脂等により形成され、圧力測定装置100で検出された検出圧力値を外部に出力するためのコネクタ19が挿入されている。 A predetermined diameter range from the center of the closing plate 18a that closes the other end in the axial direction of the cover 18 is cut out, and the cutout portion is formed of, for example, resin or the like, and the detected pressure detected by the pressure measuring device 100. A connector 19 for outputting the value to the outside is inserted.

コネクタ19の一端はカバー18内においてカバー18に固定され、コネクタ19の他端はカバー18から外部へ露出している。 One end of the connector 19 is fixed to the cover 18 in the cover 18, and the other end of the connector 19 is exposed to the outside from the cover 18.

このコネクタ19の内部には、例えばインサート成型により挿入された棒状のターミナル20を有している。このターミナル20は、例えば電源用、接地用、信号出力用の3本で構成され、各ターミナル20の一端は基板16に接続されており、他端が図示省略の外部コネクタに接続されることによって、自動車のECU等へ配線部材を介して電気的に接続される。 Inside the connector 19, for example, a rod-shaped terminal 20 inserted by insert molding is provided. The terminal 20 is composed of, for example, three terminals, one for power supply, one for grounding, and one for signal output. One end of each terminal 20 is connected to a board 16, and the other end is connected to an external connector (not shown). , It is electrically connected to the ECU of an automobile via a wiring member.

図2は、圧力測定装置100の回路図である。半導体素子15の複数の歪抵抗ブリッジと基板16に搭載された各回路部品を示す。
歪抵抗ブリッジ30a〜30cは、それぞれ基台14の変形に応じて歪むことで抵抗値が変化する抵抗ゲージをブリッジ接続して構成されている。歪抵抗ブリッジ30a〜30cには電圧源35から電力が供給される。
FIG. 2 is a circuit diagram of the pressure measuring device 100. A plurality of strain resistance bridges of the semiconductor element 15 and each circuit component mounted on the substrate 16 are shown.
The strain resistance bridges 30a to 30c are configured by bridging resistance gauges whose resistance values change by being distorted according to the deformation of the base 14. Power is supplied to the strain resistance bridges 30a to 30c from the voltage source 35.

歪抵抗ブリッジ30a〜30cの出力信号(圧力に相当するブリッジ信号)は、アンプ(AMP)31a〜31cによって増幅され、その増幅出力信号はA−D(アナログ−デジタル)変換器(ADC)32a〜32cによってデジタル信号に変換される。 The output signals (bridge signals corresponding to pressure) of the distortion resistance bridges 30a to 30c are amplified by the amplifiers (AMP) 31a to 31c, and the amplified output signals are amplified by the amplifiers (AMP) 31a to 31c, and the amplified output signals are amplified by the AD (analog-digital) converter (ADC) 32a to. It is converted into a digital signal by 32c.

デジタル信号演算処理回路(Digital Signal Processor)33は、A−D変換器32a〜32cの出力信号に基づいて、例えば1つの歪抵抗ブリッジ30aで検出された圧力値をその他の歪抵抗ブリッジ30b、30cの検出圧力値によって補正する演算処理を行って、その補正した圧力値を圧力測定装置の検出値として出力する。デジタル信号演算処理回路33には、不揮発性メモリ34が接続されている。 Based on the output signals of the AD converters 32a to 32c, the digital signal arithmetic processing circuit (Digital Signal Processor) 33 uses, for example, the pressure value detected by one distortion resistance bridge 30a as the other distortion resistance bridges 30b, 30c. Performs arithmetic processing to be corrected by the detected pressure value of, and outputs the corrected pressure value as a detected value of the pressure measuring device. A non-volatile memory 34 is connected to the digital signal arithmetic processing circuit 33.

このデジタル信号演算処理回路33は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発性メモリ34に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や半導体素子15の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。 The digital signal arithmetic processing circuit 33 is not limited to the correction arithmetic processing, but is a specification for comparing the detected pressure values of a plurality of strain resistance bridges and storing the detected pressure values of the strain resistance bridges in the non-volatile memory 34 in advance. By comparing with the pressure value, deterioration of the device to be measured and deterioration of the semiconductor element 15 are determined, and processing such as outputting a failure signal at the time of the determination is also performed.

尚、電圧源35から歪抵抗ブリッジ30a〜30cへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路33からの各信号の出力は、図1のターミナル20を介して行われる。 The supply of electric power from the voltage source 35 to the distortion resistor bridges 30a to 30c and the output of each signal from the digital signal arithmetic processing circuit 33 are performed via the terminal 20 of FIG.

不揮発性メモリ34は、基板16に搭載された回路部品とは異なる回路チップに搭載されていてもよい。また、デジタル信号演算処理回路33の代わりに補正演算をアナログ回路で行うように構成してもよい。 The non-volatile memory 34 may be mounted on a circuit chip different from the circuit components mounted on the substrate 16. Further, the correction calculation may be performed by an analog circuit instead of the digital signal calculation processing circuit 33.

(半導体素子と基台との接合部)
図3〜図5は、半導体素子15と、接合層21と、基台14との接合体の断面を示す一例である。
(Joint part between semiconductor element and base)
3 to 5 are examples showing a cross section of a joint body of the semiconductor element 15, the bonding layer 21, and the base 14.

