(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサーであって、
圧力測定回路に結合された送信機と、
プロセス圧力を受け取り、かつ前記プロセス圧力を示す出力を前記圧力測定回路へ提供するように構成された圧力センサーダイと、
圧力センサー本体と、及び
圧力センサーダイに結合された圧力センサー台座であって、
前記圧力センサーダイと前記圧力センサー本体との間の絶縁を提供するように構成されており、
脆性材料を含む絶縁層であって、前記圧力センサー本体を前記圧力センサーダイから隔離するように構成されている前記絶縁層と、
前記絶縁層上に堆積されたメタライズ層と、
前記メタライズ層を前記圧力センサーダイに結合する接合材料の層と、
を含む前記圧力センサー台座と、
を含み、そして、
前記メタライズ層及び結合された接合材料層は、前記絶縁層と前記圧力センサーダイを越えたところまで延在している、
上記圧力センサー。
【請求項２】
前記絶縁層は円筒形状を含む、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項３】
貫通孔が前記絶縁層を貫通して延在し、前記貫通孔が流体からプロセス圧力を受け取る、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項４】
前記接合材料層は、はんだ及びろう付け材料のうちの１つを含む、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項５】
前記メタライズ層は、前記絶縁層の少なくとも２つの表面に沿って延在している、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項６】
前記メタライズ層は、前記絶縁層の第１の表面に沿い、前記絶縁層の端部を越えて、前記絶縁層の第２の表面の一部のところまで延在している、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項７】
前記絶縁層の前記第２の表面は、前記絶縁層の第１の表面に近接する、請求項６に記載の圧力センサー。
【請求項８】
前記絶縁層の端部は、凸形状角端部である仕様を含む、請求項６に記載の圧力センサー。
【請求項９】
前記圧力センサー本体は、プロセス結合部によりプロセス配管に結合される、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項１０】
前記送信機は、プロセス流体により加えられる圧力を測定するように構成される、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項１１】
前記プロセス流体は、隔離ダイヤフラムに圧力を加える、請求項１０に記載の圧力センサー。
【請求項１２】
前記隔離ダイヤフラムは、前記圧力が加えられると撓みを引き起こすように構成され、撓みが引き起こされると隔離流体が、前記隔離ダイヤフラムに結合された通路を通して前記圧力センサーへ運ばれる、請求項１１に記載の圧力センサー。
【請求項１３】
前記送信機は、プロセス制御ループを介して遠隔位置へ出力を提供するように構成される、請求項１に記載の圧力センサー。
【請求項１４】
前記プロセス制御ループは、２線式プロセス制御ループを含む、請求項１３に記載の圧力センサー。
【請求項１５】
前記プロセス制御ループは、適切なプロトコルに従い動作する、請求項１３に記載の圧力センサー。
【請求項１６】
圧力センサーを組み立てる方法であって、
送信機を圧力測定回路に電気的に結合することと、
圧力センサーダイを前記圧力測定回路に電気的に結合することと、
圧力センサー台座を前記圧力センサーダイに結合することと、
前記圧力測定回路、前記圧力センサーダイ、及び前記圧力センサー台座を圧力センサー本体内に収容することと、
を含み、
前記圧力センサー台座を前記圧力センサーダイに結合することは、
絶縁層の表面上にメタライズ層を堆積することであって、前記絶縁層が前記圧力センサーダイを前記圧力センサー本体から絶縁するように構成されることと、
前記メタライズ層と前記圧力センサーダイとの間に接合材料の層を施与すること、及び前記接合材料の層と前記メタライズ層との間に界面領域を形成することと、
