KR20040074746A - 3중막 입/출력 전극패드 구조를 갖는 플립칩형 디바이스 - Google Patents

3중막 입/출력 전극패드 구조를 갖는 플립칩형 디바이스 Download PDF

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KR20040074746A
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Abstract

본 발명은 표면탄성파(SAW) 필터 등의 플립칩형 디바이스에 관한 것으로, 웨이퍼에 형성되는 입/출력 전극패드의 층구조에서, 이 입/출력 전극패드중 솔더 범프(bump)와 연결되는 층을 금(Au)에서 저렴한 재질로 대체하고, 이에 따라 상기 입/출력 전극패드의 층구조를 간소화시킨 3중막 입/출력 전극패드 구조를 갖는 플립칩형 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기적 소자 패턴이 형성된 웨이퍼(41)와, 전기적 소자 패턴(42)과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드(43)를 갖는 플립칩형 디바이스에 있어서, 상기 입/출력 전극패드(43)는 상기 웨이퍼(41) 상에 형성된 전극 층(43a); 상기 전극 층(43a) 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층(43b); 및 상기 접착 층(43b) 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층(43c)을 구비한 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의하면, 원하는 열적, 기계적 강도 및 특성을 만족하면서 입/출력 패드의 층간 금 확산 문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 공정을 간소화시킬 수 있으며, 또한 원가 절감 및 생산성 향상을 가능하게 하는 효과가 있다

Description

3중막 입/출력 전극패드 구조를 갖는 플립칩형 디바이스{FLIP CHIP TYPE DEVICE WITH THE STRUCTURE OF TRIPLE FILM INPUT/OUTPUT ELECTRODE PAD}
본 발명은 표면탄성파(SAW) 필터 등의 플립칩형 디바이스에 관한 것으로, 특히 웨이퍼에 형성되는 입/출력 전극패드의 층구조에서, 이 입/출력 전극패드중 솔더 범프(bump)와 연결되는 층을 금(Au)에서 저렴한 재질로 대체하고, 이에 따라 상기 입/출력 전극패드의 층구조를 간소화시킴으로써, 원하는 열적, 기계적 강도 및 특성을 만족하면서 입/출력 패드의 층간 금 확산 문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 공정을 간소화시킬 수 있으며, 또한 원가 절감 및 생산성 향상을 가능하게 하는 3중막 입/출력 전극패드 구조를 갖는 플립칩형 디바이스에 관한 것이다.
일반적으로, IC 패키지 분야에서는 제조공정의 간소화 및 사이즈의 소형화를 위해서, 전기 소자가 형성된 웨이퍼를 패키지에 본딩하는 방식이 와이어 본딩 (wire bonding)방식에서 IC 패키지의 소형 제작이 가능하게 하는 솔더범프 본딩(solder bump bonding) 방식으로 전환되고 있는데, 이와 같이 솔더범프 본딩을 이용하여 웨이퍼를 패키지에 본딩한 칩을 플립칩(flip chip)이라 부른다.
이러한 플립칩을 포함하는 플립칩 패키지에서, 표면탄성파(SAW) 필터와 같은 전기 소자는 웨이퍼에 형성되고, 이 소자와 전기적으로 연결된 입/출력 전극 패드가 웨이퍼상에 형성되며, 이 입/출력 전극패드는 패키지에 형성된 도전성 패드와 솔더범프 본딩에 의해서 전기적으로 연결되며, 상기 입/출력 전극패드는 외부의 전기라인과의 전기적인 연결을 행하고, 또한 상기 웨이퍼(21)에 형성되는 소자의 패턴과 패키지와의 원하지 않는 접촉을 방지하기 위한 일정공간을 형성한다.
도 1은 종래의 플립칩형 디바이스 패키지의 정단면 구조도로서, 도 1에 도시된 플립칩형 디바이스 패키지는 패키지(10)에 플립칩형 디바이스(20)가 내장되고, 이 플립칩형 디바이스(20)는 웨이퍼(21)와, 상기 웨이퍼(21)에 형성된 소자의 패턴(22)과, 이 소자의 패턴(22)과 전기적으로 연결되고 상기 웨이퍼(21)에 형성된 복수의 층구조를 갖는 입/출력 전극패드(23)를 포함한다. 상기 입/출력 전극패드(23)는 골드볼 등의 솔더범프(24)를 통해 패키지(10)의 도전성 패드(25)에 연결된다.
