JP4042151B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話等の通信機器あるいは電子機器等に用いられる圧電発振器等の圧電発振器に関するものであり、特に圧電振動素子と他の回路素子、例えば発振回路を構成するＩＣを一体的にパッケージに収納した構成の圧電発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電発振器は、安定して精度の高い発振周波数を得ることができるため、電子機器等の基準周波数源として多種の分野で使用され、また近年はセラミックパッケージ等を用いた表面実装タイプが主流となっている。例えば表面実装用のセラミックパッケージの内部には、圧電振動素子と当該圧電振動素子とともに発振回路を構成するＩＣあるいは圧電発振器の特性を調整する回路素子等の電子部品素子が収納されている。
【０００３】
周知のとおりＩＣをセラミックパッケージに実装する際、概ね２種類の手法があった。一つはワイヤーボンディング技術により接続を行う構成であり、もう一つはフリップチップボンディング技術（フェイスボンディング技術とも称されている）により接続を行う構成である。ワイヤーボンディングによる構成はＩＣの電極パッドを上方に配置し、極細のワイヤーにより、当該電極パッドとパッケージに形成された接続電極とを電気的接続を行う構成であり、フリップチップボンディングはＩＣの電極パッド上にバンプ電極を形成するとともに、当該バンプ電極を下方に向け接続電極と熱圧着あるいは超音波等のエネルギー源により両者を溶着する構成である。
【０００４】
最近においては、圧電発振器の小型化の要請により、セラミックパッケージの下方にＩＣを収納し、その上方に励振電極の形成された圧電振動素子を配置した構成が多用されているが、ワイヤーボンディング技術を用いた場合、ＩＣとパッケージ間に張架されたワイヤーが圧電振動素子に接触し、これにより発振停止あるいは特性の変動が生じることがあった。特に低背化が要求されている近年においては、上述の不具合の生じる可能性が高くなり、フリップチップボンディング技術を採用する機会が多くなってきた。
【０００５】
特開２００２−２３２２５２号はベース（セラミックパッケージ）にＩＣをフリップチップボンディングにより実装し、その上方に圧電振動片を配置した構成が開示されている。本特許文献においてはフリップチップ接合における機械的接合を強化するためにベース実装面とＩＣ素子下面間のギャップにアンダーフィル材（樹脂材）を充填している。
【０００６】
しかしながらこのようなアンダーフィル材はアニール等の安定化処理を行った後でも、樹脂材によるガスが発生することがあり、気密封止後においてもガスの発生によりガス分子が圧電振動素子に形成された励振電極に付着する等により、周波数等の特性変動を生じさせることがあった。このように圧電振動素子を用いる圧電発振器は、微量のガス分子等の付着によっても特性変動が生じやすく、特に高周化に伴って圧電振動素子も小さくなる傾向にあり、よりガスによる影響を受けやすくなっており、ＩＣ等をアンダーフィル材を用いずに、圧電振動素子とともにパッケージ内に収納する構成が望まれていた。
【０００７】
しかしながら例えばＩＣの電極パッドにＡｌを用い、金属バンプにＡｕを用いて熱圧着により金属間接合を行った場合、接合部分にＡｌとＡｕのもろい合金層が形成され、これが拡散により電極パッド内部に進行して形成され、当該接合部分が脆弱化することがあった。従って、従来アンダーフィル材は信頼性を確保する面からも採用せざるを得ない状況であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２３２２５２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、低背化が可能で特性変化を少なくするとともに、ＩＣ等の電子部品の接合強度を向上させた圧電発振器を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、フリップチップボンディングによる電子部品素子を接合するにあたり、電子部品側の電極パッドの膜強度を向上させるものであり、次の構成により解決することができる。
