JP6726802B2 - 物理量測定装置およびその製造方法ならびに物理量測定素子 - Google Patents

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    • H01L2224/29363—Base material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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Description

本発明は、たとえば圧力等の物理量を測定する物理量測定装置およびその製造方法ならびに物理量測定素子に関する。
物理量測定装置とは、例えば車両などに搭載される圧力センサやトルクセンサなどを指し、シリコンからなる半導体素子を実装されることで構成され、エンジンの燃料圧、ブレーキ油圧、各種ガス圧等の測定に用いられる。
従来の圧力測定装置としては、半導体素子が実装されるのは、通常、金属のダイアフラムである。このダイアフラムの材質としては、シリコンに近い熱膨張係数を有するＦｅ−Ｎｉ系合金などが使用される場合もあるが、耐力や腐食性などの観点からステンレス系のダイアフラムを使用することが求められる。
しかしながら、ステンレスと半導体素子とは、熱膨張係数が大きく異なるため、接合時の冷却工程で接合層に大きな応力が発生する。そのため、接合時の応力を緩和できるはんだや樹脂等で接着することが望まれるが、これらの材料はクリープするため、接合には良いが圧力測定装置としては望ましくない。
上記の課題を解決するため、例えば特許文献１では接着材として脆性材料であるガラスを用い、このガラスを多層構造とすることで接合時の熱応力を低減する方法が開示されている。しかしながら、特許文献１の方法では、脆性材料のみで構成されるため、接合時にかかる熱応力の緩和が不十分であった。そのため、特に熱応力として厳しくなる−４０℃の低温での耐久試験を実施すると、センサ出力がドリフトするという課題が存在した。
ＷＯ２０１５／０９８３２４公報
そこで本発明の目的は、接合時の熱応力を緩和し、且つクリープやセンサ出力のドリフトを抑制できる信頼性の高い物理量測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る物理量測定装置は、半導体素子と、前記半導体素子と複数の層を介して接続される基台と、を有する物理量測定装置において、前記複数の層の中に、少なくとも金属が主成分となる応力緩和層と、ガラスが主成分であるガラス層がそれぞれ１層以上形成されており、前記応力緩和層もしくは前記ガラス層の中のうち、少なくともどちらか一方には低融点ガラスが含まれ、前記低融点ガラスの軟化点は、前記半導体素子の耐熱温度以下であることを特徴とする。
本発明によれば、接合時の熱応力を十分に緩和することができ、かつクリープやセンサ出力のドリフトを抑制できる信頼性の高い物理量測定装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る圧力測定装置全体の断面概略図である。 本発明の一実施形態に係る圧力測定装置全体の回路図である。 本発明の一実施形態に係る接合体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る接合体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る接合体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る接合体の断面図である。 本発明の一実施形態に係る接合体の断面図である。 ガラス組成物のＤＴＡ測定で得られるＤＴＡカーブの一例である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明は、半導体素子を使用して検出する物理量であれば特に制限されるものではないが、以下では検出する物理量の一例として、圧力検出装置について述べる。そして、本発明は、下記実施例の記載に限定されることはなく、また、適宜組み合わせてもよい。下記の実施例では、半導体素子を搭載する基台の例として、金属製のダイアフラム１４を例に示している。
（圧力測定装置）
図１は、圧力測定装置１００の概念図である。
圧力測定装置１００は、圧力ポート１１とダイアフラム１４とフランジ１３とが形成される金属筐体１０と、圧力ポート１１内の圧力を測定する半導体素子１５と、半導体素子１５と電気的に接続される基板１６と、カバー１８と、外部と電気的に接続するためのコネクタ１９とを備える。
