JP6410048B2

JP6410048B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP6410048B2
Application number: JP2015062704A
Authority: JP
Inventors: 長友　憲昭; 憲昭長友; 敬治白田; 一太竹島; 均稲場
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP2016183861A

Description

本発明は、ＣＰＵ等の半導体装置等の温度を測定することに好適で信頼性に優れた温度センサに関する。

従来、例えば特許文献１に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられた薄膜シートとを有する温度センサが提案されている。
上記特許文献１には、感熱素子としてビードサーミスタやチップサーミスタの他に、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。

また、感熱膜を用いたサーミスタとして、特許文献２には、絶縁基板と、絶縁基板の一面上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上にパターン形成された一対の櫛歯電極と、櫛歯電極の端部から延びて絶縁基板上の一端に形成された一対の外部引出端子部と、絶縁膜を下地とし櫛歯電極上にパターン形成された金属酸化物からなる感熱膜と、感熱膜を保護する絶縁保護膜と、一対の外部引出端子部を除く絶縁保護膜を被覆するガラス保護膜とからなる薄膜サーミスタが記載されている。

また、近年、柔軟性に優れると共に全体を薄くすることができるフィルム型温度センサとして、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成した温度センサが開発されている。例えば、特許文献３には、絶縁性フィルムと、絶縁性フィルム表面に薄膜サーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備えた温度センサが提案されている。この温度センサでは、薄膜サーミスタ部を補強するために櫛部の延在方向に対して直交する方向に延在した硬質な補強用樹脂部が絶縁性フィルムに設置されている。

特開２０００−７４７５２号公報特開２００７−１１５９３８号公報特開２０１４−７０９５４号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上下に配された測定対象物の間に温度センサを挿入させて温度測定を行う際、上下の測定対象物に挟まれて温度センサに圧力が加わる場合があり、温度センサが壊れるおそれがあった。すなわち、特許文献１及び２に記載の技術では、単に平坦なフィルムや膜でカバーしているだけであるため、素子に強い圧力が直接的に加わって破壊されるおそれがあった。また、特許文献３に記載の技術では、エポキシ樹脂等の硬質な補強用樹脂部が絶縁性フィルムに設置されているが、補強用樹脂部が硬質であるために、下部のパターン電極や絶縁性フィルム等に強い圧力が加わってしまい、パターン電極等が損傷するおそれがあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象物の隙間に挿入された場合に上下方向に圧力が加わっても損傷し難い温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルムの上面に前記薄膜サーミスタ部を覆って前記薄膜サーミスタ部よりも大きくパターン形成された保護膜とを備え、前記保護膜が、引っ張り弾性率が前記絶縁性フィルム以下の材料で形成され、前記薄膜サーミスタ部よりも外側で上方に突出した凸部を有していることを特徴とする。

すなわち、この温度センサでは、保護膜が、引っ張り弾性率が絶縁性フィルム以下の材料で形成され、薄膜サーミスタ部よりも外側で上方に突出した凸部を有しているので、測定対象物から圧力が加わっても保護膜の柔らかい凸部が緩衝材として機能することで、薄膜サーミスタ部、櫛型電極及びパターン配線等からなる感熱部に強い圧力が加わることを抑制することができる。特に、凸部が薄膜サーミスタ部の外側に配されて測定対象物を支持するので、直上から薄膜サーミスタ部に直接的に圧力が加わらず、薄膜サーミスタ部を保護することができる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記凸部が、前記薄膜サーミスタ部を囲んで環状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、凸部が、薄膜サーミスタ部を囲んで環状に形成されているので、土手構造的に形成された環状の凸部によって薄膜サーミスタ部を囲むことで、薄膜サーミスタ部全体を効果的に保護することができる。

第３の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記凸部が、前記保護膜の四隅にそれぞれ形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、凸部が、保護膜の四隅にそれぞれ形成されているので、温度センサを曲げて設置する場合に凸部が曲げの妨げにならない。

