(57)【要約】【課題】正確な圧力を検出しやすい圧力センサの製造用治具、及び製造方法を提供する。【解決手段】第１の貫通孔を有するステムと、第２の貫通孔を有し当該第２の貫通孔の一方の開口が感圧素子を備えたシリコンチップにより覆われる台座とが、第１及び第２の貫通孔が連続するように接着される圧力センサの製造用治具であって、ステムと台座とを接着剤を使用して接着する際に、第１の貫通孔を通って第２の貫通孔に挿入される挿入軸６３を備える圧力センサの製造用治具であるパレット５。【選択図】図２
2014010115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の貫通孔を有するステムと、第２の貫通孔を有し当該第２の貫通孔の一方の開口が感圧素子を備えた半導体チップにより覆われる台座とが、前記第１及び第２の貫通孔が連続するように接着される圧力センサの製造用治具であって、
前記ステムと前記台座とを接着剤を使用して接着する際に、前記第１の貫通孔を通って前記第２の貫通孔に挿入される挿入軸を備える圧力センサの製造用治具。
【請求項２】
請求項１に記載の圧力センサの製造用治具において、
前記挿入軸の先端部は、とがっている圧力センサの製造用治具。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧力センサの製造用治具において、
前記挿入軸の少なくとも表面が、前記接着剤により接合されない材質で形成されている圧力センサの製造用治具。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の圧力センサの製造用治具において、
前記接着剤は、はんだであって、
前記挿入軸は、チタンである圧力センサの製造用治具。
【請求項５】
第１の貫通孔を有するステムと、第２の貫通孔を有し当該第２の貫通孔の一方の開口が感圧素子を備えた半導体チップにより覆われる台座とが、前記第１及び第２の貫通孔が連続するように接着される圧力センサの製造方法であって、
前記第１及び第２の貫通孔に挿入軸を挿入させた状態で前記ステムと前記台座とをこれらの間に介在させた接着剤により接着し、その接着の完了後、前記第１及び第２の貫通孔から前記挿入軸を抜く圧力センサの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の圧力センサの製造方法において、
前記圧力センサを構成しない接着剤収容部に貯められた接着剤を前記台座に転写するとともに、当該転写された接着剤により、前記ステムと前記台座とが接着される圧力センサの製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の圧力センサの製造方法において、
前記接着剤は、溶融金属である圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサの製造用治具及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に示される圧力センサが知られている。特許文献１を含む従来一般の圧力センサは、金属製のパイプと、パイプの一の端部に設けられたフランジに接合されるセンサチップとを有している。センサチップは、貫通孔が形成されてなるガラス製の台座と、台座に接合されるシリコンチップとを備えてなる。台座は、自身の貫通孔がパイプの内部と連続する態様で、フランジにはんだ付けされる。シリコンチップには、ダイヤフラムが形成されている。また、シリコンチップには、そのダイヤフラム部分の変形の度合いに応じて出力電圧が変化するブリッジ回路（歪ゲージ）が設けられている。シリコンチップのダイヤフラムは、貫通孔にかかる圧力に応じて変形する。すなわち、ブリッジ回路から出力される電圧は、パイプを介して貫通孔にかかる圧力に応じて変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２９８０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来の圧力センサでは、フランジと台座との間に板状のはんだを挟み込んだ状態でパイプを加熱する。これにより、パイプからはんだに熱が伝わり、はんだが溶融する。はんだの溶融後、パイプへの加熱を停止すると、はんだが冷え固まり、パイプと台座とが固着される。しかしながら、このはんだ付けの方法によれば、はんだが溶融したときに、当該溶融したはんだがパイプの内部に流れ込む。このため、通常、パイプと台座との接合後、パイプの内部にドリルを通すことにより、管内壁に固着したはんだをはがす。その後、パイプに振動を付与することにより、管内からはんだを除去する。しかしながら、管内に侵入したはんだを全て取り除くのは難しい。管内にはんだ片が残留している場合、例えば、当該はんだ片が台座の貫通孔を介してシリコンチップのダイヤフラム部分に至るおそれがある。この状態が生じた場合、圧力センサが正確な圧力を検出できないおそれがある。
