JP6661466B2 - 取付支持体上にｍｅｃｓデバイスを備えたコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのマイクロ電気化学センサ（ＭＥＣＳ：microelectrochemical sensor）デバイス及びアプリケーションプリント基板上にこのＭＥＣＳデバイスを取り付けて電気的に接触接続するための支持体を含むコンポーネントに関する。ＭＥＣＳデバイスの層構造体には、デバイス基板の裏面における開口部を覆うダイヤフラムが形成される。

ＭＥＣＳデバイスは、例えば、自動車分野におけるガスセンサにおいて使用されるが、自動車とは別の応用分野にも使用される。比較的重要であるのは、内燃機関及び暖房設備の排ガス流における酸素濃度を測定するラムダセンサとしてＭＥＣＳデバイスを使用することである。これらのケースではＭＥＣＳデバイスは一般的に極めて高い温度及び化学的に極めて侵食性の高い測定環境に曝される。

本発明によって提案されるのは、極めて頑強であり、高温安定性を有し、且つ、媒体に対する耐性を有するコンポーネントが具現化できるようにする、ＭＥＣＳデバイスの構造及び接続技術（ＡＶＴ：Aufbau- und Verbindungstechnik）である。

これは、本発明により、ＭＥＣＳデバイスを支持体上にフリップチップ技術で接合して、少なくとも接続領域においてＭＥＣＳデバイスの上面と支持体表面との間で気密の機械的な接続が形成され、これにより、少なくとも１つのコンタクト領域においてＭＥＣＳデバイスと支持体との間に電気的な接続が形成されるようにすることによって達成される。

本発明に係る構造及び接続技術では、測定媒体が、ＭＥＣＳデバイスの裏面乃至ＭＥＣＳデバイスのダイヤフラムの裏面に作用するのに対し、ＭＥＣＳデバイスの前面の複数の領域は少なくとも、支持体の上記接合により、測定媒体とは全く接触接続せず、又は、測定環境の不都合な影響に対して少なくとも十分に保護されるようになる。さらに、ＭＥＣＳデバイスと支持体との間の接合により、支持体表面の複数の領域も測定媒体から遮断される。

ＭＥＣＳデバイスと支持体との間の気密の接合接続部のレイアウトにより、測定媒体から完全に分離される、ＭＥＣＳ前面及び支持体前面の複数の表面領域が画定される。これにより、ＭＥＣＳ側において、測定値検出のための回路素子を備えたダイヤフラム領域を所期のように保護することができる。さらに、電気的接続部としても機能する、ＭＥＣＳデバイスと支持体との間の接合箇所も測定媒体から遮断されると有利である。このためには、周縁を描き且つ閉じられるように少なくとも１つの接続領域を設計し、この接続領域が、ダイヤフラム及び少なくとも１つのコンタクト領域を取り囲むようにする。支持体を相応にレイアウトすれば、これにより、例えば支持体に組み込まれる評価回路の複数の回路コンポーネントも測定媒体から保護することができる。

本発明の有利な一実施形態では、ＭＥＣＳデバイスの基板材料の熱膨張係数及び支持体の基板材料の熱膨張係数は互いに適合するように調整される。これにより、コンポーネント構造において、熱によって発生し且つ測定値に誤差を生じさせる機械的な応力を回避することができる。このことは特に、高温の応用において大きな役割を果たす。

本発明に係る構造及び接続技術に対する前提となるのは、次のような支持基板である。即ち、接合方法においてＭＥＣＳ表面と気密に接合することができ、且つ、ＭＥＣＳデバイスの電気的な接触接続のために埋め込まれた複数の導体路又はコンタクトパッド及びスルーコンタクトの具現化を可能にする支持基板である。支持基板として特に好適であるのは、接合可能な表面を備えた多層セラミックプリント基板である。シリコン技術において具現化されるＭＥＣＳデバイスに対し、これは、ガラスセラミック表面、シリコン表面、酸化シリコン表面とすることができる。第１に、このような支持体の熱膨張係数は、ＭＥＣＳデバイスの熱膨張係数に極めて良好に適合させることができる。第２に、極めて容易に、導体路及び／又はスルーコンタクトをこのような支持体の層構造体に組み込むことができる。支持体表面とＭＥＣＳ表面との間の気密の機械的な接続は、この場合、陽極ボンディング又はシリコン（Ｓｉ）直接接合によって簡単に作製することができる。Ｓｉ直接接合では、表面層の材料に応じて、Ｓｉ・Ｓｉ接続又はＳｉＯ₂・ＳｉＯ₂接続が形成される。

