JP3539315B2 - 電子デバイス素子の実装方法、および弾性表面波装置の製造方法 - Google Patents

電子デバイス素子の実装方法、および弾性表面波装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイス素子の実装方法に関し、特に弾性表面波素子に超音波を印加しながら押圧し、実装基板上に実装する弾性表面波素子の実装方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子部品の小型化、低背化に伴い、電子デバイス素子の実装方法としてフリップチップ工法が開発されている。フリップチップ工法とは、電子デバイス素子の機能面を実装基板に対向させた状態で押圧し、実装する工法であり、電子デバイス素子の電極上に形成された金属バンプと基板上の電極パターン、または、基板上の電極パターンの上に形成された金属バンプと電子デバイス素子の電極を電気的機械的に接続する。フリップチップ工法においては、金属バンプと実装基板上の電極パターンとの接続強度を上げるため、接続時に超音波を印加する工法や超音波と熱を同時に印加する工法がしばしば用いられる。
【0003】
このような超音波を利用したフリップチップ工法において、金属バンプと実装基板上の電極パターンとの接続強度をさらに向上させるためには、印加する超音波のパワーを大きくすることが有効である。しかし、超音波のパワーをあまり大きくすると、素子上の電極や素子を構成する基板自体に大きな応力が加わり、該電極や基板にクラックが発生するという問題があった。
【0004】
特開平8−330880号公報では、上述の問題が発生する原理として図14に示すような原理が推定されている。すなわち、図14(a)に示すように、ボンディングツール67から加わる荷重の方向は電子デバイス素子61の電極形成面に対し垂直な方向であるのに対し、超音波振動の方向は水平な方向である。したがって、瞬時的には図14(b)に示すような荷重と超音波の合力が電子デバイス素子61に作用し、電子デバイス素子の外周部が中心部より大きく沈み込む。したがって、電子デバイス素子の外周部に位置する金属バンプ64にエネルギーが集中し、中心部に位置する金属バンプ65よりも大きくつぶれ、外周部に位置する金属バンプ64や電極パッド62においてクラックが多く発生する。
【0005】
そこで、特開平8−330880号公報では、上述の問題を解決する手段として、電子デバイス素子上にダミーバンプを設ける方法を提案している。すなわち、図15に示すように、電子デバイス素子71上に形成された電極パッド72および金属バンプ75よりも超音波振動方向について外側にダミーパッド73およびダミーバンプ74を設けることによって、該ダミーパッド73およびダミーバンプ74に応力を集中させる。その結果、素子71上に形成された実装基板との電気的導通に必要な電極パッド72および金属バンプ75のクラックの発生率が低減されるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のクラック発生防止のためにダミーバンプを設ける方法には次のような問題があった。すなわち、上述の方法では、素子基板上にダミーパッドおよびダミーバンプを新たに設ける必要があるため、電子デバイス素子の基板面積をそれだけ大きくしなければならない。したがって、電子部品全体も大きくなってしまうという問題が生じていた。また、ダミーパッドにクラックが発生した場合、ダミーパッドからその材料片が遊離する可能性がある。このような材料片が電子デバイス素子の表面に付着した場合、電子部品の電気的特性の劣化や信頼性の低下といった問題が発生する可能性がある。
【0007】
本発明の電子デバイス素子の実装方法は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、これらの問題を解決し、小型でかつ電子デバイス素子とパッケージ容器との接合信頼性が高く、電気的特性が良好な電子部品を形成するための電子デバイス素子の実装方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の請求項1は、表面に金属バンプの形成された電子デバイス素子と、押圧面を有するボンディングツールと、実装基板とを用意する工程と、電子デバイス素子の裏面にボンディングツールの押圧面を接触させながら、ボンディングツールに超音波を印加して電子デバイス素子を実装基板上に実装する工程とを有する電子デバイス素子の実装方法において、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さの0.5倍よりも長くするとともに、前記ボンディングツールの押圧面には、電子デバイス素子を吸着するための真空吸引用の穴が設けられ、かつ、前記真空吸引用の穴は電子デバイス素子を吸引する際に電子デバイス素子の金属バンプが形成されていない部分の裏面に位置するように設けられているボンディングツールを用いて、電子デバイス素子を吸引しながら実装基板上に実装することを特徴とする。
【0009】
