(57)【要約】【課題】  半導体基板にひずみ検出部を有するセンサチップとベース基板との接合部を最適化し、被測定物に生じたひずみを高温下でも高感度に検出し、且つ、長期間ひずみが負荷された場合でも、正確なセンサ出力が可能な接合構造を提案する。【解決手段】  半導体基板に面内方向の伸縮を検出するひずみ検出部を有するセンサチップと、ベース基板と、前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部とを有し、前記ひずみ検出部を備えた面と反対のセンサチップ裏面とベース基板表面は、金属間化合物の層と高融点の金属層とを介して接合されたことを特徴とする力学量測定装置を構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に面内方向の伸縮を検出するひずみ検出部を有するセンサチップと、
被測定物と前記センサチップとの間に介在して、前記センサチップを支持すると共に、検出すべき前記被測定物のひずみを前記センサチップに伝えるベース基板と、
前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部とを備え、
前記ひずみ検出部を有する面と反対のセンサチップ裏面と前記ベース基板は、金属間化合物の層と高融点の金属層が積層した接合層を介して接合されていることを特徴とする力学量測定装置。
【請求項２】
前記センサチップ裏面と、前記ベース基板とを接合する前記接合層は、第１の金属間化合物層、高融点の金属層、第２の金属間化合物層が積層された３層構成となっていることを特徴とする請求項１に記載の力学量測定装置。
【請求項３】
前記金属間化合物の層は、CuとSn、NiとSn、AuとSn、あるいはAgとSnを主成分とすることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の力学量測定装置。
【請求項４】
前記金属層は、Cu、Cu系合金、Ni、Ni系合金、Al、Al系合金、Fe系合金、SUS、W、Mo、42アロイ、インバーのうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の力学量測定装置。
【請求項５】
前記金属層の厚みは5μｍ〜500μｍの範囲であることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の力学量測定装置。
【請求項６】
加熱炉内に、ベース基板を載置し、
その上に高融点金属によるコア層と、その両面に積層される低融点の表面はんだ層からなる３層構造の複合はんだ材料を載置し、
更にその上に、半導体基板に面内方向の伸縮を検出するひずみ検出部を有するセンサチップを、前記ひずみ検出部を有する面とは反対の面を前記複合はんだ材料の上に載置し、
前記表面はんだ層の融点以上に加熱して、溶融したはんだ層を前記コア層の金属と反応させ、
前記はんだ層のはんだが金属間化合物を十分形成するまで加熱を継続することを特徴とする力学量測定装置の製造方法。
【請求項７】
前記複合はんだ材料のコア層は、Cu、Cu系合金、Ni、Ni系合金、Al、Al系合金、Fe系合金、SUS、W、Mo、42アロイ、インバーのうちのいずれかの材料で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の力学量測定装置の製造方法。
【請求項８】
前記複合はんだ材料の表面はんだ層は、Sn、SnAg系はんだ、SnIn系はんだ、SnCu系はんだ、SnZn系はんだ、SnBi系はんだ、SnSb系はんだ、AuSn系はんだ、またはこれらに１種類または２種類の他元素を添加したはんだ、のいずれかの材料で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の力学量測定装置の製造方法。
【請求項９】
前記３層構造の複合はんだ材料のコア層と表面はんだ層との間にそれぞれ下地層を入れた５層構造の複合はんだ材料に替えて、
前記表面はんだ層と前記下地層は、互いに金属間化合物化し易い材料により構成され、
