JP2012160840A - 中空樹脂パッケージ構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
樹脂からのガス発生によるパッケージの膨れや破壊を防止するとともに、樹脂の材料選択の範囲を広げて薄いパッケージを実現する。
【解決手段】
基板１０上に表面弾性波素子などの素子１１を形成し、中空部１９を介して樹脂で封止した中空樹脂パッケージ構造体において、前記中空部１９を覆う樹脂製の天板部１４と前記中空部１９との間に、無機材料または金属材料からなるバリア層１３を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯電話等の通信機器などで使用する表面弾性波デバイスや、加速度センサのようなMEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスのように中空封止が必要な素子の小型パッケージング技術に関する。

通信機器において目的とする帯域外の電波やノイズを除去するフィルタとして使用される表面弾性波デバイスや、加速度センサに代表されるMEMSデバイスにおいては、素子表面に振動部や可動部が存在するため、それらに接触しない中空封止実装が必要とされる。

例えば表面弾性波デバイスにおいては、タンタル酸リチウムなどの圧電基板上にインター・デジタル・トランスデューサー（IDT）とよばれる櫛歯電極が入出力一組、入れ子になって形成されている。入力された電波により入力側IDTに高周波電圧がかかり、圧電効果によって基板表面に振動波が励起される。振動波はIDTの両端に置かれた反射電極によって共鳴し、所定の周波数以外は減衰する。出力側IDTでは圧電効果により振動波が電圧に変換され、所定の周波数の電波のみを取り出すことができる。基板表面を伝搬する振動波を使用するため、特にIDT部分に封止樹脂の接触や水分等の吸着などが有ると、振動波の減衰や共鳴周波数の変動により特性が劣化する。また、水分の浸透は電極の腐食やマイグレーションの防止のためにも低減する必要が有る。そこで従来は、セラミック基板上にデバイスチップを搭載し、金属キャップをはんだや金属蝋付けで気密封止する、中空かつ気密な封止構造が採用されてきた。
一方、MEMSデバイスにおいても、可動する機械部分の動作を妨げないためには中空封止が必要である。特に水分が可動部分に凝着すると、表面張力により可動部分が固着したり、破壊されたりする恐れがある。そのため、非特許文献1に示されるような、ガラスやシリコンのキャップで気密封止する構造が採用されてきた。
このようなキャップを用いた封止構造は、気密性、信頼性が高く、また樹脂モールドなどで高温、高圧をかけた場合でも強度が十分確保できるという利点がある。
一方、パッケージの厚さが最低でもキャップ厚さ+基板厚さとなるが、ガラスやシリコンをキャップに使用する場合、強度やコストの面から厚さを0.1mm以下とするのは難しく、パッケージ厚さを薄くするには不利であるという問題がある。また、セラミック基板と金属キャップによる封止構造は、部品点数が多く、個別に組み立てることからコストが高いという問題もあった。

このような問題を解決する方法として、特許文献１では、表面弾性波デバイスを、感光性樹脂を用いた中空構造で封止し、水分の浸透を防ぐために無機材料からなるバリア膜で覆うという構造を提案している。また、特許文献２では同様な感光性樹脂による中空構造に、金属からなるバリア膜を形成する構造を提案している。
このような方式によれば、ウエハ全体のチップを一括して封止するウエハ・レベル・パッケージが可能であり、パッケージコストの低減が期待できる。また、樹脂により形成された中空構造は、金属などのキャップに比べて薄くできるため、非常に薄いパッケージが実現可能である。

特開2006-324894号公報 特開2009-141036号公報

IEEE MicroWave Magazine ,Dec. 2001, p.59-71

前記の従来技術においては、以下のような問題があった。
第一がガス発生の問題である。特許文献１および２に述べられている技術では、中空構造の天板および側壁を形成する樹脂がバリア膜と基板の間に存在する事になる。一般に感光性樹脂はベースとなる樹脂に光反応を起こす感光剤や反応を促進する感光助剤が添加されている。これらは、ベース樹脂に比較して低温で分解してガスを発生する。通常はパターンを形成した後ハードベークを行ってこれらの熱分解を促進するが、完全に除去することは困難である。そのため、バリア膜を形成し、気密が保たれた状態ではんだリフローなどの高温工程を通した際に、残存した感光剤などからのガスが発生し、パッケージの膨れや破壊を引き起こすという問題が発生しやすい。これを考えると気密部分に存在する樹脂はできるだけ少ないことが望ましい。

