JP2019091870A - Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサ、および煤センサなど半導体基板に作成したセンサにおいて、例えばFET(Field Effect Transistor)型ガスセンサ、キャパシタ型ガスセンサおよびダイオード型ガスセンサ、SAW(Surface Acoustic Wave)型煤センサ、PM(Particulate Matter)センサなどの半導体型センサを、貴金属バンプを介してフリップチップ接続してセラミックス基板に搭載した高耐熱なセンサに関する。 The present invention relates to a sensor formed on a semiconductor substrate such as a gas sensor and a soot sensor, for example, a field effect transistor (FET) gas sensor, a capacitor gas sensor and a diode gas sensor, a surface acoustic wave (SAW) soot sensor, a particulate matter sensor (PM) The present invention relates to a highly heat resistant sensor in which a semiconductor type sensor such as a sensor is flip chip connected via a noble metal bump and mounted on a ceramic substrate.
EUの自動車NOx(窒素酸化物)、PM(Particulate Matter)、CO2排出規制の強化{NOx : 0.08g/km(1km走るごとにNOxの排出量を0.08g以下とする)@2015年→0.04g/km@2025年}を背景に、NOxセンサの市場は拡大してきた。現行のNOxセンサはエンジンの故障検知がメインで測定精度は100ppm程度であるが、今後の規制強化に対応するためには高精度な測定結果を用いたエンジン制御、NOx還元触媒制御が必要となる。2020年以降は数ppmの精度でNOxを計測する必要が生じてくると予測される。 EU's NOx (nitrogen oxide), PM (Particulate Matter) and CO 2 emission regulations are strengthened {NOx: 0.08 g / km (NOx emissions less than 0.08 g every 1 km) @ 2015 → 0.04 The market for NOx sensors has expanded with the background of g / km @ 2025}. Current NOx sensors are mainly used for engine failure detection and the measurement accuracy is about 100 ppm, but in order to cope with the intensified regulations in the future, engine control and NOx reduction catalyst control using highly accurate measurement results are required . After 2020, it is expected that NOx needs to be measured with an accuracy of several ppm.
本技術分野の背景技術として、特開2010−266358号公報(特許文献1)には、固体電解質体に層状に構成された電極対と空間からなるセルを複数個形成して、測定するガスのなかのNOx濃度を電流で感知し、その温度を感知する仕組みを有する構成であり、ヒーターの通電周期を30〜80m秒の範囲で制御するしくみと、それよりも短い周期で制御する仕組みをもつことで、急激な温度変化を内蔵されたヒーターで制御するガスセンサが記載されている。 As a background art of this technical field, in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-266358 (Patent Document 1), a plurality of cells each including an electrode pair and a space configured in layers are formed in a solid electrolyte body, and It has a mechanism that senses the NOx concentration with current and senses its temperature, and has a mechanism to control the heater's energizing cycle in the range of 30 to 80 ms and a mechanism to control in a shorter cycle than that. Thus, a gas sensor that controls a rapid temperature change with a built-in heater is described.
また、特開2013−242271号公報(特許文献2)には、水素ガスの検出に用いられる半導体ガスセンサが開示され、そのゲート構造を、「Si層上にゲート絶縁膜(例えばSiO2膜)が形成され、ゲート絶縁膜上に改質TiOx(TiOxナノ結晶)膜が形成されている。さらに改質TiOx膜上にPt膜が形成されている。このPt膜は、複数のPt結晶粒から構成され、複数のPt結晶粒間にある結晶粒界間隙にはTiと酸素(O)が存在し、特に粒界3重点近傍表面を中心にTiOxナノ結晶が形成されている。」と開示している。 Further, Japanese Patent 2013-242271 (Patent Document 2), disclosed is a semiconductor gas sensor used for the detection of hydrogen gas, the gate structure, a gate insulating film on the "Si layer (e.g. SiO 2 film) A modified TiOx (TiOx nanocrystal) film is formed on the gate insulating film, and a Pt film is formed on the modified TiOx film, which is composed of a plurality of Pt crystal grains. Ti and oxygen (O) are present in intergranular gaps between multiple Pt crystal grains, and in particular, TiOx nanocrystals are formed around the surface near triple point of intergranular boundaries. ” There is.