前記コア層は、被測定物に生じたひずみによってクリープ変形が容易に起こらない程度にヤング率が十分高い値を持つ金属材料を選定して構成されることを特徴とする請求項６に記載の力学量測定装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体力学量測定装置の実装構造、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象の変形（ひずみ）を測定する方法として、金属箔の抵抗値がひずみによって変化することを利用した金属箔ひずみゲージを用いる技術が知られている。このひずみゲージを測定対象に接着することで測定対象のひずみに追従して金属箔の長さを変化させ、その結果変化する金属箔の抵抗値を検出することにより測定対象のひずみ測定を可能にする技術である。これまでに、Cu-Ni系合金箔やNi-Cr系合金箔などを用いたひずみゲージがあり、また、ひずみゲージ添着(貼付け)の確実、安定化を図るとともに、防湿性、耐衝撃性の高いプロテクタ付きひずみゲージも提案されている。
【０００３】
しかしながら、これらは消費電力が大きいため、電池がすぐに消費してしまう問題があった。そこで、低消費電力化するために、シリコンにひずみ感応抵抗体を形成した半導体力学量測定装置が提案されている。
【０００４】
この半導体歪ゲージ(半導体力学量測定装置)の構造としては、複数の電極が設けられた可橈性薄膜と、複数の電気素子が形成された半導体基板とを有し、上記可橈性薄膜は、上記半導体基板に被着されていて、上記複数の電極と上記複数の電気素子とは電気的に接続されていることを特徴とする半導体歪ゲージの構造が、特開２００１−２６４１８８号公報（特許文献１）に提案されている。
【０００５】
また、特開２００１−２７２２８７号公報（特許文献２）には、シリコンチップで構成される歪み検出素子と、検出すべき歪みを歪み検出素子に伝える台座を有し、台座は熱膨張係数がシリコンの熱膨張係数の±50%の範囲に入る材料で形成され、上記歪み検出素子はガラス系固定材を加熱溶融して固定した歪み検出センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２６４１８８号公報
【特許文献２】特開２００１−２７２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体力学量測定装置に必要な性能としては、主に２つの重要な項目がある。
第１の重要項目は、ひずみ測定を行う場合、被測定物に生じたひずみを、半導体チップ（以下センサチップと呼ぶ）のひずみ検出部に正しく伝えることである。すなわち、被測定物に生じるひずみを検出する時の精度、感度が重要となる。
【０００８】
第２の重要項目は、被測定物に同じ量のひずみが長時間生じている場合にも、センサチップでは同じ検出値を示すことである。すなわち、センサ出力値の安定性が重要である。この項目は、被測定物が高温で使用される場合には、より難しい課題となる。ひずみや圧力などの力学量測定装置の用途としては、一般的な家庭用品のほかに、たとえば、自動車の動作制御や、重要なインフラの監視などに用いられることも考えられる。この場合の使用環境は、低温では−50℃程度から、高温では150℃程度の温度範囲まで想定する必要がある。
【０００９】
通常センサチップは、表面に細かい配線などが施されているが主な材質はシリコンであり、被測定物とは、はんだなどの接合材料を用いて接合される。この接合はセンサチップの耐熱温度以下で行う必要がある。一般的なはんだとしては、融点が217℃付近のSn-3wt%Ag-0.5wt%Cuはんだや、融点が約310℃のPb-5wt%Snはんだなどが知られる。Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cuはんだでは、100℃〜150℃付近の使用環境では融点に近い温度となり、はんだの降伏応力が小さくなってはんだが軟化し、感度低下が懸念されるとともに、高温でひずみが負荷されるような環境では、接合層のクリープ変形が起き、センサ出力の変動が問題となる。鉛を多く含むPb-5wt%Agはんだは、Sn系はんだと比較して融点は高いが、柔らかい材料であるため、感度低下、クリープ変形によるセンサ出力の精度低下がやはり懸念される。
【００１０】
そこで、高温環境でのセンサ出力の安定性を確保するために、非常に高融点の接合材料を用いてセンサチップと被測定物とを接合することも考えられるが、接合温度はセンサチップの耐熱温度を越えることはできない。また、高温で接合する場合にはセンサチップの主な材質であるシリコンと被測定物との熱膨張係数差により、シリコンチップに割れが生じる確率が増し、製造時の歩留まり低下が懸念される。
【００１１】
これまで出願されている特開２００１−２６４１８８号公報（特許文献１）では有機薄膜を用いているため、高温での使用は難しいと予測される。また、特開２００１−２７２２８７号公報（特許文献２）では、ガラス系固定材を加熱溶融して用いる構造が示されていて、硬い材料であると期待できるが、衝撃などの外力によって破壊されることが懸念され、使用環境の制約も必要と考えられる。
