JPS6261348A - 半導体素子用ステム - 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〕 本発明は半導体素子の実装に用いられるステムに関し、
特に機械量−電気変換半導体素子の実装に適した半導体
素子用ステムに関する。

〔従来の技術〕

第７図（、）、（ｂ）は、この種の半導体素子用ステム
の従来例である。図の例では、ステム１００は金属リ−
）’　ｌ　、該リードを気密封止するためのガラス材２
及び該ガラス材を囲む外環金属３で構成されている。金
属リードｌ、外環金属３とガラス材２は高温で融着され
る。金属リード、外環金屑３の材料としては、鉄、鉄−
ニッケル合金、鉄−二ツケル−コバルト合金（コパール
と呼ばれる９等がガラス材２としては、硼硅酸ガラス、
ソーダバリウムガラス等が用いられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来、この種のステムに半導体素子（チップ〕を実装す
る場合の問題点として、実装時や使用時の温度変化によ
ってチップに加わる熱歪の問題がありた。該熱歪は、チ
ップとステムを構成する材料間の熱膨張係数の相違によ
シ発生するもので、半導体素子の電気的特性のシフトや
温度ドリフトの原因となる。さらに甚しい場合には、チ
ップに亀裂が入ったシ、チップ接合部がはがれたシする
原因にもなる。

半導体素子の中でも、特に歪・応力を検知対象とする機
械量−電気変換素子では、この熱歪による素子特性の劣
化が非常に深刻な問題となって〈る。機械量−電気変換
素子としてダイアフラム形シＩＪコン圧カセンサがよく
知られている。該圧力センサス０は、第８図（ａ）、（
ｂ）に示すようシリコン基板４全エツチング等により薄
膜化したダイアフラム５の上にイオン注入等により形成
された拡散抵抗１１〜１４全感圧素子とする圧力−電気
変換デバイスである。シリコンダイアフラム５は表面側
と裏面側の圧力の差を歪に変換する起歪体であり、歪に
よってダイアフラム５に発生する応力により拡散抵抗１
１〜１４の抵抗値が変化する。図の例では、正方形ダイ
アプラム５上の４辺に長手方向がダイアフラムエツジと
垂直な拡散抵抗１１．１３と平行な拡散抵抗１２．１４
がそれぞれ配置されて＾る。これはシリコン基板Ｊｉｎ
型、拡散抵抗１１〜１４　ｔ”　り型とし、ｎ型シリコ
ン基板４の面方位ｋ　（１００）、Ｐ型拡赦抵抗１１〜
１４の長手方向金（０１１）結晶軸方向に選んだ場合の
抵抗配置の一例であって、この場合ダイアフラム表面（
拡散抵抗パターンニング面）側から正圧が印加されると
、拡散抵抗１１　、１３は抵抗値が増大し、拡散抵抗１
２．１４は抵抗値が減少する。拡散抵抗１１〜１４の両
端部は、それぞれ、配線パターンにより金属電極（バン
ド）６まで引き出され、該・ダッド６を介して外部に取
り出されろ、。

拡散抵抗１１．１３と拡散抵抗１２．１４とでは、印加
圧力に対する抵抗値変化が互いに逆極性どなるので、拡
散抵抗１１〜１４でホイートストンプリツノ回路全構成
し、これに定電圧または定電流全印加すれば。

印加圧力による抵抗値変化を電圧として検出でへる。

第９図は、第７図（ｉｔ）、（ｂ）に示した従来のステ
ム金印いたダイアフラム形圧カセンザの実装構造の一例
を示す断面図である。圧カセンザチッｆｌｏは、ステム
１００の外環金属３上にチップ接着される。

