JP2010025760A - 半導体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】通電時に抵抗体にジュール熱が発生した際に、半導体基板と保護層との線膨張係数の違いによりダイアフラム部が受ける応力を抑制することで、センサ出力のドリフト現象を低減し、測定制度を向上させて安定した計測が可能な半導体センサを提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体センサは、半導体基板２と、前記半導体基板の一部が薄板化されてなるダイアフラム部３と、前記ダイアフラム部の一面側に配された抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ と、を少なくとも備えた半導体センサ１Ａ（１）であって、前記ダイアフラム部の一面上には、少なくとも前記抵抗体を覆うように第一保護層７と第二保護層８が順に積層され、前記第一保護層の線膨張係数は、前記第二保護層の線膨張係数と比べて、前記半導体基板の線膨張係数により近い値を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサとして機能する半導体センサに関する。

近年、圧力センサは、家電品、医療機器、自動車部品など様々な分野で使用されており、中でも半導体圧力センサは小型で高信頼性を有するため、その用途はますます拡大している。

その一例としては、例えば図５に示すようなものが挙げられる。この圧力センサ１００は、シリコン等からなる半導体基板１０１の一部が薄く加工されてなるダイアフラム部１０２（感圧部）と、圧力による該ダイアフラム部１０２の歪抵抗の変化を測定するために複数配された、感圧素子としての歪ゲージ１０３と、前記一面において、前記ダイアフラム部１０２を除いた外縁域に配され、前記歪ゲージ１０３ごとに電気的に接続された電極（パッド部）１０４と、半導体基板１０１と接合されたガラス基板等からなる台座基板１０５等を備えている。

このような圧力センサ１００は、ダイアフラム部１０２が圧力を受けて撓むと、各歪ゲージ１０３にダイアフラム部１０２の歪み量に応じた応力が発生し、この応力に応じて歪ゲージ１０３の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電気信号として取り出すことにより、圧力センサ１００は圧力を検出する（例えば、特許文献１参照）。

ところで、電子デバイスやＭＥＭＳデバイスは、その目的により様々な環境で使用される。それらの環境では、外部の汚染によりデバイスの特性に影響を与える可能性がある。よってそれらの影響からデバイスを保護する目的で、デバイスをモールド樹脂等で保護するのが一般的である。

しかしながら、外部環境を測定するような圧力センサにおいては、そのセンシング部を外部にさらす必要があり、上記とは別の方法でデバイスを保護する必要がある。例えば、特許文献２においては、圧力センサのダイアフラム部１０２にシリコーンゲルからなる保護層１０６を形成している。

シリコーンゲルは、その特性上すぐれた保護材として使用されている。しかし、圧力センサを動作させる際、圧力センサのゲージ抵抗部にジュール熱が発生し、その熱がシリコーンゲルにまで達する。
シリコーンゲルの線膨張係数は一般的に１０^−４／℃オーダーなので、シリコン基板（約３×１０^−６／℃）やパッシベーション膜（１０^−７／℃オーダー）に比べ、２桁以上大きい。その結果、半導体基板とシリコーンゲルとの体積変化に差が生ずることで、圧力センサの威圧部であるダイアフラム上にシリコーンゲルから受ける応力が発生し、センサの出力がドリフトしてしまい、安定した計測が難しくなるという問題があった。
特開２００２−３４０７１４号公報 特表２００２−５１４３０７号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、半導体センサの通電時に抵抗体にジュール熱が発生した際に、半導体基板と保護層との線膨張係数の違いによりダイアフラム部が受ける応力を抑制することで、センサ出力のドリフト現象を低減し、測定精度を向上させて安定した計測が可能な半導体センサを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の半導体センサは、半導体基板と、前記半導体基板の一部が薄板化されてなるダイアフラム部と、前記ダイアフラム部の一面側に配された抵抗体と、を少なくとも備えた半導体センサであって、前記ダイアフラム部の一面上には、少なくとも前記抵抗体を覆うように第一保護層と第二保護層が順に積層され、前記第一保護層の線膨張係数は、前記第二保護層の線膨張係数と比べて、前記半導体基板の線膨張係数により近い値を有していることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の半導体センサは、請求項１において、前記第一保護層は、前記抵抗体の上部のみに配されていることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の半導体センサは、請求項１又は２において、前記第一保護層はゲル状をなすことを特徴とする。