【００１２】
このように、半導体力学量測定装置においては、センサチップと被測定物間の接合部の構造によって、感度やセンサ出力安定性などの計測機器として重要な性能が大きく影響される。このため、本発明では、半導体基板にひずみ検出部を有するセンサチップと被測定物との接合部を最適化し、被測定物に生じたひずみを高温環境でも高感度に検出し、且つ、長期間ひずみが負荷された場合でもクリープ変形が少なく、安定したセンサ出力が可能な接合構造、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、センサチップと被測定物の接合時のチップ割れ不良を防ぎ、高歩留まりで製造可能なセンサチップ接合構造、及びその製造方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、半導体基板に面内方向の伸縮を検出するひずみ検出部を有するセンサチップと、被測定物と前記センサチップとの間に介在して、前記センサチップを支持すると共に、検出すべき前記被測定物のひずみを前記センサチップに伝えるベース基板と、前記センサチップの電極から外部に配線を引き出す配線部とを備え、前記ひずみ検出部を有する面と反対のセンサチップ裏面と前記ベース基板は、金属間化合物の層と高融点の金属層が積層した接合層を介して接合されていることを特徴とする力学量測定装置を構成した。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本発明では、前記センサチップ裏面と、前記ベース基板表面とを接合する前記接合層は、第１の金属間化合物層、高融点の金属層、第２の金属間化合物層が積層された３層構成となっていることを特徴とする前記記載の力学量測定装置を構成した。
【００１６】
また、上記課題を解決するために本発明では、力学量測定装置の製造方法において、加熱炉内に、ベース基板を載置し、その上に高融点金属によるコア層と、その両面に積層される低融点の表面はんだ層からなる３層構造の複合はんだ材料を載置し、更にその上に、半導体基板に面内方向の伸縮を検出するひずみ検出部を有するセンサチップを、前記ひずみ検出部を有する面とは反対の面を前記複合はんだ材料の上に載置し、前記表面はんだ層の融点以上に加熱して、溶融したはんだ層を前記コア層の金属と反応させ、前記はんだ層のはんだが金属間化合物を十分形成するまで加熱を継続するようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、センサチップとベース基板は、硬い金属間化合物層と高融点の金属層を介して接合されているため、被測定物に生じたひずみを高温下でも高感度に検出し、且つ、長期間ひずみが負荷された場合でも接合層のクリープ変形が少ないため、安定して正確なセンサ出力が可能であり、高性能な半導体力学量測定装置を提供することができる。
【００１８】
且つ、センサチップとベース基板接合時のセンサチップ割れ不良も低減でき、製造時の歩留まりも向上可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１の力学量測定装置の断面構成図の例である。
【図２】本発明の実施例１の力学量測定装置の平面構成図の例である。
【図３】本発明の実施例１の力学量測定装置の製造に用いる複合はんだ材料の断面構成図の例である。
【図４】本発明の実施例１の力学量測定装置の製造方法において、加熱炉内でセンサチップとベース基板とを接合するプロセスを説明する図である。
【図５】センサチップとベース基板との接合層３の、センサチップ側の断面例を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の力学量測定装置１００と被測定物３０とを接合させた例１の断面図である。
【図７】本発明の実施例１の力学量測定装置１００と被測定物３０とを接合させた例２の断面図である。
【図８】本発明の実施例２の力学量測定装置の製造に用いる５層構造の複合はんだ材料の断面構成図の例である。
【図９】本発明の実施例２の力学量測定装置の製造に５層構造の複合はんだ材料を適用したときに形成される接合構造の断面図である。
【図１０】本発明の実施例３の力学量測定装置を圧力センサモジュールに適用した第１の例を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例３の力学量測定装置を圧力センサモジュールに適用した第２の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例では、半導体力学量測定装置の構成部品であるセンサチップとベース基板の接合部の構造の例を説明する。
