JPS5931431A - semiconductor pressure sensor - Google Patents
semiconductor pressure sensorInfo
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- JPS5931431A JPS5931431A JP14106982A JP14106982A JPS5931431A JP S5931431 A JPS5931431 A JP S5931431A JP 14106982 A JP14106982 A JP 14106982A JP 14106982 A JP14106982 A JP 14106982A JP S5931431 A JPS5931431 A JP S5931431A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/14—Housings
- G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、半導体圧力センサに係り、特に高温高湿の環
境にて使用されるに好適な半導体圧力センサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor pressure sensor, and particularly to a semiconductor pressure sensor suitable for use in a high temperature and high humidity environment.
半導体圧力センサの一例として、従来、第1図に示され
た断面構造を有するものが考案されている。As an example of a semiconductor pressure sensor, one having a cross-sectional structure shown in FIG. 1 has been devised.
第1図において、ダイアフラムとしてのゲージチップ1
はシリコン半導体から形成されており、図において下面
中央部は薄肉に、周縁部は厚肉に形成されている。この
ゲージチップ1は、パイレツクガラスにより形成された
ガラスダイ2上に固着されている。ゲージチップ1の厚
肉部とガラスダイ2との固着は、高温の雰囲気中にて、
第1図に示された如く、ゲージチップ1を正極、ガラス
ダイ2を負極とする直流高電圧を印加し、それらの境界
層に接合層を形成する方法、いわゆる陽極接合法によっ
てなされていた。In FIG. 1, a gauge chip 1 as a diaphragm
is formed from a silicon semiconductor, and as shown in the figure, the center part of the lower surface is thin and the peripheral part is thick. This gauge chip 1 is fixed on a glass die 2 made of pirate glass. The thick part of the gauge chip 1 and the glass die 2 are fixed together in a high temperature atmosphere.
As shown in FIG. 1, a so-called anodic bonding method is used, in which a DC high voltage is applied using the gauge chip 1 as the positive electrode and the glass die 2 as the negative electrode, and a bonding layer is formed at the boundary layer between them.
しかしながら、上述した陽極接合法によって形成された
半導体圧力センサを、高温高湿の環境条件にて使用する
と、ゲージ零点出力が正方向にずれてしまうという(い
わゆるアップシフト)欠点があり、測定値の信頼性にお
いて極めて大きな問題となっていた。However, when the semiconductor pressure sensor formed by the above-mentioned anodic bonding method is used in a high temperature and high humidity environment, there is a drawback that the gauge zero output shifts in the positive direction (so-called upshift), which causes the measurement value to change. There was a huge problem with reliability.
本発明の目的は、高温高湿の環境におけるアップシフト
を低減させて信頼性を向上させることができる半導体圧
力センサを提供することにある。An object of the present invention is to provide a semiconductor pressure sensor that can reduce upshifts and improve reliability in high-temperature, high-humidity environments.
本発明は、高温高湿下におけるアップシフトの原因を究
明するため種々の実験を実施し、その原因は主として陽
極接合法によって形成された接合層の吸湿性に起因する
ものであるという結果に鑑みなされたものであり、接合
電流を制御することによって形成される接合層の厚みを
3−6μmとすることにより、高温高湿下におけるアッ
プシフトを低減させようとするものである。The present invention is based on the results of conducting various experiments to investigate the cause of upshift under high temperature and high humidity conditions, and finding that the cause is mainly due to the hygroscopicity of the bonding layer formed by the anodic bonding method. This is an attempt to reduce the upshift under high temperature and high humidity by controlling the junction current and setting the thickness of the bonding layer to 3 to 6 μm.
以下、本発明によって上記目的が達成される理由につい
て説明する。Hereinafter, the reason why the above object is achieved by the present invention will be explained.
