JP5248868B2 - ろう付け可能な接合部及び該接合部の形成のための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気的な構成部材のためのろう付け可能な接合部であって、該接合部によって前記構成部材をろう付けして電気的に接続する形式のものに関する。特に本発明は、アルミニウムを含む金属被覆若しくは金属膜を備えた構成要素のためのろう付け可能な接合部に関する。アルミニウムは直接にはろう付けできないので、アルミニウム金属被覆上に付加的にろう付け可能な被覆若しくは層を必要としている。
ろう付け可能な接合部は、例えばSMD用構成要素(表面実装用の構成要素若しくは構成部品)のため、若しくはフリップチップ内に組み込まれる構成要素のために用いられる。フリップチップ部品において、表面に構成要素パターン若しくは構成構造体を有するチップは、ろう材から成るバンプを用いて支持基板若しくはサブストレート上にろう付けされている。このような接合方法においては利点として、接合若しくは接続のために必要な費用が少なく、基板上に実装されるチップは接合若しくは接続のための広い面を必要とせず、かつ構成要素パターンはチップと支持基板との間に配置することによって保護されている。
例えば携帯電話内でフィルタとして用いられるSAW構成要素は、さらに小型化されている。フリップチップ部品においてSAW用構成要素は、公知技術を用いて、例えば本発明の出願人によって開発されたCSS-Plus法と呼ばれる技術を用いて容易にパッケージされるようになっており、この場合にチップ寸法は実質的に構成要素寸法を規定し、ひいてはCSSPパッケージ(Chip-Sized-SAM-Package)を規定している。CSSPlusパッケージの例は例えば国際公開03/058812号パンフレットに記載されている。
小型化に際して、チップ表面において所要スペースを節減し、かつ表面上の平面的な構成要素パターンを小さくする必要がある。このために、例えばろう付け可能な接合部若しくはアンダーバンプ金属被覆(UBM)も小さくする必要があり、最新の2GHz範囲の構成要素においてバンプの直径は例えばほぼ90μmである。しかしながらバンプ直径を小さくすると、ろう付け箇所の機械的な安定性を損ない、ろう付け箇所のろう材若しくはバンプは裂断され、ひいては構成要素を損傷するおそれがある。
本発明の課題は、小さくされたろう付け箇所の機械的な強度を改善することである。
前記課題を解決するために本発明の構成では、電気的な構成部材のためのろう付け可能な接合部は、サブストレート若しくは基板上に施されたパッド金属被覆、及び、ろう付けのための領域で前記パッド金属被覆上に施されたアンダーバンプ金属被覆(下面バンプ用金属被覆)を備えており、この場合に、前記パッド金属被覆は、前記アンダーバンプ金属被覆の下側でパターン形成されており、該パターン形成によって基板表面の一部分を露出させてあり、露出させてある前記一部分は前記アンダーバンプ金属被覆と直接に接触しており、つまり換言すると、前記パッド金属被覆は所定のパターンで除去されており、前記パッド金属被覆の除去された部分では前記アンダーバンプ金属被覆は基板の表面と直接に接触している。
本発明は、ろう付け箇所の機械的な強度不足の原因がバンプ自体にあるのではなく、ろう付け可能若しくは溶融接着可能な接合部のために用いられる金属被覆にあるという本発明者による知見に基づくものである。特にUBM金属被覆(アンダーバンプ金属被覆)とその下に位置するパッド金属被覆との間の境界面では、剥離若しくは裂断が生じやすい。
本発明に基づくろう付け可能な接合部では、バンプ結合部の機械的な強度は、剥離がバンプ内でしか剥離を生ぜしめないように改善されており、ろう付け可能な接合部内の強度不足は完全に解消されている。このことは、本発明に基づきUBM金属被覆の下側でパッド金属被覆を、UBM金属被覆が部分的に基板の表面と接触できるようにパターン形成することによって達成されている。このような構成の利点として、機械的な強度はUBM金属被覆と基板表面との結合並びに、UBM金属被覆とパッド金属被覆との結合によって得られるようになっている。さらなる利点として、パッド用金属被覆のパターン形成によってインターフェースの表面を拡大してあり、これによってUBM金属被覆とパッド金属被覆との間の境界面の付着力若しくは接着力を増大している。さらにパターンの交差も強度を高めている。
強度の改善は、UBM金属被覆の下側でパッド金属被覆の一部分を除去してあり、その結果、該部分でUBM金属被覆を直接に基板表面に接触させ、つまり基板表面と結合してあることによってすでに達成されている。有利には、パッド金属被覆はUBM金属被覆の下側で、複数回繰り返される模様、つまり繰り返し模様でパターン形成されており、このようなパターンはUBMに対するインターフェースをさらに増大している。
パッド金属被覆の、UBM金属被覆の下側でのパターン形成は有利には、互いに平行に並べられた複数のストリップ(条片状部分若しくは隆起部)から成る模様、例えば縞模様(縦縞模様若しくは横縞模様)で行われており、ストリップ間では、つまり溝状若しくはスリット状の切欠き部では基板表面は露出しており、その結果、パッド金属被覆上に施されるUBM金属被覆はチップの表面と接触するようになっている。平行な各ストリップは、該ストリップに対して横方向、例えば垂直方向に延びる単数若しくは複数の結合ストリップによって互いに接続されて、ろう付け接合部の電気的なパラメータを改善している。
UBM金属被覆は多層構造で形成され、つまり多層構造体として形成されていてよく、多層構造体は表面側にろう材のための濡れ性の少なくとも1つの層と内部に少なくとも1つの拡散バリア層を有している。これらの層のために原理的にはニッケルを混入することも可能である。拡散バリア層は、有利には比重の高い貴金属、特にプラチナによって形成されている。
ろう付け接合部の強度のさらなる改善は、UBM金属被覆の最下位の層として接着剤層を設けることによって達成され、接着剤層は基板表面へのUBM金属被覆への付着を改善している。タンタル酸リチウム製のチップとして製造されたSAW構成要素にとって、チタンから成る接着剤層を用いることは知られている。パターン形成されたパッド金属被覆を介して、チタンを含む接着剤層を基板に直接に接触させるようになっているろう付け接合部は、ろう付け接合部の機械的な強度をさらに改善している。
パッド金属被覆は、接着剤層と濡れ性のある表面との間に別の1つ若しくは複数の層を備えていてよく、該層は構成要素の熱負荷に際して特にろう付け接合部のバンプ結合部に生じるストレス若しくは負荷(応力)を補償するようになっている。これによって機械的な熱応力を補償できるようになっている。
パッド金属被覆は有利にはUBM金属被覆の下側でのみパターン形成(パターニング)されていて、ほかの領域では、つまりUBM金属被覆の外側の領域では一貫して延びるように施され、すなわち中断されることなく施されている。パッド用金属被覆によって占められる面を小さくする場合でも、パッド金属被覆は一般的にUBM金属被覆よりも大きくなっており、それというのは特にパッド金属被覆は有利には方形に形成されているのに対して、UBM金属被覆はバンプ断面に対応して円形若しくは楕円形に形成されているからである。したがってパッド金属被覆は円形若しくは楕円形にパターン形成された領域を有しており、該領域の上にUBM金属被覆は施されている。
パッド金属被覆自体は一般的に公知の構成で形成されていてよい。標準の金属被覆は、アルミニウムから成る1つの層、若しくはアルミニウムを含む合金から成る1つの層を有している。パッド金属被覆は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金から成る1つの層と、アルミニウムよりも硬い別の層若しくは銅層とから成る多層構造体として形成されていてよい。パッド金属被覆のための有利な多層構造体は、アルミニウム/銅/アルミニウムの層順序で形成されている。もちろんパッド金属被覆の下側に、特にチタンから成る接着剤層を付加的に設けることもできる。