図１、図２は、本実施例の力学量測定装置１００の断面構造と平面構造の例を示す。センサチップ１は、主面１ａにひずみ検出部２を有し、センサチップ１の主面１ａの反対の面であるセンサチップ裏面１ｂは接合層３を介して、ベース基板４に接続されている。ひずみ検出部２はセンサチップ1の中央付近に設けられていて、４つの不純物拡散抵抗からなるホイートストンブリッジ回路が形成されている。これにより、センサチップ１の平面方向に生じた伸縮によって不純物拡散抵抗の抵抗値が変化することによりひずみ量を検出する。この例では、このセンサチップ１は、ベース基板４のほぼ中央部に配置されているが、中央部に限るものではない。
【００２２】
ベース基板４上には、プリント基板２０が配置され、プリント基板２０上の電極パッド２８とセンサチップ１の電極パッド２９とがAu線などを用いたワイヤボンディング２１により接続される。
【００２３】
また、図示していないが、これらの力学量測定装置１００のセンサチップ１の表面保護、或いはワイヤボンディング２１などの保護、或いは電気的ショートを防止するため、少なくともセンサチップ１表面とワイヤボンディング２１を含む部分を絶縁材料などで覆ってもよい。または、キャップなどで全体を覆うことも考えられる。
【００２４】
接合層３は、高融点の金属からなる中間層５を中心に、両側に金属間化合物層６ａ，６ｂで挟んだ構成をとっている。すなわちセンサチップ１の裏面１ｂに第１の金属間化合物層６ａが形成されていて、上記金属間化合物層６aのセンサチップ１接合界面と反対の面に高融点の金属からなる中間層５が形成され、上記中間層５とベース基板４の間には、第２の金属間化合物層６ｂが形成されている。
【００２５】
接合層３の材料構成例としては、第１の金属間化合物層６ａは、CuとSnを主成分とし、化学組成としてはCu3Sn、 Cu6Sn5、あるいはこれらに、他の元素が含まれるものであり、高融点の金属からなる中間層５は、Cu、あるいはCuを主成分として他元素を含むものである。第２の金属間化合物層６ｂは、第１の金属間化合物層６ａと同様に、CuとSnを主成分とし、化学組成としてはCu3Sn、 Cu6Sn5、あるいはこれらに、他の元素が含まれる成分で構成される。
【００２６】
図３には、接合層３を形成するための元の複合はんだ材料７の断面構成を示す。複合はんだ材料７は高融点金属によるコア層８、またその両面に積層される低融点の表面はんだ層９の３層からなる。本実施例では、コア層８の材質はCuであり、その両面に積層された表面はんだ層９はSnである。この表面層のSnは、Cuコア層８にめっき処理によって形成した。
【００２７】
図４には、力学量測定装置１００の製造方法において、加熱炉内でセンサチップ１とベース基板４とを接合するプロセスを説明する図を示す。すなわちベース基板４上に、コア層８、表面はんだ層９の合計３層からなる複合はんだ材料７を搭載し、次にこれにセンサチップ１のひずみ検出部２のある主面１ａと反対の面１ｂが複合はんだ材料７に接するように搭載させる。これらを加熱炉１０内に入れ、例えばヒータ１１などによって加熱する。
加熱、昇温と共に、複合はんだ材料７のコア層８表面に形成した低融点の表面はんだ層９が溶融し、センサチップ１の裏面１ｂ、及びベース基板４に接合される。このとき、コア層８のＣｕの一部が表面はんだ層９に溶け込み、Ｃｕと表面はんだ層９のＳｎが反応し、金属間化合物を形成するが、表面はんだ層９の厚みと、加熱温度と時間を最適化することによって、表面はんだ層９のＳｎがCuSn系の金属間化合物に変化し、低融点のSnがほぼ残存しない構造となる。CuとSnの間には、２種類の金属間化合物が知られ、Cu比率が多い順から、Cu3Sn、Cu6Sn5であり、これらの融点は、それぞれ640℃、415℃である。元の表面はんだ層９のSnの融点が232℃であることから、表面はんだ層９は高融点の金属間化合物層６に変化したと言える。
【００２８】
センサチップ１の裏面１ｂには、複合はんだ材料７の表面はんだ層９が接続し易いようにAu層、Ag層などをめっき、あるいは蒸着、スパッタなどにより施しておくことが望ましい。これらの表層のAu、Ag層などは一般的に薄く、接続時にはんだ中に溶け込み、その下に形成したNi層（図示していない）などと表面はんだ層９は接合されることとなる。
【００２９】