第二が感光性樹脂の物性の問題である。表面弾性波デバイスは、他の部品とともにプリント基板にはんだ接続した後、樹脂モールドを行ってモジュール化して使用されることが多い。そのため表面弾性波デバイスのパッケージには樹脂モールド時の高温・高圧でも中空構造がつぶされないだけの強度が要求される。そのためには、特に天板を形成する樹脂の、モールド温度（１５０−２００℃）におけるヤング率が十分大きいことが望ましい。一方感光性樹脂においては、現像時に樹脂が溶解することが要求されるため、その化学構造や重合度に制限が加わり、非感光性樹脂に比べて物性が低い、または選択の範囲が狭いという問題が出やすい。たとえば前記のモールド温度においてヤング率が小さい場合には、中空構造がつぶされないためには樹脂の膜厚を厚く、かつ側壁の厚さを厚くする必要が有り、これは樹脂パッケージを採用した理由の一つである薄いパッケージが実現可能という利点と相反することになる。

本発明は、これらの問題を解決し、樹脂からのガス発生によるパッケージの膨れや破壊を防止するとともに、樹脂の材料選択の範囲を広げて薄いパッケージを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の中空樹脂パッケージ構造体は、基板上に素子を形成し、中空部を介して樹脂で封止した中空樹脂パッケージ構造体において、前記中空部を覆う樹脂製の天板部と前記中空部との間に、無機材料または金属材料からなるバリア層を形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の中空樹脂パッケージ構造体は、少なくとも1個以上の中空封止を必要とする素子を形成し、該素子を取り囲むように側壁部を形成した基板に、無機材料または金属材料からなるバリア層を形成したバリア層付き樹脂フィルムを、バリア層側を基板に相対して中空部を形成する前記側壁部を介して接着したことを特徴とするものである。

本発明の中空樹脂パッケージ構造体の製造方法は、基板上に素子を形成する工程と、前記素子を取り囲むように前記基板上に側壁部を形成して中空部を形成する工程と、樹脂フィルム上に無機材料または金属材料からなるバリア層を形成してバリア層付き樹脂フィルムを作成する工程と、側壁部を形成した前記基板に、前記バリア層付き樹脂フィルムを、バリア層側を基板に相対して接着する工程と、
を備えるものである。

本発明によれば、まずバリア層と基板の間に天板を形成する樹脂が無く、ガス発生による膨れさらには破壊の危険性を低減することができる。また、非感光性の樹脂フィルムを天板として使用することができるため、感光性樹脂を用いる場合に比べ、材料の選択範囲を広げることが可能であり、高強度の樹脂を採用することができ、薄いパッケージを実現することができる。

本発明の実施例１のパッケージ構造体を示す図である。 本発明の実施例１のパッケージ構造体の製造工程を示す図である。 本発明の実施例２のパッケージ構造体の製造工程を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図1は、実施例１の中空樹脂パッケージ構造体を示す断面図である。
基板1０上には、表面弾性波素子１１が形成されている。表面弾性波素子１１は、櫛歯電極IDTを含む1層目の金属パターン１１１と、配線および電極パッドとなる２層目の金属パターン１１２とから構成される。基板１０としては、一般的にリチウムタンタレート（LT）やリチウムナイオベート（LN）の単結晶ウエハが用いられる。
表面弾性波素子１１を取り囲むように、基板１０および電極パッドとなる金属パターン１１２上に側壁部１２が設けられる。側壁部１２を形成することにより、表面弾性波素子１１上に中空部１９が形成される。側壁部１２は、例えば感光性樹脂で形成される。
そして、側壁部１２および表面弾性素子１１上には、無機材料からなるバリア層１３が設けられる。バリア層１３を構成する無機材料としては、二酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミまたはこれらを主成分とする無機材料が用いられる。
バリア層１３上には、樹脂からなる天板１４が設けられる。天板を形成する樹脂としては、ポリイミドフィルム等、種々の樹脂を選択することができる。
さらに、側壁部１２および樹脂からなる天板１４の外側、および電極パッド上に形成されたビアホール１７には、メタライズ層１６が例えばめっきにより形成されている。

