JPS6272146A - 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（祷（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Ｚｏｏ　Ｖｉ金属リす
Ｐ１、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１、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１１外環金属３の材料としては、鉄、鉄；ニッ
ケル合金、鉄；ニッケルーコバルト合金（コパールと呼
ばれる）等が、ガラス材としては、硼硅酸ガラス、ンー
ダパリワ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った。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
ップに亀裂が入りたシ、チ、″ｊ′接合部かは−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くる０機械量−電気変
換素子としてダイアクラム形シリコン圧力七ン丈がよく
知られている。該圧力センサ１０は、第８図（ａ）、（
ｂ）に示すようにシリコン基板４を工、テング等によシ
薄膜化したダイアフラム５の上にイオン注入等によシ形
成された拡散抵抗１１〜１４を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ちゃ、歪
によってダイアフラム５に発生する応力によシ拡散抵抗
１１〜１４の抵抗値が変化する。図の例では、正方形ダ
イアフラム５上の４辺に長手方向がダイアフラムエツノ
と垂直な拡散抵抗１１．１３と平行な拡散抵抗１２．１
４がそれぞれ配置さｎているＯこれはシリコン基板４　
ｆ：ｎ型、拡散抵抗１１〜１４をｐ型とし、ｎ　ｆｆｉ
　’／リコン基板４の面方位を（１００）、ｐ型拡散抵
抗１１〜１４の長手方向を＜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７：
）ム表面（拡散抵抗・母ターンニンダ面〕側から正圧が
印加さｎると、拡散抵抗１１，１３ｉｊ抵抗値が増大し
、拡散抵抗１２．１４は抵抗値が減少する。拡散抵抗１
１〜１４の両端部は、それぞｎ、配線パターンによシ金
属電極（・臂ツド〕６まで引き出され、該・ンツド６を
介して外部に取シ出される。

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となるので、拡
散抵抗１１〜１４でホイートストンプリ、ジ回路を構成
し、これに定電圧または定電流を印加すれば、印加圧力
による抵抗値変化を電圧として検出できる。

第９図は、第７図（＆）、（ｂ）　Ｋ示した従来のステ
ムを用いたダイアフラム膨圧カセンナの実装構造の一例
を示す断面図である。圧力センサチップ１０は、ステム
１００の外環金属３上にテップ接着される。

次に１テ、！上のパッドが？ンディング線９によシステ
ム１００のリードｌと結線され、外部と電気的に接続さ
れる。最後に、ステム１００の外環金属３に圧力導入管
１５を備えたキャップ１６が溶接等によシ接着され、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
に封入さｎた基準圧との差が検出される。基準圧として
は真空を用いるのが普通であシ、この場合、前述のテッ
プ接着は真空中で行なわれる。この構造のものを絶対圧
センサと呼ぶ。これに対し、ステムＺｏｏ　Ｋ貫通孔を
設けてダイアフラム裏面を大気に開放し、大気圧を基準
にした圧力検出ができるようＫし九構造のものをｒ−ジ
圧センサと呼ぶ。また、ステム１００にも圧力導入管を
設け、キャップとステムの圧力導入管にそれぞれ供給さ
れる圧力の差を検出できるようにした構造のものを差圧
センサと呼ぶ。

上記圧力センサの実装工程中、チップ接着工程では、ス
テム１００の外環金属３上に接着剤１７とチてチップ１
０とステム１００を接着する。接着Ｍａｐ　Ｌｌ？ｆて
は、ハンダ（Ａｕ−８ｎａＡｕ−８テ合金等）、低融点
が−゛ラス樹脂硬化型接着剤等が用いられるが、いずれ
Ｋしても、テラ７″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の熱膨張係数（コ・臂−で５ＸｌＯ／’Ｃ程度である
）はシリコン（３，３Ｘ１０″″６７℃程度である〕よ
り大きいので、外環金属３がチツｆｌＯよシもよけいに
伸びた状態で両者は接着さｎる。次に、接着後常温まで
温度を下げると、外環金ｐＡ３が元の長さく収縮するの
に引きずられて、チップ１０は元の長さよシ短く圧縮さ
れる。すなわち、チップ接着後、チ、！罠は熱歪による
圧縮応力が作用している。圧カセンサテ、ｆ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な応力が発生し、こｎＫよりて
生じる拡散抵抗１１〜１４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１組立後の圧力上ン丈使用時において、周囲温度が
上昇すると、テップはステムの熱膨張に引きずらｎて引
き伸ばされ、元の長さに近ずくので、テップの圧縮応力
は常温よりも小さくなる。

