(57)【要約】【課題】半導体素子及び接合部材の接合強度の低下を抑制しつつ、接合部材に亀裂や剥離が生じるのを抑制する圧力センサを提供する。【解決手段】圧力センサ１０は、金属ステム２０と、半導体素子４０と、接合部材３０と、を備えている。接合部材３０は、金属ステム２０と半導体素子４０との間に配置され、半導体素子４０及び金属ステム２０を互いに接合している。ダイヤフラム２８は、裏面２８ｂに形成された酸化膜２０ｂを有している。接合部材３０は、主成分であるガラス３２と、ガラス３２に添加された添加剤３４を含んでいる。添加剤３４は、金属酸化物を用いて粒子状に形成されている。接合部材３０は、金属ステム２０と接合されたステム接合層３６と、半導体素子４０と接合された素子接合層３８と、を有している。ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が多くされている。【選択図】図２
2017125710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有底筒形状をなし、一端に開口部（２２ａ）を有するとともに、他端に前記開口部を介して内部空間（２２）に導入された被検出媒体の圧力によって変形可能なダイヤフラム（２８）を有する金属ステム（２０）と、
前記ダイヤフラムにおける前記内部空間と反対側の裏面（２８ｂ）上に配置され、前記ダイヤフラムの変形に応じた検出信号を出力する半導体素子（４０）と、
主成分であるガラス（３２）と、金属酸化物を用いて粒子状に形成され、前記ガラスに添加された添加剤（３４）と、を含み、前記金属ステムと前記半導体素子との間に配置され、前記半導体素子及び前記金属ステムを互いに接合する接合部材（３０）と、
を備え、
前記ダイヤフラムは、前記裏面に形成された酸化膜（２０ｂ）を有し、
前記接合部材は、前記金属ステムに接合されたステム接合層（３６）と、前記ステム接合層の前記半導体素子側に形成されるとともに前記半導体素子に接合された素子接合層（３８）と、を有し、
前記ステム接合層は、前記素子接合層に較べて、単位重量当りの前記添加剤の添加量が多くされている圧力センサ。
【請求項２】
前記添加剤は、前記酸化膜と同じ組成をなす金属酸化物を含んでいる請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記素子接合層は、前記添加剤を含んでいない請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記素子接合層は、前記添加剤を含んでいる請求項１又は請求項２に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記金属ステムは、ステンレス鋼を用いて形成された請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記添加剤は、鉄の酸化物、クロムの酸化物、コバルトの酸化物、ニッケルの酸化物、及び、マンガンの酸化物のうちの少なくとも１つを用いて形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記ガラスは、鉛を含んでいる請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における発明は、金属ステムと、半導体素子と、半導体素子及び金属ステムを互いに接合する接合部材と、を備える圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載のように、ステム（金属ステム）と、センサチップ（半導体素子）と、接合部材と、を備える圧力センサが知られている。ステムは、有底筒状をなしている。ステムは、一端に開口部を有している。ステムは、他端に、開口部を介して中空部（内部空間）から導入された測定媒体（被検出媒体）の圧力に応じて変形するダイヤフラムを有している。センサチップは、ダイヤフラムに対して中空部と反対側に配置されている。接合部材は、ステムとセンサチップとの間に配置され、ステム及びセンサチップを互いに接合している。接合部材は、主成分としてガラスを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１４２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ステム及びセンサチップは、加熱によって、接合部材を介して互いに接合される。しかしながら、加熱工程において、接合部材がステムに対して濡れず、接合部材とステムとの間に気泡が生じることがある。この気泡は、接合部材とステムとの界面に残ったり、接合部材中を移動して、接合部材とセンサチップとの界面に移動したりする。すなわち、接合部材がステムに対して濡れ難いことにより、接合部材とステムとの界面、及び、接合部材とセンサチップとの界面の少なくとも一方に、気泡が生じることがある。
【０００５】
気泡が生じると、接合部材における気泡の周辺では、温度変化によって不均一な熱応力が作用する。これにより、接合部材に亀裂や剥離が生じる虞がある。接合部材に亀裂や剥離が生じると、圧力センサの検出精度が低下する場合がある。
【０００６】
