(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサ本体のチップに設けたパッドに、リードワイヤをボンディングしたガスセンサにおいて、
前記リードワイヤを覆うように、金または金合金からなるボールバンプを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、ボールバンプとパッドの間にリードワイヤを挟み込み、かつボールバンプがパッドとリードワイヤとに結合していることにより、リードワイヤをパッドにボンディングしたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
ガスセンサ本体のチップに設けたパッドに、リードワイヤをボンディングしたガスセンサにおいて、
前記リードワイヤを覆うように、金または金合金からなるワイヤを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、前記ワイヤとパッドの間に前記リードワイヤを挟み込み、かつ前記ワイヤがパッドと前記リードワイヤとに結合していることにより、リードワイヤをパッドにボンディングしたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
パッドを形成したチップ状のガスセンサ本体を用い、
所定長に切断済みのリードワイヤをチャックし、
リードワイヤの一端部付近を前記パッド上に配置し、
金線または金合金線を治具から繰り出してボール状に成型し、
成型したボールを、前記リードワイヤの一端部付近を覆うように、前記パッドと前記リードワイヤの一端部付近とにボンディングすることを特徴とする、ガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の利用分野】
この発明はガスセンサとその製造方法に関し、特にリードワイヤのボンディングに関する。
【０００２】
【従来技術】
ガスセンサのリードワイヤのボンディングについて、特開平９−６８５１２号公報がある。この公報では、たとえばセンサチップに設けた金−プラチナの２層のパッドに、Ｐｔ−Ｗなどの高抵抗貴金属合金線をボンディングする。パッドへのボンディング前に、貴金属合金線を枠体にボンディングし、枠体上の貴金属合金線に対してチップを位置決めして、パラレルギャップボンディングなどにより貴金属合金線をパッドにボンディングする。このときのボンディング強度は２０ｇｆ程度で比較的弱い。ついでボンディング強度の不足を補うため、パッドとリードワイヤとを覆うように金ペーストなどを点状に塗布し、乾燥後に焼成して、ボンディング部を補強する。こののち、パッドとパッドの間の不要なリードワイヤをカットし、枠体からワイヤをカットして、ステムにボンディングする。
【０００３】
このボンディング方法の基本的な問題点は、パッドに対するリードワイヤのボンディング強度が低い点にある。これを補うために、金ペーストの塗布と乾燥・焼成のプロセスが要求される。またリードワイヤのパッドへのボンディング強度が低く、ボンディングが難しいので、枠体にリードワイヤをボンディングして位置決めした後に、パッドに対してボンディングすることになる。そしてこのため、枠体が必要になり、かつ枠体のフレーム間を結ぶリードワイヤの長さは、ステム間の長さより一般に長いので、リードワイヤの大部分が無駄になる。さらにパッドとパッドの間のリードワイヤをカットして除去しなければならないが、この作業も面倒である。これらのために全体としては、ボンディングのためにかなりの工程数が必要になり、リードワイヤのロスなどの材料ロスも大きい。
【０００４】
【発明の課題】
この発明の基本的課題は、リードワイヤのボンディング作業を容易にし、かつボンディング強度を改善することにある。
【０００５】
【発明の構成】
この発明のガスセンサは、ガスセンサ本体のチップに設けたパッドに、リードワイヤをボンディングしたガスセンサにおいて、前記リードワイヤを覆うように、金または金合金からなるボールバンプを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、ボールバンプとパッドの間にリードワイヤを挟み込み、かつボールバンプがパッドとリードワイヤとに結合していることにより、リードワイヤをパッドにボンディングしたことを特徴とする。