しかしながら、支持基板として、例えばシリコンウェーハ、窒化シリコン支持体又はコーディエライトセラミック支持体のような、適合された熱膨張係数及び接合可能な表面を備えた処理済み半導体ウェーハを使用することも可能である。

有利には、コンタクト領域における電気接続部は、高融点はんだ、導電性接着剤又は圧膜導電性ペーストを使用して熱圧着によって作製される。この場合に、この機械的及び電気的な接続部は、１プロセスステップで形成することができる。

特に、侵食性の測定環境における使用に対して有利であることが判明したのは、ＭＥＣＳデバイスの露出した裏面及び／又は支持体の露出した表面も保護する場合である。このためには、コンポーネント表面のこれらの領域に、例えば、ゾルゲル層のようなパッシベーション層を腐食保護として施すか、又は、熱衝撃保護を高めるための撥水性の層及び／又は測定環境からの堆積物を回避するための付着防止層を施すことができる。

本発明に係る構造及び接続技術により、ＭＥＣＳデバイスのダイヤフラムと、支持体との間に気密に閉鎖された空洞を実現することができる。この空洞には基準ガスを閉じ込めることができ、このことは、例えばジルコニウムダイヤフラムを備えたラムダセンサのようないくつかの適用分野に対して有利であることが判明している。このようなコンポーネントの構造を以下、図面に基づいて詳細に説明する。

既に上で論じたように、本発明の教示を有利に構成して発展させるのには種々の選択肢がある。これについては、一方では、従属請求項を、他方では、図面に基づく本発明の実施例の以下の説明を参照されたい。

ＭＥＣＳデバイス１０の一領域における、本発明のコンポーネント１００の概略断面図である。 コンポーネント１００が取り付けられた支持体１１０の平面図である。

ここで説明するコンポーネント１００には、マイクロラムダセンサとして構成されているＭＥＣＳデバイス１０と、このラムダセンサ用の評価回路を備えたＡＳＩＣデバイス２０とが含まれている。２つのデバイス１０及び２０は、１つの支持体１１０上に取り付けられており、この支持体を介して、アプリケーションプリント基板にコンポーネント１００を取り付けて電気的に接触接続させることができる。支持体１１０のレイアウト及び支持体１１０上のデバイス１０及び２０の配置については、図１ｂに関連して詳細に説明する。

図１ａには、ＭＥＣＳデバイス１０の領域におけるコンポーネント１００の構造及び接続が示されている。このＭＥＣＳデバイスは、シリコンチップであり、その層構造体内には、ダイヤフラム構造体１１が形成されている。このダイヤフラム構造体は、蜂の巣状に繋がっているＳｉＮ六角形からなり、これらのＳｉＮ六角形により、ジルコニアダイヤフラム用のフレーム構造が形成されている。ダイヤフラム構造体１１は、白金によってコーティングされており、デバイス裏面において開口部１２を覆っている。

ダイヤフラム構造体１１は、デバイス前面においてまた（ここでは同様に白金からなる）複数の導体路１３を介して、複数の端子パッド１４に電気的に接触接続しており、これらの導体路は、ＭＥＣＳデバイス１０の層構造体内に埋め込まれている。

本発明では、ＭＥＣＳデバイス１０はフリップチップ技術で、即ち、フェースダウンで支持体１１０に接合されており、気密の機械的な接続部であると共に電気的な接続部が、ＭＥＣＳデバイス１０と支持体１１０との間に作製されている。

