JP2007013017A - 電子デバイス装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接合荷重を低減して接合部および基板の破損を防止でき、デバイス機能部の動作信頼性の向上をも図ることができる電子デバイス装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の電子デバイス装置２０は、デバイス機能部Ｐが形成された第１基板２１と、デバイス機能部Ｐを封止する中空部３０を形成するためのシール用バンプ２３および電気的接続のための導通用バンプ２４がそれぞれ形成された第２基板２２とが接合されることで製造され、第１基板２１と第２基板２２との接合が、シール用バンプ２３を加熱溶融させる工程と、導通用バンプ２４を第１基板２１上に熱圧着させる工程とを有する。この構成により、接合荷重は主として導通用バンプ２４の熱圧着接合に要する荷重だけで足りるのでトータル荷重が大幅に低減され、接合部の破損を防止できる。また、接合部のシール性が高められるのでデバイス機能部の動作信頼性を高めることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、デバイス機能部が形成された第１基板と、デバイス機能部を封止する中空部を形成するためのシール用バンプおよび電気的接続のための導通用バンプがそれぞれ形成された第２基板とを互いに接合してなる電子デバイス装置、およびその製造方法に関する。

近年、各種のスイッチ類（光スイッチ、マイクロスイッチ等）やセンサ類（加速度センサ、圧力センサ等）などに、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）と呼ばれるデバイス機能部を備えた電子デバイス装置が知られている。また、電波を利用して通信を行う電子デバイス用の周波数フィルタ、遅延線、発振器等のデバイス機能部に、弾性表面波素子を用いたものがある。これらＭＥＭＳおよび弾性表面波素子等のデバイス機能部は、水分の吸収等により性能が大きく劣化するため、周囲がハーメチックシールされた中空部に設けられている（例えば下記特許文献１参照）。

この種の電子デバイス装置は、例えば図１０Ａ，Ｂに示すように、ＭＥＭＳ、弾性表面波素子などのデバイス機能部Ｐが一方の面に形成された第１基板１１と、デバイス機能部Ｐを封止する中空部を形成するためのシール用バンプ１３および電気的接続のための導通用バンプ１４が形成された第２基板１２との実装体で構成したものがある。

第１基板１１および第２基板１２は半導体チップ等で構成でき、デバイス機能部Ｐは半導体製造プロセスで第１基板１１上に形成されている。デバイス機能部Ｐの周囲には、第２基板１２のシール用バンプ１３と接合されるシール面１５と、第２基板１２の導通用バンプ１４と接合されるランド１６が、それぞれ形成されている。シール用バンプ１３はデバイス機能部Ｐを取り囲むように複数形成されており、シール面１５との接合時に隣接するバンプ同士が結合して環状に連なるようになっている。

特開２００５−９３６４５号公報

しかしながら、従来の電子デバイス装置においては、シール用バンプ１３とシール面１５との間、および導通用バンプ１４とランド１６との間は、それぞれ熱圧着金属（例えば金−金）で行われている。したがって、バンプ数および基板面積の大きさに応じて熱圧着に要する荷重が大きくなり、例えば基板が４インチウェーハの場合には、トータル荷重で２００ｋｇｆ以上が必要で、一般的なマウント装置では処理が難しく、また、シール部の信頼性も高くないという欠点がある。

また、一般に金属バンプの高さを完全に一定化することは難しく、高さのバラツキが存在する。従って、図１１Ａ，Ｂに示すように、例えば導通用バンプ１４がシール用バンプ１３よりも高い場合、第１，第２基板１１，１２の接合時に導通用バンプ１４が先にランド１６へ接触することになる。このとき、導通用バンプ１４に過大な荷重が加わることになり、バンプ１４やランド１６が損壊するおそれがある。また、ランド１６の下方にも中空部Ｐａが存在する場合には、第１基板１１にクラックＣが発生し破損しやすくなる。