またこの発明は、ガスセンサ本体のチップに設けたパッドに、リードワイヤをボンディングしたガスセンサにおいて、前記リードワイヤを覆うように、金または金合金からなるワイヤを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、前記ワイヤとパッドの間に前記リードワイヤを挟み込み、かつ前記ワイヤがパッドと前記リードワイヤとに結合していることにより、リードワイヤをパッドにボンディングしたことを特徴とする。
【０００６】
この発明のガスセンサの製造方法では、パッドを形成したチップ状のガスセンサ本体を用い、所定長に切断済みのリードワイヤをチャックし、リードワイヤの一端部付近を前記パッド上に配置し、金線または金合金線を治具から繰り出してボール状に成型し、成型したボールを、前記リードワイヤの一端部付近を覆うように、前記パッドと前記リードワイヤの一端部付近とにボンディングすることを特徴とする。
【０００７】
【発明の作用と効果】
請求項１の発明では、金または金合金からなるボールバンプを用い、このボールバンプをリードワイヤを覆うように基板に設けたパッドに結合させる。ボールバンプは金あるいは金合金からなるので、パッドとの付着は容易であり、その結合強度も高い。同様にボールバンプは、リードワイヤとも容易に結合する。そこでボールバンプとパッドとの結合、ならびにボールバンプとリードワイヤとの結合により、リードワイヤをパッドにボンディングする。ここにリードワイヤとしては、Ｐｔ−Ｗ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｆｅ，Ａｕ−Ｐｄ−Ｍｏ、Ｐｔ−ＺＧＳなどの貴金属系高抵抗合金線が好ましい。このような貴金属系高抵抗合金線は、熱伝導率が小さいため、ガスセンサーの消費電力を減少させるのに適している。そして母材となるＰｔやＡｕなどの貴金属に添加物を加えて特性を改変するため、ボンディングが困難になっている。しかしながらボールバンプの金あるいは金合金（たとえばＡｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ｐｄ）は、貴金属系高抵抗合金線などと容易に結合するので、高いボンディング強度を得ることができる。
【０００８】
このようにすると、リードワイヤとパッドとのボンディングが容易になる。そして、ボンディングのみで充分なボンディング強度が得られるので、金ペーストを塗布して乾燥・焼成するなどの作業が不要になる。またボンディングが容易なので、リードワイヤを枠体などに張り渡す必要はなく、最初から所定長に切断したものをボンディングできる。
【０００９】
ボンディングの相手をガスセンサ本体のチップに設けたパッドとし、特に好ましくはパッドをＡｕ−Ｐｔ合金などの金と白金系貴金属とを含むパッドとする。このようなパッドは、たとえば上層は金、下層は白金系貴金属とした２層のパッドでも良く、あるいはこれらの成分を混合した合金系の１層のパッドでもよい。
【００１０】
ボンディング材の取り扱いでは、たとえば金線または金合金線をトーチなどで加熱してボール状に成形し、このボールをリードワイヤ上にワイヤボンディングして、ボールバンプでリードワイヤをパッドに結合しても良い。あるいは金線または金合金線をキャピラリーなどから引き出し、リードワイヤとクロスするようにパッド上に配置し、これをボンディングして、リードワイヤをパッド上に押さえ込んでも良い。
【００１２】
【実施例】
実施例１，２を、図１〜図１０を参照して説明する。図１にボンディング前のセンサチップを全体として２で示し、図２に図１のII-II方向の断面を示す。４はアルミナ等の基板で、６，７は４個のパッドで、基板４の１つの主面上にあり、好ましくは金ー白金系貴金属等の２層または、金ー白金系貴金属等の合金を用いる。このパッドは基板４への結合強度と、リードワイヤのボンディング性とを改善するためのものである。
【００１３】
８はガスセンサの感応膜としての金属酸化物半導体で、ここではＳｎＯ2膜である。ガスセンサとしてはＳｎＯ2などの金属酸化物半導体を用いたガスセンサの他に、ＺｒＯ2を用いた固体電解質ガスセンサ、あるいは接触燃焼式ガスセンサも使用できる。ＺｒＯ2を用いた固体電解質ガスセンサの場合、基板４自体がＺｒＯ2でも良い。センサ本体のチップ２は図２に示すようにスルーホール加工されており、基板４の一方の面に揃えた４つのパッド６，７のうち、ヒータ用のパッド７をスルーホールを介してヒータ膜１０に接続する。
