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JP4506478B2 - 圧力センサ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体で構成されたセンシング部を構成するセンサ素子およびこのセンサ素子に備えられたパッドと電気的な接続が行われるボンディング部分の腐食を防止できる構造の圧力センサに関するものである。
従来より、半導体で構成されたセンサ素子およびこのセンサ素子に備えられたパッドと電気的な接続が行われるボンディング部分をメタルダイヤフラムで覆い、このメタルダイヤフラム内にオイルを充填した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような構造の圧力センサでは、圧力センサに備えられた圧力導入孔を通じて圧力媒体となる流体が導入されると、その流体の圧力がメタルダイアフラムおよびオイルを介して、センサ素子に印加されることになる。このため、センサ素子に備えられたダイヤフラムが歪み、ダイヤフラム内に形成されたゲージ抵抗が圧縮応力もしくは引張応力によって変形し、これにより、センサ素子から流体の圧力に応じた検出信号が出力されるようになっている。
このような構成の圧力センサの場合、メタルダイヤフラムが必要とされることから部品点数の増加になっており、また、メタルダイヤフラムによるオイルの密封構造が必要となることから、圧力センサの構造の複雑化を招くという問題がある。
特開平７−２４３９２６号公報
このため、メタルダイヤフラムを無くす構造とすることも考えられるが、そのような構造とした場合、半導体で構成されたセンサ素子が腐食性の液体に曝されるような状況、例えばディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧計測やエンジンルーム内の雰囲気中での圧力測定を行うようなものに圧力センサが適用された場合、ボンディング用のパッドの材質がＡｌであるために腐食が発生するという問題が発生する。
本発明は上記点に鑑みて、ボンディング用のパッドが腐食されることを防止できる構造の圧力センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、圧力センサにおいて、金属膜（２３）におけるパッドとなる領域、第１保護膜（２４）のうちパッドの周囲に位置する部分、および、ボンディングワイヤ（１３）における金属膜（２３）と電気的に接続される部位を覆うように、原子層成長法により酸化アルミ膜と酸化チタン膜が交互に積層されて形成された第２保護膜（２５）を備えることを特徴としている。
このように、原子層成長法により酸化アルミ膜と酸化チタン膜が交互に積層されて形成された第２保護膜（２５）にて、圧力センサにおいて、金属膜（２３）におけるパッドとなる領域、第１保護膜（２５）のうちパッドの周囲に位置する部分、および、ボンディングワイヤ（１３）における金属膜（２３）と電気的に接続される部位を覆っている。このような第２保護膜（２５）は、例えば被覆性が高く、膜欠陥が無い構造とできるため、第２保護膜（２５）によって覆われた金属膜（２３）および第１保護膜（２４）には腐食媒体が浸入しないようにすることができる。これにより、腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止することが可能となる。
また、請求項２に示されるように、第１保護膜（２４）としては、窒化珪素膜または酸化珪素膜に窒化珪素膜を積層した膜を用いることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された圧力センサについて説明する。図１に、本実施形態における圧力センサＳ１の断面図を示し、この図に基づいて説明する。なお、この圧力センサＳ１は、例えば、ディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦの差圧計測等に適用される。
図１に示されるように、第１のケースとしてのコネクタケース１０は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の樹脂を型成形することにより作られ、本実施形態では略円柱状をなしている。この樹脂ケースとしてのコネクタケース１０の一端部（図１中、下方側の端部）には、凹部１１が形成されている。
この凹部１１の底面には、圧力検出用のセンサ素子２０が配設されている。
センサ素子２０は、その表面に受圧面としてのダイアフラムを有し、このダイアフラムの表面に形成されたゲージ抵抗により、ダイアフラムが受けた圧力を電気信号に変換し、この電気信号をセンサ信号として出力する半導体ダイアフラム式のものである。
そして、センサ素子２０は、ガラス等よりなる台座２０ａに陽極接合等により一体化されており、この台座２０ａを凹部１１の底面に接着することで、センサ素子２０はコネクタケース１０に搭載されている。
また、コネクタケース１０には、センサ素子２０と外部の回路等とを電気的に接続するための複数個の金属製棒状のターミナル１２が貫通している。
本実施形態では、ターミナル１２は黄銅（真鍮）にメッキ処理（例えばＮｉメッキ）を施した材料よりなり、インサートモールドによりコネクタケース１０と一体に成形されることによってコネクタケース１０内にて保持されている。
各ターミナル１２の一端側（図１中、下方端側）の端部は、センサ素子２０の搭載領域の周囲において凹部１１の底面から突出して配置されている。一方、各ターミナル１２の他端側（図１中、上方端側）の端部は、コネクタケース１０の他端側の開口部１５内に露出している。