ここで、加熱炉１０の内部は雰囲気制御を行うことで、複合はんだ材料７の表面はんだ層９の高温での酸化を抑制し、良好な接合を得ることができる。例えば、雰囲気はN2、アルゴン、ヘリウムなどが有効であるが、このほかに、還元性のある水素、あるいはこれらの混合物、または、ギ酸などの有機酸を用いても良い。他には、Snなどの表面酸化物を還元可能なフラックスなどの有機物を用いても良い。またセンサチップ１のベース基板４との平行性、位置制御、所望の接合高さ確保、ボイド低減などの接合品質向上を図るために、重り１６やガイドなどの接合補正冶具１２を用いても良いし、真空にしてボイドを低減させることも効果的である。このような工夫を行うことで、より良好な接合層３を得ることが可能になる。
【００３０】
前記加熱炉１０において、表面はんだ層９のSnを十分に金属間化合物化させるために、例えば200℃〜400℃程度の温度で数分〜数時間加熱して、上記のように接合された、センサチップ１とベース基板４の接合層３の、センサチップ１側の断面の例を図５に示す。この例では、センサチップ１の裏面１ｂの表面には予め、Ti、Ni、Au層を施してあるため、複合はんだ材料７の表面はんだ層９のSnと反応し、接合が可能となっている。また、コア層５のCu上には、Cu3Sn層１３、Cu6Sn5層１４が、順に層状に形成されている。これは、ベース基板側の金属間化合物層６ｂでも同様な構成を示すことを確認している。
【００３１】
次に、Cu3Sn層１３、 Cu6Sn5層１４からなる金属間化合物層６が形成されたことによる効果を説明する。Cu3Sn層１３、 Cu6Sn5層１４は金属間化合物であり、室温でのヤング率はほぼ80GPa以上、降伏強度は1800MPa程度、マイクロヌープ硬度は70以上を示す。また、 Cu6Sn5層１４の融点は415℃、Cu3Sn層１３の融点は640℃である。一般的に高温での材料変形は使用環境温度と融点との比率に大きく影響される。このため、融点が高いということは、高温でのクリープなどの変形への耐性が大きいことを意味する。したがって、本実施例では、室温で既に硬い材料であるCu3Sn層１３、 Cu6Sn5層１４からなる金属間化合物層６を有することにより、センサの感度は高く、また100℃〜150℃付近の高温での使用環境下でも、金属間化合物層６内でのクリープ変形は少なく、長期的に安定したセンサ出力を示すことが可能となる。
【００３２】
これを、従来の融点が220℃〜230℃付近のSn系はんだと比較すると、Sn系はんだは、室温でのヤング率はほぼ50GPa以下、降伏強度はほぼ50MPa以下、マイクロヌープ硬度は7程度であり、上記の金属間化合物層６より柔らかい。また融点も220℃〜230℃付近であり、100℃〜150℃の使用環境は、このSn系はんだにとって融点に近い温度であり、変形しやすい。従って、上記の100℃〜150℃の高温の使用環境では、Sn系はんだ層のクリープ変形が生じやすく、被測定物に生じたひずみをはんだ層が緩和してしまうこととなり、感度が悪く、またセンサ出力値の変動につながってしまう。
【００３３】
以上から、本実施例の複合はんだ材料７を用いた接合では、表面はんだ層９に、融点が232℃のSnを用いたため、センサチップ１の耐熱温度内で、且つ、通常の半田付け装置を用いセンサチップ１をベース基板４に接合可能であるが、その後の冷却工程中、或いは一旦冷却後に再度高温処理を行うことにより接合層３が化合物化して硬度が上昇し、更に、接合層３の高融点化も可能となる。従って、硬く、且つ変形が起こりにくい接合構造が必要な、高精度の力学量測定装置の接合方式として適するものといえる。逆に、初めからCu3Sn、 Cu6Sn5を用いて接合することも考えられるが、これらの融点以上の加熱が必要となり、より高温対応の特別な接合装置が必要なほか、センサチップ１の耐熱性も問題となり、チップ割れ不良も懸念される。
【００３４】
次に、センサチップ１とベース基板４間の接合層３に、中間層５を有する理由を説明する。
【００３５】
まず、製造上の制約の問題から説明する。
中間層５を介さないで、センサチップ１とベース基板４を金属間化合物層のみで接合するためには、センサチップ１の裏面１ｂ、あるいはベース基板４表面に、Cu層、及びSn層を形成しておき、これらを接合させる。しかし、この方法では、Cu とSnが金属間化合物を形成してSn層が残存しないようにするための高温での保持時間を考慮すると、あまりSn層を厚くすることはできず、全体として、センサチップ１とベース基板４の接合層の厚みが薄くなる。このため、センサチップ１とベース基板４とを構成する材料の熱膨張係数の違いが大きいと、接合層が薄いので、接合層に加わる応力も大きくなり、チップ割れなどが生じる可能性がある。またチップ割れを起こさない場合にも、薄い金属間化合物層に大きな応力が発生することになり、製造時にボイドなどが発生してしまうと、接合層３も破壊されることが懸念される。従って、製造上の観点から、薄い金属間化合物層のみで接合される構造では、基板材料によってはチップ割れ発生などが懸念される。特に、ベース基板を用いずに被測定物に直接センサチップを接合する場合などは、被測定物の物性を適正化しにくいこともあり、適用が難しい。