これに対し、気泡の発生を抑制するために、接合部材の形成材料としてステムに対して濡れ易い材料を採用することが考えられる。しかしながら、この場合には、センサチップ及び接合部材の接合強度が低下する虞がある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、半導体素子及び接合部材の接合強度が低下するのを抑制しつつ、接合部材に亀裂や剥離が生じるのを抑制する圧力センサ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、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として下記の実施形態における具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
【０００９】
本発明のひとつは、有底筒形状をなし、一端に開口部（２２ａ）を有するとともに、他端に開口部を介して内部空間（２２）に導入された被検出媒体の圧力によって変形可能なダイヤフラム（２８）を有する金属ステム（２０）と、
ダイヤフラムにおける内部空間と反対側の裏面（２８ｂ）上に配置され、ダイヤフラムの変形に応じた検出信号を出力する半導体素子（４０）と、
主成分であるガラス（３２）と、金属酸化物を用いて粒子状に形成され、ガラスに添加された添加剤（３４）と、を含み、金属ステムと半導体素子との間に配置され、半導体素子及び金属ステムを互いに接合する接合部材（３０）と、
を備え、
ダイヤフラムは、裏面に形成された酸化膜（２０ｂ）を有し、
接合部材は、金属ステムに接合されたステム接合層（３６）と、ステム接合層の半導体素子側に形成されるとともに半導体素子に接合された素子接合層（３８）と、を有し、
ステム接合層は、素子接合層に較べて、単位重量当りの添加剤の添加量が多くされている。
【００１０】
上記構成において、ダイヤフラムにおける接合部材と接合される裏面には、酸化膜が形成されている。これに対し、接合部材は、金属酸化物を用いて形成された添加剤を含んでいる。さらに、金属ステムに接合されるステム接合層は、素子接合層に較べて、単位重量当りの添加剤の添加量が多くされている。これらによれば、金属ステムに対する接合部材の濡れ性が低くなるのを抑制することができる。
【００１１】
そのため、金属ステム及び半導体素子の接合時、接合部材と金属ステムとの界面、及び、接合部材と半導体素子との界面に、気泡が生じ難い。これにより、温度変化した場合であっても、接合部材における特定の箇所に不均一な熱応力が作用するのを抑制することができる。よって、接合部材に亀裂や剥離が生じるのを抑制することができる。
【００１２】
ところで、ガラスは半導体素子と化学結合するが、添加剤は半導体素子と化学結合しない。これに対し本実施形態では、素子接合層では、ステム接合層に較べて、単位重量当りの添加剤の添加量が少なくされている。これによれば、接合部材において半導体素子と化学結合しない部分を少なくすることができる。よって、半導体素子及び接合部材の接合強度が低下するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す領域IIを拡大した拡大断面図である。
【図３】金属ステム及び接合部材の詳細構造を示す断面図である。
【図４】タブレットガラスの詳細構造を示す断面図である。
【図５】接合工程の手順を示すフローチャートである。
【図６】接合部材の製造手順を示すフローチャートである。
【図７】ガラス成形体の成形工程を説明するための部分断面図である。
【図８】ガラス成形体の成形工程を説明するための断面図である。
【図９】信頼性試験の試験結果を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係る圧力センサにおいて、金属ステム、接合部材、及び、半導体素子の詳細構造を示す拡大断面図である。
【図１１】第３実施形態に係る圧力センサにおいて、接合工程の手順を示すフローチャートである。
【図１２】第４実施形態に係る圧力センサにおいて、接合工程の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照して説明する。なお、複数の実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、ダイヤフラムの厚さ方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する特定の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向と示す。ＸＹ平面に沿う形状を平面形状と示す。
【００１５】
（第１実施形態）
先ず、図１〜図３に基づき、圧力センサ１０の概略構成について説明する。
【００１６】
圧力センサ１０は、測定用配管に取り付けられ、測定用配管内の被検出媒体の圧力を検出する装置である。測定用配管としては、例えば、コモンレールにおける燃料パイプを採用することができる。被検出媒体は、例えば、気体や、気液混合である。図１に示すように、本実施形態において、圧力センサ１０は、金属ステム２０、接合部材３０、半導体素子４０、基板５０、コネクタ６０、ハウジング７０、シール材８０を備えている。
【００１７】
金属ステム２０は、測定用配管から被検出媒体が導入される部分である。金属ステム２０は、金属材料を用いて形成されている。本実施形態において、金属ステム２０は、ステンレス鋼を用いて形成されている。本実施形態では、金属ステム２０を形成するステンレス鋼として、強度に優れるＳＵＳ４３０又はＳＵＳ６３０を採用する。圧力センサ１０は、金属ステム２０を備えることで、２００〜３００ＭＰａ程度の高圧の被検出媒体を検出することができる。ステンレス鋼は、ステンや、ステンレスと称することもできる。