【０００５】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、正確な圧力を検出しやすい圧力センサの製造用治具、及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１の貫通孔を有するステムと、第２の貫通孔を有し当該第２の貫通孔の一方の開口が感圧素子を備えた半導体チップにより覆われる台座とが、前記第１及び第２の貫通孔が連続するように接着される圧力センサの製造用治具であって、前記ステムと前記台座とを接着剤を使用して接着する際に、前記第１の貫通孔を通って前記第２の貫通孔に挿入される挿入軸を備えることを要旨とする。
【０００７】
同構成によれば、挿入軸が第１の貫通孔を通って第２の貫通孔に挿入されることによって、ステムと台座とを接着する接着剤が第１及び第２の貫通孔に侵入しにくい。すなわち、接着剤が第１及び第２の貫通孔の内壁に固着しにくい。このため、第１及び第２の貫通孔の内壁に固着した接着剤を除去する作業が不要となる。ひいては、接着剤片が第１及び第２の貫通孔内に残留しにくい。製造用治具を用いてステムと台座とを接着すれば、正確な圧力を検出しやすい圧力センサを製造することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧力センサの製造用治具において、前記挿入軸の先端部は、とがっていることを要旨とする。
同構成によれば、挿入軸を第１の貫通孔に挿入させやすい。また、挿入軸を第２の貫通孔に挿入させやすくもなる。これにより、ステムと台座とを接着させるとき両者の位置決めを行いやすい。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の圧力センサの製造用治具において、前記挿入軸の少なくとも表面が、前記接着剤により接合されない材質で形成されていることを要旨とする。
【００１０】
同構成によれば、挿入軸は接着剤と接合しないので、ステムと台座との接着後、これらを製造用治具から引き抜きやすい。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の圧力センサの製造用治具において、前記接着剤は、はんだであって、前記挿入軸は、チタンであることを要旨とする。
【００１１】
はんだは、チタンには付きにくいことが周知である。従って、同構成によれば、挿入軸がチタン製であることにより、ステムと台座との接着後、これらを製造用治具から引き抜きやすい。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、第１の貫通孔を有するステムと、第２の貫通孔を有し当該第２の貫通孔の一方の開口が感圧素子を備えた半導体チップにより覆われる台座とが、前記第１及び第２の貫通孔が連続するように接着される圧力センサの製造方法であって、前記第１及び第２の貫通孔に挿入軸を挿入させた状態で前記ステムと前記台座とをこれらの間に介在させた接着剤により接着し、その接着の完了後、前記第１及び第２の貫通孔から前記挿入軸を抜くことを要旨とする。
【００１３】
同製造方法によれば、ステムと台座とを接着する際、第１及び第２の貫通孔には挿入軸が挿入される。このため、ステムと台座とを接着する接着剤が第１及び第２の貫通孔に侵入しにくい。すなわち、接着剤が第１及び第２の貫通孔の内壁に固着しにくい。このため、固着した接着剤を除去する作業が不要となる。ひいては、接着剤片が第１及び第２の貫通孔内に残留しにくい。従って、本製造方法によれば、正確な圧力を検出しやすい圧力センサを製造することができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の圧力センサの製造方法において、前記圧力センサを構成しない接着剤収容部に貯められた接着剤を前記台座に転写するとともに、当該転写された接着剤により、前記ステムと前記台座とが接着されることを要旨とする。
【００１５】
同製造方法によれば、台座には、自身の大きさに見合った量の接着剤が転写される。このため、必要以上の接着剤を使用することなく、ステムと台座とを接着させることができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の圧力センサの製造方法において、前記接着剤は、溶融金属であることを要旨とする。
