(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を形成することにより薄肉状に形成されたダイアフラムを有する半導体圧力センサチップと前記ダイアフラムに圧力を導入するための貫通孔が形成された台座とを接合し、該台座の前記半導体圧力センサチップとの接合面と反対側の面にはメタライズ層を形成し、該メタライズ層を介してパッケージの金属パイプと半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、前記金属パイプの貫通孔の径を前記台座の貫通孔の径より小さくするとともに、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍に段部を形成し、該段部に収まる鍔部を有し管部が金属パイプの貫通孔に収まる補助パイプを設け、貫通孔の開口部近傍のうち該補助パイプの鍔部の少なくとも上面は半田が濡れ難い金属で形成するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイアフラムの形成された半導体圧力センサチップとパッケージの金属パイプとを台座を介して接合してなる半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体圧力センサはエアコンや空調機等の微圧領域の圧力の測定を行うものであり、図５に示すように、凹部を形成することにより薄肉状に形成されたダイアフラム１ａを有する半導体圧力センサチップ１がガラス台座２に陽極接合等により接合され、中心にコバール製又は４２アロイ等の金属パイプ４が配置されたＰＰＳやＰＢＴ等のプラスチックパッケージ３内に設置される。半導体圧力センサチップ１表面のアルミパッドとリード５とは金又はアルミ製のワイヤ６で接続されている。なお、７はプラスチックパッケージ３の蓋であり、１ｂは半導体圧力センサチップ１に形成された歪みゲージ抵抗であり、１ｃは半導体圧力センサチップ１の表面を保護するオーバーコートである。ガラス台座２の材料としては、例えばパイレックスガラス（コーニング社製、品番♯７７４０等）が用いられる。
【０００３】
ガラス台座２の中心部には、半導体圧力センサチップ１のダイアフラム１ａに圧力を印加するための貫通孔２ａが形成され、ガラス台座２はこの貫通孔２ａと金属パイプ４の貫通孔４ａとが対向するような配置で、金属パイプ４に接合される。ガラス台座２と金属パイプ４とは半田９で接合される。この場合、半田９で接合するために、ガラス台座２の半導体圧力センサチップ１と接合しない側の面にはメタライズ層８が形成される。メタライズ層８の例としては、Ｃｒ（最下層）／Ｐｔ／Ａｕ（最上層）、Ｔｉ（最下層）／Ｎｉ／Ａｕ（最上層）、Ｔｉ（最下層）／Ｐｔ／Ａｕ（最上層）等が挙げられる。半田９としては、錫、錫−アンチモン合金、鉛、錫−鉛合金、金−シリコン合金、錫−銀合金等がある。
【０００４】
また、図６は、パッケージとして、金属ステムのパッケージ３０を使用したものを示している。３１はキャップであり、金属ステムとは溶接で接続される。
【０００５】
金属パイプ４とガラス台座２とがメタライズ層８を介して半田９により接合される。メタライズ層８の最上層のＡｕの表面には半田９が濡れるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような半導体圧力センサにあっては、ガラス台座２と金属パイプ４との半田９によるダイボンド接合時に、図７に示すように、ガラス台座２の貫通孔２ａと金属パイプ４の貫通孔４ａとの接合位置ずれが発生した場合や、図８に示すように、金属パイプ４の貫通孔４ａの孔径よりガラス台座２の貫通孔２ａの孔径が小さくて、金属パイプ４の貫通孔４ａの上方にガラス台座２の貫通孔２ａの周囲部が配置された場合には、ガラス台座２の貫通孔２ａのエッジ部分に半田９が溜まってしまう。
【０００７】
この場合には、図９に示すように、半田９が固化する時に、温度の低い金属パイプ４の貫通孔４ａの周辺から固化していく。従って、半田９が固化する時には、引っ張り応力が加わり、ガラス台座２の貫通孔２ａの開口部周辺にクラック１０が入るため、半導体圧力センサチップ１が破壊されてしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、金属パイプと台座の接合に際し、台座にクラックが発生することのない半導体圧力センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、凹部を形成することにより薄肉状に形成されたダイアフラムを有する半導体圧力センサチップと前記ダイアフラムに圧力を導入するための貫通孔が形成された台座とを接合し、該台座の前記半導体圧力センサチップとの接合面と反対側の面にはメタライズ層を形成し、該メタライズ層を介してパッケージの金属パイプと半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、前記金属パイプの貫通孔の径を前記台座の貫通孔の径より小さくするとともに、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍に段部を形成し、該段部に収まる鍔部を有し管部が金属パイプの貫通孔に収まる補助パイプを設け、貫通孔の開口部近傍のうち該補助パイプの鍔部の少なくとも上面は半田が濡れ難い金属で形成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍に半田が濡れ難い金属薄膜をメタライズするようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍にはメッキを形成せず、半田が濡れ難い下地金属が露出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記金属パイプの表面にはＮｉメッキを形成し、さらにその上にＡｕメッキを形成するとともに、金属パイプの貫通孔の開口部近傍にはＡｕメッキを形成せず半田が濡れ難いＮｉメッキが露出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍に段部を形成し、該段部に収まる鍔部を有し管部が金属パイプの貫通孔に収まる補助パイプを設け、該補助パイプの鍔部の少なくとも上面は半田が濡れ難い金属で形成するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づき説明する。