JP2000214028A

JP2000214028A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP2000214028A
Application number: JP11017418A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Sasada; 義幸笹田; Masayuki Miki; 政之三木; Masanori Kubota; 正則久保田; Atsushi Miyazaki; 敦史宮崎; Kiyoshi Kanai; 紀洋士金井; Kiyomitsu Suzuki; 清光鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Astemo Ltd
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2000-08-04

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛を含む構成部材を用いなくても、確実に組
立工程の簡略化が得られ、充分に信頼性の向上が得られ
るようにした半導体圧力センサを提供すること。【解決手段】第１のシリコン基板１と第２のシリコン
基板２からなる圧力センサ素子部を絶縁基板４に接合し
た上で、ステム１２に接合して使用する方式の半導体圧
力センサにおいて、一方の面が絶縁基板４に良く接合す
る材質で、他方の面が鉛を含まない半田材からなる接合
材１７に良く接合する材質からなる接合用下地層１１を
設け、この接合材１７の加熱溶融により、絶縁基板４を
ステム１２に接合するようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体を加工した
ダイアフラムを変位部材として用いた圧力センサに係
り、特に半導体センサ素子部を絶縁基板に搭載した上
で、この絶縁基板を端子部の台座に接合して組立てられ
ている半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば、自動車用エンジンの燃料
などの各種流体の圧力を検出するセンサとして、シリコ
ンなどの半導体からなるダイアフラムを圧力変位部材と
した、いわゆる半導体圧力センサが広く用いられるよう
になっている。

【０００３】そして、この半導体圧力センサの一種に、
ダイアフラムが一部に形成された半導体基板を絶縁基板
に接合させた上で、この絶縁基板を端子部となる台座に
接合することにより、必要な絶縁性と気密性が得られる
ようにした半導体圧力センサがある。

【０００４】図７は、従来技術による半導体圧力センサ
の一例を示したもので、これは、例えば特願平９−２２
７７５１号の出願に係る明細書に記載されている半導体
圧力センサであり、以下、この従来技術について説明す
る。

【０００５】まず、２個のダイアフラム部３０ａ、３０
ｂと歪みゲージ部３１ａ、３１ｂが形成され、さらに、
それらの電極部３２が形成されたシリコン基板３３、及
び、このシリコン基板３３の電極部３２に対する電気的
な接続を得るための導通部となるスルーホール３４が形
成されている絶縁基板３５とを用意し、これらシリコン
基板３３と絶縁基板３５を、陽極接合などの接合手段に
より、図示のように気密に接合して感圧部を形成する。

【０００６】次に、所定の本数のリードピン３６が絶縁
状態で気密に貫通した状態で取付けられているステム３
７を、台座として用意する。ここで、ステム３７の材質
としては、通常、コバール(合金名)などの金属材料が用
いられる。そして、低溶融点ガラス３８を用い、それの
加熱溶融により、ステム３７に絶縁基板３５を接合させ
る。

【０００７】このとき、スルーホール３４内には、予め
低溶融点材料からなる導電接合材３９が入れてあり、こ
れの溶融凝固により、シリコン基板３３の電極部３２と
リードピン３６の電気的接続も同時に得られることにな
り、このようにして半導体圧力センサの主要部が組み立
てられるのである。

【０００８】ついで、このようにして組み立てた半導体
圧力センサの主要部は所定のハウジング４０に組付けら
れて製品となり、実装されることにより、矢印で示して
ある被測定圧力に曝された状態で使用される。

【０００９】そして、被測定圧力に曝されることによ
り、ダイアフラム部３０ａ、３０ｂには変位が現われ、
この変位が歪みゲージ部３１ａ、３１ｂにより抵抗変化
に変換され、リードピン３６により電気信号として取り
出されることにより、圧力センサとしての動作が得られ
ることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、構成
部材に鉛を含んでいる点について配慮がされておらず、
環境汚染に関する規制遵守の点に問題があった。すなわ
ち、上記従来技術では、絶縁基板３５とステム３７の接
合に低溶融点ガラス３８を用い、さらに低溶融点導電接
合材３９が用いられているが、低溶融点ガラスは通常、
鉛を含有しており、低溶融点導電接合材も、通常は鉛を
含む合金であり、従って、従来技術では、上記の問題が
生じてしまうのである。