圧力ポート１１は、軸方向の一端側（下側）に圧力導入口１２ａが形成された中空筒状の圧力導入部１２ｈａと、圧力導入部１２ｈａの軸方向の他端側（上側）に形成された円筒状のフランジ１３とを備えている。フランジ１３の中央部位には、圧力によって変形し歪を生じるダイアフラム１４が立設されている。
ダイアフラム１４は、圧力導入口１２ａから導入された圧力を受ける受圧面と、受圧面とは反対の面のセンサ搭載面とを有する。
圧力ポート１１の圧力導入部１２ｈａの、ダイアフラム１４側の半導体素子１５に対向する先端部１２ｈａｔは矩形形状になっており、フランジ１３の中央部とダイアフラム１４の上部表面より若干低い高さの部位まで連続して穿設されている。この先端部１２ｈａｔの矩形形状によって、ダイアフラム１４にはｘ方向−ｙ方向の歪差が生じる。
半導体素子１５は、ダイアフラム１４のセンサ搭載面のほぼ中央部に接合されている。半導体素子１５は、シリコンチップ上にダイアフラム１４の変形（歪）に応じた電気信号を出力する１つ以上の歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃを備える半導体チップとして構成される。
基板１６は、半導体素子１５から出力された各検出信号を増幅するアンプ、そのアンプのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、そのデジタル信号に基づいて後述する補正演算を行うデジタル信号演算処理回路、各種データが格納されたメモリおよびコンデンサ１７等が搭載されている。
カバー１８の軸方向他端を閉塞する閉塞板１８ａの、中央よりの所定径範囲は切り欠かれており、その切欠部には例えば樹脂等により形成され、圧力測定装置１００で検出された検出圧力値を外部に出力するためのコネクタ１９が挿入されている。
コネクタ１９の一端はカバー１８内においてカバー１８に固定され、コネクタ１９の他端はカバー１８から外部へ露出している。
このコネクタ１９の内部には、例えばインサート成型により挿入された棒状のターミナル２０を有している。このターミナル２０は、例えば電源用、接地用、信号出力用の３本で構成され、各ターミナル２０の一端は前記基板１６に接続されており、他端が図示省略の外部コネクタに接続されることによって、自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続される。
図２は半導体素子１５の複数の歪抵抗ブリッジと基板１６に搭載された各回路部品の回路図である。
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜ｃは、それぞれダイアフラム１４の変形に応じて歪むことで抵抗値が変化する抵抗ゲージをブリッジ接続して構成されている。
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃの出力信号（圧力に相当するブリッジ信号）は、アンプ３１ａ〜３１ｃによって増幅され、その増幅出力信号はＡ−Ｄ（アナログ−デジタル）変換器３２ａ〜３２ｃによってデジタル信号に変換される。
デジタル信号演算処理回路３３は、Ａ−Ｄ変換器３２ａ〜３２ｃの出力信号に基づいて、例えば１つの歪抵抗ブリッジ３０ａで検出された圧力値をその他の歪抵抗ブリッジ３０ｂ，３０ｃの検出圧力値によって補正する演算処理を行って、その補正した圧力値を圧力測定装置の検出値として出力する。
このデジタル信号演算処理回路３３は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発メモリ３４に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や半導体素子１６の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。
尚、電圧源３５から歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路３３からの各信号の出力は、図１、図２のターミナル２０を介して行われる。
不揮発性メモリ３４は、その他の回路部品とは異なる回路チップに搭載されていてもよい。また、デジタル信号演算処理回路３３の代わりに前記補正演算をアナログ回路で行うように構成してもよい。
（半導体素子とダイアフラムとの接合部）
図３は、本実施例における半導体素子１５とダイアフラム１４との接合体の断面を示す。
ダイアフラム１４と半導体素子１５とは、絶縁層２１と接合層２２と応力緩和層２３を介して接合されている。
ダイアフラム１４の材質には、耐食性を有することと、高圧にも対応できるように高耐力であることが求められる。そのため、例えば、ＳＵＳ６３０やＳＵＳ４３０などが採用される。
