JPH05340909A

JPH05340909A - ボンディングパッド

Info

Publication number: JPH05340909A
Application number: JP17740892A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Maeno; 起男前野; Yoshinori Maeda; 義徳前田
Original assignee: Chichibu Cement Co Ltd
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミックス基板上に設けられた電極やヒー
タなどの端子部とリード線やリードフレームを強固に接
合できるボンディングパッドを得ること。【構成】セラミックス基板上に金属とセラミックスと
からなる密着層を設け、その上部に金属の膜上組成物を
設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は素子とリード線とを強固
に接続するボンディングパッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体式ガスセンサとしては、０．１ｍ
ｍφ程度の白金細線をコイル状にしたものを電極とヒー
ターとを兼用する形で、ガス感応体に埋め込み、感応体
から取り出された線を基台上のリードピンに溶接したも
のや、絶縁管の内側に加熱用のコイルが通り、外周上に
電極とガス感応体が設けられ、その電極と基台上のリー
ドピンとを０．１ｍｍφ程度の白金細線によって接続し
たものなどが実用化されている。これらのガスセンサ素
子は、ガス感応体やガス感応体を塗布した絶縁管がリー
ド線によって保持される構造となっており、リード線と
ガス感応部や絶縁管上の電極との接合強度が弱いため
に、機械的振動や衝撃に弱いという信頼性上の問題点を
抱えている。又、製造工程を自動化しずらく量産性が悪
く、品質が安定しないという欠点も持っている。このよ
うな問題点を解決する手段として、近時、厚膜印刷法に
よって、セラミックス基板上に加熱用ヒーターとガス感
応体を設けた平板状の素子を用いたガスセンサの開発が
進められている。この方法によれば、厚膜印刷法によっ
て形状の揃ったものを同時かつ大量に製造することがで
きるため、量産性に優れ、品質の安定したガスセンサ素
子を供給することが可能となる。又、ガスセンサ素子を
基台上に強固に固定し、振動や衝撃などに対する信頼性
を向上させる手段についてもいくつかの提案がされてい
る。例えば、絶縁基板の電極端子やヒーター端子部に予
め貫通孔を設け、その貫通孔にリード線を通して結び、
更にリード線と端子部を導体ペーストで電気的に接続さ
せるという方法やリード線の代わりにリードピンを差し
込む方法などが、夫々特願昭６２−２５８８４号と特願
昭６２−２３３０６９号に開示されている。又、特願昭
６３−８８５１６号には、リード線の溶接部を補強する
ために、溶接部にガラス，セメント，金属ロウなどを後
から塗布して断線を防止する技術が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
の方法も素子とリード線やリードフレームとの接合強度
が十分でなかったり、又、製造方法にあっては、穴に細
線を通してねじったり、穴にピンを挿入したりと著しく
量産性に乏しい手法に頼っているのが現状である。この
ような量産性に乏しい手法に頼らざるを得ないのは、ひ
とえに、リード線と素子の電極端子部やヒーター端子部
との接合強度が、従来のスポット溶接等では十分得られ
ないことに起因している。本発明は上記事情に鑑みてな
されたものであり、セラミックス基板上に設けられた電
極やヒーターなどの端子部とリード線やリードフレーム
を強固に接合でき、なおかつ従来の方法に比べて著しく
量産性に優れたボンディングパッドを提供することを目
的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、加熱型の
半導体ガスセンサや湿度センサなどの素子の電極や加熱
ヒーター部の端子とリードピンとをリード線やリードフ
レームなどで強固に接合でき、かつ量産性にも優れた技
術に関して鋭意検討してきた。その結果、セラミックス
基板上に、金属とセラミックスとからなる密着層を介し
て、その上部に金，白金，パラジウム，銀のいずれか一
種以上からなる膜状組成物を設け、この膜状組成物を介
してリード線もしくはリードフレームなどと溶接するこ
とによって、量産性に優れ、なおかつ機械的振動や衝撃
などにも十分耐え得る素子の固定化技術を開発するに至
った（以後、この金，白金，パラジウム，銀の一種以上
からなる膜状組成物を溶着層と呼ぶ）。本発明において
は、密着層の上部に設けられた溶着層は、金，白金，パ
ラジウム，銀のいずれか一種以上より選ばれる。通常、
半導体式ガスセンサや加熱型セラミックス湿度センサで
は、素子を３００℃〜６００℃に加熱して用いられる。
このためこの温度領域において化学的に安定でかつ十分
な接合強度が維持されねばならない。この理由から金，
白金，パラジウム，銀の一種以上からなる組成物が選定
された。この組成物からなる膜厚は、本発明における接
合強度を得る上で重要である。膜厚が１５μｍより小さ
いと溶接によって接合する際の熱的な影響によって、下
部密着層や基板、及びそれらの界面が損傷を受け十分な
接合強度が得られない。したがって１５μｍ以上の膜厚
が必要である。又、膜厚が１５０μｍを越えると、その
形成が難しくなるだけでなく、ボンディングパッドを作
製した後、ガス感応体や加熱用ヒーターを厚膜印刷法に
よってボンディングパッドに接して精度よく印刷するこ
とが著しく難しくなり、事実上素子の作製が不可能にな
る。したがって、この膜厚は、１５μｍ以上１５０μｍ
以下であることが必要であり、より望ましくは、２５μ
ｍ以上１００μｍ以下である。

