JP2003032062A - 弾性表面波装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリップチップボンディング方法によりパッ
ケージ電極に接合する表面波弾性素子において、時間や
コストを抑制して、安定した接合強度を得ることができ
る弾性表面波装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 キャビティ構造を有するパッケージの凹
部底面に電極ランドを形成し、電極ランドに対して、金
属バンプを電極上に形成した弾性表面波素子をフリップ
チップボンディング法により接合する。この際に、接合
処理中において弾性表面波素子に印加する超音波出力を
接合可能な許容範囲内で一定にし、かつ、弾性表面波素
子に印加する荷重は段階的に増加させることで、金属バ
ンプと電極ランドとを接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性表面波素子を
パッケージの電極ランドにフリップチップボンディング
法により接合する弾性表面波装置の製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子部品の小型化、低背化に伴
い、弾性表面波素子の機能面を基板の実装面に対向させ
直接実装する、フェースダウン方式あるいはフリップチ
ップ方式と呼ばれる実装方法が開発されている。

【０００３】まず、フェースダウン方式による実装を用
いた弾性表面波装置の一般的な構成を図５〜図７を用い
て説明する。

【０００４】図５は、弾性表面波素子の平面図であり、
図６は弾性表面波素子の実装された弾性表面波装置の断
面図であり、図７は弾性表面波素子のパッケージ容器１
４のバンプ電極１１を介した実装部分の拡大断面図を示
す。

【０００５】図５に示すように、弾性表面波素子１２
は、圧電基板２１と、圧電基板２１上にアルミ（Ａｌ）
を主成分とする導電性の薄膜で形成された櫛形電極２０
と、反射器電極１９と、入力電極１６と、出力電極１７
と、アース電極１８とを備えている。

【０００６】これらの電極のうち、入力電極１６、出力
電極１７、アース電極１８は、高周波電圧を供給するた
めの電極パッドも兼ねており、図６に示すように、電極
パッド１６と電極パッド１７（図示せず）、電極パッド
１８上には、それぞれバンプ電極１１が形成される。

【０００７】弾性表面波素子は、バンプ電極１１を介し
て、キャビティ構造を有するパッケージ容器１４の凹部
の内上面に形成された電極ランド（パッケージ電極）１
３に接続されている。

【０００８】圧電基板２１上に形成された各電極１６〜
２０は、基板２１上に膜厚０．１〜０．２μｍ程度のア
ルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属の薄膜を蒸着ま
たはスパッタリング法によって形成後、フォトリソグラ
フィおよびエッチングを用いて所定の形状にパターニン
グすることにより形成される。

【０００９】このように、各電極は蒸着等によって一度
に形成されるため、電極１６〜１８、すなわち電極パッ
ドの膜厚は、そのままでは櫛形電極２０の膜厚によって
決定されることになる。つまり、櫛形電極２０を０．１
〜０．２μｍ程度の膜厚とする必要がある場合、電極パ
ッド１６〜１８の厚さもそれ以上厚くすることができな
いことになってしまう。しかしながら、このように厚さ
が０．１〜０．２μｍ程度の電極パッド上に直接バンプ
電極１１を形成し、バンプ電極１１を介して弾性表面波
素子１２をパッケージ容器１４に実装すると、電極パッ
ドの強度が弱く、電極パッドが剥がれる等して、十分な
接合強度を得ることができない。

【００１０】そこで、弾性表面波素子１２は、図７に示
すように、圧電基板２１上に形成された電極パッド１６
（または、電極パッド１７，１８）上に蒸着またはスパ
ッタリングによりさらに厚さ１μｍ程度のアルミニウム
（Ａｌ）を主成分とする金属からなる中間電極２２を設
け、電極パッド１６〜１８の厚さを確保することによっ
て十分な接合強度を得ている。

【００１１】また、電極パッド１６〜１８は、アルミニ
ウム（Ａｌ）を主成分とする金属から構成されるため、
その表面は酸化されやすく、表面の酸化した電極パッド
１６〜１８上に同じＡｌからなる中間電極２２を直接設
けても、電極パッド１６〜１８と中間電極２２との十分
な接着強度が得られない。そこで、中間電極２２の底部
にチタン（Ｔｉ）またはニクロム（ＮiＣr）のようなア
ルミニウム（Ａｌ）との接着強度のよい下地電極２３を
設け、電極パッド１６〜１８と中間電極２２との十分な
接着強度を得ている。

