(57)【要約】【課題】  薄膜温度センサ及びその製造方法において、熱容量の増加を抑制すると共に酸素の進行を防止して電気特性の変化を低減すること。【解決手段】  絶縁基板３と、絶縁基板３の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜４と、絶縁基板３の上面からサーミスタ薄膜４の上面に亘ってＰｔでパターン形成されたＰｔ接合層５と、該Ｐｔ接合層５上にＮｉで形成されたＮｉめっき層６と、Ｎｉめっき層６に溶接されたリード線８と、Ｐｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面及び表面とリード線８とを覆うＡｕ保護膜７と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁層が形成された基板又は絶縁基板と、
前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、
前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってＰｔでパターン形成されたＰｔ接合層と、
該Ｐｔ接合層上にＮｉで形成されたＮｉめっき層と、
前記Ｎｉめっき層に溶接されたリード線と、
前記Ｐｔ接合層の側面と前記Ｎｉめっき層の側面及び表面と前記リード線とを覆うＡｕ保護膜と、を備えていることを特徴とする薄膜温度センサ。
【請求項２】
ウエハ状の基板上の絶縁層又は絶縁基板の上面にサーミスタ薄膜をパターン形成する薄膜形成工程と、
前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘って、ＰｔによりＰｔ接合層をパターン形成する接合層形成工程と、
前記Ｐｔ接合層上にＮｉめっきによりＮｉめっき層を形成する電極形成工程と、
前記ウエハ状の基板上の絶縁層又は前記絶縁基板をチップ状に切り出してチップ品とするダイシング工程と、
前記チップ品の前記Ｎｉめっき層上にリード線をレーザ溶接するリード線溶接工程と、
Ａｕの電解めっきによって前記Ｐｔ接合層の側面と前記Ｎｉめっき層の側面及び表面と前記リード線とを覆うＡｕ保護膜を形成するＡｕめっき工程と、を備えていることを特徴とする薄膜温度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で熱応答特性の優れた薄膜温度センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、情報機器、通信機器、医療用機器、住宅設備機器、自動車用伝送機器等の温度センサ、流量センサとして、大きな負の温度係数を有する酸化物半導体の焼結体からなるサーミスタチップがある。このサーミスタチップを用いた温度センサは、端子電極が形成されており、この電極面にはんだ付け等によってリード線を取り付けた構造のものである。又、サーミスタチップの寸法やリード線径を小さくすることによって、熱応答特性の良い温度センサとして使用されている。
【０００３】
しかし、上記のように製作された金属酸化物の焼結体からなるサーミスタチップは、強度面から、寸法を小さくするのに限界がある為、薄膜形成技術を用いた薄膜温度センサが開発され実用化されるようになった。この薄膜温度センサは、上記の金属酸化物の焼結体を、機械的強度の強い薄い基板上に成膜して、薄膜電極を形成することで、小型化が可能となり、チップに比べて熱容量が小さいために、熱応答特性の良い温度センサが可能となる。
【０００４】
従来、薄膜温度センサにおけるリード線と引き出し電極とを接合するために、電極膜上にＮｉ／Ｓｎめっきを行い、リード線とのはんだ接合を行うか、金ワイヤー等を用いたワイヤーバンプ法を使用してバンプを形成した後、リード線を接合する方法が採用されている。例えば、特許文献１には、薄膜温度センサのＰｔ等の電極とリード線とを接続するために、電極上にバンプを形成、このバンプ上にリード線をレーザ溶接により接続する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４１５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記はんだ接合の場合、温度センサの使用温度範囲がはんだの融点以下に限定されてしまうと共に、はんだ接合部の肉盛りにより熱容量が増加して薄膜温度センサが持っている本来の熱応答速度の遅延につながってしまう不都合があった。