図3に示すように、基台14と半導体素子15とは、接合層21を介して接合されている。この例では、接合層21の側面全体が応力緩和材22で被覆されている。なお、接合層21の少なくとも側面の一部が応力緩和材22と接触する構成であってもよい。ここで接合層21の側面とは、基台14から半導体素子15を見た場合に基台14の実装面から垂直方向に位置する面のことを指す。接合層21の少なくとも側面の一部と接触する応力緩和材22が、半導体素子15と基台14の熱膨張係数差によって発生する熱応力を緩和することで、接合の信頼性を向上させている。 As shown in FIG. 3, the base 14 and the semiconductor element 15 are joined via a bonding layer 21. In this example, the entire side surface of the joint layer 21 is covered with the stress relaxation material 22. In addition, at least a part of the side surface of the joint layer 21 may be in contact with the stress relaxation material 22. Here, the side surface of the bonding layer 21 refers to a surface located in the direction perpendicular to the mounting surface of the base 14 when the semiconductor element 15 is viewed from the base 14. The stress relaxation material 22 that comes into contact with at least a part of the side surface of the joint layer 21 relaxes the thermal stress generated by the difference in the coefficient of thermal expansion between the semiconductor element 15 and the base 14, thereby improving the reliability of the joint. ..

接合層21は図4、図5に示すように一層で構成する必要はなく、複数層に分けて構成することも可能である。複数層に分けて構成する場合には、例えば、図4に示すように半導体素子15の耐熱温度以下で半導体素子15を接合する役割を有する接合層21aと、高ヤング率、且つ高絶縁性を有する接合層21bというように役割を分担して構成することができる。この場合、接合層21aは絶縁性でなくても良い。複数層に分けて構成される接合層は、少なくとも2層以上であり、かつ脆性材料で構成されもよい。接合層は、少なくとも1層以上の絶縁層を有する。 As shown in FIGS. 4 and 5, the bonding layer 21 does not need to be composed of one layer, and may be divided into a plurality of layers. When the semiconductor element 15 is divided into a plurality of layers, for example, as shown in FIG. 4, a bonding layer 21a having a role of bonding the semiconductor element 15 below the heat resistant temperature of the semiconductor element 15 and a high Young's modulus and high insulation property are provided. It can be configured by sharing roles such as the bonding layer 21b having. In this case, the bonding layer 21a does not have to be insulating. The bonding layer divided into a plurality of layers is at least two layers or more, and may be composed of a brittle material. The bonding layer has at least one or more insulating layers.

また、図5に示すように、さらに接合層21a、接合層21bに加えて、基台14と接合する役割を有する接合層21cを加えて構成することもできる。図4、図5のように複数層で構成することによって、接合層21に発生する熱応力をうまく分散できるため、接合の信頼性をさらに向上させることができる。これら接合層21は、環境への配慮から無鉛の材料で構成されることが望ましい。本実施形態でいう無鉛とは、RoHS指令(Restriction of Hazardous Substances:2006年7月1日施行)における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。接合層21の厚みは、特に規定されるものではなく、5〜500μm程度まで幅広く使用できるが、信頼性とセンサとしての出力の関係から特に好ましいのは20μm以上300μm以下である。 Further, as shown in FIG. 5, in addition to the bonding layer 21a and the bonding layer 21b, a bonding layer 21c having a role of bonding to the base 14 may be added. By forming the plurality of layers as shown in FIGS. 4 and 5, the thermal stress generated in the bonding layer 21 can be well dispersed, so that the reliability of the bonding can be further improved. It is desirable that the bonding layer 21 is made of a lead-free material in consideration of the environment. Lead-free in the present embodiment means that it is permitted to contain prohibited substances in the range of the specified value or less in the RoHS Directive (Restriction of Hazardous Substations: enforced on July 1, 2006). The thickness of the bonding layer 21 is not particularly specified and can be widely used from about 5 to 500 μm, but is particularly preferably 20 μm or more and 300 μm or less in terms of reliability and output as a sensor.

また、図6は接合体の上面図である。図3〜図5に示した、半導体素子15と、接合層21と、基台14との接合体を上面から観察した場合の一例である。この例では、接合層21の周囲であって、接合層21全体が応力緩和材22で被覆されている。図6では、接合層21の側面全体が応力緩和材22で被覆されているが、接合層21の側面の一部が応力緩和材22と接触するようにしてもよい。 Further, FIG. 6 is a top view of the joined body. This is an example of a case where the bonded body of the semiconductor element 15, the bonding layer 21, and the base 14 shown in FIGS. 3 to 5 is observed from above. In this example, the entire joint layer 21 is covered with the stress relaxation material 22 around the joint layer 21. In FIG. 6, the entire side surface of the joint layer 21 is covered with the stress relaxation material 22, but a part of the side surface of the joint layer 21 may come into contact with the stress relaxation material 22.

このように、接合層21の少なくとも側面の一部が応力緩和材22と接触する構成であり、より望ましくは、図3〜図5に示したように、接合層21の側面全体が被覆されている状態である。さらに望ましくは、図6に示したように、接合層21全体が応力緩和材22で被覆されている状態である。応力緩和材22が接合層21を覆うことで、接合層21の熱収縮を、引っ張り力で緩和する。また、半導体素子15の少なくとも側面の一部が応力緩和材22と接触している。これにより、半導体素子15に発生する熱応力を緩和することができる。 In this way, at least a part of the side surface of the joint layer 21 is in contact with the stress relaxation material 22, and more preferably, as shown in FIGS. 3 to 5, the entire side surface of the joint layer 21 is covered. It is in a state of being. More preferably, as shown in FIG. 6, the entire joint layer 21 is covered with the stress relaxation material 22. By covering the joint layer 21 with the stress relaxation material 22, the thermal shrinkage of the joint layer 21 is relaxed by a tensile force. Further, at least a part of the side surface of the semiconductor element 15 is in contact with the stress relaxation material 22. As a result, the thermal stress generated in the semiconductor element 15 can be relaxed.