を含み、
前記界面領域は、前記絶縁層又は前記圧力センサーダイの少なくとも何れか一方の表面を越えたところまで延在している、
上記方法。
【請求項１７】
前記界面領域は、前記圧力センサーダイの表面を越えたところまで延在している、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記界面領域は、前記絶縁層の表面を越えたところまで延在している、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記界面領域は、前記絶縁層の表面及び前記圧力センサーダイの表面の両方を越えたところまで延在している、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
多くの装置と応用において、構成要素（例えば、センサー、又は他の電子デバイス）が、脆性材料（例えば、セラミック、ガラス、又は結晶材料）に搭載され又は取り付けられることを必要とする。典型的には、金属層が、適切なプロセス（例えば蒸着）を用いて脆性材料上に堆積され、その後、構成要素はこのメタライズ（金属化）層に、はんだ付け又はろう付けされる。熱膨張係数の違いは、接合部に損傷を与えるか又は寿命を短縮する可能性のある応力を引き起こしうる。構成要素と脆性材料との間の改善された接合部を提供することは、多くの産業に重要な進歩をもたらすであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
脆性材料を構成要素に接合する方法が提供される。この方法は、上記脆性材料の表面にメタライズ層を堆積することを含む。接合材料の層が、上記脆性材料と上記構成要素との間に施与され、上記脆性材料及び上記構成要素は１の界面領域を画定する。上記メタライズ層と上記接合材料層とは、上記界面領域を越えて延在する。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】脆性材料と、応力問題を発生させうる構成要素との間の例示的な結合シナリオを示す断面図である。
【図１Ｂ】脆性材料と、応力問題を発生させうる構成要素との間の別の例示的な結合シナリオを示す断面図である。
【図２】本発明の１実施形態による、界面領域から離された応力上昇部を示す断面図である。
【図３】本発明の１実施形態による、界面領域とは別の面上に置かれた応力上昇部を有する結合シナリオを示す断面図である。
【図４】本発明の１実施形態による、圧力センサー搭載部を有する圧力送信機の部分断面図である。
【図５】本発明の１実施形態による、圧力センサー搭載部を示す図４の圧力送信機の拡大断面図である。
【図６Ａ】本発明の１実施形態による、圧力センサー搭載部の拡大断面図である。
【図６Ｂ】本発明の１実施形態による、圧力センサー搭載部の拡大断面図である。
【図７】本発明の１実施形態による、圧力センサー搭載部を提供する方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
多数の用途において、はんだ又はろう付けが、１つの構成要素（それは自身可鍛性又は脆性でありうる）を脆性材料に接合するために用いられる。脆性材料は、電気絶縁体（例えば、ガラス、セラミック、又は結晶性材料）でありうる。脆性材料は、後で施与されるはんだ接合又はろう付け接合を可能にするために、先ず、特定の画定された領域に堆積されるべき金属を必要とする。はんだ付けとろう付けのために、メタライズ（金属化）領域全体をコーティングすることが望ましい。はんだ及びろう付けは、脆性材料（例えばセラミック）と比較して熱膨張係数が大きく異なる。ベースの脆性材料に対するはんだ又はろう付けの熱膨張係数の違いは、初期接合後の冷却過程中に応力をもたらす。メタライズ部の端部（はんだ又はろうが、堆積された金属のちょうど端部まで流れ又は濡らしている）はまた、応力を集中させ、応力上昇部を発達させる原因になる。
【０００５】
本発明の実施形態は、圧力センサーを圧力送信機内に結合するために改善された接合部を用いる特定の物理的実施形態に関して説明されるが、当業者は、脆性材料を構成要素に接合する複数の材料の間の異なる熱膨張係数が課題を生じさせる場合はどこでも、本発明の実施形態が実施されうることを認識するであろう。
