专利名称:半导体力学量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体力学量传感器，具体而言，涉及一种用于粘结传感器芯片的粘合剂。
背景技术：
当作为半导体力学量传感器的压力传感器芯片被粘结在例如金属膜片上时，现有用一种低熔点玻璃被作为粘合剂。根据环境因素，所述低熔点玻璃被划分成加铅的或不加铅的，特别地，含有氧化铅的所述加铅玻璃在考虑到近来的环境问题时其应用存在争议。另一方面，所述不加铅玻璃需要的粘合温度例如为400到500℃，这是因为在不加入氧化铅时难于降低熔点。因此，存在这样的问题，即粘合需要额外的热能，或者是传感器芯片会被粘合温度损坏。
这些年来，已经对使用有机树脂材料来粘合传感器芯片从而实现低温粘合进行了研究。然而，根据本发明的发明人的研究结果，如果使用有机树脂材料例如环氧树脂作为粘合剂，在加热后由于调整皱缩产生的变形将变得非常高，以至于应力将产生在传感器芯片中，从而改变传感器的输出。另外，如果这种传感器被实际包装，在应用温度下，所述应力将由于蠕变现象而衰减。结果是，由于所述蠕变现象，传感器的输出也将发生变化。
发明内容
考虑到上述方面，本发明的目的是提供一种半导体力学量传感器，其输出变化相对较小。
为了实现上述目的，按照本发明的半导体力学量传感器包括一支承部，一种粘合剂，和一传感器芯片。所述粘合剂位于所述支承部的表面上。所述传感器芯片位于所述粘合剂上。通过加热所述粘合剂，传感器芯片和支承部被粘合在一起。在粘合剂被加热以便将传感器芯片和支承部粘合在一起的温度下，所述粘合剂的变形系数为0.5％或更小，以降低由于粘合剂的硬化皱缩而产生的应力。
根据下文参照附图的详细说明，本发明的上述和其他目的，特征及优点将变得更加清楚，在这些附图中图1A为按照本发明的一个实施例的压力传感器的示意性透视图；图1B为沿图1A中剖线IB-IB所作的传感器的示意性剖切透视图；图2为当从图1A中的传感器芯片上面观察时，图1A中的传感器的俯视图；图3为一曲线图，示出了传感器输出和变形率之间的相互关系；图4为一表格，示出了模拟的参数；图5为一曲线图，示出了在120℃时，传感器输出和变形率之间的相互关系。
具体实施方式
下面将参照各实施例对本发明进行详细说明。
第一实施例图1A为本发明的一个示例的压力传感器1的示意性透视图。作为半导体力学量传感器的压力传感器1可被用于例如控制车辆中引擎的燃油喷射压力或制动压力。该压力传感器1包括一金属杆3或金属台阶3，其具有圆盘形金属膜片2或支承部2。所述压力传感器1还包括粘合剂4和传感器芯片5。在预定粘合温度下，使用粘合剂4，该传感器芯片5被粘结到支承部2的上表面上。
如图1A和1B所示，金属杆3在上表面之下具有一空腔6，传感器芯片5位于其中。预定压力介质例如一种气体和一种液体被引入该空腔6中，且基于支承部2的变形和传感器芯片5的变形，检测所述压力介质的压力。
在使用粘合剂4将传感器芯片5粘合到支承部2上时，粘合温度优选为350℃或更低。如果所述粘合温度高于350℃，在图中未示出的构成传感器芯片5的元件可能被热损坏。在本发明中，如下文所述，使用有机树脂材料作为粘合剂4，能够在低于350℃的低温下将传感器芯片5和支承部2充分粘合在一起。另外，采用低温粘合能够通过降低粘合步骤中的热能消耗而节约成本。
所述金属杆3由例如KOVAR制成，这种材料是一种铁-镍-钴系的合金。所述金属杆3最好由线性膨胀系数尽可能接近于传感器芯片5的材料制成。该金属杆3具有通过切割而机加工成圆筒形状的空腔6，和作为一膜片且位于所述金属杆3的端部的支承部2。由图1B中的箭头所示，压力介质被从其入口引入空腔6中，从而对支承部2施加压力。
传感器5由例如作为半导体基板的正方形单晶硅基板制成。使用粘合剂4，传感器芯片5在其第一表面被固定到支承部2的上表面。虽然在图中未示出，但在与第一表面相反的传感器芯片5的第二表面上，形成有四个具有预定阻值的压电电阻元件，它们被布置在预定位置。所述压电电阻元件与在图中均未示出的布线和电极相结合形成桥接电路。所述第二表面被一层在图中未示出的钝化膜例如氮化硅覆盖。