この凹部１１内に突出する各ターミナル１２の一端部とセンサ素子２０とは、金やアルミニウム等のボンディングワイヤ１３により結線され電気的に接続されている。なお、ここで説明したセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続構造が本発明の特徴となる部分であり、この接続構造の詳細については後で説明を行うことにする。
また、凹部１１内にはシリコン系樹脂等からなるシール剤１４が設けられており、このシール剤１４によって、凹部１１に突出するターミナル１２の根元部とコネクタケース１０との隙間が封止されている。
そして、ハウジング１０の一面１０ａ側において、センサ素子２０やボンディングワイヤ１３およびターミナル１２の根元部等を覆うようにゲル保護層１５が備えられている。
一方、図１において、コネクタケース１０の他端部（図１中、上方側の端部）側は開口部１６となっており、この開口部１６は、ターミナル１２の他端側を例えばワイヤハーネス等の外部配線部材（図示せず）を介して上記外部回路（車両のＥＣＵ等）に電気的に接続するためのコネクタ部となっている。
つまり、開口部１６内に露出する各ターミナル１２の他端側は、このコネクタ部によって外部と電気的に接続が可能となっている。こうして、センサ素子２０と外部との間の信号の伝達は、ボンディングワイヤ１３およびターミナル１２を介して行われるようになっている。
また、図１に示されるように、コネクタケース１０の一端部には、第２のケースとしてのハウジング３０が組み付けられている。具体的には、ハウジング３０には収容凹部３０ａが形成されており、この収容凹部３０ａ内にコネクタケース１０の一端側が挿入されることで、コネクタケース１０にハウジング３０が組みつけられた構成となっている。
これにより、第１のケースとしてのコネクタケース１０と第２のケースとしてのハウジング３０とが一体に組み付けられてなるケーシング１００が構成されており、このケーシング１００内にセンサ素子２０が設けられた形となっている。
このハウジング３０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属材料よりなるものであり、測定対象物からの測定圧力が導入される圧力導入孔３１と、圧力センサＳ１を測定対象物に固定するためのネジ部３２とを有する。上述したように、測定対象物としては、例えばディーゼル車の排気清浄フィルタであるＤＰＦであり、測定圧力は、そのＤＰＦの差圧などである。
さらに、ハウジング３０における収容凹部３０ａには、コネクタケース１０の先端面１０ａと対向する一面３０ｂが備えられている。この一面３０ｂにコネクタケース１０が接触することで、コネクタケース１０の位置決めが為されるようになっている。
また、コネクタケース１０の先端面１０ａには、圧力導入孔３１の外縁を囲むように、環状の溝（Ｏリング溝）１７が形成され、この溝１７内には、Ｏリング１８が配設されており、コネクタケース１０の先端面１０ａとハウジング３０の一面３０ｂとの界面から導入された測定対象物となる流体が洩れないようにされている。
そして、図１に示されるように、ハウジング３０のうち収容凹部３０ａ側の端部がコネクタケース１０の一端部にかしめられることで、かしめ部３６が形成され、それによって、ハウジング３０とコネクタケース１０とが固定され一体化されている。
こうしてコネクタケース１０とハウジング３０とが組み合わされることで構成された圧力センサＳ１では、圧力導入孔３１を通じて測定対象物となる流体が導入されると、その流体の圧力は、ゲル保護層１５を介して、センサ素子２０、ボンディングワイヤ１３、ターミナル１２に印加されることになる。
次に、上記のように構成された圧力センサＳ１におけるセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続構造について説明する。図２は、センサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分の断面構造を示した図である。
図２に示されるように、センサ素子２０が作り込まれた半導体チップ２１の表面にはＳｉＮ等で構成された絶縁膜２２が形成されている。この絶縁膜２２の表面にはＡｌ膜２３が形成されている。このＡｌ膜２３は、本発明における金属膜に相当するもので、絶縁膜２２に形成された図示しないコンタクトホールを通じてセンサ素子２０の所望部位と電気的に接続された構造となっている。
また、Ａｌ膜２３の表面にボンディングワイヤ１３が接合され、Ａｌ膜２３を介して、ボンディングワイヤ１３が半導体チップ２１に形成されたセンサ素子２０と電気的に接合された構造となっている。
そして、半導体チップ２１の上面において露出した部分、つまりＡｌ膜２３および第１保護膜２４の表面に第２保護膜２５が成膜され、この部分が第２保護膜２５によって覆われた状態となっている。この第２保護膜２５は、例えば窒化珪素膜や酸化珪素膜などの無機材料の膜で構成され、被覆性が高く、膜欠陥が無い構造となっている。
この第２保護膜２５の厚みは、例えばＡｌ膜２３および第１保護膜２４の表面を膜欠陥無く覆える程度以上、かつ、クラックが生じ難い程度以下に設計されるのが好ましい。実験結果に基づけば、第２保護膜２５を１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さとすれば、上記条件を満たす。