本実施例によれば、基板１０、側壁部１２および無機材料からなるバリア層１３で、表面弾性波素子１１上に中空部１９が形成されている。表面弾性波素子１１を収容する中空部１９と無機材料からなるバリア層１３との間には、天板を形成する樹脂はなく、樹脂からのガス発生による膨れや、さらには破壊を防止することができる。また、天板を形成する樹脂としては、種々の樹脂を選択することができ、感光性樹脂以外の高強度の樹脂を採用することができ、薄いパッケージを実現することができる。

図２は、本発明の実施例１の中空樹脂パッケージ構造体の製造工程を説明する断面図である。

まず基板101上に表面弾性波素子を形成する。これは櫛歯電極（IDT）を含む1層目の金属パターン111と、配線および電極パッドとなる2層目の金属パターン112から構成されており、一般的なスパッタ成膜とホトリソグラフィの手法で形成される (図２(1))。基板101としては厚さ0.2mmの4インチLTウエハを用いた。1層目の金属パターン111は厚さ150nmのアルミ合金Al05Cu、2層目の金属パターン112は厚さ１μｍのアルミ合金Al05Cuで形成した。
なお、この図では２個のチップにそれぞれ表面弾性波素子1個のみが形成されているように示されているが、実際には複数の表面弾性波素子を組み合わせて一つの表面弾性波デバイスが構成されており、それがウエハ上に繰り返し形成されている。これを最終的にダイシングで分離することで1枚のウエハから多数のチップを製造することができる。

次に、信越化学製感光性シリコーン樹脂SINR-3570PF（商品名）を用いて側壁部121を形成する (図２(2))。SINRの膜厚は２０μｍとした。このとき、IDT上122、電極パッド上123、ダイシングエリア上124の樹脂を除去するようにパターンを形成する。

この基板とは別に、天板141となる樹脂フィルム142上にバリア層131を形成する（図２(3)）。ここで樹脂フィルムとしては厚さ５０μｍの宇部興産製ポリイミドフィルム ユーピレックス（登録商標）-50S（商品名）を用いた。またバリア層としては、厚さ１μｍのSiO2膜をスパッタ法で成膜した。

以上の基板とフィルムを、バリア層131を基板側にして真空プレス装置で接着した（図２(4)）。接着後SINRのハードベークを１８０℃１時間行った。

続いて樹脂フィルム142の加工をUVレーザー加工装置を用いて行った(図２(5))。この加工により、電極パッド上151およびダイシングエリア上152の樹脂フィルム142は除去され、同時に側壁部121と接着していないバリア層131の部分も破壊されるため、バリア層131の加工を別に行う必要はない。
このとき側壁部121のパッドおよびダイシングエリアの開口幅に対してレーザー加工による樹脂フィルム142の開口幅を大きくとることで、順テーパーを持った開口部を形成することができる。

次にビアホールのメタライズ形成を行う(図２(6))。まず、めっきシード層161として基板全面にCr/Cuの薄膜をスパッタ法により成膜する。膜厚はCr50nm、Cu500nmである。続いてレジストパターン162を形成し、ビアホール内に電気めっき法によってNi/Auのメタライズ層163を形成した。膜厚はＮｉ２μｍ、Au100nmである。このとき同時に側壁部121および樹脂フィルム142のダイシングエリア124における断面にもメタライズを行い、側壁部121に対するバリア層としている。
次にレジストパターン162を剥離し、シード層161をウエットエッチングで除去する（図２(7)）。

