JP3805277B2 - 超音波接合構造及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波接合構造及び方法に係り、さらに詳しくはバンプ電極を超音波接合する構造及び接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波接合技術は異種金属間の接合ができること、金属を高温で溶融させることなく低温で接合ができること、微小な領域で精密な接合が可能なこと等から、いろいろな産業分野で利用されている。特に、電子部品では、小型化と高性能化、高機能化と高信頼化が急速に進み、電子部品がチップ化すると共にパッケージも一段と小型化しているので、電極の接続やパッケージの封止等に超音波接合技術が広く使われている。
【０００３】
しかしながら、超音波接合は、一般に押圧を加えて接触させた物体の界面に超音波を加え、振動エネルギーによって物体間を接合する為に、アーク溶接やハンダ付け等の他の接合方法に比べて接合力が弱いこと等に起因して、接続条件の設定が難しく、確実な接合ができず、接続不良が発生しやすい、という本質的な欠点を持っている。
【０００４】
このような従来技術の例として、半導体素子等へのバンプ形成、バンプの基板への接合、電子部品を内蔵した容器の封止等が挙げられる。具体的には、チップ部品に超音波でバンプを接合するボール形成に関しては特開２０００−２９９３４８号公報に、弾性表面波素子のバンプ電極を電極パッドに超音波接続することに関しては特開２００１−１５５４０号公報に、チップ素子を樹脂基板に超音波ボンディングすることに関しては特開２０００−３０６９５７号公報に、また、半導体チップを配線基板上に封止することに関しては特開２００１−７１５４号公報にと、超音波ボンディングの従来技術に関する各種の工夫の多くの例を見ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、特開２０００−２９９３４８号公報ではボール側の形状に着目し、数回の試行によりワイヤボンディングのボール部の変形曲線を求めて、最適なボンディング荷重と超音波振動出力を設定することを開示している。また、特開２００１−１５５４０号公報では、バンプ電極を取り付ける電極パッドに着目し、パッド電極を厚くするために下地層に工夫を加えることを開示している。さらに、特開２０００−３０６９５７号公報では樹脂基板側に着目し、樹脂基板の弾性率を加熱温度により制御することを開示している。また、特開２００１−７１５４号公報では、フィルム状の樹脂封止基材に目を付け、超音波の振動と加圧によってパッド下の基材を押しのけて樹脂フィルムで封止することを開示している。
【０００６】
しかしながら、超音波接合を技術的に仔細に検討すると、接合時の応力による基材の損傷や電極パッドの断線、あるいは、超音波接合条件の設定等に係わる技術的課題の中心は、バンプ電極と電極パッドという異種金属間の接合を行なうことに伴う接合境界部分における拡散や、Ａｕバンプ電極とＡｌ電極パッドとの合金化によるパープルプレーグの発生や、接合境界領域における熱膨張率が異なる金属間の合金化、金属間化合物の生成に伴うストレスの集中等が大きく影響していること等であり、これらの接合境界領域に起因した事象が超音波接合の強度を弱め、信頼性を低め、作業性を低下させていることが分かる。
【０００７】
しかるに、従来、境界領域に着目して課題を解決しようとする例は、拡散バリア層を介在させる程度に留まり、少ないようである。
【０００８】
さらに、電子部品が、絶縁性の高い圧電体の基板（つまり圧電基板）上に多数の電極指を有するくし型電極を形成した弾性表面波素子のような場合、圧電基板の持つ焦電性のため、バンプ電極の形成工程における加熱、温度変化により焦電荷が発生し、この電荷の電極指間での放電により前記くし型電極の電極パターンが破壊される。
【０００９】
本発明は、超音波接合によって形成される境界領域の構成に着目して、前述した課題を解決し、機械的な接合力を向上させた超音波接合構造及び方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係る超音波接合構造は、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００１２】