【００１１】
本発明による圧電発振器は請求項１に示すように、搭載面に複数の接続電極が形成されたパッケージに、前記接続電極の一部にフリップチップボンディングにより搭載される電子部品素子と、前記接続電極の他の一部に搭載される圧電振動素子と、が収納されてなる圧電発振器であって、前記電子部品素子は電極パッドを有するとともに、当該電極パッド上には前記接続電極と電気的接続される金属バンプが形成され、かつ当該電極パッド内にアンカー層を形成し、当該アンカー層は前記電極パッドの材料とは異なる材料の複数突部からなり、当該電極パッドに前記アンカー層がくい込んだ状態に形成され、また前記アンカー層の表面には中間層が形成されていることを特徴としている。
【００１２】
電極パッドは、ＩＣ基板（電子部品素子）側に接する下部領域と、金属バンプと接する層が形成された上部領域とに分かれており、当該ＩＣ基板側に接する領域に前述の当該電極パッドの材料とは異なる材料の複数突部からなるアンカー層が形成されている。アンカー層は酸化膜等の絶縁層であってもよいし、金属膜等の導電層であってもよいが、当該アンカー層の表面には電極パッドの材料と密着性のよい中間層を形成することが好ましい。また当該アンカー層を構成する複数の突部は例えば数１０００オングストロームの高さを有する構成で、突起状であったり、突起が峰状に連続した突条構成であってもよい。
【００１３】
請求項１によれば、電極パッド内にアンカー層を形成しているので、金属バンプと電極パッドの材料が合金化し、これが熱等の処理を経ることにより経時的に拡散が進行し、電極パッド内部に脆弱な合金層を形成したとしても、電極パッド内に形成されたアンカー層の存在により機械的強度が維持される。これにより、電子部品素子とパッケージの接続電極との電気的接続も確保されている。
【００１４】
また本発明は請求項２に示すように、搭載面に表面がＡｕからなる複数の接続電極が形成されたパッケージに、前記接続電極の一部にフリップチップボンディングにより搭載されるＩＣ素子と、前記接続電極の他の一部に搭載される圧電振動素子と、が収納されてなる圧電発振器であって、前記ＩＣ素子はＡｌまたはＡｌ合金からなる電極パッドを有するとともに、当該電極パッド上には前記接続電極と電気的接続されるＡｕまたはＡｕ合金からなるボールボンディングによる金属バンプが形成され、かつ当該電極パッド内にアンカー層を形成し、当該アンカー層は前記電極パッドの材料とは異なる材料の複数突部からなり、当該電極パッドに前記アンカー層がくい込んだ状態に形成され、当該アンカー層は母材となる絶縁層と当該絶縁層の上部に形成されＡｌまたはＡｌ合金と密着性の良好な材料とからなる中間層を有することを特徴とする構成としてもよい。
【００１５】
アンカー層の母材は例えばＰ（リン）が添加された酸化シリコンの絶縁膜からなり、当該絶縁膜の表面には当該アンカー層の表面には電極パッドのＡｌまたはＡｌ合金と密着性のよい中間層、例えば、ＴｉやＴｉＮ膜を形成することが好ましい。これによりアンカー層を含む電極パッド内の膜強度が向上する。
【００１６】
電子部品素子に形成された電極パッドはＡｌまたはＡｌ合金からなり、また金属バンプはＡｕからなり、いずれの金属も比較的軟質である。従って、電極パッド上にボールボンディング技術により金属バンプを形成することは比較的に容易に行うことができる。また金属バンプを構成するＡｕまたはＡｕ合金は、前記電極パッドのＡｌまたはＡｌ合金に拡散し、脆弱な金属間化合物を形成する。当該拡散は使用環境によっては経時的に電極パッド内に深く進行することがある。しかしながら、前述のとおり、このような場合においても電極パッド内にアンカー層を形成しているので、ＡｕとＡｌが脆弱な合金層を形成し、これが熱等の処理を経ることにより経時的に拡散が進行し、脆弱な合金層を形成したとしても、電極パッド内に形成されたアンカー層の存在により機械的強度が維持される。
