JP3972488B2 - Semiconductor pressure sensor - Google Patents
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Description
【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2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3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が塗れるのである。
【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4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5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6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。また、この時、半田9と接合する材料間の熱膨張係数の差からも応力が発生する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、前記金属パイプの台座との接合面上に前記台座と同じ材料からなる薄膜を形成し、該薄膜上に前記メタライズ層と同じ組成のメタライズ層を形成し、該両メタライズ層間で半田接合がなされるようにしたことを特徴とするものである。
【0010】
【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は本発明の一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。
【0011】
本実施形態の特徴は、金属パイプ4のガラス台座2との接合面上にガラス台座2と同じ材料からなるガラス薄膜11を形成し、ガラス薄膜11上にメタライズ層8と同じ組成のメタライズ層8aを形成し、両メタライズ層8、8a間で半田接合がなされるようにした点である。
【0012】
各構成部材の熱膨張係数は、ガラス台座2としてパイレックスガラス(コーニング社製、品番♯7740等)を使用した場合には、3.2ppm/℃、メタライズ層8、8aとしてCr(最下層、2000Å)/Pt(2000Å)/Au(最上層、5000Å)を使用した場合には、約16ppm/℃、金属パイプ4としてコバールを使用した場合には、4.5ppm/℃、半導体圧力センサチップを構成するシリコンは3.0ppm/℃、半田9としてAu−Sn20%半田を使用した場合には、15.9ppm/℃である。半田9の熱膨張係数は大きいが、半田9を挟んだ両メタライズ層8、8aの熱膨張係数が等しくなるようにしているので、半田9が均等に固化される。従って、半田9内部に歪みが少なくなる。
【0013】
本実施形態によれば、半田9の上下に位置する両メタライズ層8、8aとして同じ組成の材料が使用されており、熱膨張係数が等しくなっているので、熱膨張係数の差異に起因して発生する応力が低減でき、ガラス台座2の貫通孔2aの開口部の角部に加わる半田固化時の応力が低減される。また、金属パイプ4からの熱応力は、金属パイプ4のガラス台座2との接合面上に形成したガラス薄膜11とメタライズ層8aにより緩和されるので、ガラス台座2の貫通孔2aの開口部の角部に加わる半田固化時の応力がより低減される。
【0014】
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 と大きく硬いので、従来、クラックが発生しやすかったAu−Sn20%半田を使用した場合でも、クラックの発生を防止できる。
【0015】
なお、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。
【0016】
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上にガラス薄膜11及びメタライズ層8aを介して半田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。
【0017】
【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、前記金属パイプの台座との接合面上に前記台座と同じ材料からなる薄膜を形成し、該薄膜上に前記メタライズ層と同じ組成のメタライズ層を形成し、該両メタライズ層間で半田接合がなされるようにしたので、該半田が同じ組成の材料からなる両メタライズ層間で接合され、半田の上下層の材料の熱膨張係数が等しくなっており、熱膨張係数の差異に起因して発生する応力が低減でき、台座の貫通孔の開口部の角部に加わる半田固化時の応力が低減される。また、金属パイプからの熱応力は、金属パイプの台座との接合面上に形成した薄膜とメタライズ層により緩和されるので、台座の貫通孔の開口部の角部に加わる半田固化時の応力がより低減される。従って、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】本発明の一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2】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3】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4】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5】従来例に係る半導体圧力センサの問題点のタイミングの例を示す説明図である。
【図6】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。
【符号の説明】
1 半導体圧力センサチップ
1a ダイアフラム
1b 歪みゲージ抵抗
1c オーバーコート
2 ガラス台座
2a 貫通孔
3 プラスチックパッケージ
4 金属パイプ
4a 貫通孔
4b 盛り上がり部
5 リード
6 ワイヤ
7 蓋
8 メタライズ層
8a メタライズ層
9 半田
10 クラック
11 ガラス薄膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor pressure sensor formed by joining a semiconductor pressure sensor chip formed with a diaphragm and a metal pipe of a package via a base.
[0002]
[Prior art]
In general, a semiconductor pressure sensor measures a pressure in a fine pressure region of an air conditioner or an air conditioner, and as shown in FIG. 2, a semiconductor pressure having a
[0003]
A through
[0004]
FIG. 3 shows a package using a
[0005]
The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor pressure sensor as described above, when the
[0007]
In this case, as shown in FIG. 6, when the
[0008]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor pressure sensor in which cracks are not generated in the pedestal when the metal pipe and the pedestal are joined.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a semiconductor pressure sensor chip having a thin diaphragm formed by forming a recess and a base having a through-hole for introducing pressure into the diaphragm are joined, In the semiconductor pressure sensor, a metallized layer is formed on a surface of the pedestal opposite to the bonding surface with the semiconductor pressure sensor chip, and the metal pipe pedestal is formed by solder bonding to the metal pipe of the package through the metallized layer. A thin film made of the same material as the pedestal is formed on the joint surface, and a metallized layer having the same composition as the metallized layer is formed on the thin film, and solder bonding is performed between the two metallized layers. It is a feature.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a joined state of a semiconductor pressure sensor chip, a glass pedestal, and a metal pipe according to a semiconductor pressure sensor of one embodiment of the present invention. In the present embodiment, the basic configuration of the semiconductor pressure sensor is the same as that described in the conventional example, and therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0011]
The feature of this embodiment is that a glass
[0012]
The thermal expansion coefficient of each component is 3.2 ppm / ° C. when Pyrex glass (manufactured by Corning, product number # 7740, etc.) is used as the
[0013]
According to the present embodiment, materials having the same composition are used for both
[0014]
Therefore, since the melting point is as high as 280 ° C. and the Young's modulus is as large as about 6000 kg / cm 2 , the
[0015]
The
[0016]
The semiconductor pressure sensor wafer bonded to the
[0017]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the semiconductor pressure sensor chip having the diaphragm formed in a thin shape by forming the concave portion and the through hole for introducing pressure into the diaphragm are formed. A semiconductor pressure sensor formed by joining a pedestal, forming a metallized layer on the surface of the pedestal opposite to the surface where the semiconductor pressure sensor chip is joined, and soldering the metal pipe of the package via the metallized layer In the method, a thin film made of the same material as the pedestal is formed on a joint surface with the pedestal of the metal pipe, a metallized layer having the same composition as the metallized layer is formed on the thin film, and solder bonding is performed between the two metallized layers. Since the solder is made to be bonded between both metallized layers made of the same composition material, the thermal expansion coefficients of the upper and lower layers of the solder are equal. Can reduce the stress that occurs due to the difference in expansion coefficients, stress at the solder solidifies applied to the corner portion of the opening of the through hole of the pedestal is reduced. Also, the thermal stress from the metal pipe is alleviated by the thin film and metallized layer formed on the joint surface with the metal pipe pedestal, so that the stress at the time of solidification applied to the corner of the opening of the through hole of the pedestal is reduced. It is reduced more. Therefore, when joining the metal pipe and the pedestal, a semiconductor pressure sensor that does not generate cracks in the pedestal can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a joining state of a semiconductor pressure sensor chip, a glass pedestal, and a metal pipe according to a semiconductor pressure sensor of one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to a conventional example.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor pressure sensor according to another conventional example.
FIG. 4 is an explanatory view showing an example of a problem of a semiconductor pressure sensor according to a conventional example.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a problem timing of a semiconductor pressure sensor according to a conventional example.
FIG. 6 is an explanatory view of a state change during solidification of solder according to a conventional semiconductor pressure sensor.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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