도 2는 종래의 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드의 층구조도로서, 도 2에 도시된 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드는 4중막 구조로서 상기 웨이퍼(21)에 형성된 소자의 전극 층(23a)과, 이 전극 층(23a)에 형성된 접착 층(23b)과, 이 접착 층(23b)에 형성된 확산방지 층(23c)과, 그리고, 상기 확산방지 층(23c)에 형성된 전극연결 층(23d)을 포함한다.
상기 접착 층(23b), 확산방지 층(23c) 및 전극연결 층(23d)을 포함하는 층의 두께는 제품마다 다르며, 일 예로서 표면탄성파 필터인 경우, 대략 2200 ~ 2500Å 정도의 두께로 될 수 있다.
또한, 전기 소자가 표면탄성파(SAW) 필터이고, 솔더범프로서 금(Au)이 사용되는 경우, 상기 전극 층(23a)은 소자의 패턴(22)과 같은 재질로서 "AlCu"가 사용될 수 있고, 상기 접착 층(23b)은 접착력이 우수한 티타늄(Ti)이 흔히 사용되며, 상기 확산방지 층(23c)은 니켈(Ni)이 사용되고, 상기 전극연결 층(23d)은 금(Au)이 흔히 사용된다.
상기 전극 층(23a)은 상기 웨이퍼(21)상에 소자의 패턴(22)과 함께 형성되는 층이다. 상기 접착 층(23b)은 상기 전극 층(23a)과 상기 확산방지 층(23c)과의 접착력(Adhesion)을 강화시키는 기능을 행하는 층이다. 상기 전극연결 층(23d)은 금으로 이루어진 솔더범프(24)와의 초음파방식 본딩시 접착력을 향상시키기 위해서 상기 솔더범프(24)와 동일한 물질인 금(Au)이 사용된다. 상기 전극연결 층(23d)으로 금을 사용하는 경우는 금의 특성상 다른 층으로 확산되는 문제가 있으므로 이를 방지하기 위해서 상기 전극연결 층(23d)과 접착 층(23b) 사이에 상기 확산방지 층(23c)이 형성되며, 이 층은 상기 전극연결 층(23d)의 금(Au)이 다른 층으로 확산되는 것을 방지하는 차단(barrier)기능을 행하는 층이다.
이와 같이 상기 전극연결 층과 솔더범프인 골드볼간의 본딩을 간단히 골드패드(GOLD PAD)-골드볼(GOLD BALL) 초음파방식의 본딩이라 할 수 있다.
그러나, 종래의 플립칩형 디바이스에서, 입/출력 전극 패드의 전극연결 층이 값비싼 금(Au)이 사용되는 것과, 이 금으로 전극연결 층이 사용되는 경우 다른 층으로의 금 확산을 방지하기 위한 확산방지 층이 더 필요하다는 것으로 인하여, 적용되는 제품의 원가가 상승되는 문제점이 있다.
또한, 상기 확산방지 층이 전극연결 층의 금이 접착 층으로 확산되는 것을 방지할 수 있지만, 상기 확산방지 층의 니켈(Ni)이 전극연결 층으로 확산되어 전극연결 층을 오염시키는 문제점도 있다. 뿐만 아니라, 또한, 입/출력 전극패드의 층구조가 복잡하게 되고, 이로 인하여 제조공정이 복잡하게 되는 등 여러 가지 문제점이 있다.