さらに、図１２に示すように、シール部に樹脂１７を用いる構造のものもある。しかしながら、樹脂１７の硬化時に発生するガスが機能デバイス部Ｐを収容する中空部に残留したり、中空部が真空仕様の部品においては大気中の水分が矢印Ａで示すように滲入してしまうことがあり、部品の信頼性を損ねたり電気的特性変化をもたらす場合が多かった。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、接合荷重を低減して接合部および基板の破損を防止でき、さらに、デバイス機能部の動作信頼性を向上させることができる電子デバイス装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の電子デバイス装置は、デバイス機能部が形成された第１基板と、デバイス機能部を封止する中空部を形成するためのシール用バンプおよび電気的接続のための導通用バンプがそれぞれ形成された第２基板とを互いに接合してなる電子デバイス装置であって、シール用バンプは、第１基板に対して溶融接合されており、導通用バンプは、第１基板に熱圧着接合されている。

また、本発明の電子デバイス装置の製造方法は、デバイス機能部が形成された第１基板の上に、デバイス機能部を封止する中空部を形成するためのシール用バンプおよび電気的接続のための導通用バンプがそれぞれ形成された第２基板が接合されてなる電子デバイス装置の製造方法であって、第１基板と第２基板との接合が、シール用バンプを加熱溶融させる工程と、導通用バンプを第１基板上に熱圧着させる工程とを有する。

本発明では、シール用バンプを加熱溶融させることでシール部の接合を行うようにしている。したがって、接合荷重は主として導通用バンプの熱圧着接合に要する荷重だけで足りるのでトータル荷重が大幅に低減され、一般的なマウント装置が使用できるとともに、バンプと基板の接合部の破損を防止できる。また、接合部のシール性が高められるのでデバイス機能部の動作信頼性を高めることができる。

第１，第２基板は半導体基板で構成することができる。すなわち、本発明に係る電子デバイス装置は、いわゆるＳｉＰ（シリコン・イン・パッケージ）構造の半導体装置で構成することができる。第１，第２基板の接合はチップレベルで行われてもよいが、ウェーハレベルで接合した後、個片化されてもよい。特に本発明によれば、接合荷重の大幅な低減が図れるので、ウェーハレベルでの一括接合を容易に実現できるようになる。なお、第１，第２基板は半導体基板に限らず、ガラス基板や有機基板等で構成されてもよい。

デバイス機能部は、ＭＥＭＳ構造のセンサ類、弾性表面波素子等の各種デバイスが適用される。デバイス機能部が収容される中空部の高さは、第１，第２基板間のギャップ長で設定することができる。このギャップを高精度に形成するために、本発明は第１基板上にギャップ調整用の突起を形成している。この突起は、接合時に第２基板に接触しギャップ長を確保する。なお、この突起上に、導通用バンプと熱圧着接合される配線層を形成してもよい。

シール用バンプと導通用バンプとは異種材料で構成される。特に、シール用バンプは導通用バンプよりも融点が低い材料で構成される。具体的に、シール用バンプはＡｕ−Ｓｎ合金等で形成され、導通用バンプはめっき法等で形成された金バンプとすることができる。第１，第２基板の接合は、シール用バンプを加熱溶融させる工程と、導通用バンプを第１基板上に熱圧着させる工程とを経て行われる。デバイス機能部が収容される中空部は、シール用バンプによるメタルシール効果で密閉されるので、デバイス機能部の動作信頼性が向上する。

以上述べたように、本発明によれば、第１，第２基板との接合を低荷重で行うことが可能となるので、接合部の破損を防止することができる。また、デバイス機能部が収容される中空部の密閉性が高められるので、デバイス機能部の動作信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施の形態による電子デバイス装置２０およびその製造方法を説明する工程断面図である。ここで、Ａは第１基板２１の概略断面図、Ｂは第１基板２１とこの上に実装される第２基板２２の概略断面図、Ｃは第１基板２１と第２基板２２との接合体である電子デバイス装置２０の概略断面図である。

