半導体装置
【課題】 パッケージに封止される半導体素子は、使用環境によって湿度の影響を受けて、半導体素子の劣化が起こることがある。パッケージに実装することが容易で、半導体素子周囲の湿度・水分量を測定・記録できる湿度センサを得る。
【解決手段】 半導体基板２上に形成した絶縁膜７の上に、水溶性金属の薄膜８を用いた湿度センサ６を形成し、水溶性金属の薄膜８の抵抗を測定する。水溶性金属とは、電位−ｐＨ図において、電位がゼロ、ｐＨが７付近で腐食域にある金属を意味する。
【解決手段】 半導体基板２上に形成した絶縁膜７の上に、水溶性金属の薄膜８を用いた湿度センサ６を形成し、水溶性金属の薄膜８の抵抗を測定する。水溶性金属とは、電位−ｐＨ図において、電位がゼロ、ｐＨが７付近で腐食域にある金属を意味する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パッケージ内部の湿度を測定する湿度センサを備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載用ＭＭＩＣなど過酷な環境で用いられる半導体素子は、通常、気密封止できるパッケージに実装して用いられるが、パッケージ内部の残留水分や気密性の低下などにより半導体素子の不良が発生することがある。また、プラスチップ・パッケージやモールド・パッケージなど非気密パッケージに実装される半導体素子は、使用環境によって湿度の影響を受けて、半導体素子の劣化が起こることがある（たとえば、特許文献１参照）。
このため、半導体素子周囲の湿度・水分量を測定・記録する必要がある場合あるが、一般的な湿度センサはパッケージ内に挿入することが難しかった。また、挿入できたとしても、測定時点での湿度は測定できるが、それまでの湿度の履歴を記録保持することが難しく、パッケージを開封すると内部の湿度の状態が不明になった。
そこで、たとえば、特許文献２には、半導体素子の一部にＡｌ配線パターンを形成し、水分によるＡｌ（アルミニウム）の腐食を利用して水分を検出する湿度センサの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５６３６号公報 （段落０００７〜００１０。）
【０００４】
【特許文献２】特開昭６１−１６６０４５号公報 （特許請求の範囲１〜４。ｐ.２２０、下段右欄５行目〜９行目）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このようなＡｌを用いた湿度センサは、Ａｌの表面が不動態化するとそれ以上腐食が進まなくなるため、途中で湿度測定ができなくなることがあり、水分量が分からないという問題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するもので、途中でセンサとしての機能が失われることがない信頼性の高い湿度センサを備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の半導体装置においては、半導体基板上に形成した絶縁膜の上に、一対の電極パッドに接続して形成された水溶性金属の薄膜からなる湿度センサを形成し、電極パッドとリード端子を接続する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の半導体装置においては、水溶性金属の薄膜からなる湿度センサを用いるので、表面が不動態化して湿度測定ができなくなることがなく、信頼性の高い湿度センサを備えた半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１における半導体装置の内部の図である。
【図２】この発明の実施の形態１における半導体装置の斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１における水溶性金属を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態３における湿度センサの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１.
この発明を実施するための実施の形態１を、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、ＭＭＩＣなどの半導体素子を実装した半導体装置の内部を上から見た図であり、１は半導体素子、２はたとえばＧａＡｓからなる半導体基板である。半導体基板２の中央部には電子回路となるチップパターン３が形成され、周辺部にはボンディングパッド４が形成される。２１はパッケージ、２２は基板となるプレート、２４はリード端子（電極端子）であり、半導体素子１がプレート２２にハンダを用いてダイボンドされる。
ボンディングパッド４とリード２４は、ワイヤボンド５で接続され、外部と電気信号の入出力が行われる。
【００１１】
図２は、保護のためのキャップ２３を取り付けた後の半導体装置の斜視図である。プレート２２はセラミックやＣｕ、ＣｕＷなどの金属、キャップ２３は表面に金メッキが施されたＣｕ、ＣｕＷなどの金属から成り、乾燥空気や窒素雰囲気中で気密封止される。