【０００６】
応力集中の問題は、金属の端部が２つの接合された部品の境界に近いか、又は境界内にあるときに増大する。これは、例えば圧力センサーに存在する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro-electrical mechanical system）のような小さな部品のアプリケーションについて特に該当する。金属層とセラミック層の界面での熱膨張の違いはまた、界面領域全体の応力レベルへ追加される可能性がある。応力上昇部の位置での応力がセラミック層の強度限界を超えると、亀裂が形成され始める可能性がある。応力をかけられた部分の亀裂は、亀裂前面の応力が材料の強度を下回るまでは成長する。その結果、セラミック層と金属層の間の接合部は破損する可能性がある。
【０００７】
図１Ａ及び１Ｂは、応力上昇部を生成する可能性のある、金属と脆性構成要素との間の結合シナリオのいくつかの実施例を示している。図１Ａは、メタライゼーション４２０とはんだ又はろう付け４３０を用いる、脆性材料層４１０と金属層４４０との間の結合能力のより低い１の実施例を示す。例えば脆性材料４１０は、以下に記載されるような圧力センサー台のセラミック層でありうる。金属層４４０は、例えば、圧力センサー又はその部分でありうる。
【０００８】
図１Ａに示されたように、亀裂は、応力上昇部の位置が脆性材料４１０の強度限界を超える亀裂点４０２で始まる。図１Ａに示された実施例において、脆性材料４１０のメタライズ領域４２０は、亀裂４０２が始まる場所であるところの、接合部の合わせ面の間で終わる。通常、ＭＥＭＳアプリケーションにおいて、金属層は、要求された電気的絶縁のためにパターン化されねばならない。関係する材料が類似の整合した熱膨張を有する場合、接合部はより高い性能であろう。ただし、膨張係数が整する場合はほとんど生じない。
【０００９】
図１Ｂは、図１Ａに示された亀裂状況を回避するための１つの可能な解決策を示している。図１Ｂは、メタライズ部分４７０を示しており、これは金属構成要素４９０よりもわずかに大きい。その結果は、メタライズ層終端点４５２での応力上昇部である。しかし、はんだ又はろう付け層４８０の追加は、より厚いはんだ又はろう付け層がメタライズ層終端点４５２での応力を増加させるので、経験される応力を増加させうる。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、メタライズ層終端点４５２は、すでに応力がかかっている場所から離れて脆性材料上に再配置される。次に、この終端点４５２は、亀裂が回避されるべきである場合には、構成要素４９０と脆性材料４６０との間の界面領域に配置されることはありえない。構成要素４９０と脆性材料４６０との間の接合部の境界付近の領域はまた、高い応力を有する可能性があるため、終端点４５２にとっては劣悪な位置である。１実施形態において、はんだ／ろう付け濡れ材料を終端することは、脆性材料４６０と構成要素４９０の自己位置調整を可能にするために実用的である。一方の部分は、はんだの表面張力によって、他方の上に配置される。これは、接合部の近くに且つ接合部の高応力状態の範囲内に応力上昇部金属終端を有する。
【００１１】
図２は、本発明の１実施形態による結合部の断面図である。接合部５００は、脆性材料５１０と金属構成要素５４０との間に生じる。１実施形態において、脆性材料５１０は、金属層５２０が設けられる堆積プロセスにかけられる。１実施形態において、堆積金属層５２０は、金属構成要素５４０への接合に先立って、はんだ又はろう付け層５３０が脆性材料５１０を濡らすことを可能にする。１実施形態において、堆積金属層５２０及びはんだ又はろう付け層５３０の両方が、金属構成要素５４０の接合界面領域５０４を超えて延在する。１実施形態において、終端点５０２は接合領域５０４から離れて配置され、その結果、メタライズ層終端点５０２での応力上昇部は、脆性材料５１０と構成要素５４０との間の高応力領域の外側にある。１実施形態において、はんだ又はろう付け層５３０は、脆性材料５１０の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する。接合部から離れて位置するはんだ又はろう付け５３０の厚さは、１実施形態において、あたかも隣接する接合部５００よりも薄く、その結果、金属終端点５０２で応力はより低くなる。はんだ５３０と脆性材料５１０は異なる熱膨張係数を有することが多いので、より薄いはんだ層５３０は、接合部５００の損傷のリスクが低減されるように、脆性材料５１０の損傷を回避するために金属終端点５０２での応力を低減するのにより適している。