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ｎるので、チップの圧縮応力
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シ変動し、センサ特性を劣化させる
。

以上のように、シリコンダイアフラム型圧力センサでは
、チップとステムの熱膨係数の差による熱歪が、組立時
のオフセット電圧発生及び使用時のオフセット電圧温度
変動の要因となシ、特性を劣化させていた。さらに、該
熱歪は、接着層のクリープ挙動（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、ダイアフラム型圧力士ン
サでは圧力セン丈チ、ｆ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を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
テップと緩衝層を接着するための工程が追加されるので
、生産性、コスト面では好ましいとはいえない。また、
熱歪の影響を低減するためには、緩衝層をテップに比べ
て十分厚くしなければならず、チップと緩衝層を積層し
たダイの高さはテ、ｆのみの場合の数倍〜士数倍になっ
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高さを揃える必要があるので、この
場合、ステム上面からのリードの長さもチップのみの場
合の数倍〜士数倍にする必要がある。しかし、ステム上
面からのリードの長さが長くなると、ワイヤーゲンディ
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、メイアフラム型シリコン圧力センナの実装を例忙
詳しく説明したように１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
有しておシ、熱歪に敏感な機械量−電気変換素子を、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はなかった。

オ発明の目的は、上記従来技術の欠点が除去された半導
体素子用ステムを提供すること１Ｃ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、半導体素子を接着するための
部材と、該部材の側壁を囲むとともに前記金属リードを
気密封止するためのガラス材と、該ガラス材のすくなく
とも側壁を囲む外環金属とを備え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、半導体素子を接着す
る目的で設けられた素子搭載用部材に接着される。該部
材は半導体素子の基板材料と略同−の熱膨張係数を有す
る材料で構成される。接着は温度を上げた状態で行なわ
れるが、半導体素子基板と素子搭載用部材の熱膨張係数
は略同−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を下げると、両者と
もほぼ同じだけ収縮して元の長さに戻る０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
、半導体素子と素子搭載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ｐ本発８Ａを説明する。

第１図は、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、半導体素子を
接着するための部材２４、該部材２４の側壁を囲むとと
もに金属ＩＪ　＋＋＋Ｈｌ−２１を気密封止するための
ガラス材２２、該ガラス材２２を囲む外環金Ｉ４２３か
ら成る半導体素子用ステムである。本実施例の特徴は、
半導体素子用ステム２００の中央部に、外環金属２３と
ガラス材２２とに囲まれる形で、半導体素子を接着する
ための部材〔以下、素子搭載用部材と呼ぶ〕２４が配置
さｎている点にある１該素子搭載用部材２４の熱膨張係
数は半導体素子の基板材料と略同−に選定される。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Ｊ！Ｉ４３上に半導体素子ｔ−接着するよう
に構成されてい−たのく対し、本発明では、半導体素子
が、半導体基板材料と略同−の熱膨張係数を有する素子
搭載用部材２４に接着されるよう構成が修正さｎている
。

第２図は、第１図（、）、（ｂ）に示した本実施例のス
テムを用いてダイアクラム形圧力セ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ｎている。圧力センサテラｆｌＯは、接着剤
１７によシステム２００の素子搭載用部材２４　Ｋ接着
される。接着は温度を上げた状態で行なわれるが、素子
搭載用部材２４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、接着後常温まで温度を下げる
と、熱膨張係数が略同−の両者はほぼ同じだけ収縮して
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、シリコンテラｆｌＯと素子搭載用部材２
４とはほぼ同じだけ膨張／収縮する。