【００１２】
半導体基板２上には、さらに湿度センサ６が形成される。この湿度センサは、半導体基板２の上に、絶縁膜７を介して形成された水溶性（腐食性）のある金属の配線パターン８を有し、配線パターン８の両端は金からなるボンディングパッド４aと４ｂに接続される。水溶性のある金属としては、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｇ（マグネシウム）、ＷＳｉ（タングステン・シリコン合金）などを用いることができる。
このような湿度センサ６は、半導体基板２の上にチップパターン３を形成する際に、通常の半導体プロセス技術を用いて、同時に形成することができる。
さらにボンディングパッド４aと４ｂは、ワイヤボンド５aと５ｂにより、リード２４aと２４ｂにより接続される。ボンディングパッド４aと４ｂの間の抵抗を、通常の抵抗計（テスタ等）を用いて測定する。
【００１３】
次に水溶性のある金属について説明する。
水環境にある金属の状態は、「電位−ｐＨ図」または「プルベー図」を用いて表すことができる。電位−ｐＨ図は、金属を水溶液中に浸し、ｐＨと金属の電位（電極電位）を変化させたとき、金属とその金属イオンや酸化物との間の熱力学的平衡関係を示した図である。図３は、非特許文献１（Ｍ．ＰＯＵＲＢＡＩＸ著、「ＡＴＬＡＳ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＬＩＢＲＩＡ ＩＮ ＡＱＵＥＯＵＳ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ」、ＰＥＲＧＡＭＯＮ ＰＲＥＳＳ、１９６６年）に示されている、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａの電位−ｐＨ図である。図の横軸はｐＨの値（酸性、中性、アルカリ性）、縦軸は溶液中の金属の電位（単位：Ｖ ｖｓ． ＳＨＥ）であり、金属のイオン化が顕著に起こる腐食域、金属のイオン化がほとんど起こらない不感域、表面に安定な酸化物や水酸化物ができる不動態域に分けることができる。
【００１４】
たとえばＡｌは、電位がゼロ、ｐＨが７付近で、不動態ができ安定であるのに対し、Ｍｏは溶液への溶解による腐食域にあり、溶解（腐食）が起こることが分かる。この発明において、水溶性（腐食性）のある金属とは、Ｍｏのように、電位−ｐＨ図において、電位がゼロ、ｐＨが７付近で、腐食域にある金属を意味する。図３では、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇが水溶性のある金属であり、発明者の知見ではＷＳｉも水溶性のある金属である。
【００１５】
以上のように水溶性（腐食性）のある金属を用いて湿度センサを構成したので、残留水分や気密性の低下などによりパッケージ内の水分量（湿気）が増加すると、配線パターンが変性して抵抗値が変化する。Ａｌのように表面が不動態化してそれ以上腐食が進まなくなることが無いので、抵抗値は、水分量に応じて変化する。従って、ボンディングパッド４aと４ｂの間の抵抗を測定すれば、非破壊でパッケージ内の水分量の変化を知ることができる。このような効果は、従来のＡｌを用いた湿度センサでは得られない。
【００１６】
この発明では、半導体基板上に形成した絶縁膜の上に、水溶性金属の薄膜を用いた湿度センサを形成し、水溶性金属の薄膜の抵抗を測定するようにしたので、湿度センサがない場合と同様にパッケージに実装することができる。
水溶性（腐食性）のある金属を用いたので、Ａｌのように表面が不動態化してそれ以上腐食が進まなくなることが無く、水分量に応じた変化を検出でき、信頼性の高い湿度センサが得られる。
電気的に常時監視することができるので、保守管理指標として用いることができる。
パッケージを開封せずに非破壊で水分の状態を知ることができるので、半導体素子が故障する前に、半導体素子を交換することができる。
半導体素子が故障し不良解析を行うためにパッケージを開封した際にも、配線パターンの状態が記録保持されるので、水分量増加が不良原因であるか否かを判別できる。
【００１７】
以上の例では、気密パッケージの例を説明したが、プラスチップ・パッケージやモールド・パッケージなど非気密パッケージに用いてもよい。半導体基板上に湿度センサがあるので、半導体素子自身が受ける水分の影響を知ることができる。
また、配線パターン８は水溶性金属の薄膜であればよい。直線状である必要は無く、抵抗値を調整するため、Ｓ字状など任意の形状にしてもよい。絶縁膜との密着性を得るため、Ｎｉなどの密着層を間に挟んだ多層構造としてもよい。
【００１８】
実施の形態２
実施の形態２では、半導体基板２の電位に対し、リード２４aにバイアス電圧を加える。バイアス電圧は、電位−ｐＨ図における金属の電位（電極電位）により調整する。より腐食の起こりやすい電位や、逆に起こりにくい電位に設定することにより、水分の影響を調整できる。
また、電位がゼロ、ｐＨが７付近で安定な金属でも、腐食域の電圧を印加することにより、湿度センサとして使用することができるようになり、金属の選択範囲（種類）を広げることができる。たとえば金のように、電位がゼロ、ｐＨが７付近で安定な金属でも、電位を２Ｖ ｖｓ． ＳＨＥとすればよい。
