JP5187229B2 - 薄膜温度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、小型で熱応答特性の優れた薄膜温度センサ及びその製造方法に関するものである。

例えば、情報機器、通信機器、医療用機器、住宅設備機器、自動車用伝送機器等の温度センサ、流量センサとして、大きな負の温度係数を有する酸化物半導体の焼結体からなるサーミスタチップがある。このサーミスタチップを用いた温度センサは、端子電極が形成されており、この電極面にはんだ付け等によってリード線を取り付けた構造のものである。又、サーミスタチップの寸法やリード線径を小さくすることによって、熱応答特性の良い温度センサとして使用されている。

しかし、上記のように製作された金属酸化物の焼結体からなるサーミスタチップは、強度面から、寸法を小さくするのに限界がある為、薄膜形成技術を用いた薄膜温度センサが開発され実用化されるようになった。この薄膜温度センサは、上記の金属酸化物の焼結体を、機械的強度の強い薄い基板上に成膜して、薄膜電極を形成することで、小型化が可能となり、チップに比べて熱容量が小さいために、熱応答特性の良い温度センサが可能となる。

従来、薄膜温度センサにおけるリード線と引き出し電極とを接合するために、電極膜上にＮｉ／Ｓｎめっきを行い、リード線とのはんだ接合を行うか、金ワイヤー等を用いたワイヤーバンプ法を使用してバンプを形成した後、リード線を接合する方法が採用されている。例えば、特許文献１には、薄膜温度センサのＰｔ等の電極とリード線とを接続するために、電極上にワイヤーバンプ法でバンプを形成し、このバンプ上にリード線をレーザ溶接により接続する技術が提案されている。

特開２００８−２４１５６６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記はんだ接合の場合、温度センサの使用温度範囲がはんだの融点以下に限定されてしまうと共に、はんだ接合部の肉盛りにより熱容量が増加して薄膜温度センサが持っている本来の熱応答速度の遅延につながってしまう不都合があった。
また、溶接のためにワイヤーバンプ法を用いてバンプを形成した場合も、同様にバンプの容積により素子の熱容量が増加して熱応答速度の遅延につながってしまう。さらに、バンプを形成してしまうと、リード線の最大高さが高くなり、後の工程での耐熱、耐熱応力、耐引っ張り応力強化のために素子表面にモールドする場合、さらに素子の容量及び熱容量が増加して熱応答速度の遅延につながってしまう不都合があった。特に、チップサイズが小さくなればなるほど、これらの問題が顕著に現れてしまう。また、ワイヤーバンプ法等では、電極のＰｔ膜の露出部分が多くあり、Ｐｔ膜が酸素透過性を有していることから、温度センサの感熱部分のセラミックス部分（サーミスタ薄膜）に保護膜を施しているのにかかわらず、酸素のやりとりが電極部分を介して行われてしまう不都合があった。特に、耐熱試験を行うと、抵抗値上昇等の電気特性が変化する現象が顕著に現れてしまう。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱容量の増加を抑制すると共に酸素の進行を防止して電気特性の変化を低減することができる薄膜温度センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の薄膜温度センサは、表面に絶縁層が形成された基板又は絶縁基板と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってＰｔでパターン形成されたＰｔ接合層と、該Ｐｔ接合層上にＮｉで形成されたＮｉめっき層と、該Ｎｉめっき層の表面に形成されたＮｉ酸化膜と、前記Ｎｉめっき層に接続されたリード線と、を備え、前記リード線が、前記Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さで前記Ｎｉめっき層の途中まで溶接されていることを特徴とする。

本発明の薄膜温度センサの製造方法は、基板上の絶縁層又は絶縁基板の上面にサーミスタ薄膜をパターン形成する薄膜形成工程と、前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘って、ＰｔによりＰｔ接合層をパターン形成する接合層形成工程と、前記Ｐｔ接合層上にＮｉめっきによりＮｉめっき層を形成すると共に該Ｎｉめっき層の表面にＮｉ酸化膜を形成する電極形成工程と、前記Ｎｉめっき層上にリード線をレーザ溶接するリード線溶接工程と、を備え、前記リード線を、前記Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さで前記Ｎｉめっき層の途中まで溶接することを特徴とする。

