(57)【要約】  半導体装置は、金属体と、金属体上に配置された接合層と、接合層上に配置された半導体チップとを備え、接合層は、金属体と半導体チップとの間に形成されたフィラーを含んだ第１の層と、第１の層と半導体チップとに接合され、第１の層より熱膨張率が大きい第２の層とを含む。
2017006840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属体と、
前記金属体上に配置された接合層と、
前記接合層上に配置された半導体チップとを備え、
前記接合層は、前記金属体と前記半導体チップとの間に形成されたフィラーを含んだ第１の層と、前記第１の層と前記半導体チップとに接合され、前記第１の層より熱膨張率が大きい第２の層とを含む、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第２の層の厚さは、前記第１の層の厚さの半分以下である、半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の層は、前記フィラーより比重が重い材料を主成分とする、半導体装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の層における前記第２の層との界面側に前記フィラーの突出による凹凸が形成され、前記第２の層は、前記第１の層の前記凹凸に充填されている、半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記第１の層および前記第２の層は、主成分がガラスである、半導体装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置において、
前記第２の層の主成分は、前記第１の層の主成分より低温で溶融するガラスである、半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記接合層は、前記第１の層と前記金属体との間に、前記第１の層よりも熱膨張率が大きい第３の層を備える、半導体装置。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記の半導体チップはセンサ素子を含む、半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置を備え、前記半導体チップはひずみ検出部を含む、力学量測定装置。
【請求項１０】
金属体上にフィラーを含んだ第１の接合層を形成することと、
前記第１の接合層上に前記第１の接合層より熱膨張率が大きい第２の接合層を形成することと、
前記第２の接合層に半導体チップを接合することとを有する、半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２の接合層の形成は、前記第１の接合層を焼成した後に行い、前記第２の接合層に半導体チップを接合する工程は、前記第２の接合層上に前記半導体チップを配置した状態で、前記第２の接合層を焼成する工程を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１の接合層は、前記第２の接合層との界面側に前記フィラーの突出による凹凸が形成され、前記第２の接合層は、前記第１の接合層の前記凹凸を充填するように形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属体上に前記フィラーを含んだ前記第１の接合層を形成する前に、前記金属体上に前記第１の接合層よりも熱膨張率が大きい下地層を形成する、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、力学量測定装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤフラム等の起歪体にセンサ機能を有する半導体チップを接合して、起歪体の変形を検出する半導体装置がある。起歪体としては、一般に、ＳＵＳ等の金属が用いられる。このような半導体装置では、起歪体と接合剤および半導体チップと接合剤との熱膨張係数の差に起因して、半導体チップが剥離したり、破壊したりする可能性がある。このため、熱膨張係数が、半導体チップ側から起歪体側に連続的に変化する接合剤を用いた圧力センサが知られている。接合剤の熱膨張係数は、主成分であるガラスに添加するシリカフィラーの量を変化させることにより調整する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２０１３−３６９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１による構造では、接合剤の熱膨張係数は、半導体チップ側では半導体チップの熱膨張係数に、起歪体側では起歪体の熱膨張係数に近付けている。