特許文献1が開示する従来のセラミックス積層焼成型センサには、各セラミックス層の厚さを薄くしてセンサを小型化するには限界があった。また、厚いセラミックスのジルコニア膜の内部をO2やNOxガスを通過させてセンサ信号を得るには電力が必要であった。
The conventional ceramic laminated and sintered sensor disclosed in
本願出願人は、EUの自動車NOx、PM、CO2排出規制の強化などを視野に入れて、NOxセンサ、及び排気中に含まれる煤の粒子の重量を計測するSAW型煤センサ(PMセンサ)を半導体型センサとして構成する開発を進めている。 The applicant of the present application considers the NOx sensor and the SAW-type soot sensor (PM sensor) that measures the weight of soot particles contained in the exhaust, with a view to strengthening EU NOx, PM and CO 2 emission regulations etc. in the EU. We are developing to construct the sensor as a semiconductor sensor.
ここで開発された半導体型センサを、例えば図2に示すセンサモジュールに実装して、そのセンサモジュールを例えば図1に示す自動車のエンジンの排気ガス煤フィルターの近傍の排気管に接続して、排気ガスに含まれるNOxガスや、煤の粒子を検出する用途に使用する場合を検討した。図2のセンサモジュールの内部に設置されたセラミック基板の先端部に搭載された半導体型センサデバイスは、カバー金属7で保護されているとはいえ、内部に排気ガスが流入してくることから、最高で600℃にまで加熱されることが予測された。
The semiconductor type sensor developed here is mounted on, for example, a sensor module shown in FIG. 2, and the sensor module is connected to an exhaust pipe in the vicinity of an exhaust gas soot filter of an automobile engine shown in FIG. A case was examined where it is used for detecting NOx gas contained in gas and soot particles. Although the semiconductor type sensor device mounted on the tip of the ceramic substrate installed inside the sensor module of FIG. 2 is protected by the
本発明の目的は、半導体型センサデバイスをセラミック基板に実装して、600℃の高温に耐えられる接続方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a connection method capable of withstanding a high temperature of 600 ° C. by mounting a semiconductor type sensor device on a ceramic substrate.
本発明のセンサの好ましい例では、半導体基板に形成されたガスセンシング機能を有するセンサデバイスをセラミック基板に搭載接合したセンサを、前記センサデバイスには、Ptからなる接続用のメタライズが形成され、前記センサデバイスの絶縁膜と前記メタライズとの間に応力緩衝層が形成され、前記セラミック基板には、ヒーターが搭載され、前記センサデバイスは、前記ヒーターを跨ぐ配置に、貴金属バンプを介して前記セラミック基板に搭載されているように構成する。 In a preferable example of the sensor according to the present invention, a sensor in which a sensor device having a gas sensing function formed on a semiconductor substrate is mounted on and joined to a ceramic substrate is formed on the sensor device. Metallization for connection made of Pt is formed on the sensor device. A stress buffer layer is formed between the insulating film of the sensor device and the metallizing, a heater is mounted on the ceramic substrate, and the sensor device is placed over the heater via the noble metal bump and the ceramic substrate Configure as installed in
また、本発明の他の特徴として、前記センサにおいて、前記ガスセンシング機能を有するセンサデバイスに代えて、排気ガス中の煤粒子の重量を検出する機能を有するセンサデバイスをセラミック基板に搭載接合しているように構成する。 Further, as another feature of the present invention, in the sensor, in place of the sensor device having the gas sensing function, a sensor device having a function of detecting the weight of soot particles in exhaust gas is mounted on and joined to a ceramic substrate Configure to
また、本発明の他の特徴として、前記センサにおいて、前記応力緩衝層は、YSZ、Al2O3 、NiO 、Cr2O3、TiO、TiO2、またはTiOxのいずれかの材料から選ばれるように構成する。 Further, as another feature of the present invention, in the sensor, the stress buffer layer is selected from any material of YSZ, Al 2 O 3 , NiO, Cr 2 O 3 , TiO, TiO 2 , or TiO x. Configure to
また、本発明の他の特徴として、前記センサにおいて、前記センサデバイスの前記メタライズと前記応力緩衝層の間に更に接着層が形成され、メタライズと接着層に含まれる金属は、それぞれが2元型状態図において全率固溶型を含む金属同士であって、その金属、合金、金属酸化物、もしくは金属化合物のうちのいずれかの膜で形成されるように構成する。 Further, as another feature of the present invention, in the sensor, an adhesion layer is further formed between the metalization of the sensor device and the stress buffer layer, and the metal included in the metalization and the adhesion layer is a binary type. In the phase diagram, it is a metal including a complete solution type, and is formed to be formed of a film of any of the metal, an alloy, a metal oxide, or a metal compound.