この丸め、接着後のチ、　ｆｌｏ　Ｋはほとんど熱歪は
発生しない。同様に１使用時の周囲温度の昇降に対して
も、テ、　ｆ　１０と素子搭載用部材２４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ナ
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れる
。

本実施例の素子搭載用部材２４としては、シリコン単結
晶をはじめとして、ＳｔＣ及び窒化アルミニワム等のセ
ラミック、ノぐイレ、クスガラス等が使用できる。なお
、該素子搭載用部材２４の断面形状として上記実施例で
は円形を用いたが、これは単なる一例でありて、該部材
２４は方形、多角形等任意の断面形状とすることができ
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、圧力センナの使用形
態には絶対圧センサの他にデーノ圧センサ、差圧センサ
等がある。第３図（ａ）、（ｂ）　Ｆｉ、ｒ−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、第１図（ａ）、（ｂ）と同一の符号で示されている
。本実施例の特徴は、素子搭載用部材２６に貫通孔を設
け、貫通孔２７を有する半導体素子用ステム３００を構
成している点にある。この構造によれば、圧力センナを
チップ接着したとき、ダイアフラム裏面は大気に開放さ
れることＫなシ、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、圧カセンサテッグを熱歪による特性劣化な
しに、かつ、緩衝層なしく直接接着でき、特にダージ圧
セ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）　Ｋ示した上記第２の実施例の半
導体素子用ステム３００　Ｋ圧力センサテップを実装す
る場合には、貫通孔とダイアフラムとの位置合わせが重
要な問題になる。第４図体）、（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１本実施例のス
テム４００では、素子搭載用部材２８の高さが、該部材
の上面ががラス材２２の上面よシも低くなるよう選ばれ
ている。この結果、素子搭載用部材２８とガラス材２２
との境目には段差２８＆が生じるから、素子搭載用部材
２８の断面積を適盲な寸法に選び、テップｌＯを該段差
２８ａ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４０００貫通孔２７とダイアフラムの位置合
わせを自動的に行なうことができる。したがりて、本実
施例によれば、上記２実施例と同じく、圧力センサチ、
：、ｆ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、圧力センナ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素子搭載用部材２８とガラス材２２
との間の段差は、第１図（祷（ｂ）に示した貫通孔のな
いステムに、絶対圧センサや一般の半導体素子を実装す
る場合にも、ワイヤーボンデインダニ程での位置合わせ
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（ａ）、（
ｂ）に示した上記第３の実施例のステム４００の素子搭
載用部材２８　Ｋ圧力導入管２９を挿入した構造を有し
ておシ、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ナの実装を例に本発明を
説明したが、本発明は圧力センナ等の機械量−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１本発明によｎば、従来問題となっていた
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
れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ　ｔｄ本発明の一実施例を示す平面図、（
ｂ）は同縦断面図、第２図は該実施例を用いた半導体素
子の実装の一例を示す図、第３図（＆）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（
耐は本発明の第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）は本発明の第４の実施例を
示す平面図、（ｂ）は同縦断面図、第７図（ａ）は半導
体素子用ステムの従来例を示す平面図、（ｂ）は同縦断
面図、第８図体）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
ップ構造の一例を示す平面図、（ｂ）は同側面図、第９
図＃−ｉ核圧カ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・・・ダイアン２ム型圧力センナ、
１．２１・・・金属リート９．２，２２・・・ガラス材
、３．２３．２５・・・外環金属、４・・・−ｉす：ｉ
ンｌｔｉＭ、ｓ・・・シリコンダイア７７　”　、６・
・・ノぐラド、９・・・ボンディングｉ、１１．１２，
１３．１４・・・拡散抵抗、１５−２９・・・圧力導入
管、２４．２６．２８・・・素子搭載用部材、１６・・
・キャップ、１７・・・接着剤、２７・・・貫通孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属リードと、半導体素子を接着するための部材
   と、該部材の側壁を囲むとともに前記金属リードを気密
   封止するためのガラス材と、該ガラス材のすくなくとも
   側壁を囲む外環金属とを備えたことを特徴とする半導体
   素子用ステム。