半導体素子15の材料としては、特に限定されるところではないが、一般的な材料であるシリコンや炭化ケイ素を用いることができる。この際、半導体素子15の裏面には、接合層21との接着強度向上や接合時の熱応力を緩和するために薄膜層を成膜することもできる。薄膜層としては、少なくともAl、Ni、Ti、Mo、Ag、SiNが含まれることが望ましい。これによって、半導体素子15の材質が変わっても接合層21に合わせて接合することが可能となる。 The material of the semiconductor element 15 is not particularly limited, but silicon or silicon carbide, which are general materials, can be used. At this time, a thin film layer can be formed on the back surface of the semiconductor element 15 in order to improve the adhesive strength with the bonding layer 21 and alleviate the thermal stress at the time of bonding. It is desirable that the thin film layer contains at least Al, Ni, Ti, Mo, Ag, and SiN. As a result, even if the material of the semiconductor element 15 is changed, it is possible to join the semiconductor element 15 according to the bonding layer 21.

基台14の材質には、高圧や繰り返し応力にも対応できるように高耐力であること、さらに半導体素子15との熱膨張係数差を小さくするために低熱膨張特性であることが求められる。そのため、例えば、SUS系ではSUS630やSUS430、SUS420J2などが採用される。また、鉄系では鋳鉄、クロムモリブデン鋼、炭素工具鋼などを用いることができる。鉄系の材料を用いる場合には、耐食性を向上させるためにメッキなどの処理を施しても良い。メッキの種類としては特に限定されるところではないが、亜鉛ニッケル合金メッキなどが適用できる。基台14の耐力としては、400MPa(メガパスカル)以上あることが好ましい。これ以下の場合には、基台14に繰り返しの応力が発生することによって基台14の信頼性が低下する。また、基台14の熱膨張係数としては、140×10−7/℃以下であることが好ましい。これ以上の場合には、半導体素子15との熱膨張係数差が大きくなることによって接合層21で熱応力を緩和するのが難しくなり、信頼性が低下する。ここで、本実施形態における熱膨張係数とは、室温〜250℃の温度範囲での測定した値のことを指す。The material of the base 14 is required to have a high yield strength so as to be able to cope with high pressure and repeated stress, and to have a low thermal expansion characteristic in order to reduce the difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element 15. Therefore, for example, in the SUS system, SUS630, SUS430, SUS420J2 and the like are adopted. Further, in the iron system, cast iron, chrome molybdenum steel, carbon tool steel and the like can be used. When an iron-based material is used, it may be subjected to a treatment such as plating in order to improve the corrosion resistance. The type of plating is not particularly limited, but zinc-nickel alloy plating or the like can be applied. The proof stress of the base 14 is preferably 400 MPa (megapascal) or more. In the case of less than this, the reliability of the base 14 is lowered due to the repeated stress generated in the base 14. The coefficient of thermal expansion of the base 14 is preferably 140 × 10 -7 / ° C. or less. In the case of more than this, it becomes difficult to relax the thermal stress in the bonding layer 21 due to the large difference in the coefficient of thermal expansion from the semiconductor element 15, and the reliability is lowered. Here, the coefficient of thermal expansion in the present embodiment refers to a value measured in a temperature range of room temperature to 250 ° C.

接合層21は、絶縁性、且つ低クリープ特性を有するものであれば特に限定されるところではなく、樹脂材料も用いることができるが、低クリープ特性の観点からはガラスなどの脆性材が含まれることが好ましい。絶縁性が必要な理由は、自動車等へ実装時に基台14から半導体素子15へかかるノイズを抑制することができるためであり、低クリープ特性が必要な理由は、物理量を測定する半導体素子15へかかる物理量が変化しないためである。ここで、本実施形態における絶縁性とは、体積抵抗率で1010Ωcm以上のことを指す。The bonding layer 21 is not particularly limited as long as it has insulating properties and low creep characteristics, and a resin material can also be used, but from the viewpoint of low creep characteristics, a brittle material such as glass is included. Is preferable. The reason why insulation is required is that noise applied from the base 14 to the semiconductor element 15 at the time of mounting on an automobile or the like can be suppressed, and the reason why low creep characteristics are required is to the semiconductor element 15 for measuring a physical quantity. This is because the physical quantity does not change. Here, the insulating property in the present embodiment means that the volume resistivity is 10 10 Ωcm or more.

接合層21の熱膨張係数(α21)は、熱応力緩和の観点から半導体素子15の熱膨張係数(α15)以上、基台14の熱膨張係数(α14)以下であることが望ましい。すなわち、α14≧α21≧α15の関係性を満たす。また、接合層が上記のように複数層になる場合には、各層の熱膨張係数を層の上から順にα21a、α21b、α21c・・・とすると、α14≧・・・α21c≧α21b≧α21a≧α15の関係を満たすことが好ましい。From the viewpoint of thermal stress relaxation, the coefficient of thermal expansion (α 21 ) of the bonding layer 21 is preferably equal to or greater than the coefficient of thermal expansion (α 15 ) of the semiconductor element 15 and less than or equal to the coefficient of thermal expansion (α 14) of the base 14. That is, the relationship of α 14 ≧ α 21 ≧ α 15 is satisfied. Further, when the bonding layer is a plurality of layers as described above, if the coefficient of thermal expansion of each layer is α 21a, α 21b, α 21c ... In order from the top of the layer, then α 14 ≧ ... α 21c. It is preferable to satisfy the relationship of ≧ α 21b ≧ α 21a ≧ α 15.

