JPH01172725A - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は自動車などの内燃機関の吸入空気圧や大気圧ま
たはエキゾースト圧などを検出するのに用いる半導体圧
力センサに関する。

従来の技術 近年、自動車などの排気ガス規制の強化に伴い、自動車
用エンジンなどにおいては、その運転状態のいかんを問
わず常に最良の燃焼状態が得られるように制御してやる
必要がある。そこで、この−環として圧力変換器を用い
、エンジンの吸気圧力を検出して電気信号に変換し、こ
の信号で燃料の供給量を電子的に制御したり、点火時期
を制御してエンジンの燃焼状態を最適な状態に維持する
方法や、大気圧の変化を検知して高度補正を行なう方法
などが採用されるようになってきた。

ところで、このような自動車用として使用される圧力変
換器は耐熱性、耐震性などに優れたものが要求され、こ
れに応するものとして半導体歪ゲージ形の圧力センサが
広く採用されるようになってきた。これに伴い種々改良
された圧力センサが提案されている。

以下、従来の古カセンサのチップ構成の一例を図面を用
いて説明する。

第１０図は従来の半導体圧力センサの概略構成図である
。第１０図において１０１はステム、１０２は台座で接
合剤１０３を用いてステム１０１上に固定している。１
０４はダイヤフラム１０６を有したシリコンダイヤフラ
ムチップで、ダイヤフラム１０６に圧力検出用ホイース
トンブリッジ抵抗を設けて台座１０２上に取り付けてい
る。１０５はステム１０１からの熱応力を緩和するため
台座１０２に設けた切シ欠き溝である。１０７は台座１
０２を貫通して設けたリードピンで、台座１０２との隙
間はガラス１１５でノ・−メチック封止状態にしている
。１０８はシリコンダイヤフラムチップ１０４のブリッ
ジ電極とり−ドピン１０７とを接続した導電性のワイヤ
である。

１０９はステム１０１上に取り付けだシリコンダイヤフ
ラムチップ１０４と台座１０２とを外側から覆って真空
チャンバー１１３を形成するキャップで、封止穴１１１
を上部に設けている。１１４はステム１０１および台座
１０２内を通ってシリコンダイヤフラムチップ１０４の
下面に流体を導く圧力導入用のパイプで、ステム１０１
の下面にロウ付けなどの手段で固定している。また台座
１０２はシリコンダイヤフラムチップ１０４と近似する
熱膨張係数を有した材質で形成し、切シ欠き溝１０５と
ともにステム１０１からの熱応力を緩和している。

そして上記従来の半導体圧力センサは組み立てる場合、
ステム１０１にキャップ１０９を取り付ける前に、まず
ステム１０１側に台座１０２、シリコンダイヤフラムチ
ップ１０４．取付用リードピン１０７゜ワイヤ１０８お
よび圧力導入パイプ１１４などを取り付けておく。次に
封止穴１１１を封止していない状態でキャップ１０９を
ステム１０１に取り付け、圧接および溶接などの手段で
ステム１０１の外周部１１０に封着接合する。この接合
後、真空中においてキャップ１０９内の空気を抜くと同
時に封止穴１１１をハンダ１１２で密閉封着する。する
とキャップ１０９内に真空チャンバー１１３が形成され
て組み立てられる。

したがって、この半導体圧力センサではシリコンダイヤ
フラムチップ１０４のダイヤフラム１０６を真空チャン
バー１１３の中に収納しているので、この真空圧を基準
圧として圧力導入パイプ１１４から導入する流体を絶対
圧で測定できる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記従来の半導体圧力センサを用いた圧力
変換器では、ステム１０１や、台座１０２とステム１０
１間の接合剤１０３からシリコンダイヤフラムチップ１
０４に及ぼす熱応力の影響が大きく、この熱応力がシリ
コンダイヤフラムチップ１０４に歪みを与える。このた
めダイヤフラム１０６に形成したホイーストンブリッジ
抵抗の値が温度によってばらつき、これに伴い圧力検出
特性も大きくばらつく欠点があった。この問題は主にシ
リコンダイヤフラムチップ１０４．ステム１０１９台座
１０２および接合剤１０３の熱膨張係数の違いに起因す
るものである。