第４の発明に係る温度センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、半導体装置とヒートシンクとの間に設置されることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、半導体装置とヒートシンクとの間に設置されるので、ＣＰＵ等の半導体装置とヒートシンクとの間に狭持されても薄膜サーミスタ部自体に圧力が加わり難く、高い信頼性を有して温度測定ができる。また、フィルム状の温度センサによって全体を薄型化することができると共に、高い応答性を有することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明に係る温度センサによれば、保護膜が、引っ張り弾性率が絶縁性フィルム以下の材料で形成され、薄膜サーミスタ部よりも外側で上方に突出した凸部を有しているので、柔らかい凸部が緩衝材として機能することで、薄膜サーミスタ部、櫛型電極及びパターン配線等からなる感熱部に強い圧力が加わることを抑制することができる。
したがって、ＣＰＵ等の半導体装置とヒートシンクとの間に温度センサを挿入して温度測定する場合でも、薄型化を図ることができると共に、高い信頼性及び応答性も有することができる。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す平面図及びＡ−Ａ線断面図である。第１実施形態において、薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。第１実施形態において、電極形成工程を示す平面図及びＣ−Ｃ線断面図である。第１実施形態において、保護膜形成工程を示す平面図及びＤ−Ｄ線断面図である。温度センサが測定対象物の間に設置された状態を示す凸部の無い参考例（ａ）と、第１実施形態において、凸部を有する実施例（ｂ）を示す断面図である。第１実施形態において、温度センサが半導体装置とヒートシンクとの間に設置された状態を示す概略的な断面図である。本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す平面図及びＥ−Ｅ線断面図である。

以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の上面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３の上に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極４と、一対の櫛型電極４に接続され絶縁性フィルム２の上面にパターン形成された一対のパターン電極５と、絶縁性フィルム２の上面に薄膜サーミスタ部３を覆って薄膜サーミスタ部３よりも大きくパターン形成された保護膜６とを備えている。

上記保護膜６は、引っ張り弾性率が絶縁性フィルム２以下の材料で形成され、薄膜サーミスタ部３よりも外側で上方に突出した凸部６ａを有している。すなわち、保護膜６は、絶縁性フィルム２と同じ又は絶縁性フィルム２よりも柔らかい材料で形成されている。なお、引っ張り弾性率の測定方法は、ＡＳＴＭＤ８８２(Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting)で規定されている方法にて行う。
この凸部６ａは、薄膜サーミスタ部３を囲んで環状に形成されている。すなわち、凸部６ａは、平面視矩形状の保護膜６の外縁部に土手構造的な矩形環状に形成されている。

なお、絶縁性フィルム２の上面に、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン電極５を覆う絶縁性の保護シートを接着しても構わない。なお、保護シートを接着する場合、凸部６ａの部分を除いて接着され、保護シートが貼られた部分が凸部６ａの部分よりも薄く設定され、凸部６ａが保護シートよりも突出した状態とする。

上記絶縁性フィルム２は、略長方形状とされ、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、耐熱性が必要な温度測定用としては、最高使用温度が２３０℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。

上記薄膜サーミスタ部３は、絶縁性フィルム２の一端側に配され、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記パターン電極５及び櫛型電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。
一対の櫛型電極４は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。

一対のパターン電極５は、櫛型電極４に先端部側が接続され、基端部側が絶縁性フィルム２の両側部に配されている。
上記保護膜６は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば中央部が厚さ２０μｍであると共に凸部６ａの部分が厚さ４０μｍのポリイミド膜が採用される。すなわち、凸部６ａは、保護膜６の中央部よりも上方に２０μｍ突出している。

この温度センサ１の製造方法について、図１から図４を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２の上面に薄膜サーミスタ部３をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極４を薄膜サーミスタ部３上に配して絶縁性フィルム２の上面に一対のパターン電極５をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム２の上面に保護膜６を形成する保護膜形成工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。

成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図２に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部３にする。

次に、薄膜サーミスタ部３及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒プリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図３に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極４及びパターン電極５を形成する。

次に、絶縁性フィルム２の上面にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、１８０℃、３０分でキュアを行い、図４に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜６Ａを形成する。さらに、このポリイミド保護膜６Ａの外縁部上に、再度、ポリイミドワニスを印刷法により塗布して、１８０℃、３０分でキュアを行い、図１に示すように、保護膜６の中央部よりもさらに２０μｍ厚い矩形環状の凸部６ａを形成することで、温度センサ１が作製される。