次に、チップ上のＡ？フッドメンダイング線９によりス
テム１００のリード１と結線され、外部と電気的に接続
石れる。最後に、ステム１００の外環金、属３に圧力導
入管１５ヲ備えたキャラ７’１６が醪接等により接着さ
れ、ステム１００の上面がキャップシールされる。図の
構造例では、圧力導入管１５への供給圧とダイアフラム
の裏側に注入された基準圧との差が検出される。基準圧
としてはＸ空を用いるのが普通であり、この場合、前述
のチップ接着は真空中で行なわれる。この構造のものを
絶対圧センナと呼ぶ。これに対し、ステム１００に貫通
孔を設けてダイアフラム裏面全大気に開放し、大気圧を
基準にした圧力検出ができるようにした構造のものｔｒ
−ジ圧センサと呼ぶ。また、ステム１００ニモ圧力導入
管？設け、キャップとステム１７）圧力導入管にそれぞ
れ供給される圧力の差を検出できは、ステム１００の外
環金属３上に接着剤１７とチノ７’ＩＯを載せ、温度を
上げ、接着剤１７全溶かしてチップＩＯとステム１００
　ｉ接着する、接着剤１７としては、ハンダ（Ａｕ−８
ｎ　、　Ａｕ−８ｎ合金等）、低融点ガラス、樹脂硬化
型接着剤等が用いられるが、いずれにしてもチップはス
テムに強固に、かつ、気密性良く接着されなければなら
ない。ステム１００の外環金属３のＩＡ膨張係数（コパ
ーで５×１０−６／℃程度である）はシリコン（３，３
Ｘ　１　ｏ−６／ｃ程度である）より大きいので、外環
金属３がチッｆｌｏよりもよけいに伸びた状態で両者は
接着される。次に、接着後常温まで温度を下げると、外
環金属３が元の長さに収縮するのに引きずられて、チッ
：７’１Ｏｔｄ元の長さより短く圧縮される。すなわち
、チップ接着後、チップには熱歪による圧縮応力が作用
している。圧力センサチップは周辺が肉厚、中央が薄膜
であるから、この熱歪による応力はダイアフラム部に集
中する。この結果ダイアフラムには被測定圧とは無関係
な不要を応力が発生し、これによって生じる拡散抵抗１
１〜１４間の抵抗値アンバランスが不要なオフセット電
圧成分としてブリッジ出力電圧に混入することになる。

次に組立後の圧力センサ使用時において、周囲温度が上
昇すると、チップはステムの熱膨張に引きずられて引き
伸ばされ、元の長さに近ずくので、チップの圧縮応力は
常温よシも小さくなる。逆に周囲温度が降下すると、チ
ップはステムの熱収縮に引きずられてさらに圧縮される
ので、チップっ圧縮応力は常温よりもさらに大きくなる
。この結果、オフセット電圧が周囲温度により変動し、
センサ特性を劣化させる。。

以上のように、シリコンダイアグラム型圧力センサでは
、チップとステムの熱膨張係数の差による熱歪が、組立
時のオフセント電圧発生及び使用時のオフセット電圧温
度変動の要因となり、特性全劣化させていた。さらに、
該熱歪は、接′ｆｆＪ層のクリープ挙動（ずれ変形が徐
々に進行すること）と相俟って、特性の長時間ドリフト
や熱ヒステリシスの原因にもなっていた。

該熱歪の影響を低減するため、ダイアフラム型圧カセン
ザでは圧力センサチップとステムの中間にシリコンと熱
膨張係数が略一致した緩衝層企設ける構造が従来から一
般的に用いられてきた。しかし、この構造は、実装前に
チップと緩衝層全接着するための工程が追加てれるので
生産性、コスト面では好ましいとはいえない３．また、
熱歪の影響全低減するためには、緩嘴層をチップに比べ
て十分厚くしなければならず、チップと緩衝層を積層し
たダイの高さはチップのみの場合の数倍〜十数倍になっ
てしまう。ワイヤーボンディングのためには、チップ上
面とリードの先端の嶋さ金揃える必要があるので、この
場合、ステム−ヒ面からのリードの長さもチップのみの
場合の数倍−十数培にする必要がある。しかし５ステム
土面からのリードの長さが長くなると、ワイヤーボンデ
ィング性及びリードの機械的強度が劣化する欠点があっ
た。

以上、ダイアフラム型ンリコン圧カセンサの実装２例に
詳しく説明したように、従来の半導体素子用ステムは半
導体素子基板材料と熱膨張係数に差があるという欠点を
有しており、熱歪に敏感な機械量−電気変換素子全、特
性劣化なしに、かつ緩衝層なしに直接実装するのに適し
た半導体素子用ステムはなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点が除去された半導
体素子用ステム全提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、金属リードと、該リードを気′醋封止するた
めの部材と、該部材全回む外環ａ属とから成る半導体素
子用ステムにおいて、前配気密封止用部材金牛導体素子
の基板材料と略同−の熱膨張係数２有する材料で構成す
るとともに半導体素子搭載領域に該気密封止用部材全露
出させたことを特徴とする半導体素子用ステムである。