【００１８】
金属ステム２０は、略有底筒形状をなしている。金属ステム２０は、Ｚ方向の一端に開口部２２ａを有している。金属ステム２０の内部空間２２には、開口部２２ａから被検出媒体が導入される。
【００１９】
金属ステム２０は、側壁部２４と底部２６とを有している。側壁部２４は、Ｚ方向に延設された略円筒形状をなし、両端が開口している。底部２６は、側壁部２４の一方側の開口を閉塞している。底部２６は、厚さ方向がＺ方向に沿う略平板形状をなしている。内部空間２２は、側壁部２４及び底部２６により囲まれる空間である。内部空間２２は、測定用配管と連通している。
【００２０】
図１及び図２に示すように、底部２６は、被検出媒体の圧力によって変形可能なダイヤフラム２８を有している。ダイヤフラム２８は、金属ステム２０において開口部２２ａが形成された一端と反対の他端に形成されている。ダイヤフラム２８において、内部空間２２側の受圧面２８ａに被検出媒体が接触する。ダイヤフラム２８は、被検出媒体の圧力に応じてＺ方向に変形する。ダイヤフラム２８は、ダイアフラムと称することもできる。
【００２１】
図３に示すように、金属ステム２０は、母材２０ａと、母材２０ａに形成された酸化膜２０ｂと、を有している。ダイヤフラム２８における裏面２８ｂには、酸化膜２０ｂが形成されている。金属ステム２０がステンレス鋼を用いて形成された本実施形態では、母材２０ａが、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び、マンガン（Ｍｎ）のうちの、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びクロム（Ｃｒ）を含んでいる。
【００２２】
本実施形態において、酸化膜２０ｂは、鉄の酸化物、クロムの酸化物、コバルトの酸化物、ニッケルの酸化物、及び、マンガンの酸化物のうちの少なくとも１つを含んでいる。詳しく言うと、酸化膜２０ｂは、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＮｉＯ、ＭｎＯ、Ｍｎ２Ｏ３、及び、Ｍｎ３Ｏ４のうちの少なくとも１つを含んでいる。
【００２３】
酸化膜２０ｂは、例えば、金属ステム２０が外気に曝されることによって形成される。すなわち、酸化膜２０ｂは、自然酸化膜である。しかしながら、金属ステム２０の加熱等により酸化膜２０ｂを形成してもよい。
【００２４】
接合部材３０は、金属ステム２０及び半導体素子４０を互いに接合する部材である。接合部材３０の詳細構造については、下記で詳細に説明する。接合部材３０は、接合ガラスと称することもできる。
【００２５】
半導体素子４０は、接合部材３０に対してダイヤフラム２８と反対側に配置されている。言い換えると、半導体素子４０は、接合部材３０を介して裏面２８ｂ上に配置されている。半導体素子４０は、Ｚ方向の投影視において、ダイヤフラム２８と重なるように配置されている。半導体素子４０は、厚さ方向がＺ方向に沿う略平板形状をなしている。半導体素子４０の厚さは、例えば、１００μｍ程度とされている。半導体素子４０は、例えば、Ｓｉ基板を用いて形成されている。
【００２６】
半導体素子４０には、図示しないゲージ抵抗が形成されている。ダイヤフラム２８の変形に応じて、接合部材３０が変形する。さらに、接合部材３０の変形に応じて、半導体素子４０が変形する。すなわち、ダイヤフラム２８の変形に応じて、半導体素子４０が変形する。
【００２７】
ゲージ抵抗は、ダイヤフラム２８の変形に応じて抵抗値が変化する。半導体素子４０は、ゲージ抵抗の抵抗値変化を電気信号に変換して出力する。半導体素子４０は、センサチップ又は検出素子と称することもできる。また、裏面２８ｂにおいて、半導体素子４０が接合された箇所と異なる箇所に、基板５０が配置されている。
【００２８】
基板５０は、ＸＹ平面において、半導体素子４０及び接合部材３０を取り囲むように環状に形成されている。基板５０は、半導体素子４０から入力された電気信号の処理を行うとともに、それに応じた出力信号を生成する信号処理回路を有している。半導体素子４０と基板５０とは、ボンディングワイヤ５２を介して電気的に接続されている。
【００２９】
基板５０は、ボンディングワイヤ５２と接続された箇所と異なる箇所で、リード５４と電気的に接続されている。リード５４は、基板５０から、Ｚ方向のうちの底部２６と反対側に延設されている。リード５４は、基板５０と、コネクタ６０のターミナル６２と、を電気的に中継している。
【００３０】
コネクタ６０は、ターミナル６２と、ターミナル６２を保持する保持部６４と、を有している。ターミナル６２は、溶接等によりリード５４と接続されている。ターミナル６２は、リード５４との接続部分から、Ｚ方向のうちの基板５０と反対側に延設されている。
【００３１】
保持部６４は、Ｚ方向の一端が開口する略有底筒形状をなしている。ターミナル６２は、保持部６４の底部をＺ方向に貫通している。よって、ターミナル６２の一部は、保持部６４が囲む空間に露出している。保持部６４は、樹脂材料を用いて形成されている。
【００３２】
外部機器が保持部６４と嵌合することにより、外部機器がターミナル６２と電気的に接続される。これにより、半導体素子４０の検出信号が、ボンディングワイヤ５２、基板５０、リード５４、及び、ターミナル６２を介して外部機器に出力される。保持部６４は、ハウジング７０に対して固定されている。