ろう付け可能な接合部の形成のために、構成要素(構成部材)の基板の表面上に、第1のレジスト樹脂層(マスク用のネガ型レジスト若しくはポジ型レジストとして用いられて後で除去される被膜、樹脂被膜)を施し、該レジスト樹脂層に、少なくとも1つの接続面若しくは少なくとも1つのパッドを有する金属被覆のためのパターンを形成し、次いでパッド金属被覆のために必要な層(被膜)を前記第1のレジスト樹脂層の面全体に施し、次いでパターン形成された前記第1のレジスト樹脂層及び前記パッド金属被覆のための層の、前記パターン形成された第1のレジスト樹脂層上に付着する層部分を除去し、次いで第2のレジスト樹脂層を施して、所定のパターンを形成し、つまりUBM金属被覆のためのパターンを形成し、次いでUBM金属被覆(バンプ用層若しくはバンプ用膜)を施し、次いで前記第2のレジスト樹脂層及び該層上の金属被覆を除去するようになっており、この場合に前記第1のレジスト樹脂層のパターンは、UBM金属被覆の領域でパッド金属被覆のために繰り返しの模様で形成され、つまり互いに平行にかつ交互に並べられた切欠き部と隆起部とを有している。
第1及び第2のレジスト樹脂層のパターン形成は有利にはフォトリソグラフィによって行われてよい。第1のレジスト樹脂層の照射(露光)はステッパを用いて行われ、第2のレジスト樹脂層の照射は露光マスクを用いて行われる。ろう付け可能な接合部は、フリップチップでSAW用構成要素を支持体若しくは基板に組み付ける際に用いられる。
次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明してある。図面は本発明の理解のために用いられ、概略的に示されたものであり、正確な寸法比で示されてものではない。同じ構成部分若しくは同じ機能の構成部分には、同じ符号を付してある。図面において、
図1は、基板上のろう付け可能な接合部を示しており、
図2は、パターン形成されたパッド金属被覆の平面を示しており、
図3は、ろう付け可能な1つの接合部の形成時の各工程を示しており、
図4は、UBM金属被覆の層構造の1つの実施例の概略断面図であり、
図5は、UBM金属被覆の層構造の別の実施例の概略断面図である。
図1は、基板上のろう付け可能な接合部を断面(図1a)及び平面(図1b)で概略的に示している。基板SU、例えば半導体基板若しくは圧電用基板上に設けられたろう付け可能な接合部は、基板上に直接に施されたパッド金属被覆PM及び、該パッド金属被覆(接続用金属被覆)上に施されたUBM金属被覆UBMを含んでいる。パッド金属被覆は、パターン形成された領域SBを有しており、該領域(パターン形成領域)は隆起部EHと切欠き部ANとによってパターン形成されており、この場合に、切欠き部では基板SUの表面は露出され、つまり金属被覆で覆われていない。パッド金属被覆は、例えば構成要素の表面に導電性のパターンを形成するために用いられるものと同じ通常の金属被覆若しくは金属膜であり、導電性のパターンでもって形成され、有利には同じ構造で生ぜしめられる。UBM金属被覆UBMは、少なくともパターン形成された領域SBに施されていて、切欠き部(貫通部)AN内に入り込んで、基板SUの表面と接触している。UBM金属被覆の面積を、パターン形成された領域SBよりも小さく若しくは大きくすることも可能である。
図1bはろう付け可能な接合部の平面を示している。パッド金属被覆は平面的な若しくは扁平な金属被覆であり、該金属被覆は、部分的に示すリード線若しくはリード端子ZLを介して構成部材若しくは構成要素の導電性のパターンに接続されるようになっている。パッド金属被覆PMと能動素子用パターン若しくは起動素子用パターンとの電気的な接続を、下側から基板を通して行うことも可能であり、この場合にパッド金属被覆の電気的な接続は、例えば基板若しくは少なくとも1つの上側の基板層を貫く貫通接触部によって行われる。このような実施例ではUBM金属被覆は、パターン化された領域SBを完全に覆っている。