第１基板２１および第２基板２２はそれぞれ半導体基板（シリコン基板）で形成されている。特に、第１基板２１は、その上面にデバイス機能部Ｐが形成されている。デバイス機能部Ｐは、ＭＥＭＳ構造のスイッチ類（光スイッチ、マイクロスイッチ等）やセンサ類（加速度センサ、圧力センサ）、あるいは周波数フィルタ等を構成する弾性表面波素子などが該当し、その動作空間を形成する中空部３０が第１，第２基板２１，２２の間に画成されている。

第１基板２１の上面には更に、第２基板２２に形成されたシール用バンプ２３および導通用バンプ２４に接合されるシール面２５およびランド２６がそれぞれ形成されている。ランド２６は、第１基板２１の上層内部に形成された配線層２８を介して、外周側の外部接続用端子２７に連絡している。

また、第１基板２１の上面には、第２基板２２との接合時、第２基板２２の実装面に当接するポスト（突起）２９が所定位置に複数立設されている。これらのポスト２９は、第２基板２２と接触することで、第１基板２１と第２基板２２との間のギャップ長を規定する。なお、ポスト２９の形成は基板上面のウェットエッチングあるいはドライエッチングが適用され、シール面２５やランド２６、外部接続用端子２７は、いわゆるリフト法等によって形成することができる。

一方、第２基板２２は、その第１基板２１と対向する実装面に、シール用バンプ２３および導通用バンプ２４をそれぞれ備えている。本実施の形態において、シール用バンプ２３は、導通用バンプ２４の外周側に配置されている。

図２は第２基板２２の実装面を模式的に示している。シール用バンプ２３は、第２基板２２の実装面の周囲に沿って形成された環状のバンプ支持層３１の上に密に複数並置されている。また、導通用バンプ２４は、第２基板２２の実装面に形成された所定パターンの配線形成層３２の上に、めっき法で形成された金バンプで構成されている。

なお、バンプ支持層３１および配線形成層３２は、同一工程で同時に形成される配線層としてそれぞれ構成することができる。この配線層は、チタン、銅、ニッケルおよび金の各めっき層の積層構造とされている。このうち、配線形成層３２にのみ電気回路の一部として機能させている。

シール用バンプ２３は、導通用バンプ２４よりも融点が低い金属、例えばＡｕ（金）−Ｓｎ（錫）合金で形成されている。このシール用バンプ２３は、第１基板２１との接合時に加熱溶融されることで、隣接するシール用バンプ２３どうしが連結し環状に連なってシール面２５に濡れ広がる。そして、固化後、シール用バンプ２３による溶融接合部を形成し、中空部３０を気密に封止する。

図３は第１，第２基板２１，２２の接合工程を説明する要部の拡大図である。第２基板２２に対して、シール用バンプ２３は導通用バンプ２４よりも高く形成されている。従って、シール面２５およびランド２６が第１基板２１の同一平面上に形成されている本実施の形態では、第１，第２基板２１，２２の接合時、シール用バンプ２３が導通用バンプ２４よりも先に、第１基板２１上のシール面２５に接触する（図３Ａ）。なお、シール用バンプ２３は、シール面２５との溶融接合時、その接合部がシール面２５（バンプ支持層３１）の形成幅内に収まる大きさとされている。

また、導通用バンプ２４の形成高さは、第１基板２１上のポスト２９の形成高さよりも大きく、接合時、ポスト２９が第２基板２２へ接触する前に、導通用バンプ２４がランド２６へ接触する。そして、導通用バンプ２４は熱圧着法によりランド２６上に接合され、このときの導通用バンプ２４の潰れ量がポスト２９と第２基板２２との接触により規制される（図３Ｂ）。