【００３３】
ハウジング７０は、測定用配管に対して取り付け可能に構成されている。ハウジング７０は、例えば、金属材料を用いて形成されている。ハウジング７０は、保持部６４に固定された固定部７２と、測定用配管にねじ締結される締結部７４と、締結部７４及び固定部７２の間に設けられた段差部７６と、を有している。固定部７２及び締結部７４は、Ｚ方向に沿って形成された略筒形状をなしている。固定部７２は、締結部７４に較べて、内径及び外径が大きくされている。
【００３４】
固定部７２において、Ｚ方向のうちの段差部７６と反対側の開口は、保持部６４により閉塞されている。固定部７２は、保持部６４に対して、かしめ固定されている。保持部６４の底部における金属ステム２０側の面と、固定部７２の内周面と、の間には、シール材８０が配置されている。
【００３５】
シール材８０は、固定部７２と保持部６４との隙間からの漏れを抑制するものである。シール材８０の平面形状は、環状をなしている。シール材８０としては、例えば、Ｏリングを採用することができる。
【００３６】
締結部７４の外周面には、測定用配管と締結可能な雄ねじ部７８が形成されている。締結部７４の内周面は、側壁部２４の外周面と接触している。段差部７６において、Ｚ方向のうちの保持部６４側の面には、底部２６の一部が配置されている。
【００３７】
次に、図２及び図３に基づき、接合部材３０の詳細構造について説明する。
【００３８】
図２に示すように、接合部材３０は、金属ステム２０に接合される第１接合面３０ａと、半導体素子４０に接合される第２接合面３０ｂと、を有している。第１接合面３０ａは、第２接合面３０ｂと反対の面である。裏面２８ｂは、第１接合面３０ａと接合されている。
【００３９】
接合部材３０の厚さは、例えば、２００μｍ程度とされている。図３に示すように、第１接合面３０ａは、裏面２８ｂに形成された酸化膜２０ｂと接触している。そして、第１接合面３０ａは、酸化膜２０ｂと接合されている。
【００４０】
接合部材３０は、接合作用を提供するガラス３２を主成分として含んでいる。ガラス３２としては、３００〜６００℃程度の熱処理で接合可能な低融点ガラスを採用する。ガラス３２は、鉛（Ｐｂ）を含んでいる。言い換えると、ガラス３２は、鉛ガラスである。しかしながら、これに限定するものではない。ガラス３２としては、バリウム（Ｂａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ホウ素（Ｂ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、バナジウム（Ｖ）、りん（Ｐ）等の成分を含む無鉛ガラスを採用することができる。
【００４１】
金属ステム２０に対する接合部材３０の濡れ性を向上させるために、接合部材３０では、ガラス３２に対して添加剤３４が添加されている。添加剤３４は、粒子状とされている。添加剤３４は、金属酸化物を用いて形成されている。なお、添加剤３４は、顔料と称することもできる。
【００４２】
添加剤３４は、酸化膜２０ｂと同じ組成の金属酸化膜を有している。本実施形態において、添加剤３４は、鉄の酸化物、クロムの酸化物、コバルトの酸化物、ニッケルの酸化物、及び、マンガンの酸化物のうちの少なくとも１つを用いて形成されている。詳しく言うと、添加剤３４は、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＮｉＯ、ＭｎＯ、Ｍｎ２Ｏ３、及び、Ｍｎ３Ｏ４のうちの少なくとも１つを用いて形成されている。
【００４３】
接合部材３０は、金属ステム２０に接合されたステム接合層３６と、半導体素子４０に接合された素子接合層３８と、を有している。素子接合層３８は、ステム接合層３６の半導体素子４０側に形成されている。図２では、ステム接合層３６と素子接合層３８との境界を破線で示している。
【００４４】
ステム接合層３６及び素子接合層３８は、互いに接合されている。言い換えると、ステム接合層３６及び素子接合層３８は、互いに連結されている。ステム接合層３６及び素子接合層３８は、Ｚ方向が厚さ方向に沿う略平板形状をなしている。ステム接合層３６は、中間接合層と称することもできる。
【００４５】
ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が多くされている。言い換えると、ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りに添加されている添加剤３４の量が多い。さらに言い換えると、ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重さ当りの添加剤３４の添加量が多くされている。
【００４６】
また本実施形態において、ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の粒子数が多くされている。さらに本実施形態において、ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位体積当りの添加剤３４の添加量が多くされている。
【００４７】
ステム接合層３６における添加剤３４の添加量は、例えば、０．１〜１．０重量％程度とされている。一方、素子接合層３８における添加剤３４の添加量は、例えば、０．１〜０．９重量％程度とされている。本実施形態において、添加剤３４の粒度は、約１μｍ以下とされている。言い換えると、添加剤３４の平均粒子径は、約１μｍ以下とされている。