このとき、半導体素子１５の材料としてはシリコン（熱膨張係数：３７×１０−７／℃）が用いられるため、被接合材であるダイアフラム１４のＳＵＳ６３０（熱膨張係数：１１３×１０−７／℃）との熱膨張係数の違いによって接合不良となりやすい。そのため、これら熱膨張係数の異なる部材を接合するために応力緩和層２３を介して接合することで接合の信頼性や安定性を向上させている。ここで、本発明における熱膨張係数とは、５０〜２５０℃の温度範囲での測定した値のことを指す。
絶縁層２１と接合層２２と応力緩和層２３は、環境への配慮から無鉛の材料で構成されることが望ましい。本発明でいう無鉛とは、ＲｏＨＳ指令（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ： ２００６年７月１日施行）における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。
接合層２２は、低融点ガラスを含む。図８にガラスの代表的なＤＴＡ曲線を示す。図８に示すように、第二吸熱ピークを軟化点（Ｔｓ）とした。ここでいう低融点ガラスとは、軟化点が６００℃以下のものを指す。半導体素子の耐熱温度以下で接合しなくてはいけないため、ガラスの軟化点は半導体素子の耐熱温度以下でなくてはならない。低融点ガラスの例として、組成中にバナジウム、銀、テルル元素のうち少なくとも２種類以上含むものが挙げられる。また、組成中に銀を含む場合には、ガラスの軟化点を３００℃以下にすることができ、低温度での接合が出来る。そのため、接合信頼性がより向上する。
絶縁層２１は、絶縁性であることが求められる。これは、絶縁性とすることで自動車等へ実装時にダイアフラム１４から半導体素子１５へかかるノイズを抑制することができるためである。本発明でいう絶縁性とは、体積抵抗率で１０１０Ωｃｍ以上のことを指す。
絶縁層２１に関しては、絶縁性であれば特に規定されるところではなく、一般的なガラス材料などを用いることができる。また、ペーストで熱処理により形成される場合には、結晶化ガラスであっても良い。また、絶縁層２１の厚みは特に規定されるものではなく、５〜５００μｍ程度まで幅広く使用できるが、信頼性とセンサとしての出力の関係から特に好ましいのは２０μｍ以上３００μｍ以下である。
応力緩和層２３は、金属が主成分となる。ここでいう主成分とは、体積で５０％以上含まれる状態を示す。この応力緩和層２３に含まれる金属は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｗ、Ｃｒから選ばれる少なくとも１種類である。これらの金属を応力緩和層として用いることで、信頼性の高い物理量測定装置を提供することができる。
応力緩和層２３の形成方法としては、特に限定されるところではないが、スパッタ法やめっき法、蒸着法などによって、半導体素子上または基台上に形成することができる。このスパッタ法などによって、単一の金属層を応力緩和層として機能させる場合においては、応力緩和層の厚みが合計で０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、１．５μｍ以上５μｍ以下である。これは、あまりに厚みが薄い場合には、応力緩和の効果がなくなってしまうためであり、厚みが厚すぎる場合には、高温でクリープの影響が大きくなってしまうためである。
図３における絶縁層２１と接合層２２と応力緩和層２３の順序については、特に規定されるところではなく、後述するように、図３〜図７に示すような様々な組み合わせが考えられる。これらに示すように、絶縁層２１と接合層２２と応力緩和層２３は、それぞれ一層以上あっても良い。また、例えば図４(ａ)、図６、図７に示すように接合層と応力緩和層の両方の機能を持たせた応力緩和接合層２４のような場合にすることも可能である。したがって、応力緩和層２３を接合構造の中のどこに設けるかについても特に限定されるところではない。
（ガラスＧ１の作製）
接合層形成ペーストに用いるガラスの作製法としては、特に限定されるところではないが、原料となる各酸化物を配合・混合した原料を白金ルツボに入れ、電気炉で５〜１０℃／分の昇温速度で８００〜１１００℃まで加熱し、数時間保持することで作製することができる。保持中は均一なガラスとするために攪拌することが望ましい。ルツボを電気炉から取り出す際には、ガラス表面への水分吸着を防止するために予め１００〜１５０℃程度に加熱しておいた黒鉛鋳型やステンレス板上に流し込むことが望ましい。