セラミックス基板とのハイブリッド構成により安価な半導体ガスセンサを実現できる。
本発明によれば、低コスト、小型、低消費電力を実現でき、機能更新の際もデバイスの変更だけで容易に対応できるセンサを提供することができる。
上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
An inexpensive semiconductor gas sensor can be realized by the hybrid configuration with the ceramic substrate.
According to the present invention, it is possible to provide a sensor that can realize low cost, small size, and low power consumption, and can easily cope with a function change only by changing the device.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、実施例を図面を用いて説明する。 Examples will be described below with reference to the drawings.
高温環境下における半導体デバイスの実装方法として、例えばパワーデバイスの実装のように、デバイス面の温度が高々200〜250℃程度に上がるデバイスについては、デバイスを上の面に向けた背面をはんだで基板に接続するのが主流である。それは、(セラミック)基板と半導体基板の熱膨脹係数が異なった場合にも、最高250℃でも信頼性よく接合できるはんだ材により接続が可能となっている。 As a method of mounting semiconductor devices in a high temperature environment, for example, for devices whose temperature on the device surface rises to at most about 200 to 250 ° C., such as mounting of power devices, the back side with the device facing up is soldered It is the mainstream to connect to. Even when the thermal expansion coefficients of the (ceramic) substrate and the semiconductor substrate are different, it is possible to connect using a solder material which can be joined with good reliability even at a maximum temperature of 250 ° C.
しかし、はんだ材による接続は300〜400℃程度までが限界であり、それ以上高い温度だと、破断したり、基板のそりによってデバイスが破壊したりといった課題があって、はんだ材による接続を使うことができない。 However, the connection by the solder material is limited to about 300 to 400 ° C, and if the temperature is higher than that, there are problems such as breakage or breakage of the substrate due to warping of the substrate, and the connection by the solder material is used I can not do it.
そのため、本発明では、フリップチップ接続にすることにより、そのバンプにより基板材料の伸び縮みの差により生ずる応力を吸収する接合構造を提供する。 Therefore, in the present invention, the flip chip connection provides a bonding structure that absorbs the stress caused by the difference in expansion and contraction of the substrate material by the bumps.
<用語定義>
基板:基板材料と、配線と、配線を物理的に固定可能な基材と、他の部品と接続をとる電極から構成される。セラミックス基板には信号配線と電流を流す電源配線とグランド配線などがある。なお、同様に半導体基材の上に形成される半導体ガス検出部(センサ部)配線の一部の領域が電極と接触する。
<Term definition>
Substrate: A substrate material, a wiring, a base capable of physically fixing the wiring, and an electrode for connecting to other components. The ceramic substrate includes signal wiring, power supply wiring for flowing current, and ground wiring. Similarly, a partial region of the semiconductor gas detection unit (sensor unit) wiring formed on the semiconductor base material contacts the electrode.
実施例1におけるガスセンサの実装構造について、図1〜図12を用いて説明する。
図1は本実施例のガスセンサ1を、自動車のエンジンの排気ガス煤フィルター51の排気ガス流入口配管50、及び排気ガス流出口配管52の2箇所に取り付けした一例を示す概念図である。
The mounting structure of the gas sensor in the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 12.
