JPS6284538A - 半導体素子用ステム - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体素子の実装に用いられるステムに関し、
特、に機械量−電気変換半導体素子の実装に適した半導
体素子用ステムに関する。

〔従来の技術〕

第７図（、）、（ｂ）は、この種の半導体素子用ステム
の従来例である。図の例では、ステム１００は金属リー
ド１、該リードを気密封止するためのガラス材２及び該
ガラス材を囲む外環金属３で構成されている。金属リー
ドｌ、外環金属３とガラス材２とは高温で融着される。

金属リード１、外環金属３の材料としては、鉄、鉄−ニ
ッケル合金、鉄−ニッケルーコバルト合金（コパールと
呼ばれる）等が用いられ、ガラス材２としては、硼硅酸
ガラス、ソーダバリウムガラス等が用いられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来、この種のステムに半導体素子（チッｆ）を実装す
る場合の問題点として、実装時や使用時の温度変化によ
ってチップに加わる熱歪の問題があった。この熱歪は、
−チップとステムを構成する材料間の熱膨張係数の相違
によシ発生するもので、半導体素子の電気的特性のシフ
トや温度ドリフトの原因となる。さらに甚しい場合には
、チップに亀裂が入ったシ、チップ接合部がはがれたル
する原因にもなる。

半導体素子の中でも、特に歪・応力を検知対象とする機
械量−電気変換素子では、この熱歪による素子特性の劣
化が非常に深刻な問題となってくる。機械量−電気変換
素子としてダイアフラム形シリコン圧カセンサがよく知
られている。該圧力センサ１０は、第８図（ａ）、（ｂ
）に示すようにシリコン基板４をエツチング等によシ薄
膜化したダイアフラム５の上にイオン注入等により形成
された拡散抵抗１１〜１４ヲ感圧素子とする圧力−電気
変換デバイスである。シリコンダイアフラム５は表面側
と裏面側の圧力の差を歪に変換する起歪体でアシ、歪に
よりてダイアフラム５に発生する応力により拡散抵抗１
１〜１４の抵抗値が変化する。図の例では、正方形ダイ
アプラム５上の４辺に長手方向がダイアフラムエツジと
垂直な拡散抵抗１１．１３と平行な・拡散抵抗１２．１
４がそれぞれ配置されている。これはシリコン基板４を
ｎ型、拡散抵抗１１〜１４をｐ型とし、ｎ型シリコン基
板４の面方位’ｉ　（１００）、ｐ型拡散抵抗の長手方
向ｔ＜０１１）結晶軸方向に選んだ場合の抵抗配置の一
例であって、この場合、ダイアプラム表面（拡散抵抗・
母ターンニング面）側から正圧が印加されると、拡散抵
抗１１　、１３は抵抗値が増大し、拡散抵抗１２．１４
は抵抗値が減少する。

拡散抵抗１１〜１４の両端部は、それぞれ、配線パター
ンによシ金属電極（パッド）６まで引き出され、該パッ
ド６ｔ−介して外部に取シ出される。拡散抵抗１１．１
３と拡散抵抗１２．１４とでは、印加圧力に対する抵抗
値変化が互いに逆極性となるので、拡散抵抗１１〜１４
でホイートストンブリッジ回路を構成し、これに定電圧
または定電流を印加すれば、印加圧力による抵抗値変化
を電圧として検出できる。

第９図は、第７図（ａ）、（ｂ）に示した従来のステム
を用いたダイアフラム形圧カセンサの実装構造の一例を
示す断面図である。圧力センサチップ１ｏは、ステム１
００の外環金属３上にチップ接着される。

次に、チップ上のパッドがメンディング線９によシステ
ム１００のリード１と結線され、外部と電気的に接続さ
れる。最後に、ステム１００の外環金属３に圧力導入管
１５を備えたキャップ１６が溶接等によ〕接着され、ス
テム１００の上面がキャップシールされる。図の構造例
では、圧力導入管１５への供給圧とダイアフラムの裏側
に封入された基準圧との差が検出される。、基準圧とし
ては真空を用いるのが普通であり、この場合、前述のチ
ップ接着は真空中で行なわれる。この構造のものを絶対
圧センサと呼ぶ。これに対し、ステム１００に貫通孔を
設けてダイアフラム裏面を大気に開放し、大気圧を基準
にした圧力検出ができるようにした構造のものをゲージ
圧センサと呼ぶ。また、ステム１００にも圧力導入管を
設け、キャップとステムの圧力導入管にそれぞれ供給さ
れる圧力の差を検出できるようにした構造のものを差圧
センサと呼ぶ。