このため従来の半導体圧力センサの構造では、上述した
ように台座１０２にシリコンダイヤフラムチップ１０４
とできるだけ近似する熱膨張係数を有した材質を用いる
とともに、ステム１０１からの熱応力を緩和する目的で
台座１０２の厚みを高くしたシ、あるいは台座１０２に
切り欠き溝１０５を設けるなどの手段を施している。こ
の結果、台座１０２の加工性が悪く、また接合する箇所
が多くなるため作業性も悪くコスト高になるばかりか信
頼性も低下していた。

本発明はこのような従来の問題を解決するものであり、
圧力検出特性を改善するとともに構造を単純化して信頼
性の向上と品質の安定化およびコスト低減を図ることの
できる半導体圧力センサを提供することを目的とするも
のである。

問題点を解決するだめの手段 本発明は上記目的を達成するために、変形を検出して電
気信号を出力する手段を有する感圧ダイヤフラムな設け
た半導体単結晶チップ部と前記チップ部と一体に成形し
た台座部とからなる板状部材と、圧力導入パイプと、複
数のリードピンと、前記板状部材と近似する熱膨張係数
を有したガラスまたはシリコン材質で成形されるととも
に前記ダイヤフラムに対応させて設けた貫通穴と前記リ
ードピンをそれぞれ取り付ける取付穴とを設けたステム
と、前記板状部材と近似する熱膨張係数を有したガラス
またはシリコン材質からなるキャップとを備え、前記ス
テムの前記取付穴に前記リードピンをハーメチック封着
するとともに、前記ステムの表面側に前記板状部材を封
着接合させ、かつ前記ダイヤフラムと前記リードピンと
のワイヤボンディング後、前記キャップを封着させて前
記ステム表面に真空チャンバーを形成し、さらに前記ス
テムの裏面側で前記貫通穴に前記圧力導入パイプを接合
させてなる構成にしたものである。

作用 したがって本発明によれば、半導体単結晶チップ部と台
座部とを一体に板状部材で成形し、板状部材の状態で扱
えるので組立時の作業性が向上する。しかも板状部材と
ステムとを近似する熱膨張係数を有した部材で形成して
いるので、感圧ダイヤフラムに形成したホイーストンブ
リッジ抵抗系の熱応力による変動差がなくなる。

実施例 第１図乃至第２図は本発明の一実施例の構成を示すもの
である。

第１図乃至第２図において、１は中央部分に貫通穴２を
設けたステムで、貫通穴２を挾んだ両側に各々３個づつ
並列させた合計６個のリードピン取付穴３を設けてガラ
スまたはシリコン材などで一体成形されている。４は中
央に圧力導入孔５を設けた圧力導入パイプで、貫通穴２
に圧力導入孔５を対応させてステム１の下面にガラスハ
ンダで封着接合されている。６は取付穴３に取シ付けて
いるリードピンで、一端がステム１の上面から突出し他
端が下面から突出した状態で６個の取付穴３に対し個々
に取り付けてハーメチック封着されている。３３はステ
ム１と近似する熱膨張係数を有した材質で形成した板状
部材で、感圧ダイヤフラムチップ７有した半導体単結晶
チップ部８とサンドイッチ台座部９とを一体に同一部材
で一体に成形した状態にしている。さらに感圧ダイヤフ
ラムチップ７は圧力印加部となる各ダイヤフラム面に圧
力検出用ホイーストンブリッジ抵抗（不図示）を形成し
ている。そして板状部材３３は感圧ダイヤフラムチップ
７を貫通穴２に対応させてステム１ノ上面’ｌＣＡ７−
　Ｓｉ　（アルミニー−ムーシリコン）共晶結合などの
手段によって封着接合されている。

１０は感圧ダイヤフラムチップ７のダイヤフラム面上に
形成した圧力検出用ホイーストンブリッジ抵抗とリード
ピン６とを電気接合した金線などのワイヤーである。１
１は板状部材３３を介してステム１上に真空中でガラス
ハンダされたキャップで、感圧ダイヤフラムチップ７の
上面に真空チャンバー１２を形成しており、また板状部
材３３と近似する熱膨張係数を有したガラスまたはシリ
コン材などで形成されている。

