JP2009016395A - 電子部品の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品の破損を防ぎ、また接合不良を防ぐ電子部品の接合方法を提供する。
【解決手段】基板に設けられた電子部品搭載パッドに、電子部品を接合する電子部品の接合方法であって、電子部品１０の一方の主面に金属膜１１を形成する金属膜形成工程と、電子部品の他方の主面に設けられた電極パッド１２にバンプ１３を形成するバンプ形成工程と、電子部品１０の他方の主面に形成されたバンプ１３が電子部品搭載パッド２４に対応するように配置し、接合用ホーン１２０を電子部品１０の一方の主面の金属膜１１に当接させ超音波を加えることによって接合する電子部品接合工程とを含むものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる電子部品の接合方法に関する。

従来から集積回路素子や電子部品素子等の電子部品を基板にフリップチップ接合する場合は、超音波接合方法が広く用いられている。
超音波接合方法は、一方の主面には、エポキシ樹脂などの絶縁層が形成された集積回路素子や電子部品素子等の電子部品の他方の主面に金（Ａｕ）等の金属製のバンプを形成する工程と、この電子部品を基板に設けられた電子部品用搭載パッドにバンプが接触するように配置し、電子部品の他方の主面にステンレス鋼等で形成されたホーンを当接させ、超音波を印加することで電子部品を振動させ、バンプを摩擦により溶融する工程によって接合する方法である。
図４は、圧電発振器を構成する容器体に集積回路素子が接合されている状態を示した断面図である。
一方の主面にエポキシ樹脂などの絶縁層が形成された集積回路素子２０４の他方の主面に設けられている接続パッドにバンプ２０５を形成し、容器体２０１の凹部空間２０２内に形成されている集積回路素子搭載パッド２０３に前記集積回路素子２０４を載置して、前記集積回路素子２０４の他方の主面に金属製の接合用ホーン３００を当接させ、超音波を加えて集積回路素子２０４を振動させ、前記バンプ２０５を集積回路素子搭載パッド２０３との摩擦により発生する熱により溶融し、熱圧着する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−３５４５８７号公報

しかしながら、従来の電子部品の接合方法は、同じ接合用ホーンで異なる電子部品を繰り返し超音波接合をすることによって、接合用ホーンの電子部品の当接する表面が磨耗し、割れや欠けなどが生じる。このような接合用ホーンを別の電子部品に当接させると、接合用ホーンの割れた箇所や欠けた箇所によって、電子部品の表面が傷ついてしまい、その傷により振動伝達性が低下するおそれがある。又、割れや欠けを生じた接合用ホーンを使用した場合、振動伝達性の低下や異常な振動伝達が発生してしまうといった課題があった。超音波接合の際に、振動伝達性の低下や異常な振動伝達が発生してしまうと接合不良が発生し、落下等の衝撃でも、電子部品が基板から外れてしまう課題があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、電子部品の破損を防ぎ、また接合不良を防ぐ電子部品の接合方法を提供することを課題とする。

本発明の電子部品の接合方法は、基板に設けられた電子部品搭載パッドに、電子部品を接合する電子部品の接合方法であって、電子部品の一方の主面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、電子部品の他方の主面に設けられた電極パッドにバンプを形成するバンプ形成工程と、電子部品の他方の主面に形成されたバンプが電子部品搭載パッドに対応するように配置し、接合用ホーンを前記電子部品の一方の主面の金属膜に当接させ超音波を加えることによって接合する電子部品接合工程とを含むことを特徴とするものである。

また、前記電子部品が集積回路素子であり、ウエハの状態で金属膜形成工程が行なわれ、バンプ形成工程後ウエハの状態を切断し個片化するための切断工程を含むことを特徴とするものである。