FIG. 1 is a conceptual view showing an example in which the
図2はガスセンサモジュール2の全体概観と、ガスセンサ1内部のセラミック基板4上にセンサデバイス3が実装される状態を、金属カバー7を取り払って示す概観図である。このように、センサデバイス3は、例えば図2に示すガスセンサ1の中央に配置される。この時、センサデバイス3はセラミック基板4の先端部分に配置され、二重以上になったSUS材やインコネル材からなる金属カバー7で保護されていて、ケーブル9を介して制御用基板10に接続されている。
FIG. 2 is an overview of the
金属カバー7は、外部の水滴が入らぬようガス流入穴が設計されている。ねじ切り部と取り付けねじ8により、ガスセンサ1の先端部分が排気ガス管内にねじ込まれて、センシングに使われる。取り付けねじ8の部分はガラス系接着剤で固定されている。
The
センサデバイス搭載セラミック基板4は、金属カバー7、取り付けねじ8に熱を逃がす構造をとっているため、外の排気ガス温度に比べて低い温度である。
Since the sensor device mounting
センサデバイス3は、その性能が最適に発揮されるように350〜550℃に加熱されている。
The
ガスセンサ1は耐熱ケーブル9で制御ICが搭載されている制御用基板10に接続され、制御用基板10は外部端子11を含む構造である。図1に示すように、排気ガス(セラミック)煤フィルター51の前後に配管内部に搭載されガス濃度をセンシングする。
The
図3は実施例1におけるFET型センサデバイス18をセラミック基板4に実装する構成の一例を示す。
FIG. 3 shows an example of the configuration in which the FET
図3(a)は、FET型センシング部19の機能を最大に発揮させるために加熱用のヒーター5を、セラミック基板4表面に設けたキャビティ6内に設置して、その上部にFET型センサデバイス18が接合用の貴金属バンプ15でセラミック基板4上に実装された一例を示す上面図である。
In FIG. 3A, a
図3(b)は、図3(a)に示す切断線AA’で切断した断面図である。FET型センサデバイス18を、FET型センシング部19を下面に向けてセラミック基板4上に貴金属、例えば金や白金を用いたフリップチップ接続して実装してある。FET型センシング部19とヒーター5との間には適当なセンシング空間を設けている。
FIG.3 (b) is sectional drawing cut | disconnected by cutting-plane line AA 'shown to Fig.3 (a). The FET
図3(c)は、図3(b)と同じ位置の断面図であるが、この場合にはセラミック基板4にキャビティを設けることはせずに、セラミック基板4表面にヒーター5を設置して、FET型センサデバイス18を、FET型センシング部19を下面に向けて、接合用の貴金属2段バンプ20でセラミック基板4上にフリップチップ接続して実装した例である。FET型センサデバイス18はセンシング空間をそれ程必要としないため、FET型センシング部19とヒーター5が近接する本実施例も可能である。
FIG. 3C is a cross-sectional view at the same position as FIG. 3B, but in this case, the
図4は実施例1におけるSAW型センサデバイス14をセラミック基板4に実装する構成の一例を示す。
FIG. 4 shows an example of the configuration for mounting the
図4(a)は、SAW型センシング部17の機能を最大に発揮させるために加熱用のヒーター5を、セラミック基板4表面に設けたキャビティ6内に設置して、さらに煤粒子を検出するSAW型センシング部17のPM素子面に煤粒子を呼び込むセンシング空間を設けるように、SAW型センサデバイス14が接合用の貴金属バンプ15でセラミック基板4上に実装された一例を示す上面図である。
In FIG. 4A, a
図4(b)は、図4(a)に示す切断線AA’で切断した断面図である。SAW型センサデバイス14を、SAW型センシング部17を下面に向けてセラミック基板4上にフリップチップ接続して実装してある。SAW型センシング部とヒーター5との間には適当なセンシング空間を設けている。
FIG. 4B is a cross-sectional view cut along a cutting line AA ′ shown in FIG. The
また、FET型センサデバイスおよびSAW型センサデバイスは別々に実装して一つの機能であってもよいし、マルチタイプであってもよい。 Also, the FET type sensor device and the SAW type sensor device may be separately mounted to be one function or may be of multiple types.