【０００５】本発明のボンディングパッドは、セラミッ
クス基板と密着層を介して接合されているが、この密着
層は、ボンディングパッドと基板とをより強固に密着さ
せるために導入されており、この密着層がないとボンデ
ィングパッドとリード線とを溶接しても十分な接合強度
が得られない。ここで密着層は、白金，パラジウムのい
ずれか一種以上を２ｖｏｌ％〜７５ｖｏｌ％含み、残部
が酸化鉄よりなる。白金，パラジウムの含有量が２ｖｏ
ｌ％より少ないと、密着層とその上に設けた金，白金，
パラジウム，銀よりなる膜状組成物との密着が得られな
い。又、７５ｖｏｌ％より多いと、溶着層と密着層との
密着性は得られるものの、この場合、セラミックス基板
と密着層との密着性が劣化してしまう。このため、含有
する白金，パラジウムの量は、２ｖｏｌ％〜７５ｖｏｌ
％であることが必要である。この密着層は、基板側から
溶着層側へ傾斜的に組成を変化させてもよい。例えば、
アルミナ基板に白金１０ｖｏｌ％と残部酸化鉄からなる
密着層をまず設け、その上に白金３０ｖｏｌ％と残部酸
化鉄からなる密着層を設けた後、溶着層を形成すること
で溶着層と基板との接合性はより改善される。又、ここ
で白金，パラジウムと混合するセラミックスとして酸化
鉄を用いるのは、密着層を焼成する際、アルミナ基板に
そり等が生じる温度以下でも比較的よく焼結し、アルミ
ナ基板と適度に反応して密着するからである。しかし、
本発明においては、白金，パラジウムと混合するセラミ
ックスを酸化鉄に限定するものではなく、ＳｉＯ₂，Ｂ
ｉ₂Ｏ₃などの硝子成分、又はＴｉＯ₂，ＣｕＯ，Ｃｄ
Ｏ等の酸化物を用いてもよい。密着層とボンディングパ
ッド部を作製するに際して、それらの位置関係も重要で
ある。つまり図１（ａ）のように密着層の内側にボンデ
ィングパッド部を設けることが重要であり、これにより
ボンディングパッドにリード線やリードフレームを溶接
した際の大きな接合強度を得ることができる。ここで、
図１（ｂ）のようにボンディングパッドが密着層の外側
に形成された場合、リード線の引っ張り強度に著しい低
下を生じる。これは密着層を介さない部分では、基板と
ボンディングパッド部とで十分な接合強度が得られない
ため、その部分から剥離し易くなるためと考えられる。

【０００６】次に、本発明品の製造方法について述べ
る。本発明品は、厚膜印刷法によって作製されることが
望ましく、これによって極めて量産性に富み品質の安定
したガスセンサ素子を作製することが可能となる。本発
明において、密着層の焼成条件は１２５０℃から１５５
０℃で行なわれ、ボンディングパッド部は、この予め焼
成された密着層の上に溶着層を設け、７００℃〜１５５
０℃の範囲で焼成して作製される。又、ここで密着層を
印刷した後、引き続き溶着層を印刷し、これらを同時に
１２５０℃〜１５５０℃で焼成してもよい。ここで本条
件を決定した理由は、密着層の焼成条件が１２５０℃よ
り低いとセラミックス基板との密着強度が得られず、
又、１５５０℃を越えると密着層と基板との反応により
基板にそりが発生し易くなるためである。溶着層の焼成
条件では、７００℃より低いと溶着層の焼結性が不十分
で、リード線を溶接した際に十分な強度が得られず、１
５５０℃を越えると、前述したように密着層と基板との
反応により基板にそりが生じてしまうからである。この
ようにして作製されたガスセンサ素子は、単に製造する
上で量産性がよく、品質が安定しているだけではなく、
リード線と素子との接合強度に優れ、落下や振動などの
機械的衝撃に対する信頼性が著しく高いことを確認し、
本発明を完成するに至った。本発明に用いられるセラミ
ックス基板は、特に限定しないが、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ
₃），ジルコニア（ＺｒＯ₂），マグネシア（Ｍｇ
Ｏ），フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ）などが用
いられる。又、溶着層を構成する金，白金，パラジウ
ム，銀や、密着層を構成する白金，パラジウムには、焼
結性や耐熱性，化学的安定性を阻害しない範囲で夫々
Ｗ，Ｒｈや金などの他の金属を添加することも可能であ
る。又、本発明において、ボンディングパッドにリード
線やリードフレームを接合する方法については特に限定
はしないが、パラレルギャップ方式の抵抗加熱の溶接手
法を用いるのが望ましい。レーザーを用いた溶接法によ
っても接合することは可能であるが、抵抗加熱方式に比
べて密着層や基板が損傷を受け易い。