なお、リード２４ｂはリード２４aと短絡してもよいし、あるいは、実施例１と同様に、抵抗計を用いてリード２４aとリード２４ｂの間の抵抗を測定してもよい。この場合、筐体が接地されていない、フローティング状態にできる抵抗計を用いる必要がある。
これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
実施の形態３
実施の形態３では、図４（ａ）のように、複数の配線パターンを設置し、配線パターンの幅、長さを変える。あるいは、図４（ｂ）のように、同じ形状の配線パターンを用いて、水溶性金属の種類、または水溶性金属の厚さを変える。
これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、溶解レートを調整し、測定できる水分量の測定範囲を広げることができる。
【００２０】
実施の形態４
実施の形態４では、キャップ２３にガラスの窓を設け、目視により配線パターン８の状態を観察する。非破壊で水分の影響を知ることができ、半導体素子が故障する前に、半導体素子を交換することができ、保守管理が容易になる。
【００２１】
上記の説明では、ＭＭＩＣなどの半導体素子上に湿度センサを形成したが、独立した基板上に配線パターン８を形成すれば、独立した湿度センサを得ることができる。
【符号の説明】
【００２２】
1 半導体素子
２ 半導体基板
３ チップパターン
４、４a、４ｂ ボンディングパッド
５、５a、５ｂ ワイヤボンド
６ 湿度センサ
７ 絶縁膜
８ 配線パターン（水溶性金属の薄膜）
２１ パッケージ
２２ 基板
２３ キャップ
２４、２４a、２４ｂ リード
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パッケージ内部の湿度を測定する湿度センサを備えた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載用ＭＭＩＣなど過酷な環境で用いられる半導体素子は、通常、気密封止できるパッケージに実装して用いられるが、パッケージ内部の残留水分や気密性の低下などにより半導体素子の不良が発生することがある。また、プラスチップ・パッケージやモールド・パッケージなど非気密パッケージに実装される半導体素子は、使用環境によって湿度の影響を受けて、半導体素子の劣化が起こることがある（たとえば、特許文献１参照）。
このため、半導体素子周囲の湿度・水分量を測定・記録する必要がある場合あるが、一般的な湿度センサはパッケージ内に挿入することが難しかった。また、挿入できたとしても、測定時点での湿度は測定できるが、それまでの湿度の履歴を記録保持することが難しく、パッケージを開封すると内部の湿度の状態が不明になった。
そこで、たとえば、特許文献２には、半導体素子の一部にＡｌ配線パターンを形成し、水分によるＡｌ（アルミニウム）の腐食を利用して水分を検出する湿度センサの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５６３６号公報 （段落０００７〜００１０。）
【０００４】
【特許文献２】特開昭６１−１６６０４５号公報 （特許請求の範囲１〜４。ｐ.２２０、下段右欄５行目〜９行目）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このようなＡｌを用いた湿度センサは、Ａｌの表面が不動態化するとそれ以上腐食が進まなくなるため、途中で湿度測定ができなくなることがあり、水分量が分からないという問題があった。
【０００６】
この発明は、上述のような問題を解決するもので、途中でセンサとしての機能が失われることがない信頼性の高い湿度センサを備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の半導体装置においては、半導体基板上に形成した絶縁膜の上に、一対の電極パッドに接続して形成された水溶性金属の薄膜からなる湿度センサを形成し、電極パッドとリード端子を接続する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の半導体装置においては、水溶性金属の薄膜からなる湿度センサを用いるので、表面が不動態化して湿度測定ができなくなることがなく、信頼性の高い湿度センサを備えた半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１における半導体装置の内部の図である。
【図２】この発明の実施の形態１における半導体装置の斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１における水溶性金属を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態３における湿度センサの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１.