そして、この実施例による半導体圧力センサは第３図乃
至第９図に示す製造方法に従って作られている。第３図
乃至第９図において第１図乃至第２図と同一符号を付し
たものは第１図乃至第２図と同一のものを示している。

１゛３はステム１が形成されるウェハ状ステムで、第３
図に示すような板状ガラスまたはシリコン材から貫通穴
２とリードピン取付穴３を有したステム１に相当する部
分が第４図に示すように略等間隔で連続して形成されて
いる。１４はウェハ状感圧ダイヤスラムで、板状部材３
３に相当する部分を略等間隔で連続して設けている。

そしてウェハ状ステム１３上にウェハ状感圧ダイヤフラ
ム１４を第５図に示すように載置させ、このとき両者を
陽極接合などで封着接合させる。次いでウェハ状ステム
１３のリードピン取付穴３にり一ドピン６を挿入させる
とともに、貫通穴２に対応させて圧力導入パイプ４を配
置し、第６図に示すようにリードピン６と圧力導入パイ
プ４をウェハ状ステム１３上にガラスノ・ンダで封着接
合させる。

次に感圧ダイヤフラムチップ７のダイヤフラム面に形成
した圧力検出用ホイーストンブリッジ抵抗の電極とリー
ドピン６とにワイヤ１０を第７図に示すようにポンディ
ングする。そして、この状態まで組み付けだウェハ状ス
テム１３を真空中に配置させる。この時、同じくキャッ
プ１１に相当する部分を連続して設けたウェハ状キャッ
プ１５が用意され、真空中でウェハ状キャップ１５をウ
ェハ状ステム１３上に被せるとともにガラスハンダでウ
ェハ状ステム１３とウェハ状キャップ１５とを封着接合
し、各ステム１に対応する部分の表面側に真空チャンバ
ー１２を第８図に示すように形成する。なおウェハ状ス
テム１３とウェハ状キャップ１５とを封着接合するとき
のガラスハンダは、圧力導入パイプ４およびリードピン
６を封着接合するのに使用したガラスハンダの材質より
も融点が低いものが使用される。

そして、この状態まで組み立てた後、各半導体圧力セン
サに対応する部分毎に第９図に示すようにカッター１６
でスライスすると、第１図乃至第２図に示す半導体圧力
センサ単体が完成する。

次に、このようにして製造された半導体圧力センサの圧
力測定方法と動作について説明する。

上記実施例において、例えば内燃機関の吸入空気圧を測
定する場合は圧力導入パイプ４の下端を吸気マニホール
ドの吸気孔に接続する。この接続で感圧ダイヤフラムチ
ップ７のダイヤフラム面には、マニホールド吸気孔から
の流体が圧力導入パイプ４内を通って導入され、これに
よりダイヤフラム面に歪を与える。そして歪がダイヤフ
ラム面上に形成した圧力検出用ホイーストンブリッジ抵
抗系の抵抗値を変化させ、この信号がリードピン６を通
して外部に取り出される。すなわち、この抵抗値を知る
ことによシ吸気マニホールド内の絶対圧を知ることがで
きる。

したがって、この半導体圧力センサでは感圧ダイヤフラ
ムチップを形成した半導体単結晶チップ部８とサンドイ
ッチ台座部９とを板状部材３３で一体に形成しているの
で組立の効率化が図れ、また温度変化時におけるチップ
部８と台座部９間の影響がなくなる。

また各圧力センサを組み立てる場合、各半導体圧力セン
サを個々に組み立てていかなくても、複数の半導体圧力
センサにおける導入バイブ４．リードピン６、感圧ダイ
ヤフラムチップ７、サンドイッチ台座部９．ワイヤ１０
．キャップ１１などをそれぞれ同一のウェハ状ステム１
３の上に一括して組み付け、この後各半導体圧カセンサ
毎にスライスして分割することにより個々の半導体圧力
センサを作ることができる。この結果、組立の効率が向
上する。