また、溶接のためにワイヤーバンプ法を用いてバンプを形成した場合も、同様にバンプの容積により素子の熱容量が増加して熱応答速度の遅延につながってしまう。さらに、バンプを形成してしまうと、リード線の最大高さが高くなり、後の工程での耐熱、耐熱応力、耐引っ張り応力強化のために素子表面にモールドする場合、さらに素子の容量及び熱容量が増加して熱応答速度の遅延につながってしまう不都合があった。特に、チップサイズが小さくなればなるほど、これらの問題が顕著に現れてしまう。また、ワイヤーバンプ法等では、電極のＰｔ膜の露出部分が多くあり、Ｐｔ膜が酸素透過性を有していることから、温度センサの感熱部分のセラミックス部分（サーミスタ薄膜）に保護膜を施しているのにかかわらず、酸素のやりとりが電極部分を介して行われてしまう不都合があった。特に、耐熱試験を行うと、抵抗値上昇等の電気特性が変化する現象が顕著に現れてしまう。また、Ｐｔ膜上にＮｉめっきやＡｕめっきを施してＮｉ膜やＡｕ膜で酸化防止を行う方法もあるが、この場合でもウエハからダイシングにより切断してチップ化する際に、Ｐｔ膜、Ｎｉ膜及びＡｕ膜の切断面がむき出しとなっているため、この部分から酸素が進行してしまう不都合がある。
【０００７】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱容量の増加を抑制すると共に酸素の進行を防止して電気特性の変化を低減することができる薄膜温度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の薄膜温度センサは、表面に絶縁層が形成された基板又は絶縁基板と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってＰｔでパターン形成されたＰｔ接合層と、該Ｐｔ接合層上にＮｉで形成されたＮｉめっき層と、前記Ｎｉめっき層に溶接されたリード線と、前記Ｐｔ接合層の側面と前記Ｎｉめっき層の側面及び表面と前記リード線とを覆うＡｕ保護膜と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この薄膜温度センサでは、Ａｕ保護膜が、Ｐｔ接合層の側面とＮｉめっき層の側面及び表面とリード線とを覆っているので、Ｎｉめっき層の表面からの酸素の進行だけでなくＰｔ接合層及びＮｉめっき層の側面からの進行もＡｕ保護膜で阻止することができ、高い酸素防止効果を得ることができる。また、リード線がはんだやバンプ等を使用せずに平坦なＮｉめっき層に溶接されるため、熱容量の増加を抑制でき、高い熱応答速度を維持することができる。特に、リード線にＳＵＳ線を使用することにより、Ｎｉめっき層との溶接性が良好なため、高い耐応力性を得ることができる。
【００１０】
本発明の薄膜温度センサの製造方法は、ウエハ状の基板上の絶縁層又は絶縁基板の上面にサーミスタ薄膜をパターン形成する薄膜形成工程と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘って、ＰｔによりＰｔ接合層をパターン形成する接合層形成工程と、前記Ｐｔ接合層上にＮｉめっきによりＮｉめっき層を形成する電極形成工程と、前記ウエハ状の基板上の絶縁層又は前記絶縁基板をチップ状に切り出してチップ品とするダイシング工程と、前記チップ品の前記Ｎｉめっき層上にリード線をレーザ溶接するリード線溶接工程と、Ａｕの電解めっきによって前記Ｐｔ接合層の側面と前記Ｎｉめっき層の側面及び表面と前記リード線とを覆うＡｕ保護膜を形成するＡｕめっき工程と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
この薄膜温度センサの製造方法では、チップ状にダイシングした後に、Ａｕの電解めっきによってＰｔ接合層の側面とＮｉめっき層の側面及び表面とリード線とを覆うＡｕ保護膜を形成するので、Ｎｉめっき層の表面だけでなくＰｔ接合層及びＮｉめっき層の露出側面も容易にＡｕ保護膜で覆うことができ、これら側面からの酸素の進行を抑制して高い酸素防止効果を得ることができる。
なお、Ｎｉ膜上にＡｕめっきを施してからリード線をレーザ溶接すると、Ａｕ自体の熱伝導率が高く、リード線の先端が急冷固化されて深さ方向に溶け込み難く、かつリード線の融液が平面状に固化してリード線が細り、引っ張り強度や接合強度が低下してしまう不都合がある。さらに、スパッタリングで成膜した薄いＮｉ膜上にリード線を直接レーザ溶接すると、溶接部分の溶け込みが直下のＰｔ接合層に達してしまい、Ｐｔ接合層へのダメージが大きくなってしまう。これに対して、本発明の薄膜温度センサの製造方法では、Ａｕよりも熱伝導率が低いと共に厚い成膜が容易なＮｉめっき層にリード線をレーザ溶接するため、溶接部分の溶け込み深さを大きくできると共にＰｔ接合層へのダメージを抑制でき、さらに融液を略球状に固化させることが可能になって、高い引っ張り強度及び接合強度を得ることが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る薄膜温度センサによれば、Ａｕ保護膜で、Ｐｔ接合層の側面とＮｉめっき層の側面及び表面とリード線とを覆うので、Ｎｉめっき層の表面からの酸素の進行だけでなくＰｔ接合層及びＮｉめっき層の側面からの進行もＡｕ保護膜で阻止することができ、高い酸素防止効果を得ることができる。