これらの薄膜温度センサ及びその製造方法では、リード線が、Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さでＮｉめっき層の途中まで溶接されるので、Ｎｉめっき層上を覆うＮｉ酸化膜によって酸素の進行が防止されると共に、Ｎｉ酸化膜よりも深く溶け込んでリード線が溶接されるため、高い引っ張り強度を得ることができる。すなわち、耐熱試験時のＮｉの酸化による電気特性の変化や、センサの感熱部分のサーミスタ薄膜に対する酸素のやりとりによる電気特性の変化が低減されると共に、溶接がＰｔ接合層の途中までに制御されることで絶縁層又は絶縁基板との接合を受け持つＰｔ接合層のダメージが少なく、高い接合強度が得られる。特に、厚く成膜することが容易なめっき法でＮｉめっき層を厚く形成することで、溶接の溶け込み深さ制御も容易になると共に、Ｐｔ接合層へのダメージをより低減することができる。また、リード線がはんだやバンプ等を使用せずに溶接されるため、熱容量の増加を抑制でき、高い熱応答速度を維持することができる。

また、本発明の薄膜温度センサは、前記リード線の溶接部分が、略球状に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の薄膜温度センサの製造方法は、前記レーザ溶接のレーザ光の照射位置を、前記リード線の先端から離した位置に設定し、前記リード線の溶接部分を略球状に形成することを特徴とする。

これらの薄膜温度センサ及びその製造方法では、リード線の溶接部分が略球状に形成されるので、溶接面積が増えると共に引っ張り強度の異方性が減少し、接合強度がさらに向上する。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法によれば、リード線が、Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さでＮｉめっき層の途中まで溶接されるので、熱容量の増加を抑制して高い熱応答速度を維持できると共に、酸素の進行が防止されて電気特性の変化を抑制できる。また、溶接部分がＮｉ酸化膜よりも深く溶け込むと共にＮｉめっき層の途中までに制御されるため、高い引っ張り強度及び接合強度を得ることができる。
したがって、はんだやバンプを使用せず、高い熱応答速度で安定した電気特性を確保することができ、品質及び信頼性の向上を図ることができる。

本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の一実施形態において、モールド前の薄膜温度センサを示す斜視図である。 本実施形態において、リード線の溶接部分を示す要部の拡大断面図である。 本実施形態の薄膜温度センサの製造方法において、ウエハ状での作製工程、チップ状に切り出した状態及びレーザ溶接工程を示す斜視図である。 本実施形態の薄膜温度センサの製造方法において、レーザ溶接後の状態及びモールド後の状態を示す斜視図である。 本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の実施例において、Ｐｔ接合層まで形成したチップ品とリード線溶接品（実施例）との抵抗値変化率を示すグラフである。 本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の実施例において、リード線溶接部分の断面を示すＳＥＭ像及びＣＯＭＰ像である。 本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の実施例において、リード線溶接部分の側面を示す拡大写真である。

以下、本発明に係る薄膜温度センサ及びその製造方法の一実施形態を、図１から図５を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材又は構成を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態の薄膜温度センサ１は、図１に示すように、アルミナ基板の絶縁基板３と、絶縁基板３の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜４と、絶縁基板３の上面からサーミスタ薄膜４の上面に亘ってＰｔでパターン形成された一対のＰｔ接合層５と、これらＰｔ接合層５上にＮｉで形成された一対のＮｉめっき層６と、これらＮｉめっき層６の表面に形成された一対のＮｉ酸化膜７と、これらＮｉめっき層６に接続された一対のリード線８と、を備えている。

上記サーミスタ薄膜４は、Ｍｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ₃Ｏ₄−Ｃｏ₃Ｏ₄系複合金属酸化物）又は、Ｍｎ−Ｃｏ系複合金属酸化物に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕのうち少なくとも一種類の元素を含む複合金属酸化物（例えば、Ｍｎ₃Ｏ₄−Ｃｏ₃Ｏ₄−Ｆｅ₂Ｏ₃系複合金属酸化物）からなる複合金属酸化物膜である。