【００３６】
またセンサ特性、信頼性の観点から、中間層５の必要性を説明する。Cuなどの高融点金属による中間層５を有することにより、Cuなどの金属は通常のはんだ材料と比較してヤング率が大きく（約100GPa以上）、且つ降伏応力も高いため、この金属層内でクリープを起こす懸念は小さい。また、融点が高いため、使用環境温度が100℃〜150℃付近となっても、中間層５でのクリープ変形は、ほとんど問題とならない。従って、本発明の接合層３では、硬い金属間化合物層６を形成することによって、被測定物に生じたひずみは、金属間化合物層６では変形が起きにくいため感度よく伝わり、また中間層５では高融点でヤング率の高い金属層により構成されるため、ひずみの負荷に対して主に弾性変形によって対応でき、クリープしにくい。この結果、接合層３全体でクリープ変形を防止可能であり、100℃〜150℃付近での高温でも安定的なセンサ出力と、高い感度を得ることができる。
【００３７】
金属間化合物層、センサチップ１の割れ防止の観点、及び、測定最大許容ひずみにおいても接合層３全体のクリープ変形を抑えるためにCu層のような中間層５の厚みは5μｍ以上が望ましい。また、製造時の複合はんだ材７の取り扱いの観点からも上記のように中間層５は5μｍ以上が望ましい。一方、中間層５が厚すぎる場合には、被測定物に生じるひずみがセンサチップ１に伝わらないことが懸念され、検出すべき最大のひずみ量が伝わる厚みの上限から、Cuのような中間層５の厚みは、約500μｍ以下が望ましい。
【００３８】
表面はんだ層９の厚みは、あまり薄いとぬれが確保しにくいため最低2μｍ以上が望ましい。また、十分な化合物化を進めるためには、表面はんだ層９が厚いと長時間の処理が必要となるため、約30μｍ以下が望ましい。
【００３９】
以上から、本実施例の接合層に関わる部分の形状は、センサチップ１は例えば1〜5ｍｍ角程度、厚さは50〜400μｍ程度のサイズであり、接合層３の厚さは最大500〜600μｍ以下であり、ベース基板４は0.1〜10ｍｍ程度の厚さである。
【００４０】
一例である本実施例の接合構造では、コア層８は40μｍ厚みのCu、表面はんだ層９は15μｍ厚みのSnによる複合はんだ材料７を用い、2mm角、厚み100μｍのセンサチップ１と、表面に３μｍのNi、これに0.1μｍのAuを施した1mm厚のSUS基板によるベース基板を接合した構造である。
【００４１】
上記には、複合はんだ材料７の例として、コア層８がCu、表面はんだ層９がSnの場合を示したが、同様の効果が得られれば、これに限るものではない。本発明での高融点の金属層とは、500℃以上の温度域を考えていて、例えば、コア層は、Cu系合金、Fe系合金、Ni系合金、Al系合金、SUS、W、Mo、42アロイ、インバーなどが適用できる。
表面はんだ層９はSn以外には、SnAg系、SnIn系、SnCu系、SnZn系、SnBi系、SnSb系、AuSn系はんだ、またはこれらに他元素を添加した３元系はんだ、あるいは４元系はんだも用いることができる。
【００４２】
本実施例では、図３に示す複合はんだ材料７の製造方法として、Cuコア層８にめっき処理によってSnの表面はんだ層９を形成したが、その他に、コア層８、表面はんだ層９となるCu材と、Sn材を重ねてクラッド圧延を行うことにより製造することでもよい。また、Cuの箔を加熱溶融しているSnはんだ液に浸してSnを付着させるディップ法を採用してもよい。または、はんだ粉末と有機材料を混ぜたペースト状のはんだを印刷方式により供給して加熱し、必要であればその後洗浄してはんだ層を形成してもよい。或いは、蒸着やスパッタなどの方式を用いてもよい。
【００４３】
表面はんだ層９はコア層８の両側で組成や厚みを変えることも可能である。例えば、センサチップ１に接する側の表面はんだ層９は厚くし、反対のベース基板４に接する側の表面はんだ層９は薄くするなどである。上記の例では、通常プロセスにおいてはベース基板４、複合はんだ材料７、センサチップ１の順に積層し加熱することが多いが、重力などの影響でコア層８の上のはんだがコア層８の下のはんだ層に流れ込み、同じ温度で加熱しても、コア層８の下側のはんだでは化合物化が不十分となる場合があるためで、このように、複合はんだ材料７のコア層８両側の表面はんだ層９の厚みを変えておけば、出来上がりの厚みの最適化、化合物化の制御が容易となる。