応力緩和材22は、半導体素子15や接合層21、基台14と反応しないものであれば特に限定されるところではないが、樹脂材料のような延性材料を含むことが望ましい。低融点ガラスのような脆性材料のみで形成した場合には、応力緩和材22に発生する応力によって応力緩和材22そのものが破損する場合がある。その場合、それが接合層21や半導体素子15にも破損をもたらす場合があるため、信頼性の観点から樹脂材料のような延性材料を含むもので構成されることが望ましい。また、応力緩和材22として、基板16上の回路を保護する保護部材を援用してもよい。 The stress relaxation material 22 is not particularly limited as long as it does not react with the semiconductor element 15, the bonding layer 21, and the base 14, but it is desirable that the stress relaxation material 22 includes a ductile material such as a resin material. When it is formed only of a brittle material such as low melting point glass, the stress relaxation material 22 itself may be damaged by the stress generated in the stress relaxation material 22. In that case, since it may cause damage to the bonding layer 21 and the semiconductor element 15, it is desirable that the bonding layer 21 and the semiconductor element 15 are made of a material containing a ductile material such as a resin material from the viewpoint of reliability. Further, as the stress relaxation material 22, a protective member that protects the circuit on the substrate 16 may be used.

また、無鉛の低融点ガラスの場合には、半導体素子15の耐熱温度以下で接合できるガラス組成としてバナジウムを含むものが選択されるが、この場合には接合層21の側面を応力緩和材22で被覆した場合に絶縁性を担保できなくなる。同様の観点から、応力緩和材22は絶縁性を有することが求められる。また、樹脂材料を含むことのメリットは、樹脂材料を含むことで接合層21の接合温度よりも低温で形成できるため、接合層21との反応を抑えることができるためである。すなわち、接合層の接合温度は半導体素子の耐熱温度以下である。これにより、熱応力の大きくなる接合層21の側面や半導体素子15の側面にも応力緩和材を形成することができ、効果的に接合層21や半導体素子15に発生する熱応力を緩和することができる。 Further, in the case of lead-free low melting point glass, a glass composition containing vanadium is selected as a glass composition that can be bonded below the heat resistant temperature of the semiconductor element 15. In this case, the side surface of the bonding layer 21 is formed by a stress relaxation material 22. Insulation cannot be guaranteed when coated. From the same viewpoint, the stress relaxation material 22 is required to have an insulating property. Further, the merit of including the resin material is that the resin material can be formed at a temperature lower than the bonding temperature of the bonding layer 21, so that the reaction with the bonding layer 21 can be suppressed. That is, the bonding temperature of the bonding layer is equal to or lower than the heat resistant temperature of the semiconductor element. As a result, a stress relaxation material can be formed on the side surface of the joint layer 21 and the side surface of the semiconductor element 15 where the thermal stress becomes large, and the thermal stress generated in the joint layer 21 and the semiconductor element 15 can be effectively relaxed. Can be done.

応力緩和材22の熱膨張係数(α22)は、基台14の熱膨張係数(α14)以下であることが望ましい。より望ましくは、接合層21の熱膨張係数(α21)以上である。すなわち、α14≧α22の関係性を満たすことが望ましい。より望ましくは、α14≧α22≧α21である。熱膨張係数を上記範囲にすることで、接合時に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。It is desirable that the coefficient of thermal expansion (α 22 ) of the stress relaxation material 22 is equal to or less than the coefficient of thermal expansion (α 14) of the base 14. More preferably, it is equal to or higher than the coefficient of thermal expansion (α 21) of the bonding layer 21. That is, it is desirable to satisfy the relationship of α 14 ≧ α 22. More preferably, α 14 ≧ α 22 ≧ α 21 . By setting the coefficient of thermal expansion within the above range, the thermal stress generated at the time of joining can be effectively relaxed.

応力緩和材22のヤング率は、1.9GPa以上であることが望ましい。より望ましくは、3.9GPa以上である。これを満たすとき、接合時に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。 The Young's modulus of the stress relaxation material 22 is preferably 1.9 GPa or more. More preferably, it is 3.9 GPa or more. When this is satisfied, the thermal stress generated at the time of joining can be effectively relaxed.

応力緩和材22に含まれる樹脂材料は、結晶質あるいは非晶質どちらでも良く、また1種類でなく数種類組み合わせて使用することも可能である。樹脂材料としては、例えばポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ABS樹脂、AS樹脂、アクリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリビニルエステル等が使用できる。また、ゴムとしては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等の樹脂が使用できる。ただし、耐熱性の観点からガラス転移温度が130℃以上であることが好ましい。これ以下の温度では、外部温度によって樹脂劣化によるセンサ特性変化の可能性がある。 The resin material contained in the stress relaxation material 22 may be either crystalline or amorphous, and may be used in combination of several types instead of one type. Examples of the resin material include polyethylene, polyvinyl chloride, polypropylene, polystyrene, polyvinyl acetate, ABS resin, AS resin, acrylic resin, polyacetal resin, polyimide, polycarbonate, modified polyphenylene ether (PPE), polybutylene terephthalate (PBT), and the like. Polyarylate, polysulfone, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyimide resin, fluororesin, polyamideimide, polyether ether ketone, epoxy resin, phenol resin, polyester, polyvinyl ester and the like can be used. Further, as the rubber, resins such as fluororubber, silicone rubber, and acrylic rubber can be used. However, from the viewpoint of heat resistance, the glass transition temperature is preferably 130 ° C. or higher. At temperatures lower than this, there is a possibility that the sensor characteristics will change due to resin deterioration due to the external temperature.

応力緩和材22に含まれる部材としては、樹脂材料の他に熱膨張係数やヤング率を調整するためにセラミックスなどのフィラ材が含まれていても良い。フィラ材としては、例えばウォラストナイト、チタン酸カリウム、ゾノトライト、石膏繊維、アルミボレート、アラミド繊維、繊維状マグネシウム化合物、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ガラスフレーク、ポリオキシベジンゾイルウイスカなどを使用することができる。また、これらを複数組み合わせて使用することもできる。 The member included in the stress relaxation material 22 may include a filler material such as ceramics in order to adjust the coefficient of thermal expansion and Young's modulus in addition to the resin material. Examples of the filler material include wollastonite, potassium titanate, zonotrite, gypsum fiber, aluminum borate, aramid fiber, fibrous magnesium compound, carbon fiber, glass fiber, talc, mica, glass flakes, polyoxyvedin zoyl whisker and the like. Can be used. Further, a plurality of these can be used in combination.

上記の樹脂材料とフィラ材を好ましい熱膨張係数、ヤング率とするために組み合わせて使用することができる。また、上記の応力緩和材22は、物理量測定装置を形成する際に、他の部材を接合・封止するのと共通部材とすることもできる。その場合、工程数を削減することもできるため、その観点から樹脂材料とフィラ材を選定することも可能である。 The above resin material and filler material can be used in combination to obtain a preferable coefficient of thermal expansion and Young's modulus. Further, the stress relaxation material 22 can be used as a common member for joining / sealing other members when forming the physical quantity measuring device. In that case, since the number of steps can be reduced, it is possible to select the resin material and the filler material from that viewpoint.

(例1−3、比較例1)
以下、例を用いて応力緩和材の種類等に基づく測定値について説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた例の記載に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。
(Example 1-3, Comparative Example 1)
Hereinafter, the measured values based on the type of stress relaxation material and the like will be described with reference to examples. However, the present invention is not limited to the description of the examples taken up here, and may be combined as appropriate.

図7(A)に示す例1から例3は、応力緩和材の種類を材料Aから材料Cとした場合の例であり、比較例は応力緩和材を用いない場合を示す。これらの例では、図5に示した接合構造において、130℃から−40℃の間の温度変化を与えた場合の半導体素子15の接合層21aとの接合面における発生熱応力をCAE解析したものである。例1では、熱膨張係数α(×ppm/℃)は10、ヤング率(GPa)は22.8、半導体素子15にかかる最大主応力変化率(%)は29であった。例2では、熱膨張係数α(×ppm/℃)は41、ヤング率(GPa)は3.9、主応力変化率(%)は37であった。例3では、熱膨張係数α(×ppm/℃)は89、ヤング率(GPa)は1.9、主応力変化率(%)は92であった。 Examples 1 to 3 shown in FIG. 7 (A) are examples when the type of stress relaxation material is changed from material A to material C, and a comparative example shows a case where the stress relaxation material is not used. In these examples, in the bonding structure shown in FIG. 5, the thermal stress generated at the bonding surface of the semiconductor element 15 with the bonding layer 21a when a temperature change of 130 ° C. to −40 ° C. is applied is analyzed by CAE. Is. In Example 1, the coefficient of thermal expansion α (× ppm / ° C.) was 10, Young's modulus (GPa) was 22.8, and the maximum principal stress change rate (%) applied to the semiconductor element 15 was 29. In Example 2, the coefficient of thermal expansion α (× ppm / ° C.) was 41, Young's modulus (GPa) was 3.9, and the principal stress change rate (%) was 37. In Example 3, the coefficient of thermal expansion α (× ppm / ° C.) was 89, Young's modulus (GPa) was 1.9, and the principal stress change rate (%) was 92.

図8(A)は、図7(A)に示す例1から例3について、横軸に熱膨張係数を縦軸に主応力変化率をプロットしたグラフである。図8(B)は、図7(A)に示す例1から例3について、横軸にヤング率を縦軸に主応力変化率をプロットしたグラフである。 FIG. 8 (A) is a graph in which the coefficient of thermal expansion is plotted on the horizontal axis and the rate of change in principal stress is plotted on the vertical axis for Examples 1 to 3 shown in FIG. 7 (A). FIG. 8B is a graph in which Young's modulus is plotted on the horizontal axis and principal stress change rate is plotted on the vertical axis for Examples 1 to 3 shown in FIG. 7A.

なお、図7(B)は、図7(A)に示す例1から例3の解析において使用した、図5に示した半導体素子15、接合層21a、接合層21b、接合層21c、基台14の物性値を示す。熱膨張係数α(×ppm/℃)は、半導体素子15、接合層21a、接合層21b、接合層21c、基台14の順にそれぞれ、3.0、6.0、7.2、11.6、11.3である。ヤング率(GPa)は、半導体素子15、接合層21a、接合層21b、接合層21c、基台14の順にそれぞれ、170、53、73、53、205である。 Note that FIG. 7B shows the semiconductor element 15, the bonding layer 21a, the bonding layer 21b, the bonding layer 21c, and the base used in the analysis of Examples 1 to 3 shown in FIG. 7 (A). It shows 14 physical property values. The coefficient of thermal expansion α (× ppm / ° C.) is 3.0, 6.0, 7.2, 11.6, respectively, in the order of the semiconductor element 15, the bonding layer 21a, the bonding layer 21b, the bonding layer 21c, and the base 14. 11.3. The Young's modulus (GPa) is 170, 53, 73, 53, 205, respectively, in the order of the semiconductor element 15, the bonding layer 21a, the bonding layer 21b, the bonding layer 21c, and the base 14.

図7(A)、図8(A)、図8(B)より、図5に示すように応力緩和材22を形成することで熱応力を低減できることが判明した。また、図7(B)、図8(A)より、熱応力を効果的に低減させるためには応力緩和材22の熱膨張係数は、基台14の熱膨張係数以下程度になると効果が大きくなることが分かった。また、図7(A)、図8(B)より、応力緩和材22のヤング率は1.9GPa以上であるときに効果が大きくなり、より効果的なのは3.9GPa以上であった。 From FIGS. 7 (A), 8 (A), and 8 (B), it was found that the thermal stress can be reduced by forming the stress relaxation material 22 as shown in FIG. Further, from FIGS. 7 (B) and 8 (A), in order to effectively reduce the thermal stress, the effect is large when the coefficient of thermal expansion of the stress relaxation material 22 is equal to or less than the coefficient of thermal expansion of the base 14. It turned out to be. Further, from FIGS. 7 (A) and 8 (B), the effect was greater when the Young's modulus of the stress relaxation material 22 was 1.9 GPa or more, and more effective was 3.9 GPa or more.