このように、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の長さを十分大きくすることで、振動方向について電子デバイス素子がボンディングツールによって支持される長さが長くなる。したがって、実装時に荷重と超音波の合力が瞬時的に斜め下方向に加わっても、電子デバイス素子は実装基板の水平面方向に対して傾きにくくなり、電子デバイス素子の特定位置の金属バンプに応力が集中することもなく、クラックの発生が抑制され、安定した接合を得ることができる。また、真空吸引用の穴を設けることによって、電子デバイス素子のピックアップや実装基板への位置合わせ等の機能を付加したボンディングツールを用いた場合では、電子デバイス素子のなかで、真空吸引用の穴の直下に位置する部分に加わる荷重や超音波のパワーは、押圧面が接している部分に加わるパワーに比べて弱くなる。したがって、真空吸引用の穴を電子デバイス素子の金属バンプが形成されていない部分の裏面に位置するように設けることによって、各金属バンプに加わる荷重や超音波のパワーを一様にすると、特定位置の金属バンプに応力が集中することもなく、クラックの発生が抑制され、安定した接合を得ることができる。
【0010】
本発明の請求項2は、請求項1に記載の電子デバイス素子の実装方法において、ボンディングツールの押圧面の外形が、電子デバイス素子の裏面の外形とほぼ相似形であることを特徴とする。このように、ボンディングツールの押圧面の外形を電子デバイス素子の裏面の外形とほぼ相似形とすることにより、超音波振動方向以外についても、電子デバイス素子がボンディングツールによって支持される長さが長くなる。すなわち、素子がボンディングツールによって支持される面積が広く、安定して支持されることになり、素子の特定位置の金属バンプに応力が集中することがない。その結果、クラックの発生が抑制され、より安定した接合を得ることができる。
【0011】
本発明の請求項3は、請求項1または2に記載の電子デバイス素子の実装方法において、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さと同一またはそれより短いことを特徴とする。
【0012】
このように、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さと同一またはそれより短ければ、例えば電子デバイス素子をパッケージ容器内に実装する場合、パッケージ容器の大きさを電子デバイス素子の大きさに比べてあまり大きくしなくても、超音波印加時のボンディングツールのパッケージ容器の側壁との干渉を避けることができる。したがって、電子部品の小型化を図ることができる。
【0013】
また、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さよりも少し短ければ、ボンディングツールの押圧面が電子デバイス素子の裏面からずれた場合でも、ボンディングツールの外周から素子裏面の外周までの間には少し距離があるため、超音波印加時のボンディングツールのパッケージ容器との干渉を避けることができる。
【0014】
本発明の請求項4は、請求項1ないし3に記載の電子デバイス素子の実装方法において、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さの約0.8倍であることを特徴とする。
【0015】
ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の長さは、電子デバイス素子が実装基板の水平面方向に対して傾きにくくなるほど十分に長く、かつ、ボンディングツールの押圧面が電子デバイス素子の裏面からずれた場合でもボンディングツールのパッケージ容器側壁との干渉を避けることができる程度に短い必要がある。このような条件を満たすためには、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さを、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さの約0.8倍程度とするのが好ましい。
【0018】
本発明の請求項は、請求項1ないしに記載の電子デバイス素子の実装方法において、電子デバイス素子が弾性表面波素子であることを特徴とする。弾性表面波素子は、表面波が励振するための空間を素子の機能面側に設けなければないため、素子とパッケージ容器との間に接着剤を充填し素子を固定することができない。したがって、金属バンプが素子とパッケージ容器の電気的接合だけでなく機械的接合の役割をも担う必要があり、特に高い接合強度と信頼性が要求されるためである。
【0019】
本発明の請求項は、請求項に記載の実装方法を用いて、弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する工程と、パッケージ容器をキャップにより封止する工程とを有する弾性表面波素子の製造方法を提供する。請求項3、4に示したように、本発明の電子デバイス素子の実装方法は、弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する場合、すなわち、弾性表面波装置の製造方法に適用することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例である電子デバイス素子の実装方法を、図1〜12に基づいて説明する。
