(57)【要約】【課題】封止材料にエポキシ樹脂を使用することなく、良好な封止特性を有する半導体イオンセンサを提供する。【解決手段】基板電極を有する基板と、ＩＳＦＥＴ電極を有し基板上に固定されたＩＳＦＥＴと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記基板電極とを電気的に接続するワイヤと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する封止部とを有する半導体イオンセンサにおいて、前記封止部は、非エポキシ樹脂の軟質樹脂からなり、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する第１封止部と、非エポキシ樹脂の硬質樹脂からなり、前記第１封止部の表面部を被覆する第２封止部と、により形成している。【選択図】　図３
2004144705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板電極を有する基板と、ＩＳＦＥＴ電極を有し基板上に固定されたＩＳＦＥＴと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記基板電極とを電気的に接続するワイヤと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する封止部とを有する半導体イオンセンサにおいて、前記封止部は、非エポキシ樹脂の軟質樹脂からなり、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する第１封止部と、非エポキシ樹脂の硬質樹脂からなり、前記第１封止部の表面部を被覆する第２封止部と、により形成していることを特徴とする半導体イオンセンサ。
【請求項２】
前記軟質樹脂は軟質シリコン樹脂であり、前記硬質樹脂は硬質シリコン樹脂であることを特徴とする請求項１記載の半導体イオンセンサ。
【請求項３】
前記第１封止部と前記第２封止部との間に非エポキシ樹脂の半硬質樹脂からなる中間封止部を設けてなることを特徴とする請求項１記載の半導体イオンセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＳＦＥＴを用いた半導体イオンセンサであって、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定に用いられる半導体イオンセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体イオンセンサは、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定に用いるので、当然のことながら、水溶液中で使用される。したがって、基板電極、ＩＳＦＥＴ電極、これらを接続するワイヤ等の導電部分は、樹脂等により封止して水溶液に対し絶縁することが必要となる。ＩＳＦＥＴのような半導体チップを封止する樹脂としては、通常はエポキシ樹脂が使用されている。これは、未硬化状態では流動性が、硬化後は機械強度が、それぞれ良好なことによる。
【０００３】
しかし、近年、エポキシ樹脂を水溶液中に長時間放置しておくと、内分泌かく乱物質（いわゆる環境ホルモン）であるビスフェノールＡがごく微量ながら溶出する可能性があることが指摘されている。したがって、エポキシ樹脂を用いる場合には、内分泌かく乱物質を適切に処理することが今後の課題である。この課題に対応するものとして、特開昭６４―６１６６０にて提案された半導体バイオセンサ（半導体イオンセンサと略同一な構造を有している）、すなわち、エポキシ樹脂からなる封止部の表面をシリコン樹脂で被覆する構成のものを採用することが考えられる。また、特開２００１―２４２１３１では、エポキシ樹脂の代替としてガラスを用いた封止部を有する半導体イオンセンサが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４―６１６６０（第３７６−３７７頁、図２）
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１―２４２１３１（第１−４頁、図１、図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の構成では、内部にエポキシ樹脂を使用しているために、表面部のシリコン樹脂に過度の外力が加わって破壊するような場合には、水溶液中にエポキシ樹脂が露出してしまう可能性がある。特許文献２の構成では、封止材料としてエポキシ樹脂を用いていないので、上記のような問題の発生を無くしたのであるが、電極やワイヤへの残留応力がエポキシ樹脂と比べると大きいものとなり、その結果、電気的接続の安定性等がやや低下する。
【０００７】