【００４４】
また上記の表面はんだ層９は、通常、表面に酸化膜が存在し、接合時の雰囲気やプロセスによっては上記酸化膜の存在によりぬれ性が低くなることも懸念される。そこで、接合品質向上のため、表面はんだ層９の酸化を防止する保護層を最表面に設けてもよい。例えば、Au層、Ag層、Cu層、またこれらのAg層/Au層の2層保護層などで、保護層全体の厚みは数μｍ以下で十分である。Au、Ag、Cuなどは蒸着、めっき、クラッド方式などで形成する。また保護層は薄く、且つはんだに溶解しやすい材質なので、接合時にはんだ中に溶け込み、保護層残りなどの問題とならない。またCu保護層の場合は、Cu自体酸化するが、Cu酸化膜はSn酸化膜より還元されやすく、特に水素やギ酸などを用いれば良好な接合が可能であるため、ぬれ性が向上し、品質も安定する。コストも有利である。
【００４５】
表面はんだ層９の下のコア層８は平坦なものでもよいが、ディンプルなどを形成したり、粗化処理をして粗さを増したコア層を用いてもよい。他に、小径の開口部を数箇所、ランダムに、或いは等ピッチに設けたコア層８を用いてもよい。これにより、コア想の表面積が増し、化合物化が推進され製造が短時間化する効果が期待できる。また、もし低融点のSnなどが残存してしまった場合でも、コア層８の表面段差によって、残存した低融点Sn層が分散しやすく、クリープ変形を起こしにくい構造となる。また密着性も向上し、接合強度向上による安定化の効果が期待できる。
【００４６】
また、この例ではセンサチップの主な材質をシリコンとしたがこれに限らずSiCなどを用いてもよい。また、温度感知部も同じチップ上に形成しておけば、出力値を高精度に温度補正することが可能となる。
【００４７】
図６には、本発明の力学量測定装置１００と被測定物３０とを接合させた例の断面図を示す。これはベース基板４の裏面と被測定物１３とを、ねじ１８で数箇所固定したものである。
図７には、本発明の力学量測定装置１００と被測定物３０とを接着材１９により接合させた例を示したものである。このように接続させたことにより、被測定物のひずみを高感度に検出することが可能となる。
図６、図７に示した方法の他に、溶接による方法、摩擦による熱を利用する方法などを用いてもよい。
【００４８】
また、実施例１ではセンサチップ１をベース基板４に接合し、これらを被測定物３０に接続したが、ベース基板を用いずにセンサチップ１を本発明の接合層３を用いて被測定物３０に接合することも可能である。
【実施例２】
【００４９】
実施例１では、複合はんだ材料７は、コア層８と表面はんだ層９の３層構造の例を示したが、コア層８と表面はんだ層９の間に下地層２３を入れた５層構造の複合はんだ材料２２の例を図８に示す。
これは、ある程度実用化可能な作業時間内に金属間化合物化するためには、表面はんだ層９へコア層８の金属がある程度の速さで溶解、拡散することが必要となり、コア層８の材料選定における制約となる。そこで、このような５層構造２２とすることで、表面はんだ層９と下地層２３は、金属間化合物化し易いSn系はんだと、Cu、Ni、AgあるはAuを選択し、コア層８は熱膨張係数やヤング率、材料コストなどの観点から適切な金属材料を選定することが可能となる。
【００５０】
例えば、４２アロイなどの材料は、表面はんだ層９への溶解は遅いが、熱膨張係数が低いというメリットがある。そこで、４２アロイをコア層８として用い、下地層２３としてCu、表面にSn層を設けることにより、接合プロセスにおいてある程度の作業時間内で、下地層２３と表面はんだ層９とを金属間化合物化させ、高融点化、高強度化可能である。とともに、コア層８に用いた４２アロイの存在により、接合層全体としての変形挙動、信頼性を最適化することが可能となる。
【００５１】
この複合はんだ材料２２を力学量測定装置の製造に適用したときに形成される接合構造を図９に示すが、センサチップ１とベース基板４間に接合層２４が形成され、これは、中間層２５とその上下に下地層２３の未反応の部分２６と金属間化合物層２７から構成される。このような構造にすることにより、接合を司る部分と、センサモジュールの性能を司る部分の役割分担がより可能となり、センサ感度、長期的信頼性共に優れる力学量測定装置を提供することができる。
【００５２】
この他に、コア層８のどちらか片面のみに下地層２３を形成したのち表面はんだ層９を設け、コア層８の別の面には表面はんだ層９のみ設けることも可能である。
【実施例３】
【００５３】
本発明の力学量測定装置を圧力センサモジュールに適用した例を図１０に示す。
