JP6909354B2 - 物理量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば圧力等の物理量を測定する物理量測定装置に関する。

物理量測定装置とは、例えば車両などに搭載される圧力センサ、トルクセンサ、荷重センサ、推力センサなどを指し、シリコンや炭化ケイ素からなる半導体素子を実装されることで構成され、エンジンの燃料圧、ブレーキ圧、各種ガス圧、荷重圧等の測定に用いられる。

従来の圧力センサは、通常、金属のダイアフラムに半導体素子が実装される。このダイアフラムの材質としては、シリコンに近い熱膨張係数を有するＦｅ−Ｎｉ系合金などが使用される場合もあるが、耐力や腐食性などの観点からステンレス系のダイアフラムを使用することが求められる。

また、半導体素子とダイアフラムの接合に関しては、ガラスなどの脆性材を用いて、もしくは直接接合されることが望ましい。これは、一般的な樹脂やはんだ等で接合する場合には、接合層のクリープが問題となり半導体素子上で測定する物理量が変化してしまうためである。しかしながら、ステンレスと半導体素子とは、熱膨張係数が大きく異なるため、加熱して接合後の冷却工程で接合層に大きな熱応力が発生する。この熱応力によって接合層や半導体素子の破損が発生するため、接合時にかかる熱応力をいかに緩和して接合するかが問題となっている。
上記の問題を解決するため、例えば特許文献１では、接合部材上で、半導体素子の外周側に位置する部位に主成分が無機ガラスの応力吸収材を環状に設けることが開示されている。

特開２０１３−２３４９５５公報

しかしながら、特許文献１の方法では、環状に設けた応力吸収材の内周部位の下部に位置する接合層に信頼性を低下させる引張応力が発生してしまう。また、半導体素子とダイアフラムの接合において、最も熱応力の大きくなる部位は半導体素子の下部周辺の接合層部位と接合層の端部（側面）であるが、この部位には応力吸収材を形成できず熱応力を吸収しきれないため、接合部位の信頼性に課題があった。

本発明に係る物理量測定装置は、半導体素子と、基台と、前記半導体素子と前記基台とを接続する接合層と、を有する物理量測定装置において、少なくとも前記接合層側面の一部が応力緩和材と接触し、前記接合層は、少なくとも２層以上であり、かつ脆性材料で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、物理量測定装置の熱応力を十分に緩和することができ、長期的に信頼性の高い装置を提供することができる。

圧力測定装置の断面図である。 圧力測定装置の回路図である。 接合体の断面図である。 接合体の断面図である。 接合体の断面図である。 接合体の上面図である。 応力緩和材の種類等に基づく解析値及び測定値を示す図である。 応力緩和材の種類等に基づく解析値を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図１から図８を用いて詳細に説明する。本発明は、半導体素子を使用して検出する物理量であれば特に制限されるものではないが、以下では検出する物理量の一例として、圧力測定装置について述べる。

（圧力測定装置）
図１は、圧力測定装置１００の断面図である。
圧力測定装置１００は、圧力ポート１１と基台１４とフランジ１３とが形成される金属筐体１０と、圧力ポート１１内の圧力を測定する半導体素子１５と、半導体素子１５と電気的に接続される基板１６と、カバー１８と、外部と電気的に接続するためのコネクタ１９とを備える。

圧力ポート１１は、軸方向の一端側（図面下側）に圧力導入口１２ａが形成された中空筒状の圧力導入部１２ｈａと、圧力導入部１２ｈａの軸方向の他端側（図面上側）に形成された円筒状のフランジ１３とを備えている。フランジ１３の中央部位には、圧力によって変形し歪を生じる基台１４が立設されている。

基台１４は、圧力導入口１２ａから導入された圧力を受ける受圧面と、受圧面とは反対の面にセンサ搭載面とを有する。

圧力ポート１１の圧力導入部１２ｈａの、基台１４側の半導体素子１５に対向する先端部１２ｈａｔは矩形形状になっており、フランジ１３の中央部であって基台１４の上部表面より若干低い高さの部位まで連続して穿設されている。この先端部１２ｈａｔの矩形形状によって、基台１４にはｘ方向−ｙ方向の歪差が生じる。