この発明を実施するための実施の形態１を、図１〜図３を用いて説明する。
図１は、ＭＭＩＣなどの半導体素子を実装した半導体装置の内部を上から見た図であり、１は半導体素子、２はたとえばＧａＡｓからなる半導体基板である。半導体基板２の中央部には電子回路となるチップパターン３が形成され、周辺部にはボンディングパッド４が形成される。２１はパッケージ、２２は基板となるプレート、２４はリード端子（電極端子）であり、半導体素子１がプレート２２にハンダを用いてダイボンドされる。
ボンディングパッド４とリード２４は、ワイヤボンド５で接続され、外部と電気信号の入出力が行われる。
【００１１】
図２は、保護のためのキャップ２３を取り付けた後の半導体装置の斜視図である。プレート２２はセラミックやＣｕ、ＣｕＷなどの金属、キャップ２３は表面に金メッキが施されたＣｕ、ＣｕＷなどの金属から成り、乾燥空気や窒素雰囲気中で気密封止される。
【００１２】
半導体基板２上には、さらに湿度センサ６が形成される。この湿度センサは、半導体基板２の上に、絶縁膜７を介して形成された水溶性（腐食性）のある金属の配線パターン８を有し、配線パターン８の両端は金からなるボンディングパッド４aと４ｂに接続される。水溶性のある金属としては、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｇ（マグネシウム）、ＷＳｉ（タングステン・シリコン合金）などを用いることができる。
このような湿度センサ６は、半導体基板２の上にチップパターン３を形成する際に、通常の半導体プロセス技術を用いて、同時に形成することができる。
さらにボンディングパッド４aと４ｂは、ワイヤボンド５aと５ｂにより、リード２４aと２４ｂにより接続される。ボンディングパッド４aと４ｂの間の抵抗を、通常の抵抗計（テスタ等）を用いて測定する。
【００１３】
次に水溶性のある金属について説明する。
水環境にある金属の状態は、「電位−ｐＨ図」または「プルベー図」を用いて表すことができる。電位−ｐＨ図は、金属を水溶液中に浸し、ｐＨと金属の電位（電極電位）を変化させたとき、金属とその金属イオンや酸化物との間の熱力学的平衡関係を示した図である。図３は、非特許文献１（Ｍ．ＰＯＵＲＢＡＩＸ著、「ＡＴＬＡＳ ＯＦ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＬＩＢＲＩＡ ＩＮ ＡＱＵＥＯＵＳ ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ」、ＰＥＲＧＡＭＯＮ ＰＲＥＳＳ、１９６６年）に示されている、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｔａの電位−ｐＨ図である。図の横軸はｐＨの値（酸性、中性、アルカリ性）、縦軸は溶液中の金属の電位（単位：Ｖ ｖｓ． ＳＨＥ）であり、金属のイオン化が顕著に起こる腐食域、金属のイオン化がほとんど起こらない不感域、表面に安定な酸化物や水酸化物ができる不動態域に分けることができる。
【００１４】
たとえばＡｌは、電位がゼロ、ｐＨが７付近で、不動態ができ安定であるのに対し、Ｍｏは溶液への溶解による腐食域にあり、溶解（腐食）が起こることが分かる。この発明において、水溶性（腐食性）のある金属とは、Ｍｏのように、電位−ｐＨ図において、電位がゼロ、ｐＨが７付近で、腐食域にある金属を意味する。図３では、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇが水溶性のある金属であり、発明者の知見ではＷＳｉも水溶性のある金属である。
【００１５】
以上のように水溶性（腐食性）のある金属を用いて湿度センサを構成したので、残留水分や気密性の低下などによりパッケージ内の水分量（湿気）が増加すると、配線パターンが変性して抵抗値が変化する。Ａｌのように表面が不動態化してそれ以上腐食が進まなくなることが無いので、抵抗値は、水分量に応じて変化する。従って、ボンディングパッド４aと４ｂの間の抵抗を測定すれば、非破壊でパッケージ内の水分量の変化を知ることができる。このような効果は、従来のＡｌを用いた湿度センサでは得られない。
【００１６】
この発明では、半導体基板上に形成した絶縁膜の上に、水溶性金属の薄膜を用いた湿度センサを形成し、水溶性金属の薄膜の抵抗を測定するようにしたので、湿度センサがない場合と同様にパッケージに実装することができる。
水溶性（腐食性）のある金属を用いたので、Ａｌのように表面が不動態化してそれ以上腐食が進まなくなることが無く、水分量に応じた変化を検出でき、信頼性の高い湿度センサが得られる。
電気的に常時監視することができるので、保守管理指標として用いることができる。
パッケージを開封せずに非破壊で水分の状態を知ることができるので、半導体素子が故障する前に、半導体素子を交換することができる。
半導体素子が故障し不良解析を行うためにパッケージを開封した際にも、配線パターンの状態が記録保持されるので、水分量増加が不良原因であるか否かを判別できる。
【００１７】
以上の例では、気密パッケージの例を説明したが、プラスチップ・パッケージやモールド・パッケージなど非気密パッケージに用いてもよい。半導体基板上に湿度センサがあるので、半導体素子自身が受ける水分の影響を知ることができる。