【００１１】本発明の目的は、鉛を含む構成部材を用い
なくても、確実に組立工程の簡略化が得られ、充分に信
頼性の向上が得られるようにした半導体圧力センサを提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、半導体セン
サ素子部を絶縁基板に接合させた上で、台座に接合して
組立てる方式の半導体圧力センサにおいて、前記絶縁基
板と前記台座の接合面に、一方の面が前記絶縁基板に良
く濡れる材質の層からなり、他方の面が鉛を含まない半
田材で良く濡れる材質の層からなる接合用下地層を設
け、この接合用下地層の前記他方の面を、鉛を含まない
半田からなる接合材により前記台座に接合させることに
より、前記絶縁基板と台座が接合されるようにして達成
される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体圧力セ
ンサについて、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態で、この実施形態で
は、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板２を熱酸
化膜３を挾んで接合し、ＳＯＩ方式の圧力センサ素子部
として用いるようにした場合の本発明の一実施形態であ
る。なお、このＳＯＩとは、シリコン・オン・インシュ
レータの略称であるが、本発明の実施形態としては、Ｓ
ＯＩ形式に限定される訳ではない。

【００１４】そして、このＳＯＩ基板において、まず、
その第１のシリコン基板１に、エッチングにより薄肉部
を加工し、これにより圧力検出用のダイアフラム部５を
形成する。次に、第２のシリコン基板２の、上記した第
１のシリコン基板１のダイアフラム部５に対応した部分
に、歪みゲージ群６ａ、６ｂを形成し、これにより、ダ
イアフラム部５の変位量が、歪みゲージ群６ａ、６ｂに
より電気信号に変換されて取り出されるようにする。

【００１５】このため、この第２のシリコン基板２に
は、歪みゲージ群６ａ、６ｂに電気的に接続されている
複数の電極部７ａ、７ｂが形成されており、これによ
り、圧力センサ素子部が形成される。

【００１６】次いで、これら第１のシリコン基板１と第
２のシリコン基板２からなる圧力センサ素子部は、陽極
接合により、硼珪酸ガラスで作られた絶縁基板４に気密
に接合される。

【００１７】このときの絶縁基板４に対するＳＯＩ基板
の接合部は、第２のシリコン基板２に形成されている複
数の電極部７ａ、７ｂと外枠部８になり、この結果、歪
みゲージ群６ａ、６ｂは、第１のシリコン基板１と外枠
部８、それに絶縁基板４により気密封止されることにな
る。

【００１８】絶縁基板４には、電極部７ａ、７ｂに対応
して複数のスルーホール９が加工してある。そして、Ｓ
ＯＩ基板に接合させた後、この絶縁基板４の接合面とは
反対側の面から、スパッタリング、蒸着、メッキなどの
方法により、Ａｌ(アルミニウム)、Ｔｉ(チタン)、Ｎｉ
(ニッケル)、Ａｕ(金)、それにＰｔ(白金)などの金属材
料の薄膜により、スルーホール９内に露出している電極
部７ａ、７ｂの表面での導電性下地層１０と、それ以外
の絶縁基板４の表面での接合用下地層１１を、夫々同時
に形成する。

【００１９】ここで、まずこれらの下地層１０、１１の
最下層としては、Ａｌ又はＴｉの何れかを用いる。次
に、この最下層がＡｌの場合には、その上にＴｉとＮｉ
とＡｕを順次多層に積層させ、最下層がＴｉの場合に
は、ＰｔとＡｕを順次多層に積層させ、何れの場合も最
上層はＡｕになるようにする。図２は、これら導電性下
地層１０と接合用下地層１１が形成された段階で図１の
上側から見た状態を示したものである。

【００２０】ここで、この実施形態の場合、絶縁基板４
の材質は硼珪酸ガラスであるが、接合用下地層１１の最
下層として設けてあるＡｌとＴｉは何れにも、この硼珪
酸ガラスに良く濡れ、良く接合する。従って、この実施
形態では、絶縁基板４として、鉛を全く含まない硼珪酸
ガラスを用いることができる。

【００２１】また、電極部７ａ、７ｂの材質はシリコン
で、絶縁基板４の材質は硼珪酸ガラスであり、異なって
いるが、接合用下地層１１の最下層として設けてあるＡ
ｌとＴｉはシリコンにも良く濡れ、良く接合する。従っ
て、この実施形態の場合、これら導電性下地層１０と接
合用下地層１１とは同時に形成することができる。

【００２２】通常、このような導電性下地層と接合用下
地層の２種の層を形成する際には、異なった材質の薄膜
が必要であることからすると、この実施形態の場合に
は、同一の材質で済むので、製造工程が大幅に簡略化で
きることになる。

【００２３】この後、例えばフォトリソグラフィーなど
の加工プロセスを用い、導電性下地層１０と接合用下地
層１１の間の薄膜を取り除き、図２に示すように、スル
ーホール９の周囲の絶縁基板４を露出させ、リング状の
絶縁部１３を形成させる。このとき、この絶縁部１３の
幅は少なくとも５０μｍとする。