以下の実施例では、弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する場合について説明する。図1、3、5、7、11は、本発明を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図を示し、図9は請求項5に係る本発明と比較するための方法を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図を示す。また、図2は図1のA−A’線における断面図、図4は図3のB−B’線における断面図、図6は図5のC−C’線における断面図、図8は図7のD−D’線における断面図、図10は図9のE−E’線における断面図、図12は図11のF−F’線における断面図を示す。
【0021】
例えば、図1、2に示すように、弾性表面波素子1は、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム、水晶等の圧電基板2とその表面(図2において、基板2の下面側)に形成されたAlからなる厚さ0.1〜0.2μm程度の薄膜からなる櫛型電極(図示せず)、および櫛型電極に電気的に接続された電極パッド3等から構成されている。電極パッド3上にはAuまたはAuを含む合金からなる金属バンプ4が設けられている。パッケージ容器5はAl23等のセラミック材料からなり、素子実装面にパッケージ容器5と素子1を電気的に接続するための電極パターン6が形成されている。また、ボンディングツール7はその底部に、弾性表面波素子1の裏面(図2において、基板2の上面側)に接触させ押圧するための押圧面(図2におけるボンディングツール7の素子1との接触部分)を有する。
【0022】
このような弾性表面波素子1を、パッケージ容器5内の電極パターン6に金属バンプ4を介して対向させた状態に配置する。次いで、弾性表面波素子1の裏面にボンディングツール7の押圧面を接触させながら、ボンディングツール7に超音波を印加、押圧し、金属バンプ4と電極パターン6を電気的機械的に接続する。この際、超音波と同時に熱を印加してもよい。このように、弾性表面波素子1の実装されたパッケージ容器5をキャップ(図示せず)で気密封止することにより、弾性表面波装置が完成する。
【0023】
(実施例1)本発明の第1の実施例を図1、2を用いて説明する。弾性表面波素子1裏面の超音波振動方向の最大長さをLchip、ボンディングツール7の押圧面の超音波振動方向の最大長さをLtoolとすると、本実施例では、Ltool>0.5×Lchipとする。このように、ボンディングツール7の押圧面の超音波振動方向の長さを十分大きくすることで、振動方向についての弾性表面波素子1がボンディングツール7によって支持される長さが長くなる。したがって、実装時に荷重と超音波の合力が瞬時的に斜め下方向に加わっても、弾性表面波素子1は実装基板の水平面方向に対して傾きにくくなり、電子デバイス素子の特定位置の金属バンプに応力が集中することもない。よって、金属バンプ4や電極パッド3におけるクラックの発生が抑制され、パッケージ容器5と弾性表面波素子1の安定した接合を得ることができる。
【0024】
図13にボンディングツールの超音波振動方向の最大長さと弾性表面波素子の超音波振動方向の最大長さの比に対する弾性表面波素子のクラック発生率の関係を示す。本実施例では、圧電基板材料としてタンタル酸リチウムを用い、ボンディングツール裏面の形状は円形とした。図13より、Ltool>0.5×Lchipを満たすボンディングツールを用いた場合に弾性表面波素子のクラック発生率を低減できることがわかる。なお、本実施例の場合、ボンディングツールの大きさはパッケージ容器の内壁に干渉しない大きさとした。
【0025】
また、上記図1、2ではボンディングツール7の押圧面が円形の場合について示したが、ボンディングツールの押圧面は四角形や二股に分かれているような場合でもよい。例えば押圧面が超音波振動方向と直角方向のスリットによって二股に分かれている場合には、中央のスリット部分にも押圧面が存在すると仮定した場合の押圧面の超音波振動方向の最大長を、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さをLtoolと考えるものとする。
【0026】
(実施例2)本発明の第2の実施例を図3、4を用いて説明する。本実施例では、ボンディングツール17の押圧面の外形を弾性表面波素子1の裏面の外形とほぼ同じ形状とする。
このように、ボンディングツール17の押圧面の外形を弾性表面波素子1の裏面の外形とほぼ相似形とすることにより、超音波振動方向以外についても、弾性表面波素子1がボンディングツール17によって支持される長さが長くなる。すなわち、素子がボンディングツールによって支持される面積が広く、安定して支持されることになり、素子の特定位置の金属バンプに応力が集中することがない。その結果、金属バンプ4や電極パッド3におけるクラックの発生が抑制され、より安定した接合を得ることができる。
【0027】
また、このように、ボンディングツール17の押圧面の外形が、弾性表面波素子1の裏面の外形とほぼ一致していれば、弾性表面波素子1がボンディングツール17によって支持される長さが、超音波振動方向についても超音波振動方向以外の方向についても十分長くなり、弾性表面波素子1とパッケージ容器5の安定した接合を得ることができる。さらに、図4のように、パッケージ容器5の深さが弾性表面波素子1の高さよりも深い場合、ボンディングツール17の押圧面の外形が弾性表面波素子1の裏面の外形よりも大きければ、超音波印加時にボンディングツールと17がパッケージ容器5の内壁と干渉しやすくなるため、パッケージ容器5の大きさを弾性表面波素子1の大きさに比べて十分大きくする必要がある。ところが、本実施例のように、ボンディングツール17の押圧面の外形が、弾性表面波素子1の裏面の外形とほぼ同じであれば、パッケージ容器5の大きさをあまり大きくしなくてもボンディングツール17の干渉を避けることができ、弾性表面波装置の小型化を図ることができる。