半導体チップに近い熱膨張係数を実現するためには、シリカフィラーの混入量を多くする。接合剤からシリカフィラーが突出する場合には、半導体チップとの接合信頼性が小さくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によると、半導体装置は、金属体と、金属体上に配置された接合層と、接合層上に配置された半導体チップとを備え、接合層は、金属体と半導体チップとの間に形成されたフィラーを含んだ第１の層と、第１の層と半導体チップとに接合され、第１の層より熱膨張率が大きい第２の層とを含む。
本発明の第２の態様によると、力学量測定装置は、上記半導体装置を備え、半導体チップはひずみ検出部を含む。
本発明の第３の態様によると、半導体装置の製造方法は、金属体上にフィラーを含んだ第１の接合層を形成することと、第１の接合層上に第１の接合層より熱膨張率が大きい第２の接合層を形成することと、第２の接合層に半導体チップを接合することとを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、接合層と半導体チップとの接合信頼性を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の半導体装置の実施形態１の断面図。
【図２】フィラーが混入されたガラス層のＳＥＭによる断面の模式図。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示された半導体装置の製造方法を説明するための断面図。
【図４】本発明の半導体装置の実施形態２の断面図。
【図５】本発明による半導体装置の接合性の評価結果を示し、接合層の各層の材料および熱膨張係数と接合性との関係を示す図。
【図６】本発明の力学量測定装置の実施形態１の斜視図。
【図７】図６の力学量測定装置の変形例を示す断面図。
【図８】本発明の力学量測定装置の実施形態２の断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
−半導体装置の実施形態１−
以下、図面を参照して、本発明の半導体装置の実施形態１を説明する。
図１は、本発明の半導体装置の実施形態１の断面図である。
半導体装置１は、金属体２と、半導体チップ３と、金属体２と半導体チップ３とを接合する接合層４とを備える。
接合層４は、金属体２上に形成され、金属体２の表面９に接合された第１の層５と、第１の層５と半導体チップ３との間に介在し、半導体チップ３の裏面８に接合された第２の層６とを有する。金属体２は、鉄やＳＵＳ等により形成されている。半導体チップ３は、シリコンウエハからダイシングにより得られた集積回路素子である。半導体チップ３は、センサ素子を内蔵しているものを用いることもできる。
【０００９】
半導体装置１を構成する各構成部材の熱膨張係数は、金属体２＞第２の層６＞第１の層５＞半導体チップ３となっている。
本発明は、半導体チップ３に接合する第２の層６が、金属体２に接合する第１の層５よりも熱膨張係数が大きい点に特徴を有する。このことにより、以下に説明するように、半導体チップ３と接合層４との接合信頼性を向上する。
【００１０】
半導体装置１の各構成部材の熱膨張係数を上記の順とする素材の一例を挙げる。
金属体２は、鉄、ＳＵＳ等により形成されている。例えば、ＳＵＳ４２０は、その熱膨張係数が約１２ppm/℃である。半導体チップ３を形成するシリコンの熱膨張係数は、約３ppm/℃である。
接合層４の第１の層５および第２の層６は、それぞれ、ガラスより熱膨張係数が小さいフィラーが添加されたガラス材料により形成されている。上記熱膨張係数の金属体２を用いた場合には、接合層４の第１の層５および第２の層６の熱膨張係数は、どちらも、３〜１２ppm/℃とされる。但し、第２の層６の熱膨張係数は、第１の層５の熱膨張係数より大きくされている。
【００１１】
ガラス材料の熱膨張係数は、ガラスより熱膨張係数が小さいフィラーの含有量が多くなるほど、熱膨張係数が小さくなる。従って、第１の層５と第２の層６のガラスの熱膨張係数が同等の場合、第２の層６の熱膨張係数が第１の層５の熱膨張係数より大きいということは、第２の層６に含有されるフィラーの含有量が、第１の層５に含有されるフィラーの量よりも小さいということである。
【００１２】
金属体２と半導体チップ３とを接合剤により接合する構造において、熱膨張係数と共に下記に示す事項は重要である。
第１は、接合剤の焼成温度である。