半導体素子１５は、基台１４のセンサ搭載面上のほぼ中央部に後述する接合層を介して接合されている。半導体素子１５は、シリコンチップ上に基台１４の変形（歪）に応じた電気信号を出力する１つ以上の歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃを備える半導体チップとして構成される。

基板１６は、半導体素子１５から出力された各検出信号を増幅するアンプ、そのアンプのアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、そのデジタル信号に基づいて後述する補正演算を行うデジタル信号演算処理回路、各種データが格納されたメモリおよびコンデンサ１７等が搭載されている。

カバー１８の軸方向他端を閉塞する閉塞板１８ａの、中央よりの所定径範囲は切り欠かれており、その切欠部には例えば樹脂等により形成され、圧力測定装置１００で検出された検出圧力値を外部に出力するためのコネクタ１９が挿入されている。

コネクタ１９の一端はカバー１８内においてカバー１８に固定され、コネクタ１９の他端はカバー１８から外部へ露出している。

このコネクタ１９の内部には、例えばインサート成型により挿入された棒状のターミナル２０を有している。このターミナル２０は、例えば電源用、接地用、信号出力用の３本で構成され、各ターミナル２０の一端は基板１６に接続されており、他端が図示省略の外部コネクタに接続されることによって、自動車のＥＣＵ等へ配線部材を介して電気的に接続される。

図２は、圧力測定装置１００の回路図である。半導体素子１５の複数の歪抵抗ブリッジと基板１６に搭載された各回路部品を示す。
歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃは、それぞれ基台１４の変形に応じて歪むことで抵抗値が変化する抵抗ゲージをブリッジ接続して構成されている。歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃには電圧源３５から電力が供給される。

歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃの出力信号（圧力に相当するブリッジ信号）は、アンプ（ＡＭＰ）３１ａ〜３１ｃによって増幅され、その増幅出力信号はＡ−Ｄ（アナログ−デジタル）変換器（ＡＤＣ）３２ａ〜３２ｃによってデジタル信号に変換される。

デジタル信号演算処理回路（Digital Signal Processor）３３は、Ａ−Ｄ変換器３２ａ〜３２ｃの出力信号に基づいて、例えば１つの歪抵抗ブリッジ３０ａで検出された圧力値をその他の歪抵抗ブリッジ３０ｂ、３０ｃの検出圧力値によって補正する演算処理を行って、その補正した圧力値を圧力測定装置の検出値として出力する。デジタル信号演算処理回路３３には、不揮発性メモリ３４が接続されている。

このデジタル信号演算処理回路３３は、補正演算処理に限らず、複数の歪抵抗ブリッジの検出圧力値同士の比較や、歪抵抗ブリッジの検出圧力値と予め不揮発性メモリ３４に記憶しておいた規定圧力値との比較を行って、測定対象機器の劣化や半導体素子１５の劣化を判定し、その判定時に故障信号を出力する等の処理も行う。

尚、電圧源３５から歪抵抗ブリッジ３０ａ〜３０ｃへの電力の供給およびデジタル信号演算処理回路３３からの各信号の出力は、図１のターミナル２０を介して行われる。

不揮発性メモリ３４は、基板１６に搭載された回路部品とは異なる回路チップに搭載されていてもよい。また、デジタル信号演算処理回路３３の代わりに補正演算をアナログ回路で行うように構成してもよい。

（半導体素子と基台との接合部）
図３〜図５は、半導体素子１５と、接合層２１と、基台１４との接合体の断面を示す一例である。

図３に示すように、基台１４と半導体素子１５とは、接合層２１を介して接合されている。この例では、接合層２１の側面全体が応力緩和材２２で被覆されている。なお、接合層２１の少なくとも側面の一部が応力緩和材２２と接触する構成であってもよい。ここで接合層２１の側面とは、基台１４から半導体素子１５を見た場合に基台１４の実装面から垂直方向に位置する面のことを指す。接合層２１の少なくとも側面の一部と接触する応力緩和材２２が、半導体素子１５と基台１４の熱膨張係数差によって発生する熱応力を緩和することで、接合の信頼性を向上させている。

