JPH10502449A - 絶対圧力センサを取り付けるための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 絶対圧力センササブアセンブリに、圧力センサダイに接着されていて基準真空を閉じ込める上部キャップを設ける。アブアセンブリからハウジングリードへのワイヤボンドを形成する際、サブアセンブリは、始めは真空または昇華性固形接着剤によってハウジング内の正しい位置に保持する。ハウジングカバーをハウジングボディに載置するとき、カバー内面に盛った自立性接着剤滴がセンササブアセンブリに接触し、センササブアセンブリはこの接着剤滴により支持される。

Description

【発明の詳細な説明】 絶対圧力センサを取り付けるための装置 発明の背景 本発明は、真空基準を含むダイヤフラム型絶対圧力センサのパッケージ構造に 付随する応力の問題を解決するための技術に関するものである。 従来技術では、埋め込み型半導体ひずみ感知抵抗器（一般にピエゾ抵抗効果と よばれている性質を利用したもの）、応力分離構造、たとえばシリコン圧力ダイ を陽極結合した（anodically bonded）パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）チューブ、 及びセンサをセンサパッケージ中に封入する際に形成される真空基準を用いたシ リコンベースの絶対圧力センサの構造が開示されている。この真空基準は、セン サパッケージに固着され、封入プロセッサ中に「活性化」される離散状ゲッタを 用いることによって、時間が経っても維持される。パッケージには、ひずみセン サと外部との間の機械的圧力ポート型相互接続手段及びシリコンダイ上のシリコ ンピエゾ抵抗器（ひずみ抵抗器）と外部との間の電気的相互接続手段が設けられ ている。 ひずみ感知ピエゾ抵抗器はシリコンダイ上に配列され、通常、片面上に完全な 形のホィーストンブリッジを形成するよう相互に接続される。シリコンダイの下 面は、通常、薄いダイヤフラム（この場合は円形）を形成するようにエッチング される。ダイヤフラムの縁部は、片面に圧力荷重が作用した結果ダイヤフラムに 曲げが加わったときひずみが最大となるピエゾ抵抗器の位置に対応する。所望の ひずみ感知軸は、ダイヤフラムに直交する方向にある。 このセンサは、パッケージ誘起性ひずみ作用も感知するので、圧力感度の選択 性を確保するために、機械的ひずみ分離器を用いることが必要である。それには 、パイレックスチューブまたはワッシャ、あるいは二次及び／または三次ひずみ 分離チップがセンサとパッケージの間に置かれることが多い。 時間及び温度に対する絶対圧力センサの精度は真空の質の関数である。真空が 低圧で、安定していればいるほど、トランスデューサの経時精度及び再現性が良 くなる。真空は、パッケージカバーのシール時に形成され、その際ゲッタを設け 、活性化する。パッケージカバーは、通常、真空中でレーザ溶接によってシール さ れる。 センサダイ（チップ）のパイレックスチューブへの取り付け、チップ／チュー ブのパッケージへの装入、及びパッケージの真空処理は、互いに別個のステップ で行われ、それらの作業が労働集約的であるため、コスト高になっている。 従って、ダイヤフラム型絶対圧力センサをセンサパッケージによって誘起され る応力から絶縁するための安価な装置の必要性が明確に認められる。 発明の概要 本発明は、上記及びその他の必要性の問題を解消するため、対向面を有しかつ 圧力ポートを有するキャビティを内側に形成するハウジングを具備した内蔵真空 基準を持つ絶対圧力センサを取り付けるための応力分離装置を提供するものであ る。本発明の一実施形態においては、圧力センサからパッケージの内部リードへ のワイヤボンディングを行う間、圧力ポートで真空に引いて圧力センサを圧力ポ ートに対して押し付けた状態に保持する。あるいは、ワイヤボンディング時に圧 力センサをハウジングに対して保持するには、昇華性接着剤を使用することもで きる。次に、ハウジングカバーの中心部に一滴の接着剤を盛り、カバーをハウジ ングベースに取り付けるとき、接着剤を圧力センサに接触させる。