所述压力传感器1以如下方式检测压力。当压力沿图1B中箭头所示方向被施加时，所述支承部2和传感器芯片5由压力介质产生变形，从而在传感器芯片5中产生一应力。此时，上述每个压电电阻元件具有各自的应力级。所述应力级之间的差使传感器输出发生变化，所述传感器输出的变化以压力的变化被检测到。
有机树脂材料、液晶聚合物、通过将无机填料添加到有机树脂材料中而制备的材料或者由有机树脂材料和无机填料化学结合在一起而制备的混合材料可被用作将传感器芯片5粘合到支承部2上的粘合剂4。由上述材料制成的粘合剂4的共有特性是每种粘合剂4的变形率为0.5％或更小，所述变形率基于硬化时的每种粘合剂4的收缩量而被确定，且每种粘合剂4被形成为一层膜的形状。
粘合剂4的变形率由以下公式1确定，变形率(％)＝{(aa-bb)/aa}×100 (公式1)
其中，aa为在粘合剂4被加热之前的粘合剂4的直径；bb为在预定温度例如100到250℃下，经过预定时间例如1到8小时，通过加热粘合剂4而形成的用于将传感器芯片5粘合到支承部2上的收缩粘合剂4a的直径。
图3为一曲线图，示出了传感器输出和变形率之间的相互关系。图3中绘出的传感器输出值是使用图4中列出的参数通过模拟而计算出来的。如果由粘合剂4的变形而产生的压力传感器1的带有误差的传感器输出的许用偏差为±B Mv，则为了满足带有误差的传感器输出值处于许用偏差范围内，变形率必须在约0.5％或更小。
实际上，即使压力传感器的初始值满足预定产品规格，在压力传感器1的使用中，在实际环境温度下例如-40到120℃，可能会发生这样一种情况，即压力传感器1的传感器输出偏离其初始值。考虑到这种情况，当由于粘合剂4的硬化收缩而产生在传感器芯片5中的应力衰减和由于在温度为120℃(该温度为上述实际环境温度中的最大温度)时产生的蠕变现象而被减小时，本发明的发明人确定出应用模拟压力传感器的传感器输出相对于其初始值的偏差是多少。
图5示出了该模拟的结果。该模拟是使用图4中列出的参数而实施的。在图5中，符号×、▲和□分别表示在变形率为0.5、1.0和1.6％时的模拟值。符号■表示在变形率为1.6％时的实测值。上述变形率分别是通过在80℃下导热两小时，在150℃下导热四小时，在230℃下导热一小时而获得的。
这里，如果相对于传感器输出初始值的许用偏差为±C mV，如图5所示，所述粘合剂4的变形率必须为约0.5℃或更小。因此，从如图3和5所示的结果理解，在压力传感器1的使用中，能够控制由于粘合剂4的硬化收缩和在实际环境温度下发生的蠕变现象而产生的相对于初始传感器输出的偏差。
接下来，将对粘合剂4进行说明。如果单独使用环氧树脂作为用于粘合剂4的有机树脂材料，由于从液相到固相的转变和在粘合温度下的溶剂的挥发而产生的体积减小，变形率将约为1.8％。结果是，由于变形而产生在传感器芯片5中的应力将增加传感器输出的偏差。
然而，例如，如果涂布在PET制成的载体薄膜上的液态环氧树脂较薄，而且被半硬化以形成一层薄膜状粘合剂，则虽然仍然需要另外的硬化反应，但在传感器芯片5被粘合到支承部2上的温度下，能够使变形率降低到大约0.5％，这是因为粘合剂4基本上呈固态。因此，该膜状粘合剂4可被用于制造压力传感器1。顺便提及，除了环氧树脂以外，聚酰亚胺和聚胺酯也可被用作有机树脂材料。
或者是，可使用液晶聚合物替代液态环氧树脂来形成膜状粘合剂4。液晶聚合物在其液态具有结晶性，因此不会发生在普通有机树脂材料从非晶相到结晶相的转变过程中所产生的体积减小，且总收缩率相对较小。另外，液晶聚合物具有定向性，且沿着其流动方向被定向，因此沿着该方向的线性膨胀系数非常小。所以，通过使用液晶聚合物作为用于粘合剂4的有机树脂材料，就能够将粘合剂4的变形率降低到4％到0.5％或更低，而且还能够在使用压力传感器1过程中，减小在实际环境温度下的输出偏差约0.05mV。
或者是，如上文先前所述，一种通过将预定量的无机填料加入到有机树脂材料中而制备成的材料可被用作将传感器芯片5粘合到支承部2上的粘合剂4。特别地，例如，以70至90重量％比10至30重量％的比例将单晶硅或二氧化硅加入环氧树脂、聚酰亚胺或聚胺酯中而制备的材料可以被形成薄膜状。且有机树脂材料的线性膨胀系数高达例如40到70ppm。