本実施形態のサーミスタ薄膜４は、絶縁基板３の上面に、スパッタリング法により平面視略正方形状に成膜されたものである。
このサーミスタ薄膜４は、半導体の性状を呈し、温度が上昇すると抵抗が低くなる負特性、いわゆるＮＴＣサーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）の性質を有している。

一対のＰｔ接合層５は、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って形成されている。この一対のＰｔ接合層５は、一対のＮｉめっき層６の下地層となるものであり、成膜される面の材料（本実施形態では絶縁基板３及びサーミスタ薄膜４）との接合強度がＮｉめっき層６よりも高い。また、本実施形態のＰｔ接合層５は、サーミスタ薄膜４の上面に形成され互いに対向した一対の櫛歯部５ａと、各櫛歯部５ａに接続された一対の引き出し電極である電極パッド部５ｂと、を有している。このＰｔ接合層５の厚さは、１００〜１０００ｎｍに設定されている。

一対のＮｉめっき層６は、絶縁基板３上に形成されたＰｔ接合層５の電極パッド部５ｂ上に積層されて引き出し電極としての電極パッドを構成している。このＮｉめっき層６の厚さは、３０μｍ程度である。
上記Ｎｉ酸化膜７は、Ｎｉめっき層６の表面に形成された自然酸化膜又はＮｉめっき層６の表面を熱酸化処理して形成したものであり、厚さは、０．１μｍ程度である。

上記リード線８は、ステンレス（ＳＵＳ）線であって、図２に示すように、Ｎｉ酸化膜７よりも深い溶け込み深さでＮｉめっき層６の途中まで溶接されている。また、リード線８の溶接部分は、内部の溶け込み部分も含めて略球状に形成されている。なお、本実施形態のリード線８は、φ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４線である。

なお、サーミスタ薄膜４及び櫛歯部５ａ上には、これらを内部に封止する保護膜（図示略）が形成されている。この保護膜は、櫛歯部５ａ及びサーミスタ薄膜４を覆うように平面視略正方形状に形成されている。この保護膜は、例えば、厚さ１００〜１０００ｎｍのＳｉＯ₂膜である。但し、これに限られず、絶縁性で外部雰囲気を遮断できれば、ガラスや耐熱樹脂等の膜でも構わない。

また、図４の（ｂ）に示すように、この薄膜温度センサ１は、リード線８の先端部分及びサーミスタ薄膜４を含んで表面全体が封止材９によって覆われている。この封止材９は、表面に滴下したセラミックスモールド材又はガラスペーストを焼成してモールドしたものである。

次に、このように構成された薄膜温度センサ１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。

まず、図３の（ａ）に示すように、絶縁基板３のウエハＷ表面にサーミスタ薄膜４をパターン形成する薄膜形成工程を行う。即ち、絶縁基板３の全面に所定のスパッタ条件で上述した複合金属酸化物膜をスパッタリング法で成膜する。

続いて、フォトリソグラフィ技術により、複合金属酸化物膜の上面であってサーミスタ薄膜４を形成する領域にフォトレジスト膜をパターニングする。そして、フォトレジスト膜をマスクとして、所定の溶液を利用したウェットエッチング加工によりマスクされていない複合金属酸化物膜を選択的に除去する。そして、マスクとしていたフォトレジスト膜を除去する。これにより、絶縁基板３の上面に平面視略正方形状のサーミスタ薄膜４をパターン形成することができる。この後、耐熱性向上のため必要に応じて所定温度及び所定時間でアニール処理を行う。

次いで、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って、一対のＰｔ接合層５をパターン形成する接合層形成工程を行う。すなわち、まず、サーミスタ薄膜４の上面から絶縁基板３の上面に亘って、一対のＰｔ接合層５が形成される領域以外の部分にリフトオフ法により、フォトレジスト膜を塗布する。続いて、Ｐｔをスパッタリング法により成膜する。これにより、一対のＰｔ接合層５をパターン形成することができる。