また、複数の温度センサ１を同時に作製する場合、絶縁性フィルム２の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４、パターン電極５及び保護膜６を上述のように形成した後に、大判シートから各温度センサ１に切断する。

次に、この本実施形態の温度センサ１を、測定対象物Ｍ１，Ｍ２の間に挿入、設置する場合について説明する。
例えば、図５の（ａ）に示すように、凸部６ａの無い平坦な保護膜１０６を有した温度センサ（参考例）を使用した場合、上部の測定対象物Ｍ１からの圧力が、薄膜サーミスタ部３直上の保護膜１０６を介して薄膜サーミスタ部３に加わってしまい、薄膜サーミスタ部３等が損傷するおそれがある。

これに対し、図５の（ｂ）に示すように、本実施形態の温度センサ１を使用した場合、薄膜サーミスタ部３の外側に配された凸部６ａが、上部の測定対象物Ｍ１を支持すると共に多少押しつぶされてクッションとなることで、薄膜サーミスタ部３には圧力が加わらず、薄膜サーミスタ部３等の損傷を防ぐことができる。
したがって、本実施形態の温度センサ１は、例えば、図６に示すように、測定対象物Ｍ１であるＣＰＵ等の半導体装置と測定対象物Ｍ２であるヒートシンクとの隙間にグリースを塗布した状態で設置されて、ＣＰＵ等の半導体装置の温度を測定する場合に好適である。

このように本実施形態の温度センサ１では、保護膜６が、引っ張り弾性率が絶縁性フィルム２以下の材料で形成され、薄膜サーミスタ部３よりも外側で上方に突出した凸部６ａを有しているので、測定対象物Ｍ１から圧力が加わっても保護膜６の柔らかい凸部６ａが緩衝材として機能することで、薄膜サーミスタ部３、櫛型電極４及びパターン配線５等からなる感熱部に強い圧力が加わることを抑制することができる。特に、凸部６ａが薄膜サーミスタ部３の外側に配されて測定対象物Ｍ１を支持するので、直上から薄膜サーミスタ部３に直接的に圧力が加わらず、薄膜サーミスタ部３を保護することができる。

また、凸部６ａが、薄膜サーミスタ部３を囲んで環状に形成されているので、土手構造的に形成された環状の凸部６ａによって薄膜サーミスタ部３を囲むことで、薄膜サーミスタ部３全体を効果的に保護することができる。

したがって、本実施形態の温度センサ１を半導体装置とヒートシンクとの間に設置することで、ＣＰＵ等の半導体装置とヒートシンクとの間に狭持されても薄膜サーミスタ部３自体に圧力が加わり難く、高い信頼性を有して温度測定ができる。また、フィルム状の温度センサ１によって全体を薄型化することができると共に、高い応答性を有することができる。

次に、本発明に係る温度センサの第２実施形態について、図７を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、凸部６ａが矩形環状に形成されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図７に示すように、凸部２６ａが、保護膜２６の四隅にそれぞれ形成されている点である。
すなわち、第２実施形態では、平面視矩形状の保護膜２６の各角部にそれぞれ矩形状の凸部２６ａが設けられている。

したがって、第２実施形態の温度センサ２１では、凸部２６ａが、保護膜２６の四隅にそれぞれ形成されているので、温度センサ２１を曲げて設置する場合に凸部２６ａが曲げの妨げにならない。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１，２１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３…薄膜サーミスタ部、４…櫛型電極、４ａ…櫛部、５…パターン電極、６，２６…保護膜、６ａ，２６ａ…凸部

Claims

絶縁性フィルムと、
該絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、
前記一対の櫛型電極に接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極と、
前記絶縁性フィルムの上面に前記薄膜サーミスタ部を覆って前記薄膜サーミスタ部よりも大きくパターン形成された保護膜とを備え、
前記保護膜が、引っ張り弾性率が前記絶縁性フィルム以下の材料で形成され、前記薄膜サーミスタ部よりも外側で上方に突出した凸部を有していることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記凸部が、前記薄膜サーミスタ部を囲んで環状に形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１に記載の温度センサにおいて、
前記凸部が、前記保護膜の四隅にそれぞれ形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
半導体装置とヒートシンクとの間に設置されることを特徴とする温度センサ。