接合層２１は図４、図５に示すように一層で構成する必要はなく、複数層に分けて構成することも可能である。複数層に分けて構成する場合には、例えば、図４に示すように半導体素子１５の耐熱温度以下で半導体素子１５を接合する役割を有する接合層２１aと、高ヤング率、且つ高絶縁性を有する接合層２１ｂというように役割を分担して構成することができる。この場合、接合層２１aは絶縁性でなくても良い。複数層に分けて構成される接合層は、少なくとも２層以上であり、かつ脆性材料で構成されもよい。接合層は、少なくとも１層以上の絶縁層を有する。

また、図５に示すように、さらに接合層２１a、接合層２１ｂに加えて、基台１４と接合する役割を有する接合層２１ｃを加えて構成することもできる。図４、図５のように複数層で構成することによって、接合層２１に発生する熱応力をうまく分散できるため、接合の信頼性をさらに向上させることができる。これら接合層２１は、環境への配慮から無鉛の材料で構成されることが望ましい。本実施形態でいう無鉛とは、ＲｏＨＳ指令（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ：２００６年７月１日施行）における禁止物質を指定値以下の範囲で含有することを容認するものとする。接合層２１の厚みは、特に規定されるものではなく、５〜５００μｍ程度まで幅広く使用できるが、信頼性とセンサとしての出力の関係から特に好ましいのは２０μｍ以上３００μｍ以下である。

また、図６は接合体の上面図である。図３〜図５に示した、半導体素子１５と、接合層２１と、基台１４との接合体を上面から観察した場合の一例である。この例では、接合層２１の周囲であって、接合層２１全体が応力緩和材２２で被覆されている。図６では、接合層２１の側面全体が応力緩和材２２で被覆されているが、接合層２１の側面の一部が応力緩和材２２と接触するようにしてもよい。

このように、接合層２１の少なくとも側面の一部が応力緩和材２２と接触する構成であり、より望ましくは、図３〜図５に示したように、接合層２１の側面全体が被覆されている状態である。さらに望ましくは、図６に示したように、接合層２１全体が応力緩和材２２で被覆されている状態である。応力緩和材２２が接合層２１を覆うことで、接合層２１の熱収縮を、引っ張り力で緩和する。また、半導体素子１５の少なくとも側面の一部が応力緩和材２２と接触している。これにより、半導体素子１５に発生する熱応力を緩和することができる。

半導体素子１５の材料としては、特に限定されるところではないが、一般的な材料であるシリコンや炭化ケイ素を用いることができる。この際、半導体素子１５の裏面には、接合層２１との接着強度向上や接合時の熱応力を緩和するために薄膜層を成膜することもできる。薄膜層としては、少なくともＡｌ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｇ、ＳｉＮが含まれることが望ましい。これによって、半導体素子１５の材質が変わっても接合層２１に合わせて接合することが可能となる。

基台１４の材質には、高圧や繰り返し応力にも対応できるように高耐力であること、さらに半導体素子１５との熱膨張係数差を小さくするために低熱膨張特性であることが求められる。そのため、例えば、ＳＵＳ系ではＳＵＳ６３０やＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４２０Ｊ２などが採用される。また、鉄系では鋳鉄、クロムモリブデン鋼、炭素工具鋼などを用いることができる。鉄系の材料を用いる場合には、耐食性を向上させるためにメッキなどの処理を施しても良い。メッキの種類としては特に限定されるところではないが、亜鉛ニッケル合金メッキなどが適用できる。基台１４の耐力としては、４００ＭＰa（メガパスカル）以上あることが好ましい。これ以下の場合には、基台１４に繰り返しの応力が発生することによって基台１４の信頼性が低下する。また、基台１４の熱膨張係数としては、１４０×１０^−７／℃以下であることが好ましい。これ以上の場合には、半導体素子１５との熱膨張係数差が大きくなることによって接合層２１で熱応力を緩和するのが難しくなり、信頼性が低下する。ここで、本実施形態における熱膨張係数とは、室温〜２５０℃の温度範囲での測定した値のことを指す。

接合層２１は、絶縁性、且つ低クリープ特性を有するものであれば特に限定されるところではなく、樹脂材料も用いることができるが、低クリープ特性の観点からはガラスなどの脆性材が含まれることが好ましい。絶縁性が必要な理由は、自動車等へ実装時に基台１４から半導体素子１５へかかるノイズを抑制することができるためであり、低クリープ特性が必要な理由は、物理量を測定する半導体素子１５へかかる物理量が変化しないためである。ここで、本実施形態における絶縁性とは、体積抵抗率で１０^１０Ωｃｍ以上のことを指す。

接合層２１の熱膨張係数（α_２１）は、熱応力緩和の観点から半導体素子１５の熱膨張係数（α_１５）以上、基台１４の熱膨張係数（α_１４）以下であることが望ましい。すなわち、α_１４≧α_２１≧α_１５の関係性を満たす。また、接合層が上記のように複数層になる場合には、各層の熱膨張係数を層の上から順にα_２１ａ、α_２１ｂ、α_２１ｃ・・・とすると、α_１４≧・・・α_２１ｃ≧α_２１ｂ≧α_２１ａ≧α_１５の関係を満たすことが好ましい。

応力緩和材２２は、半導体素子１５や接合層２１、基台１４と反応しないものであれば特に限定されるところではないが、樹脂材料のような延性材料を含むことが望ましい。低融点ガラスのような脆性材料のみで形成した場合には、応力緩和材２２に発生する応力によって応力緩和材２２そのものが破損する場合がある。その場合、それが接合層２１や半導体素子１５にも破損をもたらす場合があるため、信頼性の観点から樹脂材料のような延性材料を含むもので構成されることが望ましい。また、応力緩和材２２として、基板１６上の回路を保護する保護部材を援用してもよい。

また、無鉛の低融点ガラスの場合には、半導体素子１５の耐熱温度以下で接合できるガラス組成としてバナジウムを含むものが選択されるが、この場合には接合層２１の側面を応力緩和材２２で被覆した場合に絶縁性を担保できなくなる。同様の観点から、応力緩和材２２は絶縁性を有することが求められる。また、樹脂材料を含むことのメリットは、樹脂材料を含むことで接合層２１の接合温度よりも低温で形成できるため、接合層２１との反応を抑えることができるためである。すなわち、接合層の接合温度は半導体素子の耐熱温度以下である。これにより、熱応力の大きくなる接合層２１の側面や半導体素子１５の側面にも応力緩和材を形成することができ、効果的に接合層２１や半導体素子１５に発生する熱応力を緩和することができる。

応力緩和材２２の熱膨張係数（α_２２）は、基台１４の熱膨張係数（α_１４）以下であることが望ましい。より望ましくは、接合層２１の熱膨張係数（α_２１）以上である。すなわち、α_１４≧α_２２の関係性を満たすことが望ましい。より望ましくは、α_１４≧α_２２≧α_２１である。熱膨張係数を上記範囲にすることで、接合時に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。

応力緩和材２２のヤング率は、１．９ＧＰａ以上であることが望ましい。より望ましくは、３．９ＧＰａ以上である。これを満たすとき、接合時に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。

応力緩和材２２に含まれる樹脂材料は、結晶質あるいは非晶質どちらでも良く、また１種類でなく数種類組み合わせて使用することも可能である。樹脂材料としては、例えばポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリビニルエステル等が使用できる。また、ゴムとしては、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等の樹脂が使用できる。ただし、耐熱性の観点からガラス転移温度が１３０℃以上であることが好ましい。これ以下の温度では、外部温度によって樹脂劣化によるセンサ特性変化の可能性がある。

応力緩和材２２に含まれる部材としては、樹脂材料の他に熱膨張係数やヤング率を調整するためにセラミックスなどのフィラ材が含まれていても良い。フィラ材としては、例えばウォラストナイト、チタン酸カリウム、ゾノトライト、石膏繊維、アルミボレート、アラミド繊維、繊維状マグネシウム化合物、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ガラスフレーク、ポリオキシベジンゾイルウイスカなどを使用することができる。また、これらを複数組み合わせて使用することもできる。

上記の樹脂材料とフィラ材を好ましい熱膨張係数、ヤング率とするために組み合わせて使用することができる。また、上記の応力緩和材２２は、物理量測定装置を形成する際に、他の部材を接合・封止するのと共通部材とすることもできる。その場合、工程数を削減することもできるため、その観点から樹脂材料とフィラ材を選定することも可能である。

（例１−３、比較例１）
以下、例を用いて応力緩和材の種類等に基づく測定値について説明する。ただし、本発明は、ここで取り上げた例の記載に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。

図７（Ａ）に示す例１から例３は、応力緩和材の種類を材料Ａから材料Ｃとした場合の例であり、比較例は応力緩和材を用いない場合を示す。これらの例では、図５に示した接合構造において、１３０℃から−４０℃の間の温度変化を与えた場合の半導体素子１５の接合層２１ａとの接合面における発生熱応力をＣＡＥ解析したものである。例１では、熱膨張係数α（×ｐｐｍ／℃）は１０、ヤング率（ＧＰａ）は２２．８、半導体素子１５にかかる最大主応力変化率（％）は２９であった。例２では、熱膨張係数α（×ｐｐｍ／℃）は４１、ヤング率（ＧＰａ）は３．９、主応力変化率（％）は３７であった。例３では、熱膨張係数α（×ｐｐｍ／℃）は８９、ヤング率（ＧＰａ）は１．９、主応力変化率（％）は９２であった。

図８（Ａ）は、図７（Ａ）に示す例１から例３について、横軸に熱膨張係数を縦軸に主応力変化率をプロットしたグラフである。図８（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す例１から例３について、横軸にヤング率を縦軸に主応力変化率をプロットしたグラフである。

なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す例１から例３の解析において使用した、図５に示した半導体素子１５、接合層２１ａ、接合層２１ｂ、接合層２１ｃ、基台１４の物性値を示す。熱膨張係数α（×ｐｐｍ／℃）は、半導体素子１５、接合層２１ａ、接合層２１ｂ、接合層２１ｃ、基台１４の順にそれぞれ、３．０、６．０、７．２、１１．６、１１．３である。ヤング率（ＧＰａ）は、半導体素子１５、接合層２１ａ、接合層２１ｂ、接合層２１ｃ、基台１４の順にそれぞれ、１７０、５３、７３、５３、２０５である。

図７（Ａ）、図８（Ａ）、図８（Ｂ）より、図５に示すように応力緩和材２２を形成することで熱応力を低減できることが判明した。また、図７（Ｂ）、図８（Ａ）より、熱応力を効果的に低減させるためには応力緩和材２２の熱膨張係数は、基台１４の熱膨張係数以下程度になると効果が大きくなることが分かった。また、図７（Ａ）、図８（Ｂ）より、応力緩和材２２のヤング率は１．９ＧＰａ以上であるときに効果が大きくなり、より効果的なのは３．９ＧＰａ以上であった。

（例４−６、比較例２）
本例は、図５に示す接合構造の信頼性を実験にて検討したものである。
＜接合材の作製＞
接合材を作製するに当たり、接合層２１ｂにはガラス板（ＳＣＨＯＴＴ製Ｄ２６３）を用いた。このガラス板の上下に接合層２１ａ、２１ｃ形成ペーストをスクリーン印刷を用いて塗布し、１５０℃にて３０分乾燥した後、仮焼成を実施することで接合材を得た。なお、接合層２１ａには、Ｖ_２Ｏ_５−Ｐ_２Ｏ_５−ＴｅＯ_２−Ｆｅ_２Ｏ_３系ガラス（熱膨張係数α＝６．０ｐｐｍ／℃）、接合層２１ｃにはＶ_２Ｏ_５−Ｐ_２Ｏ_５−ＴｅＯ_２−ＢａＯ−Ｋ_２Ｏ系ガラス（熱膨張係数α＝１１．６ｐｐｍ／℃）を用いた。

＜接合体の試作＞
被接合材として、裏面にＴｉとＡｌのメタライズ処理をした半導体素子１５（160μｍ厚）とＳＵＳ６３０製基台１４を用いた。半導体素子１５と基台１４の間に上述のようにして作製した接合層２１を設置し、半導体素子１５の上面から荷重を付加し、加熱することで接合体を作製した。このとき、加熱条件は４００℃にて１０分間保持した。

＜応力緩和材２２の形成＞
応力緩和材２２として、例１〜例３に記載の材料Ａ、Ｂ、Ｃを用いて応力緩和材２２を１００〜１６０℃で１〜２ｈ保持することで形成した。

＜接合の信頼性評価＞
接合体の信頼性評価として、４点曲げ試験を実施した。４点曲げ試験では、接合体が破壊する際の応力を計測することで接合強度を測定した。その結果を図７（Ｃ）に示す。

図７（Ｃ）に示す例４から例６は、応力緩和材の種類を材料Ａから材料Ｃとした場合の例であり、比較例は応力緩和材を用いない場合を示す。例４では、平均接合強度は１９８、ワイブル係数ｍは５．１であった。例５では、平均接合強度は１５７、ワイブル係数ｍは６．６であった。例６では、平均接合強度は１０９、ワイブル係数ｍは４．５であった。応力緩和材を用いない比較例では、平均接合強度は１００、ワイブル係数ｍは３．０である。平均接合強度（ＭＰａ）とは接合体が破壊する際の応力の平均である。 以上の結果より、図５に示す接合構造において、応力緩和材２２を形成することで実際に接合体の接合強度が向上することが確認できた。また、接合強度のバラツキを示すワイブル係数も改善できることが判明した。

（例７、比較例３）
本例では、図４に示す接合構造の信頼性を実験した例について記載する。
接合層２１ａ形成ペーストとしては、例４−６と同様のものを使用した。接合層２１ｂの形成には、接合層２１ｂ形成ペーストを用いて形成した。接合層２１ｂ形成ペーストは、ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＢａＯ系ガラスペースト（熱膨張係数α＝７．１ｐｐｍ／℃）を用いた。接合層２１ｂの形成は、スクリーン印刷を用いて基台上に接合層２１ｂ形成ペーストを印刷後、１５０℃で３０ｍｉｎ乾燥後、８５０℃にて１０ｍｉｎ焼成することで約２０μｍの接合層２１ｂを形成した。この接合層２１ｂの上面に、例４−６で作製した接合層２１ａ形成ペーストを同様にスクリーン印刷にて塗布し、４００℃にて３０ｍｉｎ保持することで仮焼成を実施して約２０μｍの接合層２１ａを形成した。その後、この接合層２１ａの上面に例４−６と同様に半導体素子１５を設置して荷重を付加し、４００℃にて１０ｍｉｎ保持することで接合体を作製した。作製した接合体に対し、例４で使用した応力緩和材２２を同様に形成した。また、比較例３として応力緩和材２２を形成しないものも作製した。

作製した接合体に対して、例４−６と同様に４点曲げ試験を実施した。結果は、例４−６と同様に接合強度向上およびバラツキが低減できることが分かった。以上の結果より、本発明は接合層２１の構造に関わらず、接合時に発生する熱応力を緩和する効果があることが判明した。

（例８―１０、比較例４）
本例では、図１に示す圧力センサの信頼性を検討した例について記載する。なお、接合構造は例４と同様のものとした。ただし、応力緩和材２２の形態については、図７（Ｄ）に示すように、例８では、接合層の側面の一部を被覆したもの、例９では、接合層の側面全体を被覆したもの、例１０では、接合層全体と半導体素子側面全体（図６相当）としたものを作製した。また、比較例４として応力緩和材２２を形成しないものも作製した。