【００４８】
次に、図４及び図５に基づき、金属ステム２０及び半導体素子４０を互いに接合する接合工程について説明する。
【００４９】
まず、図４に示す第１タブレットガラス９０を準備する。第１タブレットガラス９０は、本実施形態において接合工程に用いるタブレットガラスである。タブレットガラスとは、タブレット状のガラス、すなわち固体状のガラスである。第１タブレットガラス９０は、加熱により、接合部材３０となる。
【００５０】
本実施形態では、１つの第１タブレットガラス９０を用いて、金属ステム２０及び半導体素子４０を互いに接合する。第１タブレットガラス９０は、ステム接合層３６と素子接合層３８とを有している。なお、本実施形態の第１タブレットガラス９０は、中間接合層付き接合ガラスと称することもできる。第１タブレットガラス９０の製造方法については、下記で詳細に説明する。
【００５１】
第１タブレットガラス９０を準備した後、図５に示すように、第１タブレットガラス９０を金属ステム２０にマウントする（Ｓ１０）。言い換えると、第１タブレットガラス９０を金属ステム２０に配置する。詳しく言うと、ステム接合層３６がダイヤフラム２８の裏面２８ｂと接触するように、第１タブレットガラス９０を金属ステム２０に配置する。
【００５２】
次に、半導体素子４０を第１タブレットガラス９０にマウントする（Ｓ１１）。言い換えると、半導体素子４０を第１タブレットガラス９０に配置する。詳しく言うと、素子接合層３８が半導体素子４０と接触するように、半導体素子４０を第１タブレットガラス９０に配置する。
【００５３】
次に、金属ステム２０、接合部材３０、及び、半導体素子４０を加熱して接合する（Ｓ１２）。言い換えると、金属ステム２０、接合部材３０、及び、半導体素子４０を焼成する。Ｓ１２により、金属ステム２０とステム接合層３６とを接合するとともに、半導体素子４０と素子接合層３８とを接合する。これにより、接合部材３０を介して金属ステム２０及び半導体素子４０が互いに接合される。Ｓ１０〜Ｓ１２が接合工程である。
【００５４】
なお、Ｓ１１を実施した後において、金属ステム２０における裏面２８ｂの凹凸や、第１タブレットガラス９０における金属ステム２０側の面の凹凸等により、金属ステム２０と第１タブレットガラス９０との間に隙間が生じる。第１タブレットガラスすなわち接合部材３０が金属ステム２０に対して濡れ難いと、Ｓ１２では、金属ステム２０と第１タブレットガラス９０との隙間から空気が抜け難い。よって、金属ステム２０と第１タブレットガラス９０との界面に気泡が生じることとなる。
【００５５】
この気泡は、第１タブレットガラス９０と金属ステム２０との界面に残ったり、第１タブレットガラス９０中を移動して、第１タブレットガラス９０と半導体素子４０との界面に移動したりする。以上により、接合部材３０と金属ステム２０との界面、又は、接合部材３０と半導体素子４０との界面に気泡が形成される虞がある。
【００５６】
一方、第１タブレットガラスすなわち接合部材３０が金属ステム２０に対して濡れ易いと、Ｓ１２において、金属ステム２０と第１タブレットガラス９０との隙間から空気が抜け易い。よって、Ｓ１２の実施後において、接合部材３０と金属ステム２０との界面、及び、接合部材３０と半導体素子４０との界面に気泡が形成されるのを抑制することができる。
【００５７】
接合工程の実施後、金属ステム２０、接合部材３０、及び、半導体素子４０を冷却する。そして、外観検査等を実施する。以上により、図１に示す圧力センサ１０を製造することができる。
【００５８】
次に、図６〜図８に基づき、第１タブレットガラス９０の製造方法について説明する。
【００５９】
図６に示すように、第１タブレットガラス９０の製造工程として、先ず、ガラス混合溶液を調製する溶液調製工程を実施する（Ｓ２０）。この溶液調製工程は、混合粉を形成する工程（Ｓ２１）と、バインダー溶液を調製する工程（Ｓ２２）と、混合粉をバインダー溶液に混合及び分散して、ガラス混合溶液を調製する工程（Ｓ２３）を含む。
【００６０】
Ｓ２１では、所定の粒度を有するガラスフリットと添加剤３４とを、所定の比率で混合して、混合粉を調製する。本実施形態では、ガラスフリット及び添加剤３４の粒度をほぼ一定とする。
【００６１】
また、本実施形態では、添加剤３４の粒度を、ガラスフリットの粒度よりも小さくする。言い換えると、添加剤３４の粒度を、ガラスフリットの粒度よりも細かくする。詳しく言うと、ガラスフリットの粒度を約１０μｍ以下とする。そして、添加剤３４の粒度を約１μｍ以下とする。このとき、添加剤３４の量が異なる２種類の混合粉を調製する。詳しく言うと、単位重量当りの添加剤３４の粒子数が互いに異なる２種類の混合粉を調製する。
【００６２】
Ｓ２２では、バインダーを溶媒に添加及び溶解させて、バインダー溶液を調製する。なお、バインダーは、ガラスフリット同士、添加剤３４同士、及び、ガラスフリットと添加剤３４を接着する接着材として機能する。Ｓ２３では、２種類の混合粉を、バインダー溶液にそれぞれ混合及び分散して、２種類のガラス混合溶液を調製する。
【００６３】
次に、調製したガラス混合溶液を用いて造粒粉を調製する造粒工程を実施する（Ｓ２４）。この造粒工程では、ガラス混合溶液を造粒及び乾燥して、造粒粉を調製する。ガラス混合溶液に対して、噴霧乾燥法や、混合撹拌乾燥法等を実施することで造粒粉を得る。ここで、造粒粉とは、バインダーを介してガラスフリット及び添加剤３４が集団となった略球状の粒子を指す。