本実施例におけるガラスＧ１の作製は、以下の手順で行った。原料化合物として、五酸化バナジウムを４５質量％、酸化テルルを３０質量％、酸化第二鉄を１５質量％、五酸化リンを１０質量％を配合・混合した混合粉末１ｋｇを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて５〜１０℃／ｍｉｎ（℃／分）の昇温速度で１０００℃の加熱温度まで加熱して２時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め１００℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込みガラスＧ１を得た。また、このガラスの軟化点は３５５℃であった。
（接合層形成ペーストの作製）
接合層２２を作製するに当たり接合層形成ペーストを作製した。接合層形成ペーストは、上記で作製したガラスを平均粒径（Ｄ５０）が約３μｍになるまでジェットミルを用いて粉砕したのち、同じく約３μｍ程度のフィラとして、Ｚｒ２（ＷＯ４）（ＰＯ４）２（ＺＷＰ）をガラスに対して３０体積％加えた。この混合物に対し、バインダー樹脂としてエチルセルロースを、溶剤としてブチルカルビトールアセテートを加えて混錬し、接合層形成ペーストを作製した。
接合層形成ペーストに用いる溶剤としては、特に限定されるところではないが、ブチルカルビトールアセテートやα―テルピネオールを用いることができる。
接合層形成ペーストに用いるバインダーとしては、特に限定されるところではないが、エチルセルロースやニトロセルロースなどを用いることができる。
（応力緩和層の形成）
被接合材である半導体素子（熱膨張係数：３７×１０−７／℃）の接合面に、応力緩和層としてＡｌ膜をＤＣスパッタにより形成した。そのときのＡｌ膜の厚みを表１に示す（Ａ３〜Ａ１２）。このとき、半導体素子とＡｌ膜の間にはＡｌ膜の接着層としてＴｉを２５０ｎｍ形成した。また、比較として半導体素子の接合面は、未処理のもの（Ａ１）と、酸化処理したもの（Ａ２）の２種類を用いた。
（圧力測定装置の作製及び評価）
被接合材として、表１に示す厚みの応力緩和層を形成した半導体素子とＳＵＳ６３０製ダイアフラム（熱膨張係数：１１０×１０−７／℃）を用いた。このダイアフラムの上面に絶縁層形成ペーストとして、市販のＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＢａＯ系ガラスペースト（ＤｕＰｏｎｔ社製 熱膨張係数：７１×１０−７／℃）を形成した。形成は、スクリーン印刷を用いてダイアフラム上に絶縁層形成ペーストを印刷後、１５０℃で３０ｍｉｎ乾燥後、８５０℃にて１０ｍｉｎ焼成することで約２０μｍの絶縁層を形成した。この絶縁層の上面に、上記で作製した接合層形成を同様にスクリーン印刷にて塗布し、４００℃にて３０ｍｉｎ保持することで仮焼成を実施して約２０μｍの接合層を形成した。その後、この接合層の上面に応力緩和層を形成したシリコン基板を設置してシリコン基板の上面から荷重を付加し、４００℃にて１０ｍｉｎ保持することで接合体を作製した。作製した接合体に対して、以下のせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。せん断強度試験は、接合の接着強度を評価した。評価結果は、せん断強度が２０ＭＰａ以上であるものを○、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ未満であるものを△、１０ＭＰａ未満のものを×とした。熱衝撃試験は、―４０℃〜１３０℃の温度範囲で実施して接合の信頼性を評価した。評価結果は、１０００サイクル経過してもチップ割れや剥離がないものは○、チップ割れや剥離によって動作不良を起こしたものが３０％以下である場合は△、それより多い場合には×とした。それらの結果を表1に併記する。
また、この接合体を図１に示すような圧力センサとした。作製した圧力センサに対して、以下の信頼性試験を実施した。−４０℃で１０００時間放置することによってセンサ出力値の低温ドリフト特性を評価した。評価結果は、試験前後で２０℃での値の出力値のズレが２％未満のものを○、２％以上５％未満のものを△、５％以上もしくは評価できなかったものを×とした。さらに、センサを１４０℃で１０００時間放置することによってセンサ出力の高温ドリフト特性を評価した。評価結果は、試験前後で２０℃での値の出力値のズレが２％未満のものを○、２％以上５％未満のものを△、５％以上もしくは評価できなかったものを×とした。以上の結果を表１に併記する。
Figure 0006726802
以上の結果より、接合面に応力緩和層であるＡｌを形成しない場合（Ａ１、Ａ２）と比較して、Ａｌを形成したサンプル（Ａ３〜Ａ１２）では、圧力センサとしての信頼性が向上できた。このとき、メタライズの膜厚としては、０．０５μｍ〜１０μｍが良好であった。特に、１．５μｍ以上５μｍ以下の場合には、圧力センサの特性としてより優れた結果が得られた。また、比較例と比較して接合のせん断強度も向上しており、メタライズ膜の形成は応力緩和だけでなく接着性の観点でも優れた結果が得られた。