【0028】
(実施例3)本発明の第3の実施例を図5、6を用いて説明する。本実施例では、ボンディングツール27の押圧面の超音波振動方向の最大長さを、弾性表面波素子1の裏面の超音波振動方向の最大長さの約0.8倍とする。
このように、ボンディングツール27の押圧面の超音波振動方向の長さを弾性表面波素子1の裏面の超音波振動方向の長さよりも少し短くすることで、パッケージ容器の深さが弾性表面波素子1の高さよりも深い場合に、ボンディングツール27の押圧面が弾性表面波素子1の裏面からずれた場合でも、ボンディングツール27押圧面の外周から素子1裏面の外周までの間には少し距離があるため、ボンディングツール27のパッケージ容器5との干渉を避けることができる。したがって、パッケージ容器5をあまり大きくする必要がなく、弾性表面波装置の小型化を図ることができる。
【0029】
また、本実施例のようにボンディングツール27の押圧面の超音波振動方向の最大長さを、弾性表面波素子1の裏面の超音波振動方向の最大長さの約0.8倍程度とした場合、ボンディングツール27の押圧面の超音波振動方向の長さは、弾性表面波素子1が実装基板の水平面方向に対して傾きにくくなるほど十分に長く、かつ、ボンディングツール27の押圧面が弾性表面波素子1の裏面からずれた場合でもパッケージ容器5側壁とボンディングツール27との干渉を避けることができる程度に短くなり、適当である。
【0030】
(実施例4)本発明の第4の実施例を図7、8を用いて説明する。本実施例では、ボンディングツール37の押圧面に、弾性表面波素子31を吸着するための真空吸引用の穴38が設けられている。真空吸引用の穴38は弾性表面波素子31を吸引する際に素子の金属バンプ34が形成されていない部分の裏面に位置するように設けられており、ボンディングツール37を用いて、弾性表面波素31を吸引しながらパッケージ容器35内に実装する。
【0031】
このように、真空吸引用の穴38を設けることによって、ボンディングツール37には弾性表面波素子31のピックアップや搬送、パッケージ容器35内の対応する電極パターン36への位置合わせ等の機能が付加されている。また、素子31のなかで、真空吸引用の穴38の直下に位置する部分に加わる荷重や超音波のパワーは、押圧面が接している部分に加わるパワーに比べて弱くなる。そこで、本実施例のように、真空吸引用の穴38を弾性表面波素子31の金属バンプ34が形成されていない部分の裏面に位置するように設けることによって、各金属バンプ34に加わる荷重や超音波のパワーを一様にすると、特定位置の金属バンプ34に応力が集中することもなく、金属バンプ34や電極パッド33におけるクラックの発生が抑制され、安定した接合を得ることができる。
【0032】
表1に、本実施例のボンディングツールを用いた場合(図7、8)と、図9、10に示すような真空吸引用の穴48が弾性表面波素子41の金属バンプ44が形成されている部分の裏面に位置するように設けられたボンディングツール47を用いた場合(比較例)のクラック発生率を示す。表1より本実施例のボンディングツール37の構造(図8)がクラックの発生率の抑制に効果的であることがわかる。
【0033】
【表1】
Figure 0003539315
【0034】
(実施例5)本発明の第5の実施例を図11、12を用いて説明する。本実施例では、実施例4の場合と同様に、ボンディングツール57の押圧面に真空吸引用の穴58が設けられており、該真空吸引用の穴58は弾性表面波素子51を吸引する際に素子の金属バンプ54が形成されていない部分の裏面に位置する。このように、金属バンプ54間の距離が短く、金属バンプ54が形成されていない部分の面積が狭い弾性表面波素子51では、本実施例のように、ボンディングツール57にやや小さな真空吸引用の穴58を複数個設けることによって真空吸着力を確保することができる。
【0035】
以上の実施例では、電子デバイス素子として弾性表面波素子を用いる場合について説明したが、これは弾性表面波素子の実装について本発明が特に有利に適用できるためである。すなわち、弾性表面波素子は、表面波が励振するための空間を素子の機能面側に設けなければないため、素子とパッケージ容器との間に接着剤を充填し素子を固定することができず、金属バンプが素子とパッケージ容器の電気的接合だけでなく機械的接合の役割をも担う必要があり、特に高い接合強度と信頼性が要求されるためである。
【0036】
また、以上の実施例では、弾性表面波素子の電極上に形成された金属バンプとパッケージ容器上の電極パターンを接続する場合について示したが、パッケージ容器上の電極パターンの上に形成された金属バンプと弾性表面波素子の電極を接続する場合についても、本発明は同様に適用できる。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の長さを十分大きくすることで、振動方向について、電子デバイス素子がボンディングツールによって支持される長さが広くなる。したがって、実装時に荷重と超音波の合力が瞬時的に斜め下方向に加わっても、電子デバイス素子は実装基板の水平面方向に対して傾きにくくなり、電子デバイス素子の特定位置の金属バンプに応力が集中することもない。よって、金属バンプや電極パッドにおけるクラックの発生が抑制され、電子デバイス素子と実装基板の間の電気的特性の良好な安定した接合を得ることができる。