支持体１１０は、ここで説明している実施例において、導体路１１３が埋め込まれた多層セラミックプリント基板である。このようなプリント基板は、例えば、圧膜技術によって作製される。個々の層に対して適切に材料を選択することにより、プリント基板１１０の熱膨張係数を、載置すべきデバイス１０，２０の熱膨張係数に、特にＭＥＣＳデバイス１０の熱膨張係数に極めて良好に適合させることができる。この製造方法において、導体路１１３は、スクリーン又はテンプレート印刷マスクによってプリント基板１１０の１つの層上に印刷され、引き続いてガラスセラミックペーストによって重ね印刷される。ここでは第１に、ＭＥＣＳデバイス１０における端子パッド１４を接触接続させるための、後に端子パッド１１４になる複数の領域が残存させられており、第２に、ＭＥＣＳデバイス１０のダイヤフラム１１の下に１つの領域が残存させられているため、支持体１１０に取り付けた後にも、これらの領域は両側が開放されている。ガラスセラミックペーストによって重ね印刷するのとは択一的に、複数の導体路１１３を、次に積層される、対応する凹部を有するガラスセラミックシートで覆うことも可能である。この層構造体は、次に圧力下で焼成されて、焼成収縮によって横方向のサイズが小さく維持される。その後、支持体基板１１０はさらに、接合過程のために平坦化され、これは例えば研磨によって行われる。

図１ａに示したコンポーネント１００の場合、気密の機械的な接続部１５及び１６も、ＭＥＣＳデバイス１０と支持体１１０との間の電気的な接続部１７も、共に１つのプロセスステップで作製される。このプロセスステップには、気密の機械的な接続部１５及び１６用の陽極ボンディング及びシリコン直接接合の他に、電気接続部１７用の熱圧着乃至超音波ボンディングも含まれている。

ダイヤフラム構造体１１を取り込んで第１のリング状接続領域１５が形成され、このリング状接続領域により、ダイヤフラム構造体１１と支持体１１０との間の空洞１８が気密に閉鎖される。この空洞１８には、ラムダセンサ測定用の基準ガスとして酸素が含まれている。この接合接続部１５は、リング状の高濃度にドーピングされたシリコン領域又はＭＥＣＳ表面内乃至表面上のリング状の白金コーティングと、支持体表面との間に作製される。

ＭＥＣＳデバイス１０の外側の縁部領域には、陽極ボンディングにより、第２のリング状の閉鎖された接続領域１６が形成されている。この接続領域は、ダイヤフラム構造体１１だけではなく、電気接続部１７も包囲しており、この電気接続部１７は、ここでははんだバンプの形態で、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ及び／又はＮｉからなる耐熱性の合金から具現化される。これらのはんだバンプは、支持体１１０上にＭＥＣＳデバイス１０を取り付ける前に、ＭＥＣＳデバイス１０の金属化されたコンタクトパッド１４に、及び／又は、支持体１１０のコンタクトパッド１１４に被着される。選択的には、電気接続部１７を導電性接着剤又は圧膜導電性ペーストの形態で実現することも可能であり、これらは、ＭＥＣＳデバイス１０を取り付ける前に印刷又は分配することによって支持体表面上に被着される。気密の２つのリング状接合接続部１５及び１６により、ＭＥＣＳデバイス１０と支持体１１０との間で複数の電気接続部１７が封入されるため、これらは、一方では、空洞１８内の酸化性の酸化基準ガスに対して保護され、他方では、ラムダセンサの侵食性の測定環境に対して保護される。

ここで示した構造には、任意選択肢として、ＭＥＣＳ基板の露出した裏面上及び露出した支持体表面上にさらに付着防止層を塗布することができ、これによって、測定環境からのこのコンポーネントへの堆積物の量を可能な限り少なく維持する、及び／又は、凍結の作用を低減する。高温の応用に好適であるのは、例えば、ＳｉＣ又はＳｉＮからなる付着防止層である。使用箇所の温度が低い場合、シラン処理も対象になる。