続いて、本実施形態における圧力センサＳ１の製造方法について説明する。ただし、圧力センサＳ１の基本的な製造方法に関しては従来と同様であるため、ここでは、本発明の特徴部分となるセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分における製造方法に関して説明することとする。
図３は、図２に示したセンサ素子２０とボンディングワイヤ１３との電気的な接続部分の製造工程を示したものである。
まず、従来から周知となっている手法によって半導体チップ２１に対してゲージ抵抗などのセンサ素子２０を作り込み、その後、電気化学エッチング等の手法によりダイアフラムを形成する。そして、図３（ａ）に示されるように、熱酸化等によって絶縁膜２２を形成したのち、図３（ｂ）に示されるように、金属膜となるＡｌ膜２３をデポジション等によって形成したのち、パターニングして所望位置に残す。
続いて、図３（ｃ）に示されるように、Ａｌ膜２３および絶縁膜２２の表面に窒化珪素膜もしくは酸化珪素膜上に窒化珪素膜を積層した膜等で構成された第１保護膜２４を成膜する。そして、フォトエッチング等を行うことで、第１保護膜２４のうちＡｌ膜２３のパッドとなる領域の上部に形成された部分を除去する。これにより、Ａｌ膜２３のパッドとなる領域が露出した状態となる。
次に、図３（ｄ）に示されるように、超音波ボンディングなどによってボンディングワイヤ１３をＡｌ膜２３の表面に接合したのち、化学気相堆積法（ＣＶＤ法）によって例えば窒化珪素膜や酸化珪素膜などの無機材料の膜で構成された第２保護膜２５を形成する。これにより、図２に示した電気的な接続構造が完成する。
以上説明した本実施形態の圧力センサＳ１では、Ａｌ膜２３および第１保護膜２４の表面に第２保護膜２５を成膜し、これらを第２保護膜２５によって覆った状態としている。そして、第２保護膜２５を例えば被覆性が高く、膜欠陥が無い構造の窒化珪素膜や酸化珪素膜などの無機材料の膜で構成している。
このため、第２保護膜２５によって覆われたＡｌ膜２３および第１保護膜２４には腐食媒体が浸入しないようにすることができる。これにより、腐食媒体がパッド側に浸入することを防止でき、パッドが腐食されることを防止することが可能となる。
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、第２保護膜２５を化学気相堆積法による窒化珪素膜と酸化ケイ素膜のいずれかを含む膜としているが、原子層成長法（ＡＬＤ法）による酸化アルミ膜、酸化チタン膜のいずれかを含む膜としても良い。この場合、酸化アルミ膜と酸化チタン膜とが交互に積層された膜で第２保護膜２５を形成することもできる。
（他の実施形態）
上記実施形態では、金属膜をＡｌ膜２３の一層とし、このＡｌ膜２３の表面に直接ボンディングワイヤ１３を形成する電気的な接続構造を採用する場合について説明した。しかしながら、このような構造は単なる一例を示したものであり、他の構造としても構わない。
例えば、Ａｌ膜２３の表面にＡｕ膜を形成したり、Ａｌ膜、Ｔｉ膜およびＮｉ膜を配置してＡｕ膜を配置するような構成とし、金属膜が多種類の金属の積層膜で構成されたものとしても構わない。また、単にＴｉ膜のみがＡｌ膜２３とＡｕ膜との間に挟み込まれたような構造であっても構わない。
本発明の第１実施形態における圧力センサの断面構成を示す図である。 図１に示す圧力センサにおけるセンサ素子とボンディングワイヤとの接合部分における電気的な接続構造の断面図である。 図１に示す圧力センサにおけるセンサ素子とボンディングワイヤとの接合部分における電気的な接続構造の製造工程を示した図である。
符号の説明
Ｓ１…圧力センサ、１０…コネクタケース、１３…ボンディングワイヤ、２０…センサ素子、２１…半導体チップ（半導体基板）、２２…絶縁膜、２３…Ａｌ膜、２４…第１保護膜、２５…第２保護膜、３０…ハウジング。

Claims (2)

  1. センサ素子（２０）が形成された半導体基板（２１）と、
    前記半導体基板（２１）の表面に形成され、前記センサ素子（２０）の所望場所に繋がるコンタクトホールが形成されてなる絶縁膜（２２）と、
    前記絶縁膜（２２）の上の所定領域に形成され、前記コンタクトホールを通じて前記センサ素子（２０）と電気的に接続される金属膜（２３）と、
    前記金属膜（２３）におけるパッドとなる領域が露出するように、前記金属膜（２３）および前記絶縁膜（２２）の上に形成された第１保護膜（２４）と、
    前記金属膜（２３）におけるパッドとなる領域と電気的に接続されたボンディングワイヤ（１３）とを有し、
    前記半導体基板（２１）に形成された前記センサ素子（２０）により、圧力導入孔（３１）から導入された圧力測定対象の圧力に応じた検出信号を発生させるように構成される圧力センサにおいて、
    前記金属膜（２３）におけるパッドとなる領域、前記第１保護膜（２４）のうち前記パッドの周囲に位置する部分、および、前記ボンディングワイヤ（１３）における前記金属膜（２３）と電気的に接続される部位を覆うように、原子層成長法により酸化アルミ膜と酸化チタン膜が交互に積層されて形成された第２保護膜（２５）が備えられていることを特徴とする圧力センサ。
  2. 前記第１保護膜（２４）は、窒化珪素膜または酸化珪素膜に窒化珪素膜を積層した膜であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
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