게다가, 종래의 입/출력 전극 패드의 전극연결 층이 값비싼 금(Au)으로 형성되는데, 이때 제품 원가 상승문제를 고려해서 두껍게 형성할 수 없고 전극연결 층을 얇게 형성하며, 이러한 얇은 전극연결 층은 충분하지 못한 완충작용으로 골드볼을 충분히 접착되지 못하며, 이에 따라 상기 전극연결 층과 골드볼간의 접착력을 충분히 보장할 수 없게 되어, 결국 제품 사용시 골드볼이 전극연결 층으로부터 물리적으로 쉽게 분리되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 그 목적은 웨이퍼에 형성되는 입/출력 전극패드의 층구조에서, 이 입/출력 전극패드중 솔더 범프(bump)와 연결되는 층을 금(Au)에서 저렴한 재질로 대체하고, 이에 따라 상기 입/출력 전극패드의 층구조를 간소화시킨 플립칩형 디바이스를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 원하는 열적, 기계적 강도 및 특성을 만족하면서 입/출력 패드의 층간 금 확산 문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 공정을 간소화시킬 수 있으며, 또한 원가 절감 및 생산성 향상을 가능하게 하는 플립칩형 디바이스를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 플립칩형 디바이스 패키지의 정단면 구조도이다.
도 2는 종래의 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드의 층구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 패키지의 정단면 구조도이다.
도 4는 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드의 층구조도이다.
도 5a는 종래 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드에 골드볼이 본딩된 상태도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드에 골드볼이 본딩된 상태도이다.
도 6은 본 발명 및 종래의 입/출력 전극 패드에 대한 전단응력(shear stress)에 대한 실험결과도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 패키지 40 : 플립칩형 디바이스
41 : 웨이퍼 42 : 패턴
43 : 입/출력 전극패드 43a : 전극층
43b : 접착층 43c : 전극연결 층
44 : 솔더 펌프 45 : 도전성 접촉패드
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 플립칩형 디바이스는
전기적 소자 패턴이 형성된 웨이퍼와, 전기적 소자 패턴과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드를 갖는 플립칩형 디바이스에 있어서,
상기 입/출력 전극패드는
상기 웨이퍼 상에 형성된 전극 층;
상기 전극 층 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층; 및
상기 접착 층 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층
을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플립칩형 디바이스는,
복수의 전극지를 포함하는 표면탄성파(SAW) 필터 소자 패턴이 형성된 웨이퍼와, 표면탄성파(SAW)필터 소자 패턴과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드를 갖는 플립칩형 디바이스에 있어서,
상기 입/출력 전극패드는
상기 웨이퍼 상에 형성된 전극 층;
상기 전극 층 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층; 및
상기 접착 층 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층
을 구비한 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 패키지의 정단면 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스(40)는 전기적 소자 패턴이 형성된 웨이퍼(41)와, 전기적 소자 패턴(42)과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드(43)를 포함하며, 특히 본 발명의 플립칩형 디바이스의 상기 입/출력 전극패드(43)는 상기 웨이퍼(41) 상에 형성된 전극 층(43a)과, 상기 전극 층(43a) 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층(43b)과, 상기 접착 층(43b) 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층(43c)을 포함한다.
상기한 플립칩형 디바이스가 표면탄성파 필터를 포함하는 경우, 이때 본 발명의 플립칩형 디바이스는 복수의 전극지를 포함하는 표면탄성파(SAW) 필터 소자 패턴이 형성된 웨이퍼(41)와, 표면탄성파(SAW)필터 소자 패턴(42)과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드(43)를 포함하며, 특히 본 발명의 플립칩형 디바이스의 상기 입/출력 전극패드(43)는 상기 웨이퍼(41) 상에 형성된 전극 층(43a)과, 상기 전극 층(43a) 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층(43b)과, 상기 접착 층(43b) 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층(43c)을 포함한다. 여기서 상기 웨이퍼(41)에 형성된 표면탄성파 필터소자의 패턴(42)은 표면탄성파 생성을 위해서 빗살 형상으로 형성된 복수의 전극지를 포함하며, 이러한 전극지는 잘 알려져 있는 바와 같이 표면탄성파 필터의 입력 및 출력 패턴을 포함하며, 이들 입력 및 출력패턴은 빗살 형상으로 서로 일정간격을 유지하여 서로 맞물려 있다.
도 4는 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드의 층구조도이다.