【０００７】

【実施例】以下に実施例を説明する。実施例１平均粒径０．５〜０．６μｍの白金粉末３０ｖｏｌ％と
残部酸化鉄からなる粉末とビークルとを混合して厚膜ペ
ーストを作製し、厚膜印刷法によって０．８×０．９ｍ
ｍ角の密着層をアルミナ基板状に形成した。これを１３
００度６０分で焼成した後、密着層の上に０．６×０．
８ｍｍ角の溶着層を設けた。この溶着層は、金５０ｖｏ
ｌ％，パラジウム４０ｖｏｌ％，白金１０ｖｏｌ％とか
らなり、上記の密着層と同様に厚膜印刷法で印刷した
後、１３３０度３０分で焼き付け、ボンディングパッド
とした。一方、市販の金電極ペースト，白金電極ペース
ト，金−白金−パラジウムの混合ペーストの３種につい
ても、同様に厚膜印刷法によって０．６×０．８ｍｍ角
のボンディングパッドを形成し、夫々のペーストの最適
焼成条件によって基板に焼き付けた。これらの素子に感
ガス部を形成した後、８０Ｐｔ−２０Ｐｄからなる０．
１ｍｍφのリード線を用いてボンディングパッドとリー
ドピンとの間をスポット溶接で接合し、ガスセンサ素子
を作製した。その結果、本発明品においては、溶着層と
ワイヤーとの接合強度が十分あり、良好なセンサ素子を
作製できた。しかし、市販の電極ペーストを用いたボン
ディングパッドでは、リード線とボンディングパッドと
を接合することができなかった。図２には本発明品をリ
ード線とスポット溶接した様子を図示した。なお、図２
において、１は溶接部、２はリード線、３は溶着層、４
は密着層、５はセラミックス基板である。又、本発明品
と従来のガスセンサ素子のワイヤーと素子との接合強度
を比較するために、落下試験を行なった結果を図３に示
す。ここで、落下試験は、ガスセンサをコンクリートの
上に１ｍの高さより落下させ、リード線の断線や素子の
脱落を調べた。発明品は４０回の落下を経ても何ら損傷
を受けなかったが、従来品は数回から１５回以下の落下
でリード線の断線や素子の脱落が見られた。このように
本発明品は、平板状の素子に効率的にリード線を溶接で
きるだけでなく、従来のガスセンサ素子に比べても、著
しく機械的強度が高く、信頼性に優れている。なお、本
発明品の概要を図４に示す。図４において、２はリード
線、３は溶着層、４は密着層、５はセラミックス基板、
６は電極、７は感ガス層、８は厚膜ヒータ、９はスルー
ホール、１０はリードピン、１１はセンサ素子である。

【０００８】実施例２平均粒径０．５〜０．６μｍの白金粉末１０ｖｏｌ％と
酸化鉄からなる厚膜ペーストを作製し、これをアルミナ
基板上に約１０μｍの厚みで印刷後、１３００度３０分
で焼成した。このようにして作製した密着層の上に金６
０ｖｏｌ％とパラジウム４０ｖｏｌ％とからなる厚膜ペ
ーストを膜厚を変えて印刷し、しかる後１３５０度３０
分の焼成を行ない、溶着層を作製した。この溶着層に
０．１ｍｍφの白金線をスポット溶接し、溶接面に垂直
に白金線を引っ張り、白金線と溶着層との接合強度を調
べた。溶着層の厚みは、焼成後の厚みで５μｍ〜２００
μｍの範囲で行なった。図５はその結果を表わしたもの
で、横軸に溶着層の厚み、縦軸は引っ張りの強度（ｇ）
を表わしている。ここで溶着層の膜厚が５，１０μｍで
は接合強度は得られず、有効な接合強度を得るには１５
μｍ以上の膜厚が必要であった。一方、ガスセンサや湿
度センサの機械的信頼性上、ボンディングパッドとリー
ド線との接合の強度としては、少なくとも４０ｇ以上が
必要である。このことから、溶着層の膜厚としては２５
μｍ以上がより望ましい。又、膜厚が１５０μｍを越え
て形成された溶着層では、リード線と溶着層との接合の
強度は得られるものの、パッドの厚みが大きくなり過
ぎ、厚膜印刷法でガスセンサの感ガス部や湿度センサの
感湿部を印刷することが著しく困難になった。これは、
印刷時にパッド上面にスクリーンが接触し、基板上に良
好な素子の印刷ができなくなるためである。したがっ
て、溶着層の膜厚としては１５μｍ〜１５０μｍが望ま
しい。