第２は、金属体２および半導体チップ３に対する接合層４の溶融性および接合性である。
これらの事項に関して、順次、検討を行った。
【００１３】
半導体チップ３の耐熱温度は、約４５０℃である。このため、接合剤であるガラス材料の焼成温度は、４００℃またはそれ以下とすることが好ましい。現在、市販されている低融点ガラス材料は、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｖ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｔｅ、Ｐ、Ｂ等の酸化物、およびこれらの酸化物を主成分とする。しかし、これらの低融点ガラス材料では、上記焼成温度を満足させることは困難である。また、ガラス材料自体の熱膨張係数は一般的に大きく、特に、半導体チップ３とは、熱膨張係数の差に起因する剥離が生じ易い。
【００１４】
このため、上述したように、ガラス材料に低熱膨張係数のフィラーを添加して所望の熱膨張係数の接合剤となるように調整する。フィラーとしては、ＭｇやＡｌの酸化物等からなるコージェライト（熱膨張係数は約１．７〜２ppm/℃）や、Ｓｉの酸化物（熱膨張係数は約０．５ppm/℃）等を用いることができる。Ｖ系の酸化物とＴｅ系の酸化物の混合物を主成分とする、約４００℃以下で焼成するガラス材料に、上記の低熱膨張係数のフィラーを添加して、ガラス材料の溶融性の評価、ならびに半導体チップ３とガラス材料および金属体２とガラス材料との接合性の評価を行った。
【００１５】
ガラス粉末を型に入れて押し固めて直径が約３ｍｍの円盤状の圧粉体を形成した。この圧粉体を金属体２上で加熱して溶融状態を観察した。
フィラーが添加されないガラス粉末の圧粉体は、溶融後、上面と側面は、角が取れたドーム形状となり、表面は滑らかで光沢もみられた。つまり、フィラーが添加されないガラス材料の溶融性は良好であった。
一方、同じベースのガラス粉末にフィラーが添加された圧粉体は、ほぼ、溶融前の角のある円盤形状のままであり、表面に光沢も見られず、金属体２との接触角も大きかった。つまり、フィラーが添加されたガラス材料は、溶融性が乏しいことが判った。
【００１６】
金属体２と半導体チップ３とを、フィラーが添加されないガラス材料と、フィラーが添加されたガラス材料により接合して、両材料の接合性を比較、検討した。
フィラー添加なしのガラス材料では半導体チップ３が金属体２から外れてしまい接合できなかった。半導体チップ３の裏面８および金属体２の表面９の剥離状態を観察したところ、どちらにもガラス材料が全面に付着していた。このことは、ガラス材料がその層中で壊れたことを示している。
即ち、フィラーを添加していないガラス材料では溶融性が良好であり、いったん金属体２の表面９および半導体チップ３の裏面８に接着はする。しかし、ガラス材料の熱膨張係数が大きいため、接着後、ガラス層が破壊し、半導体チップ３が外れたと考えられる。
【００１７】
一方、フィラーを多く添加したガラス材料でも、半導体チップ３が金属体２から外れてしまい接合ができなかった。半導体チップ３の裏面８および金属体２の表面の剥離状態を観察すると、フィラーを多く添加したガラス材料では、半導体チップ３の裏面８全面においてガラス材料が接着せずに接着面積が小さくなっていた。つまり、半導体チップ３の裏面８へのガラス材料の接着性が低下し、接着自体が起こりにくい、すなわち、濡れ性が悪いことがわかった。
【００１８】
そこで、このように半導体チップ３とガラス材料１３のぬれ性が低下してしまう原因を調べるために、フィラー１２を添加したガラス材料１３の表面をＳＥＭにより観察した。図２は、フィラーが混入されたガラス材料１３のＳＥＭによる断面の模式図である。図２に示されるように、ガラス成分１４の表面にフィラー１２が突出し、凹凸を形成している。このようにフィラー１２により凹凸が形成されるのは、ガラス成分１４よりフィラー１２の方が、一般的に比重が軽いことが原因の１つと考えられる。また、ガラス成分１４の溶融温度と比較すると、フィラー１２の溶融温度は高融点であり、ガラス成分１４が軟化、溶融した時に、フィラー１２は固体のままであり、表面に突出しやすいと考えられる。
【００１９】
このようにガラス材料１３が加熱されて高温になり、軟化、溶融する際に、フィラー１２がガラス成分１４の表面に突出すると流動性が低下する。また、このフィラー１２がガラス成分１４の表面に突出することによりガラス材料１３の表面に凹凸が形成される。これらのことにより半導体チップ３との接着性が阻害されることがわかった。流動性の低下を補うために、加熱温度を上げることも考えられるが、上述したように、半導体チップ３の耐熱性を考慮しなければならない。また、ガラス成分１４中の各種成分の発泡などによりボイドが形成されることも懸念される。
