Brevet FR2851849A1 — publié le 20040903

DISPOSITIF CAPTEUR DE PRESSION A SEMICONDUCTEUR La présente invention concerne un dispositif capteur de pression à semiconducteur ayant une puce de capteur et un fil de connexion, tous deux étant recouverts par un élément protecteur tel qu'un gel. Le 5 dispositif capteur de pression à semiconducteur est utilisé de façon approprié pour détecter une pression d'admission de moteur d'un véhicule. Par exemple, le brevet JP-A-2001-153746 (US-6 512 255) décrit un dispositif capteur de pression à semiconducteur ayant une puce de capteur à semiconducteur pour détecter une pression et générant un 10 signal électrique correspondant à la pression. Cette puce de capteur du dispositif capteur est connectée à un élément conducteur tel qu'une borne en utilisant un fil de connexion consistant en Au (or) ou en AI (aluminium). La puce de capteur et le fil de connexion sont recouverts par un élément protecteur qui a des propriétés d'isolation électrique et de 15 plasticité. Par exemple, le dispositif capteur est appliqué à un capteur pour détecter une pression à l'intérieur d'un collecteur d'admission d'un moteur de véhicule, c'est-à-dire un Capteur de Pression Absolue de Collecteur qui est utilisé pour un capteur principal commandant une pression 20 de collecteur d'admission. Dans le dispositif capteur de pression à semiconducteur envisagé cidessus, une puce de capteur et un fil de connexion sont recouverts par un élément protecteur constitué d'un gel, tel qu'un gel siliconé et un gel fluoré, ce qui fait qu'on les appelle "structure à gel à remplis25 sage complet". Au contraire, le terme "structure à gel à remplissage partiel" indique une structure dans laquelle la puce de capteur est recouverte mais le fil de connexion n'est pas recouvert par l'élément protecteur. La structure à gel à remplissage complet est supérieure à la structure à gel à remplissage partiel en ce qui concerne une caractéristique de protection d'une puce de capteur ou d'un fil de connexion. Par exemple, il y a récemment une tendance à adopter la structure à gel à 5 remplissage complet pour le capteur de pression absolue de collecteur, du fait de la considération de la résistance aux boues, de la résistance à la congélation, ou de l'influence de la contamination due à un gaz de recyclage de gaz d'échappement (ou EGR pour "Exhaust Gas Recirculation"). En outre, dans le dispositif capteur de pression à semiconduc10 teur ayant la structure à gel à remplissage complet, une puce de circuit est incorporée en fonction des besoins pour traiter un signal électrique provenant d'une puce de capteur. Ici, la puce de circuit et la puce de capteur sont connectées électriquement par un fil de connexion, et la puce de circuit et le fil de connexion sont également recouverts par un 15 élément protecteur. En outre, dans le dispositif capteur de pression à semiconducteur ayant la structure à gel à remplissage complet, les fils de connexion entre la puce de capteur et un élément conducteur, et entre la puce de capteur et la puce de circuit consistent en Au (or) ou en AI (aluminium). En particulier, une plage de connexion sur la puce est généralement formée d'un matériau de base utilisant AI, ce qui fait que l'or est principalement appliqué à un fil de connexion du fait de sa supériorité par rapport à l'aluminium en ce qui concerne la résistance mécanique de connexion. Cependant, dans le dispositif capteur de pression à semiconducteur ayant la structure à gel à remplissage complet, l'élément protecteur formé par le gel ou une substance similaire est contracté et gonflé sous l'effet d'un cycle de refroidissement / échauffement. Ceci génère une contrainte appliquée à un fil de connexion, entraînant une diminution 30 d'un cycle de vie de produit du dispositif, par exemple à cause de la rupture d'une partie de col du fil de connexion. En outre, lorsqu'un diamètre d'un fil est augmenté pour améliorer le cycle de vie du fil de connexion, il est nécessaire d'agrandir une plage de connexion de la puce. Ceci n'est pas préférable pour une struc35 ture de puce qui exige une intégration à plus grande échelle. Par exem- pie, un diamètre d'un fil de connexion est de façon classique de 30 à 40 pm, ce qui fait qu'un diamètre supérieur à 40 pm n'est pas préférable. En outre, lorsqu'un diamètre d'un fil de connexion est augmenté, une contrainte supplémentaire est générée en relation avec l'augmen5 tation de la résistance mécanique du fil, ce qui réduit un cycle de vie