【００６４】
造粒工程では、上記した２種類のガラス混合溶液を用いて、２種類の造粒粉をそれぞれ調製する。すなわち、単位重量当りの添加剤３４の量が異なる２種類の造粒粉を調製する。以下、単位重量当りの添加剤３４の量が多い造粒粉を第１造粒粉９２、添加剤３４の量が少ない造粒粉を第２造粒粉９４と示す。
【００６５】
次に、造粒粉に圧力を加えてガラス成形体を形成する成形工程を実施する（Ｓ２５）。この成形工程では、２種類の造粒粉を積層配置して積層体とし、この積層体を積層方向において加圧する。
【００６６】
本実施形態では、図７及び図８に示すように、ガラス成形体を形成する金型が、筒状型１００と、下型１０２と、上型１０４と、を有している。筒状型１００は、略円筒形状をなし、中空部１０６を形成している。下型１０２は、略円柱形状をなし、一部が中空部１０６に配置されている。上型１０４は、略円柱形状をなし、下型１０２と反対側から中空部１０６に挿入可能に構成されている。
【００６７】
筒状型１００の中空部１０６に下型１０２の一部を配置させた状態で、先ず、中空部１０６に第１造粒粉９２を投入する。第１造粒粉９２を投入した後に、第２造粒粉９４を中空部１０６に投入する。
【００６８】
そして、上型１０４の一部を中空部１０６に挿入し、図示しないパンチ等により、上型１０４を下型１０２に近づく方向に押し込む。図７では、上型１０４を押し込む方向を白抜き矢印で示している。このようにして、積層体に圧力を加えると、第１造粒粉９２及び第２造粒粉９４の界面でバインダー同士が接着する。これにより、形状寸法を制御したガラス成形体を得ることができる。
【００６９】
次に、加熱により、ガラス成形体中のバインダーを除去するとともに、ガラスフリットの一部を溶融させる加熱工程を実施する（Ｓ２６）。この加熱工程を実施することで、バインダーを除去するとともに、ガラスフリット同士を結合させる。
【００７０】
以上により、図４に示す固体状の第１タブレットガラス９０を得ることができる。第１造粒粉９２は、Ｓ２５及びＳ２６によって、ステム接合層３６となる。言い換えると、第１造粒粉９２を加熱することにより、第１タブレットガラス９０のステム接合層３６を得る。また、第２造粒粉９４は、Ｓ２５及びＳ２６によって、素子接合層３８となる。言い換えると、第２造粒粉９４を加熱することにより、第１タブレットガラス９０の素子接合層３８を得る。
【００７１】
次に、図９に基づき、接合部材３０に対して実施した信頼性試験の試験結果について説明する。
【００７２】
接合部材３０のサンプル１〜４及び比較サンプルに対し、信頼性を評価する信頼性試験を実施した。詳しく言うと、信頼性試験として、各サンプルを接合部材３０として用いた圧力センサ１０に対し、冷熱サイクル試験を実施した。
【００７３】
冷熱サイクル試験では、各サンプルを用いた圧力センサ１０を、２５０℃の温度環境に所定時間保持した後、−４０℃の温度環境に所定時間保持する試験工程を１サイクルとした。そして、これを２００サイクル繰り返して、接合部材３０に剥離や亀裂が生じているか否か、及び、金属ステム２０及び接合部材３０の界面に気泡が生じているか否かを確認した。なお、この試験では、気泡を、外径が１００μｍを超えたものと定義した。
【００７４】
サンプル１〜４では、ステム接合層３６の添加剤３４がＦｅ２Ｏ３及びＣｒ２Ｏ３を用いて形成されている。サンプル１〜４において、ステム接合層３６における添加剤３４の添加量は、０．１〜１．０重量％とされている。一方、比較サンプルでは、添加剤３４が添加されていない。
【００７５】
サンプル１〜４では、試験において、剥離及び亀裂が確認されなかった。また、サンプル１〜４では、試験において、金属ステム２０及び接合部材３０の界面に気泡が確認されなかった。一方、比較サンプルでは、亀裂が確認された。また、比較サンプルでは、金属ステム２０及び接合部材３０の界面に５００μｍを超える気泡を確認した。
【００７６】
次に、上記した圧力センサ１０の効果について説明する。
【００７７】
ダイヤフラム２８における接合部材３０と接合される裏面２８ｂには、酸化膜２０ｂが形成されている。これに対し本実施形態では、接合部材３０が、金属酸化物を用いて形成された添加剤３４を含んでいる。さらに、金属ステム２０と接合されるステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が多くされている。これらによれば、金属ステム２０に対する接合部材３０の濡れ性が低くなるのを抑制することができる。
【００７８】
そのため、金属ステム及び半導体素子の接合時、接合部材３０と金属ステム２０との界面、及び、接合部材３０と半導体素子４０との界面に、気泡が生じ難い。これにより、温度変化した場合であっても、接合部材３０における特定の箇所に不均一な熱応力が作用するのを抑制することができる。よって、接合部材３０に亀裂や剥離が生じるのを抑制することができる。
【００７９】
ところで、ガラス３２は半導体素子４０と化学結合するが、添加剤３４は半導体素子４０と化学結合しない。これに対し本実施形態では、素子接合層３８では、ステム接合層３６に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が少なくされている。これによれば、接合部材３０において半導体素子４０と化学結合しない部分を少なくすることができる。よって、半導体素子４０及び接合部材３０の接合強度が低下するのを抑制することができる。
