JP4229544B2 - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【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ールバンプを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、ボールバンプとパッドの間にリードワイヤを挟み込み、かつボールバンプがパッドとリードワイヤとに結合していることにより、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。
またこの発明は、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ワイヤを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、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、かつ前記ワイヤがパッドと前記リードワイヤとに結合していることにより、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。
【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ボール状に成型し、成型したボールを、前記リードワイヤの一端部付近を覆うように、前記パッドと前記リードワイヤの一端部付近とにボンディングすることを特徴とする。
【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ールバンプを用い、このボールバンプをリードワイヤを覆うように基板に設けたパッドに結合させる。ボールバンプは金あるいは金合金からなるので、パッドとの付着は容易であり、その結合強度も高い。同様にボールバンプは、リードワイヤとも容易に結合する。そこでボールバンプとパッドとの結合、ならびにボールバンプと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。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。しかしながらボールバンプ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】
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。
【0012】
【実施例】
実施例1,2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ZrO2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)、Pt−Ni、Pt−Cu、Pt−Fe、Pt−ZGS、Au−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10〜50μm、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45ms、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18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18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18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、100〜200℃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、参考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は参考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(参考例)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2の参考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2の参考例でのボンディング工程を示す。このガスセンサは、Pt−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22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SnO2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】 参考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】 参考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2の参考例のガスセンサの平面図
【図12】 第2の参考例でのボンディング工程を示す図[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to a gas sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to lead wire bonding.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-68512 discloses bonding of lead wires for gas sensors. In this publication, for example, a high-resistance noble metal alloy wire such as Pt—W is bonded to a gold-platinum two-layer pad provided on a sensor chip. Prior to bonding to the pad, the noble metal alloy wire is bonded to the frame, the chip is positioned with respect to the noble metal alloy wire on the frame, and the noble metal alloy wire is bonded to the pad by parallel gap bonding or the like. The bonding strength at this time is about 20 gf and is relatively weak. Next, in order to compensate for the lack of bonding strength, a gold paste or the like is applied in a dot shape so as to cover the pad and the lead wire, and dried and baked to reinforce the bonding portion. After that, an unnecessary lead wire between the pads is cut, and the wire is cut from the frame and bonded to the stem.
[0003]
The basic problem of this bonding method is that the bonding strength of the lead wire to the pad is low. In order to compensate for this, a gold paste application process and a drying / firing process are required. Also, since the bonding strength of the lead wire to the pad is low and bonding is difficult, the lead wire is bonded to the frame and positioned before bonding to the pad. For this reason, a frame is required, and the length of the lead wire connecting the frames of the frame is generally longer than the length between the stems, so that most of the lead wire is wasted. Furthermore, the lead wire between the pads must be cut and removed, which is also troublesome. Therefore, as a whole, a considerable number of processes are required for bonding, and material loss such as loss of lead wires is large.
[0004]
[Problems of the Invention]
A basic object of the present invention is to facilitate the bonding work of lead wires and to improve the bonding strength.
[0005]
[Structure of the invention]
In the gas sensor according to the present invention, a ball bump made of gold or a gold alloy is coupled to the pad and the lead wire so as to cover the lead wire in a gas sensor in which a lead wire is bonded to a pad provided on a chip of the gas sensor body. Thus, the lead wire is sandwiched between the ball bump and the pad, and the lead wire is bonded to the pad by bonding the ball bump to the pad and the lead wire.
Further, according to the present invention, in a gas sensor in which a lead wire is bonded to a pad provided on a chip of a gas sensor main body, a wire made of gold or a gold alloy is bonded to the pad and the lead wire so as to cover the lead wire. The lead wire is sandwiched between the wire and the pad, and the lead wire is bonded to the pad by bonding the wire to the pad and the lead wire.
[0006]
In the gas sensor manufacturing method of the present invention, a chip-shaped gas sensor main body having a pad formed thereon is used to chuck a lead wire that has been cut to a predetermined length, and one end portion of the lead wire is disposed on the pad, and a gold wire or the gold alloy wire by unwinding from the jig and molded into a ball shape, a molded ball, so as to cover the vicinity of one end portion of the lead wire, and characterized by bonding to the vicinity of one end of the lead wire and the pad To do.
[0007]
[Operation and effect of the invention]
In the first aspect of the invention, a ball bump made of gold or a gold alloy is used, and the ball bump is bonded to a pad provided on the substrate so as to cover the lead wire. Since the ball bump is made of gold or a gold alloy, it can be easily attached to the pad and has high bonding strength. Similarly, the ball bump is easily bonded to the lead wire. Therefore, the lead wire is bonded to the pad by bonding the ball bump and the pad and bonding the ball bump and the lead wire. Here, the lead wire is preferably a noble metal high resistance alloy wire such as Pt—W, Pt—Ni, Pt—Fe, Au—Pd—Mo, or Pt—ZGS. Such a noble metal-based high resistance alloy wire is suitable for reducing the power consumption of the gas sensor because of its low thermal conductivity. Further, since an additive is added to a noble metal such as Pt or Au as a base material to change the characteristics, bonding is difficult. However, since the gold or gold alloy (for example, Au—Cu, Au—Pd) of the ball bump is easily bonded to a noble metal high resistance alloy wire or the like, high bonding strength can be obtained.