du fil et augmente le cot. En outre, lorsque la résistance mécanique du fil devient trop élevée, le fil tend à ne pas suivre des variations de l'élément protecteur constitué d'un gel ou d'une substance similaire, ce qui est potentielle10 ment nuisible à l'élément protecteur et génère une bulle à l'intérieur de l'élément protecteur pendant le cycle de refroidissement / échauffement. Au contraire, ceci peut occasionner une rupture du fil du fait qu'il ne suit pas les variations de l'élément protecteur. Un but de la présente invention est de procurer un dispositif 15 capteur de pression à semiconducteur, ayant une structure à gel à remplissage complet, capable de renforcer la résistance mécanique d'un fil de connexion sans augmenter fortement un diamètre du fil de connexion. Pour atteindre le but ci-dessus, un dispositif capteur de pression à semiconducteur présente les caractéristiques suivantes. Une puce 20 de capteur est incorporée pour détecter une pression et générer un signal électrique correspondant à la pression. La puce de capteur est connectée électriquement à un élément conducteur en utilisant un fil de connexion. La puce de capteur et le fil de connexion sont recouverts par un élément protecteur. Ici, le fil de connexion est formé d'un alliage d'Au 25 et de Pd. Cette structure utilisant un fil de connexion en un alliage Au-Pd permet de renforcer une résistance mécanique du fil sans augmenter fortement le diamètre du fil, en comparaison avec un fil classique. Selon un autre aspect de la présente invention, le fil de connexion a de préférence un diamètre ne dépassant pas 40 pm. Cette 30 structure utilisant un fil de connexion ayant un diamètre ne dépassant pas 40 pm permet de renforcer la résistance mécanique du fil avec un diamètre proche d'un diamètre d'un fil de connexion classique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de 35 réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une coupe montrant une partie principale d'un dispositif capteur de pression à semiconducteur conforme à un mode de réalisation de la présente invention; et La figure 2 est une vue en perspective montrant une partie principale d'un dispositif capteur de pression à semiconducteur conforme à un autre mode de réalisation de la présente invention. On expliquera un dispositif capteur de pression à semiconducteur 100 conforme à un mode de réalisation de la présente invention, en 10 se référant à la figure 1 qui montre sa structure principale. Par exemple, le dispositif capteur 100 est utilisé pour détecter une pression d'admission d'un moteur de véhicule. Comme représenté sur la figure 1, un boîtier 1 est formé d'une résine telle qu'une résine époxy contenant des charges, du PPS (poly 15 (sulfure de phénylène)), ou du PBT (poly(téréphtalate de butylène)). Dans le boîtier 1, une borne (élément conducteur) 2 constituée d'un matériau conducteur tel que le cuivre est disposée de manière intégrée, par moulage sur insert. La borne 2 est à nu vers l'extérieur dans une partie donnée du boîtier 1, pour être connectée électriquement à un 20 élément de connexion externe. En outre, dans le boîtier 1, une puce de capteur à semiconducteur 3 est disposée de façon à détecter une pression et à générer un signal électrique correspondant à la pression détectée. La puce de capteur 3 a une structure bien connue pour utiliser un effet de piézorésistance. 25 Du fait qu'une membrane et une résistance diffusée formée sur la membrane sont incorporées dans la puce de capteur 3, le signal électrique est généré conformément à un effort (pression) appliqué sur la puce de capteur 3 dans la direction de son épaisseur. La puce de capteur 3 est fixée par une technique de fixation de 30 puce sur la surface de fond d'une partie de cavité la, par l'intermédiaire d'une base en verre 4, avec un adhésif 4a tel qu'un adhésif à base de fluorosilicone. Une plage de connexion 3a est disposée sur la surface supérieure de la puce de capteur 3. La plage de connexion 3a consiste de fa35 çon caractéristique en une pellicule d'aluminium d'un matériau à base d'aluminium, formée par évaporation ou pulvérisation cathodique. Ici, la plage de connexion 3a est une pellicule d'aluminium d'un alliage AI-Si-Cu (Si: silicium, Cu: cuivre), bien que le matériau à base d'aluminium puisse être AI, AI-Si, AI-Si-Cu, ou autres. La borne 2 et la plage de connexion 3a de la puce de capteur sont connectées électriquement par un fil de connexion 5 constitué d'un alliage Au-Pd (or-palladium), en