【００２０】
ここで、特許文献１に示されるように、半導体チップ３と金属体２間で、ガラス層の材料の熱膨張係数を連続的に変化させる構造とすることも考えられる。特許文献１では、半導体チップ３の裏面８に接する部分で、ガラス層の熱膨張係数を半導体チップ３とほぼ同じ熱膨張係数にする構造である。このためには、半導体チップ３の裏面８付近のガラス成分１４中のフィラー１２の含有量を多くする必要がある。ガラス成分１４中のフィラー１２の量を多くすると、ガラス材料１３全体の熱膨張係数は下がる。しかし、上述したように、溶融性が低下し、半導体チップ３との良好な接合性の確保が難しくなる。製造工程でのばらつきなどを考慮すると、接合不良率の増加も懸念される。
【００２１】
そこで、図１に示す構造を採用した。既に説明した通り、半導体装置１では、各構成部材の熱膨張係数は、金属体２＞第２の層６＞第１の層５＞半導体チップ３となっている。
この半導体装置１では、接合層４の第１の層５は、フィラー１２の添加量が大きく、熱膨張係数が小さくされている。この第１の層５上に、熱膨張係数は若干高いが溶融性の良好な、フィラー１２の添加量の少ない第２の層６が形成されている。第２の層６は、第１の層５よりも薄く形成される。
【００２２】
接合層４の第１の層５は、金属体２上に膜付けし、半導体チップ３を載置する前に焼成することができる。このため、半導体チップ３の耐熱性を考慮する必要がなく、第１の層５の材料は幅広い焼成温度の材料を選択することができる。且つ、フィラー１２の添加量を多くしても問題が少ない。
【００２３】
接合層４の第２の層６は、熱膨張係数が大きい、すなわち、フィラー１２の添加量が少ない。従って、第２の層６は、溶融性が良好であり、半導体チップ３との接合性がよい。第１の層５は、フィラー１２の添加量が多いため、上面に凹凸が形成されるが、第２の層６は、フィラー１２の添加量が少なく、溶融性が良好なため、第１の層５の上面の凹凸を埋めるように充填される。ただ、第２の層６は、熱膨張係数が大きいため、熱膨張係数の差に起因する硬化後の剥離や破壊に留意する必要がある。ここで、第２の層６の厚さを薄くすることで、接合層４全体の熱膨張系係数に関して第１の層５の熱膨張係数を支配的にすることができる。
【００２４】
フィラー１２の添加量および第１、第２の層５、６の厚さの具体的な一例を以下に示す。但し、以下に示す一例は、本発明を限定することを意図するものではなく、参考としての意味を有するものである。
接合層４の第１の層５のフィラー１２の添加量は、１５〜３０vol％程度とすることができる。
接合層４の第２の層６のフィラー１２の添加量は、０〜１０vol％程度とすることができる。
【００２５】
また、接合層４全体の厚さは、例えば、２００μm程度またはそれ以下とすることができる。
第２の層６の厚さは、第１の層５の厚さの半分程度以下とすることが好ましい。第２の層６の厚さは、例えば、５〜２０μmとすることができる。この場合、接合層４全体の厚さを、２０〜８０μm程度とすることができる。
【００２６】
図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、図１に示された半導体装置の製造方法を説明する。
金属体２に第１の層５を形成する。この第１の層５は、予め、ガラス成分１４と熱膨張係数調整用のフィラー１２、及び、溶剤、合成樹脂などの有機成分などを混ぜ合わせ、スラリー状にしたペーストとされている。このペーストを、所定の位置に、所定の面積、厚み、供給量になるようにスクリーン印刷等により供給する。そして、高温で加熱して焼成する。図３（ａ）は、第１の層５の焼成後の状態を示しており、フィラー１２が突出して上面に凹凸を形成している様子を模式的に示している。加熱処理は、溶剤成分を除去するための乾燥工程、樹脂によるバインダ成分を除去するために高温で放置する脱バインダ工程、およびガラス成分を溶融させて一体化させる焼成工程を順次行う。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、第１の層５上に第２の層６を形成する。この第２の層６も、予め、ガラス成分１４と熱膨張係数調整用のフィラー１２、及び、溶剤、合成樹脂などの有機成分などを混ぜ合わせ、スラリー状にしたペーストとされている。第２の層６は、第１の層５上の所定の位置に、所定の面積、厚み、供給量になるようにスクリーン印刷等により供給する。そして、高温で加熱し形成する。加熱処理は、第１の層５と同様に、溶剤成分を除去するための乾燥工程、樹脂によるバインダ成分を除去するために高温で放置する脱バインダ工程、およびガラス成分１４を溶融させて一体化させる焼成工程を経る。第２の層６は、焼成工程を省いても良い。