図１ｂに示した、コンポーネント１００を取り付けた支持体１１０の平面図から分かるのは、ここでは、支持体１１０のレイアウトにおいて、空間的に互いに離隔され、これによって熱的に分離された、デバイス１０及び２０用の２つの取付領域１１１及び１１２が設けられていることである。取付領域１１１及び１１２は、埋め込まれた導体路１１３によって電気的に互いに接続されている。いわゆる低温領域にＡＳＩＣデバイス２０が取り付けられており、ボンディングワイヤ２１により、一方では、導体路１１３に接続されており、他方では、コンポーネント１００の外部の電気的な接触接続のために電気端子１１５に接続されている。ボンディングワイヤ２１を有するＡＳＩＣデバイス２０を保護するために、この支持体領域には、例えばモールドペーストを完全に注ぎ込んで、接続プラグ又はケーブルを取り付けることができる。

支持体１１０の反対側には、ＭＥＣＳデバイス１０用の取付領域１１２を有する、いわゆる高温領域が設けられている。その取り付け及び電気的な接触接続は、上で図１ａに関連して詳細に説明した。高温の支持体領域における上記構造及び接続技術に起因して、本発明に係るコンポーネント１００は、内燃機関の排ガス流のような高温領域及び侵食性の測定環境における使用にも好適である。

Claims (8)

1. ・ダイヤフラム（１１）を備えたマイクロ電気化学センサ（ＭＥＣＳ）デバイス（１０）であって、前記ダイヤフラム（１１）が、当該ＭＥＣＳデバイスの基板における層構造体に形成されており且つ前記基板裏面における開口部（１２）を覆っている、マイクロ電気化学センサデバイス（１０）と、
   ・アプリケーションプリント基板上での前記ＭＥＣＳデバイス（１０）の取り付け及び電気的な接触接続のための支持体（１１０）と、
   を少なくとも備えている、コンポーネント（１００）において、
   前記ＭＥＣＳデバイス（１０）が前記支持体（１１０）上に接合されており、接続領域（１５，１６）において前記ＭＥＣＳデバイス（１０）の上面と前記支持体表面との間に気密の機械的な接続が形成されており、少なくとも１つのコンタクト領域において前記ＭＥＣＳデバイス（１０）と前記支持体（１１０）との間に電気接続部（１７）が形成されており、
   前記接続領域（１５，１６）は、前記ダイヤフラム（１１）を取り囲む第１のリング状接続領域（１５）と、前記ダイヤフラム（１１）、前記第１のリング状接続領域（１５）および前記少なくとも１つのコンタクト領域を取り囲む第２のリング状接続領域（１６）とを含む、
   ことを特徴とするコンポーネント（１００）。
2. 前記ＭＥＣＳデバイス（１０）の前記ダイヤフラム（１１）と前記支持体（１１０）との間に空洞（１８）が設けられており、
   前記空洞（１８）は、前記ＭＥＣＳデバイス（１０）と前記支持体（１１０）との間の前記第１のリング状接続領域（１５）によって気密に閉鎖されており、且つ、前記空洞（１８）内に基準ガスが存在する、
   請求項１に記載のコンポーネント（１００）。
3. 前記ＭＥＣＳデバイス（１０）の基板材料の熱膨張係数及び前記支持体（１１０）の熱膨張係数は、互いに適合するように調整されている、
   請求項１又は２に記載のコンポーネント（１００）。
4. 前記支持体（１１０）は、接合可能なガラスセラミック表面、シリコン表面又は酸化シリコン表面を備えた多層セラミックプリント基板であり、
   前記支持体（１１０）の前記層構造体には、複数の導体路（１１３）及びスルーコンタクトのうちの少なくとも１つが含まれている、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のコンポーネント（１００）。
5. 前記接続領域（１５，１６）における前記機械的な接続は、陽極ボンディング又はシリコン直接接合である、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコンポーネント（１００）。
6. 前記コンタクト領域における前記電気接続部（１７）は、高融点はんだ又は導電性接着剤又は圧膜導電性ペーストを含む、熱圧着又は超音波ボンディング接続部である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のコンポーネント（１００）。
7. 前記ＭＥＣＳデバイスの露出した裏面及び前記支持体の露出した表面のうちの少なくとも一方には、パッシベーション層、撥水性の層及び付着防止層のうちの少なくとも１つが被着されている、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコンポーネント（１００）。
8. 前記ＭＥＣＳデバイス（１０）は、ジルコニアダイヤフラムを備えたマイクロラムダセンサである、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコンポーネント（１００）。

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