【００８０】
また、本実施形態では、Ｓ２１において、添加剤３４の粒度が、ガラスフリットの粒度よりも小さくされている。これにより、添加剤３４の粒度がガラスフリットの粒度よりも大きくされている構成に較べて、ガラスフリットに対して添加剤３４が均一に分散し易い。したがって、接合部材３０において、ガラス３２に対して添加剤３４が均一に分散し易い。
【００８１】
本実施形態では、ガラス３２に対して添加剤３４を均一に分散させることで、接合部材３０における特定の箇所で接合強度が弱くなるのを抑制することができる。よって、接合部材３０における接合強度を向上することができる。
【００８２】
また、本実施形態では、酸化膜２０ｂとステム接合層３６とが互いに同じ組成の金属酸化物を含んでいる。これによれば、金属ステム２０に対する接合部材３０の濡れ性が低くなるのを効果的に抑制することができる。よって、接合部材３０に亀裂や剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。
【００８３】
（第２実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は割愛する。
【００８４】
本実施形態では、図１０に示すように、接合部材３０の素子接合層３８が、添加剤３４を含んでいない。言い換えると、素子接合層３８には、添加剤３４が添加されていない。これに対し、ステム接合層３６には、添加剤３４が添加されている。よって、ステム接合層３６は、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が多くされている。
【００８５】
本実施形態では、第１タブレットガラス９０の製造工程において、第１造粒粉９２が添加剤３４を含み、第２造粒粉９４が添加剤３４を含まないように、２種類の造粒粉を調製する。詳しく言うと、Ｓ２１では、一方の混合粉が添加剤３４を含み、他方の混合粉が添加剤３４を含まないように、２種類の混合粉を調製する。そして、Ｓ２３では、一方のガラス混合溶液が添加剤３４を含み、他方のガラス混合溶液が添加剤３４を含まないように、２種類のガラス混合溶液を調製する。以上により、Ｓ２４では、第１造粒粉９２が添加剤３４を含み、第２造粒粉９４が添加剤３４を含まないように、２種類の造粒粉を調製することができる。
【００８６】
次に、Ｓ２５及びＳ２６を実施することにより、添加剤３４を含むステム接合層３６と、添加剤３４を含まない素子接合層３８と、を有する第１タブレットガラス９０を得る。そして、この第１タブレットガラス９０を用いて接合工程を実施することで、添加剤３４を含むステム接合層３６と、添加剤３４を含まない素子接合層３８と、を有する接合部材３０を得ることができる。
【００８７】
上記したように、ガラス３２は半導体素子４０と化学結合するが、添加剤３４は半導体素子４０と化学結合しない。本実施形態では、素子接合層３８が添加剤３４を含んでいないため、素子接合層３８が添加剤３４を含んでいる構成に較べて接合部材３０の接合強度を向上し易い。
【００８８】
（第３実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は割愛する。
【００８９】
本実施形態では、２つのタブレットガラスを用いて接合工程を実施する。以下、接合工程に用いる２つのタブレットガラスのうちの一方を第２タブレットガラス、他方を第３タブレットガラスと示す。第２タブレットガラス及び第３タブレットガラスは、加熱により接合部材３０となる。
【００９０】
第２タブレットガラスは、接合部材３０においてステム接合層３６となるものである。第２タブレットガラスは、添加剤３４を含んでいる。一方、第３タブレットガラスは、接合部材３０において素子接合層３８となるものである。第３タブレットガラスは、第２タブレットガラスに較べて単位重量当りの添加剤３４の添加量が少ない。なお、第３タブレットガラスは、添加剤３４を含まなくてもよい。
【００９１】
接合工程では、先ず、第２タブレットガラス及び第３タブレットガラスを準備する。次に、図１１に示すように、第２タブレットガラスを金属ステム２０の裏面２８ｂにマウントする（Ｓ３０）。そして、金属ステム２０及び第２タブレットガラスを加熱して接合する（Ｓ３１）。これにより、金属ステム２０に第２タブレットガラスを固定することができる。
【００９２】
次に、第３タブレットガラスを第２タブレットガラスにマウントする（Ｓ３２）。詳しく言うと、第２タブレットガラスに対してダイヤフラム２８と反対側に第３タブレットガラスを配置する。
【００９３】
次に、半導体素子４０を第３タブレットガラスにマウントする（Ｓ３３）。詳しく言うと、第３タブレットガラスに対して第２タブレットガラスと反対側に半導体素子４０を配置する。以上により、ダイヤフラム２８、第２タブレットガラス、第３タブレットガラス、半導体素子４０の順に並んでいる。
【００９４】
次に、金属ステム２０、第２タブレットガラス、第３タブレットガラス、及び、半導体素子４０を加熱する（Ｓ３４）。これにより、第２タブレットガラス及び第３タブレットガラスが互いに接合されるとともに、第３タブレットガラス及び半導体素子４０が互いに接合される。以上により、接合部材３０を介して金属ステム２０及び半導体素子４０が互いに接合される。
【００９５】