〔作用〕

半導体素子は外環金属ではなく、気密封止用部材に接着
される。接着は温度を上げた状態で行なわれるが、気密
封土用部材の熱膨張係数は半導体素子の基板材料と略同
−であるので、両者はほぼ同じ長さだけ伸びた状態で接
着され、接着後常温まで温度２下げると、両者ともほぼ
同じたけ収縮して元の長さに戻る。このため、接着後の
半導体素子にはほとんど熱歪が生じない。また、実装後
の使用時においても、周囲温度の昇降にともない、半導
体素子と気密封土用部材が同じだけ膨張／収縮するので
、半導体素子に熱歪は発生しない。この結果、熱歪によ
る半導体素子の特性劣化が著しく減少する。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明？説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例を示す図であ
る。

図において、２００は、金属リード２１．該リード全気
密封止するための部材２２、該部材を囲む外環金属２３
から成る半導体素子用ステムである。本発明の特徴は、
気密封止用部材２２が半導体素子の基板材料と略同−の
熱膨張係数を有する材料で構成され、かつ半導体素子搭
載領域に該部材２２７ｉｌ−Ａ出させた点にある。すな
わち、第７図（ａ）、（ｂ）に示した従来のステム１０
０が外環金属３上に＃−４体素子全接２するよう構成さ
れていたのに対し、本発明では、半導体素子が、半導体
素子基板材料と略同−の熱膨張係数を有する気密封止用
部材２２に接着されるよう構成が修正されている。

第２図は、第１図（ａ）、（ｂ）に示した実施例のステ
ムを用いてダイアフラム形圧力七ンサを実装する場合の
構造の一例を示す断面図である。図において。

第９図の実装構造断面図と同一の構成要素は、第９図と
同一の符号で示されている。圧力センサチップ１０は、
接着剤１７によりステム２００の気密封土用部材２２に
接着される。接着は温度全土げた状態で行なわれるが、
気密封止用部材２２の熱膨張係数がシリコンと略同−に
選定されていれば、両者は常温よりほぼ同じ長さだけ伸
びた状態で接着される。次に、接着後常温筐で温度金工
げると、熱膨張係数が略同−の両者はほぼ同じたけ収縮
して元の長さに戻る。すなわち、チップ接着工程での温
度の昇降に対して、シリコンチッ７’ＩＯと気密封止用
部材２２とはほぼ同じたけ膨張／収縮する。このため、
接着後のチップ１０にはほとんど熱歪は発生しない。同
様に、使用時の周囲温度の昇降に対しても、チップ１０
と気密封止用部材２２とはほぼ同じだけ伸縮するので、
温度変化による熱歪はほとんど発生しない。この結果、
熱歪によるダイアフラム型圧力センサの特性劣化は著し
く低減される。

すなわち、本実施例によれば、熱歪に敏感なダイアフラ
ム型圧力センサを、特性劣化なしに、かつ緩衝層なしに
直接実装するのに適した半導体素子用ステムが得らｆＬ
る。

本実施例の気密封土用部材２２としては、シリコン単結
晶をはじめとしてＳ１Ｃ及び窒化アルミニウム等のセラ
ミック、パイレックスガラス等が使用できる。

上記実施例の構造は、一般の半導体素子及び絶対圧セン
サの実装に適したものであったが、圧力センサの使用形
態には絶対圧センサの他にゲージ圧センサ、差圧センサ
等がおる。第３図（ａ）、（ｂ）は。

ゲージ圧センサの実装に適した本発明の第２の実施例を
示す図である。図において、第１図（ａ）、（ｂ）と同
一の構成要素は、同一の符号で示されている。。

本実施例の特徴は、気密封土用部材２４に貫通孔２５ヲ
設け、貫通孔２５ヲ有する半導体素子用ステム３００ヲ
構成している点にある。この構造によれば、圧力センサ
をチップ接着したとき、ダイアプラム裏面は大気に開放
されることになり、大気圧を基準にした圧力検出が可能
になる。したがって、本実施例によれば、上記第１の実
施例と同じく、圧力センサチップ全熱歪による特性劣化
なしに、かつ、緩衝層なしに直接接着でき、特にｒ−ジ
圧七ンサの実装に適した半導体素子用ステムが得られる
。