【００２４】このフォトリソグラフィーによる加工プロ
セスは、まず所定のレジストを加工面全体に塗布し、フ
ォトマスク技法により所定のパターンの感光部を除去し
てからウェットエッチングし、絶縁基板４をリング状に
露出させ、絶縁部１３を形成するものであり、これによ
り、全体として繋がった状態にあった導電性下地層１０
と接合用下地層１１を互いに電気的に分離した状態にす
ることができる。

【００２５】ここで、上記したように、このときの絶縁
部１３の最小幅は５０μｍで、かなり微細な加工を要す
るが、フォトリソグラフィーによれば、このような微細
な加工にも容易に対応できる点で優れている。

【００２６】次いで、絶縁基板４は、図１から明らかな
ように、台座となるコバール材のステム１２に接合され
るのであるが、このステム１２にはリードピン１５を取
付けるための孔が設けてあり、この孔に４本のリードピ
ン１５が貫通した状態で、硬質ガラス１４の溶着により
ハーメチックシールされている。

【００２７】次に、このステム１２に対する絶縁基板４
の接合について説明する。この接合は、図示のように、
接合材１７の溶着により行われるが、このため、まず型
抜き孔開け加工などのプリフォーム(前加工成型)によ
り、所定の厚みの板状の鑞材から、図３に示すような平
面形状の接合材１７が用意される。このとき、接合材１
７の厚さとしては、１００μｍ以下が選ばれている。

【００２８】また、このとき、同時に、リードピン１５
と電極部７ａ、７ｂの接続が半田材１６の溶着により行
なわれ、このため、絶縁基板４のスルーホール９内に
は、例えば粒状状態又は溶融状態にした上で、予め所定
の量の半田材が入れてある。

【００２９】これら半田材１６と接合材１７の材質は、
Ａｕ−Ｓｉ(金−シリコン)、Ａｕ−Ｇｅ(金−ゲルマニ
ウム)、Ａｕ−Ｓｎ(金−錫)、Ｓｎ−Ａｇ(錫−銀)、Ｓ
ｎ−Ｓｂ(錫−アンチモン)の中の何れかの合金からなる
Ｐｂ(鉛)を含まない半田材が選ばれているが、これら
は、何れも接合用下地層１１の最上層を構成しているＡ
ｕに良く濡れ、良く接合する。

【００３０】なお、ここで、接合材１７については、上
記した板材の前加工によらず、蒸着などの薄膜形成技法
により絶縁基板４の接合用下地層１１の表面に直接薄膜
として形成してもよい。

【００３１】接合作業は、次のようにして行なう。すな
わち、まず、接合材１７を絶縁基板４の上に置く。次
に、リードピン１５の先端(図１では下側の端部)が絶縁
基板４のスルーホール９内に入り込むようにして、この
絶縁基板４の上にステム１２を載置する。そして、全体
を半田材１６と接合材１７の溶融点以上の所定の温度に
加熱し、これら半田材１８と接合材１７を溶融させ、次
いで、常温に戻して半田材１６と接合材１７を凝固させ
てやれば、ステム１２と絶縁基板４の接合と共に、リー
ドピン１５と電極部７ａ、７ｂとの接続が得られること
になる。

【００３２】ここで、この実施形態では、半田材１６と
接合材１７が同じ材質にしてあるので、これらの溶融点
が同じであり、この結果、上記した接合作業に際しての
加熱温度の管理が容易になり、且つ、１回の加熱処理で
同時に接合と接続を終わらせることができるという利点
があり、さらに、この場合、半田材１６と接合材１７の
凝固も同時に起きるため、均質な接合を得ることができ
る。

【００３３】一方、このとき、接合材１７の厚さが、上
記したように、１００μｍ以下と薄くしてあるので、溶
融時に接合材１７の一部が接合用下地層１１からはみ出
したとしても、その量は極めて少なく抑えられることに
なり、従って、リードピン１５やスルーホール９内の半
田材１６に接触して、短絡などの異常を引き起こす虞れ
も無い。

【００３４】この後、ステム１２は、金属性のハウジン
グ１８に溶接部２０により溶着固定され、圧力センサと
して完成される。そして、このハウジング１８には、圧
力導入口１９が設けてあり、圧力計測対象となるガソリ
ン、軽油、液化プロパンガス、液化天然ガスなど、圧力
を測定すべき流体が圧力導入口１９から導入され、ダイ
ヤフラム部５に作用するようにして使用される。