まず、本発明に適用される陽極接合法の原理について説
明する。第1図に示された形状のゲージチップ1とガラ
スダイ2とを歌ね、それらを治具で固定してチャンバー
3に収納する。このチャンバー3を電気炉内に設置17
て300〜350C程度に加熱し、ゲージチップ1を正
、ガラスダイ2を負として800〜1500’V程度の
直流高電圧を印加スる。この際に、ガラスダイ2のアル
カリ成分であるNaOが分極され、ガラスダイ2の接合
境界面から次式(1)に示されたように酸素イオンが放
出され、陽極側であるゲージチップl側へ移動すれる。First, the principle of the anodic bonding method applied to the present invention will be explained. A gauge chip 1 and a glass die 2 having the shapes shown in FIG. 1 are assembled, fixed with a jig, and housed in a chamber 3. Install this chamber 3 in an electric furnace 17
Then, a high DC voltage of about 800 to 1500'V is applied, with the gauge chip 1 being positive and the glass die 2 being negative. At this time, NaO, which is the alkaline component of the glass die 2, is polarized, and oxygen ions are released from the bonding interface of the glass die 2 as shown in the following equation (1) and move to the gauge chip l side, which is the anode side. I can pass.
Nap−+2Na” +O”−・・−(1)また、ゲー
ジチップのンリコン(Si)もイオン化されてSl 4
+となり、陰極側であるガラスダイ2側へ移動される。Nap-+2Na"+O"-...-(1) Also, silicon (Si) on the gauge chip is also ionized and becomes Sl 4
+, and is moved to the glass die 2 side, which is the cathode side.
これらのイオン拡散によって、接合境界部に次式(2)
の反応によってS’02の接合層が形成され、この層に
よってゲージチップ1とガラスダイ2が接合されると考
えられる。Due to the diffusion of these ions, the following equation (2) is formed at the junction boundary:
It is thought that a bonding layer of S'02 is formed by this reaction, and the gauge chip 1 and the glass die 2 are bonded by this layer.
202−十Si4+→8102 ・・・(
2)この反応によりゲージチップ1とガラスダイ2間に
接合電流Ipが流れる。従って、接合層の形成には、こ
の接合電流Ipが影響しているものと考えられる。202-10 Si4+→8102...(
2) Due to this reaction, a junction current Ip flows between the gauge chip 1 and the glass die 2. Therefore, it is considered that this junction current Ip influences the formation of the junction layer.
一方、高温高湿の環境におけるアップシフトの原因につ
いては、ガラスダイの吸湿によるものと接合層の吸湿に
よるものとが考えられる。つまり、それらが吸湿したこ
とによって、ゲージチップとガラスダイ又は接合層との
熱膨張係数の変化に差が生じ、これによってアップシフ
トが起きるのである。しかも、接合層の吸湿によるアッ
プシフトの方が、はるかに大きいということが判明した
。On the other hand, the cause of upshift in a high temperature and high humidity environment is thought to be due to moisture absorption by the glass die and moisture absorption by the bonding layer. In other words, their absorption of moisture causes a difference in the coefficient of thermal expansion between the gauge chip and the glass die or bonding layer, which causes an upshift. Moreover, it was found that the upshift due to moisture absorption in the bonding layer was much larger.
そこで、前述したように接合層の形成には、接合電流I
pが関与していることから、接合電流Ipをパラメータ
として、85r−85%I(Hの高温″高湿耐久テスト
を行い、ゲージ零点出力の変化を実験により測定した。Therefore, as mentioned above, to form the bonding layer, the junction current I
Since p is involved, a high temperature and high humidity durability test of 85r-85% I (H) was conducted using the junction current Ip as a parameter, and changes in the gauge zero point output were measured experimentally.
この耐久テストの結果が第2図(a)〜(C)に示され
ている。The results of this durability test are shown in FIGS. 2(a) to (C).
第21ン1(a)〜(C>は横1軸に時間(h)、縦軸
に零点出力変化(mV)が示され、接合電流Ipは図中
曲線に付して示されている。これらの図から明らかなよ
うに、零点出力変化は接合電流Tpによって・大きく影
響を受けていることが判る。ところが、従来の陽極接合
は印加型、圧を一定に制御する方式であったことから、
接合温度の(ゆらぎや、ガラスダイ寸法のばらつき、ガ
ラスダイ中のNaO含有量のロット間ばらつき等によっ
て、流される接合電流Ipは°一定したものでなかった
。従って、形成される接合層も一定17たものとはなっ
ていなかったことが判る。In the 21st lines 1(a) to (C>), time (h) is shown on the horizontal axis and zero point output change (mV) is shown on the vertical axis, and the junction current Ip is shown attached to the curve in the figure. As is clear from these figures, it can be seen that the zero point output change is greatly influenced by the junction current Tp.However, since the conventional anodic junction was an application type and a method that controlled the pressure to be constant, ,
The flowing bonding current Ip was not constant due to fluctuations in bonding temperature, variations in glass die dimensions, lot-to-lot variations in NaO content in the glass die, etc. Therefore, the bonding layer formed was also constant17. It turns out that it did not become a thing.