図5は、実施例1におけるSAW型センサデバイス14の電極とセラミック基板電極を複数の貴金属バンプで接続した構成の一例を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a configuration in which the electrode of the
SAW型センサデバイス14は、SiC基板、絶縁層12、SAW型センシング部17、デバイス表面絶縁層上の配線・メタライズの積層部13からなり、セラミック基板4には、センサ信号を制御部に伝えるための配線21や、ヒーター5に電力供給するヒーター電源配線22、グランド配線23などが形成されている。
The SAW-
図5は、実施例1におけるSAW型センサデバイス14の電極とセラミック基板電極を貴金属バンプ15で接続した構成のセラミック基板配線と接続用バンプの関係を、例えば常温で非稼動時の一例を示す断面模式図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the relationship between the ceramic substrate wiring and the connection bump in the configuration in which the electrode of the
図6は、実施例1におけるガスセンサデバイスが高温で稼動している時24の、ガスセンサデバイスの電極とセラミック基板電極、これらを接続した貴金属バンプ26で構成されるガスセンサであって、半導体基材とセラミックス基材の熱膨張差によるバンプ伸びの一例を示す断面模式図である。
FIG. 6 shows a gas sensor comprising an electrode of the gas sensor device, a ceramic substrate electrode, and a
図2に示すガスセンサ1内に実装されるセンサデバイス3が、稼動時に達する最高温度は600℃と想定される。
The maximum temperature reached by the
第一の基板であるセンサデバイス3のSiC半導体基材と第二の基板であるセラミックス基材では、熱膨張係数がそれぞれα(SiC)=4[10−6/K]、α(Al2O3)=7〜8.5[10−6/K]と異なる。例えばデバイスのサイズが3×6mmの場合、このデバイス外形の対角線長さは約6.54mmである。したがって対角線の交差する中心から角までは約3.27mmで、対角線中心から接続用貴金属バンプ15のうち最も遠い距離にあるバンプの円(例えばスタッドバンプφ0.03mmなどであるが)の中心までの距離が3mmの場合で考える。そのため高温時と低温時の差が600℃あると仮定すると、二つの材料の間には最大で2.4mmの伸びの差が生じる。
In the SiC semiconductor base material of the
図5、図6に示す構成のSAW型センサデバイス14をセラミック基板4上に実装したガスセンサを、例えば、排気ガス環境の高温に加熱したのち、非稼働の温度にもどす繰り返しの熱衝撃試験を実施した。
For example, after the gas sensor in which the
その結果、一連の変形で貴金属バンプ15自体と、その上の第一の基板である半導体基材側のメタライズ13や、第二の基板であるセラミック基材側のメタライズ、などの破壊や剥離が発生することが判明した。
As a result, destruction and peeling of the
これを回避するため、本実施例では、第一の基板(半導体基材)と、そのメタライズの間に好適な絶縁層/応力緩衝層を形成した。
層構成の拡大図を図7に示すように、例えばFET型センサデバイスのSiC基板18の構成は、SiC基板側から層間絶縁膜12、応力緩衝層29、接着層28、表面金属層27(電極)で構成されている。
例えば、層間絶縁膜12はSiO2、応力緩衝層29はYSZ(イットリア強化型ジルコニア、イットリア安定化ジルコニアなどと呼ばれる。その組成の一つはY2O3(3 mol%)−ZrO2(97 mol%)を用いる。イットリアY2O3(3 mol%)がZrO2の結晶粒界に存在している。その構造上加熱による膨張に膜を構成する結晶同志が粒界ですべって変形することが可能であり応力緩衝能力が高い。)、Al2O3 、NiO 、Cr2O3、TiO、TiO2、TiOx(TiとOからなるチタン酸化物、TiとOの元素比率が1:2ではない物質)、接着層28はNiO、表面金属層27はPt(電極)、保護膜30はSiNで構成することが好ましい。
In order to avoid this, in the present embodiment, a suitable insulating layer / stress buffer layer was formed between the first substrate (semiconductor base material) and the metallization thereof.
As an enlarged view of the layer configuration is shown in FIG. 7, for example, the configuration of the
For example, the
これは一例であり、これらの間にTiなどの密着層があってもよい。各層は、単層、複合層、単一金属層、化合物層でも良いし、これらの組み合わせで良いし、限定するものではない。 This is an example, and an adhesion layer such as Ti may be provided between them. Each layer may be a single layer, a composite layer, a single metal layer, a compound layer, or a combination thereof, and is not limited.