接着剤は、硬 化するにつれて、圧力センサをハウジングから離間し、接着剤だけで支持される ように移動させる。 図面の簡単な説明 図１は、絶対圧力センササブアセンブリの断面図である。 図２乃至６は、図１の絶対圧力センサを取り付けるための本発明による装置を 図解した断面図である。 図７は、本発明の装置の第１の代替実施形態の斜視図である。 図８は、本発明の装置の第２の代替実施形態の斜視図である。 図９は、本発明の装置の第３の代替実施形態の断面図である。 発明の詳細な説明 添付図面において、ハウジングに内蔵された真空基準を具備する絶対圧力セン サを取り付けるための装置を全体として符号１０で示す。ここで、圧力センサダ イ２０を形成するためのウェーハレベルのプロセスを全体的に説明する。 まず始めに、本発明は、従来パッケージングレベルで行われていた上記の真空 処理をウェーハ切断工程前のウェーハレベルで行おうとするもので、本発明にお いては真空基準はセンサダイ構造の一部と見なされる。真空は、たとえば真空中 でシリコンまたは他の適切な材料の二次ウェーハをセンサウェーハの上面に接着 することにより閉じ込めることができる。図１は、その結果得られるセンササブ アセンブリまたはセンサダイ２０を示し、図示のセンサダイ２０は、薄くなって いる中央部のダイヤフラム２４を有する下部またはベース２２と、ベース２２に 接着された真空カプセルまたは上部キャップ３０からなる。ベース２２は、上面 ２６及び下面２８を有し、上部キャップ３０は上面２６に接着されている。また 、上面２６はボンディングパッド３２を有する。上部キャップウェーハには、セ ンサウェーハのダイヤフラム２４に対応する位置に真空キャビティ３４が形成さ れている。符号３６は、上部キャップ３０の上面を示す。前述の従来使用されて いるゲッタに代えて、センサウェーハに接着する前に真空キャビティウェーハの 内面に適切なゲッタ材３８をスパッタしてもよい。これら２つのウェーハの真空 中での接着は、たとえば、現在行われている標準的な陽極結合法またはガラスリ フロー法を用いて行うことができる。これらの方法では、まず、接着剤層として 作用する真空キャビティウェーハ上に薄膜状ソフトガラスをスパッタリングする か、あるいは厚膜ガラスを陽極結合し、２つのウェーハを一つに結合する。接着 自体には熱が必要で、この熱が吸着ガスを追い出すことによってゲッタを活性化 する。すると、その「クリーン」なゲッタ表面が、密閉された真空キャビティ３ ４中のセンサの材料によって経時により放出されるガスを吸着できる状態になる 。真空封入プロセスは、二次シリコンウェーハを接着する場合について説明した が、これに限定されるものではない。たとえば、パイレックスまたはガラス、あ るいはシリコンと非常に近い熱膨張特性を有するその他の材料を用いることもで きる。たとえば、サファイアやルビーのような材料を用いることができる。使用 する材料は、エッチングに適したものでなければならない。そのような適切な性 質を有する一つの材料としては、ＨＯＹＡ ＳＤ−２と呼ばれるガラスがある。 ハウジング４０は、ボディ４２及びカバー４４を有する。図２に示すように、 ボディ４２は、圧力結合部４６、測定しようとする圧力が存在する通路４８、及 びチャンバ５０を有する。チャンバ５０内には、面５４によって囲まれた圧力ポ ート５２がある。この圧力ポート５２は、測定しようとする圧力がキャビティま たはチャンバ５０内で得られるようにする。ボディ４２を貫通させてリード５６ が設けられており、リード５６は外端部５８と内端部６０を有する。ボディ４２ は外側面６２を有する。 図４に示すように、カバー４４は、中心面６６を含む中心部６５及び面７０を 含む周縁部６８を有する。たとえば、面６２に凹部７２を、面７０に凸部７４を それぞれ形成させることによって、ボディ４２の面６２はカバー４４の面７０を 相補的に受けることができるようになっている。シリコンセンサと真空カプセル のバッチ製造後、ウェーハサンドイッチを個々のセンササブアセンブリに切断し たならば、次のワイヤボンディング工程が可能な状態になる。