【００３５】すなわち、このダイアフラム部５は、それ
に作用する圧力に応じて、絶縁基板４側に撓み、その撓
み量は作用している圧力に比例する。そして、このダイ
アフラム部５が撓むと、歪みゲージ群６ａ、６ｂの一方
の群の抵抗値と他方の抵抗値に差が現われ、その抵抗値
の差はダイアフラム部５に現われる撓み量に関連するの
で、圧力を検出することができる。

【００３６】従って、この図１の実施形態によれば、一
方の面で絶縁基板４に良く濡れ、他方の面では鉛を含ま
ない接合材１７に良く濡れるようにした接合用下地層１
７が設けてあるので、硼珪酸ガラスの絶縁基板４とステ
ム１２の接合に、低溶融ガラスを用いる必要が無く、こ
の結果、構成要素に鉛が含有されている材料を全く使用
せずに半導体圧力センサを構成することができる。

【００３７】次に、本発明の他の実施形態について説明
する。まず、図４は、本発明の第２の実施形態で、この
実施形態が図１の実施形態と異なる点は、絶縁基板４に
形成してあるスルーホール９を、図示のように、シリコ
ン基板２側からステム１２側に向かって径が縮小してい
る円錐(テーパー)状のスルーホール２１(９)にした点に
あり、その他の構成は、図１の実施形態と同じである。

【００３８】そして、これにより、この図４の実施形態
では、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２か
らなるＳＯＩ基板を絶縁基板４に接合させた後、導電用
下層１０と接合用下地層１１をスパッタリング、蒸着、
メッキなどの方法により形成する際、円錐状のスルーホ
ール２１(９)の上側の小径部分が導電用下層１０のマス
クとしての役割を果たすようにしたものである。

【００３９】この結果、電極部７の表面には、スルーホ
ール２１(９)の小径側の寸法で決まり、下側の大径側の
径寸法よりも小さな径の導電用下層１０が自然に形成さ
れるので、図１の実施形態で必要としたリング状の間隙
１３と同じ機能を果たすリング状の領域が、特別なプロ
セスによることなく形成できることになり、従って、こ
の実施形態によれば、更にプロセスの簡略化を得ること
ができる。

【００４０】次に、図５は、本発明の第３の実施形態
で、これが図１の実施形態と異なる点は、絶縁基板４の
ステム１２側に向いた面の周辺に面取り部２２を形成し
た点にあり、その他の構成は、図１の実施形態と同じで
ある。

【００４１】そして、この面取り部２２も含めて絶縁基
板４の表面に接合用下地層１１を形成し、更に、この面
取り部２２も含めて形成してある接合用下地層１１の全
面を利用して接合材１７により、絶縁基板４をステム１
２に接合させてある。

【００４２】この図５の実施形態によれば、面取り部２
２を設けた結果、接合材１７による接合面の面積が、図
１の実施形態よりも広くでき、その分、接合強度が大き
く得られるという利点がある。

【００４３】また、この面取り部２２により、接合時、
接合材１７が溶融したとき、その表面張力により面取り
部２２の方に引っ張られる力が生じ、この結果、リード
ピン１５の方向に接合材１７が流動するのが抑えられる
ことになり、接合材１７がリードピン１５やズルーホー
ル９内の半田材１６と接触して短絡状態になるのが防止
できるという利点もある。

【００４４】次に、図６は、本発明の第４の実施形態
で、これが図１の実施形態と異なる点は、絶縁基板４に
設けてあるスルーホール９の、ステム１２側の出口部分
の周辺に、ざぐり(座繰り)部２３が形成してある点にあ
り、その他の点は、図１の実施形態と同じである。

【００４５】このざぐり部２３は、第１のシリコン基板
１と第２のシリコン基板２からなるＳＯＩ基板を絶縁基
板４に接合させ、導電用下層１０と接合用下地層１１を
スパッタリング、蒸着、メッキなどの方法により同時に
形成した後、スルーホール９の出口側から、その周辺部
をリング状に加工して形成させる。

【００４６】既に説明したように、導電用下層１０と接
合用下地層１１は、同時に形成したことにより、連続し
て形成されてしまうが、この実施形態の場合は、この後
でざくり部２３が加工されるので、相互に確実に分離さ
れ、短絡の虞れを無くすことができる。従って、この図
６の実施形態によれば、図１の実施形態に比して、フォ
トリゾグラフィーなどの複雑な加工プロセスが不要にで
きるといる利点が得られる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、鉛を全く含まない材質
によっても、絶縁基板と台座の接合が容易に、しかも確
実に得られることになり、従って、本発明によれば、鉛
の環境規制に充分に適合し、正しく準拠した、信頼性の
高い半導体圧力センサを容易に提供することができる。