すなわち、表面金属層27と接着層28に含まれる金属は、それぞれが2元型状態図において全率固溶型を含む金属同士であって、その金属、合金、金属酸化物、もしくは金属化合物のうちのいずれかの膜で形成される。
表面金属層27と接着層28に含まれる金属は、それぞれの結晶構造が立方晶系の金属、合金、金属酸化物、もしくは金属化合物のうちのいずれかの膜で形成される。
That is, the metals contained in the
The metal contained in the
応力緩衝層29は、結晶粒を有する、金属、合金、金属酸化物、金属化合物、もしくは、無機化合物組成のうちのいずれかの膜で形成される。
The
図8には、配線金属層と電極との接続の例を示し、層間絶縁膜12の上に、NiOなどの接着層2(32)を介して、PtもしくはPtを含む金属で構成される配線金属層31を形成して、配線金属層31に接続して応力緩衝層29を形成することが好ましい。
FIG. 8 shows an example of connection between a wiring metal layer and an electrode, and on the
図9には、図8に示した半導体基材上にセンサデバイスを形成した第一の基板の電極に、スタッドバンプを形成して、セラミック基板4(第二の基板)上に形成された電極に対して、第一の基板をフェースダウンさせて、フリップチッププロセスにて一括接続させた際の、第一の基板と第二の基板間の一対の電極間接続を表している。 In FIG. 9, a stud bump is formed on the electrode of the first substrate in which the sensor device is formed on the semiconductor substrate shown in FIG. 8, and an electrode formed on the ceramic substrate 4 (second substrate) On the other hand, a pair of interelectrode connections between the first substrate and the second substrate when the first substrates are face down and collectively connected by the flip chip process are shown.
両電極は接合用の貴金属バンプ15を介して接合されている。接合用の貴金属バンプ15としては、例えばPtスタッドバンプ、Auスタッドバンプ、Pt印刷バンプ、Au印刷バンプ、Ptめっきバンプ、Auめっきバンプ、これらをデバイス側と基板側に形成した併用型が用いられる。
Both electrodes are joined via a
また、セラミック基板4(第二の基板)上に形成された電極は、例えば焼結導体34は、HTCC(High Temperature Co-Fired Ceramic)と呼ばれるアルミナ、ムライト、窒化ケイ素基板では、WタングステンやMoモリブデン、Pt白金、Pdパラジウムの焼結導体、印刷導体が用いられる。LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)と呼ばれる基板の場合、Ag銀、Cu銅などの焼結導体、Pt白金、Pdパラジウムなどの印刷導体が用いられる。
Also, for the electrode formed on the ceramic substrate 4 (second substrate), for example, the
また、表面金属層2(33)には、例えばNi:ニッケルめっき、Au:金めっき、Pt:白金めっき、Pd:パラジウムめっき、Cu:銅めっき、これら金属の合金めっき、これらめっきを層に重ねたものでよい。
例えば、表面金属層27、表面金属層2,33 焼結導体34がすべてPt白金で統一されている、金属接合部に局部電池が形成されない腐食に強い構造が用いられる。
In addition, for the surface metal layer 2 (33), for example, Ni: nickel plating, Au: gold plating, Pt: platinum plating, Pd: palladium plating, Cu: copper plating, alloy plating of these metals, these platings are layered on a layer It is good.
For example, a structure resistant to corrosion where a local cell is not formed in a metal joint, in which the
図10には、半導体基材上にセンサデバイスを形成した第一の基板の電極と、セラミック基板4(第二の基板)上に形成された電極とを、フリップチッププロセスにより一括接続させる方法として、(a)は、センサデバイス側(第一の基板)の電極に接合金属(接合用の貴金属バンプ15)を形成して一括接合する場合、(b)は、セラミック基板側(第二の基板)の電極に接合金属(接合用の貴金属バンプ15)を形成して一括接合する場合、(c)は、センサデバイス側(第一の基板)およびセラミック基板側(第二の基板)の両方に接合金属(接合用の貴金属バンプ15)を形成して一括接合する場合を示している。
In FIG. 10, as a method of collectively connecting electrodes of a first substrate on which a sensor device is formed on a semiconductor substrate and electrodes formed on a ceramic substrate 4 (second substrate) by a flip chip process When (b) forms a bonding metal (
両基板のフリップチッププロセスとしては、例えば、センサデバイス側(第一の基板)のPt電極に接合用の貴金属バンプ15が形成されている場合は、それを、熱圧着、超音波接合、Auペーストによる加熱溶融接合で、セラミック基板側(第二の基板)の電極メタライズに接合する。貴金属バンプ15はPtも好ましい。Ptバンプ15のばあいは、Ptペーストを用いて加熱溶融させる。
As a flip chip process of both substrates, for example, when the