本願請求項２の発明に係る超音波接合構造は、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、
前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００１３】
本願請求項３の発明に係る超音波接合構造は、請求項１又は２において、前記第一の導電体はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記第二の導電体は金又は金合金であり、前記高融点金属はクロムであることを特徴としている。
【００１４】
本願請求項４の発明に係る超音波接合方法は、基材上に層状の第一の導電体からなる導体層を被着形成する導体層形成ステップと、
前記基材及び導体層の露出面を覆う高融点金属又はその化合物からなる保護層を形成する保護層形成ステップと、
前記保護層を間に挟んで前記導体層上に第二の導電体からなる導体部を超音波接合することで第一の導電体と第二の導電体の境界に接合界面領域を形成する超音波接合ステップとを有する超音波接合方法であって、
前記接合界面領域又はその近傍に高融点金属又はその化合物からなる分散領域が散在して残るように前記保護層の厚みと超音波接合エネルギーを設定することを特徴としている。
【００１５】
本願請求項５の発明に係る超音波接合方法は、請求項４において、前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波接合構造及び方法の実施の形態を図面に従って説明する。ここで、各実施の形態としては、圧電基板上にくし型電極（交差指状電極）を形成してなる弾性表面波（ＳＡＷ）素子について説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１（ａ）に示すように、導体層形成ステップにて、基材としての圧電基板１上に、アルミニウム又はアルミニウム合金（例えば、Ａｌ−０.５質量％Ｃｕ合金）よりなる弾性表面波用電極としての交差指状電極２（くし型電極の一例）及び配線電極３を含む配線パターン４を形成し、さらに、この配線パターン４の一部に嵩上げ電極を形成しパッド電極５（第一の導電体又はパッド電極を含む導体層）とした。
【００２３】
前記圧電基板１としては、３６°回転Ｙカットのタンタル酸リチウムを使用し、パッド電極５としては、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の配線電極３上に、密着性向上層としてＣｒ膜５ａを０.１μｍ形成した上に、嵩上げ電極としてアルミニウム又はアルミニウム合金膜５ｂを０.５μｍの厚さで重ねて形成した構成とし、弾性表面波素子１０を得た。
【００２４】
次に、保護層形成ステップにて、前記弾性表面波素子１０上の全面に保護層となる極薄い高融点金属層１１を形成した。すなわち、高融点金属層１１は基板１及び配線パターン４及びパッド電極５からなる導体層の露出面を覆う。この高融点金属層１１を構成する高融点金属（及び当該金属の酸化物）の固相維持温度は、前記第一の導電体としてのパッド電極５と後工程で形成する第二の導電体としてのバンプ電極１２のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることが必要であり、一例としてクロム（Ｃｒ）を使用したが、酸化処理により高絶縁化することが可能な他の金属でも同様の効果が得られる。
【００２５】
前記高融点金属層１１の厚さとしては５〜２５オングストロームとした。５オングストローム未満の厚さでは後のバンプ電極形成時の放電破壊防止効果が得られず、また２５オングストロームを超える厚さでは、最後の酸化処理によっても絶縁膜化できず、弾性表面波素子としての機能が劣化することが分かった。具体的に、弾性表面波フィルタを構成した場合、０.５ｄＢ以上の挿入損失劣化となって現れる限界を実験により求めたのが２５オングストロームである。
【００２６】
尚、図１（ａ）,（Ｂ）には一つの素子のみを示しているが、実際にはこの工程は圧電基板ウェーハ上に多数の素子を一括形成する方法で行われるのが普通である。ウェーハの大きさとしては、３インチ型のものが多用される。
【００２７】