【０００９】実施例３ＭｇＯ基板及びＺｒＯ基板に白金１０ｖｏｌ％含有分散
させた酸化鉄からなる密着層を厚膜印刷法で約１０μｍ
の膜厚に印刷し、更にその上部に白金３０ｖｏｌ％含有
分散させた酸化鉄からなる密着層を約１０μｍ積層し、
１３５０度で６０分の焼成を行なった。この後、Ａｕ８
０ｖｏｌ％，Ｐｄ１０ｖｏｌ％，Ａｇ１０ｖｏｌ％から
なる０．６×０．８ｍｍ角の溶着層を厚膜印刷法で印刷
し、８００度３０分焼成して、ボンディングパッドを作
製した。この後、酸化鉄を主成分とする感ガス部をやは
り厚膜印刷で形成し、７００度６０分焼成した。これら
の素子のボンディングパッド部に０．１ｍｍφのＰｔワ
イヤーをスポット溶接法で接合し、更にワイヤーの他端
をリードピンに溶接してガスセンサ素子を作製した。こ
れらの素子は、落下試験，振動試験等の信頼性試験にお
いても問題なく、十分な機械的強度を有していた。

【００１０】実施例４アルミナ基板上に、白金粉末及びパラジウム粉末を１〜
９０ｖｏｌ％含有分散せしめた酸化鉄を密着層として厚
膜印刷法で形成した後、１２５０度６０分で焼き付け
た。更にその上部に０．６×０．８ｍｍ角の金が６０ｖ
ｏｌ％，パラジウムが４０ｖｏｌ％からなる溶着層を厚
膜印刷により形成し、１３２０度３０分で焼き付けた。
この時の溶着層の厚みは、焼成後約８０μｍとした。こ
のようにして作製したボンディングパッド上に、スポッ
ト溶接によって線径が０．１ｍｍφの白金線を溶接しそ
の接合強度を調べた。接合の強度は溶接面に垂直に白金
線を引っ張って測定した。この結果を図６，図７に示
す。このように白金，パラジウムが１ｖｏｌ％以下の密
着層を用いた場合には、実用レベルの接合強度は得られ
なかった。又、９０ｖｏｌ％以上では溶接時にボンディ
ングパッドが剥離してしまい、これも良好な接合が得ら
れなかった。

【００１１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればセ
ラミックス基板上に金属とセラミックスとからなる密着
層を設け、その上部に金属の膜上組成物を設ける構成と
したので、電極やヒーターの端子部とリード線とが強固
に接合されて、衝撃，振動などに対する耐久性に優れ、
信頼性の高いガスセンサや湿度センサが得られると共
に、製造工程の簡略化が可能であるため、量産性に優
れ、品質の安定をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ボンディングパッド部の密着層と溶着層の位置
関係を示す図。

【図２】本発明品をリード線とスポット溶接した様子を
示す図。

【図３】本発明品と従来のガスセンサ素子のワイヤーと
素子との接合強度を比較した図。

【図４】本発明品の概要図。

【図５】溶着層の厚みと引っ張り強度との関係図。

【図６】密着層に白金を含有した場合の、白金線との接
続強度を示す図。

【図７】密着層にパラジウムを含有した場合の、白金線
の接続強度を示す図。

【符号の説明】

１溶接部２リード線３溶着層４密着層５セラミックス基板６電極７感ガス部８厚膜ヒータ９スルーホール１０リードピン１１センサ素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板上に金属とセラミック
スとからなる密着層を設け、その上部に金属の膜上組成
物を設けたことを特徴とするボンディグパッド。
【請求項２】膜状組成物が、金，白金，パラジウム，
銀の一種以上とからなることを特徴とする請求項１記載
のボンディングパッド。
【請求項３】膜状組成物の厚みが１５μｍ以上１５０
μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のボンデ
ィングパッド。
【請求項４】密着層が白金，パラジウムの一種以上を
２ｖｏｌ％〜７５ｖｏｌ％含み、残部が酸化鉄からなる
ことを特徴とする請求項１記載のボンディングパッド。
【請求項５】膜状組成物が密着層の内側に設けられて
いることを特徴とする請求項１記載のボンディングパッ
ド。
【請求項６】膜状組成物が厚膜印刷法によって形成さ
れることを特徴とする請求項１記載のボンディングパッ
ド。
【請求項７】請求項１記載のボンディングパッドを設
けたことを特徴とするガスセンサ素子。