[0008]
This facilitates bonding of the lead wire and the pad . Since sufficient bonding strength can be obtained only by bonding, a work such as applying a gold paste, drying and baking is unnecessary. Also, since bonding is easy, there is no need to stretch the lead wire to a frame or the like, and it is possible to bond a wire cut to a predetermined length from the beginning.
[0009]
The bonding partner is a pad provided on the chip of the gas sensor body, and the pad is particularly preferably a pad containing gold such as an Au—Pt alloy and a platinum-based noble metal. Such a pad may be, for example, a two-layer pad in which the upper layer is gold and the lower layer is a platinum-based noble metal, or may be an alloy-based one-layer pad in which these components are mixed.
[0010]
In handling the bonding material, for example, a gold wire or a gold alloy wire is heated with a torch or the like to be formed into a ball shape, this ball is wire-bonded onto the lead wire, and the lead wire is bonded to the pad with a ball bump. good. Alternatively, a gold wire or a gold alloy wire may be pulled out from a capillary or the like, placed on the pad so as to cross the lead wire, and bonded, and the lead wire may be pressed onto the pad.
[0012]
【Example】
Examples 1 and 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a
[0013]
Reference numeral 8 denotes a metal oxide semiconductor as a sensitive film of the gas sensor, and here is a SnO2 film. As a gas sensor, in addition to a gas sensor using a metal oxide semiconductor such as SnO2, a solid electrolyte gas sensor using ZrO2 or a catalytic combustion type gas sensor can be used. In the case of a solid electrolyte gas sensor using ZrO2, the substrate 4 itself may be ZrO2. The
[0014]
FIG. 3 schematically shows a bonding process in the embodiment for comparison with a conventional example that involves cutting unnecessary portions of the frame and lead wires. The
[0015]
The number of
[0016]
FIG. 4 shows bonding by ball bumps in the first embodiment.
[0017]
Bonding was performed so that the tip of the
[0018]
Bonding, such as alloy formation, occurs between the
[0019]
FIG. 5 shows bonding by wedge bonding in the second embodiment. The
[0020]
FIG. 6 shows bonding in micro arc bonding in the reference example . The
[0021]
7 to 9 show the completed state of bonding according to the first to third embodiments. FIG. 7 shows a bonding portion by the
[0022]
Under the conditions of the first example, the average bonding load (peeling load) of 10 sensors was about 100 gf. Similarly, it was about 80 gf for wedge bonding (second example) and about 60 gf for micro spot bonding ( reference example ). On the other hand, in ordinary parallel gap bonding, the average bonding load was 22 gf. In particular, in the method using gold ball bumps, the strength was about five times that of normal bonding, and the bonding strength was remarkably improved. FIG. 10 shows the
[0023]
11, as the second reference example shows the bonding of different kinds of gas sensors, showing the bonding process of the second reference example in FIG. 12. This gas sensor has a noble
[0024]
This gas sensor is manufactured by the following procedure. The
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a sensor chip before bonding. FIG. 2 is a cross-sectional view of the sensor chip before bonding. FIG. 3 is a diagram schematically showing a bonding process of an embodiment. Cross-sectional view showing bonding by ball bump [FIG. 5] Cross-sectional view showing bonding by wedge bonding in the second embodiment [FIG. 6] Cross-sectional view showing micro arc bonding in the reference example [FIG. 7] First implementation FIG. 8 is a cross-sectional view showing bonding locations in the second embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view showing bonding locations in the reference example . FIG. 10 is a cross-sectional view showing bonding locations in the second embodiment. FIG. 11 is a plan view of the gas sensor of the second reference example . FIG. 12 is a diagram showing a bonding process in the second reference example .
Claims (3)
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ールバンプを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、ボールバンプとパッドの間にリードワイヤを挟み込み、かつボールバンプがパッドとリードワイヤとに結合していることにより、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。 A ball bump made of gold or a gold alloy is bonded to the pad and the lead wire so as to cover the lead wire, the lead wire is sandwiched between the ball bump and the pad, and the ball bump is connected to the pad and the lead wire. A gas sensor, wherein a lead wire is bonded to a pad by being bonded to the pad.
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ワイヤを前記パッドと前記リードワイヤとに結合させて、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、かつ前記ワイヤがパッドと前記リードワイヤとに結合していることにより、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。 A wire made of gold or a gold alloy is bonded to the pad and the lead wire so as to cover the lead wire, and the lead wire is sandwiched between the wire and the pad, and the wire is connected to the pad and the lead wire. A gas sensor in which a lead wire is bonded to a pad by being bonded to the pad.
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ボール状に成型し、
成型したボールを、前記リードワイヤの一端部付近を覆うように、前記パッドと前記リードワイヤの一端部付近と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。Using a chip-shaped gas sensor body with a pad,
Chuck a lead wire that has been cut to a predetermined length,
Place one end of the lead wire near the pad,
A gold wire or a gold alloy wire is drawn out from a jig and formed into a ball shape .
A method of manufacturing a gas sensor, comprising bonding a molded ball to the pad and one end portion of the lead wire so as to cover the vicinity of one end portion of the lead wire .
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