【００１２】
図３は、本発明の１実施形態による、界面領域とは別の面に置かれた応力上昇部を有する結合シナリオを示している。接合部６００は、表面６０８上に終端点６０２を含み、この表面６０８は、接合表面６１２に隣接し且つ角端部６０６によって分離されている。接合部６００は、金属構成要素６４０に結合された脆性材料６１０、例えば金属層６４０に結合されたセラミック層６１０を含む。脆性材料６１０は、１実施形態において、堆積金属層６２０で最初に被覆され、この金属層６２０は図３に示されたように、脆性層６１０の表面の長さに沿って延在している。図３に示されたように１実施形態において、堆積金属層６２０は、表面６１２に沿って延在し、角端部６０６を越えて、表面６０８の一部分にまで延在する。接合表面６１２以外の表面上にメタライズ層終端点６０２を置くことにより、応力上昇部は、はんだ接合からかなり離れることになる。脆性材料６１０の複数の表面を横断してはんだ接合を分離することは、接合の表面６１２に置かれた堆積金属層６２０の長さよりもより短い距離における表面応力を効果的に低減することができる。接合部６００の応力上昇部の向きは、表面６１２の面外である。
【００１３】
図３は、メタライズ部がそれを越えて形成されるところの凸形状角端部６０６を含む１実施形態を示す。この凸形状角端部６０６は、図３に示されたように、終端点６０２を越えて濡らす塗布されたはんだ６３０に抑止力を提供する。金属終端点６０２での堆積されたはんだの量を減少させることは、応力上昇部での応力レベルをも低下させる。凸形状の代わりに凹形状が存在する場合、はんだ移動量は増加し、接合部６００を損傷の危険にさらす可能性がある。
【００１４】
図４は、本発明の１実施形態によって結合されている圧力センサーを含む圧力送信機の部分断面図である。プロセス制御又は測定システム１０は、プロセス流体１６を運ぶプロセス配管１４に結合された圧力送信機１２を含む。１実施形態において、送信機１２は、プロセス流体１６によって圧力送信機１２へ加えられる圧力Ｐを測定するように構成されたシステム１０の測定構成要素である。圧力送信機１２は、１実施形態において、２線式プロセス制御ループ２０を介して、遠隔位置、例えば制御室２２へ出力を提供する。プロセス制御ループ２０は、任意の適切なプロトコルに従って動作しうる。１実施形態において、プロセス制御ループ２０は、プロセス圧力Ｐに関連する「プロセス変数」を表すアナログ電流レベルを有する２線式プロセス制御ループである。別の例において、プロセス制御ループ２０は、プロセス圧力Ｐに関連するデジタル値を運ぶ。プロトコルの例には、HART（商標）又はFOUNDATION（商標）Fieldbus通信プロトコル、無線通信リンク、又はその他の適切なプロトコルが含まれる。１実施形態において、要素２０は、送信機１２とプロセス制御室２２との間の無線通信リンクを表す。
【００１５】
送信機１２は、圧力センサー４０を含む。１実施形態において、圧力センサー４０は、圧力センサーダイであり、それは加えられた圧力に応じて撓む要素を含む。この要素は、加えられた圧力に応じて変化する電気特性を有する構成要素を含むか又はその構成要素に結合されている。プロセス結合部４２は、送信機１２の本体又はハウジング１８をプロセス配管１４に結合する。これは、プロセス流体圧力Ｐが送信機１２の隔離ダイヤフラム５０へ加えられることを可能にする。通路５２（隔離流体を圧力センサーへ運ぶ）を通して伝達される圧力Ｐは、ダイヤフラム５０に撓みを引き起こす。通路５２は、圧力センサー４０も支持している圧力センサーモジュール５４を通って延在される。センサーモジュール５４は、１実施形態において、圧力センサー４０を搭載するように構成されているセンサー搭載部３８を含む。圧力センサー４０は、電気出力６０を測定回路６２に提供し、その測定回路６２は、１実施形態においては、プロセス制御ループ２０に結合する端子ブロック７０に接続する。一例の構成において、プロセス制御ループ２０は、回路（例えば１実施形態において送信機１２の測定回路６２）に電力を供給するためにも用いられる。