センササブアセン ブリ２０をダイヤフラム２４が圧力ポート５２の真上に来るようにしてボディ４ ２上に載置し、圧力結合部４６で真空に引くことによって、正しい位置にしっか りクランプする。通常の仕方でワイヤボンディングを行うと、図３に示すように 、ボンディングパッド３２と内部リード６０を接続するワイヤボンド７６が形成 される。ワイヤボンド７６が形成されたら、真空を解除して、センササーバアセ ンブリ２０をワイヤボンド７６だけで正しい位置に保持された状態に「浮かす」 。あるいは、昇華性接着剤を用いてワイヤボンディング中センササブアセンブリ ２０を正しい位置に保持することも可能である。 次に、図４に示すように、カバー４４の中心面６６に一滴の接着剤を用意する 。接着剤８０は、比較的無粘性の、なるべくはエラストマー系の優れた湿潤性と 高い表面張力特性を持つ接着剤を用いるべきである。また、この接着剤は硬化時 に収縮するものでなければならない。好適な接着剤の例としては、アブレスティ ク・ラボラトリーズ（Ablestik Laboratories）製のＲｅｌｙ−Ｉｍｉｄｅ７２ ２５４がある。この接着剤は、セラミック粉末を添加することによって硬化時の 収縮量を変えることができる。接着剤滴８０の形状及び量は、リフトバック量を 調節するために変えることができる。図５に示すように、カバー４４をボディ４ ２の位置まで下げると、接着剤滴８０がセンササブアセンブリの上面３６と接触 する。硬化時には、接着剤滴８０が収縮して、センササブアセンブリ２０をカバ ー４４ の方へ引き上げ、それが載置されていた面５４から引き離す結果、圧力ポート５ ２がチャンバ５０にさらされる。接着剤滴８０は、固定された面６６と上面３６ との間にある。硬化が起こると、接着剤滴８０の収縮によってセンササブアセン ブリ２０が面６６の方へ動かされる。硬化過程が終わったときには、下面２８は 圧力ポート５２から離間した位置にあり、測定しようとする圧力がチャンバ５０ 内に得られる。そして、センササブアセンブリ２０は、図６に示すように、ワイ ヤボンド７６と接着剤滴８０によって支持された状態になり、ハウジング４０か ら応力が絶縁される。 図７は、装置１０の第１の代替実施形態を示し、図示実施形態においては、パ ッケージ材料としてプラスチックを使用する。図７に示すように、ヘッダまたは ボディ４２ａには、これを貫通させて、内端部６０ａ及び外側リード部５８ａを 有するリード５６ａが設けられている。圧力センササブアセンブリまたはダイ２ ２ａは、真空基準キャビティ３４ａを有する。ヘッダ４２ａは、圧力ポート５２ ａを取り囲む面５４ａを有する。カバー４４ａは、接着剤滴８０ａが盛られた中 心面６６ａを有するとともに、ヘッダ４２ａの上に相補的に受けられる。カバー ４４ａは、超音波によって、または化学的にヘッダ４２ａに接着することができ る。 図８は、装置１０の第２の代替実施形態を示し、図示実施形態においては、ガ ラス‐金属の電気的フィードスルーを有する一般に入手可能なＴＯ型ハウジング または金属パッケージ４０ｂを使用する。符号８６で示す部分におけるカバー４ ４ｂのボディ４２ｂへの取り付け方法は、金属同士の溶接またはエポキシ系接着 剤を用いて行うことができる。図８には、真空キャビティ３４ｂを有するセンサ サブアセンブリ２０ｂ及び上面３６ｂを有する上部キャップ３０ｂが示されてい る。カバーの中心面６６ｂと上部キャップ３０ｂの上面３６ｂとの間には、接着 剤滴８０ｂがある。 図９は、装置１０の第３の代替実施形態を示す。この実施形態のセンササブア センブリ２０は、他の実施形態と同じ構造を有する。ハウジング４０ｃは、ボデ ィ４２ｃ及びカバー４４ｃを有する。通路４８ｃへの圧力結合部４６ｃは、カバ ー４４ｃを貫通して、圧力ポート５２ｃでチャンバ５０ｃに接続されている。リ ード５６ｃは、内端部６０ｃを有する。カバー４４ｃは、外側面６８ｃ及び中心 面６６ｃを有する。図９に示すように、圧力ポートは、ベース同様、カバーにも 設けることができる。