酸化した金属を使用してはんだ付けを行う場合、酸化していない金属を使用する場合と比較して固化した金属内にボイドが発生しやすいことが分かっている。ボイドが多い場合には、接着力が低下する。溶融金属は、酸化していない金属である。すなわち、同製造方法によれば、ステムと台座との接着に酸化していない金属を使用する。これにより、固化した金属内に発生するボイドを抑制することができるので、酸化した金属を使用して接合を行う場合と比較して、ステムと台座との接着力を強くすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、正確な圧力を検出しやすい圧力センサの製造用治具、及び製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】圧力センサの断面図。
【図２】パレットの断面図。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、ステムと台座とがはんだ付けされる過程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、圧力センサ１は、コバールからなるステム２、ガラスからなる台座３、及び半導体チップとしてのシリコンチップ４により構成されている。
【００２０】
ステム２は、上下方向に延びる円筒軸２１と当該円筒軸２１の上部に設けられたフランジ２２とを有する。ステム２には、円筒軸２１の下底面とフランジ２２の上底面との間を貫通する第１の貫通孔２３が形成されている。
【００２１】
台座３は、例えば立方体である。台座３の一辺の長さは、第１の貫通孔２３の内径よりも長く設定されている。この台座３には、その上下両面間を貫通する円筒状の第２の貫通孔３１が形成されている。第２の貫通孔３１の内径は、第１の貫通孔２３の内径と等しく設定されている。台座３は、フランジ２２の上面に対してはんだ付けされている。ステム２と台座３とのはんだ付けは、図２に示す接合用治具としてのパレット５を介して行われる。当該はんだ付けについては、後に詳しく説明する。また、第２の貫通孔３１の軸と第１の貫通孔２３の軸とは互いに一致している。第１及び第２の貫通孔２３，３１は、ステム２のフランジ２２と反対側の端部から導入される流体をシリコンチップ４へ導くポート孔９として機能する。
【００２２】
図１に示すように、シリコンチップ４は、台座３の上面と等しい大きさの正方形とされた膜状のものである。シリコンチップ４は、自身の各辺が台座３の上面の各辺と一致するように、当該上面に対して接着される。すなわち、シリコンチップ４は、第２の貫通孔３１の上端部を覆う。シリコンチップ４の上面には、図示しない４つのひずみゲージが固着されている。この４つのひずみゲージは、ホイートストーンブリッジ（以下、ブリッジ回路）を形成するように結線されている。このため、シリコンチップ４の変形に伴い４つのひずみゲージが変形すると、当該４つのひずみゲージの抵抗が変化し、ブリッジ回路から出力される電圧（差動電圧）が変化する。シリコンチップ４は、ポート孔９を介して自身に印加される流体の圧力に応じて変形する。すなわち、この圧力センサ１は、ブリッジ回路から出力される電圧の変化を通じて、流体の圧力を検出する。なお、本例における流体とは、空気等の気体、及び水等の液体を指す。
【００２３】
＜パレット＞
次に、ステム２と台座３とのはんだ付けを行うためのパレット５について説明する。なお、パレット５ははんだが接合不能とされた金属である。この接合不能な金属としては、例えば、本発明の実施例として挙げるチタンがある。
【００２４】
図２に示すように、パレット５の上面には、ステム２を収容するステム収容部６０、溶融させたはんだを収容する接着剤収容部としてのはんだ収容部７０、及び台座３の下部を収容する台座収容部８０が形成されている。
【００２５】
ステム収容部６０は、円筒状のフランジ収容部６１と、そのフランジ収容部６１の内底面に形成された円筒状の軸収容部６２とを備えてなる。これらフランジ収容部６１及び軸収容部６２は、同軸上に設けられている。フランジ収容部６１の内径は、フランジ２２の外径よりも若干大きく設定されている。また、フランジ収容部６１における上下方向の長さは、フランジ２２における上下方向の長さと等しく設定されている。軸収容部６２の内径は、円筒軸２１の外径よりも若干大きく設定されている。また、軸収容部６２における上下方向の長さは、円筒軸２１における上下方向の長さと等しく設定されている。
【００２６】
さらに、軸収容部６２の内底面には、上方に向かって延びる挿入軸６３が設けられている。挿入軸６３もはんだが接合不能とされたチタン製である。挿入軸６３は、軸収容部６２と同軸上に設けられている。挿入軸６３の外径は、円筒軸２１の内径よりも若干短く設定されている。また、挿入軸６３の軸収容部６２の内底面からの長さは、ステム２における上下方向の長さよりも長く、且つ、ステム２における上下方向の長さと台座３における上下方向の長さとを足し合わせた長さよりも短く設定されている。このため、図３（ａ）に示すように、ステム収容部６０にステム２を収容したとき、先端部６４は、フランジ２２の上面から突出する。なお、挿入軸６３の先端部６４は、尖っている。すなわち、先端部６４の外径は、上方に向かうにつれて徐々に短くなっている。これにより、円筒軸２１を挿入軸６３に通しやすい。ひいては、ステム収容部６０にステム２を収容させやすい。