また、本発明に係る薄膜温度センサの製造方法によれば、チップ状にダイシングした後に、電解めっきでＡｕ保護膜の形成を行うので、Ｎｉめっき層の表面だけでなく、Ｐｔ接合層及びＮｉめっき層の露出側面にも容易にＡｕ保護膜を形成することができる。
したがって、はんだやバンプを使用せず、高い熱応答速度で安定した電気特性を確保することができ、品質及び信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の一実施形態において、モールド前の薄膜温度センサを示す斜視図である。
【図２】本実施形態において、薄膜温度センサの側面近傍及びリード線の溶接部分を示す要部の拡大断面図である。
【図３】本実施形態の薄膜温度センサの製造方法において、ウエハ状での作製工程、チップ状に切り出した状態及びレーザ溶接工程を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の薄膜温度センサの製造方法において、レーザ溶接後の状態、Ａｕめっき後の状態及びモールド後の状態を示す斜視図である。
【図５】本実施形態の薄膜温度センサの製造方法において、Ａｎの電解めっきを示すめっき槽を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る薄膜温度センサ及び薄膜温度センサの製造方法の一実施形態を、図１から図５を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材又は構成を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１５】
本実施形態の薄膜温度センサ１は、図１に示すように、アルミナ基板の絶縁基板３と、絶縁基板３の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜４と、絶縁基板３の上面からサーミスタ薄膜４の上面に亘ってＰｔでパターン形成された一対のＰｔ接合層５と、これらＰｔ接合層５上にＮｉで形成された一対のＮｉめっき層６と、これらＮｉめっき層６に接続された一対のリード線８と、Ｐｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面及び表面とリード線８とを覆うＡｕ保護膜７と、を備えている。
【００１６】
上記サーミスタ薄膜４は、Ｍｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ3Ｏ4−Ｃｏ3Ｏ4系複合金属酸化物）又は、Ｍｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕのうち少なくとも一種類の元素を含む複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ3Ｏ4−Ｃｏ3Ｏ4−Ｆｅ2Ｏ3系複合金属酸化物）からなる複合金属酸化物膜である。
【００１７】
本実施形態のサーミスタ薄膜４は、絶縁基板３の上面に、スパッタリング法により平面視略正方形状に成膜されたものである。
このサーミスタ薄膜４は、半導体の性状を呈し、温度が上昇すると抵抗が低くなる負特性、いわゆるＮＴＣサーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）の性質を有している。
【００１８】
一対のＰｔ接合層５は、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って形成されている。この一対のＰｔ接合層５は、一対のＮｉめっき層６の下地層となるものであり、成膜される面の材料（本実施形態では絶縁基板３及びサーミスタ薄膜４）との接合強度がＮｉめっき層６よりも高い。また、本実施形態のＰｔ接合層５は、サーミスタ薄膜４の上面に形成され互いに対向した一対の櫛歯部５ａと、各櫛歯部５ａに接続された引き出し電極である一対の電極パッド部５ｂと、を有している。このＰｔ接合層５の厚さは、１００〜１０００ｎｍに設定されている。
【００１９】