次に、上記のようにして形成されたパッド電極５上に、超音波ボールボンドマシンによりバンプ電極１２を形成する（ここではパッド電極から立設したスタッドバンプ電極となっている）。この超音波接合ステップの様子を示したのが図１（ｂ）であり、保護層となる高融点金属層１１を間に挟んでパッド電極５上にバンプ電極１２を超音波接合することでパッド電極５とバンプ電極１２の境界に接合界面領域１５を形成するが、その際に、前記接合界面領域１５を形成する為に加えられる超音波接合エネルギーによって前記高融点金属層１１が分断され、前記接合界面領域又はその近傍に高融点金属としてのＣｒ又はその化合物からなる微小な分散領域が散在して残るように高融点金属層１１の厚みと超音波接合エネルギーを設定する。なお、バンプ電極１２としてはＡｕ若しくは強度向上のため不純物を添加したＡｕ合金が利用される。
【００２８】
最後に、絶縁処理ステップにおいて、前記Ａｕ又はＡｕ合金バンプ電極１２が形成された素子全体を酸素雰囲気中で熱処理を行う。熱処理の条件としては２５０℃、２時間を用いたが、温度、時間は高融点金属層１１を形成している高融点金属の酸化処理が適正となるよう、高融点金属の膜厚に応じて設定すればよい。
【００２９】
（実施の形態２）
先ず、実施の形態１と同様の方法で図１（ａ）に示す構造を形成する。次にこの構造で酸素雰囲気中熱処理を行い、高融点金属層１１を構成している高融点金属の酸化処理を行う。次に、この熱処理により酸化被膜の形成された上から、図１（ｂ）に示すように、超音波ボールボンドマシンによりバンプ電極１２を形成する。最後に、このバンプ電極１２が形成された素子全体を酸素雰囲気中で再度熱処理を行う。この方法によれば、バンプ形成を行う前に、高融点金属層１１について一度熱処理を行うので、高融点金属の酸化が進み、該高融点金属被膜が透明化するので（高融点金属がＣｒの場合）、バンプ電極１２の形成位置決めが容易になるという利点を有する。また、酸化処理を二度に分けて行うので、比較的厚い高融点金属被膜でも絶縁性の高い酸化膜とすることができる。
【００３０】
以上の実施の形態１，２のようにして形成されたバンプ電極１２の基板側パッド電極に対する接合強度を、高融点金属層１１（又は酸化物）を形成しない場合との比較で調べた。バンプ電極の接合径としては、ボールボンドマシンで押し潰した状態でほぼ直径８０μｍとなるように加圧力を調整した。バンプ電極の接合強度は、シェアーテスターを用いたバンプシェアー強度を測定して評価した。その結果、本発明の実施の形態１，２のように接合界面に高融点金属層を介在させた場合のシェアー強度は平均１００ｇｆが得られ、一方、高融点金属層がない場合のシェアー強度としては、平均８０ｇｆとなり、本発明の効果を確認できた。
【００３１】
シェアー強度評価後、バンプ電極が剥離した界面の様子を金属顕微鏡により観察した。その観察結果の概要を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００３２】
図２（ａ）は、高融点金属もしくはその酸化物を界面に介在させた実施の形態１，２の場合の接合の剥離界面であり、バンプ電極であるＡｕが接合部全面に渡りほぼ均一に拡散し（図中、黒い部分が拡散している部分）、その結果接合が強固になっているものと思われる。
【００３３】
一方、図２（ｂ）は高融点金属を介在させない従来の方法による接合の剥離界面であり、バンプ電極であるＡｕの拡散している領域が三日月型に偏在しており、かつ実効面積も小さい。この三日月型の領域、形状は試料によりばらつきはあるが、図２（ａ）に示すようなほぼ均一な拡散の様子を示すような形態は、この従来構造では得られなかった。この三日月型の拡散領域は、バンプ電極を形成するのに用いるボールボンドマシンのキャピラリー形状に対応しており、高融点金属が形成されていないパッド電極上では、このキャピラリーからの押圧により、パッド電極のＡｌ自然酸化膜の一部が破れ、Ａｕの拡散がこの破れた箇所に集中してしまい、よって、接合界面の均一な拡散が得られず、接合強度低下の要因となっているものと思われる。
【００３４】
上記した実施の形態１，２によれば、バンプ電極１２とパッド電極５の接合界面に高融点金属もしくはその化合物を介在させることにより、超音波接合によって形成される接合界面領域１５及びその周辺領域には、パッド電極５及びバンプ電極１２よりも高融点な金属もしくはその酸化物が分散した分散領域が残される。この高融点金属若しくはその酸化物は、超音波エネルギーによって分解されず、接合界面領域内に微小に散在して残る。このように散在した高融点金属若しくはその酸化物は、バンプ電極材のパッド電極内への局所的な過大拡散を防止し、それにより、広い面積での均一な拡散を行わせ、実効的接合面積を増大させ、バンプ電極１２の機械的な接合強度を向上させることができる。