作製した圧力センサに対して、０〜２０ＭＰaの圧力レンジをフルスケール（Ｆ．Ｓ．）で０．５〜４．５Ｖと設定し、以下の信頼性試験を実施した。図７（Ｄ）に示す熱衝撃は、１３０℃〜−４０℃での熱衝撃試験２０００サイクルの信頼性試験である。図７（Ｄ）に示す−４０℃放置は、−４０℃での２０００時間放置試験することによってセンサ出力値のドリフト特性を評価したものである。図７（Ｄ）に示す１３０℃放置は、１３０℃での２０００時間放置試験することによってセンサ出力値のドリフト特性を評価したものである。評価結果は、試験前後で２０℃での値の出力値の変化が２％Ｆ．Ｓ．未満のものを優、２％以上３％Ｆ．Ｓ．未満のものを良、３％以上４％未満Ｆ．Ｓ．のものを可とした。ただし、割れ等により評価できなかったものが存在した場合には不可とした。その結果、図７（Ｄ）に示すように、例１０が最も優れた信頼性を示し、例９、例８も良好な信頼性を示した。

以上の結果より、応力緩和材２２を形成することで、長期的な信頼性においても向上することが確認できた。ここで、接合層の全面が被覆されている場合と一部しか接触していない場合では、接合層の全面が被覆されている場合の方が出力値変化が小さい傾向にあった。したがって、応力緩和材は接合構造全体の応力を緩和できるため、被覆面積が大きい方が望ましいことが分かった。もっとも望ましくは、半導体素子の側面も全面接触することが良好である。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）物理量測定装置１００は、半導体素子１５と、基台１４と、半導体素子１５と基台１４とを接続する接合層２１と、を有し、少なくとも接合層２１の側面の一部が応力緩和材２２と接触していることを特徴とする。これにより、物理量測定装置１００の熱応力を十分に緩和することができ、長期的に信頼性の高い装置を提供することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。

１０…金属筐体
１１…圧力ポート
１２…圧力導入部
１２ａ…圧力導入口
１２ｈａ…圧力導入部
１２ｈａｔ…先端部
１３…フランジ
１４…基台
１５…半導体素子
１６…基板
１７…コンデンサ
１８…カバー
１８ａ…閉塞板
１９…コネクタ
２０…ターミナル
２１、 ２１ａ〜２１ｃ…接合層
２２…応力緩和材
３０ａ〜３０ｃ…歪抵抗ブリッジ
３１ａ〜３１ｃ…アンプ
３２ａ〜３２ｃ…Ａ−Ｄ変換器
３３…デジタル信号演算処理回路
３４…不揮発性メモリ
３５…電圧源
１００…圧力測定装置

Claims (14)

1. 半導体素子と、基台と、前記半導体素子と前記基台とを接続する接合層と、を有する物理量測定装置において、少なくとも前記接合層側面の一部が応力緩和材と接触し、
   前記接合層は、少なくとも２層以上であり、かつ脆性材料で構成されていることを特徴とする物理量測定装置。
2. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記接合層の側面全体が前記応力緩和材で被覆されていることを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の物理量測定装置において、
   前記接合層全体が応力緩和層で被覆されていることを特徴とする物理量測定装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記半導体素子の側面にも前記応力緩和材が接触していることを特徴とする物理量測定装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記応力緩和材は、延性材料を含むことを特徴とする物理量測定装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記応力緩和材は、樹脂材料を含むこと特徴とする物理量測定装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記応力緩和材のガラス転移温度は、１３０℃以上であることを特徴とする物理量測定装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記応力緩和材のヤング率は、１．９ＧＰａ以上であることを特徴とする物理量測定装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
   前記応力緩和材の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下であることを特徴とする物理量測定装置。
10. 請求項９に記載の物理量測定装置において、
    前記応力緩和材の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下であり、かつ前記接合層の熱膨張係数以上であることを特徴とする物理量測定装置。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
    前記接合層は、３層で構成されていることを特徴とする物理量測定装置。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
    前記接合層は、少なくとも１層以上の絶縁層を有することを特徴とする物理量測定装置。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
    前記接合層の熱膨張係数は、前記基台の熱膨張係数以下と前記半導体素子の熱膨張係数以上の間の特性を有することを特徴とする物理量測定装置。
14. 請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載の物理量測定装置において、
    前記接合層の接合温度は前記半導体素子の耐熱温度以下であることを特徴とする物理量測定装置。

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