第３図（＆）、（ｂ）に示した上記第２の実施例の半導
体素子用ステム３００に圧カセンサチツデヲ実装する場
合には、貫通孔とダイアフラムの位置合わせが１要な問
題になる。第４図（ａ）、（ｂ）は、この位置合わせを
容易に行なうことが可能な本発明の第３の実施例を示す
図である。図から明らかなように、本実施例のステム４
００では、気密封土用部材２６の上面に、素子搭載領域
が外周部よりも低くなるような段差２６ｍが設けられて
いるから、該段差２６ａ内の面積を適当な寸法に選び、
チッｆ１０を該段差２ｆｌｌの内側に入るように接着す
れば第５図に示すようにステム４００の貫通孔２５とダ
イアフラムの位置合わせ全自動的に行なうことができる
。したがって、本実施例によれば、上記２実施例と同じ
く、圧力センサチップを熱歪による特性劣化なしに、か
つ、緩衝層なしに直接実装できる上、ダイアフラムと貫
通孔との位置合わせの容易な、圧力センサの実装に最適
な半導体素子用ステムが得られる。

上記実施例における気密封止用部材２６の上面の段差２
６ｍは、第１図（ａ）、（ｂ）に示した貫通孔のないス
テムに、絶対圧センナや一般の半導体素子全実装する場
合にも、ワイヤーデンディング工程での位置合わせ用等
として有用である。

第６図（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施例を示す図
である。本実施例のステム５００は、第４図（、）、（
ｂ）に示した上記第３の実施例のステム４００の気密封
止用部材２６に圧力導入管２７全挿入した構造？有して
おり、差圧センサ用のステムとして最適である。

以上、ダイアフラム型圧力センサの実装を例に本発明全
説明したが、本発明は圧力センサ等の機械量−電気変換
素子用のみならず、一般の半導体素子用ステムに広く適
用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、従来間項となっていた
半導体素子と半導体素子用ステム間の熱膨張係数の差に
よる熱歪の発生が抑制され、半導体素子を、熱歪による
特性劣化なしに、かつ緩衝層の追加なしに実装できる優
れた効果２有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す平面図、（ｂ）
は同縦断面図、第２図は該実施例音用いた半導体素子の
実装の一例金示す図、第３図（ａ）は本発明の第２の実
施例を示す平面図、（ｂ）は同縦断面図、第４図（、）
は本発明の第３の実施例を示す平面図、（ｂ）は同縦断
面図、第５図は該実施例を用いた半導体素子の実装の一
例を示す図、第６図（ａ）は本発明用４の実施例を示す
平面図、（ｂ）は同縦断面図、第７図（、）は半導体素
子用ステムの従来例を示す平面図、（ｂｌは同縦断面図
、第８図（ａ）は機械量−電気変換素子として従来よく
知られているダイアフラム型シリコン圧力センサのチッ
プ構造の一例全示す平面図、（ｂ）は同側面図、第９図
は該圧力センサの実装の従来例を示す図である。 １００．２００，３００，４００．５００　・・・半導
体素子用ステム、１０・・・ダイアフラム型圧力センサ
、１，２１・・金属リード、２・・・ガラス材、３．２
３．２５・・・外環金属、４・・・シリコン基板、５・
・・シリコンダイアフラム、６・・・ノ！ノド、９・・
・ゲンディングｉ、　　１１，１２．１３．１４・・・
拡散抵抗、１５．２７・・・圧力導入管、２２，２４．
２６・・・気密封止用部材、１６・・・キャップ、１７
・・・接着剤、２５・・・貫通孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属リードと、該リードを気密封止するための部
   材と、該部材を囲む外環金属とから成る半導体素子用ス
   テムにおいて、前記気密封止用部材を半導体素子の基板
   材料と略同一の熱膨張係数を有する材料で構成するとと
   もに半導体素子搭載領域に該気密封止用部材を露出させ
   たことを特徴とする半導体素子用ステム。