【００１７】
またパッケージに形成された接続電極の表面に形成されたＡｕ層と電子部品に形成されたＡｕあるいはＡｕ合金からなる金属バンプとは、同種金属によるフリップチップボンディングにより強固にかつ安定して接合される。従って、電極パッドと金属バンプ、金属バンプとパッケージの接続電極の接合状態は実用的な範囲で強固に維持され、経時的な変化によりＡｕ−Ａｌ合金形成が電極パッド内に進行したとしても、実用的な強度を保持することができる。これによりＩＣ素子とパッケージの接続電極とが信頼性の高い状態で電気的接合され、圧電発振器としての機能を損なうことがない。
【００１８】
また請求項３に示すように、前記電極パッドは下部領域と上部領域からなり、下部領域にはバリアメタル層を有すると共に、下部領域の上部にはアンカー層が形成され、かつ当該アンカー層の表面には中間層が形成され、さらに当該中間層の上部に上部領域が形成され、当該上部領域の電極パッド表面に金属バンプが形成されたことを特徴とする請求項１ま たは２記載の圧電発振器であってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を水晶発振器を例にとり図１乃至図２とともに説明する。図１は本発明の実施形態を示す水晶発振器の分解斜視図、図２は図１の構成において気密封止した状態を示す内部断面図である。
【００２０】
水晶発振器は、セラミック製のパッケージ１と、当該パッケージ内に格納されるＩＣ４（回路素子）並びに水晶振動板３（圧電振動素子）と、パッケージを気密封止する金属製のリッド（フタ）２とからなる。
【００２１】
パッケージ１はアルミナ等のセラミックスを主材料としたパッケージ本体１０とシール用金属層１１からなり、全体として上方に開口した収納部１２を有する構成である。開口周囲の堤部１０ａ上面にはシール用金属層１１が形成されている。このシール用金属層１１は例えば下層から順にタングステン、ニッケル、金等の多層金属膜からなり、所定の肉厚を形成している。なおシール用金属層は下地の金属膜上にろう付け形成されたコバール等からなる枠状金属（シーム用金属リング）を用いてもよい。また収納部１２には２段の凹部すなわち下方の下部凹部１２ａとその上方に上部凹部１２ｂが形成されている。下部凹部１２ａには接続電極１６，１７，１８，１９が形成され、当該接続電極上にＩＣ４がフリップチップ搭載されている。なお、当該接続電極１６，１７，１８，１９はパッケージ本体の内外に形成された電極配線により、水晶振動板やＩＣ等により水晶発振回路を構成するよう適宜電気的接続されている。
【００２２】
ＩＣ４は半導体素子に電極パッドの形成されたベアチップ構成であり、図２に示すように所定の間隔を持って形成された電極パッド４１，４２，４３，４４（一部図示せず）が外部に導出されており、各電極パッド間は絶縁膜からなる保護膜４５が形成されている。各電極パッドには金属バンプ５１，５２，５３，５４がボールボンディング技術を用いて形成されている。本実施の形態においては電極パッドはその表面すなわち金属バンプ側にＡｌ−Ｃｕ合金が形成されており、金属バンプはＡｕからなっている。前記Ａｌ−Ｃｕ合金は例えばＡｌに対し１重量％のＣｕを添加した構成である。当該Ａｌ−Ｃｕ合金に代えて純度がほぼ１００％のＡｌを用いてもよい。
【００２３】
図３は図２に示す電極パッド４１と金属バンプ５１部分の拡大断面図である。ＩＣ４の半導体基板（シリコン基板）４０上には電極パッド４１が形成されているが、電極パッド４１は下部領域４１１と上部領域４１２とからなる。下部領域４１１には半導体基板４０に接してＡｌ−Ｃｕ合金からなる最下層４１１ａが形成されている。なお、隣接する最下層間にはＢＰＳＧ層４０ａが形成されている。当該ＢＰＳＧ層はシリコン酸化膜中にＢ（ボロン）とＰ（リン）が添加されたガラスである。また最下層の上部にはアンカー層４１１ｂが形成される。アンカー層４１１ｂは突起状のＰ−ＳｉＯ2（リン添加シリコン酸化物）からなり、所定の間隔を持って、例えばマトリクス状に多数個形成されている。当該アンカー層４１１ｂは例えば８０００〜９０００オングストロームの高さであり、例えばＩＣ製造工程で用いられるレジスト膜を用いたドライエッチング技術により形成することができる。