また、金属膜が接合用ホーンの材質と同じ高度の材質若しくは接合用ホーンの材質よりも高硬度な材質で形成されていることを特徴とするものである。

本発明の電子部品の接合方法によれば、電子部品の一方の主面に金属膜を形成し、前記金属膜に接合用ホーンを当接させ電子部品を接合し、繰り返し超音波接合をすることによって、接合用ホーンの電子部品の当接面が磨耗し、割れや欠けなどが生じた場合、接合用ホーンを電子部品に当接させると、割れた箇所や欠けた箇所が金属膜に当接することになるので、電子部品の表面は傷つかない。そのため、接合用ホーンからの振動伝達性を安定させることが可能となる。

電子部品を集積回路素子とした場合では、金属膜形成工程の際には、集積回路素子を複数個の集積回路素子が平面状に配列集合したウエハの状態であることにより、ウエハの状態である集積回路素子の一方の主面に一括的に金属膜を形成することができるので、ウエハ内の個々の集積回路素子に形成された金属膜の膜厚を均一にすることができ、生産性を向上させることが可能となる。

また、金属膜を接合用ホーンの材質と同じ硬度の材質、若しくは接合用ホーンの材質よりも高硬度な材質で構成したことにより、接合用ホーンの割れた箇所や欠けた箇所が電子部品の金属膜に当接しても、電子部品本体が傷つくことを防止することが可能となる。
また、電子部品の一方の主面に形成された金属膜の材質を接合用ホーンの材質と同じ硬度の材質、若しくは接合用ホーンの材質よりも高硬度な材質で形成することで、超音波伝達時に接合用ホーンの電子部品当接面と電子部品の表面との間に生じていた噛み込みや滑りといった異常な振動伝達を抑制することが出来る。振動伝達性が安定することで接合不良が防止し、例えば、落下等の衝撃を加えても、電子部品本体が外れてしまうことを防ぐことが可能となる。

以下、本発明における電子部品の接合方法に関する詳細な説明を、各図を参照して行う。
図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の金属膜形成工程を示す断面図であり、図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法のバンプ形成工程を示す断面図であり、図１（ｃ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の切断工程を示す断面図であり、図１（ｄ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の電子部品接合工程を示す断面図である。
図２（ａ）は、本発明の電子部品の接合方法を用いた圧電発振器の製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、図２（ｂ）は、本発明の電子部品の接合方法を用いた圧電発振器の製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。
図３は、本発明の電子部品の接合方法を用いて製造された圧電発振器を示す分解斜視図である。
また、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示していない。更に図示した寸法も一部誇張して示している。

本発明の電子部品の接合方法は、電子部品１０の一つである集積回路素子が搭載されている圧電発振器１００を製造する方法を一例として説明する。以下、被接合物である基板は容器体２０として説明する。尚、圧電発振器１００の説明の後に、電子部品の接合方法の説明をする。
図３に示すように、圧電発振器１００は、一方の主面に凹部空間２１が形成された容器体２０と、前記容器体２０の凹部空間２１内に圧電振動素子３０と、圧電振動素子３０と電気的に接続した発振回路および周波数調整用回路等の電子回路網を内蔵した集積回路素子１０を搭載し、蓋体４０によって圧電振動素子３０及び集積回路素子１０が搭載された凹部空間２１を気密封止した構造となっている。

圧電振動素子３０は、例えば水晶素板が用いられ、前記水晶素板の表裏両主面に励振用電極３１が被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極３１を介して水晶素板に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
このような圧電振動素子３０は、その両主面に被着されている励振用電極３１と凹部空間２１内の搭載部２２の開口側表面に形成されている圧電振動素子搭載パッド２３とを、導電性接着剤５０を介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間２１に設けられた搭載部２２に搭載される。
また、前記搭載部２２は、前記凹部空間２１底面よりも高くなるように形成されている。また、前記圧電振動素子搭載パッド２３は、前記容器体２０の内部の配線導体やビアホール導体等及び凹部空間２１内底面に形成された集積回路素子搭載パッド２４を介して、集積回路素子１０に電気的に接続される。

導電性接着剤５０は、シリコーン樹脂の中に導電性フィラーが含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、またはこれらのうちのいずれかの組み合わせを含むものが用いられている。

集積回路素子１０は、回路形成面に圧電振動素子３０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、該発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子２５を介して圧電発振器外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
集積回路素子１０の一方の主面には、金属膜１１が形成されている。金属膜１１は、アルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレス等の金属と同じ硬度の材質或いは、前記金属よりも高硬度な材質が用いられている。
また集積回路素子１０の他方の主面にはバンプが設けられ、超音波接合により、容器体２０の凹部空間２１内底面に形成された集積回路素子搭載パッド２４と前記バンプを溶融することによって搭載されている。

容器体２０は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数積層することよって形成されており、前記容器体２０の一方の主面には、中央域に開口する矩形状の凹部空間２１が形成されている。また、凹部空間２１を囲繞する容器体２０の側壁部の開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターン２６が形成されている。凹部空間２１内には、前記凹部空間２１の底面より高い位置に形成される搭載部２２と、前記搭載部２２に形成される圧電振動素子搭載パッド２３と、前記凹部空間２１の底面に設けられる集積回路素子搭載パッド２４を備えている。更に、前記容器体２０の他方の主面には外部接続用電極端子２５である電源電圧端子、グランド端子、発振制御端子、発振出力端子が形成されている。

集積回路素子搭載パッド２４は、前記容器体２０の前記凹部空間２１内底面に形成されている。また、集積回路素子搭載パッド２４は、集積回路素子１０に形成されている接続パッドが電気的且つ機械的に接続され、前記容器体２０内部に形成されている配線導体やビアホール導体等を介して外部接続用電極端子２５のうちの発振出力端子、発振制御端子、電源電圧端子に電気的に接続される。

外部接続用電極端子２５は、電源電圧端子、グランド端子、発振制御端子、発振出力端子により構成されており、これらの外部接続用電極端子１３は、圧電発振器１００をマザーボード等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることとなる。

次に本発明の電子部品の接合方法を用いた圧電発振器の製造方法について図１及び図２を用いて説明する。

（金属膜形成工程）
金属膜形成工程は、図１（ａ）に示すように、集積回路素子１０を複数個、平面状に配列集合してなるウエハの一方の主面に金属膜１１を形成する工程である。
前記集積回路素子１０は、単結晶シリコンのインゴットを所定厚みにスライスしてシリコンウエハを得、その他方の主面に従来周知の半導体製造技術を採用し、発振回路等の電子回路や電極パッド１２等を形成することによって製作される。

金属膜１１は、蒸着、スパッタリング、スピンコート法により、ウエハ状の複数個の前記集積回路素子１０の一方の主面上に形成されている。
例えば、スピンコート法は、回転盤上に集積回路素子ウエハを配置し、回転中の集積回路素子のウエハに溶液を滴下し、遠心力を利用して、金属膜１１を形成する。
前記金属膜１１は、接合用ホーン１２０の材質であるアルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレス等の金属と同じ硬度の材質或いは、前記金属よりも高硬度な材質が用いられる。
例えば、超硬合金は、タングステンカーバイド（ＷＣ）とコバール（Ｃｏ）との合金であり、超硬合金のビッカース硬度は、１１．８〜１７．６（ＨＶ／ＧＰａ）である。
接合用ホーン１２０の材質が前記超硬合金の場合、前記金属膜１１は、超硬合金のビッカース硬度よりも高硬度な材質が用いられる。

（バンプ形成工程）
バンプ形成工程は、図１（ｂ）に示すように、ウエハの状態の集積回路素子１０の他方の主面に形成されている電極パッド１２上にバンプ１３を形成する工程である。
バンプ１３は、金属ワイヤの先端を放電溶融させて球状バンプに形成し、球状バンプを集積回路素子１０の電極パッド１２に接合させ、ワイヤを切断することで、集積回路素子１０の他方の主面の電極パッド１２にバンプ１３を形成する。また、バンプ１３の材質としては、金、アルミ、銅が用いられる。