たとえば、上記第１及び第２の代替実施形態も、カバーに 圧力ポートを設けることができる。これに関して必ず必要なのは、外部圧力を伝 える経路がキャビティの内部につながっているということだけである。 以上、本発明の装置１０の構造及び動作について説明したが、以下、この装置 の長所について述べる。従来、センサダイをハウジングに入れる際に行われてき た高コストの真空処理が、真空基準をチップ上に設けるので、不要となる。本発 明では、真空封入というチップの機能とパッケージングひずみ分離機能を１つの センササブアセンブリ２０にまとめ込み、そのセンササブアセンブリをオートメ ーションに適する少数のステップで安価な非気密パッケージに組み込むことによ って、設計が簡単化される。 本発明の装置１０は、センササブアセンブリ２０の上部キャップ３０とベース ２２との間の接着面積が小さく、また接着剤滴８０と上部キャップ３０との間の 接着面積も小さいため、小さいパッケージ誘起性ひずみでもってセンササブアセ ンブリ２０を取り付けることができる。 また、センササブアセンブリ自体が気密要素であるため、気密パッケージを用 いる必要がなくなる。そのため、高レベルのガス発生を伴う故に従来排除されて きた安価なプラスチックパッケージやパッケージング用エポキシ系接着剤を使用 することも可能である。 さらに、本発明の取付け装置１０に必要なのは、自動化組立てに適した低コス ト、低精度の個別組立て作業だけである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年６月５日 【補正内容】 補正明細書 絶対圧力センサを取り付けるための装置 発明の背景 本発明は、真空基準を含むダイヤフラム型絶対圧力センサのパッケージ構造に 付随する応力の問題を解決するための技術に関するものである。 ドイツ共和国文書第ＤＥ４１ ４１ ５０９ Ａ１には、印加圧力に応答して 曲がるダイヤフラムを有する半導体ボディ、そのダイヤフラムの曲げに応答して 電気信号を変化させるためのダイヤフラム中に設けられたひずみゲージ、及び半 導体ボディ内に設けられ、ひずみゲージに接続されていて電気信号を増幅する増 幅回路を有する半導体圧力検出チップと、その半導体圧力検出チップを支持する ベースと、半導体圧力検出チップ及びベースを封入するとともに、圧力検出チッ プへのアクセスを確保するための開口部を有するパッケージと、そのパッケージ を貫通して設けられ、増幅回路に接続された複数のリードと、パッケージを実装 する基板と、その基板のパッケージと反対側に設けられ、増幅回路に接続されて いてその増幅回路の利得を調整するための利得調整抵抗器と、を具備した半導体 圧力センサが開示されている。 従来技術では、埋め込み型半導体ひずみ感知抵抗器（一般にピエゾ抵抗効果と よばれている性質を利用したもの）、応力分離構造、たとえばシリコン圧力ダイ を陽極結合した（anodically bonded）パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）チューブ、 及びセンサをセンサパッケージ中に封入する際に形成される真空基準を用いたシ リコンベースの絶対圧力センサの構造が開示されている。この真空基準は、セン サパッケージに固着され、封入プロセッサ中に「活性化」される離散状ゲッタを 用いることによって、時間が経っても維持される。パッケージには、ひずみセン サと外部との間の機械的圧力ポート型相互接続手段及びシリコンダイ上のシリコ ンピエゾ抵抗器（ひずみ抵抗器）と外部との間の電気的相互接続手段が設けられ ている。 ひずみ感知ピエゾ抵抗器はシリコンダイ上に配列され、通常、片面上に完全な 形のホィーストンブリッジを形成するよう相互に接続される。シリコンダイの下 面は、通常、薄いダイヤフラム（この場合は円形）を形成するようにエッチング される。ダイヤフラムの縁部は、片面に圧力荷重が作用した結果ダイヤフラムに 曲げが加わったときひずみが最大となるピエゾ抵抗器の位置に対応する。所望の ひずみ感知軸は、ダイヤフラムに直交する方向にある。 