【００２４】
アンカー層４１１ｂの表面には中間層４１１ｃが形成される。当該中間層４１１ｃはその上部に形成されるＡｌあるいはＡｌ合金層との密着性を高める材料を選択することが好ましく、例えばＴｉ（チタン）膜あるいはＴｉＮ（窒化チタン）膜を複数層交互に形成した構成である。当該アンカー層４１１ｂと中間層４１１ｃの上部に、上部領域４１２として、Ａｌ−Ｃｕ合金層を形成する。当該上部領域（Ａｌ−Ｃｕ合金層）４１２の上面は平坦であることが要求されるので、Ａｌ−Ｃｕ合金層を形成した後、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）法等により表面を研磨し、平坦化している。なお、各電極パッド間は半導体基板あるいは電極パッドを保護するためのＰ−ＳｉＮ（リン添加窒化シリコン）からなる保護膜４５を形成している。これら電極パッド、保護膜の形成は半導体基板へのイオン注入等のＩＣ製造工程の中に組み込まれ、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術等により製造される。
【００２５】
電極パッド４１の表面は上述のとおりＡｌ−Ｃｕ合金からなりその上面にＡｕからなる金属バンプ５１，５２，５３，５４が形成される。Ａｕからなる金属バンプはボールボンディング技術を用いて形成される。すなわちワイヤーボンディング技術により、キャピラリから突出したＡｕワイヤーをアーク溶融し、これにより形成されたボール状のＡｕを電極パッドに熱圧着しＡｕからなるボール状金属バンプを形成する。ＩＣ４は金属バンプ側を下方に向け、パッケージの接続電極と熱圧着あるいは超音波等によりフリップチップボンディングされる。
【００２６】
金属バンプのＡｕは熱圧着により、その表面にＡｕ−Ａｌ合金層が形成される。当該Ａｕ−Ａｌ合金層は後工程における熱処理、例えばアニール工程、リフロー工程等において電極パッド内部に拡散し、これが進行する。しかしながら前記アンカー層の存在により、当該Ａｕ−Ａｌ合金層の進行が抑制されるとともに、電極パッド内の膜強度（剥がれ等の破壊強度）が向上しているので、部分的にＡｕ−Ａｌ合金層が形成されたとしても、従来のようにフリップチップ接合されたＩＣが電極パッド部分から剥がれるという不具合はなくなる。
【００２７】
また上部凹部１２ｂにはパッケージ長手方向の一端に金属膜からなる電極パッド１４，１５が短辺に沿って並列して形成され、他方には金属膜からなる補助搭載部１３が形成されている。なお、この補助搭載部は必ずしも設ける必要はない。後述する水晶振動板３はこれら電極パッドに長手方向の一端を片持ち支持され、導電材料の添加されたペースト状接着剤や半田等の導電性接合材Ｚにより電気的接続がなされる。また補助搭載部により水晶振動板の他方端を補助的に支持している。
【００２８】
前記電極パッド１４，１５は所定の電極配線によりＩＣ４と電気的接続され、これによりこれら水晶振動板３とＩＣ４により水晶発振回路を構成している。またこれら電極パッド１４，１５はパッケージの一短辺に沿って並列しており、またこれら電極パッド１４，１５は短辺の外側に並列して形成された圧電振動素子測定電極１６，１７に各々電気的に接続されている。圧電振動素子測定電極１６，１７は本実施の形態においてはパッケージの外壁に凹部が形成され、この凹部内に圧電振動素子測定電極１６，１７が設けられている。このような構成により、他の部材との接触による損傷から圧電振動子測定電極１６，１７を保護することができるが、必ずしも凹部を必要とするものではなく、パッケージ外壁に直接設けてもよい。