またステム１．感圧ダイヤフラムチップ７、サンドイッ
チ台座９およびキャップ１１を互いに熱膨張係数が近似
するガラスまたはシリコン材で形成しているので、各封
着接合部分において温度に対する熱応力が低減できる。

これにより封着接合部分における信頼性が向上する。

まだ、さらにステム１の上面に異種金属を有しない陽極
拡散接合または極薄層のＡｔ　−Ｓｉ　（アルミニュー
ム−シリコン）共晶結合などの手段によって感圧ダイヤ
フラムチップ７を有した板状部材３３を直接封着接合し
ているので、温度変化時にステム１から感圧ダイヤフラ
ムチップ７に及ぼされる影響がなくなる。これによりダ
イヤフラム面に形成したホイーストンプリッジ抵抗系に
熱応力による歪の差がなくなり、圧力センサとしての特
性が向上する。

発明の効果 本発明は上記実施例より明らかのように、感圧ダイヤフ
ラムチップを形成した半導体単結晶チップ部とサンドイ
ッチ台座部とを板状部材で一体に成形しているので、組
立の効率化が図れ、また温度変化時における半導体単結
晶チップ部とサンドイッチ台座部間の影響がなくなる。

また、さらにステム、感圧ダイヤフラムチップ、サンド
イッチ台座およびキャップを互いに熱膨張係数が近似す
るガラスまたはシリコン材で形成しているので、各封着
接合部分において温度に対する熱応力が低減でき封着接
合部分における信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体圧力センサの一
例を示した平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断
面図、第３図乃至第９図は同上半導体圧力センサの製造
工程の一例を示しだ工程図、第１０図は従来の半導体圧
力センサの断面図である。 １・・・ステム、２・・・貫通穴、３・・・リードピン
取付穴、４・・・圧力導入パイプ、５・・・圧力導入孔
、リードピン、７・・・感圧ダイヤフラムチップ、９°
°°サンドイッチ台座部、１０・・・ワイヤ、１１・・
・キャップ、１２・・・真空チャンバー、１３・・・ウ
ェハ状ステム、１４・・・ウェハ状感圧ダイヤフラム、
１５・・・ウェハ状キャップ、３３・・・板状部材。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男ほか１名第２図 ｆ−ステム　　　　　１０−リードワイヤー２−貫通穴
　　　ｊｌ−キ！ッグ ３−−−　　Ｊ−ドごン駅什穴　１２−　　真気チャン
ベー？−サンドイッチ台座 第６図　　　　第９図 第１０図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）変形を検出して電気信号を出力する手段を有する
   感圧ダイヤフラムを設けた半導体単結晶チップ部と前記
   チップ部と一体に成形した台座部とからなる板状部材と
   、圧力導入パイプと、複数のリードピンと、前記板状部
   材と近似する熱膨張係数を有したガラスまたはシリコン
   材質で成形されるとともに前記ダイヤフラムに対応させ
   て設けた貫通穴と前記リードピンをそれぞれ取り付ける
   取付穴とを設けたステムと、前記板状部材と近似する熱
   膨張係数を有したガラスまたはシリコン材質からなるキ
   ャップとを備え、前記ステムの前記取付穴に前記リード
   ピンをハーメチック封着するとともに、前記ステムの表
   面側に前記板状部材を封着接合させ、かつ前記ダイヤフ
   ラムと前記リードピンとのワイヤボンディング後、前記
   キャップを封着させて前記ステム表面に真空チャンバー
   を形成し、さらに前記ステムの裏面側で前記貫通穴に前
   記圧力導入パイプを接合させてなる構成にした半導体圧
   力センサ。
2. （２）前記ステム、前記板状部材、および前記キャップ
   はそれぞれ各半導体センサ部に相当する部分を連続的に
   設けたウエハ状に形成され、このウエハ状態で前記各封
   着接合と前記リードピンの前記ハーメチック封着および
   前記ダイヤフラムと前記リードピンとのワイヤボンディ
   ングを行ない、この後個々に分割して形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の半導体圧力セ
   ンサ。