JPWO2007052335A1 - 半導体圧力センサ - Google Patents

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勝道 上柳
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睦雄 西川
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Abstract

本発明は、半導体圧力センサで排気ガスなどの腐食性物質を含む圧力媒体の圧力を測定すると、腐食性ガスにより、アルミ電極、アルミワイヤ、入出力端子が腐食してしまうという課題を解決し、センサチップの耐食性を向上させるとともに、特に感圧部となる部分の耐食性を向上させることを目的とする。腐食部位となるアルミ電極をアルミ電極上にチタンタングステンの層と金の層を設けることによって、電極の腐食を防止する。接続ワイヤは金ワイヤを使用することによって、腐食物質による腐食を防止する。入出力端子も金メッキ化することによって、腐食を防止する。

Description

本発明は、半導体歪ゲージを使用した半導体圧力センサにおいて、腐食性のあるガスに対し耐食性を向上させる半導体圧力センサの実装構造に関する。
半導体歪ゲージを使用した半導体圧力センサは、従来自動車用の吸気圧力の測定などに使用されてきた。近年、排気ガスのクリーン度向上のため、排気ガスを吸気側へ還流させるＥＧＲの採用が拡大し、特にディーゼル用ではこのＥＧＲの還流率を拡大する方向にある。このように、吸気側の圧力を測定する半導体圧力センサがＥＧＲによる排気ガスにさらされる環境へと変化してきているため、排気ガスに対する耐性が必要となってきている。
また、ディーゼルエンジンにおいては粒子状物質（ＰＭ）低減のためにＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の採用が始まっているが、このフィルタの目詰まり検知のため、フィルタ前後の圧力を検出するニーズがある。この場合、圧力センサの感圧部は排気ガスに対する耐性が必要となる。
従来の半導体圧力センサは、特許文献１の図３に示すように、半導体歪ゲージのチップ電極には通常、アルミを使用している。アルミ電極は腐食に弱く、腐食環境で使用する場合にはその対策が必要となってくる。
特許文献１においては、アルミ電極の腐食防止のためにＴｉ膜とＰｄ膜により対策を行っている。これは特に湿度、水分に対するアルミ電極腐食耐性向上を目的としており、排気ガスに含まれる窒素酸化物による硝酸イオンによる腐食に対しては耐性が十分ではない。
特開平１０−１５３５０８号公報
従来の半導体圧力センサは、半導体歪ゲージチップの電気的入出力となるボンディングパッド部のアルミ電極とそのゲージの信号を入出力する外部入出力端子部（通常ニッケルメッキ端子）とそのアルミ電極・外部入出力端子間をボンディング接続するアルミワイヤを用いている。この実装構造では、排気ガスが含まれる環境下で長時間使用すると、排気ガスに含まれる窒素酸化物から生じた硝酸イオンによってアルミワイヤが腐食してしまうという問題があった。
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、排ガス環境下においても腐食耐性が十分に高い半導体圧力センサを提供することにある。本発明のその他の目的は以下の実施形態の説明で明らかにする。
上記目的を達成するための本発明は、排気ガス等の腐食性成分を含む気体の圧力を計測する圧力検出装置であって、半導体チップの表面で、電気的入出力部となるワイヤボンディング用パッド及び特性確認用のプローブパッド以外の全面を、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの耐食性材料でコーティングし、前記ワイヤボンディング用パッド部及び特性確認用のプローブパッド部は、アルミ電極上に密着度確保・拡散防止層を設け、該密着度確保・拡散防止層の表面を金コーティングしたことを特徴とする。
前記密着度確保・拡散防止層はチタン・タングステン（ＴｉＷ）、窒化チタン（ＴｉＮ）またはニッケル（Ｎｉ）をスパッタ、蒸着、メッキにて設けたことを特徴とする。
前記密着度確保・拡散防止層は層厚が０．２５μｍ程度で、前記窒化シリコンにオーバーハングするように構成される。
また、前記半導体チップの電気的入出力部から外部入出力端子との間を金ワイヤにて接続し、前記外部入出力端子の表面は金コーティングを施したことを特徴とする。前記金コーティングの厚さは０．５μｍ以上であることを特徴とする。
また、半導体チップはガラスに陽極接合されており、その陽極接合する温度は、３２０℃以下で接合したことを特徴とする。
前記ワイヤボンディング用パッド及び特性確認用プローブパッド部に設けられる密着度確保・拡散防止層とその表面の金でコーティングは、半導体チップをガラスに陽極接合した後に実施されることを特徴とする。
また、前記金コーティング時の振動印加による前記密着度確保・拡散防止層の破損を防止するために、前記アルミ電極のワイヤボンディングされる下部の一部のアルミを削除した構造とすることを特徴とする。
本発明によれば、ワイヤボンディング用パッド部と特性確認用プローブパッド部は、アルミ配線上に密着度確保・拡散防止層が設けられるので、最表面に施した金コーティングのアルミ電極への拡散を防止する。また、半導体チップの電気的入出力部から外部の入出力端子との間を金ワイヤで接続し、金は金属元素の中で一番イオン化傾向が小さいいため、腐食物質から腐食を防止することが可能となる。
本発明の実施例１による圧力センササブモジュールの正面図及び断面図。 第１図の圧力センササブモジュールの要部の拡大断面図。 第１図の圧力センササブモジュールをハウジングに実装した圧力センサ断面図。 本発明の圧力センササブモジュールを２個適用した差圧センサ構造を示し、同図（Ａ）は側面断面図、同図（Ｂ）は平面図、同図（Ｃ）は正面断面図。 実施例２による圧力センササブモジュールの要部の拡大断面図。
符号の説明
１…ダイヤフラム部、２…センサチップ、３…アルミ電極、４…窒化シリコン、５…密着確保・拡散防止層（チタンタングステン層）、６…金電極、７…ガラス基板、８…ケース、９…接着剤、１０…端子、１１…母材、１２…ニッケルメッキ、１３…金メッキ、１４…金ワイヤ、１５…ゲル、１６…特性確認用プローブパッド、２０…サブモジュール、２１…コネクタ、２２…圧力導入部、２３…ハウジング、２４…コネクタ端子、２５…エポキシ系樹脂、３１，３２…圧力導入部、３３…回路基板。
本発明の望ましい実施形態においては、まず、半導体歪ゲージの半導体チップ表面の電気的入出力部となるワイヤボンディング用パッド、及び特性確認用のプローブパッド以外の全面を、窒化シリコン（ＳｉＮ）など、耐食性のある材料でコーティングする。前記ワイヤボンディング用パッド部とプローブパッド部は、アルミ配線上に密着度確保・拡散防止層を設け、その上の最表面を金でコーティングする。
前記アルミ配線上に設けた密着度確保・拡散防止層はチタン・タングステン（ＴｉＷ）、窒化チタン（ＴｉＮ）またはニッケル（Ｎｉ）をスパッタ、蒸着、メッキにより設ける。これによって、最表面に施した金コーティングのアルミ電極への拡散を防止できる。
また、半導体チップの電気的入出力部から、半導体チップの電気的入出力を行う外部の入出力端子との間を金ワイヤで接続し、外部入出力端子表面はメッキ等により金コーティングを施した構造とする。
前記半導体チップ表面の電気的入出力部となるワイヤボンディング用パッド部及び特性確認用プローブパッド部の最表面の金コーティングは、スパッタ、メッキ、またはスパッタとメッキにより形成する。このコーティングした金の厚さは０．５マイクロメートル以上の厚さとすることで耐食性を確保する。
半導体圧力センサとして半導体歪ゲージを実装する上で、半導体チップは取り扱い性が要求される。さらに、絶対圧センサの場合は真空室の形成のためにガラス基板へ陽極接合するが、陽極接合する前に金コーティングを実施している場合には、陽極接合温度は３２０℃以下で接合する。これ以上の高温で接合すると、アルミ電極、密着度確保・拡散防止層、金コーティングの各層の線膨張係数差で密着度確保・拡散防止層にクラックが入り、金がアルミに拡散する。
また、半導体チップとガラスを先に陽極接合を実施する場合は、その後に、半導体チップ表面の電気的入出力部となるワイヤボンディング用パッド、特性確認用のプローブパッド部の密着度確保・拡散防止層を設け、金コーティングを実施する。これにより、陽極接合時の温度印加による密着度確保・拡散防止のクラック発生を防止する。
また、ワイヤボンディングされる部分を局部的にアルミ電極を削除することによって、ワイヤボンディングの荷重印加時に金ワイヤボンディング時の振動印加による密着度確保・拡散防止層の破損を防止する。
これら本発明の望ましい実施形態においては、ワイヤボンディング用パッド部と特性確認用プローブパッド部は、アルミ配線上に密着度確保・拡散防止層が設けられるので、最表面に施した金コーティングのアルミ電極への拡散を防止する。この層が無いと、金がアルミへ拡散してしまい、目的とする金によるコーティングでの接続電極部の耐食性向上を図ることが出来ない。
また、半導体チップの電気的入出力部から外部の入出力端子との間を金ワイヤへ変更し接続する。これにより、金は金属元素の中で一番イオン化傾向が小さいいため、腐食物質から腐食を防止することが可能となる。
前記ワイヤボンディング用パッド部及び特性確認用のプローブパッド部の最表面の金コーティングは、スパッタ、メッキ、またはスパッタとメッキにより形成することが可能で、通常用いる半導体の金バンプ形成製造プロセスで製作することができる。このコーティングした金の厚さは０．５マイクロメートル以上の厚さとすることで耐食性を確保する。これ以下の厚さでは、腐食物質により腐食が進行し、目標とする寿命を確保することが出来ない。
半導体圧力センサが絶対圧センサの場合、真空室形成のためにガラス基板へ陽極接合するための接合温度は、３２０℃以下で接合する。これ以上の高温で接合すると、密着度確保・拡散防止層に各層の線膨張係数差でクラックが入り、金がアルミに拡散してしまい、電極前面を金でコーティングすることができない。このため、耐食性を確保することが出来ないばかりでなく、金ワイヤボンディングを構成することも出来ない。
また、半導体チップとガラス基板を先に陽極接合実施した後に、前記ワイヤボンディング用パッド及びプローブパッド部の密着度確保・拡散防止層を設け、かつ金コーティングを実施することで、陽極接合時の加温による密着度確保・拡散防止層のクラック発生を防止し、金がアルミ電極へ拡散してしまうのを防止する。これにより、金化した電極の耐食性を確保する。
また、ワイヤボンディングされる部分を局部的にアルミ電極を削除する。これによって、ワイヤボンディングの荷重印加時に金ワイヤボンディング時の振動印加による密着度確保・拡散防止層の破損を防止し、金のアルミ電極への拡散を防止する。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１による半導体圧力センササブモジュールの正面図（ａ）と断面図（ｂ）を示す。本実施例は圧力センサの受圧部を小型のサブモジュール化したものである。
センサチップ２には歪ゲージとなる抵抗（図示しない）を配置したシリコンでなるダイヤフラム部１を形成している。センサチップ２の表面には、歪ゲージ抵抗とそれらを接続するアルミ電極３が形成され、歪ゲージ抵抗とアルミ電極を腐食環境から保護するために、窒化シリコン（ＳｉＮ）４で覆われている。
歪ゲージからの信号を出力するためのワイヤボンディングパッド部は、通常はアルミ電極を露出させて、この部分にアルミワイヤもしくは金ワイヤで外部へ信号出力している。
本実施例のワイヤボンディングパッド部は、アルミ電極３の上にチタンタングステン（ＴｉＷ）の密着確保・拡散防止層（以下、チタンタングステン層）５を設置した上で、金メッキによる金電極６を構成している。金メッキの厚さは０．５μｍ以上である。
密着確保・拡散防止層としては、チタン・タングステン（ＴｉＷ）の他に、窒化チタン（ＴｉＮ）またはニッケル（Ｎｉ）を使用できる。また、密着確保・拡散防止層はスパッタの他に、蒸着、メッキにより設けることが出来る。これにより、排気ガス等の環境下で使用した場合に発生する窒素酸化物（Ｎｏｘ）と水により生成する、硝酸などの腐食成分による腐食を防止する。
同様に、特性確認用プローブパッド１６はアルミ電極の上にチタンタングステン層５を設置した上で、金メッキによる金電極を構成し、この金電極をプローピングして特性を確認する。これにより、従来のようにアルミ電極を露出させた場合に比べ、排気ガス等の環境下で使用した場合に腐食成分による腐食を防止できる。
センサチップ２はガラス基板７に陽極接合で接合し実装している。センサチップ２にチタンタングステン層５と金電極６を先に設置し、その後、ガラス基板７とセンサチップ２を陽極接合する場合は、陽極接合時に高温を印加して接合する。
本発明者の検討によれば、３２０℃以上の高温で陽極接合すると、チタンタングステン層５にクラックが入り、金電極６の金がアルミ電極３へ拡散してしまい、金の保護層が無くなるという現象が発生した。このため、陽極接合は３２０℃以下の温度で実施することが必要である。
センサチップ２はガラス基板７上に実装され、ガラス基板７はサブモジュールのケース８へ接着剤９で接着される。ケース８には外部へサブモジュールの信号を入出力するための端子１０がインサート成形されている。端子１０は母材１１の上にニッケルメッキ１２を施した後に金メッキを１３を施している。センサチップ２と接続する部分となるところは、センサチップ２と同様に腐食環境にさらされるため、金メッキ１３により耐食性を向上させている。
金ワイヤ１４によりボンディング接続後、センサチップ２と金ワイヤ１４を保護するために、本実施例ではフッ素系のゲル１５を充填している。このゲル１５の上面全体が圧力の受圧部となっている。
図２は、図１の圧力センササブモジュールの主要部分の拡大断面図を示す。アルミ電極３の上に設けたチタンタングステン層５は、窒化シリコン４にオーバーハングするように、スパッタなどにより設ける。チタンタングステン層５の層厚みは０．２５μｍ程度である。これは窒化シリコン４とチタンタングステン層５の界面を伝わって腐食物質がアルミ電極３へ到達しにくいようにしているものである。さらに、チタンタングステン層５の上に金メッキを施して、全体を金で覆う金電極６としている。
端子１０は全面をニッケルメッキ１２した後に、金メッキ１３を全面に施している。このような構成によって、腐食物質がこれらの接続部に来た場合でも、イオン化傾向の一番小さい金で、腐食により電気的不具合が発生する可能性のある部分を全て覆っているため、耐食性が向上する。
図３は、圧力センササブモジュールをハウジングに実装した圧力センサの断面図である。図１に示した圧力センサのサブモジュール２０は、外部との電気的入出力をするためのコネクタ２１と測定圧力媒体の圧力を導入するための圧力導入部２２及び取付け部を備えたハウジング２３へ実装される。
この実施例ではサブモジュール２０の端子１０とコネクタ端子２４は溶接によって接続されている。さらにサブモジュール２０はエポキシ系樹脂２５にて固定され、エポキシ系樹脂２５は圧力導入部２２からの圧力漏れなどを発生させないための気密封止を兼ねている。
圧力導入部２２から被測定媒体の排気ガスなどがセンサ内部へ到達し、その圧力はゲル１５を介してセンサチップ２のダイヤフラム１を変形させる。ダイヤフラム１の変形により、ダイヤフラム１に設置してある歪ゲージ（図示しない）の抵抗変化により圧力を電気信号へと変換され、ワイヤボンディング１４、端子１０、コネクタ端子２４を経て外部へ取り出される。
圧力導入部２２から侵入した排気ガスはゲル１５中へも拡散し、ゲージチップ２まで到達する。この際、電気的入出力部とならない部分を窒化シリコン４にて保護することにより、その下の層まで腐食成分が到達するのを防止する。電気的入出力を行う部分については、上述のようにアルミ電極３の上にチタンタングステン層５と金電極６を施す。これによって、腐食成分による電極の腐食を防止する。この電極３から信号を入出力するボンディングワイヤも金ワイヤ１４を使用することで腐食を防止する。また、層厚が約０．２５μｍのチタンタングステン層５を、図２に示すように窒化シリコン４に対しオーバーハングするように構成することで、窒化シリコン４と金電極６との界面からアルミ電極３へと侵入する排気ガスの拡散を抑止する。またサブモジュールの端子１１の表面も金メッキ１３を施すことで、端子の腐食も防止する。
このような実装構造とすることで、排気ガスなどの腐食物質を含んだ測定媒体の圧力を測定する場合において、センサが腐食によって故障することを防止することが出来る。
図４は本発明の一適用例である差圧センサの構造を示す。本差圧センサは絶対圧測定用の圧力センササブモジュール２０を２個使用して、その出力を回路基板で２つのセンサ信号から差圧信号を出力するように構成したものである。
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）低減のために、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）の装着が始まっている。このフィルタの目詰まり検知用として、フィルタ前後の差圧計測のニーズがある。排気ガスの差圧を計測するためには排気ガスの腐食成分による腐食から守るために受圧部の耐食性を向上させる必要がある。
本適用例においては、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、金電極、金ワイヤ、金メッキ端子化した絶対圧計測の圧力センササブモジュール２０を、２個使用して圧力を計測し、回路基板３３にてその圧力センササブモジュール２０からの信号を処理して、差圧信号を出力する。
同図（Ｃ）に示すように、フィルタ前後の圧力を本差圧センサの圧力導入部３１、３２にそれぞれ導く。圧力導入部にそれぞれ設置した圧力センササブモジュール２０により圧力を電気信号へ変換する。サブモジュール２０からの圧力信号は基板３３へ取り込まれ、回路基板上に設置した差圧信号処理回路にて、それぞれの圧力センササブモジュール２０の信号から差圧信号を処理して出力する。
図５は、図２の圧力センササブモジュールの主要部分の拡大断面図に対し一部形状変更した実施例である。
センサチップ２の金電極６と端子部１０の金メッキ１３部とは、金ワイヤ１４によるワイヤボンディング接続にて電気的接続を行う。金ワイヤ１４をボンデイングすることで、腐食物質による腐食耐性を向上させている。金ワイヤ１４のボンディング時の振動印加で、密着度確保・拡散防止層５の破損を防止するために、ワイヤボンディングされる部分の直下のアルミ電極を局部的に削除してある。これによって、ボンディングによる荷重、振動が印加された場合にチタンタングステン層５にクラックが入ることを防止し、金電極６の金がアルミ電極３へ拡散することを防止する。
アルミ電極の局部的な削除は図５以外にも種々の形態が可能である。また、アルミ電極は、予めワイヤボンディングされる直下の部分が削除された構造であってもよい。
背景技術の欄で述べたように、半導体圧力センサのチップ電極に使用されるアルミ電極は腐食環境に弱く、腐食環境で使用する場合にはその対策が必要となっている。本発明はこのような腐食環境で使用する半導体圧力センサの耐腐食構造を提案しており、実用化が期待される。

Claims (9)

  1. 排気ガス等の腐食性成分を含む気体の圧力を計測する圧力検出装置であって、
    半導体チップの表面で、電気的入出力部となるワイヤボンディング用パッド及び特性確認用のプローブパッド以外の全面を、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの耐食性材料でコーティングし、
    前記ワイヤボンディング用パッド部及び特性確認用のプローブパッド部は、アルミ電極上に密着度確保・拡散防止層を設け、該密着度確保・拡散防止層の表面を金コーティングしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 請求項１において
    前記密着度確保・拡散防止層はチタン・タングステン（ＴｉＷ）、窒化チタン（ＴｉＮ）またはニッケル（Ｎｉ）をスパッタ、蒸着、メッキにて設けたことを特徴とする半導体圧力センサ。
  3. 請求項１または２において、
    前記密着度確保・拡散防止層は層厚が０．２５μｍ程度で、前記窒化シリコンにオーバーハングするように構成されることを特徴とする半導体圧力センサ。
  4. 請求項１、２または３において、
    前記半導体チップの電気的入出力部から外部入出力端子との間を金ワイヤにて接続し、前記外部入出力端子の表面は金コーティングを施したことを特徴とする半導体圧力センサ。
  5. 請求項１、２または３において
    前記ワイヤボンディング用パッド部及び特性確認用プローブパッド部の表面の金コーティングは、スパッタ、メッキ、またはスパッタとメッキにより形成した半導体圧力センサ。
  6. 請求項５において
    前記金コーティングの厚さは０．５μｍ以上であることを特徴とする半導体圧力センサ。
  7. 請求項１から６のいずれか１項において、
    半導体チップはガラスに陽極接合されており、その陽極接合する温度は、３２０℃以下で接合したことを特徴とする半導体圧力センサ。
  8. 請求項１から６のいずれか１項において、
    前記ワイヤボンディング用パッド及び特性確認用プローブパッド部に設けられる密着度確保・拡散防止層とその表面の金でコーティングは、半導体チップをガラスに陽極接合した後に実施されることを特徴とする半導体圧力センサ。
  9. 請求項１から６のいずれか１項において、
    前記金コーティング時の振動印加による前記密着度確保・拡散防止層の破損を防止するために、前記アルミ電極のワイヤボンディングされる下部の一部のアルミを削除した構造とすることを特徴とする半導体圧力センサ。
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