專利名稱:半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器，具體而言，涉及一種用于粘結(jié)傳感器芯片的粘合劑。
背景技術(shù)：
當(dāng)作為半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器的壓力傳感器芯片被粘結(jié)在例如金屬膜片上時，現(xiàn)有用一種低熔點玻璃被作為粘合劑。根據(jù)環(huán)境因素，所述低熔點玻璃被劃分成加鉛的或不加鉛的，特別地，含有氧化鉛的所述加鉛玻璃在考慮到近來的環(huán)境問題時其應(yīng)用存在爭議。另一方面，所述不加鉛玻璃需要的粘合溫度例如為400到500℃，這是因為在不加入氧化鉛時難于降低熔點。因此，存在這樣的問題，即粘合需要額外的熱能，或者是傳感器芯片會被粘合溫度損壞。
這些年來，已經(jīng)對使用有機樹脂材料來粘合傳感器芯片從而實現(xiàn)低溫粘合進行了研究。然而，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的研究結(jié)果，如果使用有機樹脂材料例如環(huán)氧樹脂作為粘合劑，在加熱后由于調(diào)整皺縮產(chǎn)生的變形將變得非常高，以至于應(yīng)力將產(chǎn)生在傳感器芯片中，從而改變傳感器的輸出。另外，如果這種傳感器被實際包裝，在應(yīng)用溫度下，所述應(yīng)力將由于蠕變現(xiàn)象而衰減。結(jié)果是，由于所述蠕變現(xiàn)象，傳感器的輸出也將發(fā)生變化。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述方面，本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器，其輸出變化相對較小。
為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器包括一支承部，一種粘合劑，和一傳感器芯片。所述粘合劑位于所述支承部的表面上。所述傳感器芯片位于所述粘合劑上。通過加熱所述粘合劑，傳感器芯片和支承部被粘合在一起。在粘合劑被加熱以便將傳感器芯片和支承部粘合在一起的溫度下，所述粘合劑的變形系數(shù)為0.5％或更小，以降低由于粘合劑的硬化皺縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。



根據(jù)下文參照附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述和其他目的，特征及優(yōu)點將變得更加清楚，在這些附圖中圖1A為按照本發(fā)明的一個實施例的壓力傳感器的示意性透視圖；圖1B為沿圖1A中剖線IB-IB所作的傳感器的示意性剖切透視圖；圖2為當(dāng)從圖1A中的傳感器芯片上面觀察時，圖1A中的傳感器的俯視圖；圖3為一曲線圖，示出了傳感器輸出和變形率之間的相互關(guān)系；圖4為一表格，示出了模擬的參數(shù)；圖5為一曲線圖，示出了在120℃時，傳感器輸出和變形率之間的相互關(guān)系。
具體實施方式
下面將參照各實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
第一實施例圖1A為本發(fā)明的一個示例的壓力傳感器1的示意性透視圖。作為半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器的壓力傳感器1可被用于例如控制車輛中引擎的燃油噴射壓力或制動壓力。該壓力傳感器1包括一金屬桿3或金屬臺階3，其具有圓盤形金屬膜片2或支承部2。所述壓力傳感器1還包括粘合劑4和傳感器芯片5。在預(yù)定粘合溫度下，使用粘合劑4，該傳感器芯片5被粘結(jié)到支承部2的上表面上。