【００２８】
図３（ｃ）に示すように第２の層６上に半導体チップ３を搭載する。そして、図３（ｄ）に示すように、第２の層６を加熱して溶融させ、半導体チップ３を接合する。図３（ｂ）に示す工程において、第２の層６の焼成工程を省いた場合にも、この工程で、第２の層６は焼成される。図３（ｂ）に示す工程で、乾燥工程、脱バインダ工程が済んでいるため、ガラス成分１４が軟化し焼成可能な温度まで加熱する、本焼成工程のみを行う。この図３（ｄ）の工程では、良好な接合を得るために重りなどを載せたり、厚みを均一にするために所定の厚みのスペーサなどを使用したりしてもよい。このようにして、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００２９】
上記実施形態では、ガラス材料１３として、溶剤、樹脂バインダなどを混ぜ合わせたガラスペーストを用い、印刷により供給する方法を示した。しかし、この方法に限定されず、ガラス粉末を固めた圧粉体、更にこれを加熱したガラスペレットなどを利用しても良い。このようなガラスペレットを用いると、乾燥工程が省略可能で、脱バインダ工程も不要になることもあり、製造時間の短縮に効果がある。また、印刷方式より、材料の供給量のばらつきも低減できる可能性がある。
【００３０】
半導体チップ３の裏面８は、Ｓｉチップのままでも良い。しかし、ガラス材料１３との接合性を向上させるために、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどのメタライズ層を形成してもよい。または、これらの材料のいくつかを積層させたメタライズ層、あるいは、例えば、ＡｌＣｕなどの合金によるメタライズ層を、蒸着、スパッタなどにより形成しても良い。やわらかいＡｌ等のメタライズ層を用いれば、チップ割れ耐性を向上させることが可能である。
【００３１】
本発明の実施形態１によれば下記の効果を奏する。
（１）金属体２と半導体チップ３とを、接合層４により接合する半導体装置１において、接合層４を、金属体２に接合される第１の層５と、半導体チップ３に接合される第２の層６とにより構成した。第１の層５は、フィラー１２を含み、第２の層６は第１の層５より熱膨張率が大きいものとした。第１の層５は、フィラー１２の添加量が多いため、上面に凹凸が形成されるが、第２の層６は、フィラー１２の添加量が少なく、溶融性が良好なため、半導体チップ３との接合性をよくすることができる。
【００３２】
（２）接合層４の第１の層５は、金属体２上に膜付けし、半導体チップ３を載置する前に焼成することができる。このため、半導体チップ３の耐熱性を考慮する必要がなく、第１の層５の材料は幅広い焼成温度の材料を選択することができる。
【００３３】
（３）第２の層６は、熱膨張係数が大きいため、硬化後に、熱膨張係数の差に起因して剥離したり破壊したりする可能性もある。しかし、第２の層６の厚さを、第１の層５の厚さの半分程度以下の厚さにすることで、接合層４全体の熱膨張系係数に関して第１の層５の熱膨張係数を支配的にすることができる。このようにすることにより、接合層４全体の熱膨張係数を低減し、熱膨張係数の差に起因する剥離や破壊を抑制することができる。
【００３４】
（４）第１の層５は、フィラー１２の添加量が多く、上面に凹凸が形成されるが、第２の層６は、フィラー１２の添加量が少ないので、第２の層６により第１の層５の上面の凹凸が充填される。このため、第１、第２の層５、６の接合性は良好となる。
【００３５】
（５）第２の層６を第１の層５より低温で溶融する材料により形成する。特に、半導体チップ３の耐熱温度より低い温度で溶融する材料で形成することで、半導体チップ３の特性を確保することができ、信頼性の高い接合を行うことができる。
【００３６】
なお、接合層４の主成分は、セラミックス等、ガラス成分１４以外の材料とすることも可能である。ここで、本明細書において、主成分とは、体積または重量の少なくとも一方が接合層４全体の半分以上を占める成分として定義する。
【００３７】
−実施形態２−
図４は、本発明の半導体装置の実施形態２の断面図である。
実施形態２の半導体装置２１は、金属体２と第１の層５との間に下地層２３を有している点で、実施形態１の半導体装置１と相違する。
すなわち、実施形態２の接合層２２は、第１の層５と、第２の層６と、下地層２３とを有する。下地層２３は、第１の層５と金属体２との接合性を向上するために設けられている。下地層２３は、その熱膨張係数が第１の層５と金属体２との中間の材料により形成される。
【００３８】