utilisant un procédé de fixation par coin. La composition d'alliage du fil de connexion 5 peut être: Pd: 1 à 10%, Au: le complément. Le fil de connexion 5 peut avoir un diamètre 10 ne dépassant pas 40 pm, de préférence de 30 à 40 pm. Pour le fil de connexion 5 de ce mode de réalisation, la composition de l'alliage est Au: 99% et Pd: 1%, tandis que le diamètre est de 38 pm. Un élément protecteur 6 consistant en un matériau d'isolation remplit l'intérieur du boîtier 1, de façon à enrober la puce de capteur 3 et 15 le fil de connexion 5. L'élément protecteur 6 est destiné à protéger la puce de capteur 3 et le fil de connexion 5, à garantir une propriété d'isolation et à empêcher la corrosion de ces éléments. En détail, l'élément protecteur 6 recouvre et protège la puce de capteur 3, le fil de connexion 5, les parties de connexion entre la puce de 20 capteur 3 et le fil de connexion 5, et les parties de connexion entre l'élément conducteur (élément de borne) 2 et le fil de connexion 5. L'élément protecteur 6 peut utiliser un matériau du type gel, tel qu'un gel fluoré, un gel siliconé et un gel de fluorosilicone, chacun d'eux ayant une caractéristique préférable telle que l'isolation électrique, la 25 plasticité, la résistance aux chocs thermiques, la résistance aux vibrations, la résistance à la chaleur ou la résistance aux basses températures. Dans ce mode de réalisation, on utilise un gel fluoré du fait qu'il a la plus faible perméabilité à l'humidité parmi les gels utilisés dans les dispositifs capteurs de pression. L'élément protecteur 6 constitué de ce gel fluoré est introduit dans un état fluide à l'intérieur du boîtier 1 muni de la puce de capteur 3 et du fil de connexion 5, puis il est soumis à un traitement de thermodurcissement (par exemple à environ 1500C pendant 90 minutes), pour être mis en place. Dans le dispositif capteur de pression à semiconducteur 100 envisagé cidessus, un effort (pression), tel qu'une flèche vide P représentée sur la figure 1, est appliqué à la surface de l'élément protecteur 6, et il atteint ainsi la puce de capteur 3 par l'intermédiaire de l'élément protecteur 6. Ici, la puce de capteur 3 génère, conformément à l'effort appliqué, un signal électrique qui est émis vers l'extérieur par l'intermédiaire de la pellicule de métal 3a, du fil de connexion 5 et de l'élément de borne 2, ce qui permet la détection de l'effort (pression) appliqué. Ensuite, on expliquera la raison d'adopter un fil de connexion 5 10 en alliage Au-Pd. On estime qu'une cause de diminution de la résistance mécanique d'un fil de connexion consiste en ce qu'une diffusion mutuelle d'or et d'aluminium se produit entre un fil de connexion en or et une plage de connexion en un matériau à base d'aluminium. Les inventeurs de la présente invention estiment que l'alumi15 nium tend à diffuser du fait que le fil de connexion consiste en or pur, et ils ont eu l'idée que le fait de remplacer l'or pur par d'autres alliages d'or empêche l'aluminium de diffuser aisément. Cette idée conduit à l'amélioration de la résistance mécanique du fil de connexion. Après l'examen de divers alliages d'or, on a trouvé qu'un alliage 20 d'or contenant du palladium (Pd) peut être utilisé de préférence pour un fil de connexion, pour atteindre le but. Un examen détaillé sera décrit ci-dessous. Premièrement, on a mesuré la résistance à la traction pour deux échantillons (premièrement: un fil de connexion de ce mode de réalisation, secondement: un fil clas25 sique à titre de référence). Ici, dans les deux échantillons, une plage de connexion 3a disposée sur la puce de capteur 3 est formée d'une pellicule d'aluminium de 1,35 pm d'épaisseur consistant en AI-Si-Cu. Au contraire, en ce qui concerne le fil de connexion, le premier comprend un fil de connexion 5 de ce mode de réalisation, c'est-à-dire un fil d'Au-Pd 30 (Pd: 1%, Au: le complément), tandis que le second comprend un fil de référence classique en or pur. Les deux fils des premier et second échantillons ont le même diamètre (par exemple 38 pm). Après une exposition de 2 heures à 1750C, on a effectué un test de résistance mécanique. Dans ce test, on mesure une résistance à 35 la traction lorsqu'un fil de connexion est rompu dans une partie de col du fil de connexion. Il en résulte que la résistance à la traction du premier échantillon de ce mode de réalisation est de 147 mN, tandis que celle du second échantillon de référence est de 88 mN, ce qui montre une amélioration de la résistance mécanique du fil