如圖1A和1B所示，金屬桿3在上表面之下具有一空腔6，傳感器芯片5位于其中。預(yù)定壓力介質(zhì)例如一種氣體和一種液體被引入該空腔6中，且基于支承部2的變形和傳感器芯片5的變形，檢測所述壓力介質(zhì)的壓力。
在使用粘合劑4將傳感器芯片5粘合到支承部2上時，粘合溫度優(yōu)選為350℃或更低。如果所述粘合溫度高于350℃，在圖中未示出的構(gòu)成傳感器芯片5的元件可能被熱損壞。在本發(fā)明中，如下文所述，使用有機樹脂材料作為粘合劑4，能夠在低于350℃的低溫下將傳感器芯片5和支承部2充分粘合在一起。另外，采用低溫粘合能夠通過降低粘合步驟中的熱能消耗而節(jié)約成本。
所述金屬桿3由例如KOVAR制成，這種材料是一種鐵-鎳-鈷系的合金。所述金屬桿3最好由線性膨脹系數(shù)盡可能接近于傳感器芯片5的材料制成。該金屬桿3具有通過切割而機加工成圓筒形狀的空腔6，和作為一膜片且位于所述金屬桿3的端部的支承部2。由圖1B中的箭頭所示，壓力介質(zhì)被從其入口引入空腔6中，從而對支承部2施加壓力。
傳感器5由例如作為半導(dǎo)體基板的正方形單晶硅基板制成。使用粘合劑4，傳感器芯片5在其第一表面被固定到支承部2的上表面。雖然在圖中未示出，但在與第一表面相反的傳感器芯片5的第二表面上，形成有四個具有預(yù)定阻值的壓電電阻元件，它們被布置在預(yù)定位置。所述壓電電阻元件與在圖中均未示出的布線和電極相結(jié)合形成橋接電路。所述第二表面被一層在圖中未示出的鈍化膜例如氮化硅覆蓋。
所述壓力傳感器1以如下方式檢測壓力。當(dāng)壓力沿圖1B中箭頭所示方向被施加時，所述支承部2和傳感器芯片5由壓力介質(zhì)產(chǎn)生變形，從而在傳感器芯片5中產(chǎn)生一應(yīng)力。此時，上述每個壓電電阻元件具有各自的應(yīng)力級。所述應(yīng)力級之間的差使傳感器輸出發(fā)生變化，所述傳感器輸出的變化以壓力的變化被檢測到。
有機樹脂材料、液晶聚合物、通過將無機填料添加到有機樹脂材料中而制備的材料或者由有機樹脂材料和無機填料化學(xué)結(jié)合在一起而制備的混合材料可被用作將傳感器芯片5粘合到支承部2上的粘合劑4。由上述材料制成的粘合劑4的共有特性是每種粘合劑4的變形率為0.5％或更小，所述變形率基于硬化時的每種粘合劑4的收縮量而被確定，且每種粘合劑4被形成為一層膜的形狀。
粘合劑4的變形率由以下公式1確定，變形率(％)＝{(aa-bb)/aa}×100 (公式1)
其中，aa為在粘合劑4被加熱之前的粘合劑4的直徑；bb為在預(yù)定溫度例如100到250℃下，經(jīng)過預(yù)定時間例如1到8小時，通過加熱粘合劑4而形成的用于將傳感器芯片5粘合到支承部2上的收縮粘合劑4a的直徑。
圖3為一曲線圖，示出了傳感器輸出和變形率之間的相互關(guān)系。圖3中繪出的傳感器輸出值是使用圖4中列出的參數(shù)通過模擬而計算出來的。如果由粘合劑4的變形而產(chǎn)生的壓力傳感器1的帶有誤差的傳感器輸出的許用偏差為±B Mv，則為了滿足帶有誤差的傳感器輸出值處于許用偏差范圍內(nèi)，變形率必須在約0.5％或更小。
實際上，即使壓力傳感器的初始值滿足預(yù)定產(chǎn)品規(guī)格，在壓力傳感器1的使用中，在實際環(huán)境溫度下例如-40到120℃，可能會發(fā)生這樣一種情況，即壓力傳感器1的傳感器輸出偏離其初始值?？紤]到這種情況，當(dāng)由于粘合劑4的硬化收縮而產(chǎn)生在傳感器芯片5中的應(yīng)力衰減和由于在溫度為120℃(該溫度為上述實際環(huán)境溫度中的最大溫度)時產(chǎn)生的蠕變現(xiàn)象而被減小時，本發(fā)明的發(fā)明人確定出應(yīng)用模擬壓力傳感器的傳感器輸出相對于其初始值的偏差是多少。