【００１２】すなわち、電極パッド１６〜１８上に下地
電極２３としてＴｉまたはＮiＣrからなる薄い層を設
け、続いて中間電極２２となるＡｌの層を形成し、この
中間電極２２の上にバンプ電極１１を設け、パッケージ
電極１３とバンプ電極１１とが対向する位置に弾性表面
波素子を配置し、超音波や熱を加えながら押圧してパッ
ケージ１４上に実装することが行なわれている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の弾性表面波素子の製造方法には、次のような
問題があった。

【００１４】すなわち、弾性表面波素子１２をパッケー
ジ容器１４の凹部内面に形成されたパッケージ電極１３
にバンプ電極１１を介して対向させ、超音波や熱を加え
ながら押圧することで、フリップチップボンディングに
よりバンプの接合を行なう場合、この接合に必要とされ
る荷重は、たとえば、約０．９８Ｎ／バンプとなる。し
かしながら、その荷重を印加したことにより、バンプの
初期変形量が大きく、バンプの変形中央部の接合性が低
下するという問題がある。

【００１５】このようなバンプ接合を行なう際に、荷重
の初期変形量に伴うバンプの接合不良を抑制する方法と
して、特開平１１−１０２９３３号公報には、印加する
荷重と、超音波出力とをどちらも多段階的に大きくしな
がら複数段のボンディングを行なう接合方法が開示され
ている。

【００１６】しかしながら、このように荷重および超音
波出力の双方を変化させながら、バンプの初期変形量を
抑制して、バンプの接合性を向上させようとすると、さ
らに以下のような問題が生じる。

【００１７】すなわち、バンプの接合を行なう際に、弾
性表面波素子１２を吸着し、超音波振動を素子１２に伝
達させるための接合用ツールは、超音波振動子の特性等
によってその振幅状態が異なる。このため、接合用ツー
ルごとにボンディング条件も異なることになる。したが
って、上述したような従来の技術では、荷重値および超
音波出力の最適な値を接合用ツールごとに導き出して、
バンプ接合を行なうためには、多大な条件出しのための
時間を要するという問題がある。

【００１８】さらに、超音波出力をボンディング途中で
変化させた場合には、超音波発振の不安定な領域の影響
で異常発振やバンプ部の基板クラックが発生するという
問題があった。

【００１９】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたものであって、その目的は、フリップチ
ップボンディング方法によりパッケージ電極に接合する
表面波弾性素子において、時間やコストを抑制して、安
定した接合強度を得ることができ、かつ信頼性の高い弾
性表面波装置を実現することが可能な弾性表面波装置の
製造方法を提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本願発明に係る弾性表面波装置の製造方法は、キ
ャビティ構造を有するパッケージの凹部底面に電極ラン
ドを形成し、電極ランドに対して、金属バンプを電極上
に形成した弾性表面波素子をフリップチップボンディン
グ法により接合する弾性表面波装置の製造方法であっ
て、接合処理中において弾性表面波素子に印加する超音
波出力を接合可能な許容範囲内で一定にし、かつ、弾性
表面波素子に印加する荷重は段階的に増加させること
で、金属バンプと電極ランドとを接合する。

【００２１】好ましくは、段階的に増加させる荷重のう
ち、１段目での荷重印加期間は、弾性表面波素子に超音
波を印加しない第１の期間と、第１の期間の後に１段目
での荷重と超音波の双方を弾性表面波素子に印加する第
２の期間とを含む。

【００２２】さらに好ましくは、段階的に増加させる荷
重のうち、１段目の荷重は、４９０ｍＮ／バンプ以下と
なるように設定され、２段目の荷重は、１段目の荷重よ
りも大きな荷重となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図に従って、本発明に係る
表面波デバイスの製造方法について説明する。

【００２４】図５および図６において示したとおり、本
発明に係る弾性表面波装置では、弾性表面波素子１２の
電極パッド１６〜１８とパッケージ容器の凹部内上面の
電極ランド（パッケージ電極）１３とが金バンプ等でバ
ンプ接合されて、弾性表面波素子１２がパッケージ１４
に支持固定されるとともに電気的に接続されている。

