JP2001116713A - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 センサチップ２のパッド６上に貴金属高抵抗
合金ワイヤ１２を配置し、金ボール１８をパッド６にボ
ンディングして、ワイヤ１２をパッド６にボンディング
する。 【効果】 貴金属高抵抗合金ワイヤ１２とパッド１６と
のボンディング強度を増すことができ、それに伴ってボ
ンディング作業が容易になる。

Description

【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
体のリードワイヤを覆うように、金または金合金からな
るボンディング材を、パッドまたはステムからなるボン
ディング相手に付着させ、該ボンディング材とボンディ
ング相手との結合並びに該ボンディング材と前記リード
ワイヤとの結合により、リードワイヤをボンディング相
手にボンディングしたことを特徴とする（請求項１）。
好ましくは、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
らなるボンディング材をパッドに付着させ、該ボンディ
ング材とパッドとの結合並びに該ボンディング材と前記
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。好ましくは、ボンディング材が金ま
たは金合金のボールバンプ状で、ボールバンプが上記パ
ッドと結合し、かつボールバンプとパッドの間に上記リ
ードワイヤを挟み込み、ボールバンプがリードワイヤと
結合している。また好ましくは、ボンディング材が金ま
たは金合金のワイヤ状で、ワイヤが上記パッドと結合
し、かつ上記ワイヤとパッドの間に上記リードワイヤを
挟み込み、上記ワイヤがリードワイヤと結合している。
さらに好ましくは、ガスセンサ本体のリードワイヤを、
リードワイヤの端部付近をアーク放電により溶融したボ
ールにより、ガスセンサ本体もしくはステムにボンディ
ングする。

【０００６】この発明のガスセンサの製造方法では、パ
ッドを形成したガスセンサ本体のチップを用い、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、前記リードワイヤの一端部
付近を覆うように、前記パッドにボンディングすること
を特徴とする（請求項６）。好ましくは、金線または金
合金線を、治具から繰り出しボール状に成型して、パッ
ドにボンディングする。好ましくは、貴金属ヒータコイ
ルをステムに対して位置決めして、ヒータコイル及びス
テムから非接触の位置にある放電電極からヒータコイル
の端部付近へアーク放電させ、アーク放電によりヒータ
コイルの端部付近を溶融してステムに溶着し、その後、
ヒータコイルを覆うように金属酸化物半導体のビードを
成型して焼結する。

【０００７】

【発明の作用と効果】請求項１の発明では、金または金
合金からなるボンディング材を用い、このボンディング
材をリードワイヤを覆うように基板に設けたパッドある
いはステムに結合させる。ボンディング材は金あるいは
金合金からなるので、パッドやステムとの付着は容易で
あり、その結合強度も高い。同様にボンディング材は、
リードワイヤとも容易に結合する。そこでボンディング
材とパッドやステムとの結合、ならびにボンディング材
とリードワイヤとの結合により、リードワイヤをパッド
やステム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。しかしながらボンディング材の金
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
やステム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】好ましくは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。

【００１１】これ以外に、マイクロアークボンディング
と呼ばれるボンディング手法が知られている。この手法
では、ボンディング相手に対して非接触に放電電極を配
置し、これを用いてアーク放電させる。アーク放電は、
リードワイヤのうちボンディング電極に近い部分に集中
するので、アーク放電によりこの部分が溶融し、ボール
状の溶着部を形成する。マイクロアークボンディングで
は、ボンディング部にボンディング荷重を加えないの
で、リードワイヤのボンディング部の位置決め精度を向
上させることができ、ガスセンサの微細化に貢献する。
そしてマイクロアークボンディングによるボンディング
強度は、パラレルギャップボンディングなどに比べて遙
かに高く、金ペーストの塗布や焼成などが不要になる。

【００１２】

【実施例】実施例１〜３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Ｚ
ｒＯ2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）、Ｐ
ｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｕ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−ＺＧＳ、Ａ
ｕ−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１０〜５０μ
ｍ、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４５ｍ
ｓ、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１
８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１
８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１
８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、１
００〜２００℃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、第３の実施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は第３の実施例でのボ
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（第３の
実施例）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４の実施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４の実施
例でのボンディング工程を示す。このガスセンサは、Ｐ
ｔ−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２
２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ＳｎＯ
2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】 第３の実施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】 第３の実施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４の実施例のガスセンサの平面図

【図１２】 第４の実施例でのボンディング工程を示す
図

【符号の説明】

２ チップ ４ 基板 ６，７ パッド ８ 金属酸化物半導体膜 １０ ヒータ膜 １１ ボビン １２ 貴金属高抵抗合金ワイヤ １３ チャック １４ キャピラリー １６ 金線 １８ ボール １９ ボールバンプ ２０ 治具 ２１ 金ワイヤ ２２ 放電電極 ２３ ボール ２４ セラミックキャピラリー ２６ ステム ３０ ヒータコイル ３２ 中心電極 ３４ 金属酸化物半導体ビード ３６ 治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 忠男 箕面市船場西１丁目５番３号 フィガロ技 研株式会社内 (72)発明者 石丸 伸行 箕面市船場西１丁目５番３号 フィガロ技 研株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA01 BA01 BB02 BC04 BC09 BE03 EA09 FB02 FE11 FE12 FE22 FE25 FE29 FE31 FE46

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスセンサ本体のリードワイヤを覆うよ
   うに、金または金合金からなるボンディング材を、パッ
   ドまたはステムからなるボンディング相手に付着させ、
   該ボンディング材とボンディング相手との結合並びに該
   ボンディング材と前記リードワイヤとの結合により、リ
   ードワイヤをボンディング相手にボンディングしたこと
   を特徴とするガスセンサ。
2. 【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
   るボンディング材をパッドに付着させ、該ボンディング
   材とパッドとの結合並びに該ボンディング材と前記リー
   ドワイヤとの結合により、リードワイヤをパッドにボン
   ディングしたことを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記ボンディング材が金または金合金の
   ボールバンプ状で、該ボールバンプが前記パッドと結合
   し、かつボールバンプとパッドの間に前記リードワイヤ
   を挟み込み、ボールバンプがリードワイヤと結合してい
   ることを特徴とする、請求項２のガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記ボンディング材が金または金合金の
   ワイヤ状で、該ワイヤが前記パッドと結合し、かつ前記
   ワイヤとパッドの間に前記リードワイヤを挟み込み、前
   記ワイヤがリードワイヤと結合していることを特徴とす
   る、請求項２のガスセンサ。
5. 【請求項５】 ガスセンサ本体のリードワイヤを、該リ
   ードワイヤの端部付近をアーク放電により溶融したボー
   ルにより、ガスセンサ本体もしくはステムにボンディン
   グしたことを特徴とする、ガスセンサ。
6. 【請求項６】 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、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。
7. 【請求項７】 前記金線または金合金線を、治具から繰
   り出しボール状に成型して、前記パッドにボンディング
   することを特徴とする、請求項６のガスセンサの製造方
   法。
8. 【請求項８】 貴金属ヒータコイルをステムに対して位
   置決めして、該ヒータコイル及びステムのいずれとも非
   接触の放電電極から、前記ヒータコイルの端部付近へア
   ーク放電させ、該アーク放電によりヒータコイルの端部
   付近を溶融してステムに溶着し、 その後、前記ヒータコイルを覆うように金属酸化物半導
   体のビードを成型して焼結する、ガスセンサの製造方
   法。