次に、零、々、出力がアップシフト干るのは、前述した
ように吸湿による影響であり、これによってダイアフラ
ム部が、第1図において下方に凹となることであるとい
うことを具体的に確認した。この結果の一例が第3図(
a)〜(d)に示されている。Next, as mentioned above, the reason why the output is upshifted is due to the effect of moisture absorption, and this causes the diaphragm to become concave downward in Figure 1. confirmed. An example of this result is shown in Figure 3 (
Shown in a) to (d).
第3図(a)〜(d)は、半導体圧力センサの製造工程
ごとに、表面粗さ計、レーザ干渉計により、ゲージチッ
プ表面の凹凸を測定したものである。同図(a)はダイ
アフラム3形成前のゲージチップを示しており、図示し
たようにΔh = O,j 5〜0.20μmの凸にな
っていた。このゲージチップを用いて、下面中央部にエ
ツチングして薄肉部を形成すると、同図(b)に示した
ように、更に上方に凸となりΔh=0.32μ〜0.6
μmとなった。これをガラスダイ上に陽極接合すると、
同図(C)に示したように逆方向に変形され、Δh中−
0,1μmの凹となった。このように形成された半導体
圧力センサを用いて、湿度試験(100時間)を行った
ところ、同図(d)に示したように、同試験完了後前記
凹量が更に増大されてΔh=−0.15〜−0.2μm
となった。即ち、吸湿したことによって、ダイアフラム
部が凹状に変形され、これによってアップシフトされる
ことが確認された。FIGS. 3(a) to 3(d) show the measurement of the unevenness on the surface of the gauge chip using a surface roughness meter and a laser interferometer in each manufacturing process of the semiconductor pressure sensor. The same figure (a) shows the gauge chip before formation of the diaphragm 3, and as shown in the figure, it had a convexity of Δh=O,j of 5 to 0.20 μm. When this gauge chip is used to form a thin part by etching at the center of the lower surface, it becomes more convex upward as shown in Figure (b), and Δh=0.32μ~0.6
It became μm. When this is anodically bonded onto a glass die,
As shown in Figure (C), it is deformed in the opposite direction, and during Δh -
It became a dent of 0.1 μm. When a humidity test (100 hours) was conducted using the semiconductor pressure sensor formed in this way, as shown in FIG. 0.15~-0.2μm
It became. That is, it was confirmed that the diaphragm part was deformed into a concave shape due to moisture absorption, and was thereby upshifted.
つまり、ゲージチップ1の熱膨張係数αSが、ガラスダ
イ2の熱膨張係数αGよりも犬であることから、第4図
(a)の接合前の状態に対して、接合時の加熱によって
熱膨張に差が生じ、接合後は同図(b)に示しだように
、ダイアフラム部に図示矢印のモーメントが発生し、下
方に凹となるのである。In other words, since the coefficient of thermal expansion αS of the gauge chip 1 is smaller than the coefficient of thermal expansion αG of the glass die 2, the thermal expansion coefficient αS of the gauge chip 1 is smaller than the coefficient of thermal expansion αG of the glass die 2. There is a difference, and after joining, as shown in FIG. 6(b), a moment is generated in the diaphragm portion as indicated by the arrow in the figure, causing it to become concave downward.
躯に、このように形成されたものを高温高湿の環境に設
置すると、接合層4が吸湿して膨張され、室温に取り出
すと、第4図(C)に示l−だように、接合I?44に
圧縮力が、ゲージチップ1に引張力が加わり、これによ
ってダイアフラム部は一層下に凹となるのである。なお
、接合部を斜め研磨後X M Aによる5I02の分析
をしたところ、接合1i4はゲージチップ(+111に
形成された8 1 Q 2薄層であることが判った。When the structure formed in this way is placed in a high temperature and high humidity environment, the bonding layer 4 absorbs moisture and expands, and when it is taken out to room temperature, the bonding layer 4 forms as shown in FIG. 4(C). I? A compressive force is applied to the gauge tip 44, and a tensile force is applied to the gauge tip 1, thereby causing the diaphragm portion to concave further downward. Incidentally, when the joint portion was obliquely polished and 5I02 was analyzed by XMA, it was found that the joint 1i4 was an 8 1 Q 2 thin layer formed at the gauge tip (+111).
