JP4012874B2 - 半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法及びこれを用いたmems素子のパッケージ並びにパッケージ方法 - Google Patents
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Description
MEMS素子は、そのサイズ面や性能面において優れた性能を示すとしても素子の特性上、最小限の素子保護のためのパッケージが必須的である。接着ボンディング等を除くウエハレベルパッケージの場合、接合する二つの基板が0.1μm以下に近接している必要があるという基本条件を有するが、これは、素子の開発における大きな制約として働き得る。また、特別な化学反応によりボンディングを行う場合、反応のために印加される外部因子、即ち、温度、電圧、材料等の特性が素子の作製に大きな影響を与えている。
図1は、このうちの陽極ボンディングの例を概略的に示す断面図である。同図に示すように、特殊ガラス製品にシリコン及び酸化可能な膜をコートした上下基板10、10'に電極30、40を接続し、数百V以上の電圧を印加することにより界面に酸化膜を形成することで接合が行われる。しかしながら、かかる原理のため、この方法では、接触界面が非常に滑らかで且つ特殊な材質でのみボンディングが行われる。ウエハ表面の粗さによってはボンディングが行われないこともあり、パーティクルによってボンディング歩留まりが大きく左右される。しかも、この方法の場合、数百V以上の高圧が素子に印加されるため、接合時において二次的にMSMS素子にエラーが発生するおそれがある。また、比較的高温で作業が行われなければならないという不具合もある。
本発明の第2の目的は、前記ボンディング方法を用いてその接着をより堅固にし、接着面の状態に左右されないMEMSパッケージ及びパッケージ方法を提供することである。
また、前記b)ステップにおいて、前記半田は、前記e)ステップ後の工程の温度より所定の温度以上の高い融点を有する共晶物質を材質とし、前記e)ステップにおいて、前記融点以上に加熱すると、前記トレンチの側方に半田濡れして接合することが好ましい。
そして、半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法は、前記素子と外部とを電気的に接続すべく、前記上基板を貫通してビアホールを形成するステップを更に含み得る。
そして、前記e)ステップは、前記ビアホールに前記半田を挿入し、前記半田を側方に溶融させ接合するステップを更に含み得る。
一方、本発明に係るMEMS素子パッケージは、MEMS素子が上面に形成されている下基板と、前記下基板に結合され前記MEMS素子を保護する上基板を含み、前記上基板は、前記下基板との接着ラインに沿って接着面に形成されたトレンチ、及び前記MEMS素子が位置するキャビティーを含み、前記トレンチには第2のUBMが形成され、前記下基板には、前記接着ライン及び前記トレンチに対応する位置に形成される第1のUBMと、前記第1のUBM上に形成され前記トレンチに挿入された後に所定の温度で溶融されることで前記トレンチの側方に接触している半田が形成される。
また、前記下基板は、前記ビアホールに相応する位置に形成される第4のUBMと、前記第4のUBM上に前記上基板との接合時に前記ビアホールに挿入可能に形成される半田を更に含み得る。
一方、本発明に係るMEMS素子が上面に形成されている下基板と、前記下基板に結合され前記MEMS素子を保護する上基板を含むMEMS素子パッケージのパッケージ方法は、a)前記上基板を貫通するようにビアホールを形成し、前記上基板の接着面に前記下基板との接着ラインに沿ってトレンチを形成するステップと;b)前記トレンチと前記ビアホールに第5のUBMを形成するステップと;c)前記下基板上の前記ビアホールに相応する位置と、前記トレンチに相応する位置に第6のUBMを形成するステップと;d)前記第6のUBM上に所定の厚さの半田めっきを施すステップと;e)前記半田を前記トレンチと前記ビアホールに挿入し、前記上基板と前記下基板とを結合するステップ;及びf)結合された前記上基板と前記下基板を所定の温度に加熱して前記半田を溶融させ、ことで前記トレンチと前記ビアホールのそれぞれ側方に接触させることで、前記上基板と前記下基板とをボンドするステップと; を含む。
また、前記e)ステップにおいて、前記トレンチは、前記半田が完全に挿入可能な深さに形成されたことが好ましい。
また、前記下基板に形成される前記第6のUBMは、前記トレンチと前記ビアホールのそれぞれの開口部よりその幅が所定の長さ大きく形成されたことが好ましい。