また、配線パターン８は水溶性金属の薄膜であればよい。直線状である必要は無く、抵抗値を調整するため、Ｓ字状など任意の形状にしてもよい。絶縁膜との密着性を得るため、Ｎｉなどの密着層を間に挟んだ多層構造としてもよい。
【００１８】
実施の形態２
実施の形態２では、半導体基板２の電位に対し、リード２４aにバイアス電圧を加える。バイアス電圧は、電位−ｐＨ図における金属の電位（電極電位）により調整する。より腐食の起こりやすい電位や、逆に起こりにくい電位に設定することにより、水分の影響を調整できる。
また、電位がゼロ、ｐＨが７付近で安定な金属でも、腐食域の電圧を印加することにより、湿度センサとして使用することができるようになり、金属の選択範囲（種類）を広げることができる。たとえば金のように、電位がゼロ、ｐＨが７付近で安定な金属でも、電位を２Ｖ ｖｓ． ＳＨＥとすればよい。
なお、リード２４ｂはリード２４aと短絡してもよいし、あるいは、実施例１と同様に、抵抗計を用いてリード２４aとリード２４ｂの間の抵抗を測定してもよい。この場合、筐体が接地されていない、フローティング状態にできる抵抗計を用いる必要がある。
これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
実施の形態３
実施の形態３では、図４（ａ）のように、複数の配線パターンを設置し、配線パターンの幅、長さを変える。あるいは、図４（ｂ）のように、同じ形状の配線パターンを用いて、水溶性金属の種類、または水溶性金属の厚さを変える。
これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、溶解レートを調整し、測定できる水分量の測定範囲を広げることができる。
【００２０】
実施の形態４
実施の形態４では、キャップ２３にガラスの窓を設け、目視により配線パターン８の状態を観察する。非破壊で水分の影響を知ることができ、半導体素子が故障する前に、半導体素子を交換することができ、保守管理が容易になる。
【００２１】
上記の説明では、ＭＭＩＣなどの半導体素子上に湿度センサを形成したが、独立した基板上に配線パターン８を形成すれば、独立した湿度センサを得ることができる。
【符号の説明】
【００２２】
1 半導体素子
２ 半導体基板
３ チップパターン
４、４a、４ｂ ボンディングパッド
５、５a、５ｂ ワイヤボンド
６ 湿度センサ
７ 絶縁膜
８ 配線パターン（水溶性金属の薄膜）
２１ パッケージ
２２ 基板
２３ キャップ
２４、２４a、２４ｂ リード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リード端子を有するパッケージに半導体素子が封止された半導体装置であって、
前記半導体素子が、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された一対の電極パッドと、
前記電極パッドに接続して前記絶縁膜上に形成された水溶性金属の薄膜とを備え、
前記電極パッドと前記リード端子が接続されている
半導体装置。
【請求項２】
前記水溶性金属が、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、からなる群から選択されたひとつの金属、
またはＷＳｉ合金である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記水溶性金属の薄膜に、
電位−ｐＨ図における腐食域となる電圧が印加される、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１】
リード端子を有するパッケージに半導体素子が封止された半導体装置であって、
前記半導体素子が、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の少なくとも一部に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された一対の電極パッドと、
前記電極パッドに接続して前記絶縁膜上に形成された水溶性金属の薄膜とを備え、
前記電極パッドと前記リード端子が接続されている
半導体装置。
【請求項２】
前記水溶性金属が、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｇ、からなる群から選択されたひとつの金属、
またはＷＳｉ合金である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記水溶性金属の薄膜に、
電位−ｐＨ図における腐食域となる電圧が印加される、
請求項１に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１４２２１１（Ｐ２０１１−１４２２１１Ａ）
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３５（Ｐ２０１０−２０３５）
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]