最後にダイシングエリア124においてダイシングでデバイスごとに切断し、パッケージされた表面弾性波デバイスを得る(図２(8))。

以上のようにして作成したデバイスは、パッケージ厚さが0.3mm以下と非常に薄いパッケージが実現できた。また、耐はんだリフロー試験およびプレッシャークッカー試験（PCT）を行ったところ、はんだリフロー（２６０℃１分）１回および３回の後、ＰＣＴ（１２５℃０．１ＭＰａ、100%RH）96時間経過後で各10個のサンプルに問題は出なかった。

実施例２は、実施例１の中空樹脂パッケージ構造体において、バリア層１３として金属膜を用いたものである。

図３は、本発明の実施例２の中空樹脂パッケージ構造体の製造工程を説明する断面図である。

まず実施例1と同様に、基板201上に、1層目の金属パターン211と2層目の金属パターン212から構成された表面弾性波素子と、信越化学製感光性シリコーン樹脂SINR-3570PF（商品名）を用いた側壁部221を形成する(図３(1)、(2))。側壁部221は実施例1と同様にIDT上222、電極パッド上223、ダイシングエリア上224の樹脂を除去するようにパターンを形成する。

この基板とは別に、天板となる銅張りポリイミドフィルム241を用意する（図３(3)）。ここでポリイミドフィルム２４２は厚さ５０μｍ、銅箔２３１は厚さ１２μｍである。
銅箔231をホトエッチングの手法でスルーホール部251、電極パッド外周252、ダイシングエリア部253の銅箔を除去する（図３(4)）。ここで、スルーホール部251およびダイシングエリア部253の開口部を側壁部221の電極パッド上開口部223およびダイシングエリア部開口部224よりもわずかに大きくする事が望ましい。

以上の基板と銅張りフィルムを、銅箔231を基板側にして位置合わせを行った後、真空プレス装置で接着した（図３(5)）。接着後SINRのハードベークを１８０℃、1時間行った。

続いてフィルム242の加工をUVレーザー加工装置を用いて行った(図３(6))。この加工により、スルーホール部261およびダイシングエリア上263のフィルム242を除去する。このとき銅箔のスルーホール部251およびダイシングエリア部253の開口部に対してレーザー加工によるフィルム242の開口幅261、263を大きくとることで、順テーパーを持った開口部を形成することができる。

次にビアホールのメタライズ形成を実施例1と同様に行い、Ni/Auのメタライズ層273を形成する。(図３(7))。

最後にダイシングエリア224においてダイシングでデバイスごとに切断し、パッケージされた表面弾性波デバイスを得る(図３(8))。

以上のようにして、パッケージ厚さが0.3mm以下と非常に薄いパッケージが実現できる。

本実施例によれば、基板201、側壁部221および金属膜からなるバリア層231で、表面弾性波素子上に中空部が形成されている。本実施例においても、表面弾性波素子を収容する中空部と金属膜からなるバリア層231との間には、天板を形成する樹脂はなく、樹脂からのガス発生による膨れや、さらには破壊を防止することができる。また、天板を形成する樹脂としては、種々の樹脂を選択することができ、感光性樹脂以外の高強度の樹脂を採用することができ、薄いパッケージを実現することができる。

この実施例の別の手法として、図３（2）の段階でチップのダイシングを行い、チップボンダーを用いてチップごとに天板のフィルムに接着しても良い。この方法を用いると、フィルム242の伸縮や、フィルム242と基板201の熱膨張率の差による合わせずれの問題を回避することができる。

また、銅張りポリイミドフィルムの代わりにポリイミドフィルム上に金属や導電性無機膜をバリア膜として成膜した物を用いてもよい。このバリア膜としては、Ti、Cr、Cu、Al、Ni、AuやTiN、またはこれらの積層膜を用いることができる。
また、実施例1，2において天板や側壁に用いた樹脂は、記載した物には限られない。天板としては、各種ポリイミドフィルムの他、液晶ポリマーやBTBレジンなどの耐熱性樹脂フィルムを用いることができる。また側壁パターンの樹脂としては、感光性と接着性のあるエポキシ系樹脂やアクリル系樹脂を用いることもできる。また、感光性のない樹脂をスクリーン印刷やディスペンサによって側壁パターンに形成しても良い。