【００３５】
また、パッド電極５上にバンプ電極１２を超音波接合する際、基板１及び電極面が高融点金属若しくはその酸化物で覆われているため、特に基板１が焦電性を有する基板であっても、バンプ電極の超音波接合時の加熱による焦電荷が高融点金属層１１の被覆膜を通して逃げやすくなっているため、電荷蓄積に起因する電極２の放電破壊を防止することが出来る。例えば、バンプ電極を接合すべき素子が弾性表面波素子の場合、高融点金属層１１の被覆とその酸化処理により、弾性表面波素子で従来問題となっている圧電基板の焦電荷による交差指状電極の放電破壊を防止することができ、かつ、製造工程中では低抵抗であり、最終酸化処理により素子完成時には電極間絶縁性の高い変換器を持つ弾性表面波素子とすることが出来る。
【００３６】
さらに、高融点金属としてＣｒを用いた場合、その被覆膜を酸化して酸化膜とすると、酸化膜が可視光に対して透明となり、バンプ電極１２の接合位置決めが容易となるので好ましい。
【００３７】
尚、各実施の形態１，２においては、保護層として高融点金属のＣｒ層を用いたが、高融点無機材料を保護層として用いることも可能である。また、保護層を高絶縁化する処理としては酸化処理を用いた場合について説明したが、高絶縁化できる処理法であればこの方法に限らず、窒化処理等でも有効であることは明らかである（但し、窒化物の固相維持温度が相互に超音波接合すべき第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることが必要である。）。前記保護層を構成するための高融点金属として、Ｃｒ以外に、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｆｅ等も使用可能である。
【００３８】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部との接合界面に高融点無機材料（又は高融点金属）もしくはその化合物を介在させることにより、前記第二の導電体の前記第一の導電体への拡散を均一にして、実効的接合面積を増大させ、第二の導電体の接合強度を向上させることができる。特に、対象素子が弾性表面波素子の場合、高融点金属の被覆とその酸化処理により、弾性表面波素子で従来問題となっている焦電荷による弾性表面波用電極の放電破壊を防止することができ、かつ、前記高融点金属の被覆は製造工程中では低抵抗であるが、最終酸化処理により素子完成時には電極間絶縁性の高い変換器を持つ弾性表面波素子とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１，２を示し、（ａ）はパッド電極形成までの構成を示す正断面図、（ｂ）はバンプ電極形成後の構成を示す正断面図である。
【図２】超音波接合の剥離界面であって、（ａ）は本発明の実施の形態１，２の場合の観察図、（ｂ）は高融点金属層を介在させない従来の場合の観察図である。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２ 交差指状電極
３ 配線電極
４ 配線パターン
５ パッド電極
１０ 弾性表面波素子
１１ 高融点金属層
１２ バンプ電極
１５ 接合界面領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波接合構造及び方法に係り、さらに詳しくはバンプ電極を超音波接合する構造及び接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波接合技術は異種金属間の接合ができること、金属を高温で溶融させることなく低温で接合ができること、微小な領域で精密な接合が可能なこと等から、いろいろな産業分野で利用されている。特に、電子部品では、小型化と高性能化、高機能化と高信頼化が急速に進み、電子部品がチップ化すると共にパッケージも一段と小型化しているので、電極の接続やパッケージの封止等に超音波接合技術が広く使われている。
【０００３】