図2は、パッド金属被覆PMの可能なパターン形成を示しており、この場合に図2aには、表面のパターン形成領域SB内の密度の低いパターンを示してあり、図2bには、密度の高いパターン、つまり金属被覆割合の高いパターンを示してある。パッド金属被覆のパターンは、互いに平行にかつ一列に並べて配置された筋状若しくは溝状の複数の切欠き部ANから成っており、各切欠き部は互いに金属被覆の適切なストリップパターンSM(複数の隆起部若しくは条片状部分)によって仕切られている。ストリップパターンのストリップに対して横方向、例えば垂直方向に、該ストリップパターンSMよりも幅の広い1つの接続ストリップVSを延在させてあり、該接続ストリップは、ストリップパターンSMの各ストリップを互いにつないでいる。ストリップパターンは外側のすべての端部で残りのパッド金属被覆PMと導電接続されており、これによってはんだ接合部の直列抵抗は小さく保たれるようになっている。
パターン形成領域SBのパッド金属被覆PMの面積割合は、電気的な所定の値及びストリップパターンSM及び接続ストリップVSとこれらの上に施されるUBM金属被覆(図示省略)との間の必要な電気接続に依存して規定される。金属面の高い面積割合を必要とする場合には、ストリップパターンの厚さが厚くされるか、若しくはストリップパターンの個別のストリップ(縞若しくは条片状部分)の数が、図2bに示してあるように増大される。
原理的には、パターン形成領域SBには任意のパターン形成が可能である。しかしながら図示のパターンは、利点としてステッパを用いて、後で除去されるべき樹脂被覆の露光及び除去によって簡単に作成される。さらなる利点として、ストリップパターンSMのために選ばれた直線状のパターンは、除去技術若しくは切除技術によって特に簡単に形成される。樹脂被覆は金属被覆の、樹脂被覆のパターン上にある金属被覆部分と一緒に簡単に除去される。金属被覆の厚さ及びパターンは、バンプの直径に依存して選ばれ、バンプを小さくすることに伴って金属被覆割合を増大すると有利であり、しかしながら金属被覆割合の増大は、パターン形成を簡単にするために、ストリップパターン(縞模様パターン)にストリップを追加的に設けることによって行われるのではなく、ストリップパターンのストリップの幅を大きくすることによって実施されてよい。接続ストリップVSによって、ストリップパターンのすべてのストリップ間の相互の接続(接触)を改善しており、このことは、電気抵抗を減少させ、パッド金属被覆とUBM金属被覆との間の電気的な接続の改善につながっている。
図3に、ろう付け可能な接合部の形成を概略的な断面で示してある。第1の工程で基板SUの表面全体に、後で除去される樹脂被膜(樹脂被覆、レジスト樹脂層若しくはラッカー層)を施して、第1のマスクAM1をパターン形成してある。樹脂被膜は除去被膜若しくは除去層とも称される。樹脂被膜のパターン形成は、金属被覆のための領域で基板SUの表面を露出させることによって行われている。
次の工程で、パッド金属被覆PMSのための層を第1のマスクAM1上に形成してある。パッド金属被覆は、複数の層を含んでいてよく、この場合に金属被覆の各層は連続する複数の工程で順次に形成される。個別の層は有利には蒸着によって形成される。金属被覆の該形成工程は図3Bに示してある。
図3Cは完成したパッド金属被覆PMを示しており、パッド金属被覆は第1のマスクAM1を、該マスク上にある金属層PMSと一緒に除去することによって形成されている。パッド金属被覆PMは中央の領域に、隆起部EHと切欠き部ANとから成るパターンを有している。
次の工程で第2のマスクAM2は、樹脂被膜を面全体に施し、かつパターン形成することによって形成されている。UBM金属被覆の領域では、樹脂被膜を除去してある。第2のマスクの形成工程は、図3Dに示してある。
図3Eの工程では、UBM金属被覆のための層UBMを面全体に形成してある。図3Fに示す次の工程では、第2のマスクAM2はUBM金属被覆のための金属層UBMSの、該マスク上にある部分と一緒に除去されており、完成したろう付け可能な接合部を達成している。
UBM金属被覆も複数の層で形成されていてよい。図4は、UBM金属被覆UBMのための可能な層構造を示している。基板SUに良好に付着する最下位の層として、有利には粘着剤層若しくは接着剤層HS1を設けてある。UBM金属被覆の最上位の層は、はんだの濡れやすい層BSであり、中間に位置する拡散バリア層は、金属から接合部及び特に基板SUへの不都合な拡散を防止している。拡散は、濡れやすい層BSから起こり、或いははんだ付け過程において濡らされる層BSの金属とろう材との間に生じる合金から起こるものである。
圧電性の材料上に施されるUBM金属被覆若しくはタンタル酸リチウムから成る基板上に施されるUBM金属被覆に、例えば100nmのチタンから成る第1の接着層HS1、200nmのプラチナから成る拡散バリア層及び100nmの金から成る層BSを含む層構造が適している。別の基板の場合に接着材層HSにとって、別の材料を選ぶこともできる。拡散バリアにとっては別の重金属も適している。濡れ性の層BSのための溶解しやすい金は、UBM金属被覆を迅速に処理してろう付けする場合にはニッケルによって代替される。
図5はUBM金属被覆のための別の実施例を示しており、該金属被覆は、第2の接着剤層HS2、応力補償層SK、第1の接着剤層HS1、拡散バリア層DB及び濡れ性の層BSから成っている。応力補償層SKは、構成要素を支持体若しくは基板上にろう付けする場合にUBM金属被覆のろう付け箇所に生じる応力を吸収して補償するために用いられている。応力補償(ストレス補償)は、層厚さを厚くすること並びに圧力補償層のための弾性係数及び熱膨張係数の高い材料を用いることによって達成される。タンタル酸リチウム製の基板上のUMBのために適したUBM金属被覆は、例えば第2の接着剤層HS2としての30nmのチタン、応力補償層SKとしての400nmのアルミニウム、第1の接着剤層HS1としての100nmのチタン、拡散バリア層DBとしての200nmのプラチナ及び濡れ性の層BSとしての100nmの金を含んでいる。
本発明に基づくろう付け可能な接合部は、接続部若しくはパッドと一緒に形成して基板上に配置された導電性のパターンを有する構成要素に特に適している。該ろう付け可能な接合部は、音波で作動する構成要素、特に地上波で作動する構成要素、SAW構成要素若しくはバルク音波で作動するFBAR共鳴器に適している。本発明に基づくろう付け可能な接合部は、ほかのあらゆる基板材料において基板上での接合部の付着若しくは接着の改善を達成し、かつパッド金属被覆とUBM金属被覆との改善された複合体を形成しており、このような複合体は、ろう付け可能な接合部と外周部分とを電気的及び機械的に結合するための改善されたろう付け箇所を成している。これによって、構成要素の信頼性も、ひいては構成要素の耐用年数も高められている。本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、特に使用される材料、パターン及び層厚さはそれぞれ任意に選ばれ得るものである。
基板上のろう付け可能な接合部の断面図 基板上のろう付け可能な接合部の平面図 パターン形成されたパッド金属被覆の1つの実施例の平面図 パターン形成されたパッド金属被覆の別の実施例の平面図 接合部の形成時の第1の工程を示す図 接合部の形成時の第2の工程を示す図 接合部の形成時の第3の工程を示す図 接合部の形成時の第4の工程を示す図 接合部の形成時の第5の工程を示す図 接合部の形成時の第6の工程を示す図 UBM金属被覆の1つの実施例の概略断面図 UBM金属被覆の別の実施例の概略断面図
符号の説明
SU 基板、 PM パッド金属被覆、 UBM UBM金属被覆、SB 領域、 EH 隆起部、 AN 切欠き部、 ZL リード端子、 SM ストリップパターン、 VS 接続ストリップ、 PMS 層、 UBMS 層、 BS 層、 DB 拡散バリア層、 HS 接着剤層、 SK 応力補償層、 AM マスク

Claims (8)

  1. 電気的な構成部材のためのろう付け可能な接合部であって、基板(SU)上に施されたパッド金属被覆(PM)、及び、ろう付けのための領域で前記パッド金属被覆上に施され多層構造体として形成されたUBM金属被覆(UBM)を備えており、前記パッド金属被覆は、前記UBM金属被覆の下側でパターン形成されており、該パターン形成によって基板表面の一部分を露出させてあり、露出させてある前記一部分は前記UBM金属被覆と直接に接触しており、前記パッド金属被覆(PM)は前記UBM金属被覆(UBM)の下側に、互いに平行に並べられた複数のストリップ(SM,EH)から成るパターンを有しており、該パターンの前記複数のストリップは、該ストリップに対して垂直に延びる1つの接続ストリップ(VS)によって互いに接続されており、
    前記パッド金属被覆(PM)は、アルミニウムまたはアルミニウムを含む合金から成る層を有し、
    前記多層構造体は、チタンを含む接着剤層(HS)、Ptを含む拡散バリア層(DB)、及び金を含む濡れ性の層(BS)を有し、
    前記多層構造体はさらに、応力補償層(SK)及び接着剤層(HS)から選ばれた別の層を有することを特徴とする電気的な構成部材のためのろう付け可能な接合部。
  2. パッド金属被覆(PM)はUBM金属被覆(UBM)の下側に、繰り返し模様(SM)のパターンを有している請求項1に記載の接合部。
  3. パッド金属被覆(PM)のパターン形成された領域(SB)は、UBM金属被覆(UBM)の大きさに略一致しており、前記パッド金属被覆(PM)の前記領域以外の領域は、一貫して延びる、パターンが形成されていない金属被覆(PM)を有している請求項1又は2に記載の接合部。
  4. パッド金属被覆(PM)は、更なるを含む多層構造体を有する請求項1からのいずれか1項に記載の接合部。
  5. チタンを含む別の接着剤層(HS2)を、パッド金属被覆(PM)の下側に配置してある請求項1からのいずれか1項に記載の接合部。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載のろう付け可能な接合部を形成する方法において、
    構成部材の基板の表面上に、第1の除去層(AM)を施し、
    前記第1の除去層に、少なくとも1つの接続面若しくはパッドを有する金属被覆のためのパターンを形成し、
    パッド金属被覆(PM)のために必要な層(PMS)を全面的に施し、
    パターン形成された前記第1の除去層(AM)及び前記パッド金属被覆のための層(PMS)の、前記パターン形成された第1の除去層上に付着する層部分を除去し、
    第2の除去層(AM2)を施してUBM金属被覆(UBM)のパターンを形成し
    前記第2の除去層を除去し、UBM金属被覆の領域でパッド金属被覆が互いに交互に並べられた切欠き部(AN)と隆起部(EH)とを有する模様(SM)で、前記第1の除去層のパターンが形成され、
    前記パッド金属被覆(PM)は前記UBM金属被覆(UBM)の下側に、互いに平行に並べられた複数のストリップ(SM,EH)から成るパターン形成前記複数のストリップは、該ストリップに対して垂直に延びる1つの接続ストリップ(VS)によって互いに接続されることを特徴とする、ろう付け可能な接合部を形成する方法。
  7. 第1及び第2の除去層(AM1,AM2)のパターン形成をフォトリソグラフィによって行い、第1の除去層露光のためにステッパを用い、かつ第2の除去層露光のために露光マスクを用いることを特徴とする請求項に記載の方法。
  8. フリップチップで支持体に組み付けられるSAW用構成要素において用いることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のろう付け可能な接合部の使用法。
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