続いて、Ｎｉめっき時の櫛歯部５ａ上への析出を防ぐために、めっき用レジスト１０（図中のハッチング領域）を施し、Ｐｔ接合層５の電極パッド部５ｂ上に、スルファミン酸Ｎｉめっき浴によりＮｉめっきを３０μｍ程度成膜し、Ｎｉめっき層６を形成する。この際又はこの後の大気中においてＮｉめっき層６の表面には、自然酸化膜としてＮｉ酸化膜７が形成される。なお、酸素含有の雰囲気中で熱処理を施してＮｉめっき層６の表面に熱酸化膜のＮｉ酸化膜７を形成しても構わない。なお、Ｎｉ酸化膜７は、４００℃１２０ｈで０．１μｍ以上に成膜されるが、初期の数時間で０．１μｍまで達した後、微増に推移する成膜傾向がある。この後、図３の（ｂ）に示すように、ダイシングを行ってチップ状に切り出す。

次に、図３の（ｃ）に示すように、平坦なＮｉめっき層６及びＮｉ酸化膜７上に配したリード線８の先端部分にレーザ溶接を行ってリード線８の先端部をＮｉめっき層６に溶接する。このとき、リード線８を、図２に示すように、Ｎｉ酸化膜７よりも深い溶け込み深さでＮｉめっき層６の途中まで溶接する。なお、本実施形態では、リード線８の溶接部分８ａが、１８μｍ程の溶け込み深さとなるように、レーザ溶接を制御している。

また、図３の（ｃ）に示すように、レーザ溶接のレーザ光Ｌの照射位置を、リード線８の先端から若干離した位置に設定し、リード線８の溶接部分８ａを略球状に形成する。すなわち、レーザ光Ｌをリード線８の先端に照射すると、融液が線方向に逃げて肉盛りのない溶接部分となってしまうが、リード線８の先端から若干離した位置にレーザ光Ｌを照射することで、図４の（ａ）に示すように、レーザ光Ｌの照射位置からリード線８の先端までが液状化した融液が表面張力により線方向に移動して略球状になった状態で固化され、肉盛りのある溶接部分８ａとなる。なお、先端の略球状部分の容積は、レーザ光Ｌの照射位置（リード線８の先端からの距離）でコントロール可能であり、無駄な容積が存在せず、接合に最適な形状を得ることができる。

この後、図４の（ａ）に示すように、めっき用レジスト１０を除去し、図４の（ｂ）に示すように、セラミックスモールド材又はガラスペーストを、リード線８の先端部を含む表面全体を覆うようにディスペンサーで表面に滴下、焼成し、封止材９としてモールドすることで、薄膜温度センサ１が作製される。

このように本実施形態の薄膜温度センサ１及びその製造方法では、リード線８が、Ｎｉ酸化膜７よりも深い溶け込み深さでＮｉめっき層６の途中まで溶接されるので、Ｎｉめっき層６上を覆うＮｉ酸化膜７によって酸素の進行が防止されると共に、Ｎｉ酸化膜７よりも深く溶け込んでリード線８が溶接されるため、高い引っ張り強度を得ることができる。すなわち、耐熱試験時のＮｉの酸化による電気特性の変化や、センサの感熱部分のサーミスタ薄膜４に対する酸素のやりとりによる電気特性の変化が低減されると共に、溶接がＰｔ接合層５の途中までに制御されることで絶縁基板３との接合を受け持つＰｔ接合層５のダメージが少なく、高い接合強度が得られる。

特に、厚く成膜することが容易なめっき法でＮｉめっき層６を厚く形成することで、溶接の溶け込み深さ制御も容易になると共に、Ｐｔ接合層５へのダメージをより低減することができる。
また、Ｐｔ接合層５は１μｍ以下と薄いため、引き出し電極としてＰｔと接合性の良いＮｉを生産性の高いめっき法で厚く成膜してＮｉめっき層６とすることで、より高い接合強度及び酸化防止効果を得ることができる。