［比較例１］
接合層形成ペーストとして市販の鉛系ガラスペースト（ＡＧＣ製、４３０℃接合用、線膨張係数７２×１０−７／℃）を用いた。上記ガラスペーストを使用し、４３０℃で１０分保持することで接合体を試作した。なお、接合層形成ペースト以外の試作条件は、実施例１と同様である。試作した接合体は実施例１同様にセンサ化した。その結果、サンプルによっては初期にチップの動作異常を生じるものがあることが判明した。これはチップの耐熱温度に依存すると考えられる。このことから、接合温度としては、４００℃以下が好ましいことが判明した。
本発明の実施例を、表２を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については、説明を省略する。
本実施例における応力緩和層２３は、表２に示す種類の金属薄膜（Ｂ１〜Ｂ５）を実施例１同様にスパッタ法により形成した。その他の条件は実施例１同様に行い、センサ特性を評価した。その結果を表２に併記する。
Figure 0006726802
以上の結果より、応力緩和層の種類としてはＡｌに限定されるものではなく、表２に示すＡｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｃｒの金属薄膜であっても同様の効果が得られた。また、半導体素子との密着性を向上させるために、多層になっていても良く、密着性向上のためにＣｒやＴｉなどが使用できる。
本発明の第４実施例を、図４（ａ）を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
図４（ａ）に示すように、接合層２２と応力緩和層２３の機能を兼ね備えた応力緩和接合層２４と、絶縁層２１と、が予め一体に形成される接合材２５を備える。そして、接合材２５を、半導体素子１５とダイアフラム１４の間に配置して、接合する。半導体素子１５の一面には、実施例１で記載したメタライズが成されている。この金属膜が、半導体素子１５と接合材２５との接合を担う。
応力緩和接合層２４は、金属と低融点ガラスを含む。低融点ガラスは、ガラスＧ１と、後述するガラスＧ２を用いて評価した。また、金属は、表３に示すフィラを用いて評価した。このとき、応力緩和接合層２４中に含まれる金属は、接合層中につながっている（パーコレーション）していることが求められる。体積含有率で表示する場合には、５０％以上９０％以下である。これは、パーコレーションしていない場合には、応力緩和の効果が表れないためであり、９０体積％以上の場合には高温でクリープの影響が大きくなってしまうためである。応力緩和接合層２４のサンプルは、表３に示すＣ１〜Ｃ５、Ｃ８である。
（接合材の製造方法）
接合材２５の製造方法を説明する。
まず、一方の応力緩和接合層２４を形成する接合層形成ペーストを絶縁基材の片面に塗布、乾燥した後、他方の応力緩和接合層２４を形成する接合層形成ペーストを絶縁基材２２の別の面に塗布、乾燥させる。
この後、一括で脱バインダー処理および接合層の仮焼成を実施する。さらに、仮焼成したものを所望の大きさにダイシングなどで裁断することによって、接合材２５を形成することができる。
絶縁基材にはガラス板（厚み：１４５μｍ，線膨張係数７２×１０−７／℃）を用いる。このガラス板の上下に接合層形成ペーストを、スクリーン印刷を用いて両面に塗布し、１５０℃にて３０分乾燥する。その後、仮焼成を実施することで接合材２５を得る。このとき、２７０℃にて３０分間仮焼成を実施した。
（ガラスＧ２の作製）
ガラスＧ２の作製は、実施例１同様の手順にて行った。原料化合物として、五酸化バナジウムを２０．５質量％、酸化銀を３３質量％、酸化テルルを３９質量％、酸化タングステンを５質量％、酸化ランタンを２．５質量％を配合・混合した混合粉末１ｋｇを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて５〜１０℃／ｍｉｎ（℃／分）の昇温速度で８００℃の加熱温度まで加熱して２時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め１００℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込みガラスＧ２を得た。また、このガラスの軟化点は２４５℃である。
（接合層形成ペーストの作製）
接合層形成ペーストは、上記で作製したガラスを平均粒径（Ｄ５０）が約３μｍになるまでジェットミルを用いて粉砕したのち、約１．５μｍ〜３μｍ程度のＡｇ、Ａｌ粉末をガラスに対して表３に示す割合で加えた。この混合物に対し、α―テルピネオールもしくは実施例１同様にブチルカルビトールアセテートを加えて混錬し、接合層形成ペーストを作製した。
