JP3972488B2

JP3972488B2 - Semiconductor pressure sensor

Info

Publication number: JP3972488B2
Application number: JP27692098A
Authority: JP
Inventors: 宏齊藤; 澄夫赤井; 正治安田; 信之高倉
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000105159A

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 diaphragm 1a formed into a thin shape by forming a recess. The sensor chip 1 is bonded to the glass pedestal 2 by anodic bonding or the like, and is installed in a plastic package 3 such as PPS or PBT in which a metal pipe 4 made of Kovar or 42 alloy is arranged in the center. The aluminum pad on the surface of the semiconductor pressure sensor chip 1 and the lead 5 are connected by a wire 6 made of gold or aluminum. Reference numeral 7 denotes a lid of the plastic package 3, 1 b is a strain gauge resistance formed on the semiconductor pressure sensor chip 1, and 1 c is an overcoat that protects the surface of the semiconductor pressure sensor chip 1. As a material of the glass pedestal 2, for example, Pyrex glass (manufactured by Corning, product number # 7740, etc.) is used.
[0003]
A through hole 2a for applying pressure to the diaphragm 1a of the semiconductor pressure sensor chip 1 is formed at the center of the glass pedestal 2. The glass pedestal 2 is opposed to the through hole 4a of the metal pipe 4. In such an arrangement, the metal pipe 4 is joined. The glass pedestal 2 and the metal pipe 4 are joined by solder 9. In this case, the metallized layer 8 is formed on the surface of the glass pedestal 2 that is not bonded to the semiconductor pressure sensor chip 1 in order to bond with the solder 9. Examples of the metallized layer 8 include Cr (lowermost layer) / Pt / Au (uppermost layer), Ti (lowermost layer) / Ni / Au (uppermost layer), Ti (lowermost layer) / Pt / Au (uppermost layer), etc. Is mentioned. Examples of the solder 9 include tin, tin-antimony alloy, lead, tin-lead alloy, gold-silicon alloy, and tin-silver alloy.
[0004]
FIG. 3 shows a package using a metal stem package 30 as the package. Reference numeral 31 denotes a cap, which is connected to the metal stem by welding.
[0005]
The metal pipe 4 and the glass pedestal 2 are joined by solder 9 through the metallized layer 8. The solder 9 can be applied to the surface of the uppermost Au layer of the metallized layer 8.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor pressure sensor as described above, when the glass pedestal 2 and the metal pipe 4 are bonded by die bonding with the solder 9, the through hole 2a of the glass pedestal 2 and the metal pipe 4 are penetrated as shown in FIG. When the displacement of the joining position with the hole 4a occurs or as shown in FIG. 5, the diameter of the through hole 2a of the glass pedestal 2 is smaller than the diameter of the through hole 4a of the metal pipe 4, and the through hole 4a of the metal pipe 4 When the peripheral portion of the through hole 2a of the glass pedestal 2 is disposed above the solder 9, the solder 9 accumulates at the edge portion of the through hole 2a of the glass pedestal 2.
[0007]
In this case, as shown in FIG. 6, when the solder 9 is solidified, it solidifies from the periphery of the through hole 4a of the metal pipe 4 having a low temperature. Accordingly, when the solder 9 is solidified, a tensile stress is applied and a crack 10 is generated around the opening of the through hole 2a of the glass pedestal 2, so that there is a problem that the semiconductor pressure sensor chip 1 is destroyed. At this time, there is also a problem that stress is generated due to a difference in thermal expansion coefficient between the materials to be joined to the solder 9.
[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 thin film 11 made of the same material as the glass pedestal 2 is formed on the joint surface of the metal pipe 4 with the glass pedestal 2, and the metallized layer 8 a having the same composition as the metallized layer 8 is formed on the glass thin film 11. Is formed, and solder bonding is performed between the metallized layers 8 and 8a.
[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 glass pedestal 2, and Cr (the lowest layer, 2000 mm) as the metallized layers 8 and 8a. ) / Pt (2000 mm) / Au (top layer, 5000 mm), about 16 ppm / ° C., when Kovar is used as the metal pipe 4, it constitutes a semiconductor pressure sensor chip, 4.5 ppm / ° C. The silicon to be used is 3.0 ppm / ° C., and 15.9 ppm / ° C. when Au—Sn 20% solder is used as the solder 9. Although the thermal expansion coefficient of the solder 9 is large, the thermal expansion coefficients of both the metallized layers 8 and 8a sandwiching the solder 9 are made equal, so that the solder 9 is uniformly solidified. Therefore, distortion inside the solder 9 is reduced.
[0013]
According to the present embodiment, materials having the same composition are used for both metallized layers 8 and 8a located above and below the solder 9, and the thermal expansion coefficients are equal. The stress which generate | occur | produces can be reduced and the stress at the time of solidification applied to the corner | angular part of the opening part of the through-hole 2a of the glass base 2 is reduced. Moreover, since the thermal stress from the metal pipe 4 is relieved by the glass thin film 11 and the metallized layer 8a formed on the joint surface of the metal pipe 4 with the glass pedestal 2, the opening of the through hole 2a of the glass pedestal 2 is reduced. The stress at the time of solidifying the solder applied to the corner is further reduced.
[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 solder 9 is cracked even when using an Au—Sn 20% solder that has been easily cracked. Can be prevented.
[0015]
The glass pedestal 2 on which the metallized layer 8 is formed is bonded to the semiconductor pressure sensor wafer by anodic bonding on the opposite surface. As conditions for anodic bonding, heating is performed at about 400 ° C. in a vacuum atmosphere, and when a DC voltage of about 500 V to 800 V is applied so that the semiconductor pressure sensor wafer side becomes a positive electrode, atomic bonding is performed by electrostatic attraction. .
[0016]
The semiconductor pressure sensor wafer bonded to the glass pedestal 2 is diced into individual semiconductor pressure sensor chips 1 (about 2 to 3 mm square), which are placed on the metal pipe 4 of the package via the glass thin film 11 and the metallized layer 8a. It is die-bonded by solder 9 to have a structure as shown in FIG. The thickness of the solder 9 is 30 to 100 μm, and the size of the through hole 2a of the glass pedestal 2 on the semiconductor pressure sensor chip 1 side is about φ0.6 to 1.3 mm.
[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 SYMBOLS 1 Semiconductor pressure sensor chip 1a Diaphragm 1b Strain gauge resistance 1c Overcoat 2 Glass base 2a Through hole 3 Plastic package 4 Metal pipe 4a Through hole 4b Swelling part 5 Lead 6 Wire 7 Lid 8 Metallized layer 9 Solder 10 Crack 11 Glass Thin film

Claims

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半導体圧力センサ。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, and the semiconductor pressure sensor chip of the base In the semiconductor pressure sensor formed by forming a metallized layer on the surface opposite to the bonding surface of the metal plate and soldering the metal pipe of the package via the metallized layer, the pedestal is formed on the bonding surface with the pedestal of the metal pipe. A semiconductor pressure sensor characterized in that a thin film made of the same material is formed, 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.