具体的に、第１，第２基板２１，２２の接合部の形成例を図４Ａ，Ｂに示す（なお、図は模式的に示しており、図の大小関係と下記の寸法関係とは一致していない）。例えば、第１，第２基板２１，２２がそれぞれ４インチウェーハで形成されている場合、シール用バンプ２３の高さａは２０μｍ、バンプ２３の基部の形成幅ｂは５０μｍ、バンプ支持層３１の形成幅ｃは２００μｍ、導通用バンプ２４の高さｄは３．０μｍ、バンプ２４の形成幅ｅは６．０μｍ、配線形成層３２の形成厚ｆは０．５μｍ、シール面２５（ランド２６）の形成厚ｇは０．５μｍ、ポスト２９の高さｈは３．５μｍである。そして、接合後のシール用バンプ２３および導通用バンプ２４の高さｉは２．５μｍ、第１，第２基板２１，２２間のギャップ長ｊは３．０μｍである。

図５は、シール用バンプ２３の形成工程を説明する工程断面図である。上述したようにシール用バンプ２３と導通用バンプ２４とは異なる材料で形成されているため、互いに別工程で作製される。導通用バンプ（金バンプ）２４はめっきプロセスで作製されるが、シール用バンプ（Ａｕ−Ｓｎバンプ）は以下の転写法によって作製される。

まず、シール用バンプ２３を第２基板２２の実装面へ転写形成するための転写板（テンプレート）３５を用意する。この転写板３５の上面には、シール用バンプ２３を構成するバンプ材料（Ａｕ−Ｓｎ、より具体的に８０Ａｕ−２０Ｓｎ合金）２３Ａが充填される凹所３６が環状に連なって複数形成されている。また、導通用バンプ２４の逃げ孔３７が所定位置に形成されている（図５Ａ）。

次に、バンプ材料２３Ａを凹所３６に選択的に充填する（図５Ｂ）。凹所３６へのバンプ材料２３Ａの充填方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷法や真空充填法などが用いられる。続いて、転写板３５の上面と第２基板２２の実装面とを重ね合わせ、第２基板２２および転写板３５を加熱し、凹所３６内に充填されたバンプ材料２３Ａを第２基板２２の実装面に転写する（図５Ｃ，Ｄ）。

以上のようにして、第２基板２２のバンプ支持層３１に所定形状のシール用バンプ２３が形成される。なお、転写板３５は、第２基板２２と熱膨張係数が合致するシリコン基板で形成することにより、第２基板２２に対するシール用バンプ２３の転写位置の位置ズレを防ぐことができる。

また、図６Ａに示すように凹所３６に充填されたバンプ材料２３Ａの上面は転写板３５の上面と同一面であるため、転写の際、第２基板２２との密着が図れない場合がある。そこで、図６Ｂ，Ｃに示すように、凹所３５においてバンプ材料２３Ａを一度溶融し、表面張力を利用して転写板３５上面からｔだけ突出させる。そして、上端を平坦化加工して転写板３５上面に対してｔ１だけ突出させる。これにより、第２基板２２との密着性が高められるので、第２基板２２上にバンプ材料２３Ａを安定して転写することができる。さらに、所定形状および大きさのシール用バンプ２３を安定して基板２２へ形成できるようになる。

次に、以上のように構成される本実施の形態の電子デバイス装置２０の製造方法、特に第１基板２１と第２基板２２の接合方法の一例について説明する。

本実施の形態では、第１基板２１と第２基板２２とは、図示しない真空装置の内部において、図７に示すように互いに同一サイズ（例えば４インチウェーハ）のウェーハレベルで接合される。第２基板２２はマウンタＭ（図では一部のみ示す）に保持された状態で、第１基板２１に対して対向配置される（図１Ｂ）。この状態で真空装置内が真空排気される。