一対のＮｉめっき層６は、絶縁基板３上に形成されたＰｔ接合層５の電極パッド部５ｂ上に積層されて引き出し電極として電極パッドを構成している。このＮｉめっき層６の厚さは、３０μｍ程度である。
【００２０】
上記リード線８は、ステンレス（ＳＵＳ）線であって、図２に示すように、Ｎｉめっき層６の途中までの溶け込み深さで溶接されている。また、リード線８の溶接部分は、内部の溶け込み部分も含めて略球状に形成されている。なお、本実施形態のリード線８は、φ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４線である。
【００２１】
なお、サーミスタ薄膜４及び櫛歯部５ａ上には、これらを内部に封止する保護膜（図示略）が形成されている。この保護膜は、櫛歯部５ａ及びサーミスタ薄膜４を覆うように平面視略正方形状に形成されている。この保護膜は、例えば、厚さ１００〜１０００ｎｍのＳｉＯ2膜である。但し、これに限られず、絶縁性で外部雰囲気を遮断できれば、ガラスや耐熱樹脂等の膜でも構わない。
【００２２】
上記Ａｕ保護膜７は、Ａｕの電解めっきにより例えば厚さ０．５μｍ程度形成されている。
また、図４の（ｃ）に示すように、この薄膜温度センサ１は、リード線８の先端部分、Ａｕ保護膜７及びサーミスタ薄膜４を含んで表面全体が封止材９によって覆われている。この封止材９は、表面に滴下したセラミックスモールド材又はガラスペーストを焼成してモールドしたものである。
【００２３】
次に、このように構成された薄膜温度センサ１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
【００２４】
まず、図３の（ａ）に示すように、絶縁基板３のウエハＷ表面にサーミスタ薄膜４をパターン形成する薄膜形成工程を行う。即ち、絶縁基板３の全面に所定のスパッタ条件で上述した複合金属酸化物膜をスパッタリング法で成膜する。
【００２５】
続いて、フォトリソグラフィ技術により、複合金属酸化物膜の上面であってサーミスタ薄膜４を形成する領域にフォトレジスト膜をパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとして、所定の溶液を利用したウェットエッチング加工によりマスクされていない複合金属酸化物膜を選択的に除去する。そして、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去する。これにより、絶縁基板３の上面に平面視略正方形状のサーミスタ薄膜４をパターン形成することができる。この後、耐熱性向上のため必要に応じて所定温度及び所定時間でアニール処理を行う。
【００２６】
次いで、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って、一対のＰｔ接合層５をパターン形成する接合層形成工程を行う。すなわち、まず、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って、一対のＰｔ接合層５が形成される領域以外の部分にリフトオフ法により、フォトレジスト膜を塗布する。続いて、Ｐｔをスパッタリング法により成膜する。これにより、一対のＰｔ接合層５をパターン形成することができる。
【００２７】
続いて、Ｎｉめっき時の櫛歯部５ａ上への析出を防ぐために、めっき用レジスト１０（図中のハッチング領域）を施し、Ｐｔ接合層５の電極パッド部５ｂ上に、スルファミン酸Ｎｉめっき浴によりＮｉめっきを３０μｍ程度成膜し、Ｎｉめっき層６を形成する。この後、図３の（ｂ）に示すように、ダイシングを行ってチップ状に切り出す。
【００２８】
次に、図３の（ｃ）に示すように、平坦なＮｉめっき層６上に配したリード線８の先端部分にレーザ溶接を行ってリード線８の先端部をＮｉめっき層６に溶接する。このとき、リード線８を、図２に示すように、Ｎｉめっき層６の途中までの溶け込み深さで溶接する。なお、本実施形態では、リード線８の溶接部分８ａが、１８μｍ程の溶け込み深さとなるように、レーザ溶接を制御している。
【００２９】
また、図３の（ｃ）に示すように、レーザ溶接のレーザ光Ｌの照射位置を、リード線８の先端から若干離した位置に設定し、リード線８の溶接部分８ａを略球状に形成する。すなわち、レーザ光Ｌをリード線８の先端に照射すると、融液が線方向に逃げて肉盛りのない溶接部分となってしまうが、リード線８の先端から若干離した位置にレーザ光Ｌを照射することで、図４の（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの照射位置からリード線８の先端までが液状化した融液が表面張力により線方向に移動して略球状になった状態で固化され、肉盛りのある溶接部分８ａとなる。なお、先端の略球状部分の容積は、レーザ光Ｌの照射位置（リード線８の先端からの距離）でコントロール可能であり、無駄な容積が存在せず、接合に最適な形状を得ることができる。