本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、封止材料として、エポキシ樹脂を使用することなく、電気的接続の安定性等も確保できる半導体イオンセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、基板電極を有する基板と、ＩＳＦＥＴ電極を有し基板上に固定されたＩＳＦＥＴと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記基板電極とを電気的に接続するワイヤと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する封止部とを有する半導体イオンセンサにおいて、前記封止部は、非エポキシ樹脂の軟質樹脂からなり、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する第１封止部と、非エポキシ樹脂の硬質樹脂からなり、前記第１封止部の表面部を被覆する第２封止部と、により形成していることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体イオンセンサにおいて、前記軟質樹脂は軟質シリコン樹脂であり、前記硬質樹脂は硬質シリコン樹脂であることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の半導体イオンセンサにおいて、前記第１封止部と前記第２封止部との間に半硬質樹脂からなる中間封止部を設けてなることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
実施形態１に係る半導体イオンセンサについて図１〜３に基づいて説明する。図１は基板に固定されたＩＳＦＥＴの平面図であり、図２は図１のＸ―Ｘの断面図であり、図３は図１のＹ―Ｙの断面図である。この半導体イオンセンサは、基板１、ＩＳＦＥＴ２、ワイヤ３ａ、３ｂ、封止部５を主要構成部材としている。
【００１２】
基板１は、平板形状で、基板材料は、例えば、ポリイミド樹脂のような非エポキシ樹脂を用いる。ここで、非エポキシ樹脂とは、樹脂材料を合成するときに、ビスフェニールＡを使用していない樹脂のことである。また、アルミナのような無機材料を基板材料として用いることもできる。基板１は、後述するＩＳＦＥＴを取付ける取付部と、ＩＳＦＥＴを電気的に接続する基板電極１１ａ、１１ｂと、基板導電部１２ａ、１２ｂと、を設けている。また、図外に駆動電源回路や電流検知回路を有しており、基板電極１１ａ、１１ｂや基板導電部１２ａ、１２ｂに接続されている。
【００１３】
ＩＳＦＥＴ２は、例えば、縦約７ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ２ｍｍの略直方体であり、上面の端部にＩＳＦＥＴ電極２１ａ、２２ｂを設けており、後述する封止部により基板１の取付部上に固定される。このＩＳＦＥＴ電極２１ａ、２１ｂは、後述するワイヤにより基板電極１１ａ、１１ｂに電気的に接続している。ＩＳＦＥＴ２は、具体的には図２及び図３に示すように、半導体基板２６上にドレイン２３、ソース２４、チャネル２５、導電パターン２９、水溶液と接触するイオン感応膜２２、半導体基板２６とイオン感応膜２２との間に設けられるフィールド酸化膜２７、イオン感応膜２２の上面に設けられる保護膜２８を有している。イオン感応膜２２は、水溶液と接触し、水溶液中のイオンとの相互作用により、特定のイオン濃度に応じて、イオン感応膜２２とチャネル２５との界面の電圧が変化する。この結果、通常のＭＯＳＦＥＴの動作原理により、ドレイン２３とソース２４との間を流れる電流が変化する。したがって、水溶液中のイオン濃度がＩＳＦＥＴのドレイン―ソースの電流値としてセンシングできる。また、フィールド酸化膜２７は、ドレイン２２、ソース２３等をイオン感応膜２２に対して絶縁する機能を有している。保護膜２８は、外部からＩＳＦＥＴ２を保護している。ただし、イオン感応膜２２の中心部は、水溶液と接触するように保護膜２８から露出する構造となっている。また、ＩＳＦＥＴ電極２１ａ、２１ｂとドレイン２３、ソース２４とはそれぞれ導電パターン２９によって、電気的に接続されている。
【００１４】
ワイヤ３ａ、３ｂは、銅、金、アルミニウム等の金属線であり、基板電極１１ａ、１１ｂとＩＳＦＥＴ電極２１ａ、２１ｂとを、それぞれ電気的に接続する。
【００１５】
封止部５は、後述するように、第１封止部５１と第２封止部５２とからなっていて、基板電極１１ａ、１１ｂ、ＩＳＦＥＴ電極２１ａ、２１ｂ、ワイヤ３ａ、３ｂを、外部（特に、水溶液）に対し電気的に絶縁すること、ＩＳＦＥＴ２を基板１上に固定すること、が主な機能である。ここで、封止部５は、図１〜図３に示すように、基板電極１１ａ、１１ｂと、ワイヤ３ａ、３ｂと、ＩＳＦＥＴ２の周辺部とを水溶液に接触させないように形成されている。つまり、ＩＳＦＥＴ２の中心部には、封止部が被覆してない窓部４が形成されている。この窓部４で、ＩＳＦＥＴ２のイオン感応膜２２が水溶液と接触する。この結果、イオン感応膜２２と水溶液中のイオンとの相互作用することにより、イオン濃度に応じて、ＩＳＦＥＴ２を流れる電流が変化する。
【００１６】
第１封止部５１は、軟質シリコン樹脂により封止部５の一部を構成しており、基板電極１１ａ、１１ｂと、ワイヤ３ａ、３ｂと、ＩＳＦＥＴ２の周辺部を被覆することで、これらの部位を封止している。ここで、軟質シリコン樹脂とは、シリコン樹脂であって軟質樹脂のことである。また、軟質樹脂とは、凝固したときの硬度が１０以上４５以下、好ましくは１５以上２５以下の樹脂のことである。この硬度は、ＪＩＳＫ６２５３で使用されている国際ゴム硬度（以下、ＩＲＨＤと記す）である。また、第１封止部５１は、所定の部分に、未硬化状態の適量の軟質シリコン樹脂をディスペンサ等により滴下させた後、加熱硬化させることで形成する。
【００１７】