【００２９】
またパッケージの側面にはキャスタレーション１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ（一部図示せず）が設けられ、キャスタレーション内部並びにパッケージ底面には各々導出電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４（一部図示せず）が形成され、パッケージ内部の水晶振動板３とＩＣ４で構成される水晶発振回路の出力端子、電源端子、アース端子が対応して引き出されている。
【００３０】
水晶振動板３は矩形状のＡＴカット水晶板からなり、表裏面に励振電極３１，３２（３２は図示せず）並びに引出電極３１１，３２１（３２１は図示せず）が真空蒸着法等の薄膜形成手段にて形成されている。
【００３１】
リッド２はコバール等の金属板の表裏にニッケルメッキされた構成である。当該リッドはパッケージ側の構成にもよるが、必要に応じて裏面すなわちパッケージの接合面側に銀ろう等の金属ろう材を設けてもよい。パッケージ１の開口周囲部分のシール用金属層１１とシーム溶接あるいはビーム溶接等の手段にて接合され、パッケージ内を気密封止する。なお、前記シール用金属層１１は前記アース端子に電気的接続されており、リッドによる電磁シールド構成となっている。
【００３２】
ＩＣに形成された電極パッドおよび金属バンプ構成は上述の構成に限定されるものではなく、例えば図４に示される構成であってもよい。図４はＩＣに形成された電極パッドと金属バンプ部分の断面図である。半導体基板４０上にはＢＰＳＧ層４０ａが形成され、電極パッド４６と接合する部分には当該ＢＰＳＧ層が除去されている。ＢＰＳＧ層はシリコン酸化膜中にＢ（ボロン）とＰ（リン）が添加されたガラスである。半導体基板４０と接する電極パッド４６は下部領域４６１と上部領域４６２からなる。下部領域４６１は、半導体基板４０に接してＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉの多層膜からなるバリアメタル層４６１ａ、その上部にＡｌ−Ｃｕ合金層４６１ｂ、その上部にＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉの多層膜からなるバリアメタル層４６１ｃ、その上部にアンカー層４６１ｄの順で形成されている。アンカー層４６１ｄは突起状のＰ−ＳｉＯ2（リン添加シリコン酸化物）からなり、所定の間隔を持って、例えばマトリクス状に多数個形成されている。当該アンカー層４６１ｄは突部が峰状に連続した突状構成であってもよい。
【００３３】
アンカー層４６１ｄの表面には中間層４６１ｅが形成される。当該中間層４６１ｅは上部に形成されるＡｌあるいはＡｌ合金層との密着性を高める材料を選択することが好ましく、例えばＴｉ／ＴｉＮ／Ｔｉの多層膜やあるいはＭｏＳｉ（ケイ化モリブデン）膜を用いてもよい。当該アンカー層と中間層の上部に、上部領域４１２として、Ａｌ−Ｃｕ合金層を形成する。この合金層に代えてＡｌ層を形成してもよい。なお、各電極パッド間は半導体基板あるいは電極パッドを保護するためのＰ−ＳｉＮ（リン添加窒化シリコン）からなる保護膜４７を形成している。当該保護膜４７はＰ−ＳｉＮ以外にＰ−ＳｉＯ2を用いてもよいし、あるいは両者を重ねた層にしてもよい。
【００３４】
電極パッド４６の上面にＡｕからなる金属バンプ５６がボール状に形成される。 金属バンプのＡｕは熱圧着により形成され、電極パッドとの界面にはＡｕ−Ａｌ合金層が形成される。当該Ａｕ−Ａｌ合金層は後工程における熱処理、例えばアニール工程、リフロー工程等において電極パッド内部に拡散し、これが進行する。しかしながら前記アンカー層の存在により、当該Ａｕ−Ａｌ合金層の進行が抑制されるとともに、電極パッド内の膜強度（剥がれ等の破壊強度）が向上しているので、部分的にＡｕ−Ａｌ合金層が形成されたとしても、従来のようにフリップチップ接合されたＩＣが電極パッド部分から剥がれるという不具合はなくなる。