【００３０】
この後、図２及び図４の（ｂ）に示すように、リード線８が溶接されたチップ品１１において、Ａｕの電解めっきによってＰｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面及び表面とリード線８とを覆うＡｕ保護膜７を形成する（Ａｕめっき工程）。すなわち、図５に示すように、陰極に一対のリード線８が接続されたチップ品１１と、陽極に接続されたＰｔ板又はＰｔめっき板の陽極板１２と、をめっき液１３の入っためっき槽１４内に入れて、厚み０．５μｍ程のＡｕ電解めっきを行う。このとき、リード線８及びＮｉめっき層６の表面だけでなく、Ｐｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面も露出しているため、これら側面にもＡｕ保護膜７が形成される。なお、本実施形態のＡｕめっき液としては、ノンシアンＡｕめっき液を使用している。
【００３１】
この後、めっきレジスト１０を除去し、図４の（ｃ）に示すように、セラミックスモールド材又はガラスペーストを、リード線８の先端部を含む表面全体を覆うようにディスペンサーで表面に滴下、焼成し、封止材９としてモールドすることで、薄膜温度センサ１が作製される。
【００３２】
このように本実施形態の薄膜温度センサ１及びその製造方法では、Ａｕ保護膜７が、Ｐｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面及び表面とリード線８とを覆っているので、Ｎｉめっき層６の表面からの酸素の進行だけでなくＰｔ接合層５及びＮｉめっき層６の側面からの進行もＡｕ保護膜７で阻止することができ、高い酸素防止効果を得ることができる。また、リード線８がはんだやバンプ等を使用せずに平坦なＮｉめっき層６に溶接されるため、熱容量の増加を抑制でき、高い熱応答速度を維持することができる。特に、リード線８にＳＵＳ線を使用することにより、Ｎｉめっき層６との溶接性が良好なため、高い耐応力性を得ることができる。
【００３３】
また、チップ状にダイシングした後に、Ａｕの電解めっきによってＰｔ接合層５の側面とＮｉめっき層６の側面及び表面とリード線８とを覆うＡｕ保護膜７を形成するので、Ｎｉめっき層６の表面だけでなくＰｔ接合層５及びＮｉめっき層６の露出側面も容易にＡｕ保護膜７で覆うことができ、これら側面からの酸素の進行を抑制して高い酸素防止効果を得ることができる。
【００３４】
さらに、Ａｕよりも熱伝導率が低いと共に厚い成膜が容易なＮｉめっき層６にリード線８をレーザ溶接するため、溶接部分８ａの溶け込み深さを大きくできると共にＰｔ接合層５へのダメージを抑制でき、さらに融液を略球状に固化させることが可能になって、高い引っ張り強度及び接合強度を得ることが可能である。
【００３５】
なお、Ｐｔ接合層５は１μｍ以下と薄いため、引き出し電極としてＰｔと接合性の良いＮｉを生産性の高いめっき法で厚く成膜してＮｉめっき層６とすることで、より高い酸化防止効果を得ることができる。
また、リード線８がはんだやバンプ等を使用せずに溶接されるため、熱容量の増加を抑制でき、高い熱応答速度を維持することができる。
さらに、リード線８の溶接部分８ａが略球状に形成されるので、溶接面積が増えると共に引っ張り強度の異方性が減少し、接合強度がさらに向上する。なお、ＳＵＳ線であるリード線８とＮｉめっき層６とは、溶接性が良好であり、特に耐応力性が高くなる。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３７】
例えば、上記実施形態では、アルミナ基板の絶縁基板を用いた場合を例にしたが、これに限られず、石英基板等の絶縁基板や、表面に熱酸化によるＳｉＯ2層の絶縁層が形成されたシリコン基板又はその他の半導体基板でも構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１…薄膜温度センサ、３…絶縁基板、４…サーミスタ薄膜、５…Ｐｔ接合層、６…Ｎｉめっき層、７…Ａｕ保護膜、８…リード線、８ａ…リード線の溶接部分、１１…チップ品、Ｌ…レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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