【００２５】また、弾性表面波素子１２を覆うようにキ
ャップ部材７がパッケージに高融点はんだからなるロウ
材により接合されて、弾性表面波素子がパッケージとキ
ャップ部材とで形成されたキャビティ内（空間内）に気
密封止されている。

【００２６】また、図６に示したとおり、弾性表面波素
子１２の表面波伝搬面とパッケージとの間には、表面波
を効率よく伝搬するためにギャップが設けられている。

【００２７】弾性表面波素子１２は、圧電基板２１を備
え、圧電基板２１の表面には、ＩＤＴ（Inter Digital
Transducer）電極２０と、反射器電極１９と、各ＩＤＴ
電極２０から引出された引出電極およびこの引出電極に
接続した電極パッド１６〜１８からなる電極パターンと
が形成されている。

【００２８】電極パターンは、アルミニウムやアルミニ
ウムを主成分とする合金からなり、周知の薄膜形成法、
たとえば、蒸着法またはスパッタリング法等により形成
されている。圧電基板２１としては、タンタル酸リチウ
ム、ニオブ酸リチウム、水晶等の圧電性の材料が用いら
れる。

【００２９】パッケージ１４は、複数のセラミックを積
層することにより凹部形状に形成され、下面、凹部の内
面および内部に複数の電極ランドを含む入出力用、アー
ス用の電極パターンが形成されている。キャップ部材７
は、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ等を含む合金からなる金属板
であり、必要に応じてめっき処理される。

【００３０】次に、このような本発明に係る弾性表面波
装置の製造方法について説明する。図１は、弾性表面波
装置の製造方法を示すフローチャートである。

【００３１】まず、弾性表面波素子１２の各電極パッド
１６〜１８上に、金（Ａｕ）またはＡｕを主成分とした
金属バンプ１１をボールボンディング法により形成する
（ステップＳ１００）。

【００３２】次に、弾性表面波素子１２をフリップチッ
プ方式、すなわち、ＩＤＴ電極等が形成された表面波伝
搬面をパッケージ１４に対向させるために、接合用ツー
ルにより弾性表面波素子１２のチップ裏面を吸着する
（ステップＳ１０２）。

【００３３】つづいて、弾性表面波素子１２に、超音
波、荷重、熱を印加することにより、各電極パッド１６
〜１８とこれに対応するパッケージ１４の各電極ランド
１３とを金属バンプ１１で接合して、弾性表面波素子１
２をパッケージ１４に接続・固定する工程に移行する。

【００３４】すなわち、まず、第１段目の荷重を印加し
て押圧した後、荷重値が安定するまでは、所定時間の
間、超音波を印加せず荷重のみをチップに印加する（ス
テップＳ１０４）。

【００３５】続いて、第１段目の荷重を一定値に保持し
て一定値レベルの超音波を弾性表面波素子１２に所定時
間印加した後（ステップＳ１０６）、超音波レベルは維
持したまま、さらに、所定期間の間、第１段目の荷重よ
りも大きな２段目の荷重を印加する（ステップＳ１０
８）。

【００３６】ここで、超音波の出力値の許容できる範囲
としては、０．１２５Ｗ／バンプ〜０．３Ｗ／バンプで
あり、より望ましくは、超音波の出力値としては、たと
えば０．１５Ｗ／バンプとすることができる。さらに、
第１段目の荷重としては、４０８ｍＮ／バンプとし、２
段目の荷重としては９８０ｍＮ／バンプとすることがで
きる。

【００３７】図２は、このような第１段目の荷重および
第２段目の荷重ならびに超音波を印加する際の荷重量と
超音波出力の時間変化を示す図である。

【００３８】図２に示すとおり、まず、第１ステップに
おいて、第１段目の荷重が印加されてから、時間ｔｄの
間は、弾性表面波素子１２には、超音波と荷重のうち、
荷重のみが印加されている。とくに限定されないが、た
とえば、この時間ｔｄは、０．０５ｓｅｃとすることが
できる。