【００４８】また、本発明によれば、絶縁基板と台座の
接合に使用する接合材と、半導体基板の電極部とリード
ピンの接続に使用する半田材の材質を同じにすることが
できるので、製造プロセスにおける温度管理が容易にな
り、製造プロセスの簡略化が得られると共に、接合部分
と接続部分の均質化が容易になり、この結果、センサの
信頼性を充分に向上させることができる。

【００４９】更に、本発明によれば、導電用下地と接合
用下地に使用する金属薄膜を同じ材質にすることがで
き、この結果、これら下地用金属薄膜の形成工程が簡略
化されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサの第１の実施形
態を示す断面図である。

【図２】本発明の一実施形態における下地の一例を示す
平面図である。

【図３】本発明の一実施形態において使用する接合材の
一例を示す平面図である。

【図４】本発明による半導体圧力センサの第２の実施形
態を示す断面図である。

【図５】本発明による半導体圧力センサの第３の実施形
態を示す断面図である。

【図６】本発明による半導体圧力センサの第４の実施形
態を示す断面図である。

【図７】従来技術による半導体圧力センサの一例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１第１のシリコン基板２第２のシリコン基板３熱酸化膜４絶縁基板５ダイアフラム部６ａ、６ｂ歪みゲージ群７ａ、７ｂ電極部８外枠部９スルーホール１０導電用下地層１１接合用下地層１２ステム１３絶縁部１４硬質ガラス１５リードピン１６半田材１７接合材１８ハウジング１９圧力導入口２０溶接部２１円錐状のスルーホール２２面取り部２３ざぐり部(座繰り部）

フロントページの続き (72)発明者三木政之茨城県ひたちなか市高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者久保田正則茨城県ひたちなか市高場2477番地株式会社日立カーエンジニアリング内 (72)発明者宮崎敦史茨城県ひたちなか市高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者金井紀洋士茨城県ひたちなか市高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者鈴木清光茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD01 DD04 EE13 FF43 GG01 GG12 4M112 AA01 BA01 CA02 CA15 DA18 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体センサ素子部を絶縁基板に接合さ
せた上で、台座に接合して組立てる方式の半導体圧力セ
ンサにおいて、前記絶縁基板と前記台座の接合面に、一方の面が前記絶
縁基板に良く濡れる材質の層からなり、他方の面が鉛を
含まない半田材で良く濡れる材質の層からなる接合用下
地層を設け、この接合用下地層の前記他方の面を、鉛を含まない半田
からなる接合材により前記台座に接合させることによ
り、前記絶縁基板と台座が接合されていることを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項２】請求項１に記載の発明において、前記絶縁基板がスルーホールを、そして前記台座がリー
ドピンを夫々備え、前記半導体センサ素子部の電極部と前記リードピンの接
続が、前記スルーホール内での前記接合材と同じ材質の
半田材の加熱溶融により、与えられていることを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項３】請求項１に記載の発明において、前記接合用下地層の前記一方の面の材質がアルミニウム
又はチタニウムの何れかで、前記他方の面の材質が金で
あり、これらの間に、チタニウムとニッケル、又は白金
の何れかの層が介在されていることを特徴とする半導体
圧力センサ。
【請求項４】請求項２に記載の発明において、前記スルーホール内に位置する前記電極部が前記接合用
下地層と同じ材質の層からなる導電用下地層を備え、前記接合用下地層と前記導電用下地層の間に、少なくと
も５０μｍ幅の空隙が設けられていることを特徴とする
半導体圧力センサ。
【請求項５】請求項４に記載の発明において、前記スルーホールの横断面形状が円錐状をなし、この円錐状のスルーホールをマスクとする薄膜形成技法
により、前記空隙が形成されていることを特徴とする半
導体圧力センサ。
【請求項６】請求項４に記載の発明において、前記スルーホールの前記台座に接合される側の端部の周
辺にざぐり部を設け、このざぐり部により前記空隙が形成されていることと特
徴とする半導体圧力センサ。
【請求項７】請求項４に記載の発明において、前記接合材の厚みが１００μｍ以下であることを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項８】請求項７に記載の発明において、前記接合材がプリフォームにより形成されていることを
特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項９】請求項７に記載の発明において、前記接合材が薄膜形成技法により形成されていることを
特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項１０】請求項１に記載の発明において、前記絶縁基板の前記台座に対する接合面の周辺に面取り
部が設けられていることを特徴とする半導体圧力セン
サ。