しかしながら、超音波接合は、一般に押圧を加えて接触させた物体の界面に超音波を加え、振動エネルギーによって物体間を接合する為に、アーク溶接やハンダ付け等の他の接合方法に比べて接合力が弱いこと等に起因して、接続条件の設定が難しく、確実な接合ができず、接続不良が発生しやすい、という本質的な欠点を持っている。
【０００４】
このような従来技術の例として、半導体素子等へのバンプ形成、バンプの基板への接合、電子部品を内蔵した容器の封止等が挙げられる。具体的には、チップ部品に超音波でバンプを接合するボール形成に関しては特開２０００−２９９３４８号公報に、弾性表面波素子のバンプ電極を電極パッドに超音波接続することに関しては特開２００１−１５５４０号公報に、チップ素子を樹脂基板に超音波ボンディングすることに関しては特開２０００−３０６９５７号公報に、また、半導体チップを配線基板上に封止することに関しては特開２００１−７１５４号公報にと、超音波ボンディングの従来技術に関する各種の工夫の多くの例を見ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、特開２０００−２９９３４８号公報ではボール側の形状に着目し、数回の試行によりワイヤボンディングのボール部の変形曲線を求めて、最適なボンディング荷重と超音波振動出力を設定することを開示している。また、特開２００１−１５５４０号公報では、バンプ電極を取り付ける電極パッドに着目し、パッド電極を厚くするために下地層に工夫を加えることを開示している。さらに、特開２０００−３０６９５７号公報では樹脂基板側に着目し、樹脂基板の弾性率を加熱温度により制御することを開示している。また、特開２００１−７１５４号公報では、フィルム状の樹脂封止基材に目を付け、超音波の振動と加圧によってパッド下の基材を押しのけて樹脂フィルムで封止することを開示している。
【０００６】
しかしながら、超音波接合を技術的に仔細に検討すると、接合時の応力による基材の損傷や電極パッドの断線、あるいは、超音波接合条件の設定等に係わる技術的課題の中心は、バンプ電極と電極パッドという異種金属間の接合を行なうことに伴う接合境界部分における拡散や、Ａｕバンプ電極とＡｌ電極パッドとの合金化によるパープルプレーグの発生や、接合境界領域における熱膨張率が異なる金属間の合金化、金属間化合物の生成に伴うストレスの集中等が大きく影響していること等であり、これらの接合境界領域に起因した事象が超音波接合の強度を弱め、信頼性を低め、作業性を低下させていることが分かる。
【０００７】
しかるに、従来、境界領域に着目して課題を解決しようとする例は、拡散バリア層を介在させる程度に留まり、少ないようである。
【０００８】
さらに、電子部品が、絶縁性の高い圧電体の基板（つまり圧電基板）上に多数の電極指を有するくし型電極を形成した弾性表面波素子のような場合、圧電基板の持つ焦電性のため、バンプ電極の形成工程における加熱、温度変化により焦電荷が発生し、この電荷の電極指間での放電により前記くし型電極の電極パターンが破壊される。
【０００９】
本発明は、超音波接合によって形成される境界領域の構成に着目して、前述した課題を解決し、機械的な接合力を向上させた超音波接合構造及び方法を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係る超音波接合構造は、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００１２】
本願請求項２の発明に係る超音波接合構造は、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、
前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００１３】
本願請求項３の発明に係る超音波接合構造は、請求項１又は２において、前記第一の導電体はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記第二の導電体は金又は金合金であり、前記高融点金属はクロムであることを特徴としている。
【００１４】
本願請求項４の発明に係る超音波接合方法は、基材上に層状の第一の導電体からなる導体層を被着形成する導体層形成ステップと、
前記基材及び導体層の露出面を覆う高融点金属又はその化合物からなる保護層を形成する保護層形成ステップと、