実施例１および２では、基板上に形成される素子として表面弾性波素子を例に説明したが、本発明は、表面弾性波デバイスに限らず、加速度センサのようなMEMS素子など、中空封止が必要な素子に用いることができる。

10 基板
11 表面弾性波素子
12 側壁部
13 バリア層
14 天板を形成する樹脂
16 メタライズ層
17 ビアホール
19 中空部
101 基板
111 1層目の金属パターン
112 2層目の金属パターン
121 側壁部
122 IDT上の開口
123 電極パッド上の開口
124 ダイシングエリア上の開口
131 バリア層
141 天板
142 天板となる樹脂フィルム
161 めっきシード層
162 めっきレジストパターン
163 めっきメタライズ層
201 基板
211 1層目の金属パターン
212 2層目の金属パターン
221 側壁部
222 IDT上の開口
223 電極パッド上の開口
224 ダイシングエリア上の開口
231 銅箔
241 天板
242 天板となるポリイミドフィルム
251 スルーホール部の銅箔の開口
252 電極パッド外周の銅箔の開口
253 ダイシングエリアの銅箔の開口
261 スルーホール部のポリイミドフィルムの開口
262 ダイシングエリアのポリイミドフィルムの開口
271 めっきシード層
273 めっきメタライズ層

Claims (12)

1. 基板上に素子を形成し、中空部を介して樹脂で封止した中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記中空部を覆う樹脂製の天板部と前記中空部との間に、無機材料または金属材料からなるバリア層を形成したことを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
2. 請求項１記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記素子を取り囲むように側壁部を形成することにより前記中空部を形成し、前記中空部上に前記天板部を形成したことを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
3. 請求項２記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記側壁部の外周を覆うようにメタライズ層を形成したことを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
4. 少なくとも1個以上の中空封止を必要とする素子を形成し、該素子を取り囲むように側壁部を形成した基板に、無機材料または金属材料からなるバリア層を形成したバリア層付き樹脂フィルムを、バリア層側を基板に相対して中空部を形成する前記側壁部を介して接着したことを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
5. 請求項４記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   樹脂フィルムに形成した前記バリア層が、接着前にあらかじめ所定のパターンに形成されていることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
6. 請求項４または５記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記バリア層の厚さが５０μｍ以下であり、かつ前記バリア層とバリア層が形成されたフィルムの厚さの合計が１００μｍ以下であることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
7. 請求項１から６の何れか１つに記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記バリア層が、二酸化ケイ素、酸化アルミ、窒化ケイ素、窒化アルミまたはこれらを主成分とする無機材料からなることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
8. 請求項１から６の何れか１つに記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記バリア層が、銅、アルミ、ニッケル、チタン、クロムまたはこれらを主体とする合金、またはこれらの積層膜からなることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
9. 請求項１から８の何れか１つに記載の中空樹脂パッケージ構造体において、
   前記素子が、表面弾性波素子またはＭＥＭＳ素子であることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体。
10. 基板上に素子を形成する工程と、
    前記素子を取り囲むように前記基板上に側壁部を形成して中空部を形成する工程と、
    樹脂フィルム上に無機材料または金属材料からなるバリア層を形成してバリア層付き樹脂フィルムを作成する工程と、
    側壁部を形成した前記基板に、前記バリア層付き樹脂フィルムを、バリア層側を基板に相対して接着する工程と、
    を備える中空樹脂パッケージ構造体の製造方法。
11. 請求項１０記載の中空樹脂パッケージ構造体の製造方法において、更に、
    側壁部の外側を覆うようにメタライズ層を形成する工程を備えることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体の製造方法。
12. 請求項１０または１１記載の中空樹脂パッケージ構造体の製造方法において、
    前記バリア層付き樹脂フィルムを作成する工程が、バリア層を所定のパターンにパターン化する工程を備えることを特徴とする中空樹脂パッケージ構造体の製造方法。

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