本発明では、前記ダイアフラム部の一面上に、少なくとも前記抵抗体を覆うように積層された第一保護層と第二保護層を有し、前記第一保護層の線膨張係数は、前記第二保護層の線膨張係数と比べて、前記半導体基板の線膨張係数により近い値を有している。このように本発明では、第一保護層が半導体基板と近い線膨張係数を有しているので、半導体センサの通電時に抵抗体にジュール熱が発生しても、半導体基板と第一保護層との体積変化の差を小さく抑えることができ、ダイアフラム部が第一保護層から受ける応力を抑制することができる。その結果、本発明では、外部環境からダイアフラム部を保護するとともに、通電初期に発生するセンサ出力のドリフト現象を低減することができるので、測定制度が向上し、安定した計測が可能な半導体センサを提供することが可能である。

以下、本発明に係る半導体センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明に係る半導体センサの一構成例（第一実施形態）を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は線分Ａ−Ａにおける断面図、（ｃ）は線分Ｂ−Ｂにおける断面図である。なお、図１（ｂ）においては、抵抗体と第一保護層との位置関係を模式的に示している。また、図２は、図１に示す半導体センサが、パッケージ（「筐体」とも呼ぶ）に内蔵された状態を模式的に示す断面図である。
この半導体センサ１Ａ（１）は、例えばシリコン基板等からなる半導体基板２と、半導体基板２の薄肉部に相当するダイアフラム部３（「感圧部」とも呼ぶ）と、前記ダイアフラム部３と隣接して配され、例えばワイヤ等を介して外部と電気的に接続されるパッド部４と、ダイアフラム部３の表面に配された感圧素子である４つのｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１ 〜Ｒ_４ と、から構成されている。

そして本発明の半導体センサ１は、ダイアフラム部３の一面上には、少なくとも抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４を覆うように第一保護層７と第二保護層８が順に積層され、第一保護層７の線膨張係数は、第二保護層８の線膨張係数と比べて、半導体基板２の線膨張係数により近い値を有していることを特徴とする。

本発明では、ダイアフラム部３の一面上に、少なくとも抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４を覆うように積層された第一保護層７と第二保護層８を有し、第一保護層７の線膨張係数は、第二保護層８の線膨張係数と比べて、半導体基板２の線膨張係数により近い値を有している。このように本発明では、第一保護層７が半導体基板２と近い線膨張係数を有しているので、半導体センサ１の通電時に抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４にジュール熱が発生しても、半導体基板２と第一保護層７との体積変化の差を小さく抑えることができ、ダイアフラム部３が第一保護層７から受ける応力を抑制することができる。その結果、本発明の半導体センサ１は、外部環境からダイアフラム部３を保護するとともに、通電初期に発生するセンサ１出力のドリフト現象を低減することができるので、測定制度が向上し、安定した計測が可能なものとなる。

図１に示すように、この半導体センサ１は、平板状の半導体基板２を基材とし、この半導体基板２の一面（図１（ｂ））において、その中央域に位置する薄板化された領域をダイアフラム部３（「感圧部」とも呼ぶ）とする。このダイアフラム部３には、感圧素子として機能する抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が配されている。

また、前記一面において、前記ダイアフラム部３を除いた外縁域には、前記抵抗体Ｒ_１ 〜Ｒ_４ ごとに電気的に接続されたパッド部４が配されている。したがって、半導体センサ１は、絶対圧センサとして機能する構造を備えている。

また、半導体センサ１において、パッド部４を除く外縁域は、絶縁部（図示せず）によって覆われる形態が好ましい。絶縁部を設けることにより、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４が絶縁部によって被覆した構成が得られる。この構成とした半導体センサ１では、例えば図２に示すようにパッケージ３０や端子部３３と接続させる際に、パッド部４以外の外縁域は全て絶縁部によって被覆されているので、台座基板１０やパッケージ３０に対して抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の絶縁性が十分に確保される。また、絶縁部は、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の外気との接触を遮断するため抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の耐食性を向上させると共に、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４がダイアフラム部３を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に削減する効果も有する。