圖5示出了該模擬的結(jié)果。該模擬是使用圖4中列出的參數(shù)而實施的。在圖5中，符號×、▲和□分別表示在變形率為0.5、1.0和1.6％時的模擬值。符號■表示在變形率為1.6％時的實測值。上述變形率分別是通過在80℃下導(dǎo)熱兩小時，在150℃下導(dǎo)熱四小時，在230℃下導(dǎo)熱一小時而獲得的。
這里，如果相對于傳感器輸出初始值的許用偏差為±C mV，如圖5所示，所述粘合劑4的變形率必須為約0.5℃或更小。因此，從如圖3和5所示的結(jié)果理解，在壓力傳感器1的使用中，能夠控制由于粘合劑4的硬化收縮和在實際環(huán)境溫度下發(fā)生的蠕變現(xiàn)象而產(chǎn)生的相對于初始傳感器輸出的偏差。
接下來，將對粘合劑4進行說明。如果單獨使用環(huán)氧樹脂作為用于粘合劑4的有機樹脂材料，由于從液相到固相的轉(zhuǎn)變和在粘合溫度下的溶劑的揮發(fā)而產(chǎn)生的體積減小，變形率將約為1.8％。結(jié)果是，由于變形而產(chǎn)生在傳感器芯片5中的應(yīng)力將增加傳感器輸出的偏差。
然而，例如，如果涂布在PET制成的載體薄膜上的液態(tài)環(huán)氧樹脂較薄，而且被半硬化以形成一層薄膜狀粘合劑，則雖然仍然需要另外的硬化反應(yīng)，但在傳感器芯片5被粘合到支承部2上的溫度下，能夠使變形率降低到大約0.5％，這是因為粘合劑4基本上呈固態(tài)。因此，該膜狀粘合劑4可被用于制造壓力傳感器1。順便提及，除了環(huán)氧樹脂以外，聚酰亞胺和聚胺酯也可被用作有機樹脂材料。
或者是，可使用液晶聚合物替代液態(tài)環(huán)氧樹脂來形成膜狀粘合劑4。液晶聚合物在其液態(tài)具有結(jié)晶性，因此不會發(fā)生在普通有機樹脂材料從非晶相到結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變過程中所產(chǎn)生的體積減小，且總收縮率相對較小。另外，液晶聚合物具有定向性，且沿著其流動方向被定向，因此沿著該方向的線性膨脹系數(shù)非常小。所以，通過使用液晶聚合物作為用于粘合劑4的有機樹脂材料，就能夠?qū)⒄澈蟿?的變形率降低到4％到0.5％或更低，而且還能夠在使用壓力傳感器1過程中，減小在實際環(huán)境溫度下的輸出偏差約0.05mV。
或者是，如上文先前所述，一種通過將預(yù)定量的無機填料加入到有機樹脂材料中而制備成的材料可被用作將傳感器芯片5粘合到支承部2上的粘合劑4。特別地，例如，以70至90重量％比10至30重量％的比例將單晶硅或二氧化硅加入環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺或聚胺酯中而制備的材料可以被形成薄膜狀。且有機樹脂材料的線性膨脹系數(shù)高達例如40到70ppm。
然而，能夠通過加入硅或二氧化硅以降低線性膨脹系數(shù)，使粘合劑4的線性膨脹系數(shù)與用作傳感器芯片5的半導(dǎo)體基板的硅基板和金屬桿3的線性膨脹系數(shù)相近似。硅基板和金屬桿3的線性膨脹系數(shù)為例如1到10ppm。能夠通過使粘合劑4的線性膨脹系數(shù)與硅基板和金屬桿3的線性膨脹系數(shù)相近似來減小產(chǎn)生在每個元件中的應(yīng)力。在那種情況下，還能夠減小變形率到約0.5％。
或者是，如先前所述，也可使用由機樹脂材料和無機填料化學(xué)結(jié)合而成的混合材料作為粘合傳感器芯片5和支承部2的粘合劑4。這種混合材料可以借助以下方法制備，例如將作為有機樹脂材料的預(yù)定量的環(huán)氧樹脂和作為無機填料的預(yù)定量的烷氧基硅烷混合在一起；通過在100到200℃下加熱1到2小時，引起溶膠-凝膠反應(yīng)即烷氧基硅烷水解和冷凝。
在這種情況下，還能夠使粘合劑4的線性膨脹系數(shù)與硅基板和金屬桿3的線性膨脹系數(shù)相近似。另外，由于所述溶膠-凝膠反應(yīng)，粘合劑4變成半硬化狀態(tài)，因此在硬化反應(yīng)中的變形率被減小。結(jié)果是，能夠?qū)⒆冃温式档偷郊s0.5％。