前記保護層を間に挟んで前記導体層上に第二の導電体からなる導体部を超音波接合することで第一の導電体と第二の導電体の境界に接合界面領域を形成する超音波接合ステップとを有する超音波接合方法であって、
前記接合界面領域又はその近傍に高融点金属又はその化合物からなる分散領域が散在して残るように前記保護層の厚みと超音波接合エネルギーを設定することを特徴としている。
【００１５】
本願請求項５の発明に係る超音波接合方法は、請求項４において、前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る超音波接合構造及び方法の実施の形態を図面に従って説明する。ここで、各実施の形態としては、圧電基板上にくし型電極（交差指状電極）を形成してなる弾性表面波（ＳＡＷ）素子について説明する。
【００２２】
（実施の形態１）
図１（ａ）に示すように、導体層形成ステップにて、基材としての圧電基板１上に、アルミニウム又はアルミニウム合金（例えば、Ａｌ−０.５質量％Ｃｕ合金）よりなる弾性表面波用電極としての交差指状電極２（くし型電極の一例）及び配線電極３を含む配線パターン４を形成し、さらに、この配線パターン４の一部に嵩上げ電極を形成しパッド電極５（第一の導電体又はパッド電極を含む導体層）とした。
【００２３】
前記圧電基板１としては、３６°回転Ｙカットのタンタル酸リチウムを使用し、パッド電極５としては、前記アルミニウム又はアルミニウム合金の配線電極３上に、密着性向上層としてＣｒ膜５ａを０.１μｍ形成した上に、嵩上げ電極としてアルミニウム又はアルミニウム合金膜５ｂを０.５μｍの厚さで重ねて形成した構成とし、弾性表面波素子１０を得た。
【００２４】
次に、保護層形成ステップにて、前記弾性表面波素子１０上の全面に保護層となる極薄い高融点金属層１１を形成した。すなわち、高融点金属層１１は基板１及び配線パターン４及びパッド電極５からなる導体層の露出面を覆う。この高融点金属層１１を構成する高融点金属（及び当該金属の酸化物）の固相維持温度は、前記第一の導電体としてのパッド電極５と後工程で形成する第二の導電体としてのバンプ電極１２のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることが必要であり、一例としてクロム（Ｃｒ）を使用したが、酸化処理により高絶縁化することが可能な他の金属でも同様の効果が得られる。
【００２５】
前記高融点金属層１１の厚さとしては５〜２５オングストロームとした。５オングストローム未満の厚さでは後のバンプ電極形成時の放電破壊防止効果が得られず、また２５オングストロームを超える厚さでは、最後の酸化処理によっても絶縁膜化できず、弾性表面波素子としての機能が劣化することが分かった。具体的に、弾性表面波フィルタを構成した場合、０.５ｄＢ以上の挿入損失劣化となって現れる限界を実験により求めたのが２５オングストロームである。
【００２６】
尚、図１（ａ）,（Ｂ）には一つの素子のみを示しているが、実際にはこの工程は圧電基板ウェーハ上に多数の素子を一括形成する方法で行われるのが普通である。ウェーハの大きさとしては、３インチ型のものが多用される。
【００２７】
次に、上記のようにして形成されたパッド電極５上に、超音波ボールボンドマシンによりバンプ電極１２を形成する（ここではパッド電極から立設したスタッドバンプ電極となっている）。この超音波接合ステップの様子を示したのが図１（ｂ）であり、保護層となる高融点金属層１１を間に挟んでパッド電極５上にバンプ電極１２を超音波接合することでパッド電極５とバンプ電極１２の境界に接合界面領域１５を形成するが、その際に、前記接合界面領域１５を形成する為に加えられる超音波接合エネルギーによって前記高融点金属層１１が分断され、前記接合界面領域又はその近傍に高融点金属としてのＣｒ又はその化合物からなる微小な分散領域が散在して残るように高融点金属層１１の厚みと超音波接合エネルギーを設定する。なお、バンプ電極１２としてはＡｕ若しくは強度向上のため不純物を添加したＡｕ合金が利用される。
【００２８】
最後に、絶縁処理ステップにおいて、前記Ａｕ又はＡｕ合金バンプ電極１２が形成された素子全体を酸素雰囲気中で熱処理を行う。熱処理の条件としては２５０℃、２時間を用いたが、温度、時間は高融点金属層１１を形成している高融点金属の酸化処理が適正となるよう、高融点金属の膜厚に応じて設定すればよい。
【００２９】
（実施の形態２）