次に、真空装置内を１５０℃に昇温した後、荷重１ｋｇｆで第２基板２２を第１基板２１上に接触させる。このとき、図３Ａおよび図４に示したように、第２基板２２のシール用バンプ２３が導通用バンプ２４よりも高く形成されているので、シール用バンプ２３がまず第１基板２１上のシール面２５に接触する。その後、真空装置内を３３０℃に昇温することでシール用バンプ２３を溶融させる。第２基板２２にはマウンタＭにより荷重が加えられているので、シール用バンプ２３の溶融に伴って第２基板２２が更に第１基板２１へ接近することで、導通用バンプ２４がランド２６に接触する。

導通用バンプ２４がランド２６へ接触した後、温度をさらに４００℃にまで上昇させるとともに、荷重を１０ｋｇｆにまで高める。この状態を１．５時間保持することで、導通用バンプ２４をランド２６に熱圧着させる。この処理で導通用バンプ２４は押し潰されることになるが、第１基板２１に形成されたポスト２９が第２基板２２と接触することで導通用バンプ２４の潰れ量が制限されるとともに、第１基板２１と第２基板２２間のギャップ長が規定される（図４Ｂ参照）。

続いて、真空装置内部を１００℃にまで温度を下げ、一定時間保持することで、シール用バンプ２３および導通用バンプ２４を冷却する。これにより、第１基板２１と第２基板２２との間の接合が完了する（図１Ｃ、図３Ｂ）。その後、真空装置内を常温にまで冷却し、大気に開放するとともに、真空装置から第１，第２基板２１，２２の接合体を取り出す。シール用バンプ２３はシール面２５に溶融接合され、導通用バンプ２４はランド２６に熱圧着接合される。そして、中空部３０内が真空状態に保たれる。

以上のようにして作製された第１，第２基板２１，２２の接合体は、その後、チップサイズに切り出されることで、図１Ｃに示したＳｉＰ構造の電子デバイス装置２０が製造される。

本実施の形態によれば、シール用バンプ２３を加熱溶融させることでシール部の接合を行うようにしているので、接合荷重は主として導通用バンプ２４の熱圧着接合に要する荷重だけで足りることになる。これにより、トータル荷重が大幅に低減されて接合時間も短縮できるようになり、生産性の向上を図ることができる。特に、本実施の形態によれば、接合荷重の大幅な低減が図れるので、ウェーハレベルでの接合を実現できるので、生産性の飛躍的に向上させることができる。

また、接合荷重の低減が図れるので、基板や接合部の破損を防止できるとともに、一般的なマウント装置が使用可能となるので設備コストの低減を図ることができる。さらに、デバイス機能部Ｐが収容される中空部３０をシール用バンプ２３のメタルシール効果で密閉性を高めることができるので、デバイス機能部Ｐの吸湿等を回避でき、動作信頼性を高めることができる。

さらに、導通用バンプ２４がシール用バンプ２３の内周側に形成されているので、第１，第２基板２１，２２間の電気的接合部の外気による影響を回避できるようになり、電気的接続信頼性をも高めることができるようになる。

一方、本実施の形態によれば、第１基板２１に形成したポスト２９によって、第１，第２基板２１，２２間のギャップ長を正確に規定できるので、電子デバイス装置２０の作製精度が向上し、装置間の特性のバラツキを抑えることが可能となる。

なお、突起２９は、第１，第２基板２１，２２間のギャップ調整だけでなく、導通用バンプ２４と電気的に接続される端子部として機能させることもできる。この場合、例えば図８に示すように、突起２９を導通用バンプ２４と対向する領域に形成するとともに、この突起２９の表面に導通用バンプ２４と熱圧着接合される配線層３３を形成すればよい。この構成により、第１，第２基板２１，２２間の規定以上のギャップ長を確保することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、第１，第２基板２１，２２をそれぞれ半導体基板で構成したが、何れか一方または両方を他の基板、例えばガラス基板や有機配線基板等で構成してもよい。第１基板２１上の複数の第２基板２２を接合してマルチチップパッケージ化してもよい。