【0038】
また、ボンディングツールの押圧面を電子デバイス素子の裏面と同じ大きさ、またはそれより小さくすることで、超音波印加時にパッケージ容器内壁とボンディングツールとの干渉を避けることができる。よって、パッケージ容器をあまり大きくする必要がなく、弾性表面波装置の小型化を図ることができる。
【0039】
さらに、真空吸引用の穴を設けることによって、電子デバイス素子のピックアップや実装基板への位置合わせ等の機能を付加したボンディングツールでは、真空吸引用の穴を電子デバイス素子の金属バンプが形成されていない部分の裏面に位置するように設けることによって、各金属バンプに加わる荷重や超音波のパワーを一様にする。その結果、特定位置の金属バンプに応力が集中することもなく、金属バンプや電極パッドにおけるクラックの発生が抑制され、安定した接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図2】図1のA−A’線における断面図である。
【図3】本発明の実施例2を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図4】図3のB−B’線における断面図である。
【図5】本発明の実施例3を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図6】図5のC−C’線における断面図である。
【図7】本発明の実施例4を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図8】図7のD−D’線における断面図である。
【図9】請求項5にかかる本発明と異なる方法(比較例)を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図10】図9のE−E’線における断面図である。
【図11】本発明の実施例5を用いて弾性表面波素子をパッケージ容器内に実装する際の上面図である。
【図12】図11のF−F’線における断面図である。
【図13】ボンディングツールの超音波振動方向の最大長さと弾性表面波素子の超音波振動方向の最大長さの比に対する弾性表面波素子のクラック発生率の関係を示す図である。
【図14】(a)、(b)は、従来の方法を用いて電子デバイス素子を基板上に実装する際の断面図である。
【図15】従来の実装方法の、ダミーバンプを設けた電子デバイス素子の上面図を示す。
【符号の説明】
1、31、41、51 弾性表面波素子
2、32、42、52 圧電基板
3、33、43、53 電極パッド
4、34、44、54 金属バンプ
5、35、45、55 パッケージ容器
6、36、46、56 電極パターン
7、17、27、37、47、57、67 ボンディングツール
38、48、58 真空吸引用の穴
61、71 電子デバイス素子
64、65 金属バンプ
72 電極パッド
73 ダミーパッド
74 ダミーバンプ
75 金属バンプ

Claims (6)

  1. 表面に金属バンプの形成された電子デバイス素子と、押圧面を有するボンディングツールと、実装基板とを用意する工程と、
    電子デバイス素子の裏面にボンディングツールの押圧面を接触させながら、ボンディングツールに超音波を印加して電子デバイス素子を実装基板上に実装する工程とを有する電子デバイス素子の実装方法において、
    ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さの0.5倍よりも長くするとともに、前記ボンディングツールの押圧面には、電子デバイス素子を吸着するための真空吸引用の穴が設けられ、かつ、前記真空吸引用の穴は電子デバイス素子を吸引する際に電子デバイス素子の金属バンプが形成されていない部分の裏面に位置するように設けられているボンディングツールを用いて、電子デバイス素子を吸引しながら実装基板上に実装することを特徴とする電子デバイス素子の実装方法。
  2. ボンディングツールの押圧面の外形が、電子デバイス素子の裏面の外形とほぼ相似形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素子の実装方法。
  3. ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さと同一またはそれより短いことを特徴とする、請求項1または2に記載の電子デバイス素子の実装方法。
  4. ボンディングツールの押圧面の超音波振動方向の最大長さが、電子デバイス素子の裏面の超音波振動方向の最大長さの約0.8倍であることを特徴とする、請求項1ないし3に記載の電子デバイス素子の実装方法。
  5. 前記電子デバイス素子は弾性表面波素子であることを特徴とする、請求項1ないしに記載の電子デバイス素子の実装方法。
  6. 請求項に記載の実装方法を用いて、弾性表面波素子をパッケージ容器に実装する工程と、パッケージ容器内をキャップにより封止する工程とを有する弾性表面波装置の製造方法。
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