【００１６】
図５は、本発明の１実施形態による圧力センサー搭載部を示す図４の圧力送信機の拡大断面図である。図５は、送信機１２の一部分の拡大図１２０を表示しており、センサー搭載部３８をより詳細に示している。なお、図４及び図５において、センサー搭載部３８及び圧力センサー４０は、縮尺通りに示されておらず、説明の目的のために拡大されている。
【００１７】
圧力センサーダイ（例えば圧力センサーダイ４０）を取り付けるために用いられてきたプロセス及び構成要素の例には、金属めっき、金属とセラミックの接合、接着剤、及び他の構成が含まれる。ただし、これらの手法の多くは、過去に重大な信頼性の問題を経験してきた。例えば、金属メッキは、構成要素同士のはんだ付けを可能にするためによく用いられる。ただし、めっきの品質が低いと、濡れ性が悪く、又は構成要素へのめっきの付着が悪くなる。これにより、製造プロセス中に障害が発生し、かつ最終製品の信頼性が低下する。
【００１８】
圧力センサーダイ４０は、１実施形態において、台座１１０に取り付けられている。１実施形態において、台座１１０は、ハウジングと圧力センサー構成要素との間の取り付け及び温度誘起応力の両方から隔離するように構成されている。１実施形態において、台座１１０は形状が円筒形であり、毛細管５２を受け入れることができるように貫通して延在される貫通孔を有している。しかし、その構造のため、台座１１０は、例えば図５に示された界面９０のいずれかで、潜在的な亀裂を受けやすい。
【００１９】
図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の１実施形態による圧力センサー搭載部の拡大図である。図６に示された圧力センサー２００は、図４及び図５に関して示されたたものと類似であり、類似の構成要素には類似の参照符号が付けられている。圧力センサー２００は、１実施形態において、２５２を介して圧力に結合された圧力センサーダイ２４０を含みうる。圧力センサーダイ２４０は、１実施形態において、台座２１０に搭載されうる。台座２１０は、複数の材料、例えば１以上のメタライズ部分２２０及びセラミック部分２３０、で構成されうる。本明細書に記載の少なくともいくつかの実施形態は、界面２９０に沿う亀裂のリスクを低減する台座２１０を作成するための様々な方法及びシステムを提供する。セラミック層２３０は、２つのメタライズ層２２０の間に配置され、そしてはんだ又はろう付けが、金属構成要素（例えば圧力センサー）をセラミック２３０に接合するために用いられる。
【００２０】
図６Ｂは、圧力センサー台座２１０の拡大図を示し、この台座２１０は、両側にメタライゼーション層２２０を有するセラミック層２３０を含む。１実施形態において、金属層２２０及びセラミック層２３０はすべて、実質的に同じ半径２８０を有する。貫通孔２８２は、金属層２２０及びセラミック層２３０を貫通して延伸される。各金属層２２０は、１実施形態において、セラミック層２３０上に堆積され、その後、はんだ又はろう付けを用いて金属構成要素へ接合される。１実施形態において、堆積された金属は、図６Ｂに示された平面領域を含む接合領域全体にわたって延在する。１実施形態において、金属層２２０は実質的に同じ厚さである。
【００２１】
図７は、本発明の１実施形態による、はんだ又はろう付け接合部を用いて脆性構成要素を金属構成要素に接合する方法の流れ図である。方法７００は、１実施形態において、２つの金属層の間にセラミック層を有する圧力センサーのための台座を形成する文脈において説明される。しかし、本明細書に記載の方法及び構成は、脆性材料を別の構成要素に接合するための様々なはんだ又はろう付け作業に用いられうることを理解されたい。
【００２２】
ブロック７１０において、脆性材料が準備される。１実施形態において、例えば、圧力送信機用の台座を作成するために、脆性材料は、圧力センサーダイへ適切に接合するために、且つブロック７１２に示されるように、圧力伝達管を受け入れるために貫通して配置された貫通孔を有する。一般的にそのような貫通孔は、セラミック構成要素で成形されるが、何らかの適切な方法で作成されうる。脆性材料はまた、ブロック７１４に示されるように他の準備ステップ、例えば洗浄、表面仕上げなど、を経てもよい。