(例4−6、比較例2)
本例は、図5に示す接合構造の信頼性を実験にて検討したものである。
<接合材の作製>
接合材を作製するに当たり、接合層21bにはガラス板(SCHOTT製D263)を用いた。このガラス板の上下に接合層21a、21c形成ペーストをスクリーン印刷を用いて塗布し、150℃にて30分乾燥した後、仮焼成を実施することで接合材を得た。なお、接合層21aには、V−P−TeO−Fe系ガラス(熱膨張係数α=6.0ppm/℃)、接合層21cにはV−P−TeO−BaO−KO系ガラス(熱膨張係数α=11.6ppm/℃)を用いた。
(Example 4-6, Comparative Example 2)
In this example, the reliability of the joint structure shown in FIG. 5 was examined experimentally.
<Making of joint material>
In producing the bonding material, a glass plate (D263 manufactured by SCHOTT) was used for the bonding layer 21b. The bonding layers 21a and 21c forming paste were applied to the upper and lower sides of the glass plate by screen printing, dried at 150 ° C. for 30 minutes, and then calcined to obtain a bonding material. The bonding layer 21a is V 2 O 5- P 2 O 5- TeO 2- Fe 2 O 3 glass (coefficient of thermal expansion α = 6.0 ppm / ° C.), and the bonding layer 21c is V 2 O 5 −. P 2 O 5- TeO 2- BaO-K 2 O-based glass (coefficient of thermal expansion α = 11.6 ppm / ° C.) was used.

<接合体の試作>
被接合材として、裏面にTiとAlのメタライズ処理をした半導体素子15(160μm厚)とSUS630製基台14を用いた。半導体素子15と基台14の間に上述のようにして作製した接合層21を設置し、半導体素子15の上面から荷重を付加し、加熱することで接合体を作製した。このとき、加熱条件は400℃にて10分間保持した。
<Prototype of joint>
As the material to be joined, a semiconductor element 15 (160 μm thickness) having metallized Ti and Al on the back surface and a base 14 made of SUS630 were used. The bonding layer 21 produced as described above was placed between the semiconductor element 15 and the base 14, and a load was applied from the upper surface of the semiconductor element 15 and heated to produce a bonded body. At this time, the heating conditions were maintained at 400 ° C. for 10 minutes.

<応力緩和材22の形成>
応力緩和材22として、例1〜例3に記載の材料A、B、Cを用いて応力緩和材22を100〜160℃で1〜2h保持することで形成した。
<Formation of stress relaxation material 22>
As the stress relaxation material 22, the materials A, B, and C described in Examples 1 to 3 were used to hold the stress relaxation material 22 at 100 to 160 ° C. for 1 to 2 hours.

<接合の信頼性評価>
接合体の信頼性評価として、4点曲げ試験を実施した。4点曲げ試験では、接合体が破壊する際の応力を計測することで接合強度を測定した。その結果を図7(C)に示す。
<Evaluation of joining reliability>
A four-point bending test was carried out to evaluate the reliability of the joint. In the 4-point bending test, the joint strength was measured by measuring the stress at the time of breaking the joint. The result is shown in FIG. 7 (C).

図7(C)に示す例4から例6は、応力緩和材の種類を材料Aから材料Cとした場合の例であり、比較例は応力緩和材を用いない場合を示す。例4では、平均接合強度は198、ワイブル係数mは5.1であった。例5では、平均接合強度は157、ワイブル係数mは6.6であった。例6では、平均接合強度は109、ワイブル係数mは4.5であった。応力緩和材を用いない比較例では、平均接合強度は100、ワイブル係数mは3.0である。平均接合強度(MPa)とは接合体が破壊する際の応力の平均である。 以上の結果より、図5に示す接合構造において、応力緩和材22を形成することで実際に接合体の接合強度が向上することが確認できた。また、接合強度のバラツキを示すワイブル係数も改善できることが判明した。 Examples 4 to 6 shown in FIG. 7C are examples when the type of stress relaxation material is changed from material A to material C, and a comparative example shows a case where the stress relaxation material is not used. In Example 4, the average bonding strength was 198 and the Weibull coefficient m was 5.1. In Example 5, the average bonding strength was 157 and the Weibull coefficient m was 6.6. In Example 6, the average bonding strength was 109 and the Weibull coefficient m was 4.5. In the comparative example in which the stress relaxation material is not used, the average joint strength is 100 and the Weibull coefficient m is 3.0. The average bonding strength (MPa) is the average stress when the bonded body breaks. From the above results, it was confirmed that in the joint structure shown in FIG. 5, the joint strength of the joint is actually improved by forming the stress relaxation material 22. It was also found that the Weibull coefficient, which indicates the variation in bonding strength, can be improved.