（圧力測定装置の作製及び評価）
被接合材として、実施例１同様に半導体素子とＳＵＳ６３０製ダイアフラムを用いた。このとき、評価に用いる半導体素子は、表１に示すＡ７を用いた。半導体素子とダイアフラムの間に上記で作製した接合材２５を設置し、半導体素子の上面から荷重を付加し、加熱することで接合体を作製した。このとき、３００℃にて３０分間保持した。作製した接合体に対して、実施例１同様にせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。また、この接合体を実施例１と同様に圧力センサとし、低温と高温でセンサ出力値のドリフト特性を評価した。以上の結果を表３に併記する。
Figure 0006726802
以上の結果より、図４（ａ）に示す接合構造であっても信頼性の高い物理量測定装置を製造できた。すなわち、応力緩和層はスパッタ法以外による形成方法であっても形成可能であり、金属粒子とガラスを含むペーストによっても形成することができた。
本実施例では、Ｃ１〜Ｃ５、Ｃ８のように応力緩和層を２層設けているので、一層とする場合よりも信頼性を向上させることが可能である。特に熱衝撃試験などについて、応力緩和層が一層だけでは信頼性が不十分である場合であっても、２層設けることにより十分な信頼性が得られるため、材料選択の自由度が向上する。また、接合層と応力緩和層を一つの層で達成出来るため、小型化にも寄与する。
本実施例では、表３に示すように、金属粒子（フィラ）の体積割合を、５０％以上９０％以下とすることで、接合層に応力緩和層としての機能を発現した。より好ましくは、金属粒子の体積割合が５０％以上７０％以下であり、このときにより信頼性の高いセンサを製造することができた。
図４（ｂ）を用いて実施例４を説明する。なお、実施例３と同様の構成については説明を省略する。
実施例３との相違点は、応力緩和接合層２４の変わりに接合層２２としている点である。
接合材の製造方法については、実施例３と同様であるが、仮焼成の温度は４００℃で３０分間として実施し、接合層形成ペーストのフィラ材としては実施例１同様にＺＷＰ粉末を用いた。
（ガラスＧ３の作製）
ガラスＧ３の作製は、実施例１同様の手順にて行った。原料化合物として、五酸化バナジウムを３８質量％、酸化テルルを３０質量％、酸化リンを５．８重量％、酸化タングステンを１０質量％、酸化バリウムを１１．２質量％、酸化カリウムを５質量％を配合・混合した混合粉末１ｋｇを白金ルツボに入れ、電気炉を用いて５〜１０℃／ｍｉｎ（℃／分）の昇温速度で１１００℃の加熱温度まで加熱して２時間保持した。保持中は均一なガラスとするために攪拌した。次に、白金ルツボを電気炉から取り出し、予め１００℃に加熱しておいたステンレス板上に流し込みガラスＧ３を得た。また、このガラスの軟化点は３３６℃であった。
圧力測定装置の作製に関して、評価に用いる半導体素子はＡ８を用いた。また、接合体を作製する温度は、４００℃にて１０分間保持した。作製した接合体に対して、実施例１同様にせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。また、この接合体を実施例１と同様に圧力センサとし、低温と高温でセンサ出力値のドリフト特性を評価した。これらの結果を表４に示す。
Figure 0006726802
その結果、せん断強度試験、熱衝撃試験、低温ドリフト特性、高温ドリフト特性のいずれも○の判定となった。
図５を用いて、実施例５を説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
本実施例では、実施例１の構成に加えて、ＳＵＳ６３０の接合面に設けられたＮｉめっきを加えている。Ｎｉめっきは、応力緩和層２３として機能する。Ｎｉめっきの厚みは２μｍとしている。
実施例１のサンプルＡ７を用いた。その他の条件は実施例１同様に行い、接合体を形成した。作製した接合体に対して、実施例１同様にせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。また、この接合体を実施例１と同様に圧力センサとし、低温と高温でセンサ出力値のドリフト特性を評価した。
その結果、せん断強度試験、熱衝撃試験、低温ドリフト特性、高温ドリフト特性のいずれも○の判定となった。したがって、めっき法を用いた場合であっても応力緩和の効果を得られることを確認した。
図６を用いて、実施例６を説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
実施例１との相違点は、半導体素子１５と絶縁層２１の間に応力緩和層２３を形成しない点と、絶縁層２１に陽極接合用のガラス（ＰＹＲＥＸ（登録商標）、厚み３００μｍ）を採用し、半導体素子１５と絶縁層２１とを陽極接合した点である。