上記圧力センサの実装工程中、チップ接着工程では、ス
テム１００の外環金属３上に接着剤１７とチッｆｌＯを
載せ、温度を上げ、接着剤１７を溶かしてチップ１０と
ステム１００’ｉ接着する。接着剤１７としては、ハン
ダ（Ａｕ−８ｎ、　Ａｕ−８ｉ’合金等）、低融点ガラ
ス、樹脂硬化型接着剤等が用いられるが、いずれにして
も、チップはステムに強固に、かつ、気密性良く接着さ
れなければならない。ステム１００の外環金属３の熱膨
張係数（コパーで５Ｘ１０−’／℃程度である）は′シ
リコン（３，３Ｘ　１０−’／ｌ：程度である）よシ大
きいので、外環金属３がチップ１０よりもよけいに伸び
た状態で両者は接着される。４次に、接着後常温まで温
度を下げると、外環金属３が元の長さに収縮するのに引
きずられて、チップ１０は元の長さより短く圧縮される
。すなわち、チップ接着後、チップには熱歪による圧縮
応力が作用している。圧力センサチップは周辺が肉厚、
中央が薄膜であるから、この熱歪による応力はダイアフ
ラム部に集中する。この結果、ダイアフラムには被測定
圧とは無関係な不要な応力が発生し、これによって生じ
る拡散抵抗１１〜１４間の抵抗値アンバランスが不要な
オフセット電圧成分としてブリッジ出力電圧に混入する
ことになる。

次に、組立後の圧力センサ使用時において、周囲温度が
上昇すると、チップはステムの熱膨張に引きずられて引
き伸ばされ、元の長さに近ずくので、チップの圧縮応力
は常温よシも小さくなる。

逆に周囲温度が降下すると、チップはステムの熱収縮に
引きずられてさらに圧縮されるので、チップの圧縮応力
は常温よシもさらに大きくなる。この結果、オフセット
電圧が周囲温度によシ変動し、センサ特性全労イヒさせ
る。

以上のように、シリコンダイアフラム型圧力センサでは
、チップとステムの熱膨張係数の差による熱歪が、組立
時のオフセット電圧発生及び使用時のオフセット電圧温
度変動の要因となシ、特性を劣化させていた。さらに、
該熱歪は、接着層のクリープ挙動（ずれ変形が徐々に進
行すること）と相俟って、特性の長時間ドリフトや熱ヒ
ステリシスの原因にもなっていた。

該熱歪の影響を低減するため、ダイアフラム型圧力セン
サでは圧力センサチップとステムの中間にシリコンと熱
膨張係数が略一致した緩衝層を設ける構造が従来から一
般的に用いられてきた。しかし、この構造は、実装前に
チップと緩衝層を接着するための工程が追加されるので
生産性、コスト面では好ましいとはいえない。また、熱
歪の影響を低減するためには、緩衝層をチップに比べて
十分厚くしなければならず、チップと緩衝層を積層した
ダイの高さはチップのみの場合の数倍〜士数倍になって
しまう。ワイヤーゲンデイングのためには、チップ上面
とリードの先端の高さを揃える必要があるので、この場
合、ステム上面からのリードの長さもチップのみの場合
の数倍〜士数倍にする必要がある。しかし、ステム上面
からのリードの長さが長くなると、ワイヤーボンディン
グ性及びリードの機械的強度が劣化するという欠点があ
った。

以上、ダイアフラム型シリコン圧力センサの実装を例に
詳しく説明したように、従来の半導体素子用ステムは半
導体素子基板材料と熱膨張係数に差があるという欠点を
有しており、熱歪に敏感な機械量−電気変換素子を、特
性劣化なしに、かつ緩衝層なしに直接実装するのに適し
た半導体素子用ステムはなかりた。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点が除去された半導
体素子用ステムを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、金属リードと、該リードを気密封止するため
のガラス材と、該ガラス材を囲む外環金属とから成る半
導体素子用ステムにおいて、該外環金属の半導体素子搭
載領域に窪みを設け、該窪みに半導体素子の基板材料と
略同一の熱膨張係数を有する素子搭載用部材を配置した
ことを特徴とする半導体素子用ステムである。

〔作用〕

半導体素子は、素子搭載用部材に接着される。

接着は温度を上げ念状態で行なわれるが、素子搭載用部
材の熱膨張係数は半導体素子の基板材料と略同一である
ので、両者はほぼ同じ長さだけ伸びた状態で接着され゛
、接着後常温まで温度を下げると、両者ともほぼ同じだ
け収縮して元の長さに戻る。このため、接着後の半導体
素子にはほとんど熱歪が生じ碌い。また、実装後の使用
時においても、周囲温度の昇降にともない、半導体素子
と素子搭載用部材とが同じだけ膨張／収縮するので、半
導体素子に熱歪は発生しない。この結果、熱歪による半
導体素子の特性劣化が著しく減少する。

〔実施例〕

以下、実施例によシ本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す図である。図において
、２００は金属リード２１、該リードを気密封止するた
めのガラス材２２、該ガラスを囲む外環金属２３から成
る半導体素子用ステムであシ、本実施例の特徴は、外環
金属２３の中央部の半導体素子搭載領域に窪み２３ｍが
設けられ、該窪み２３ａ　Ｋ半導体素子の基板材料と略
同一の熱膨張係数を有する素子搭載用部材２４が配置さ
れている点にある。すなわち、第７図（ａ）、（ｂ）に
示した従来のステムｌＯＯが外環金属３上に半導体素子
を接着するよう構成されていたのに対し、本発明では、
半導体素子が、外環金属２３の窪み２３ａ内に配置され
た半導体素子基板材料と略同一の熱膨張係数を有する素
子搭載用部材２４　ＩＣ接着されるよう構成が修正され
ている。

第２図は、第１図に示した本実施例のステムを用いてダ
イアフラム膨圧力センサを実装する場合の構造の一例を
示す断面図である。図において、第９図の実装構造断面
図と同一の構成要素は、第９図と同一の符号で示されて
いる。圧力センサチップ１０は、接着剤１７によ〕ステ
ム２００の素子搭載用部材２４に接着される。接着は温
度を上げた状態で行なわれるが、素子搭載用部材２４の
熱膨張係数がシリコンと略同一に選定されていれば、両
者は常温よ〕はぼ同じ長さだけ伸びた状態で接着される
。次に、接着後常温まで温度を下げると、熱膨張係数が
略同一の両者はほぼ同じだけ収縮して元の長さに戻る。

すなわち、チップ接着工程での温度の昇降に対して、シ
リコンチップ１０と素子搭載用部材２４はほぼ同じだけ
膨張／収縮する。このため、接着後のチップ１０にはほ
とんど熱歪は発生しない。同様に、使用時の周囲温度の
昇降に対しても、チップ１０と素子搭載用部材２４はほ
ぼ同じだけ伸縮するので、温度変化による熱歪はほとん
ど発生しない。この結果、熱歪によるダイアフラム型圧
力センナの特性劣化は著しく低減される。

すなわち、本実施例によれば　熱歪に敏感なダイアフラ
ム型圧力センナを、特性劣化なしに、かつ緩衝層なしに
直接実装するのに適した半導体素子用ステムが得られる
。

本実施例の素子搭載用部材２４としては、シリコン単結
晶をはじめとして、ＳＩＣ及び窒化アルミ÷９ム等のセ
ラミック、ノ量イレックスガラス等が使用できる。なお
、該素子搭載用部材２４の断面形状として上記実施例で
は円形を用いたが、これは単なる一例であって、該部材
２４は方形、多角形等任意の断面形状とすることができ
る。

上記実施例の構造は、一般の半導体素子及び絶対圧セン
サの実装に適したものであったが、圧力センナの使用形
態には絶対圧センサの他にゲージ圧センサ、差圧センサ
等がある。第３図（ａ）、（ｂ）は、ゲージ圧センサの
実装に適した本発明の第２の実施例を示す図である。図
において、第１因と同一の構成要素は、第１図と同一の
符号で示されている。本実施例の特徴は、素子搭載用部
材２６に貫通孔を設け、これを窪み２５１部分に貫通孔
を設けた外環金属２５上に配置し、貫通孔２７を有する
半導体素子用ステム３００ｔ−８成している点にある。

この構造によれば、圧力センナをチップ接着したとき、
ダイアフラム裏面は大気に開放されることになシ、大気
圧を基準にした圧力検出が可能になる。

したがって、本実施例によれば、上記第１の実施例と同
じく、圧カセンサチッｆｔ−熱歪による特性劣化なしに
、かつ、緩衝層なしに直接接着でき。

特にゲージ圧センサの実装に適した半導体素子用ステム
が得られる。

第３図（ａ）、（ｂ）に示した上記第２の実施例の半導
体素子用ステム３００に圧力センサチップを実装する場
合には、貫通孔とダイアフラムの位置合わせが重要な問
題になる。第４図（ａ）、（ｂ）は、この位置合わ、せ
を容易に行なうことが可能な本発明の第３の実施例を示
す図である。図から明らかなように、本実施例のステム
４００では、素子搭載用部材２８の高さが、該部材の上
面が外環金属２５の上面よりも低くなるよう選ばれてい
る。この結果、素子搭載用部材２８と外環金属２５の境
目には段差が生じるから、素子搭載用部材２８の断面積
を適当な寸法に選び、チップ１０を該段差の内側に入る
ように接着すれば、第５図に示すようにステム４００の
貫通孔２７とダイアフラムの位置合わせを自動的に行な
うことができる。したがって、本実施例によれば、上記
２実施例と同じく、圧力センサチップを熱歪による特性
劣化なしに、かつ、緩衝層なしに直接実装できる上、ダ
イアプラムと貫通孔との位置合わせの容易な、圧力セン
サの実装に最適な半導体素子用ステムが得られる。

上記実施例における素子搭載用部材２８と外環金属２５
との間の段差は、第１図（ａ）、（ｂ）に示した貫通孔
のないステムに、絶対圧センサや一般の半導体素子を実
装する場合にも、ワイヤーがンｒイング工程での位置合
わせ用等として有用である。

第６図（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施例を示す図
である。本実施例のステム５００は、第４図に示した上
記第３の実施例のステム４００の外環金属２５に圧力導
入管２９ヲ設けた構造を有しており、差圧センサ用のス
テムとして最適である。

以上、ダイアフラム型圧力センナの実装を例に本発明を
説明したが、本発明は圧力センサ等の機械量−電気変換
素子用のみならず、一般の半導体素子用ステムに広く適
用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、従来問題となりていた
半導体素子と半導体素子用ステム間の熱膨張係数の差に
よる熱歪の発生が抑制され、半導体素子を、熱歪による
特性劣化なしに、かつ緩衝層の追加なしに実装できる優
れた半導体素子用ステムを実現できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す平面図、（ｂ）
は同縦断面図、第２図は該実施例を用い九竿導体素子の
実装の一例を示す因、第３図（ａ）は本発明の第２の実
施例を示す平面図、（ｂ）は同縦断面図、第４図（Ｉｋ
）は本発明の第３の実施例を示す平面図、（ｂ）は同縦
断面図、第５図は該実施例を用いた半導体素子の実装の
一例を示す図、第６図（ａ）は本発明の第４の実施例を
示す平面図、（ｂ）は同縦断面、第７図（ａ）は半導体
素子用ステムの従来例を示す平面図、（ｂ）は同縦断面
図、第８図は機械量−電気変換素子として従来よく知ら
れているダイアプラム型シリコン圧力センサのチップ構
造の一例を示す図、第９図は該圧力センナの実装の従来
例を示す図である。 １００．２００，３００，４００．５００　・＊導体素
子用ｘ　ｆ　Ａ、１０・・・ダイアフラム型圧力センサ
、１，２１・・・金属リード、２，２２・・・ガラス材
、３．２３．２５・・・外環金属。 ４・・・シリコン基板、５川シリコンダイアフラム、６
・・・ノ臂ツド、９・・・ボンディング線、１１．１２
．１３．１４・・・拡散抵抗、１５．２９・・・圧力導
入管、　２３１．２５ｍ・・・窪み、２４，２６．２８
・・・素子搭載用部材、１６・・・キャップ、１７・・
・接着剤、２７・・・貫通孔。 特許出願人　　日本電気株式会社 代　理　人　　弁理士　内　原　、、晋フ゛−＼Ｊ、ニ
ブ 第１図 （ａ） 第３図 ＣＱ） 第４図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属リードと、該リードを気密封止するためのガ
   ラス材と、該ガラス材を囲む外環金属とから成る半導体
   素子用ステムにおいて、該外環金属の半導体素子搭載領
   域に窪みを設け、該窪みに半導体素子の基板材料と略同
   一の熱膨張係数を有する素子搭載用部材を配置したこと
   を特徴とする半導体素子用ステム。