また、前記f)ステップにおいて、加熱温度は、前記半田の共晶温度以上であることが好ましい。
また、本発明によると、ウエハレベルパッケージ及び真空実装を必要とし、表面粗さの調節が困難である各種のMEMS工程との互換性に非常に優れている。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。
図8は、本発明に適用された半田の側面接合特性を用いたパッケージボンディングを示す図であり、図7は、これと比較される従来の上下接合特性によるパッケージボンディングを示す図である。
図10aに示すように、本発明に係るMEMS素子パッケージは、ビアホール120とトレンチ130が形成された上基板100、及び半田500とMEMS素子300が形成された下基板200を含む。
上基板100の接触面には、下基板200との接着ラインに沿ってトレンチ130が形成される。トレンチ130は、所定の深さの溝であって、前記半田500が挿入できるように半田500の高さより所定の長さ分深く形成されることが好ましい。そして、トレンチ130による接合ラインは、ダイシング等の後工程の際、外部とMEMS素子とが離隔するようにMEMS素子の全体を取り囲むことが好ましい。
また、上基板100の接着面には、MEMS素子300が位置できるように所定の大きさのキャビティー140が形成される。
図10b及び図10cは、本発明に係る接合工程を示す図である。図10bに示すように、上基板100のトレンチ130とビアホール120に半田500を挿入する。下基板200に形成されたMEMS素子300は、上基板100のキャビティー140に位置するようになる。
前記方法は、既存のウエハボンディングの場合に比べて基板の表面状態に左右されないパッケージ方法であって、半田が溶融することによりビアホール120、トレンチ130が埋められるため、数μmから数十μmの段差が存在するとしてもパッケージに影響を及ぼすことがない。
一方、図10dに示すように、ビアホール120の位置に電気的配線600を満たす必要がある場合、半田濡れ性材質のUBM400bを無電解めっきのシードとして使用可能な材料として選択すると、ボンディングの後、無電解めっきによりシード400bと半田500からめっき膜600が成長し、その結果、ビアホール120を満たすことができるようになる。
10':下基板
11、11':共晶材料
12:接着剤
13:ビアホール
14:電極
15:外部端子の配線
30、40:電極
100:上基板
120:ビアホール
130:トレンチ
140:キャビティー
200:下基板
300:MEMS素子
400a、400b:UBM
500:半田
600:めっき膜
Claims (19)
- a)半導体素子が設けられる下基板上に接着ラインに沿って第1のUBM(バンプ下地金属:Under Bump Metalization)を形成するステップと;
b)前記第1のUBM上に半田めっきを施すステップと;
c)前記下基板に接着される上基板の接着面には前記半田めっきに相応する位置にトレンチを形成し、前記トレンチに第2のUBMを形成するステップと;
d)前記半田を前記トレンチに挿入して前記上基板と前記下基板とを結合するステップ;及び
e)結合された前記上基板と前記下基板とを前記半田の溶融温度以上に加熱して前記半田を溶融させ前記トレンチの側方に接触させることで、前記上基板と前記下基板とを接合するステップと;
を含むことを特徴とする半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。 - 前記c)ステップにおいて、前記トレンチに形成される前記第2のUBMは、前記トレンチ内部の側壁だけに形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- 前記b)ステップにおいて、前記半田は、前記e)ステップ後の工程の温度より所定の温度以上の高い融点を有する共晶物質を材質とし、前記e)ステップにおいて、前記融点以上に加熱すると、前記トレンチの側方に半田濡れして接合することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- 前記接着ライン及びそれに相応する前記トレンチは、前記素子をシールすべく前記下基板上に設けられる前記素子を取り囲むように形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- 前記素子と外部とを電気的に接続すべく、前記上基板を貫通してビアホールを形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- 前記ビアホールを形成するステップは、
前記ビアホールの内側には第3のUBMを形成するステップ;及び
前記下基板には前記ビアホールに相応する位置に半田を形成するステップと;
を含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。 - 前記e)ステップは、前記ビアホールに前記半田を挿入し、前記半田を側方に溶融させ接合するステップを更に含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- 前記ビアホールに形成された前記第3のUBMを無電解めっきのシード(seed)として適用し、無電解めっきにより前記ビアホールを満たすステップを更に含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置におけるフリップチップ方式の側面接合ボンディング方法。
- MEMS素子が上面に形成されている下基板と、前記下基板に結合され前記MEMS素子を保護する上基板を含み、
前記上基板は、前記下基板との接着ラインに沿って接着面に形成されたトレンチ、及び前記MEMS素子が位置するキャビティーを含み、前記トレンチには第2のUBMが形成され、
前記下基板には、前記接着ライン及び前記トレンチに対応する位置に形成される第1のUBMと、前記第1のUBM上に形成され前記トレンチに挿入された後に所定の温度で溶融されることで前記トレンチの側方に接触している半田が形成されていることを特徴とするMEMS素子パッケージ。 - 前記上基板は、前記MEMS素子と外部とを電気的に接続すべく、前記上基板を貫通して形成されるビアホールを更に含むことを特徴とする請求項9に記載のMEMS素子パッケージ。
- 前記下基板は、前記ビアホールに相応する位置に形成される第4のUBMと、前記第4のUBM上に前記上基板との接合時に前記ビアホールに挿入可能に形成される半田を更に含むことを特徴とする請求項10に記載のMEMS素子パッケージ。
- 前記ビアホールの内側には、前記半田が融点以上に加熱されると側方に半田濡れすることで接合されるように第3のUBMを形成することを特徴とする請求項11に記載のMEMS素子パッケージ。
- MEMS素子が上面に形成されている下基板と、前記下基板に結合され前記MEMS素子を保護する上基板を含むMEMS素子パッケージのパッケージ方法であって、
a)前記上基板を貫通するようにビアホールを形成し、前記上基板の接着面に前記下基板との接着ラインに沿ってトレンチを形成するステップと;
b)前記トレンチと前記ビアホールに第5のUBMを形成するステップと;
c)前記下基板上の前記ビアホールに相応する位置と、前記トレンチに相応する位置に第6のUBMを形成するステップと;
d)前記第6のUBM上に所定の厚さの半田めっきを施すステップと;
e)前記半田を前記トレンチと前記ビアホールに挿入し、前記上基板と前記下基板とを結合するステップ;及び
f)結合された前記上基板と前記下基板を所定の温度に加熱して前記半田を溶融させ、前記トレンチと前記ビアホールのそれぞれ側方に接触させることで、前記上基板と前記下基板とをボンドするステップと;
を含むことを特徴とするMEMS素子のパッケージ方法。 - 前記ビアホールを介してMEMS素子をインターコネクトするステップ;及び
前記ビアホールに形成された第6のUBMが無電解めっきのシードとして適用され、無電解めっきで前記ビアホールを満たすステップと;
を更に含むことを特徴とする請求項13に記載のMEMS素子のパッケージ方法。 - 前記e)ステップにおいて、前記トレンチは、前記半田が完全に挿入可能な深さに形成されたことを特徴とする請求項13に記載のMEMS素子のパッケージ方法。
- 前記b)ステップにおいて、前記トレンチと前記ビアホールに形成される第5のUBMは、前記半田が接合工程において側方に半田濡れ可能に形成されることを特徴とする請求項13に記載のMEMS素子のパッケージ方法。
- 前記下基板に形成される前記第6のUBMは、前記トレンチと前記ビアホールのそれぞれの開口部よりその幅が所定の長さ大きく形成されたことを特徴とする請求項13に記載のMEMS素子のパッケージ方法。
- 前記半田は、その融点が前記f)ステップ後の工程の温度より所定の温度高い融点を有する、共晶物質を材質とすることを特徴とする請求項13に記載のMEMS素子のパッケージ方法。
- 前記f)ステップにおいて、加熱温度は、前記半田の共晶温度以上であることを特徴とする請求項18に記載のMEMS素子のパッケージ方法。
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