de connexion 5 de ce mode de réalisation. En outre, lorsqu'une plage de connexion 3a est constituée d'une pellicule d'aluminium de 5,5 pm d'épaisseur consistant en AI-Si, la supériorité du fil de connexion 5 de ce mode de réalisation est également vérifiée. Par conséquent, l'adoption d'un fil de connexion en alliage Au10 Pd améliore la résistance mécanique en comparaison avec le fil classique. Ensuite, on a appliqué un test de cycle de refroidissement I échauffement à trois dispositifs ayant des structures du capteur de pression à semiconducteur 100 envisagé ci-dessus. Le premier est un dispositif 100 15 de ce mode de réalisation ayant un fil de connexion en Au-Pd (Pd: 1%, Au: le complément), tandis que les second et troisième sont des dispositifs de référence ayant un fil classique en or pur. Le fil du premier dispositif a un diamètre de 38 pm. D'autre part, le fil du second dispositif (référence) a un diamètre classique de 30 pm, tandis que celui du troisième dispositif 20 (référence) a un diamètre de 50 pm, qui est plus grand que celui d'un fil classique et ne convient pas pour l'intégration à grande échelle. On a appliqué à ces dispositifs un cycle de refroidissement I échauffement (-400C pendant 30 minutes, 1250C pendant 30 minutes), qui est une condition de test caractéristique pour un véhicule. Il en ré25 suIte que le second dispositif (référence) ayant un fil en or pur de 30 prm de diamètre a présenté une défaillance dans une partie de col du fil après quelques centaines de cycles. Au contraire, le premier dispositif 100 de ce mode de réalisation et le troisième dispositif (référence) ayant un fil en or pur de 50 pm de diamètre ont présenté une défaillance après 30 des milliers de cycles, ce qui représente une augmentation d'un facteur d'environ 10 par rapport au second dispositif. Ainsi, l'utilisation d'un fil de connexion 5 en alliage Au-Pd de ce mode de réalisation peut améliorer la résistance mécanique du fil avec un diamètre de fil (par exemple un diamètre de 40 pm) proche d'un diamètre 35 classique, c'est-à-dire sans que le diamètre du fil soit fortement augmenté, et sans restreindre l'intégration à plus grande échelle. Autre mode de réalisation En outre, dans le dispositif capteur de pression à semiconducteur 100 ci-dessus, une puce de circuit 8 peut être incorporée en sup5 plément pour traiter le signal électrique provenant de la puce de capteur 3, comme représenté sur la figure 2. Ici, un fil de connexion supplémentaire 7 connecte électriquement la puce de circuit 8 et la puce de capteur 3. De plus, un élément protecteur 6 peut recouvrir la puce de circuit 8 et le fil de connexion supplémentaire 7. Dans cette structure, le fil de connexion supplémentaire 7 peut être constitué d'un alliage Au-Pd. Ceci permet également de renforcer le fil de connexion supplémentaire 7 pour connecter les puces 3, 8, en comparaison avec un fil classique, sans augmenter fortement un diamètre de fil. Dans ce cas, un diamètre du fil de connexion supplémentaire 7 n'est pas 15 supérieur à 40 pm. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif capteur de pression à semiconducteur (100) comprenant: un élément conducteur (2); une puce de capteur (3) pour détecter une pression et générer un signal électrique correspondant à la pres5 sion; un fil de connexion (5) connectant électriquement la puce de capteur et l'élément conducteur; et un élément protecteur (6) ayant des caractéristiques d'isolation électrique et de plasticité et recouvrant la puce de capteur et le fil de connexion; ce dispositif capteur de pression à semiconducteur étant caractérisé en ce que le fil de connexion est consti10 tué d'un alliage d'Au et de Pd. 2. Dispositif capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un diamètre du fil de connexion (5) n'est pas supérieur à 40 pm. 3. Dispositif capteur de pression selon la revendication 1 ou 2, 15 comprenant en outre: une puce de circuit (8) pour traiter le signal électrique provenant de la puce de capteur (3); et un fil de connexion supplémentaire (7) connectant électriquement la puce de circuit et la puce de capteur; caractérisé en ce que l'élément protecteur (6) recouvre la puce de circuit (8) et le fil de connexion supplémentaire (7); et en ce que le fil 20 de connexion supplémentaire (7) est constitué d'un alliage d'Au et de Pd. 4. Dispositif capteur de pression selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un diamètre du fil de connexion supplémentaire (7) n'est pas supérieur à 40 hum.