また、この接合層の1qみと陽極接合電流Ipとは、第
5図に示された相関を有しておシ、第21閑(a)〜(
C)に−示された零点出力変化と陽極接合電流との特性
とから、最適な接合層の厚さが存在するとと8が判る。Moreover, 1q of this bonding layer and the anodic bonding current Ip have the correlation shown in FIG.
From the characteristics of the zero point output change and the anodic junction current shown in C), it can be seen that an optimum junction layer thickness exists.
即ち、接合層が6μm以上になると吸湿が−が大きくな
って、零点のアップシフトも大きくなる。捷だ、IPが
10μAの場合には2.5μm程度の接合層が得られる
が、部分的に接合されない空隙が残り、その部分に水分
が浸入するため見掛は上の吸水′@:が増大し、これに
よってアップシフト量が大きくなってしまうのである。That is, when the bonding layer has a thickness of 6 μm or more, the moisture absorption becomes large and the upshift of the zero point becomes large. However, when the IP is 10 μA, a bonding layer of about 2.5 μm can be obtained, but some voids remain that are not bonded, and moisture infiltrates into those areas, so the apparent water absorption increases. However, this increases the amount of upshift.
しかも、接合強度的にも十分なものとは言えない。Moreover, it cannot be said that the bonding strength is sufficient.
これらのことから、陽極接合電流Ipを15〜25μA
に制御することによって、接合層の厚みを3〜6μmと
なるように形成すれば、アップシフトを大幅に低減する
ことができるのである。From these reasons, the anode junction current Ip is set to 15 to 25 μA.
By controlling the bonding layer to have a thickness of 3 to 6 μm, upshift can be significantly reduced.
以上説明したように、本発明によれば、陽極接合法によ
って形成したものであっても、高温高湿の環境における
アップシフトを大幅に低減させ、高い信頼性を有したも
のとすることができる。As explained above, according to the present invention, even when formed by an anodic bonding method, upshifts in high temperature and high humidity environments can be significantly reduced and high reliability can be obtained. .
Claims (1)
ジチップをガラスダイから成る支持台上に載置し、前記
ゲージチップの厚肉部を陽極接合法によって前記支持台
に固着させて成る半導体圧カセンザにおいて、陽極接合
法によって前記厚肉部と支持台間に形成される唇合層の
厚みを、接合電流制御によって3乃至6μmとしたこと
を特徴とする半導体圧力センサ。1. A semiconductor pressure sensor in which a gauge chip consisting of a diaphragm having a thick portion on the periphery is placed on a support made of a glass die, and the thick portion of the gauge chip is fixed to the support by an anodic bonding method. . A semiconductor pressure sensor, characterized in that the thickness of the lip mating layer formed between the thick portion and the support base by an anodic bonding method is set to 3 to 6 μm by controlling the bonding current.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14106982A JPS5931431A (en) | 1982-08-16 | 1982-08-16 | semiconductor pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14106982A JPS5931431A (en) | 1982-08-16 | 1982-08-16 | semiconductor pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5931431A true JPS5931431A (en) | 1984-02-20 |
| JPH0366609B2 JPH0366609B2 (en) | 1991-10-18 |
Family
ID=15283508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14106982A Granted JPS5931431A (en) | 1982-08-16 | 1982-08-16 | semiconductor pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5931431A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12318739B2 (en) | 2019-05-14 | 2025-06-03 | Sodastream Industries Ltd. | Carbonation machine and a gas canister for a carbonation machine |
-
1982
- 1982-08-16 JP JP14106982A patent/JPS5931431A/en active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12318739B2 (en) | 2019-05-14 | 2025-06-03 | Sodastream Industries Ltd. | Carbonation machine and a gas canister for a carbonation machine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0366609B2 (en) | 1991-10-18 |
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