【００１４】
図３に、枠体やリードワイヤの不要部のカットを伴う従来例との比較のため、実施例でのボンディング工程を模式的に示す。リードワイヤ１２は貴金属高抵抗合金からなるワイヤで、Ｐｔ−Ｗ（Ｗ８％等）、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−ＺＧＳ、Ａｕ−Ｐｄ−Ｍｏ等が使用できる。実施例ではＰｔ−Ｗ（Ｗ８％）線を使用し、線径はたとえば１０〜５０μｍ、ここでは４０μｍとした。またリードワイヤ１２はＰｔでも良い。１１はリードワイヤ１２のボビンで、そこからチャック１３で所定長のリードワイヤを取り出し、切断する。
【００１５】
チップ１つ当たりのワイヤ１２の本数は例えば４本であり、これらを図３のように位置決めして、１端部付近をパッド６，７上に配置する。次いで図４以降に示すプロセスで、リードワイヤ１２をパッド６，７にボンディングし、続いて図３の下部に示すステム２６に対してボンディングする。このボンディングは図４以降に示すプロセスでも良く、あるいは通常のパラレルギャップ溶接等でも良い。
【００１６】
図４に、第１の実施例でのボールバンプによるボンディングを示す。センサ本体のチップ２にパッド６，７を設け、ボンディング材としてのボール１８を、線径がたとえば２０〜１００μｍの金線１６の先端付近への、トーチからの放電等で形成する。金線１６に代えてＡｕ−ＰｄやＡｕ−Ｃｕ等のワイヤでも良い。実施例では線径５０μｍの金線１６を使用した。パッド６，７への金線１６のボンディングには例えば超音波熱圧着を用い、超音波パワー２Ｗ、超音波タイム４５ｍｓ、ボール１８の径が約１００μｍ、荷重１００ｇ、温度１５０℃とした。
【００１７】
ボンディングは、金ボール１８で、リードワイヤ１２の先端を覆って、パッド６、７との間に挟み込むように行った。キャピラリー１４に金線１６が通してあり、キャピラリー１４から金線１６の先端を引き出す。この金線１６の端部付近を、図示しないトーチ電極との間で放電させ、金線１６の先端を溶融してボール１８を形成する。この時、ワイヤ１２は図示しないチャックでパッド６、７に対して位置決めされており、超音波熱圧着等のワイヤボンディングにより、ボール１８をパッド６、７にボンディングする。ボンディング後、リードワイヤの剥離荷重をセンサ１０個で測定し、その平均剥離荷重（平均ボンディング荷重）を求めた。
【００１８】
ボンディングにより、ボール１８とパッド６，７との間、及びボール１８とリードワイヤ１２との間に、合金形成等の結合が生じる。たとえば、ボール１８とパッド６，７とが共に貴金属系材料で、ボール１８の金が低融点であるため容易に結合し、同様にボール１８とリードワイヤ１２との間でも合金が形成される。その後キャピラリー１４をクランプ等で保持し、金線１６を固定して持ち上げる。このためにボール１８の上部で金線１６が切断され、バンプ状のボール１８でリードワイヤ１２がパッド６，７に結合される。
【００１９】
図５に、第２の実施例でのウェッジボンディングによるボンディングを示す。金線１６をボンディング材として治具２０から繰り出し、リードワイヤ１２の先端とクロス、好ましくは直交するように配置し、ボンディング相手のパッド６、７にウェッジボンドする。ウェッジボンドは超音波熱圧着等で行う。基板４を、１００〜２００℃程度の所定温度に加熱し、キャピラリーなどの治具２０を用いてボンディング用のリードワイヤ１２の先端をパッド６、７上に置く。次いで超音波を加えて、基板４の予熱と超音波による接触部での局所的発熱でボンディングする。ボンディングは、例えば超音波パワー２Ｗ、超音波タイム４５ｍｓ、その他は第１の実施例と類似の条件で行った。ボンディング後、リードワイヤの平均剥離荷重を、第１の実施例と同様にして求めた。
【００２０】
図６に、参考例でのマイクロアークボンディングでの、ボンディングを示す。治具２４はセラミックなどの絶縁物のキャピラリーである。リードワイヤ１２を、パッド６、７上に置くと、ワイヤ１２には剛性があるため、図に示すようにパッド６、７上でワイヤの先端が寝る。そしてワイヤ１２側を適当な位置でアースするか、あるいはパッド６、７をアースして、放電電極２２をリードワイヤ１２の先端から一定の距離、例えば０.５〜３ｍｍ、まで近づけ、放電させる。この放電は放電電極２２から最も近い部分にある金属に集中し、リードワイヤ１２の先端付近が局所的に溶融し、ボール状に溶融してパッド６、７に溶着する。ボンディング後、リードワイヤの平均剥離荷重を、第１、第２の実施例と同様にして求めた。