(例7、比較例3)
本例では、図4に示す接合構造の信頼性を実験した例について記載する。
接合層21a形成ペーストとしては、例4−6と同様のものを使用した。接合層21bの形成には、接合層21b形成ペーストを用いて形成した。接合層21b形成ペーストは、SiO−Al−BaO系ガラスペースト(熱膨張係数α=7.1ppm/℃)を用いた。接合層21bの形成は、スクリーン印刷を用いて基台上に接合層21b形成ペーストを印刷後、150℃で30min乾燥後、850℃にて10min焼成することで約20μmの接合層21bを形成した。この接合層21bの上面に、例4−6で作製した接合層21a形成ペーストを同様にスクリーン印刷にて塗布し、400℃にて30min保持することで仮焼成を実施して約20μmの接合層21aを形成した。その後、この接合層21aの上面に例4−6と同様に半導体素子15を設置して荷重を付加し、400℃にて10min保持することで接合体を作製した。作製した接合体に対し、例4で使用した応力緩和材22を同様に形成した。また、比較例3として応力緩和材22を形成しないものも作製した。
(Example 7, Comparative Example 3)
In this example, an example in which the reliability of the joint structure shown in FIG. 4 is tested will be described.
As the bonding layer 21a forming paste, the same paste as in Example 4-6 was used. The bonding layer 21b was formed by using the bonding layer 21b forming paste. Bonding layer 21b forming paste was used SiO 2 -Al 2 O 3 -BaO based glass paste (thermal expansion coefficient α = 7.1ppm / ℃). The bonding layer 21b was formed by printing the bonding layer 21b forming paste on the base using screen printing, drying at 150 ° C. for 30 minutes, and firing at 850 ° C. for 10 minutes to form a bonding layer 21b of about 20 μm. .. The bonding layer 21a forming paste prepared in Example 4-6 is similarly applied to the upper surface of the bonding layer 21b by screen printing, and temporarily fired by holding at 400 ° C. for 30 minutes to carry out a temporary firing to obtain a bonding layer of about 20 μm. 21a was formed. Then, the semiconductor element 15 was placed on the upper surface of the bonding layer 21a in the same manner as in Example 4-6, a load was applied, and the bonding was held at 400 ° C. for 10 minutes to prepare a bonded body. The stress relaxation material 22 used in Example 4 was formed in the same manner on the produced bonded body. Further, as Comparative Example 3, a material that does not form the stress relaxation material 22 was also produced.

作製した接合体に対して、例4−6と同様に4点曲げ試験を実施した。結果は、例4−6と同様に接合強度向上およびバラツキが低減できることが分かった。以上の結果より、本発明は接合層21の構造に関わらず、接合時に発生する熱応力を緩和する効果があることが判明した。 A four-point bending test was carried out on the prepared joint body in the same manner as in Example 4-6. As a result, it was found that the joint strength could be improved and the variation could be reduced as in Example 4-6. From the above results, it was found that the present invention has an effect of relaxing the thermal stress generated at the time of joining regardless of the structure of the joining layer 21.

(例8―10、比較例4)
本例では、図1に示す圧力センサの信頼性を検討した例について記載する。なお、接合構造は例4と同様のものとした。ただし、応力緩和材22の形態については、図7(D)に示すように、例8では、接合層の側面の一部を被覆したもの、例9では、接合層の側面全体を被覆したもの、例10では、接合層全体と半導体素子側面全体(図6相当)としたものを作製した。また、比較例4として応力緩和材22を形成しないものも作製した。
(Example 8-10, Comparative Example 4)
In this example, an example in which the reliability of the pressure sensor shown in FIG. 1 is examined will be described. The joining structure was the same as in Example 4. However, as for the form of the stress relaxation material 22, as shown in FIG. 7 (D), in Example 8, a part of the side surface of the joint layer is covered, and in Example 9, the entire side surface of the joint layer is covered. In Example 10, the entire bonding layer and the entire side surface of the semiconductor element (corresponding to FIG. 6) were produced. Further, as Comparative Example 4, a material that does not form the stress relaxation material 22 was also produced.

作製した圧力センサに対して、0〜20MPaの圧力レンジをフルスケール(F.S.)で0.5〜4.5Vと設定し、以下の信頼性試験を実施した。図7(D)に示す熱衝撃は、130℃〜−40℃での熱衝撃試験2000サイクルの信頼性試験である。図7(D)に示す−40℃放置は、−40℃での2000時間放置試験することによってセンサ出力値のドリフト特性を評価したものである。図7(D)に示す130℃放置は、130℃での2000時間放置試験することによってセンサ出力値のドリフト特性を評価したものである。評価結果は、試験前後で20℃での値の出力値の変化が2%F.S.未満のものを優、2%以上3%F.S.未満のものを良、3%以上4%未満F.S.のものを可とした。ただし、割れ等により評価できなかったものが存在した場合には不可とした。その結果、図7(D)に示すように、例10が最も優れた信頼性を示し、例9、例8も良好な信頼性を示した。 For the produced pressure sensor, the pressure range of 0 to 20 MPa was set to 0.5 to 4.5 V at full scale (FS), and the following reliability test was carried out. The thermal shock shown in FIG. 7 (D) is a reliability test of 2000 cycles of the thermal shock test at 130 ° C. to −40 ° C. The -40 ° C. standing shown in FIG. 7D is an evaluation of the drift characteristics of the sensor output value by a 2000-hour standing test at −40 ° C. The 130 ° C. standing shown in FIG. 7D is an evaluation of the drift characteristics of the sensor output value by a 2000 hour standing test at 130 ° C. The evaluation result shows that the change in the output value at 20 ° C. before and after the test is 2% F. S. Less than 2% and 3% F. S. Less than good, 3% or more and less than 4% F. S. The thing was allowed. However, if there was something that could not be evaluated due to cracks, etc., it was not possible. As a result, as shown in FIG. 7 (D), Example 10 showed the best reliability, and Examples 9 and 8 also showed good reliability.

以上の結果より、応力緩和材22を形成することで、長期的な信頼性においても向上することが確認できた。ここで、接合層の全面が被覆されている場合と一部しか接触していない場合では、接合層の全面が被覆されている場合の方が出力値変化が小さい傾向にあった。したがって、応力緩和材は接合構造全体の応力を緩和できるため、被覆面積が大きい方が望ましいことが分かった。もっとも望ましくは、半導体素子の側面も全面接触することが良好である。 From the above results, it was confirmed that the formation of the stress relaxation material 22 also improves the long-term reliability. Here, when the entire surface of the bonding layer is covered and when only a part of the bonding layer is in contact, the change in output value tends to be smaller when the entire surface of the bonding layer is covered. Therefore, since the stress relaxation material can relax the stress of the entire joint structure, it was found that a larger covering area is desirable. Most preferably, it is preferable that the side surfaces of the semiconductor element also come into full contact with each other.