感圧素子として機能するｐ型抵抗体（ピエゾ抵抗素子）Ｒ_１〜Ｒ_４は、ダイアフラム部３の圧力変動を検出する検出回路（ストレンゲージ）を構成するものであり、リード配線５を介して、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。それぞれの抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は外周部のパッド部４までを配線部６によって電気配線接続されている。

このような抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は、ダイアフラム部３の周縁部に配置すると良い。周縁部においては圧縮と引張の両応力が抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４に加わり易いので、感度の良い半導体センサ１が得られる。また、各抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４は、ダイアフラム部３の表面に配されており、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。

また、半導体基板２には、配線部６が設けられている。この配線部６は、例えばシリコン基板中にボロン（ｐ型抵抗体よりも高濃度のもの）などの拡散源を注入することによって形成することができる。そして、この配線部６の一端部は、ｐ型抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４と電気的に接続され、他端部は、半導体基板２上に例えばアルミニウムなどによって形成されたパッド部４と電気的に接続されている。

前記ダイアフラム部３の一面上には、外部環境の汚染からダイアフラム部３を保護する目的で、少なくとも前記抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４を覆うように積層された第一保護層７と第二保護層８とを有している。
そして本発明の半導体センサ１では、第一保護層７の線膨張係数は、第二保護層８の線膨張係数と比べて、半導体基板２の線膨張係数により近い値を有している。
第一保護層７が半導体基板２と近い線膨張係数を有しているので、半導体センサ１の通電時に抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４にジュール熱が発生しても、この構造により、半導体基板２と第一保護層７との体積変化の差を小さく抑えることができ、ダイアフラム部３が第一保護層７から受ける応力を抑制することができる。

ここで、第二保護層８としては、圧力をダイアフラム部３に伝え、かつ耐環境特性にすぐれたシリコーンゲル等が用いられる。シリコーンゲルの線膨張係数は１０^−４／℃オーダーであり、第一保護層７は、その線膨張係数が、第二保護層８と比べて半導体基板２により近い値を有する材料が用いられる。半導体基板２が例えばシリコン基板からなる場合、その線膨張係数は約３×１０^−６／℃である。

このような第一保護層７の材料としては、例えばエポキシ樹脂系（線膨張係数は１０^−５／℃オーダー）が挙げられる。このような材料を用いることで、半導体基板２に対する第一保護層７の体積変化は、第二保護層８に比べて小さく、ダイアフラム部３が第一保護層７から受ける応力を抑制することができる。
また、第一保護層７はゲル状をなすことが好ましい。これにより、圧力をダイアフラム部に伝えることができる。

なお、エポキシ系樹脂からなる保護層だけでは、耐環境性の面で、半導体センサの保護層としては不十分である。そこで本発明では、下層にエポキシ系樹脂等からなる第一保護層７を、上層に耐環境性に優れたシリコーンゲル等からなる第二保護層８を配している。これにより外部環境からのダイアフラム部３の保護と、半導体基板２と第一保護層７との線膨張係数の差に起因する圧力変動（センサ出力のドリフト現象）の低減とを両立することができる。

このように、第一保護層７が半導体基板２と近い線膨張係数を有しているので、半導体センサ１の通電時に抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４にジュール熱が発生しても、この構造により、半導体基板２と第一保護層７との体積変化の差を小さく抑えることができ、ダイアフラム部３が第一保護層７から受ける応力を抑制することができる。その結果、本発明の半導体センサ１は、外部環境からダイアフラム部３を保護するとともに、通電初期に発生するセンサ１出力のドリフト現象を低減することができ、安定した計測が可能なものとなる。

このような本発明の半導体センサ１Ａ（１）は、図２に示すように、半導体センサ１Ａ（１）のダイアフラム部３が配された面を上にして、反対側の面（底面）を台座基板１０に固定され、さらに接着剤３１等によりパッケージ３０に固定されている。また、金属ワイヤ３２を介してパッケージ３０の端子部３３に実装され、パッケージ３０に内蔵される。このパッケージ３０は、圧力導入口３４を備えている。

そして、半導体センサ１において、半導体基板２のダイアフラム部３（感圧部）に外力が加わると、ダイアフラム部３が変形し、ダイアフラム部３の表面に形成された個々のゲージ抵抗が変化する。この、ホイートストンブリッジ回路における抵抗の変化を用いてセンサ出力の変動をモニタし、圧力に換算する。

なお、上述した例では、金属ワイヤ３２を介してパッケージ３０の端子部３３と電気的に接続される場合であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば金属ワイヤの代わりにはんだバンプを介してパッケージの端子部に電気的に接続された構造であってもよい。

＜第二実施形態＞
図３は、本発明に係る半導体センサの他の一構成例（第二実施形態）を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は線分Ｃ−Ｃにおける断面図、（ｃ）は線分Ｄ−Ｄにおける断面図である。なお、図３（ｂ）においては、抵抗体と第一保護層との位置関係を模式的に示している。また、図４は、図３に示す半導体センサが、パッケージ（「筐体」とも呼ぶ）に内蔵された状態を模式的に示す断面図である。
なお、以下に示す説明では、上述した第一実施形態と異なる部分についてのみ説明し、第一実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。
第一実施形態では、第一保護層７が、ダイアフラム部３全体を覆うように配される構成としたのに対して、本実施形態では、第一保護層７が、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の上部のみ（局所的）に配される構成とした点が相違する。

この半導体センサ１Ｂ（１）では、ダイアフラム部３全体ではなく、抵抗体Ｒ_１〜Ｒ_４の上部のみに第一保護層７が配されているので、該第一保護層７から露出したリード配線５や、配線部６等の電気回路上には、電気絶縁性の高いシリコーンゲルからなる第二保護層８を直接配することができる。これにより、半導体センサ１Ｂ（１）は耐絶縁性の向上が図れるので、より高い信頼性を備えることができる。

図３（ｂ）に示すような二層構造の保護層は、まず、各ゲージ抵抗の上に局所的にエポキシ樹脂等をディスペンス後、硬化させることにより第一保護層７を形成し、次いで、第一保護層７の上からシリコーンゲル等をディスペンスし硬化させることにより第二保護層８を形成することにより得られる。

このような本実施形態の半導体センサ１Ｂ（１）は、図４に示すように、半導体センサ１Ｂ（１）のダイアフラム部３が配された面を上にして、反対側の面（底面）を台座基板１０に固定され、さらに接着剤３１等によりパッケージ３０に固定されている。また、金属ワイヤ３２を介してパッケージ３０の端子部３３に実装され、パッケージ３０に内蔵される。

以上、本発明の半導体センサについて説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、ストレンゲージとして機能するｐ型抵抗体の配置および数に関しては、種々の変形例が考えられ、要は、ダイアフラム部（感圧部）の圧力歪を検出できれば、その配置や数はいかなるものでも構わない。
また、上述した実施形態では、シリコーンゲルからなる第二保護層が、センサ表面のみに配された構造を例に挙げて説明したが、シリコーンゲルがパッケージ全体に充填された構造とすることもできる。

本発明は、圧力センサとして機能する半導体センサに適用可能である。このような半導体センサは、例えば一般工業用計測用、電子血圧計、高度、気圧、水深計測機能付き電子機器、携帯機器、自動車などに用いられる。

本発明に係る半導体センサの一例を示す図。 図１に示す半導体センサが、パッケージに内蔵された状態を示す断面図。 本発明に係る半導体センサの他の一例を示す図。 図３に示す半導体センサが、パッケージに内蔵された状態を示す断面図。 従来の半導体センサの一例を示す断面図。

符号の説明

Ｒ_１〜Ｒ_４ 抵抗体、１Ａ，１Ｂ（１） 半導体センサ、２ 半導体基板、３ ダイアフラム部（感圧部）、４ パッド部、５ リード配線、６ 配線部、７ 第一保護層、８ 第二保護層、１０ 台座基板、３０ パッケージ、３１ 接着剤、３２ 金属ワイヤ、３３ 端子部、３４ 圧力導入口。

Claims (3)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の一部が薄板化されてなるダイアフラム部と、前記ダイアフラム部の一面側に配された抵抗体と、を少なくとも備えた半導体センサであって、
   前記ダイアフラム部の一面上には、少なくとも前記抵抗体を覆うように第一保護層と第二保護層が順に積層され、
   前記第一保護層の線膨張係数は、前記第二保護層の線膨張係数と比べて、前記半導体基板の線膨張係数により近い値を有していることを特徴とする半導体センサ。
2. 前記第一保護層は、前記抵抗体の上部のみに配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記第一保護層はゲル状をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体センサ。

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