【００２１】
図７〜図９に、第１〜３の実施例によるボンディングの出来上がり状態を示す。図７は、第１の実施例でのボールバンプ１９によるボンディング箇所を示し、ボールバンプ１９がリードワイヤ１２を挟み込み、ボールバンプ１９とパッド６，７の結合、及びボールバンプ１９とリードワイヤ１２の結合で、ボンディングしている。図８は、第２の実施例でのボンディング箇所を示し、金線１６に由来する金ワイヤ２１がリードワイヤ１２と直交するように覆い、金ワイヤ２１とパッド６，７の結合、及び金ワイヤ２１とリードワイヤ１２の結合で、ボンディングしている。図９は参考例でのボンディング箇所を示し、マイクロアークによりリードワイヤ１２の先端が溶けたボール２３がパッド６，７に付着し、ボール２３とパッド６，７の付着力で、ボンディングしている。
【００２２】
第１の実施例の条件では、センサ１０個の平均ボンディング荷重（剥離荷重）は約１００ｇｆであった。同様にウェッジボンディング（第２の実施例）では約８０ｇｆ、マイクロスポットボンディング（参考例）では約６０ｇｆであった。これに対して、通常のパラレルギャップボンディングではボンディング荷重は平均２２ｇｆであった。特に金ボールバンプを用いた方法では、通常のボンディングの約５倍の強度となり、ボンディング強度が著しく向上した。図１０に、リードワイヤ１２を、パッド６，７にボールバンプ１９でボンディングし、ステム２６にはマイクロアーク放電によるボール２３でボンディングしたものを示す。ステム２６へのボンディングは通常のスポット溶接等でも良い。
【００２３】
図１１に、第２の参考例として別の種類のガスセンサのボンディングを示し、図１２に第２の参考例でのボンディング工程を示す。このガスセンサは、Ｐｔ−ＷやＰｔ、好ましくはＰｔ−Ｗの貴金属ヒータコイル３０を有し、その内部に中心電極３２を通している。ヒータコイル３０と中心電極３２は、いずれもリードワイヤ１２と同様の材質で、貴金属高抵抗合金ワイヤ、あるいはＰｔワイヤであり、線径はいずれも約２０μｍである。
【００２４】
このガスセンサを以下の手順で製造する。ヒータコイル３０をステム２６に対して位置決めし、ヒータコイル３０及びステム２６とは非接触の放電電極２２からヒータコイル３０の端部付近へアーク放電させ、ヒータコイルの端部付近を溶融してボール２３としステム２６に溶着し、ヒータコイル３０内に挿通済みの中心電極３２の少なくとも１端部付近をステム２６に対して位置決めし、同様に放電電極２２のアーク放電でステム２６に溶着する。ヒータコイル３０を覆うようにＳｎＯ2等の金属酸化物半導体ビード３４を成形して焼結し、ガスセンサとする。ここで途中を省略し、中心電極３２を含まない形にしても良い。またビードの形成後に中心電極３２をマイクロアーク放電でボンディングしても良い。実施例では荷重を加えずにボンディングできるので、ヒータコイル３０や中心電極３２の位置ずれを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    ボンディング前のセンサチップの平面図
【図２】    ボンディング前のセンサチップの断面図
【図３】    実施例のボンディング工程を模式的に示す図
【図４】    第１の実施例でのボールバンプによるボンディングを示す断面図
【図５】    第２の実施例でのウェッジボンディングによるボンディングを示す断面図
【図６】    参考例でのマイクロアークボンディングを示す断面図
【図７】    第１の実施例でのボンディング箇所を示す断面図
【図８】    第２の実施例でのボンディング箇所を示す断面図
【図９】    参考例でのボンディング箇所を示す断面図
【図１０】  第１の実施例でのボンディング後のガスセンサの平面図
【図１１】  第２の参考例のガスセンサの平面図
【図１２】  第２の参考例でのボンディング工程を示す図
【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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【図１２】
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