【００２３】
ブロック７２０において、脆性材料は金属堆積プロセスを受け、そこで金属層が脆性材料の表面に堆積される。例えば、脆性材料が金属構成要素に接合されるような１実施形態において、金属層は、ブロック７２２に示されるように金属構成要素を収容する予定の領域よりも広い領域に堆積される。１実施形態において、金属層は、例えばブロック７２４に示されるように、金属構成要素を収容する予定の領域から応力上昇部の位置を移動させるために、戦略的に堆積される。１実施形態において、応力上昇部の位置を移動することは、応力上昇部の位置が接合領域と平行にならないように、金属層を脆性材料の角端部を越えて堆積させることを含む。１実施形態において、金属堆積層は、ブロック７２６に示されるように実質的に接合面に沿って延在する。１実施形態において、金属堆積層は、ブロック７２８に示されるように接合面の角端部を越えて隣接面上に延在する。
【００２４】
ブロック７３０において、はんだ付け又はろう付けの操作が完了する。はんだ付け又はろう付け操作は、１実施形態において、はんだ又はろう付け材料の介在層を用いて金属構成要素を脆性材料に接合することを含む。はんだ層は、ブロック７３２に示されるように、金属構成要素を収容する予定の領域よりも広い。はんだ層は、１実施形態において脆性構成要素の角端部を越えて延在してもよい。１実施形態において、例えばブロック７３４に示されるように、応力上昇部の位置が金属構成要素を収容する予定の領域の外側に位置するように、はんだ又はろう付け層が戦略的に施与される。１実施形態において、ブロック７３６に示されるように、はんだ層は、金属構成要素がセラミックの構成要素と接触する場合に各構成要素が相互に自己位置調整するように、施与される。金属構成要素とセラミックの構成要素とを、応力が２つの構成要素の間で減少するように位置調整すると、、自己位置調整力が生ずる。
【００２５】
ブロック７４０において、接合されたセラミック及び金属構成要素の任意的な準拠性試験が実施される。圧力送信機の台座は、接合過程の間に脆性構成要素と金属構成要素との間に発生する亀裂が原因で、設置過程の間に故障することが知られている。したがって、圧力送信機内の台座の取り付け前、且つ場合によっては取り付け後に準拠性試験を実施することが重要である。したがって、個々の構成要素は、準拠性試験に耐えうるべきである。準拠性試験は、任意選択的な試験であり、ブロック７４２〜７４８に載せられている選択肢のいずれか又は全て、例えば、ブロック７４２7に示されている気密性試験、及び/又はブロック７４４に示されている誘電試験、及び/又はブロック７４６に示されている絶縁抵抗試験、及び/又はブロック７４８に示されている別の試験（例えば、台座がさまざまな動作環境に耐えられることを確認するための熱又は圧力試験を施与すること）を包含しうる。
【００２６】
本明細書に記載の実施形態及び方法は、はんだ付け又はろう付け接合を可能にするために金属化された脆い電気絶縁材料の少なくとも１つの表面を含むはんだ接合又はろう付け接合に関する。はんだ付け又はろう付けの濡れメタライズ層終端部は、１実施形態において、金属層とセラミック層との間の接合面から離れて配置される。メタライズ層終端点は、接合面に隣接する面上にある。１実施形態において、メタライズ層終端点は接合面に隣接する表面上にある。１実施形態において、メタライズ層は、接合領域を超え、且つ電気絶縁層の端部形状を越えて延在する。その結果、メタライズ層終端点は、接合面に平行でない表面上にある。
【００２７】
１実施形態において、脆性材料はセラミック酸化アルミニウムを含み、且つ金属構成要素はニッケルめっきコバール板を含む。別の実施形態において、脆性材料は、導体又は半導体材料である。１実施形態において、ろう材は銀合金を含む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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