また、リード線８がはんだやバンプ等を使用せずに溶接されるため、熱容量の増加を抑制でき、高い熱応答速度を維持することができる。
さらに、リード線８の溶接部分８ａが略球状に形成されるので、溶接面積が増えると共に引っ張り強度の異方性が減少し、接合強度がさらに向上する。なお、ＳＵＳ線であるリード線８とＮｉめっき層６とは、溶接性が良好であり、特に耐応力性が高くなる。

次に、本発明に係る薄膜温度センサを上記実施形態の製造方法で実際に製造した実施例を、図５から図７を参照して具体的に説明する。
上記実施形態の製造方法に基づいて作製し、リード線を溶接した薄膜温度センサの実施例について、２００℃での耐熱試験を行って抵抗値変化率を調べた結果を図５に示す。また、比較例として、Ｐｔ接合層まで形成したチップ品を作製し、同様に耐熱試験を行った結果も併せて図５に示す。

この結果からわかるように、Ｐｔ接合層が露出している比較例に対して、本実施例は、抵抗値変化率が少ない。

また、上記実施例について、溶接部分の断面のＳＥＭ像（二次電子像）及びＣＯＭＰ像（反射電子組成像）による観察結果を、図６に示す。この結果から、リード線の溶接部分が、Ｎｉめっき層の表面から１７μｍ深く溶接されていることがわかる。
なお、図７に示すように、リード線の先端部は、溶接部分が球形状となった肉盛りのある構造であることがわかる。なお、溶接部分の下部は、図６に示すように、半球状にＮｉめっき層内に埋まっている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、アルミナ基板の絶縁基板を用いた場合を例にしたが、これに限られず、石英基板等の絶縁基板や、表面に熱酸化によるＳｉＯ₂層の絶縁層が形成されたシリコン基板又はその他の半導体基板でも構わない。

１…薄膜温度センサ、３…絶縁基板、４…サーミスタ薄膜、５…Ｐｔ接合層、６…Ｎｉめっき層、７…Ｎｉ酸化膜、８…リード線、８ａ…リード線の溶接部分、Ｌ…レーザ光

Claims (4)

1. 表面に絶縁層が形成された基板又は絶縁基板と、
   前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面にパターン形成されたサーミスタ薄膜と、
   前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘ってＰｔでパターン形成されたＰｔ接合層と、
   該Ｐｔ接合層上にＮｉで形成されたＮｉめっき層と、
   該Ｎｉめっき層の表面に形成されたＮｉ酸化膜と、
   前記Ｎｉめっき層に接続されたリード線と、を備え、
   前記リード線が、前記Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さで前記Ｎｉめっき層の途中まで溶接されていることを特徴とする薄膜温度センサ。
2. 請求項１に記載の薄膜温度センサにおいて、
   前記リード線の溶接部分が、略球状に形成されていることを特徴とする薄膜温度センサ。
3. 基板上の絶縁層又は絶縁基板の上面にサーミスタ薄膜をパターン形成する薄膜形成工程と、
   前記絶縁層又は前記絶縁基板の上面から前記サーミスタ薄膜の上面に亘って、ＰｔによりＰｔ接合層をパターン形成する接合層形成工程と、
   前記Ｐｔ接合層上にＮｉめっきによりＮｉめっき層を形成すると共に該Ｎｉめっき層の表面にＮｉ酸化膜を形成する電極形成工程と、
   前記Ｎｉめっき層上にリード線をレーザ溶接するリード線溶接工程と、を備え、
   前記リード線を、前記Ｎｉ酸化膜よりも深い溶け込み深さで前記Ｎｉめっき層の途中まで溶接することを特徴とする薄膜温度センサの製造方法。
4. 請求項３に記載の薄膜温度センサの製造方法において、
   前記レーザ溶接のレーザ光の照射位置を、前記リード線の先端から離した位置に設定し、前記リード線の溶接部分を略球状に形成することを特徴とする薄膜温度センサの製造方法。