【００３５】
また、上記実施の形態において、パッケージとしてセラミック製のパッケージを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばガラスセラミックスパッケージやガラスパッケージを用いることも可能である。またＩＣ素子以外の電子部品素子の接合構成に適用することも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電極パッド内にアンカー層を形成しているので、金属バンプと電極パッドの材料が合金化し、これが熱等の処理を経ることにより経時的に拡散が進行し、電極パッド内部に脆弱な合金層を形成したとしても、電極パッド内に形成されたアンカー層の存在により機械的強度が維持される。よって、低背化が可能で特性変化を少なくするとともに、ＩＣ等の電子部品の接合強度を向上させた圧電発振器を得ることができる。
【００３７】
また請求項２によれば、電極パッドに形成されたＡｌまたはＡｌ合金と、金属バンプのＡｕにより、脆弱な金属間化合物を形成したとしても、電極パッド内に形成されたアンカー層の存在により機械的強度が維持される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態を示す分解斜視図
【図２】 第１の実施の形態を示す内部断面図
【図３】 電極パッド上に形成された金属バンプの接合構成を示す図
【図４】 電極パッド上に形成された金属バンプの接合構成の他の例を示す図
【符号の説明】
１、４ セラミックパッケージ
１４，１５、電極パッド
１０ パッケージ本体
１１ 金属層
２、５ リッド
２１ 金属層
３ 水晶振動板（圧電振動素子）
４ ＩＣ
４１，４２，４３，４４、４６ 電極パッド
５１，５２，５３，５４，５６ 金属バンプ

Claims (3)

1. 搭載面に複数の接続電極が形成されたパッケージに、前記接続電極の一部にフリップチップボンディングにより搭載される電子部品素子と、前記接続電極の他の一部に搭載される圧電振動素子と、が収納されてなる圧電発振器であって、
   前記電子部品素子は電極パッドを有するとともに、当該電極パッド上には前記接続電極と電気的接続される金属バンプが形成され、かつ当該電極パッド内にアンカー層を形成し、当該アンカー層は前記電極パッドの材料とは異なる材料の複数突部からなり、当該電極パッドに前記アンカー層がくい込んだ状態に形成され、また前記アンカー層の表面には中間層が形成されていることを特徴とする圧電発振器。
2. 搭載面に表面がＡｕからなる複数の接続電極が形成されたパッケージに、前記接続電極の一部にフリップチップボンディングにより搭載されるＩＣ素子と、前記接続電極の他の一部に搭載される圧電振動素子と、が収納されてなる圧電発振器であって、
   前記ＩＣ素子はＡｌまたはＡｌ合金からなる電極パッドを有するとともに、当該電極パッド上には前記接続電極と電気的接続されるＡｕまたはＡｕ合金からなるボールボンディングによる金属バンプが形成され、かつ当該電極パッド内にアンカー層を形成し、当該アンカー層は前記電極パッドの材料とは異なる材料の複数突部からなり、当該電極パッドに前記アンカー層がくい込んだ状態に形成され、当該アンカー層は母材となる絶縁層と当該絶縁層の上部に形成されＡｌまたはＡｌ合金と密着性の良好な材料とからなる中間層を有することを特徴とする圧電発振器。
3. 前記電極パッドは下部領域と上部領域からなり、下部領域にはバリアメタル層を有すると共に、下部領域の上部にはアンカー層が形成され、かつ当該アンカー層の表面には中間層が形成され、さらに当該中間層の上部に上部領域が形成され、当該上部領域の電極パッド表面に金属バンプが形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の圧電発振器。

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