すなわち、半導体装置１の各構成部材の熱膨張係数は、金属体２＞第２の層６＞第１の層５＞半導体チップ３、となっている。また、半導体装置１の各構成部材の熱膨張係数は、金属体２＞下地層２３＞第１の層５、となっている。第２の層６と、下地層２３との熱膨張係数の大小は、どちらが大きくても構わない。
実施形態２においても、第２の層６の厚さは、第１の層５よりも薄くする必要があり、特に、第２の層６の厚さを、第１の層５の厚さの半分以下とすることが好ましい。
【００３９】
下地層２３は、フィラー１２の添加量が第１の層５よりも少ないガラス材料１３により形成することができる。
但し、下地層２３の材料は、ガラスに制限されない。下地層２３の材料として、ＷやＭｏ等の低熱膨張係数の金属層、またはセラミックスを用いることができる。セラミックスは溶射により形成することもできる。
金属体２上にフィラー１２を含んだ第１の層５が形成される前に、金属体２上に第１の層５よりも熱膨張率が大きい下地層２３が形成される。
【００４０】
実施形態２の半導体装置２１も、実施形態１の半導体装置１の効果（１）〜（５）を奏することができる。加えて、金属体２と接合層２２との接合性を一層、高めることができる。
【００４１】
（接合性評価）
図５は、本発明による半導体装置の接合性の評価結果を示すものである。金属体２、下地層２３、第１の層５、第２の層６および半導体チップ３それぞれについて、材料および熱膨張係数が示され、接合性の評価結果が示されている。
図５に示された下地層２３、第１の層５は、半導体チップ３の耐熱温度４５０℃より高温で焼成し、第２の層６は、半導体チップ３の耐熱温度４５０℃より低温で焼成した。例えば、Ｎｏ．５の半導体装置１においては、下地層２３の形成は８５０℃で１０分間行い、第１の層５の形成は４７０℃で１０分間行った。また、第２の層６による半導体チップ３の接合は４００℃で１０分間行った。
Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８のすべての半導体装置１は、接合性が良好であることが確認された。
【００４２】
−力学量測定装置の実施形態１−
本発明の半導体装置１を、ひずみや圧力などの力学量を測定する力学量測定装置に組み込んだ例を示す。
図６は、本発明の力学量測定装置３１の実施形態１の斜視図である。
力学量測定装置３１は、センサチップ３２と、接合層４０と、プリント基板３６と、金属体３７とを備える。
センサチップ３２は、デバイス面３３の中央部付近に、センサ素子であるひずみ検出部３４を有する半導体チップである。センサチップ３２は、ほぼ１ｍｍ〜１０ｍｍ角、厚さ３０〜４００μｍの直方体形状の半導体チップである。ひずみ検出部３４は、ひずみや圧力などの力学量変化により生じるひずみ量変化を検出する。ひずみ検出部３４は、例えば、シリコン基板の一面に不純物イオンをドープして形成した抵抗チップ（図示せず）により形成されたホイートストンブリッジ回路である。センサチップ３２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し、ひずみが検出される。センサチップ３２に温度検出部を形成しておくことで、計測値の温度補正を可能とすれば、より高精度なひずみ量が計測可能となる。
【００４３】
センサチップ３２の出力端子である電極３５は、Ａｕ線などのボンディングワイヤ３９により、プリント基板３６の電極３８に接続されている。プリント基板３６は、ガラスエポキシ材料、ポリイミド材料などを用いたフレキシブル基板、またはセラミック基板などの硬質基板である。ひずみ検出部３４で検出されたひずみ情報は、電極３５、ボンディングワイヤ３９、電極３８を介してプリント基板６３に供出される。
【００４４】
金属体３７は、起歪体としての機能を有する。金属体３７は、例えば、ＳＵＳにより形成することができる。
力学量測定装置３１において、金属体３７と半導体チップ３とを接合する接合層４０は、実施形態２の接合層２２と同一の構成を有する。すなわち、接合層４０は、下地層２３、第１の層５、第２の層６を有する。力学量測定装置３１の各構成部材の熱膨張係数は、金属体３７＞第２の層６＞第１の層５＞半導体チップ３２、となっている。また、力学量測定装置３１の各構成部材の熱膨張係数は、金属体３７＞下地層２３＞第１の層５、となっている。第２の層６と、下地層２３との熱膨張係数の大小は、どちらが大きくても構わない。
この実施形態においても、第２の層６の厚さは、第1の層５よりも薄くする必要があり、特に、第２の層６の厚さを、第１の層５の厚さの半分以下とすることが好ましい。
【００４５】
図７は、図６に図示された力学量測定装置３１変形例を示す。