【００３９】この時間ｔｄの経過後に、第１段目の荷重
が弾性表面波素子１２に印加される。最初に第１の荷重
が印加されてから、時間ｔ１だけ経過した時点で、超音
波の出力レベルは維持したまま、荷重値のレベルが第１
段目の荷重からそれよりも大きな第２段の荷重に増加さ
れ、さらに、時間ｔ２の間、この第２段の荷重値が維持
される。とくに限定されないが、たとえば、この時間ｔ
１は０．２５ｓｅｃとし、この時間ｔ２は０．２０ｓｅ
ｃとすることができる。

【００４０】図３は、バンプシェア強度が所定値よりも
小さいもの、たとえばバンプシェア強度が７８４ｍＮ未
満であるものの１段目の荷重条件に対する発生率を示す
グラフである。

【００４１】図３に示したデータでは、２段目の荷重条
件は９８０ｍＮ／バンプに固定している。

【００４２】１段目の荷重が４９０ｍＮ／バンプ以下で
あれば、バンプシェア強度が小さいものを発生しておら
ず、逆に、それ以上に荷重を大きくしていくとバンプシ
ェア強度が小さいもの、すなわち接合状態の悪いものが
多くなっていく傾向にあることがわかる。

【００４３】これは、１段目の荷重のみの段階でバンプ
が潰れる（初期変形が大きい）ため、変形中央部の接合
性が悪いためと考えられる。

【００４４】このように、第１段目の荷重を小さくし
て、バンプの初期変形量を抑制し、２段目の荷重は１段
目より大きく、バンプの超音波、荷重印加による変形量
を徐々に大きくして、有効な接合を形成することが可能
となる。

【００４５】言いかえると、接合部の応力分布は、一般
にはバンプの外周部に集中し、荷重と超音波振動による
塑性変形で拡大し接合していく過程では、変形中央部の
接合性が低下する傾向があると考えられる。本発明に示
した方法では、荷重のみによるバンプの初期変形量を抑
制し、超音波印加による変形量を大きくすることで、接
合性を向上させることが可能となる。

【００４６】さらに、図２において説明したような荷重
および超音波出力の時間変化に従って、弾性表面波素子
１２をバンプ接合させた場合には、以下のような効果も
存在する。

【００４７】すなわち、以上説明した弾性表面波装置に
おいては、弾性表面波素子１２の各電極パッド１６〜１
８上に金（Ａｕ）またはＡｕを主成分とした金属バンプ
をボールボンディング法により形成した上で、フリップ
チップ方式により、ＩＤＴ電極等が形成された表面波伝
搬面をパッケージ１４に対向させて、超音波と熱を同時
に印加することにより、各電極パッド１６〜１８とこれ
に対応するパッケージ１４の各電極ランド１３とを金属
バンプ１１で接合させている。

【００４８】図４は、このようなフリップチップ方式で
の接合を行なう際の接合用ツール３０が、弾性表面波素
子１２のチップを吸着して、パッケージ容器１４にボン
ディングを行なっている際の断面を示す概念図である。

【００４９】このとき、弾性表面波素子１２のチップを
支持して、超音波等を伝達するための接合用ツール３０
は、超音波振動子４０に直結され、かつ、真空ポンプに
より吸引される吸着口３２を備える。弾性表面波素子１
２のチップと接合用ツール３０との接着面は平坦形状を
有しており、この吸着口３２により、接合用ツール３０
は、チップを真空吸着により保持する。

【００５０】このような接合用ツール３０は、超音波振
動子４０の特性によって振幅状態が異なるため、接合用
ツール３０ごとにボンディング条件が異なることにな
る。

【００５１】上述したような本発明においては、１段目
の荷重、２段目の荷重はその印加期間内においては一定
値とされており、超音波出力のみを１段目および２段目
で共通に変化させて接合可能な条件を求めることができ
る。

【００５２】これに対して、従来技術においては、荷重
と超音波出力との比を最適化する必要があり、条件設定
が複雑で多大な時間を費やすという問題があった。

【００５３】本発明では、さらに、超音波出力をボンデ
ィング途中で変化させないため、超音波発振が安定し、
異常発振やバンプ部の基板クラックの発生を抑制するこ
とができる。