然而，能够通过加入硅或二氧化硅以降低线性膨胀系数，使粘合剂4的线性膨胀系数与用作传感器芯片5的半导体基板的硅基板和金属杆3的线性膨胀系数相近似。硅基板和金属杆3的线性膨胀系数为例如1到10ppm。能够通过使粘合剂4的线性膨胀系数与硅基板和金属杆3的线性膨胀系数相近似来减小产生在每个元件中的应力。在那种情况下，还能够减小变形率到约0.5％。
或者是，如先前所述，也可使用由机树脂材料和无机填料化学结合而成的混合材料作为粘合传感器芯片5和支承部2的粘合剂4。这种混合材料可以借助以下方法制备，例如将作为有机树脂材料的预定量的环氧树脂和作为无机填料的预定量的烷氧基硅烷混合在一起；通过在100到200℃下加热1到2小时，引起溶胶-凝胶反应即烷氧基硅烷水解和冷凝。
在这种情况下，还能够使粘合剂4的线性膨胀系数与硅基板和金属杆3的线性膨胀系数相近似。另外，由于所述溶胶-凝胶反应，粘合剂4变成半硬化状态，因此在硬化反应中的变形率被减小。结果是，能够将变形率降低到约0.5％。
在该实施例中，当使用粘合剂4，在预定粘合温度下使传感器芯片5被粘合到支承部2上时，通过使用一种有机树脂材料；一种液晶聚合物；一种通过将无机填料添加到有机树脂材料中而制备的材料；或一种混合材料，其中有机树脂材料和无机填料被化学结合，作为一种变形率为0.5％或更小的粘合剂，能够在粘合步骤中减小由于粘合剂4的硬化收缩而产生的应力，还能够减小压力传感器1的初始输出值偏差。
此外，借助上述的应力减小，在实际环境温度下压力传感器1的使用中，在包装之后由于蠕变现象而产生的应力衰减被减小。因此，由于应力衰减而产生的输出偏差被抑制，且压力传感器1稳定地操作。
其他实施例在第一实施例中，粘合剂4被形成为薄膜状。然而，本发明并不仅限于此，只要粘合剂4的变形率为0.5％或更小，则粘合剂4并不必须被形成为薄膜状。
在第一实施例中，使用变形率为0.5％或更小的粘合剂4将传感器芯片5粘合到金属膜片2或支承部2上。然而，所述支承部2并不必须是金属膜片，还可由其他材料制成。
权利要求
1.一种半导体力学量传感器(1)包括支承部(2)；粘合剂(4)，其位于支承部(2)的一个表面上；和传感器芯片(5)，其位于粘合剂(4)上，其中，所述传感器芯片(5)和支承部(2)通过加热所述粘合剂(4)粘合在一起，所述粘合剂由薄膜状材料制成，在粘合剂(4)被加热以将传感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起的温度下，粘合剂(4)的变形率为0.5％或更小，以便减小由于粘合剂(4)的硬化收缩而产生的应力。
2.如权利要求
1所述的传感器(1)，其特征在于，粘合剂(4)呈薄膜形状。
3.如权利要求
2所述的传感器(1)，其特征在于，粘合剂(4)由有机树脂材料和液晶聚合物中的一种制成。
4.如权利要求
2所述的传感器(1)，其特征在于，粘合剂(4)由这样的材料制成，所述材料是通过将一种预定量的无机填料添加到一种有机树脂材料中而制备成的。
5.如权利要求
2所述的传感器(1)，其特征在于，粘合剂(4)由这样的混合材料制成，在所述混合材料中，一种有机树脂材料和一种无机填料被化学结合。
6.如权利要求
1至5中任一所述的传感器(1)，其特征在于，粘合剂(4)被加热的温度为350℃或更低。
专利摘要
一种半导体力学量传感器(1)包括支承部(2)、粘合剂(4)、和传感器芯片(5)。所述粘合剂(4)位于支承部(2)的一个表面上。传感器芯片(5)位于粘合剂(4)上。通过加热所述粘合剂(4)将传感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起。为了减小由于粘合剂(4)的硬化收缩而产生的应力，在粘合剂(4)被加热以将传感器芯片(5)和支承部(2)粘合在一起的温度下，粘合剂(4)的变形率为0.5%或更小。
文档编号H01L21/02GKCN1201137SQ03147425
公开日2005年5月11日 申请日期2003年7月10日
发明者田中昌明, 池泽敏哉, 斋藤隆重 申请人:株式会社电装导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan