JP4511337B2

JP4511337B2 - 電子装置

Info

Publication number: JP4511337B2
Application number: JP2004375034A
Authority: JP
Inventors: 定功吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2006185966A

Description

本発明は、セラミック基板上に電子回路素子をフリップチップ接合する電子装置の気密封止に関する。

携帯電話機などの高周波フィルタとして使用される表面弾性波デバイスは、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ３）あるいはリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ３）などの圧電性単結晶チップ（以下、ＳＡＷチップと記す）表面に櫛歯状電極対を形成し、これをパッケージ基板に搭載して、パッケージ基板の入出力電極と前記櫛歯状電極対とを電気的に接続して構成される。

通常、ＳＡＷチップは表面弾性波が伝播するチップ面、すなわち櫛歯状電極対の形成された面を上にセラミックパッケージ基板にダイボンドされ、櫛歯状電極対につながる素子入出力電極とそのパッケージ基板の入出力電極とをアルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）を主材とする金属ワイヤでボンディングして電気的接続を行っている。その後、金属性キャップで気密封止して表面弾性波デバイスが構成される。

しかし近年、携帯電話機などの部品に対する小形化の要求が強く、表面弾性波デバイスではＳＡＷチップをパッケージ基板にフリップチップ接続することによりワイヤボンディング領域を省くことでその小形化を図っている。

下記の特許文献１のように、半導体チップを基板にはんだを用いて接合する場合、従来使用していた高温半田は、半田に含まれる鉛が環境汚染物質に指定されており、鉛を含有する錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）半田を使用した電子装置が屋外に廃棄もしくは放置され風雨に曝された場合、環境中に鉛が溶け出し環境を汚染する危険性がある。このため、近年、地球環境保護運動の高まりの中で鉛を含有しない接合材が要求されるようになってきた。

そのために、下記の特許文献２には、気密封止できる構造として、基板上に電子回路素子をフリップチップ接続する電子装置において、電子回路素子の素子入出力電極とセラミック基板の入出力電極との間を金−錫（Ａｕ−Ｓｎ）や導電性ガラス等で接合するとともに、電子回路素子の周縁部と、これと対向する前記基板とを入出力電極と同じ接続方法で接合封止したことを特徴とする電子装置構造が提案されている。
特開平４−２９３３１１号公報特開２００４−２１４４６９号公報

しかしながら、一般的に基板材料の熱膨張係数（例えばアルミナセラミックスの熱膨張係数は約７×１０^-6／℃）と電子回路素子の熱膨張係数（例えばリチウムタンタレートの熱膨張係数は結晶方向によって違うが、１．６×１０^-6〜４．１×１０^-6／℃）には大きな隔たりがあるため、このようなフリップチップパッケージデバイスに熱衝撃等の熱負荷を加えると、接合部に応力が加わる。従来は、応力を緩和するやわらかい鉛−錫（Ｐｂ−Ｓｎ）合金で接合していたが、環境負荷物質である鉛を含むために、鉛を含まない、金―錫（Ａｕ−Ｓｎ）合金が使用される場合がある。

しかし、Ａｕ−Ｓｎ合金のような硬い材料で電子回路素子と基板をフリップチップ接合した場合は応力を緩和することができず、一般的に基板材料より強度の弱い電子回路素子の素子入出力電極には熱膨張係数の違いによる応力がそのまま加わることになり、電子回路素子にひずみが加わることでＳＡＷチップの周波数特性がずれる問題がある。

なお、基板材料を強度の弱いガラエポ基板等で作成すれば電子回路素子にひずみは加わらなくなるが、気密性が低下して電子装置として長期信頼性が低下してしまうことになる。

以上述べたように従来のフリップチップパッケージでは、環境に対する悪影響や周波数特性がずれる問題があった。従って、本発明の電子装置は上記問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、環境汚染物質を含まず、装置に熱負荷が加わってもSAWチップの周波数特性がずれない高精度で且つ高信頼性の電子装置の開発である。

本発明の電子装置は、セラミック基板の上面中央部に前記セラミック基板側から順にメタライズ層、下地金属層および主導体層からなる入出力電極を形成するとともに上面外周部に全周にわたって前記セラミック基板側から順にメタライズ層、下地金属層および主導体層からなる環状金属層を形成し、前記入出力電極に電子回路素子の下面中央部に形成した前記電子回路素子側から順に密着金属層、拡散防止層および主導体層からなる素子入出力電極を接合材を介してフリップチップ接合するとともに前記環状金属層に前記電子回路素子の下面外周部に形成した前記電子回路素子側から順に密着金属層、拡散防止層および主導体層からなる素子環状金属層を封着材を介して全周にわたって接合した電子装置であって、前記環状金属層の前記下地金属層および前記素子環状金属層の前記拡散防止層の少なくとも一方がニッケル−コバルト合金からなり、前記入出力電極の前記下地金属層および前記素子入出力電極の前記拡散防止層の少なくとも一方がニッケル−コバルト合金からなり、前記入出力電極の前記主導体層および前記環状金属層の前記主導体層が金からなり、前記接合材および前記封着材を錫−銀合金を主成分とする半田もしくは錫−銀−銅合金を主成分とする半田に金、ニッケルおよびコバルトを含有させたもので形成したことを特徴とする。

本発明の電子装置は、好ましくは前記封着材中に含まれる金の含有率を、前記接合材中に含まれる金の含有率よりも低くしたことを特徴とする。

本発明の電子装置は、好ましくは前記封着材中に含まれるニッケルの含有率を、前記接合材中に含まれるニッケルの含有率よりも低くしたことを特徴とする。

本発明の電子装置は、好ましくは前記封着材中に含まれるコバルトの含有率を、前記接合材中に含まれるコバルトの含有率よりも低くしたことを特徴とする。

本発明の電子装置は、セラミック基板の上面中央部に入出力電極を形成するとともに上面外周部に全周にわたって環状金属層を形成し、入出力電極に電子回路素子の下面中央部に形成した素子入出力電極を接合材を介してフリップチップ接合するとともに環状金属層に電子回路素子の下面外周部に形成した素子環状金属層を封着材を介して全周にわたって接合した電子装置であって、接合材および封着材を錫−銀合金を主成分とする半田もしくは錫−銀−銅合金を主成分とする半田中に金、ニッケルおよびコバルトを含有させたもので形成したことから、入出力電極部および封止部を接合した場合の電子回路素子とセラミック基板の熱膨張係数の違いによって発生する応力は、接合半田が塑性変形することで吸収されるため、電子回路素子に歪みは発生せず電子装置本来の電気特性を発揮することができ、また、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ｃｏ合金を半田中に形成していることによって、ボード実装時のリフローの２５０℃程度の温度が加わったとしても接合半田の気密性が破れない高品質で耐熱性に優れた電子装置となる。

本発明の電子装置は、好ましくは封着材中に含まれる金の含有率を、接合材中に含まれる金の含有率よりも低くしたことから、接合材に比べ封着材は金の含有による金錫合金による融点上昇による流動性低下の影響が少ないので、封着材はより流動性や密着性に優れ、より密着強度の高い電子装置となる。

本発明の電子装置は、好ましくは封着材中に含まれるニッケルの含有率を、接合材中に含まれるニッケルの含有率よりも低くしたことから、接合材に比べ封着材はニッケルを含有することによる硬度上昇の影響が少ないため、封着材がより柔らかく耐疲労性に優れるので、より熱衝撃信頼性の高い電子装置となる。

本発明の電子装置は、好ましくは封着材中に含まれるコバルトの含有率を、接合材中に含まれるコバルトの含有率よりも低くしたことから、接合材に比べ封着材はコバルトを含有することによる硬度上昇の影響が少ないため、封着材がより柔らかく耐疲労性に優れるので、より熱衝撃信頼性の高い電子装置となる。

次に、本発明の電子装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は本発明の電子装置の封止部の拡大図である。１は電子回路素子、２は電子回路素子１の素子入出力電極、３は電子回路素子の外周部に全周にわたり環状に形成された素子環状金属層である。４はセラミック基板、５はセラミック基板４の表面に形成した入出力電極、６はボード実装するための外部電極、７はセラミック基板の外周部に全周にわたり環状に形成された環状金属層である。

８は素子入出力電極２と入出力電極５とを接合する接合材、９は素子環状金属層３と環状金属層７とを接合する封着材である。

電子回路素子１の表面に形成した素子入出力電極２は、電子回路素子１側からＴｉやＣｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ_２Ｎ等から成る密着金属層２ａ、ＰｔやＰｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｔｉ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る拡散防止層２ｂ、ＡｕやＣｕ，Ｎｉ，Ａｇ等から成る主導体層２ｃからなっている。

また、電子回路素子１の外周部に環状に形成された素子環状金属層３は、電子回路素子１側からＴｉやＣｒ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｔａ_２Ｎ等から成る密着金属層３ａ、ＰｔやＰｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｔｉ−Ｗ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る拡散防止層３ｂ、ＡｕやＣｕ，Ｎｉ，Ａｇ等から成る主導体層３ｃからなっている。

セラミック基板４の表面に形成した入出力電極５は、セラミック基板４側からＷやＭｏ−Ｍｎのメタライズ層５ａ、ＮｉやＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金等からなる下地金属層５ｂ、Ａｕからなる主導体層５ｃからなっている。

セラミック基板４の外周部に環状に形成された環状金属層７は、セラミック基板４側からＷやＭｏ−Ｍｎのメタライズ層７ａ、ＮｉやＮｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｃｏ合金等からなる下地金属層７ｂ、Ａｕからなる主導体層７ｃからなっている。

電子回路素子１は、例えばＳＡＷフィルタの場合は、リチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ_３）あるいはリチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ_３）などのＳＡＷチップを薄板状に切断研磨した後、ＳＡＷフィルタを形成するための櫛歯パターンおよび素子入出力電極２や素子環状金属層３を従来周知の真空蒸着法やスパッタ法によって、密着金属層、拡散防止層、主導体層を形成し、フォトリソグラフィ法等により所望の形状に形成し、それを個片に切断することで作成する。

密着金属層２ａ、３ａは、電子回路素子１との密着性を向上させるためのものであり、その厚みを０．０１〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。密着金属層２ａ、３ａの厚みが０．０１μｍ未満となると、電子回路素子１との密着強度が低下する傾向があり、０．５μｍを超えると膜応力が大きなものとなり電子回路素子１から剥離し易くなる傾向がある。

また、拡散防止層２ｂ、３ｂは、素子入出力電極２や素子環状金属層３を半田等のろう材を介してセラミック基板４の入出力電極５や環状金属層７に接続する際の半田の拡散を防止するためのものであり、その厚みを０．５〜２μｍの範囲とすることが好ましい。拡散防止層２ｂ、３ｂの厚みが０．５μｍ未満となると、ろう材が密着金属層２ａ、３ａに拡散して絶縁基板２との密着性が低下し易くなる傾向があり、２μｍを超えると、拡散防止層２ｂ、３ｂの膜応力が大きなものとなり、密着金属層２ａ、３ａから剥離し易く成る傾向がある。

また、主導体層２ｃ、３ｃは、素子入出力電極２や素子環状金属層３を半田等のろう材を介してセラミック基板４の入出力電極５や環状金属層７に接続する際の半田等のろう材との濡れ性を良くするためのものであり、その厚みを０．１〜０．５μｍの範囲とすることが好ましい。主導体層２ｃ、３ｃの厚みが０．１μｍ未満となると、半田等のろう材との濡れ性が低下する傾向があり、０．５μｍを超えると、膜応力が大きなものとなり拡散防止層１８から剥離し易く成る傾向がある。

セラミック基板４は、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）セラミックス，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス，炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミックス，窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）セラミックス等の無機材料が用いられる。

そして、例えばセラミック基板４がアルミナセラミックスから成る場合であれば、酸化アルミニウムの原料粉末に適当な有機バインダ，溶剤，可塑剤，分散剤等を添加混合して泥漿物を作製し、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シートともいう）を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートに電気的な接続を行なうためメタライズ配線層や貫通導体を、タングステン，モリブデン，マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤，溶媒，可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを使って従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法により形成するとともに、必要に応じてこれらを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作する。

なお、メタライズ層５ａ、７ａはその露出する外表面にニッケル等の耐蝕性に優れた下地金属層５ａ、７ｂを１〜２０μの厚さにめっき法で被着させ、その上に金等の耐蝕性に優れ、かつ良導電性である主導体層５ａ、７ｃをめっき法により０．１〜２μｍの厚さに被着させておくと、メタライズ層７ａの酸化腐食を有効に防止するとともにメタライズ配線層５を外部電気回路基板の配線導体に半田等のろう材を介してろう付けする際、そのろう付け強度を強固となすことができる。

セラミック基板４の入出力電極５および環状金属層７に錫−銀合金を主成分とするクリーム半田や、錫−銀−銅合金を主成分とするクリーム半田を従来周知のスクリーン印刷法等で塗布し、加熱することで溶融し接着することで、接合材８および封着材９を形成する。接合材８と封着材９に同じ半田を使用する場合は、一度に塗布して形成しても良い。

なお、本発明の錫−銀合金を主成分とする半田および錫−銀−銅合金を主成分とする半田とは、錫−銀合金の含有率が５０質量％以上または錫−銀−銅合金の含有率が５０質量％以上の半田をいう。

そして、接合材８と封着材９とを介して、電子回路素子１の素子入出力電極２と素子環状金属層３とを、それぞれセラミック基板４の入出力電極５と環状金属層７とに載置し、加熱して接合することで、接合材８と封着材９とを錫−銀合金を主成分とする半田もしくは錫−銀−銅合金を主成分とする半田に金、ニッケルおよびコバルトを含有させたもので形成した電子装置となる。

接合材８中の金含有率は、接合材８全体を１００質量％とした場合に金は０．１〜１５質量％が好ましい。金が０．１質量％未満の場合は、素子入出力電極２、入出力電極５表面が酸化しやすくなり、接合材８の濡れが悪くなるため、接合の信頼性が低下しやすい傾向がある。金が１５質量％を超えた場合は、接合材８中に融点の高い金−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、接合の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中の金含有率は、封着材９全体を１００質量％とした場合に金は０．１〜１０質量％が好ましい。金が０．１質量％未満の場合は、素子環状金属層３や環状金属層７表面が酸化しやすくなり、封着材９の濡れが悪くなるため、気密封着の信頼性が低下しやすい傾向がある。金が１０質量％を超えた場合は、封着材９中に融点の高い金−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、気密封着の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中の金含有率が、接合材８中の金含有率に比べ、２０〜６０％の含有率であると、接合材８中に生成する金−錫合金より封止材９中に生成する金−錫合金量が少ないことで、接合材８より封着材９の流動性が高いことから、接合材８に熱衝撃等の負荷がかかり難くなるため、熱衝撃に対する電子装置の気密封着信頼性がより高くなるので、より好ましい。

接合材８中のニッケル含有率は、接合材８全体を１００質量％とした場合にニッケルは０．０５〜２０質量％が好ましい。ニッケルが０．０５質量％未満の場合は、接合材８中に融点の高いニッケル−錫合金の生成が少ないために、接合の耐熱性が十分に上がらない傾向がある。ニッケルが２０質量％を超えた場合は、接合材８中に融点の高いニッケル−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、接合の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中のニッケル含有率は、封着材９全体を１００質量％とした場合にニッケルは０．０５〜１５質量％が好ましい。ニッケルが０．０５質量％未満の場合は、封着材９中に融点の高いニッケル−錫合金の生成が少ないために、気密封着の耐熱性が十分に上がらない傾向がある。ニッケルが１５質量％を超えた場合は、封着材９中に融点の高いニッケル−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、気密封着の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中のニッケル含有率が、接合材８中のニッケル含有率に比べ、２０〜６０％の含有率であると、接合材８中に生成するニッケル−錫合金より封止材９中に生成するニッケル−錫合金量が少ないことで、接合材８より封着材９の流動性が高いことから、接合材８に熱衝撃等の負荷がかかり難くなるため、熱衝撃に対する電子装置の気密封着信頼性がより高くなるので、より好ましい。

接合材８中のコバルト含有率は、接合材８全体を１００質量％とした場合にコバルトは０．０１〜３質量％が好ましい。コバルトが０．０１質量％未満の場合は、接合材８中に融点の高いコバルト−錫合金の生成が少ないために、接合の耐熱性が十分に上がらない傾向がある。コバルトが３質量％を超えた場合は、接合材８中に融点の高いコバルト−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、接合の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中のコバルト含有率は、封着材９全体を１００質量％とした場合にコバルトは０．０１〜２質量％が好ましい。コバルトが０．０１質量％未満の場合は、封着材９中に融点の高いコバルト−錫合金の生成が少ないために、気密封着の耐熱性が十分に上がらない傾向がある。コバルトが２質量％を超えた場合は、封着材９中に融点の高いコバルト−錫合金が多く生成するため、流動性が悪くなり、気密封着の信頼性が低下しやすい傾向がある。

封着材９中のコバルト含有率が、接合材８中のコバルト含有率に比べ、２０〜６０％の含有率であると、接合材８中に生成するコバルト−錫合金より封止材９中に生成するコバルト−錫合金量が少ないことで、接合材８より封着材９の流動性が高いことから、接合材８に熱衝撃等の負荷がかかり難くなるため、熱衝撃に対する電子装置の気密封着信頼性がより高くなるので、より好ましい。

ここでは、クリーム半田を使用したが、板状の半田を枠状や円状に打ち抜き、環状金属層７や入出力電極５に置き、その上に電子回路素子１を乗せて加熱して接合しても良い。

また、電子回路素子１の素子入出力電極２や素子環状金属層３は、櫛歯パターンを形成するときと別工程で形成しても良い。別工程で形成した場合は、素子入出力電極２と素子環状金属層３の金属層組成や金属を変えて作成でき、素子環状金属層３の拡散防止層や主導体層の金、ニッケル、コバルトの比率や厚みを変えることでできあがりの電子装置の接合材８と封着材９中の金、ニッケル、コバルト等の含有率を操作することができる。また、別工程で作成した場合は、図３のように密着金属層を拡散防止層や主導体層で完全に覆ってしまうように形成することも可能であり、より信頼性の高い構造とすることができる。

また、主導体層２ｃ、３ｃや５ｃ、７ｃは半田に完全に拡散してしまう場合があり、その場合は、接合材８付近の構成は、図４のように主導体層は無くなってしまう場合がある。

また、電子装置の接合材８と封着材９中の金、ニッケル、コバルト等の含有率を操作するためには、予め、電子回路素子１の素子入出力電極２や素子環状金属層３とセラミック基板４の入出力電極５や環状金属層７の面積を変えて設計することでも操作することができ、要求信頼性に応じた電子装置となすことができる。

本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の電子装置の封止部の拡大断面図である。本発明の電子装置の他の例の封止部の拡大断面図である。本発明の電子装置の他の例の封止部の拡大断面図である。

符号の説明

１：電子回路素子
２：素子入出力電極
３：素子環状金属層
４：セラミック基板
５：入出力電極
７：環状金属層
８：接合材
９：封着材

Claims

セラミック基板の上面中央部に前記セラミック基板側から順にメタライズ層、下地金属層および主導体層からなる入出力電極を形成するとともに上面外周部に全周にわたって前記セラミック基板側から順にメタライズ層、下地金属層および主導体層からなる環状金属層を形成し、前記入出力電極に電子回路素子の下面中央部に形成した前記電子回路素子側から順に密着金属層、拡散防止層および主導体層からなる素子入出力電極を接合材を介してフリップチップ接合するとともに前記環状金属層に前記電子回路素子の下面外周部に形成した前記電子回路素子側から順に密着金属層、拡散防止層および主導体層からなる素子環状金属層を封着材を介して全周にわたって接合した電子装置であって、前記環状金属層の前記下地金属層および前記素子環状金属層の前記拡散防止層の少なくとも一方がニッケル−コバルト合金からなり、前記入出力電極の前記下地金属層および前記素子入出力電極の前記拡散防止層の少なくとも一方がニッケル−コバルト合金からなり、前記入出力電極の前記主導体層および前記環状金属層の前記主導体層が金からなり、前記接合材および前記封着材を錫−銀合金を主成分とする半田もしくは錫−銀−銅合金を主成分とする半田に金、ニッケルおよびコバルトを含有させたもので形成したことを特徴とする電子装置。
前記封着材中に含まれる金の含有率を、前記接合材に含まれる金の含有率よりも低くしたことを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
前記封着材中に含まれるニッケルの含有率を、前記接合材中に含まれるニッケルの含有率よりも低くしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子装置。
前記封着材中に含まれるコバルトの含有率を、前記接合材中に含まれるコバルトの含有率よりも低くしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電子装置。