図１は本発明の第１の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。以下に示す実施形態及び参考例においては、半導体圧力センサの基本的構成は従来例で説明したものと同等であるので、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１５】
本参考例においては、金属パイプ４にはＮｉメッキ１１（約３μｍ〜７μｍ）が施され、さらにその上にＡｕメッキ１２（約０．５μｍ〜３μｍ）が施されており、本参考例の特徴は、金属パイプ４の貫通孔４ａの径をガラス台座２の貫通孔２ａの径より小さくするとともに、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍をＡｕメッキ１２の上に半田が濡れ難い金属薄膜１３をメタライズ形成している点である。金属薄膜１３としては、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ等の金属をスパッタ等により数千Å〜数μｍの厚さに形成する。
【００１６】
本参考例によれば、金属パイプ４の貫通孔４ａの径がガラス台座２の貫通孔２ａの径より小さくなっており、かつ、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍を半田９が濡れ難い金属薄膜１３をメタライズ形成しているので、金属パイプ４とガラス台座２の半田接合時に、溶融した半田９が金属パイプ４の貫通孔４ａに流れ込むことがなくなる。また、半田固化時には、金属パイプ４の貫通孔４ａの上方及び周囲の温度が低くなるが、貫通孔４ａの近傍は半田が濡れ難い金属薄膜１３がメタライズ形成されており、半田９は貫通孔４ａの近傍から離れた位置に存在し、半田９を挟んだ両材料の温度は均一であるので、半田９は均一に固化し、半田９内部に歪みは発生しない。
【００１７】
なお、本参考例では、金属パイプ４の貫通孔４ａの径をガラス台座２の貫通孔２ａの径に対して小さくするようにしているが、ガラス台座２の貫通孔２ａの径の方を金属パイプ４の貫通孔４ａの径に対して大きくすることも考えられるが、ガラス台座２の貫通孔２ａの径が大きくなりすぎると、ガラス台座２の機械的強度が低下してしまうので、金属パイプ４の貫通孔４ａの径の方をガラス台座２の貫通孔２ａの径に対して小さくするようにした方が良い。また、金属パイプ４の貫通孔４ａの径が小さくなると、半田詰まりが生じやすいが、半田９の金属パイプ４の貫通孔４ａへの流れ込みが防止されているので問題ない。
【００１８】
メタライズ層８の形成されたガラス台座２は、反対側の面が半導体圧力センサウエハに陽極接合により接合される。陽極接合の条件としては、真空雰囲気中で約４００℃に加熱し、約５００Ｖ〜８００Ｖの直流電圧を半導体圧力センサウエハ側が正極になるように印加すると、静電引力により原子的に接合されるのである。
【００１９】
ガラス台座２に接合された半導体圧力センサウエハをダイシングして、個々の半導体圧力センサチップ１（約２〜３ｍｍ角）にし、これをパッケージの金属パイプ４上に半田９によりダイボンド接合して、図１のような構造のものになるのである。半田９の厚みは厚い部分で３０〜１００μｍであり、ガラス台座２の貫通孔２ａの半導体圧力センサチップ１側の大きさは、約φ０．６〜１．３ｍｍである。
【００２０】
従来、ガラス台座２の貫通孔２ａの開口部エッジのメタライズ層８とガラス台座２との接合界面端部（貫通孔２ａ内壁側）付近を起点として、クラックがガラス台座２の内部方向へ広がる場合が多かった。本参考例では、前述のように、金属パイプ４とガラス台座２の半田接合時に、溶融した半田９が金属パイプ４の貫通孔４ａに流れ込むことがなくなり、貫通孔４ａの開口部近傍で半田９が固化することがないので、半田固化時に発生する応力によるクラックの発生を抑制することができるのである。
【００２１】
従って、半田９として、融点が２８０℃と高く、また、ヤング率も約６０００ｋｇ／ｃｍ2 と大きく硬く、従来、クラックが発生しやすかったＡｕ−Ｓｎ２０％半田９を使用した場合でも、クラックの発生を防止できる。
【００２２】
図２は本発明の第２の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。本参考例では、図１で示した第１の参考例のものにおいて、半田が濡れ難い材料として、金属薄膜１３をメタライズ形成する代わりに、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍のＮｉメッキ１１及びＡｕメッキ１２を部分的に形成しないようにして、金属パイプ４の下地のコバール又は４２アロイの表面を露出１４させるようにしている。半田９は露出した下地には濡れ難いのである。メッキを行う前に金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍にレジスト等を塗布しておき、メッキの後、レジスト等を溶剤で除去することにより、下地の露出１４を容易に形成できる。