陽極接合は３５０℃の温度にて５００Ｖで６０分間保持する条件で行う。被接合材としては、上記で作製した半導体素子と、ＳＵＳ６３０製ダイアフラムを用いた。このダイアフラムの上面に実施例３のＣ１〜Ｃ５、Ｃ８で使用したペーストを塗布し、１５０℃で３０ｍｉｎ乾燥後、２７０℃で３０ｍｉｎ仮焼成することで約２０μｍの応力緩和接合層２４を形成した。作製した接合体に対して、実施例１同様にせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。また、この接合体を実施例１と同様に圧力センサとし、低温と高温でセンサ出力値のドリフト特性を評価した。
その結果、せん断強度試験、熱衝撃試験、低温ドリフト特性、高温ドリフト特性のいずれも○の判定となった。したがって、図６のように応力緩和層と接着層を単一層で形成することも可能であることを確認した。
図７を用いて、実施例７を説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。
実施例１のうち、接合層形成ペーストを実施例３のＣ１〜Ｃ５、Ｃ８で使用したペーストを用いた。この時、半導体素子として接合面側は実施例１のＡ７を用いた。絶縁層は、実施例１同様に形成し、接合層のみ実施例３同様に２７０℃で３０分間仮焼成を実施し、半導体素子を載せたのちに３００℃で３０分間加熱することで接合を実施した。作製した接合体に対して、実施例１同様にせん断強度試験及び熱衝撃試験を実施した。また、この接合体を実施例１と同様に圧力センサとし、低温と高温でセンサ出力値のドリフト特性を評価した。
その結果、せん断強度試験、熱衝撃試験、低温ドリフト特性、高温ドリフト特性のいずれも○の判定となった。
１０…金属筐体
１１…圧力ポート
１２…圧力導入部
１２ａ…圧力導入口
１２ｈａ…圧力導入孔
１２ｈａｔ…先端部
１３…フランジ
１４…ダイアフラム
１５…半導体素子
１６…基板
１７…コンデンサ
１８…カバー
１８ａ…閉塞板
１９…コネクタ
２０…ターミナル
２１…絶縁層
２２…接合層
２３…応力緩和層
２４…応力緩和接合層
２５…接合材
３０ａ〜３０ｃ…歪抵抗ブリッジ
３１ａ〜３１ｃ…アンプ
３２ａ〜３２ｃ…Ａ−Ｄ変換器
３３…デジタル信号演算処理回路
３４…不揮発メモリ
３５…電圧源
１００…圧力測定装置

Claims (9)

  1. 半導体素子と、
    前記半導体素子と複数の層を介して接続される金属製の基台と、を有し、
    前記複数の層は、
    金属が主成分となる応力緩和層と、
    ガラス製の絶縁層と、
    前記半導体素子の耐熱温度以下の軟化点である低融点ガラスを含む接合層と、を備え、
    前記応力緩和層の厚みが、合計で1.5μm以上5μm以下である物理量測定装置。
  2. 半導体素子と、
    前記半導体素子と複数の層を介して接続される金属製の基台と、を有し、
    前記複数の層は、
    金属が体積含有率で５０％から９０％であり、前記半導体素子の耐熱温度以下の軟化点である低融点ガラスを含む第１の応力緩和接合層及び第２の応力緩和接合層と、
    ガラス製の絶縁層と、を備え、
    前記第１の応力緩和接合層は、前記半導体素子と前記絶縁層の間に設けられ、
    前記第２の応力緩和接合層は、前記絶縁層と前記基台との間に設けられ、前記金属の体積含有率が前記第１の応力緩和接合層よりも高い物理量測定装置。
  3. 前記応力緩和層は、前記半導体素子と前記絶縁層の間、及び/又は、前記絶縁層と前記基台の間に設けられている請求項１に記載の物理量測定装置。
  4. 前記金属は、Ag、Cu、Al、Ti、Ni、Mo、Mn、W、Crから選ばれる少なくとも１種である請求項１乃至３の何れか一項に記載の物理量測定装置。
  5. 前記低融点ガラスには、バナジウム、銀、テルル元素のうち少なくとも２種類以上含む請求項１乃至４の何れか一項に記載の物理量測定装置。
  6. 前記応力緩和層は、スパッタ層もしくはメッキ層である請求項１または３に記載の物理量測定装置。
  7. 前記第１の応力緩和接合層及び前記第２の応力緩和接合層の厚みが、合計で0.05μm以上10μm以下である請求項２に記載の物理量測定装置。
  8. 前記第１の応力緩和接合層及び前記第２の応力緩和接合層の厚みが、合計で1.5μm以上5μm以下である請求項７に記載の物理量測定装置。
  9. 前記第１の応力緩和接合層及び前記第２の応力緩和接合層は、前記金属が体積含有率で５０％から７０％である請求項２に記載の物理量測定装置。
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