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)物理量測定装置100は、半導体素子15と、基台14と、半導体素子15と基台14とを接続する接合層21と、を有し、少なくとも接合層21の側面の一部が応力緩和材22と接触していることを特徴とする。これにより、物理量測定装置100の熱応力を十分に緩和することができ、長期的に信頼性の高い装置を提供することができる。
According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.
(1) The physical quantity measuring device 100 includes a semiconductor element 15, a base 14, and a bonding layer 21 that connects the semiconductor element 15 and the base 14, and at least a part of the side surface of the bonding layer 21 is stressed. It is characterized in that it is in contact with the relaxation material 22. As a result, the thermal stress of the physical quantity measuring device 100 can be sufficiently relaxed, and a device with high reliability in the long term can be provided.

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and other embodiments that can be considered within the scope of the technical idea of the present invention are also included within the scope of the present invention as long as the features of the present invention are not impaired. .. Further, the configuration may be a combination of the above-described embodiments.

10…金属筐体
11…圧力ポート
12…圧力導入部
12a…圧力導入口
12ha…圧力導入部
12hat…先端部
13…フランジ
14…基台
15…半導体素子
16…基板
17…コンデンサ
18…カバー
18a…閉塞板
19…コネクタ
20…ターミナル
21、 21a〜21c…接合層
22…応力緩和材
30a〜30c…歪抵抗ブリッジ
31a〜31c…アンプ
32a〜32c…A−D変換器
33…デジタル信号演算処理回路
34…不揮発性メモリ
35…電圧源
100…圧力測定装置
10 ... Metal housing 11 ... Pressure port 12 ... Pressure introduction part 12a ... Pressure introduction port 12ha ... Pressure introduction part 12hat ... Tip part 13 ... Flange 14 ... Base 15 ... Semiconductor element 16 ... Board 17 ... Capacitor 18 ... Cover 18a ... Closure plate 19 ... Connector 20 ... Terminal 21, 21a-21c ... Bonding layer 22 ... Stress relief material 30a-30c ... Strain resistance bridge 31a-31c ... Amplifier 32a-32c ... AD converter 33 ... Digital signal arithmetic processing circuit 34 … Non-volatile memory 35… Voltage source 100… Pressure measuring device

Claims (14)

半導体素子と、基台と、前記半導体素子と前記基台とを接続する接合層と、を有する物理量測定装置において、少なくとも前記接合層側面の一部が応力緩和材と接触し
前記接合層は、少なくとも2層以上であり、かつ脆性材料で構成されていることを特徴とする物理量測定装置。
In a physical quantity measuring device having a semiconductor element, a base, and a bonding layer connecting the semiconductor element and the base, at least a part of the side surface of the bonding layer comes into contact with the stress relaxation material .
A physical quantity measuring device characterized in that the bonding layer is at least two layers and is made of a brittle material.
請求項1に記載の物理量測定装置において、
前記接合層の側面全体が前記応力緩和材で被覆されていることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to claim 1,
A physical quantity measuring device characterized in that the entire side surface of the joint layer is covered with the stress relaxation material.
請求項1または請求項2に記載の物理量測定装置において、
前記接合層全体が応力緩和層で被覆されていることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to claim 1 or 2.
A physical quantity measuring device characterized in that the entire joint layer is covered with a stress relaxation layer.
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記半導体素子の側面にも前記応力緩和材が接触していることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 3.
A physical quantity measuring device characterized in that the stress relaxation material is also in contact with the side surface of the semiconductor element.
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材は、延性材料を含むことを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 4.
The stress relaxation material is a physical quantity measuring device including a ductile material.
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材は、樹脂材料を含むこと特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 5.
The stress relaxation material is a physical quantity measuring device characterized by containing a resin material.
請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材のガラス転移温度は、130℃以上であることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 6.
A physical quantity measuring device characterized in that the glass transition temperature of the stress relaxation material is 130 ° C. or higher.
請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材のヤング率は、1.9GPa以上であることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 7.
A physical quantity measuring device characterized in that the Young's modulus of the stress relaxation material is 1.9 GPa or more.
請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下であることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 8.
A physical quantity measuring device characterized in that the coefficient of thermal expansion of the stress relaxation material is equal to or less than the coefficient of thermal expansion of the base.
請求項9に記載の物理量測定装置において、
前記応力緩和材の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下であり、かつ前記接合層の熱膨張係数以上であることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to claim 9.
A physical quantity measuring device characterized in that the coefficient of thermal expansion of the stress relaxation material is equal to or less than the coefficient of thermal expansion of the base and equal to or greater than the coefficient of thermal expansion of the joint layer.
請求項1から請求項10までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記接合層は、3層で構成されていることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 10.
A physical quantity measuring device characterized in that the bonding layer is composed of three layers.
請求項1から請求項11までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記接合層は、少なくとも1層以上の絶縁層を有することを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 11.
A physical quantity measuring device, wherein the bonding layer has at least one or more insulating layers.
請求項1から請求項12までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記接合層の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下と前記半導体素子の熱膨張係数以上の間の特性を有することを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 12.
A physical quantity measuring device characterized in that the coefficient of thermal expansion of the bonding layer has a characteristic between the coefficient of thermal expansion of the base and the coefficient of thermal expansion of the semiconductor element or more.
請求項1から請求項13までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
前記接合層の接合温度は前記半導体素子の耐熱温度以下であることを特徴とする物理量測定装置。
In the physical quantity measuring device according to any one of claims 1 to 13.
A physical quantity measuring device characterized in that the bonding temperature of the bonding layer is equal to or lower than the heat resistant temperature of the semiconductor element.
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