このセンサは、パッケージ誘起性ひずみ作用も感如するので、圧力感度の選択 性を確保するために、機械的ひずみ分離器を用いることが必要である。それには 、パイレックスチューブまたはワッシャ、あるいは二次及び／または三次ひずみ 分離チップがセンサとパッケージの間に置かれることが多い。 時間及び温度に対する絶対圧力センサの精度は真空の質の関数である。真空が 低圧で、安定していればいるほど、トランスデューサの経時精度及び再現性が良 くなる。真空は、パッケージカバーのシール時に形成され、その際ゲッタを設け 、活性化する。パッケージカバーは、通常、真空中でレーザ溶接によってシール される。 補正請求の範囲 １．ハウジング（４０）内に内蔵真空基準を有する絶対圧力センササブアセンブ リ（２０）を取り付ける方法において、 外気圧に接続するための通路（４８）及び内端部（６０）を持つリード（５ ６）を有するボディ（４２）を有するとともに、そのボディに相補的に受けられ るカバー（４４）を有するハウジング（４０）を用意するステップと、 上記ボディ上にサブアセンブリ（２０）を載置するステップと、 上記サブアセンブリから上記内端部へ細い導体（７６）を接続するステップ と、 上記カバー（４４）の一部と上記サブアセンブリとの間に接着剤滴（８０） をサンドイッチ状に介在させてカバーをボディ（４２）に載置し、その接着剤の 硬化に伴って、ボディ（４２）からサブアセンブリを持ち上げさせるステップと 、 を具備した方法。 ２．細い導体（７６）を接続する上記ステップが、その細い導体を接続する間上 記通路に真空を印加して上記サブアセンブリ（２０）をボディに対して保持する ステップを具備する請求項１記載の方法。 ３．上記カバー（４４）を上記ボディ（４２）上に載置するステップが、カバー 上に上記接着剤滴（８０）を形成し、カバーをボディに載置するときその接着剤 滴をサブアセンブリに接触させるステップを具備する請求項１記載の方法。 ４．ハウジング（４０）内に内蔵真空基準を有する絶対圧力センササブアセンブ リ（２０）を取り付ける方法において、 外気圧に接続するための通路（４８）及び内端部（６０）を持つリード（５ ６）を有するボディ（４２）を有するとともに、そのボディに相補的に受けられ るカバー（４４）を有するハウジング（４０）を用意するステップと、 上記ボディ上に上記サブアセンブリ（２０）を載置するステップと、 上記サブアセンブリから内端部へ細い導線（７６）を接続するステップと、 未硬化状態で第１の容積を有し、硬化状態でこれより小さい第２の容積を有 する接着剤滴（８０）をカバーの一部（６４）上に盛るステップと、 その接着剤滴（８０）をサブアセンブリ（２０）に接触させ、接着剤滴の硬 化に伴って、サブアセンブリを持ち上げさせるようにして、カバー（４４）をボ ディ（４２）に取り付けるステップと、 を具備した方法。 ５．上記細い導線を接続するステップが、上記通路（４８）に真空を印加するこ とによりサブアセンブリをボディに対して保持するステップを含む請求項４記載 の方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ハウジング内に内蔵真空基準を有する絶対圧力センササブアセンブリを取り 付けるための装置において： 第１の片面、第２の片面及び中心ダイヤフラムを有するベースで、該第１の 片面に接着されていて該中心ダイヤフラムの位置に該真空基準を取り囲むように 形成する上部キャップを有するベースよりなる該圧力センササブアセンブリと、 第１の面及び該第１の面に対向する第２の面を持つキャビティを有する該ハ ウジングと、 該キャビティの内部から該キャビティの外部に延びる複数のリードと、 該キューＶの内部から該キャビティの外部に延びる通路と、 該センサと該リードとの間の電気的接続手段と、 該第１の面と該上部キャップとの間にあって、該第２の片面を該第１の面に 取り付けることなく該圧力センササーバアセンブリを弾性的に支持する自立性接 着手段と、 を具備した装置。 ２．上記第２の片面が上記第１の面から離間している請求項１記載の装置。 ３．