図11は、SAW型センサデバイス14を実装した際の、SAW型センサデバイスの電極35と接合用バンプとヒーター5の位置構成の一例を示す上面図である。電極35の配置は、図11に示すように、センサデバイスの外形の対角線上に配置されている例である。
FIG. 11 is a top view showing an example of the position configuration of the
図12は、FET型センサデバイス18の外形よりも小さい外形のヒーター36をFET型センサデバイス18の下部に配置している例を示す。
FIG. 12 shows an example in which the
1 ガスセンサ
2 ガスセンサモジュール
3 センサデバイス
4 セラミック基板
5 ヒーター
6 キャビティ
7 金属カバー
8 取り付けねじ
9 ケーブル
10 制御用基板
11 外部端子
12 デバイス表面の絶縁層
13 デバイス表面絶縁層上の配線・メタライズの積層部
14 SAW型センサデバイス
15 接合用の貴金属バンプ
16 ヒーターと基板の接続材
17 SAW型センシング部
18 FET型センサデバイス
19 FET型センシング部
20 接合用の貴金属2段バンプ
21 セラミック基板センサ信号配線
22 ヒーター電源配線
23 グランド配線
24 高温時に熱膨張したセンサデバイス
25 高温時に熱膨張したセラミック基板
26 高温時に24と25の熱膨張差による材料ののび差で変形した貴金属バンプ
27 表面金属層
28 接着層
29 応力緩衝層
30 保護膜
31 配線金属層
32 接着層2
33 表面金属層2
34 焼結導体
35 SAW型センサデバイスの外形の対角線上に配置された接合用の貴金属バンプ
36 FET型センサデバイスの外形よりも小さい外形のヒーターの例
50 排気ガス流入口配管
51 排気ガスすすフィルター
52 排気ガス流出口配管
33
34. Sintered
Claims (9)
前記センサデバイスには、Ptからなる接続用のメタライズが形成され、
前記センサデバイスの絶縁膜と前記メタライズとの間に応力緩衝層が形成され、
前記セラミック基板には、ヒーターが搭載され、
前記センサデバイスは、前記ヒーターを跨ぐ配置に、貴金属バンプを介して前記セラミック基板に搭載されていることを特徴とするセンサ。 A sensor, in which a sensor device having a gas sensing function formed on a semiconductor substrate is mounted on and joined to a ceramic substrate,
The sensor device is formed with metallizing for connection made of Pt,
A stress buffer layer is formed between the insulating film of the sensor device and the metallization;
A heater is mounted on the ceramic substrate,
A sensor characterized in that the sensor device is mounted on the ceramic substrate via a noble metal bump in an arrangement straddling the heater.
前記ヒーターがキャビティ領域底面に搭載され、
前記センサデバイスのガス検知部とヒーターとの間に距離xを保ち、ヒーターの放熱エリアよりも、前記センサデバイスのガス検知部の面積が小さい領域であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。 A cavity region is formed on the surface of the ceramic substrate,
The heater is mounted on the bottom of the cavity area,
The distance x is maintained between the gas detection unit of the sensor device and the heater, and the area of the gas detection unit of the sensor device is smaller than the heat radiation area of the heater. Sensor.
メタライズと接着層に含まれる金属は、それぞれが2元型状態図において全率固溶型を含む金属同士であって、その金属、合金、金属酸化物、もしくは金属化合物のうちのいずれかの膜で形成されることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。 An adhesion layer is further formed between the metallization of the sensor device and the stress buffer layer,
Metals contained in the metallizing and adhesion layers are metals each including a complete solid solution type in a binary phase diagram, and any film of the metal, an alloy, a metal oxide, or a metal compound The sensor of claim 1, wherein the sensor is formed of
メタライズと接着層に含まれる金属は、それぞれの結晶構造が立方晶系の金属、合金、金属酸化物、もしくは金属化合物のうちのいずれかの膜で形成されることを特徴とする請求項1に記載のセンサ。 An adhesion layer is further formed between the metallization of the sensor device and the stress buffer layer,
The metal contained in the metallizing and adhesion layers is characterized in that each crystal structure is formed of a film of any of cubic metals, alloys, metal oxides, or metal compounds. Sensor described.
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