先ず、実施の形態１と同様の方法で図１（ａ）に示す構造を形成する。次にこの構造で酸素雰囲気中熱処理を行い、高融点金属層１１を構成している高融点金属の酸化処理を行う。次に、この熱処理により酸化被膜の形成された上から、図１（ｂ）に示すように、超音波ボールボンドマシンによりバンプ電極１２を形成する。最後に、このバンプ電極１２が形成された素子全体を酸素雰囲気中で再度熱処理を行う。この方法によれば、バンプ形成を行う前に、高融点金属層１１について一度熱処理を行うので、高融点金属の酸化が進み、該高融点金属被膜が透明化するので（高融点金属がＣｒの場合）、バンプ電極１２の形成位置決めが容易になるという利点を有する。また、酸化処理を二度に分けて行うので、比較的厚い高融点金属被膜でも絶縁性の高い酸化膜とすることができる。
【００３０】
以上の実施の形態１，２のようにして形成されたバンプ電極１２の基板側パッド電極に対する接合強度を、高融点金属層１１（又は酸化物）を形成しない場合との比較で調べた。バンプ電極の接合径としては、ボールボンドマシンで押し潰した状態でほぼ直径８０μｍとなるように加圧力を調整した。バンプ電極の接合強度は、シェアーテスターを用いたバンプシェアー強度を測定して評価した。その結果、本発明の実施の形態１，２のように接合界面に高融点金属層を介在させた場合のシェアー強度は平均１００ｇｆが得られ、一方、高融点金属層がない場合のシェアー強度としては、平均８０ｇｆとなり、本発明の効果を確認できた。
【００３１】
シェアー強度評価後、バンプ電極が剥離した界面の様子を金属顕微鏡により観察した。その観察結果の概要を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００３２】
図２（ａ）は、高融点金属もしくはその酸化物を界面に介在させた実施の形態１，２の場合の接合の剥離界面であり、バンプ電極であるＡｕが接合部全面に渡りほぼ均一に拡散し（図中、黒い部分が拡散している部分）、その結果接合が強固になっているものと思われる。
【００３３】
一方、図２（ｂ）は高融点金属を介在させない従来の方法による接合の剥離界面であり、バンプ電極であるＡｕの拡散している領域が三日月型に偏在しており、かつ実効面積も小さい。この三日月型の領域、形状は試料によりばらつきはあるが、図２（ａ）に示すようなほぼ均一な拡散の様子を示すような形態は、この従来構造では得られなかった。この三日月型の拡散領域は、バンプ電極を形成するのに用いるボールボンドマシンのキャピラリー形状に対応しており、高融点金属が形成されていないパッド電極上では、このキャピラリーからの押圧により、パッド電極のＡｌ自然酸化膜の一部が破れ、Ａｕの拡散がこの破れた箇所に集中してしまい、よって、接合界面の均一な拡散が得られず、接合強度低下の要因となっているものと思われる。
【００３４】
上記した実施の形態１，２によれば、バンプ電極１２とパッド電極５の接合界面に高融点金属もしくはその化合物を介在させることにより、超音波接合によって形成される接合界面領域１５及びその周辺領域には、パッド電極５及びバンプ電極１２よりも高融点な金属もしくはその酸化物が分散した分散領域が残される。この高融点金属若しくはその酸化物は、超音波エネルギーによって分解されず、接合界面領域内に微小に散在して残る。このように散在した高融点金属若しくはその酸化物は、バンプ電極材のパッド電極内への局所的な過大拡散を防止し、それにより、広い面積での均一な拡散を行わせ、実効的接合面積を増大させ、バンプ電極１２の機械的な接合強度を向上させることができる。
【００３５】
また、パッド電極５上にバンプ電極１２を超音波接合する際、基板１及び電極面が高融点金属若しくはその酸化物で覆われているため、特に基板１が焦電性を有する基板であっても、バンプ電極の超音波接合時の加熱による焦電荷が高融点金属層１１の被覆膜を通して逃げやすくなっているため、電荷蓄積に起因する電極２の放電破壊を防止することが出来る。例えば、バンプ電極を接合すべき素子が弾性表面波素子の場合、高融点金属層１１の被覆とその酸化処理により、弾性表面波素子で従来問題となっている圧電基板の焦電荷による交差指状電極の放電破壊を防止することができ、かつ、製造工程中では低抵抗であり、最終酸化処理により素子完成時には電極間絶縁性の高い変換器を持つ弾性表面波素子とすることが出来る。
【００３６】