【００２７】
図２に示すように、パレット５の上面において、ステム収容部６０の右方には、はんだ収容部７０が凹設されている。はんだ収容部７０は、上方からみたとき正方形をなす。当該正方形の一辺の長さは、台座３における下底面の一辺の長さよりも若干長く設定されている。
【００２８】
パレット５の上面において、はんだ収容部７０の右方には、台座収容部８０が凹設されている。台座収容部８０は、はんだ収容部７０と同様に、上方からみたとき正方形をなす。当該正方形の一辺の長さは、台座３における下底面の一辺の長さよりも若干長く設定されている。このため、はんだ収容部７０及び台座収容部８０には、それぞれ台座３の下部を挿入することができる。
【００２９】
＜ステムと台座とのはんだ付け＞
次に、ステム２と台座３とのはんだ付けの作業について説明する。なお、図３（ａ）に示すように、はんだ付け作業の前には、ステム収容部６０にはステム２が、台座収容部８０には台座３が、それぞれ収容されている。また、はんだ収容部７０には、ディスペンサなどにより滴下された溶融状態のはんだが収容されている。
【００３０】
まず、図３（ｂ）に示すように、台座３を台座収容部８０から取り出して、左隣のはんだ収容部７０に上方から挿入する。このとき、台座３の下底面に溶融した状態のはんだが転写される。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように、下底面にはんだが転写された台座３をはんだ収容部７０から取り出して、下底面を下へ向けた状態を維持しつつ左隣のステム収容部６０に上方から挿入する。このとき、フランジ２２の上面から突出する先端部６４を台座３の第２の貫通孔３１に挿入する。そして、はんだ層がステム２の上面に適度に押しつけられる程度に台座３を下方へ押圧する。このとき、第１の貫通孔２３に挿入軸６３が挿入されている。しかも、第１の貫通孔２３の内周面と挿入軸６３の外周面との間には、ほとんど隙間がない。このため、台座３をステム２の上面に押しつけても溶融状態のはんだが第１の貫通孔２３の内部に侵入することが抑制される。同様に、溶融状態のはんだが第２の貫通孔３１に侵入することが抑制される。挿入軸６３が存在しない場合には、溶融状態のはんだが第１の貫通孔２３、あるいは、第２の貫通孔３１の内部に侵入するおそれがある。そして、この状態で溶融した状態のはんだが冷え固まるまで待つ。ステム２と台座３とが固着された後、圧力センサ１をパレット５から取り出す。その後、取り出したステム２の台座３にシリコンチップ４を接合する。
【００３２】
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）パレット５に挿入軸６３を設けた。そして、挿入軸６３をステム２の第１の貫通孔２３を貫通するとともに台座３の第２の貫通孔３１に挿入した状態で、ステム２と台座３とをはんだ付けする。これにより、溶融状態のはんだが第１及び第２の貫通孔２３，３１に侵入しにくい。すなわち、はんだが第１及び第２の貫通孔２３，３１の内壁に固着しにくい。このため、従来必要であった、第１及び第２の貫通孔２３，３１の内壁に固着したはんだを除去する作業が不要となる。また、はんだ片が貫通孔内に残留しにくいので、パレット５を使用して製造された圧力センサは、正確な圧力を検出しやすい。ポート孔９の内径も均一になるので、応答性の工場及び安定した検出も期待できる。さらに、製品間における残留はんだに起因するポート孔９の内径のばらつきも低減されるので、製品間における応答性の均一化が図られる。
【００３３】
（２）挿入軸６３の先端部６４を、上方に向かうにつれてその外径が徐々に短くなる形状、すなわち先鋭とした。これにより、挿入軸６３に第１及び第２の貫通孔２３，３１を挿入させやすい。また、挿入軸６３の先端部分によりステム２に対する台座３の位置決めが行われる。このため、第１及び第２の貫通孔２３，３１を簡単に一致させることができる。検出信頼性の向上にもつながる。
【００３４】
（３）挿入軸６３はチタン製とした。はんだは、チタンには付かないことが周知である。このため、ステム２と台座３との接着後、これらをパレット５から引き抜きやすい。