【００２３】
本参考例においても、第１の参考例と同等の効果を奏する。つまり、金属パイプ４の貫通孔４ａの径を小さくしても、半田９が貫通孔４ａに流れ込むこともなく、また、半田固化時において、半田９を挟む材料の温度が均一なため、半田９内部に歪みが発生せず、ガラス台座２の貫通孔２ａの開口部の角部にクラックが発生することはない。
【００２４】
図３は本発明の第３の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。本参考例では、図１で示した第１の参考例のものにおいて、半田が濡れ難い材料として、金属薄膜１３をメタライズ形成する代わりに、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍のＮｉメッキ１１及びＡｕメッキ１２の内、Ａｕメッキ１２を部分的に形成しないようにして、Ｎｉメッキ１１の表面を露出１１ａさせるようにしている。半田９はＮｉメッキ１１の露出した表面には濡れ難いのである。Ｎｉメッキ１１を形成した後、Ａｕメッキ１２を形成する前に、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍にレジスト等を塗布しておき、Ａｕメッキ１２形成の後、レジスト等を溶剤で除去することにより、容易にＮｉメッキ１１の表面の露出１１ａを形成することができる。
【００２５】
本参考例においても、第１、第２の参考例と同等の効果を奏する。図４は本発明の第１の実施形態の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。本実施形態では、図１で示した第１の参考例のものにおいて、半田が濡れ難い材料として、金属薄膜１３をメタライズ形成する代わりに、金属パイプ４の貫通孔４ａの開口部近傍に段部４ｂを形成し、段部４ｂに収まる鍔部１５ａを有し管部１５ｂが金属パイプ４の貫通孔４ａに収まる補助パイプ１５を設け、補助パイプ１５の鍔部１５ａの少なくとも上面を半田が濡れ難い金属、例えば、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、コバール等をメッキあるいはメタライズ形成するようにした。管部１５ｂの内径は、金属パイプ４の貫通孔４ａの径より僅かに大きな径となるようにしておき、かしめにより金属パイプ４に取り付ける。
【００２６】
本実施形態においても、第１乃至第３の参考例と同等の効果を奏する。つまり、補助パイプ１５の鍔部１５ａの上  には半田が濡れ難い金属が形成されているので、半田９が貫通孔４ａに流れ込むこともなく、また、半田固化時において、半田９を挟む材料の温度が均一なため、半田９内部に歪みが発生せず、ガラス台座２の貫通孔２ａの開口部の角部にクラックが発生することはない。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、凹部を形成することにより薄肉状に形成されたダイアフラムを有する半導体圧力センサチップと前記ダイアフラムに圧力を導入するための貫通孔が形成された台座とを接合し、該台座の前記半導体圧力センサチップとの接合面と反対側の面にはメタライズ層を形成し、該メタライズ層を介してパッケージの金属パイプと半田接合してなる半導体圧力センサにおいて、前記金属パイプの貫通孔の径を前記台座の貫通孔の径より小さくするとともに、前記金属パイプの貫通孔の開口部近傍に段部を形成し、該段部に収まる鍔部を有し管部が金属パイプの貫通孔に収まる補助パイプを設け、貫通孔の開口部近傍のうち該補助パイプの鍔部の少なくとも上面は半田が濡れ難い材料で構成するようにしたので、前記金属パイプとガラス台座の半田接合時に、溶融した半田が金属パイプの貫通孔に流れ込むことがなくなり、また、半田固化時には、金属パイプの貫通孔の上方及び周囲の温度が低くなるが、貫通孔の近傍は半田が濡れ難い材料で構成されており、半田は貫通孔の近傍から離れた位置に存在し、半田を挟んだ両材料の温度は均一であり、半田は均一に固化し、半田内部に歪みは発生しない。従って、半田の固化時の応力がかからず、金属パイプと台座の接合に際し、台座にクラックが発生することのない半導体圧力センサが提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の参考例の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の半導体圧力センサに係る半導体圧力センサチップとガラス台座と金属パイプの接合状態を示す断面図である。
【図５】従来例に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図６】他の従来例に係る半導体圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図７】従来例に係る半導体圧力センサの問題点の一例を示す説明図である。
【図８】従来例に係る半導体圧力センサの問題点の他の例を示す説明図である。
【図９】従来の半導体圧力センサに係る半田固化時の状態変化の説明図である。
【図１】
0004123607.tif 000002
【図２】
0004123607.tif 000003
【図３】
0004123607.tif 000004
【図４】
0004123607.tif 000005
【図５】
0004123607.tif 000006
【図６】
0004123607.tif 000007
【図７】
0004123607.tif 000008
【図８】
0004123607.tif 000009
【図９】
0004123607.tif 000010