在該實施例中，當(dāng)使用粘合劑4，在預(yù)定粘合溫度下使傳感器芯片5被粘合到支承部2上時，通過使用一種有機樹脂材料；一種液晶聚合物；一種通過將無機填料添加到有機樹脂材料中而制備的材料；或一種混合材料，其中有機樹脂材料和無機填料被化學(xué)結(jié)合，作為一種變形率為0.5％或更小的粘合劑，能夠在粘合步驟中減小由于粘合劑4的硬化收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，還能夠減小壓力傳感器1的初始輸出值偏差。
此外，借助上述的應(yīng)力減小，在實際環(huán)境溫度下壓力傳感器1的使用中，在包裝之后由于蠕變現(xiàn)象而產(chǎn)生的應(yīng)力衰減被減小。因此，由于應(yīng)力衰減而產(chǎn)生的輸出偏差被抑制，且壓力傳感器1穩(wěn)定地操作。
其他實施例在第一實施例中，粘合劑4被形成為薄膜狀。然而，本發(fā)明并不僅限于此，只要粘合劑4的變形率為0.5％或更小，則粘合劑4并不必須被形成為薄膜狀。
在第一實施例中，使用變形率為0.5％或更小的粘合劑4將傳感器芯片5粘合到金屬膜片2或支承部2上。然而，所述支承部2并不必須是金屬膜片，還可由其他材料制成。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器(1)包括支承部(2)；粘合劑(4)，其位于支承部(2)的一個表面上；和傳感器芯片(5)，其位于粘合劑(4)上，其中，所述傳感器芯片(5)和支承部(2)通過加熱所述粘合劑(4)粘合在一起，所述粘合劑由薄膜狀材料制成，在粘合劑(4)被加熱以將傳感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起的溫度下，粘合劑(4)的變形率為0.5％或更小，以便減小由于粘合劑(4)的硬化收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求
1所述的傳感器(1)，其特征在于，粘合劑(4)呈薄膜形狀。
3.如權(quán)利要求
2所述的傳感器(1)，其特征在于，粘合劑(4)由有機樹脂材料和液晶聚合物中的一種制成。
4.如權(quán)利要求
2所述的傳感器(1)，其特征在于，粘合劑(4)由這樣的材料制成，所述材料是通過將一種預(yù)定量的無機填料添加到一種有機樹脂材料中而制備成的。
5.如權(quán)利要求
2所述的傳感器(1)，其特征在于，粘合劑(4)由這樣的混合材料制成，在所述混合材料中，一種有機樹脂材料和一種無機填料被化學(xué)結(jié)合。
6.如權(quán)利要求
1至5中任一所述的傳感器(1)，其特征在于，粘合劑(4)被加熱的溫度為350℃或更低。
專利摘要
一種半導(dǎo)體力學(xué)量傳感器(1)包括支承部(2)、粘合劑(4)、和傳感器芯片(5)。所述粘合劑(4)位于支承部(2)的一個表面上。傳感器芯片(5)位于粘合劑(4)上。通過加熱所述粘合劑(4)將傳感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起。為了減小由于粘合劑(4)的硬化收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，在粘合劑(4)被加熱以將傳感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起的溫度下，粘合劑(4)的變形率為0.5%或更小。
文檔編號H01L21/02GKCN1201137SQ03147425
公開日2005年5月11日 申請日期2003年7月10日
發(fā)明者田中昌明, 池澤敏哉, 齋藤隆重 申請人:株式會社電裝導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan