专利名称：气体传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及气体传感器及其制造方法。
背景技术：
专利文献1公开了在氧化铝衬底的1表面的四角上形成金合金焊盘，把Pt族合金丝等焊接于焊盘的方案。然而，为获得足够的焊接强度，优选的是，要用金膏等覆盖焊接部，再进行烧制。
专利文献1日本发明专利3408910发明内容本发明的课题是，提供一种不需要对焊盘的焊接部用金膏来覆盖，不论在与衬底平行的方向还是垂直的方向，都能够长期维持焊接强度的气体传感器及其制造方法。
本发明为一种气体传感器，在衬底上形成加热膜、气体感应部和焊盘，将该衬底连接至外部的引线焊接在上述焊盘上，其特征在于，将上述引线夹在金系的焊盘与金系的凸起部之间进行焊接；凸起部为上表面没有凹部的圆盘状，其直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为6≤R/r≤12，2≤H≤5。
优选的是，凸起部的直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为7.5≤R/r≤11，2≤H≤4。
特别优选的是，凸起部的直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为8≤R/r≤10，2.5≤H≤3。
还有，优选的是，上述引线沿着焊盘的上表面贯通凸起部，引线前端在该焊盘上穿通上述凸起部。
本发明又为一种气体传感器的制造方法，在衬底上形成加热膜、气体感应部和焊盘，把将该衬底连接于外部的引线焊接在上述焊盘上，其特征在于，把直径为r的引线的前端配置在金系的焊盘上，在直径为r的1.5倍以上的凸起部形成用的金系线材的前端，形成直径为r的5倍以上10倍以下的球；把该球超声波热压焊于上述凸起部，形成除了线材的残部之外上表面平坦的凸起部，同时，把上述引线夹在该凸起部与焊盘之间进行焊接。
且凸起部为圆盘状，上表面没有凹部，其直径取为R，从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度取为H，与引线的直径r之比取为6≤R/r≤12，2≤H≤5。
优选的是，取30μm≤r≤50μm，300μm≤R≤440μm，80μm≤H≤160μm，通过超声波热压焊使上述球与上述焊盘键合，且超声波热压焊时的焊接负荷为3～6N，超声波功率为3～10W，超声波的施加时间为50～200msec，衬底温度为200～350℃。
特别优选的是，取320μm≤R≤400μm，100μm≤H≤120μm，通过超声波热压焊使上述球与上述焊盘键合，且超声波热压焊时的焊接负荷取为4～5N，超声波功率取为7～8W，超声波的施加时间取为100～150msec，衬底温度取为220～300℃。
在本发明中，把引线夹在金系的凸起部与金系的焊盘之间进行焊接。并且，使该凸起部成为圆盘状，上表面没有凹部，按与引线的直径之比，具有规定的高度和规定的直径，因而，在由相同尺寸的球所得到的凸起部的范围，获得了最大焊接强度。因此，不必涂覆金膏等进行再烧制，使气体传感器的制造工序变得简单，并缩短了制造所需要的时间。由于容易向金系的焊盘焊接而凸起部作成金系的凸起部，而且由于引线适用Pt族等的高熔点引线，因而凸起部与引线的熔接很困难，主要由在凸起部/引线之间形成的合金层或摩擦力来保持引线。由于凸起部和焊盘都为金系、低熔点，因而能够简单地键合。
然而，引线的焊接强度会随时间而减小。这是由于，焊盘不是纯金的焊盘，为增加与衬底的附着力，采用了厚膜的金合金焊盘。对于合金焊盘，焊盘和凸起部界面的附着力，或者，焊盘不是1层，而是由多层组成时，在焊盘内的层间的附着力就会下降。而且除此之外，加热衬底或者使衬底温度变化等，也会使引线和凸起部的附着力等下降。于是，为了弥补由此引起的附着力的降低，就要对凸起部的尺寸加以限制。还有，如果凸起部的厚度薄的话，在与衬底垂直的方向拉伸引线时，就会产生引线弄破凸起部的上表面而剥离的现象。因此，凸起部的厚度H为引线的直径r的2倍以上，如果太厚的话，为形成金系的凸起部而要形成金系的球就会变得很困难，还有，凸起部的焊接也会变得很困难，因此，取2≤H≤5，优选的是2≤H≤4，最优选的是2.5≤H≤3。
如果凸起部的直径小的话，就会出现凸起部从焊盘上剥落，或者焊盘损坏，在焊盘的一部分附着于凸起部的状态下，凸起部与焊盘剥离的现象。这是由于虽然引线充分附着在该凸起部，但是凸起部与焊盘的附着力不足，因此，凸起部就从焊盘剥离，或者焊盘被凸起部拉扯而损坏。由于凸起部与焊盘的附着力由凸起部的底面积决定，因此凸起部优选大的直径。当然，如果凸起部的直径R增大的话，凸起部的前驱体金球的形成也就会变得很困难，焊接也会变得很困难。因此，凸起部的直径R与引线的直径r之比为6≤R/r≤12，优选的是7.5≤R/r≤11，最优选的是8≤R/r≤10。凸起部的高度及直径的效果如图11～图14所示，由与引线的直径之比来决定。
如果引线的直径r为30～50μm的话，凸起部的直径和高度，优选的是，例如300μm≤R≤440μm，80μm≤H≤160μm，为使该凸起部与焊盘充分熔接且上表面不产生凹部来进行超声波热压焊，优选的是，超声波热压焊时，焊接负荷为3～6N，超声波功率为3～10W，超声波的施加时间为50～200msec，衬底温度为200～350℃。
此处，最优选的是，凸起部的直径及高度为320μm≤R≤400μm，100μm≤H≤120μm，为使该凸起部与焊盘充分熔接且上表面不产生凹部来进行超声波热压焊，优选的是，超声波热压焊时，焊接负荷为4～5N，超声波功率为7～8W，超声波的施加时间为100～150msec，衬底温度为220～300℃。
此处，如果使引线的前端贯通凸起部、在焊盘上出现的话，就能够使引线和凸起部的接触面积为最大，从而增加凸起部与引线之间的摩擦力，增加焊接强度。
图1是实施例的气体传感器的俯视图；图2是示意地表示实施例的气体传感器中的、引线对焊盘的焊接工序的图；图3是表示实施例中的衬底及引线、焊盘、凸起部的配置的俯视图；图4是表示实施例中的焊盘和凸起部及引线的关系的局部侧视图；图5是实施例的侧视照片；图6是实施例的气传感器俯视照片；图7是实施例中所用的球的300倍电子显微镜照片；图8是比较例中所用的球的500倍电子显微镜照片；
图9是比较例的气体传感器的焊接部的250倍电子显微镜照片；图10是表示实施例中的凸起部和衬底的剖面的电子显微镜照片；图11表示在18个月期间连续加热(500℃)的引线在垂直于衬底表面的方向的剥离强度的变化的特性图样品数各8个，凸起部为280μm球(实施例)、在垂直方向重叠形成的2个150μm球以及150μm球(比较例)3种；图12表示在18个月期间连续加热(500℃)的引线在平行于衬底表面的方向的剥离强度的变化的特性图样品数各8个，凸起部为280μm球(实施例)、在垂直方向重叠形成的2个150μm球以及150μm球(比较例)3种；图13表示在18个月期间连续加热(500℃)的引线的剥离强度的变化的特性图形成凸起部所用的球的直径为，280μm，250μm(实施例)200μm，150μm(比较例)图14表示在18个月期间连续加热(500℃)的引线的剥离强度(N单位)相对于凸起部的直径和凸起部的高度的特性图。
具体实施例方式
实施例图1～图4表示实施例的气体传感器2的构造。在图中，4为基座，6为心柱—例如4个，8为传感器主体。传感器主体8上有氧化铝等绝缘性衬底10、焊盘12以及凸起部14，例如，4个引线16安装在衬底10的1表面的四角，夹在焊盘12和凸起部14之间进行安装，其另一端例如焊接于心柱6。另外，如图3、图4所示，引线的前端17贯通凸起部14，配置在焊盘12之上。
4个焊盘12之中，例如2个焊盘连接于加热膜21，其他2个焊盘连接于衬底底面未图示的气体感应部。还有，气体感应部采用例如金属氧化物半导体膜或固体电解质膜，或者其芯片等。再有，实施例中，衬底10上设有4个焊盘12，不过，例如3焊盘或5焊盘等也可以。
焊盘12为例如金和白金的合金焊盘，或者下侧为白金、上侧为金的2层焊盘等。实施例中，焊盘12为下侧10μm白金、上侧20μm金的2层焊盘，使上层和下层部分合金化。焊盘12为易于与凸起部14焊接，必须含有金，至少含有40％以上的金。
凸起部14主成分为金，也可以使其与5重量％(以下％为重量％)以下范围的铜等其它金属合金化。以金为主成分的凸起部14容易与焊盘12进行超声波热压焊。如图3、图4所示，凸起部14为圆盘状，从焊盘12的上表面到凸起部14的上表面的高度设为H，其直径设为R。凸起部14的上表面，除线材的残部19外，是平坦的，要不产生图4中点划线所示的凹部20。另外，如果产生凹部20，残部19的周围就会产生洼陷，产生凹部20是指，以凸起部14的周面为基准的深度为引线16的直径r的1/2以上。还有，残部19是由于毛细管中央的线材贯通孔深入了球，或者使毛细管上升时线材的上部被拉断而产生的。
参照图3、图4说明各部分的尺寸。衬底10为例如正方形，其1边a为例如1.5mm，焊盘12也为正方形，其1边b为例如0.5mm。还有，加热膜21为例如0.7×0.7mm，气体感应膜也为例如大体上同样的尺寸。
引线16采用例如Pt或Pt-W、Pt-Fe、Pt-Ni、Pt-Cr、Pt-ZGS(使氧化锆分散于Pt的结晶粒界的东西)，或者Au-Pd-Mo等贵金属合金丝。这些合金因为与焊盘12及凸起部14的焊接性能低，所以主要通过与凸起部14形成合金层或摩擦力而被固定。
图2表示引线16的焊接过程，引线16被从毛细管27抽出，前端进入焊盘12内，由来自毛细管26的金系线材25的球24进行超声波热压焊。实施例中采用大体上100％金的金丝25。28为放电针，29为高压电源，30为开关，通过线材25的前端和放电针28之间的放电，形成球24。可以从未图示的超声波源对毛细管26施加超声波，还设有未图示的吸盘，在焊接后使毛细管26上升，拉断线材25。这样，由于球24的上部有弱的地方，可以从该部分拉断线材25。再有，要使衬底10能够加热，从而使球24的超声波热压焊容易进行。
实施例中采用直径40μm的Pt-W丝(W为8重量％)作为引线16，采用直径约75μm的金丝作为线材25。线材25的直径为引线16的直径的例如1.5～2.5倍。并且凸起部的直径R为380μm，凸起部的高度H以110μm为代表例。另外，球24为例如直径280μm，优选的是，直径为200～400μm(与引线的直径的比为5～10倍)。球24的直径通常为线材25的直径的2～3倍，不过，在发明者的实验中，完成了直至线材25的直径的2～4倍的正球状的球。
图5、图6表示实施例的气体传感器的引线的安装状况。在这些图中，分别表示1个气体传感器的4个凸起部。图5、图6中的值X、Y、D是根据图像分析求出的，X相当于凸起部的直径，图5中的Y相当于凸起部的高度。图6中的D是由在凸起部附近引出的辅助线形成的长方形的对角线的长度。如图5所示，凸起部的上表面是平坦的，在其中央部能看见线材的残部。还有，如图6所示，凸起部为圆盘状，长轴和短轴的差为10％左右。
图7、图8表示所用的球，图7是由直径75μm的金丝作成的球，直径约280μm。图8是由直径50μm的金丝作成的球，直径约150μm。由直径75μm的线材，除了直径280μm的球以外，还作成了直径250μm的球和200μm的球。由直径50μm的线材作成直径150μm的球，对该球进行1次超声波热压焊，作成凸起部的结构，此外，在同样的地方垂直重叠2个球，进行超声波热压焊，作成2重凸起部的结构。图9表示2重凸起部的剖面。在焊盘上部，引线看上去为圆形，在凸起部的部分，样品作成的过程中所使用的树脂看上去为黑点状。还有，在凸起部的上部，线材的残部看起来局部象烟。图10表示优选实施例(凸起部高度110μm，凸起部直径380μm)中的，衬底和凸起部的电子显微镜剖面照片。凸起部的上表面呈平面，在其中央可以看到线材的残部。作为图10的标尺的横线为0.2mm。
对于气体传感器，悬吊衬底所用的引线，直径多为30～50μm，不过，随着今后衬底的小型化，也要考虑直径20μm的引线。此处，重要的是引线的直径与凸起部的高度及凸起部的直径之比。例如凸起部的高度与引线的直径之比为1.2～1.3时(对150μm球不重叠地进行超声波热压焊)，在与衬底成直角的方向拉伸引线，引线就会弄破凸起部的上表面而脱落。如果凸起部具有足够厚度，引线与凸起部牢牢固定时，支承引线的力就变为在凸起部和焊盘之间的界面上作用的力。由于该力与凸起部的底面积成比例，而引线贯通了凸起部底面，因而引线与凸起部的接触面积一定，凸起部的直径与引线的直径之比就成为问题。
除此之外，对于凸起部，其上表面平坦是很重要的。如果超声波功率太大，或者超声波的施加时间太长，或者说超声波热压焊时的负荷太大，就会产生包围线材残部的凹部。如果产生凹部，在该部分凸起部的强度就会下降，凸起部就容易损坏。除此之外，大球制造起来很难，而且超声波热压焊时也需要大负荷及高温度，或者说大的超声波功率等。如果加大负荷，衬底等就容易产生破损。还有，在实施例中在250℃进行超声波热压焊，从装置上看加热至更高的温度是很难的。
图11～图14表示实施例中的特性。图11中对在与衬底成直角的方向拉伸引线时的剥离强度(垂直剥离强度)进行了测量，1次测量使用8个气体传感器。还有，传感器连续加热至500℃并进行了老化。垂直方向和水平方向的剥离强度，如果气体传感器再经过跌落试验等还留有余量的话，实用上优选的是0.4N/引线以上。
对于采用直径280μm的球的气体传感器(凸起部高度110μm，凸起部直径380μm)，垂直剥离强度的初始值为2.2N，保持连续加热的话，该强度就会慢慢下降。另一方面，如图9所示，对于重叠2个直径为150μm的球的凸起部，可以获得大体上同等程度的垂直剥离强度，不过，强度的降低速度比采用直径280μm的球还要快。对此，如果用1个直径150μm的球形成凸起部，初始垂直剥离强度就会超过1N，不过，随着使用，强度就会下降，经过18个月，还会出现低于实用区的样品。对引线脱落进行了调查，对于只用了1个150μm的球的结构，引线弄破凸起部而从上侧脱开的情况居多。相比之下，对于采用直径为280μm的球的结构，或者用了2个直径为150μm的球的结构，混杂着有引线断开的，凸起部由于某种原因而损坏的，凸起部从焊盘脱落的，或者说焊盘的一部分附着于凸起部而从焊盘脱落的等。但是未发现引线弄破凸起部的上部而脱落的。
图12表示在与图11相同条件下，在与衬底的表面平行的方向拉伸引线时的剥离强度(水平剥离强度)。在这种情况下，采用1个直径为150μm的球的凸起部与采用2个150μm的球的凸起部的差很�。褂�12个月以上后，与采用直径280μm的球的凸起部的强度差就会变得显著。对于采用直径280μm的球的凸起部，12个月后及18个月后的破损原因，属于焊盘损伤的居多(12个月后5/8，18个月后6/8)。相比之下，对于采用直径150μm的球的，不论球是1个还是2个，凸起部损坏的，或者引线从凸起部脱落的居多，可以理解，凸起部底面积不足的话，水平剥离强度的耐久性就不足。
图13表示球的直径与水平剥离强度及垂直剥离强度。横轴以μm单位表示所用的线材的直径和球的直径，凸起部的直径及凸起部的高度为图14中由无黑标记所表示的样品的值。球的直径200μm出现在，18个月后的剥离强度具有可靠性的范围与没有可靠性的范围的分界线上。引线的直径为40μm，球的直径优选的是引线的直径的6倍以上8倍以下，更广的是引线的直径的5倍以上10倍以下。
图14表示相对于凸起部的直径R和凸起部的高度H的，经过18个月后的水平方向的强度和垂直方向的强度。为保证这些值都超过1N，凸起部的高度H必须为80μm以上，更优选的是必须为100μm以上。如果无限制地增大凸起部的高度的话，球的形成就会很困难，超声波热压焊也很困难。因此，H的值优选的是2以上5以下，更优选的是2以上4以下，最优选的是2.5以上3以下。凸起部的直径R，对于引线的直径40μm，必须至少为240μm以上，优选的是300μm以上，最优选的是320μm以上。另外，凸起部直径为440μm，凸起部高度为85μm的样品，在凸起部的上表面存在凹部，因此，垂直方向的强度就会下降。凸起部的直径R和引线的直径r之比R/r一般为6～12，优选的是7.5～11，最优选的是8以上10以下。
以下对超声波热压焊的条件进行说明，超声波功率越大，超声波的施加时间越长，负荷越大，衬底的加热温度越高，超声波热压焊自身就越容易。可是，如果这些条件过强，凸起部上有时就会产生凹部。还有，衬底温度的提高，在焊接装置的构造上是困难的。如果再增大负荷的话，就容易造成衬底的损伤等。另一方面，如果超声波功率及其施加时间、负荷、衬底温度等过低，凸起部与焊盘的附着强度就会不足，而且，容易产生凸起部的形状成为半球状、凸起部的直径不足的样品。