도 4를 참조하면, 상기 입/출력 전극 패드(43)는 전술한 바와 같이 상기 소자의 전극 층(43a), 상기 접착 층(43b), 상기 전극연결 층(43c)을 포함하여 3중막 구조로 형성되어 있다.
상기 웨이퍼에 형성되는 전기적 소자가 "AlCu" 재질의 표면탄성파 필터인 경우에, 상기 전극 층(43a)은 "AlCu"로 이루어지고, 상기 접착 층(43b)은 "Ti"로 이루어질 수 있으며, 상기 전극연결 층(43c)은 "Al"로 이루어질 수 있다.
상기 접착 층(43b)이 "Ti"로 이루어지는 경우, 상기 입/출력 전극패드(43)의 층간 접착력(Adhesion)을 강화시킬 수 있고, 상기 전극연결 층(43c)이 "Al"로 이루어지는 경우, 패키지의 도전성 패드(45)와 솔더범프인 골드볼에 의한 초음파방식 본딩이 이루어질 수 있으며, 또한 종래의 금(Au) 대신에 "Al"을 사용하므로, 그 만큼 원가가 절감된다.
상기 입/출력 전극패드(43)는 전극 층(43a), 접착 층(43b) 및 전극연결층(43c)을 포함하는데, 이 3중막 구조중 접착 층(43b) 및 전극연결 층(43c)을 포함하는 두 층의 두께는 대략 4000Å - 8000Å 범위에서 결정될 수 있는데, 제품 생산가와 접착력을 고려해서 대략 5200 Å ±100Å으로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 "Al"의 두께가 5200 Å보다 작을 경우에는 골드볼과의 접착력이 떨어지고, 반면에 "Al"의 두께가 5200 Å보다 클 경우에는 접착력은 양호하지만 많은 양의 "Al"이 사용되므로 원가가 상승하게 된다. 그리고, "AlCu"로 이루어지는 전극 층(43a)의 두께는 제품마다 다르다.
한편, 도 5a는 종래 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드(23)에 골드볼이 본딩된 상태도로서, 도 5a를 참조하면, 종래의 플립칩형 디바이스에서는, 웨이퍼(21)에 형성된 입/출력 전극 패드(23)의 전극연결 층(23d)이 값비싼 금(Au)으로 형성되기 때문에, 제품 원가 상승문제를 고려해서 전극연결 층을 얇게 형성하는데, 이 경우에 있어서는 얇은 두께의 전극연결 층(23d)과 골드볼(24)간의 접착력을 충분히 보장할 수 없다는 문제점이 있었다.
이에 반해, 도 5b는 본 발명에 따른 플립칩형 디바이스의 입/출력 전극 패드(43)에 골드볼(44)이 본딩된 상태도로서, 도 5b를 참조하면, 본 발명에서는 'Al'로 이루어지는 전극연결 층(43c)을 종래의 전극연결 층에 비해 상대적으로 두껍게 형성할 수 있어 전극연결 층(43c)과 골드볼(44)과의 접착력을 보다 더 확실하게 보장할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 플립칩형 디바이스가 이동통신 단말기 등에 장착된 경우에, 이 이동통신 단말기가 낙하 등으로 충격을 받으면 보통 전단응력을 받게 되며, 이러한 전단응력에 의해서 입/출력 전극패드(43)에 포함된 접착층과 전극연결층이 물리적으로 분리될 수 있다. 이러한 점을 감안하여 본 발명의 플립칩형 디바이스와 종래의 플립칩형 디바이스 각각에 대한 전단응력 실험을 수행하였고, 그 실험결과는 도 6에 도시한 바와 같다.
도 6은 본 발명 및 종래의 입/출력 전극 패드에 대한 전단응력(shear stress)에 대한 실험결과도로서, 도 6에 도시된 전단응력(shear stress)에 대한 실험결과는, 본 발명의 3중막 입/출력 전극패드중 접착 층(43b) 및 전극연결 층(43c)을 포함하는 두 층의 두께가 5000Å에 대해서 실험한 결과이고, 또한 종래의 4중막 입/출력 전극패드중 접착 층(23b), 확산방지 층(23c) 및 전극연결 층(23d)을 포함하는 층의 두께가 2500Å에 대해서 실험한 결과이다.
도 6에서, "N"은 접착력 실험을 위한 샘플 갯수이고, "mean"은 단락시 전단응력의 평균값으로, 여기서, "mean"의 값이 높을 수록 더 큰 전단응력에 견딜 수 있음을 의미한다. 도 6에서 보인 바와 같이 본 발명의 3중막 입/출력 전극패드의 평균값이 종래의 4중막 입/출력 전극패드의 평균값보다 높은데, 이를 통해 본 발명에 의한 3중막 입/출력 전극패드가 종래의 4중막 입/출력 전극패드보다 접착력이 떨어지지 않고 오히려 향상되는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명은 플립칩형 디바이스는 표면탄성파 필터 뿐만 아니라, 전기적인 소자가 구현되고, 본 발명의 기술적인 사상은 패키지에 플립칩 본딩방식으로 형성되는 디바이스에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 웨이퍼에 형성되는 입/출력 전극패드의 층구조에서, 이 입/출력 전극패드중 솔더 범프(bump)와 연결되는 층을 금(Au)에서 저렴한 재질로 대체하고, 이에 따라 상기 입/출력 전극패드의 층구조를 간소화시킴으로써, 원하는 열적, 기계적 강도 및 특성을 만족하면서 입/출력 패드의 층간 금 확산 문제를 원천적으로 방지할 수 있고, 공정을 간소화시킬 수 있으며, 또한 원가 절감 및 생산성 향상을 가능하게 하는 효과가 있다.
즉, 구체적으로는 "Ti/ Ni/ Au"의 성막으로 이루어지는 2차 패드 성막에서 "Ni/Au" 층을 전부 삭제하고 "Al"막으로 대체함으로써, 공정 간소화가 가능하게 되고, "Au"막 위로 "Ni"이 확산(diffusion)이 되어 "Au"막을 오염시켜 골드볼(Au ball)과의 초음파 방식의 본딩이 안 되는 불량 발생여지를 완전히 해결할 수 있다. 또한, "Al"막으로 대체 조건을 설정함으로써 "Au - Au"간 결합의 효과와 똑같은 초음파 방식의 전기적 결합을 가능하게 하여 원가 절감의 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 구체적인 실시 예에 대한 설명에 불과하고, 본 발명은 이러한 구체적인 실시 예에 한정되지 않으며, 또한, 본 발명에 대한 상술한 구체적인 실시 예로부터 그 구성의 다양한 변경 및 개조가 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 전기적 소자 패턴이 형성된 웨이퍼(41)와, 전기적 소자 패턴(42)과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드(43)를 갖는 플립칩형 디바이스에 있어서,
    상기 입/출력 전극패드(43)는
    상기 웨이퍼(41) 상에 형성된 전극 층(43a);
    상기 전극 층(43a) 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층(43b); 및
    상기 접착 층(43b) 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층(43c)
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접착 층(43b) 및 전극연결 층(43c)의 두께는
    4000Å - 8000Å 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 접착 층(43b) 및 전극연결 층(43c)의 두께는
    5200 Å ±100Å의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 층(43a)은 "AlCu"로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접착 층(43b)은 "Ti"로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
  6. 복수의 전극지를 포함하는 표면탄성파(SAW)필터 소자 패턴이 형성된 웨이퍼(41)와, 표면탄성파(SAW)필터 소자 패턴(42)과 전기적으로 연결되어 솔더범프를 통하여 패키지의 도전성 패드에 연결된 입/출력 전극패드(43)를 갖는 플립칩형 디바이스에 있어서,
    상기 입/출력 전극패드(43)는
    상기 웨이퍼(41) 상에 형성된 전극 층(43a);
    상기 전극 층(43a) 상에 형성되어 층간의 접착력을 강화시키는 접착 층(43b); 및
    상기 접착 층(43b) 상에 형성되어 상기 솔더범프와 본딩이 이루어질 수 있는 알루미늄(Al)으로 이루어진 전극 연결층(43c)
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플립칩형 디바이스.
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