上記接着手段が、塗布時に第１の容積を有し、硬化後は該第１の容積より小 さい第２の容積を有する接着剤滴からなる請求項２記載の装置。 ４．上記接着剤滴の形状及び上記第１の容積が、上記第１の面から上記第２の片 面までの間隔との間に一定の関係を有する請求項３記載の装置。 ５．上記ハウジングが、上記第１の面を有する第１の部分と、上記第２の面を有 する第２の部分とからなり、該第２の部分が該第１の部分に相補状に受支される 請求項４記載の装置。 ６．上記電気的接続手段を形成する間に上記センササブアセンブリを正しい位置 に保持するための保持手段をさらに具備した請求項５記載の装置。 ７．上記保持手段が、上記第１の面と上記センササブアセンブリの上記第２の片 面との間の昇華性接着手段からなる請求項６記載の装置。 ８．上記第２の部分が上記通路を含む請求項６記載の装置。 ９．上記第１の部分が上記通路を上記第１の面に有し、上記電気的接続手段がワ イヤボンド手段からなり、該ワイヤボンド手段を設ける際、真空を該通路に印加 して上記センササブアセンブリを正しい位置に保持する請求項６記載の記載の装 置。 １０．内蔵真空基準を有する絶対圧力センサを取り付けるための装置において： 外気圧と接続するための通路を有するハウジングで、周縁部及び中心部を 有するベースと中心部及び周縁部を有するキャップからなり、該キャップが該ベ ースに相補状に受支されているハウジングと、 上記パッケージを貫通して延びていて、複数の内端部を有する複数の導電 性リードと、 第１の半導体ダイ及び第２のダイからなる該圧力センサで、該第２のダイ が、該真空基準チャンバが該第１のダイと該第２のダイの間に位置するようにし て該第１のダイに接着されており、該第１のダイが第１の片面と第２の片面を有 し、該第１の片面が複数の ボンディングパッドを有する該圧力センサと、 該複数のボンディングパッドと該複数の内端部との電気的接続部を形成 する間、該第２の片面が該通路にある第１の位置に該圧力センサを保持するため の手段と、 該キャップの該中心部に固着された自立性接着剤滴で、該キャップを該 ベースに相補状に受支するとき該圧力センサに接触するとともに、硬化するにつ れて該圧力センサを該第２の片面が該圧力ポートから離間している第２の位置へ 移動させ、以後該圧力センサが該接着剤滴及び該電気的接続部のみによって支持 されるようにする接着剤滴と、 を具備した装置。 １１．上記電気的接続手段がワイヤボンドよりなる請求項１０記載の装置。 １２．該第２の片面が該圧力ポートにある第１の位置に該圧力センサを保持する ための上記手段が真空手段よりなる請求項１１記載の装置。 １３．該第２の片面が該圧力ポートにある第１の位置に該圧力センサを保持する ための上記手段が昇華性接着手段よりなる請求項１１記載の装置。 １４．ハウジング内に内蔵真空基準を有する絶対圧力センサを取り付けるための 装置において： ベース、キャップ及び圧力ポートを有し、該キャップが該ベースに相補状 に受支されるようになっている該ハウジングと、 上記パッケージを貫通して延びていて、複数の内端部を有する複数の導電 性リードと、 第１の半導体ダイ及び第２のダイからなる該圧力センサで、該第２のダイ が、該真空基準チャンバが該第１のダイと該第２のダイの間に形成されるように して該第１のダイに接着されており、該第１のダイが第１の片面と第２の片面を 有し、該第１の片面が複数の電気的接続手段を有する該圧力センサと、 該電気的接続手段と該内端部との間に延びていて、該圧力センサを一部支 持する作用をなす複数の電気的相互接続手段と、 該キャップに固着されるとともに、該第２のダイに固着されていて、該圧 力を該ベースに対して離間した位置関係に保つ自立性接着手段と、 を具備した装置。 １５．上記第１の半導体ダイがシリコンよりなり、該第２のダイが、エッチング することができかつ該シリコンと非常に近い熱膨張特性を有する材料よりなる請 求項１４記載の装置。 １６．上記第２のダイ材料が、サファイア、ルビー、シリコン、パイレックス及 びガラスからなる群より選択される材料である請求項１５記載の装置。