Ｓ３１を実施することで金属ステム２０に第２タブレットガラスを固定しているため、Ｓ３４において、第３タブレットガラス及び半導体素子４０の位置ずれを抑制することができる。しかしながら、これに限定するものではない。
【００９６】
本実施形態の接合工程において、Ｓ３１を実施しない例を採用することもできる。すなわち、Ｓ３０の後、加熱することなく、Ｓ３２で第２タブレットガラスに第３タブレットガラスをマウントしてもよい。次に、Ｓ３３で第２タブレットガラスに半導体素子４０を配置し、Ｓ３４で加熱する。この例では、加熱により、第２タブレットガラスが金属ステム２０及び第３タブレットガラスと接合されるとともに、第３タブレットガラスが第２タブレットガラス及び半導体素子４０と接合される。
【００９７】
（第４実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した圧力センサ１０と共通する部分についての説明は割愛する。
【００９８】
本実施形態では、１つのタブレットガラスとペーストガラスとを用いて接合工程を実施する。以下、接合工程に用いるタブレットガラスを第４タブレットガラスと示す。ペーストガラスとは、ペースト状のガラスである。ペーストガラス及び第４タブレットガラスは、加熱により接合部材３０となる。
【００９９】
ペーストガラスは、接合部材３０においてステム接合層３６となるものである。ペーストガラスは、添加剤３４を含んでいる。一方、第４タブレットガラスは、接合部材３０において素子接合層３８となるものである。第４タブレットガラスは、ペーストガラスよりも単位重量当りの添加剤３４の添加量が少ない。第４タブレットガラスは、添加剤３４を含まなくてもよい。
【０１００】
接合工程では、先ず、ペーストガラス及び第４タブレットガラスを準備する。次に、図１２に示すように、ペーストガラスを金属ステム２０の裏面２８ｂにディスペンスする（Ｓ４０）。言い換えると、ペーストガラスを金属ステム２０の裏面２８ｂに印刷する。次に、第４タブレットガラスをペーストガラスにマウントする（Ｓ４１）。詳しく言うと、ペーストガラスに対してダイヤフラム２８と反対側に第４タブレットガラスを配置する。
【０１０１】
次に、半導体素子４０を第４タブレットガラスにマウントする（Ｓ４２）。詳しく言うと、第４タブレットガラスに対してペーストガラスと反対側に半導体素子４０を配置する。以上により、ダイヤフラム２８、ペーストガラス、第４タブレットガラス、半導体素子４０の順に並んでいる。
【０１０２】
次に、金属ステム２０、ペーストガラス、第４タブレットガラス、及び、半導体素子４０を加熱する（Ｓ４３）。これにより、ペーストガラスは、固体状となるとともに、金属ステム２０及び第４タブレットガラスと接合される。また、第４タブレットガラスは、ペーストガラス及び半導体素子４０と接合される。以上により、接合部材３０を介して金属ステム２０及び半導体素子４０が互いに接合される。
【０１０３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【０１０４】
上記実施形態において、接合部材３０において添加剤３４の粒度がほぼ一定とされた例を示したが、これに限定されない。例えば、接合部材３０において、ステム接合層３６及び素子接合層３８に添加された添加剤３４の粒度が互いに異なっていてもよい。ステム接合層３６は、少なくとも、素子接合層３８に較べて、単位重量当りの添加剤３４の添加量が多くされていればよい。
【０１０５】
また、上記実施形態において、接合部材３０が、ステム接合層３６及び素子接合層３８の２つの層を有する例を示したが、これに限定するものではない。接合部材３０が、３層以上の層を有する例を採用することもできる。言い換えると、ステム接合層３６及び素子接合層３８の間において、単位重量当りの添加剤３４の添加量がステム接合層３６及び素子接合層３８とは異なる層が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…圧力センサ、２０…金属ステム、２０ａ…母材、２０ｂ…酸化膜、２２…内部空間、２２ａ…開口部、２４…側壁部、２６…底部、２８…ダイヤフラム、２８ａ…受圧面、２８ｂ…裏面、３０…接合部材、３０ａ…第１接合面、３０ｂ…第２接合面、３２…ガラス、３４…添加剤、３６…ステム接合層、３８…素子接合層、４０…半導体素子、５０…基板、５２…ボンディングワイヤ、５４…リード、６０…コネクタ、６２…ターミナル、６４…保持部、７０…ハウジング、７２…固定部、７４…締結部、７６…段差部、７８…雄ねじ部、８０…シール材、９０…第１タブレットガラス、９２…第１造粒粉、９４…第２造粒粉、１００…筒状型、１０２…下型、１０４…上型、１０６…中空部
【図１】
2017125710.tif 000003
【図２】
2017125710.tif 000004
【図３】
2017125710.tif 000005
【図４】
2017125710.tif 000006
【図５】
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【図６】
2017125710.tif 000008
【図７】
2017125710.tif 000009
【図８】
2017125710.tif 000010
【図９】
2017125710.tif 000011
【図１０】
2017125710.tif 000012
【図１１】
2017125710.tif 000013
【図１２】
2017125710.tif 000014