第２封止部５２は、硬質シリコン樹脂により封止部５の一部を構成しており、第１封止部５１の表面部を被覆してそれを封止している。ここで、硬質シリコン樹脂とは、シリコン樹脂であって硬質樹脂のことである。また、硬質樹脂とは、凝固したときのＩＲＨＤが４５以上９０未満、好ましくは７０以上８０以下の樹脂のことである。また、第２封止部５２は、第１封止部と同様に、所定の部分に、未硬化状態の適量の硬質シリコン樹脂をディスペンサ等により滴下させた後、加熱硬化させることで形成する。
【００１８】
上述したように、軟質シリコン樹脂のような軟質樹脂からなる第１封止部により、基板電極１１ａ、１１ｂと、ワイヤ３ａ、３ｂと、ＩＳＦＥＴ２の周辺部を封止することにより、封止材料が凝固時に発生する収縮残留応力や熱膨張によって発生する内部応力を低減している。一方で、硬質シリコン樹脂のような硬質樹脂で、第１封止の表面部を被覆する第２封止部を設けることにより、外部応力から内部を保護し、耐磨耗性等の機械強度を向上することができる。
【００１９】
本実施形態の半導体イオンセンサは、図１のＺ―Ｚ面より先端部を水溶液中に浸して、水溶液中のイオンのセンシングやｐＨの測定を行う。本実施形態の封止材料は、いずれも、エポキシ樹脂を使用していないので、長時間水溶液中に放置していても、ビスフェノールＡのような内分泌かく乱物質が溶出する恐れがない。さらに、表面部の第２封止部が過度の外力により破壊した場合でも、内部の第１封止部もシリコン樹脂であるために、水溶液中にエポキシ樹脂が露出してしまう恐れがない。
【００２０】
実施形態２に係る半導体イオンセンサについて図４、図５に基づいて説明する。この半導体イオンセンサの平面図は実質的に図１と同じである。図４は基板に固定されたＩＳＦＥＴの図１のＸ―Ｘに相当する断面図であり、図５は図１のＹ―Ｙに相当する断面図である。
【００２１】
実施形態２の半導体イオンセンサの構成は、実施形体１とほぼ同様である。実施形態１と異なるのは、第１封止部５１と第２封止部５２との中間に半硬質シリコン樹脂の中間封止部５３を設けていることである。ここで、半硬質シリコン樹脂とは、シリコン樹脂であって半硬質樹脂のことである。また、半硬質樹脂とは、凝固したときのＩＲＨＤが３０以上６０未満、好ましくは４０以上５０以下の樹脂のことである。ただし、半硬質樹脂のＩＲＨＤは、第１封止部の軟質樹脂よりも大きく、第２封止部の硬質樹脂樹脂よりも小さくなるようにすることが必要となる。
【００２２】
本実施形態では、中間層である中間封止部が存在するので、第１封止部と第２封止部との密着性が良好となる。この結果として、熱疲労特性のような機械強度が実施形態１よりも向上する。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に係る半導体イオンセンサは、基板電極を有する基板と、ＩＳＦＥＴ電極を有し基板上に固定されたＩＳＦＥＴと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記基板電極とを電気的に接続するワイヤと、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する封止部とを有する半導体イオンセンサにおいて、前記封止部は、非エポキシ樹脂の軟質樹脂からなり、前記ＩＳＦＥＴ電極と前記ＩＳＦＥＴの周辺部と前記基板電極と前記ワイヤとを封止する第１封止部と、非エポキシ樹脂の硬質樹脂からなり、前記第１封止部の表面部を被覆する第２封止部とを有しているので、封止材料が凝固時に発生する収縮残留応力や熱膨張によって発生する内部応力を低減するとともに、外部応力に対して耐磨耗性等の機械強度の向上を図っている。さらに、エポキシ樹脂を使用していないので、長時間水溶液中に放置していても、ビスフェノールＡのような内分泌かく乱物質が水溶液中に溶出する恐れがない。よって、エポキシ樹脂を使用することなく、電気的接続の安定性等も確保できる半導体イオンセンサが実現できる。
【００２４】
請求項２に係る半導体イオンセンサは、請求項１記載の構成において、前記軟質樹脂は軟質シリコン樹脂であり、前記硬質樹脂は硬質シリコン樹脂であるので、請求項１の効果に加えて、他の有害物質を溶出する恐れがない。
【００２５】
請求項３に係る半導体イオンセンサは、請求項１記載の構成において、前記第１封止部と前記第２封止部との間に非エポキシ樹脂の半硬質樹脂からなる中間封止部を有しているので、請求項１の効果に加えて、熱疲労特性のような機械強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る基板に取付けたＩＳＦＥＴの平面図である。
【図２】同じく、図１のＸ―Ｘの断面図である。
【図３】同じく、図１のＹ―Ｙの断面図である。
【図４】実施形態２に係る基板に取付けたＩＳＦＥＴの図１のＸ―Ｘに相当する断面図である。
【図５】同じく、図１のＹ―Ｙに相当する断面図である。
【符号の説明】
１　　　　基板
１１ａ、１１ｂ　　　　基板電極
１２ａ、１２ｂ　　　　基板導電部
２　　　　ＩＳＦＥＴ
２１ａ、２１ｂ　　　　ＩＳＦＥＴ電極
２２　　　イオン感応膜
２３　　　ドレイン
２４　　　ソース
２５　　　チャネル
２６　　　半導体基板
２７　　　フィールド酸化膜
２８　　　保護膜
２９　　　導電パターン
３ａ、３ｂ　　　　ワイヤ
４　　　　窓部
５　　　　封止部
５１　　　第１封止部
５２　　　第２封止部
５３　　　中間封止部
【図１】
2004144705.tif 000003
【図２】
2004144705.tif 000004
【図３】
2004144705.tif 000005
【図４】
2004144705.tif 000006
【図５】
2004144705.tif 000007