図１０に断面図を示す圧力センサモジュール４００は、中空孔５１を内側に設けた筒部５２とこの筒部５２における中空孔５１の上部を閉塞する蓋部分５３からなる容器５４を有している。また、中空孔５１の上部の蓋部分５３にはダイアフラム５６の領域が形成されていて、センサチップ１を、本発明の金属間化合物の層と高融点の金属層とを有することを特徴とする接合層３を介してベース基板４に取り付けたセンサモジュール５７がダイアフラム５６部分の中空孔５１と反対側の面に取り付けられている。またセンサチップ１からはひずみ検出量を出力するため、ワイヤボンディング２１を介してプリント基板２０が取り付けられている。更にこれらのセンサモジュール５７部分を保護し、且つ計測値を出力するためにケース５８、また図示していないがコネクタが周囲にとりつけられている。
【００５４】
ベース基板４は、例えばCIC基板、Mo、42Alloy、SUS、Al、セラミックなどを素材として、筒部５２、ダイアフラム５６部分などは例えばSUS材料などが適用される。また、ケース５８は樹脂などが適用されるが、耐熱性が持たない場合には金属材料のものでも良い。
【００５５】
ダイアフラム５６とベース基板４との接合は、溶接、ロウ材、ねじ固定、かしめ、摩擦による熱などを用いて行う。またプリント基板２０は、圧力センサモジュール４００の容積が限られていて収納できない場合には、フレキシブル基板のようなものを用いたり、コネクタ、プローブピンのようなばね性のものを用いて信号を取り出すことも可能である。
【００５６】
この圧力センサモジュール４００は、例えば自動車の油圧系の配管などに継手部５５が接続される。そこで、ダイアフラム５６上に貼り合わされたベース基板４上に本発明の接合層３を介して接続されたセンサチップ１が、油圧の変化に従ってダイアフラム５６を介して歪むことによって、圧力の変化を電気信号に変換し、計測する。
【００５７】
この圧力センサモジュール４００の製造においては、センサチップ１をベース基板４に接合層３を用いて取り付けたセンサモジュール５７を別途作成してから蓋部分５３に取り付けても良いし、蓋部分５３にベース基板４を先に取り付けてからセンサチップ１を接合するプロセスでも良い。
【００５８】
ベース基板４を用いずにダイアフラム５６に直接センサチップ１を接合した圧力センサモジュール５００構造も可能である。この例を図１１に示すが、センサチップ１は、本発明の金属間化合物の層と高融点の金属層とを有することを特徴とする接合層３を用いてダイアフラム５６に直接接合されていて、油圧の変化に従ってダイアフラム５６が歪み、この歪み量をセンサチップ１のひずみ検出部２で検出することによって、圧力の変化を電気信号に変換する。この例のようにベース基板４を用いない場合には、ダイアフラム５６の中空孔５１の反対側の面には、はんだ層のぬれを確保できる表面処理層が必要となる場合がある。
【００５９】
このように作成した圧力センサモジュール４００、５００では、センサチップ１の接合部３が高温でもクリープ変形が少なく安定で、且つ温度サイクルなどの信頼性も高い。このため、自動車などでガソリンの燃料圧などを計測するような高温の環境で使用される場合でも、圧力の変化を感度良く、且つ長期間安定して計測可能である。また、本方式では、センサチップ１の接合プロセスにおいてもチップ割れ不良も少なく、製造時の歩留まりも良好である。
【符号の説明】
【００６０】
１  センサチップ
１ａ  センサチップの主面
１ｂ  センサチップ裏面
２  ひずみ検出部
３  接合層
４  ベース基板
５  接合層の中間層
６，６ａ，６ｂ  金属間化合物層
７  複合はんだ材料
８  コア層
９  表面はんだ層
１０  加熱炉
１１  ヒータ
１２  接合補正冶具
１３  金属間化合物層(Cu3Sn層)
１４  金属間化合物層(Cu6Sn5層)
１６  重り
１８  ねじ
１９  接着剤
２０  プリント基板
２１  ワイヤボンディング
２２  ５層構造の複合はんだ材料
２３  下地層
２４  接合層
２５  中間層
２６  下地層の未反応の部分
２７  金属間化合物層
２８  電極パッド
２９  電極パッド
３０  被測定物
５１  中空孔
５２  筒部
５３  蓋部分
５４  容器
５５  継手部
５６  ダイアフラム
５７  センサモジュール
５８  ケース
１００  力学量測定装置
４００  圧力センサモジュール
５００  圧力センサモジュール
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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