図７に図示されるように、変形例の力学量測定装置３１Ａでは、起歪体である金属体３７には、中央部に平面視で矩形の凹部４１が設けられたダイヤフラムとされている。ダイヤフラムとすることにより、変形量が大きくなるため、センサチップ３２の破壊が懸念される場合や、変形量が小さく、感度が十分とれない場合に有効である。
図６、図７に示す力学量測定装置３１、３１Ａは、金属体３７とセンサチップ３２とが実施形態２の半導体装置１と同様な接合層４０により接合されている。このため、実施形態２の半導体装置１と同様な効果を奏する。
【００４６】
つまり、力学量測定装置３１、３１Ａは、センサチップ３２の耐熱性に関して信頼性がある。金属体３７と接合層４０との接合性、および接合層４０とセンサチップ３２との接合信頼性が高い。このため、接合層４０にクリープなどの変形が生じることを抑制することができ、センサチップ３２による正確なひずみ検出が可能となる。
【００４７】
−力学量測定装置の実施形態２−
図８は、本発明の力学量測定装置の実施形態２の断面図である。
実施形態２の力学量測定装置５０は、容器５１と、ケース５３と、力学量測定装置３１Ａとを有する。
力学量測定装置５０は、容器５１の内部空間５２内に流入された気体Ｇの圧力を検出する。
容器５１の上部には、図７に示された力学量測定装置３１Ａが取付けられている。上述したように、力学量測定装置３１Ａは、ダイヤフラムである金属体３７上に、接合層４０を介してセンサチップ３２が固定された構造を有する。容器５１は、内部空間５２を有するほぼ中空円筒状に形成されている。容器５１の下部側には、気体Ｇを内部容器５２に導く気体取入口５５が形成されている。容器５１の上部側にダイヤフラムである金属体３７を有する。金属体３７は、容器５１の蓋としての機能を兼用している。
【００４８】
金属体３７は、一体成形、金属接合、または締結、かしめ、螺着等の機械的結合によって容器５１に固定されている。すなわち、力学量測定装置５０は、高強度の固定方法で金属体３７を容器５１に固定している。金属接合としては、レーザ溶接、超音波溶接、摩擦攪拌接合、あるいははんだ付け、ろう付等を適用することができる。センサチップ３２に対する金属体３７と容器５１との接合工程、あるいは接合の影響を排除するためには、あらかじめ金属体３７と容器５１とを一体で成形したほうが望ましい。金属体３７と容器５１とを一体で成形するには、例えば、絞り等の加工、切削加工等の方法が挙げられる。
【００４９】
ケース５３は、樹脂または金属部材により形成され、容器５１に固定された力学量測定装置３１Ａを保護している。
【００５０】
力学量測定装置５０は、例えば、燃料などの供給量を正確に制御する圧力センサとして用いられる。力学量測定装置５０は、特に車載などの用途では高温環境で使用される。このため、高温でのクリープ変形によってセンサ特性が低下しないようにすることが求められる。
本実施形態の力学量測定装置５０は、図６、図７に示す力学量測定装置３１Ａを有している。このため、上述したように、接合層４０にクリープなどの変形が生じることを抑制することができ、センサチップ３２による正確なひずみ検出が可能となる。
【００５１】
なお、上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【００５２】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１５年第１３５８９９号（２０１５年７月７日出願）
【符号の説明】
【００５３】
１      半導体装置
２      金属体
３      半導体チップ
４      接合層
５      第１の層
６      第２の層
１２      フィラー
１３      ガラス材料
１４      ガラス成分
２１      半導体装置
２２      接合層
２３      下地層
３１      力学量測定装置
３１Ａ    力学量測定装置
３２      センサチップ
３４      ひずみ検出部（センサ素子）
３７      金属体
４０      接合層
５０      力学量測定装置
【図１】
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【図２】
2017006840.tif 000004
【図３】
2017006840.tif 000005
【図４】
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【図５】
2017006840.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2017006840.tif 000012