さらに、高融点金属としてＣｒを用いた場合、その被覆膜を酸化して酸化膜とすると、酸化膜が可視光に対して透明となり、バンプ電極１２の接合位置決めが容易となるので好ましい。
【００３７】
尚、各実施の形態１，２においては、保護層として高融点金属のＣｒ層を用いたが、高融点無機材料を保護層として用いることも可能である。また、保護層を高絶縁化する処理としては酸化処理を用いた場合について説明したが、高絶縁化できる処理法であればこの方法に限らず、窒化処理等でも有効であることは明らかである（但し、窒化物の固相維持温度が相互に超音波接合すべき第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることが必要である。）。前記保護層を構成するための高融点金属として、Ｃｒ以外に、Ｎｉ，Ｔｉ，Ｆｅ等も使用可能である。
【００３８】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部との接合界面に高融点無機材料（又は高融点金属）もしくはその化合物を介在させることにより、前記第二の導電体の前記第一の導電体への拡散を均一にして、実効的接合面積を増大させ、第二の導電体の接合強度を向上させることができる。特に、対象素子が弾性表面波素子の場合、高融点金属の被覆とその酸化処理により、弾性表面波素子で従来問題となっている焦電荷による弾性表面波用電極の放電破壊を防止することができ、かつ、前記高融点金属の被覆は製造工程中では低抵抗であるが、最終酸化処理により素子完成時には電極間絶縁性の高い変換器を持つ弾性表面波素子とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１，２を示し、（ａ）はパッド電極形成までの構成を示す正断面図、（ｂ）はバンプ電極形成後の構成を示す正断面図である。
【図２】超音波接合の剥離界面であって、（ａ）は本発明の実施の形態１，２の場合の観察図、（ｂ）は高融点金属層を介在させない従来の場合の観察図である。
【符号の説明】
１ 圧電基板
２ 交差指状電極
３ 配線電極
４ 配線パターン
５ パッド電極
１０ 弾性表面波素子
１１ 高融点金属層
１２ バンプ電極
１５ 接合界面領域
Claims (5)
- 基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、
前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴とする超音波接合構造。 - 基材上に層状に被着して接合面を上面に形成する第一の導電体からなる導体層と、
前記接合面に超音波接合されることで前記第一の導電体との境界に接合界面領域を形成する第二の導電体であって前記接合面に立設して固着される導体部と、
前記接合界面領域又はその近傍に散在して残る高融点金属又はその化合物からなる分散領域を有し、
前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、
前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温であることを特徴とする超音波接合構造。 - 前記第一の導電体はアルミニウム又はアルミニウム合金であり、前記第二の導電体は金又は金合金であり、前記高融点金属はクロムである請求項１又は２記載の超音波接合構造。
- 基材上に層状の第一の導電体からなる導体層を被着形成する導体層形成ステップと、
前記基材及び導体層の露出面を覆う高融点金属又はその化合物からなる保護層を形成する保護層形成ステップと、
前記保護層を間に挟んで前記導体層上に第二の導電体からなる導体部を超音波接合することで第一の導電体と第二の導電体の境界に接合界面領域を形成する超音波接合ステップとを有する超音波接合方法であって、
前記接合界面領域又はその近傍に高融点金属又はその化合物からなる分散領域が散在して残るように前記保護層の厚みと超音波接合エネルギーを設定することを特徴とする超音波接合方法。 - 前記接合界面領域の外側では前記高融点金属又はその化合物からなる保護層が前記導体層又は基材表面を覆っており、前記高融点金属又はその化合物の固相維持温度は前記第一の導電体と第二の導電体のそれぞれの固相維持温度よりも高温である請求項４記載の超音波接合方法。
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