【００５４】つまり、荷重条件を最適化してあること
で、ツールごとに異なる振動子の特性に対し、超音波出
力条件のみの最適値を求めるだけで、接合用ツールごと
の最適な接合を行なうことが可能となる。また、超音波
出力は、１段目、２段目ともに同一のレベルに設定して
あるので、条件設定を簡素化し、超音波発振の安定を得
ることができる。

【００５５】つまり、ツールごとの条件設定にかかる時
間を短縮でき、また超音波発振が安定し、異常発振やバ
ンプの基板クラックの発生を抑制することが可能とな
る。

【００５６】なお、以上の説明では、超音波出力を一定
としたまま、荷重を２段階に増加させるものとした。し
かしながら、本発明は、このような場合に限定されるこ
となく、超音波出力を一定としたまま、荷重をより多く
の段階にわたって増加させることも可能である。この場
合は、超音波および荷重印加によるバンプの変形量を徐
々に大きくすることで、より緻密な接合を形成すること
が可能となる。

【００５７】今回開示された実施の形態はすべての点で
例示であって制限的なものではないと考えられるべきで
ある。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求
の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味お
よび範囲内でのすべての変更が含まれることが意図され
る。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明では、荷重のみに
よるバンプの初期変形量を抑制し、超音波印加による変
形量を大きくすることで接合性を向上させることが可能
となる。さらに、接合用ツールごとの条件設定にかかる
時間を短縮し、超音波発振を安定化させて、異常発振や
バンプの基板クラックの発生を抑制することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 弾性表面波装置の製造方法を示すフローチャ
ートである。

【図２】 第１段目の荷重および第２段目の荷重ならび
に超音波を印加する際の荷重量と超音波出力の時間変化
を示す図である。

【図３】 バンプシェア強度が所定値よりも小さいもの
の、１段目の荷重条件に対する発生率を示すグラフであ
る。

【図４】 接合用ツール３０が弾性表面波素子１２のチ
ップを吸着して、パッケージ容器１４にボンディングを
行なっている際の断面を示す概念図である。

【図５】 弾性表面波素子の平面図である。

【図６】 弾性表面波素子の実装された弾性表面波装置
の断面図である。

【図７】 弾性表面波素子のパッケージ容器１４のバン
プ電極１１を介した実装部分の拡大断面図である。

【符号の説明】

１１ バンプ電極、１２ 弾性表面波素子、１３ 電極
ランド（パッケージ電極）、１４ パッケージ容器、１
６ 入力電極パッド、１７ 出力電極パッド、１８ ア
ース電極パッド、１９ 反射器電極、２０ 櫛形電極
（ＩＤＴ電極）、２１ 圧電基板、２２ 中間電極、３
０ 接合用ツール、３２ 吸着口、４０超音波振動子。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F044 KK01 LL00 PP15 5J097 AA24 AA34 DD25 HA02 HA04 HA09 JJ09 KK10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャビティ構造を有するパッケージの凹
   部底面に電極ランドを形成し、前記電極ランドに対し
   て、金属バンプを電極上に形成した弾性表面波素子をフ
   リップチップボンディング法により接合する弾性表面波
   装置の製造方法であって、接合処理中において前記弾性
   表面波素子に印加する超音波出力を接合可能な許容範囲
   内で一定にし、かつ、前記弾性表面波素子に印加する荷
   重は段階的に増加させることで、前記金属バンプと前記
   電極ランドとを接合することを特徴とする、弾性表面波
   装置の製造方法。
2. 【請求項２】 段階的に増加させる前記荷重のうち、１
   段目での荷重印加期間は、 前記弾性表面波素子に前記超音波を印加しない第１の期
   間と、 前記第１の期間の後に前記１段目での荷重と前記超音波
   の双方を前記弾性表面波素子に印加する第２の期間とを
   含む、請求項１記載の弾性表面波装置の製造方法。
3. 【請求項３】 段階的に増加させる前記荷重のうち、前
   記１段目の荷重は、４９０ｍＮ／バンプ以下となるよう
   に設定され、２段目の荷重は、１段目の荷重よりも大き
   な荷重となることを特徴とする、請求項１または２記載
   の弾性表面波装置の製造方法。