また、以上の電子デバイス装置２０においては、第１基板２１の周囲に外部接続用端子２７を形成し、外部機器あるいは外部基板との電気的接続を図るようにしたが、これに代えて、図９に示すように、第１基板４１に接合される第２基板４２に外部接続用端子４３を形成してもよい。この場合、例えば、第２基板４２には、導通用バンプ２４と連絡する層間接続層（ビア）４３を設けることができる。

本発明の実施の形態による電子デバイス装置２０の製造方法を説明する工程断面図である。 第２基板２２の実装面を説明する図である。 第１，第２基板２１，２２の接合工程を説明する要部の工程断面図である。 第１，第２基板２１，２２間の接合部の構成の一具体例に説明する要部断面図である。 第２基板２２へのシール用バンプ２３の形成手順を説明する工程断面図である。 転写板３５へ充填したバンプ材料２３Ａの処理例を説明する工程断面図である。 第１基板２１と第２基板２２とをウェーハレベルで接合する工程を説明する図である。 第１基板２１に形成されるポスト２９の構成の変形例を説明する図である。 第２基板２２の構成の変形例を説明する図である。 従来の電子デバイス装置の接合工程を説明する図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 従来の他の電子デバイス装置の概略構成図である。

符号の説明

２０…電子デバイス装置、２１…第１基板、２２…第２基板、２３…シール用バンプ、２４…導通用バンプ、２５…シール面、２６…ランド、２７…外部接続用端子、２８…配線層、２９…ポスト（突起）、３０…中空部、３５…転写板、３６…凹所、Ｐ…デバイス機能部。

Claims (13)

1. デバイス機能部が形成された第１基板と、前記デバイス機能部を封止する中空部を形成するためのシール用バンプおよび電気的接続のための導通用バンプがそれぞれ形成された第２基板とを互いに接合してなる電子デバイス装置であって、
   前記シール用バンプは、前記第１基板に対して溶融接合されており、
   前記導通用バンプは、前記第１基板に熱圧着接合されている
   ことを特徴とする電子デバイス装置。
2. 前記第１基板には、前記第２基板とのギャップ調整用の突起が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
3. 前記第１基板には、前記第２基板とのギャップ調整用の突起が形成されており、
   前記突起の表面には前記導通用バンプと熱圧着される配線層が形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
4. 前記導通用バンプは、前記シール用バンプの内方側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
5. 前記第１基板および前記第２基板は、それぞれ半導体チップである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
6. 前記シール用バンプは、金−錫合金からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
7. 前記導通用バンプは、金バンプである
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス装置。
8. デバイス機能部が形成された第１基板の上に、前記デバイス機能部を封止する中空部を形成するためのシール用バンプおよび電気的接続のための導通用バンプがそれぞれ形成された第２基板が接合されてなる電子デバイス装置の製造方法であって、
   前記第１基板と前記第２基板との接合が、
   前記シール用バンプを加熱溶融させる工程と、
   前記導通用バンプを前記第１基板上に熱圧着させる工程とを有する
   ことを特徴とする電子デバイス装置の製造方法。
9. 前記シール用バンプを加熱溶融させる工程よりも、前記導通用バンプを熱圧着させる工程を高温で行う
   ことを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス装置の製造方法。
10. 前記シール用バンプを前記導通用バンプよりも高く形成する
    ことを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス装置の製造方法。
11. 前記シール用バンプを前記第２基板上に転写法で形成する
    ことを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス装置の製造方法。
12. 前記第１基板上に、前記第２基板とのギャップ調整用の突起を形成しておき、
    前記第２基板との接合時、前記突起が前記第２基板に当接する位置まで前記導通用バンプを熱圧着する
    ことを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス装置の製造方法。
13. 前記第１基板および前記第２基板はそれぞれ半導体基板でなり、互いにウェーハレベルまたはチップレベルで接合される
    ことを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス装置の製造方法。
    

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