（４）パレット５にはんだ収容部７０を設けた。はんだ収容部７０には、溶融した状態のはんだが収容される。台座３の下底面には、はんだ収容部７０に収容された溶融した状態のはんだが転写される。すなわち、台座３には、自身の大きさに見合った量のはんだが転写される。そして、当該転写されたはんだにより、ステム２と台座３とが接着される。このため、必要以上のはんだを使用することなく、ステム２と台座３とを接着させることができる。なお、溶融した状態のはんだは、酸化していない。このため、はんだ内に発生するボイドを抑制することができる。従って、酸化したはんだ箔などを使用してはんだ付けを行う場合と比較して、ステム２と台座３との接着力を強くすることができる。また、リーク検査、あるいは、高圧放置検査など、ステム２と台座３との接合部分（はんだ層）から流体の漏れがあるかどうかの検査を廃止することも可能である。
【００３５】
（５）台座収容部８０、はんだ収容部７０、及びステム収容部６０が工程順に並んで設けられている。このため、ステム２に対する台座３の接合作業の効率がよい。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００３６】
・上記実施形態において、ステム収容部６０、はんだ収容部７０、及び台座収容部８０を一単位とする複数単位を一つのパレットに設けてもよい。
・上記実施形態において、パレット５及び挿入軸６３は、はんだが接合不能とされたチタン製としたが、表面がチタン処理されているものであればよい。また、パレット５及び挿入軸６３は、チタンに限らずクロム、モリブデン、ケイ素等のはんだが接合不能な物質で表面処理されていればよい。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３７】
・上記実施形態において、パレット５には、はんだ収容部７０、及び台座収容部８０が設けられたが、これらは省略してもよい。なお、はんだ収容部７０を省略した場合には、ステム２及び台座３以外の作業板などに溶融した状態のはんだを塗布し、その塗布したはんだを台座３に転写するようにしてもよい。このように構成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、溶融した状態のはんだを、第１の貫通孔２３に挿入軸６３が貫通した状態のステム２に滴下するようにしてもよい。そして、はんだの滴下後に、台座３をステム２に接着する。このようにした場合でも、溶融した状態のはんだは、第１の貫通孔２３に侵入しない。
【００３９】
・上記実施形態において、パレット５のステム収容部６０は、ステム２の形状に沿うフランジ収容部６１及び軸収容部６２を備えたが、ステム２の形状に沿っていなくてもよい。すなわち、パレット５は、挿入軸６３を備えていればよい。たとえば、板の上面に挿入軸６３を立てただけのパレットを採用してもよい。また、フランジ収容部６１を省略したパレットを採用してもよい。この場合、軸収容部６２は、パレットの上面まで延長する。このように構成した場合であれ、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
・上記実施形態において、挿入軸６３の先端部６４は先鋭とされていなくてもよい。このように構成した場合であれ、上記実施形態の（１）、（３）、（４）の効果と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
・上記実施形態では、ステム２と台座３とを接着するとき、台座３には、シリコンチップ４が接合されていなかったが、接合されていてもよい。このように構成した場合であれ、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
・上記実施形態では、ステム２と台座３とを接着させるための接着剤としてはんだを代表して説明したが、流動性を有する状態から固化することにより接合対象物同士を接着させる接着剤であれば適用可能である。例えば、銀ペースト、あるいはカーボンペーストなどの導電性ペーストを接着剤として採用してもよい。なお、導電性は必須ではないので、非導電性のペーストを採用してもよい。また、はんだ箔など、固化している金属に熱を加える等して一旦流動性を有する溶融金属とし、その溶融金属を再度固化させることにより接合対象物同士を接着させる接着剤を採用してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…圧力センサ、２…ステム、３…台座、４…感圧素子としてのシリコンチップ、５…パレット、２１…円筒軸、２２…フランジ、２３…第１の貫通孔、３１…第２の貫通孔、６０…ステム収容部、６１…フランジ収容部、６２…軸収容部、６３…挿入軸、６４…先端部、７０…接着剤収容部としてのはんだ収容部、８０…台座収容部。
【図１】
2014010115.tif 000003
【図２】
2014010115.tif 000004
【図３】
2014010115.tif 000005