将引线的直径r定为30～50μm的话，凸起部的直径为例如300～440μm，更优选的是320～400μm，凸起部的高度优选的是80～160μm，更优选的是100～150μm。为了由直径280μm及250μm的球形成这样的直径及高度的凸起部，即对于凸起部的直径为300～440μm，高度为80～160μm的范围，优选的是，超声波热压焊时的焊接负荷为3～6N，超声波功率为3～10W，超声波的施加时间为50～200msec，衬底温度为200～350℃为好。还有，为了使凸起部的直径为320～400μm，其高度为100～120μm，以选定焊接负荷为4～5N，超声波功率为7～8W，其施加时间为100～150msec，衬底温度为220～300℃为好。另外，该焊接条件是用于由直径250～280μm的球作成最佳形状的凸起部的条件，是独立于引线的直径的值。
在实施例中，能够简单地制造经历长时间后在水平方向和垂直方向引线的剥离强度都高的气体传感器。
权利要求
1.一种气体传感器，在衬底上形成加热膜、气体感应部和焊盘，将该衬底连接至外部的引线焊接在所述焊盘上，其特征在于，将所述引线夹在金系的焊盘与金系的凸起部之间进行焊接；凸起部为上表面没有凹部的圆盘状，其直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为6≤R/r≤12，2≤H≤5。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，凸起部的直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为7.5≤R/r≤11，2≤H≤4。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，凸起部的直径R及从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度H，与引线的直径r之比为8≤R/r≤10，2.5≤H≤3。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体传感器，其特征在于，引线沿着焊盘的上表面贯通凸起部，引线前端在该焊盘上穿通所述凸起部。
5.一种气体传感器的制造方法，在衬底上形成加热膜、气体感应部和焊盘，把将该衬底连接至外部的引线焊接在所述焊盘上，其特征在于，把直径为r的引线的前端配置在金系的焊盘上，在直径为r的1.5倍以上的凸起部形成用的金系线材的前端，形成直径为r的5倍以上10倍以下的球；把该球超声波热压焊于所述凸起部，形成除了线材的残部之外上表面平坦的凸起部，同时，把所述引线夹在该凸起部与焊盘之间进行焊接。且凸起部为圆盘状，上表面没有凹部，其直径取为R，从焊盘的上表面到凸起部的上表面的高度取为H，与引线的直径r之比取为6≤R/r≤12，2≤H≤5。
6.根据权利要求5所述的气体传感器的制造方法，其特征在于，引线的直径r取为30μm≤r≤50μm；凸起部的直径R及凸起部的高度H取为300μm≤R≤440μm，80μm≤H≤160μm；通过超声波热压焊使所述球与所述焊盘键合，且超声波热压焊时的焊接负荷取为3～6N，超声波功率取为3～10W，超声波的施加时间取为50～200msec，衬底温度取为200～350℃。
7.根据权利要求6所述的气体传感器的制造方法，其特征在于，取320μm≤R≤400μm，100μm≤H≤120μm；通过超声波热压焊使所述球与所述焊盘键合，且超声波热压焊时的焊接负荷取为4～5N，超声波功率取为7～8W，超声波的施加时间取为100～150msec，衬底温度取为220～300℃。
全文摘要
一种气体传感器，焊接简单，并能够长期保持焊接强度。把Pt族引线配置在金合金焊盘上，对金系的凸起部进行超声波热压焊，从而把引线夹在焊盘与凸起部之间并将其固定，凸起部为圆盘状，直径为引线的直径的6～12倍，高度为2～5倍，上表面没有凹部。
文档编号G01N27/12GK1576832SQ200410063690
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年7月18日
发明者东根宏, 本田智靖, 大越时夫 申请人:费加罗技研株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