切断工程は、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、複数個の集積回路素子が平面状に配列集合してなるウエハの金属膜１１をダイシングテープ１１０に貼り付け、ダイサーにてウエハを個々の集積回路素子１０に切断する工程である。
前記ダイシングテープ１１０は、ウエハの状態の集積回路素子をダイシング装置のステージ上に固定するとともに、切断分離工程時に、個々の集積回路素子１０が飛び散らないようにしておくためのものであり、ウエハの状態の集積回路素子の他方の主面を上に向けた状態で貼着される。このダイシングテープ１１０には紫外線を照射することで、粘着力が低下するＵＶテープを用いる。

（電子部品接合工程）
電子部品接合工程は、図１（ｄ）に示すように、個片化された集積回路素子１０の他方の主面に形成された電極パッド１２上のバンプ１３と容器体２０に形成された集積回路素子搭載パッド２４が対応するように配置し、接合用ホーン１２０を集積回路素子１０の一方の主面に形成された金属膜１１に当接させ、接合用ホーン１２０から集積回路素子１０に超音波を加えることによって、バンプ１３と集積回路素子搭載パッド２４が摩擦し、その摩擦によって生じた熱によりバンプ１３が溶融して接合する工程である。

接合用ホーン１２０は、通常、アルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレスなどの材質により形成されている。この接合用ホーン１２０を前記集積回路素子１０の一方の主面に形成された金属膜１１に当接させ、超音波を加え、前記集積回路素子１０を接合し、繰り返し行うことによって、接合用ホーン１２０の集積回路素子１０の当接面が磨耗したり、当接面に割れや欠けなどが生じる。このような接合用ホーン１２０を集積回路素子１０の一方の主面に設けた金属膜１１に当接させると、割れた箇所や欠けた箇所が金属膜１１に当接することになるので、前記集積回路素子１０本体を傷つけずにすむため、振動伝達性を安定させることが可能となる。
また、振動伝達性が安定することで接合不良の発生を防止することができ、落下等の衝撃を加えても、集積回路素子１０が容器体２０から外れてしまうことを防ぐことが可能となる。

また、金属膜１１が前記接合用ホーン１２０と同じ材質であるアルミ合金、超硬合金、チタン合金、ステンレスなどで形成されていることにより、前記集積回路素子１０が割れた箇所や欠けた箇所が金属膜１１に当接しても、接合用ホーン１２０と金属膜１１が同じ硬度となるので電子部品が傷つくことを防止することが可能となる。

このようにして本発明の接合方法を行った後に、以下の工程を行う。
図１（ｄ）から続く圧電振動素子搭載工程は、図２（ａ）に示すように、金属膜１１が設けられた集積回路素子が搭載された容器体２０の段差部２２に設けられた圧電振動素子搭載パッド２３に塗布された導電性接着剤５０に圧電振動素子３０を搭載する工程である。
圧電振動素子３０の励振用電極３１と容器体２０の段差部２２に形成された圧電振動素子搭載パッド２３とが導電性接着剤５０を介して電気的・機械的に接続される。

蓋体接合工程は、図２（ｂ）に示すように、金属膜１１が設けられた集積回路素子２０と圧電振動素子３０が搭載された容器体２０の凹部空間２１を覆うように蓋体４０が配置され、蓋体４０と容器体２０の封止用導体パターン２６とを接合する工程である。
前記容器体２０に形成された封止用導体パターン２６上に、前記凹部空間２１を覆う形態の平板状の蓋体４０を配置し、前記蓋体４０に形成した封止部材４１を加熱溶融し、前記容器体２０に蓋体４０を接合する。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
本発明の実施形態においては、前記容器体１０に設けられた１つの凹部空間内に圧電振動素子と集積回路素子を一括に収容した圧電発振器を説明したが、圧電振動素子と集積回路素子が容器体に設けられた複数の凹部空間内に別々に収容されていても構わない。

（変形例１）
本発明の実施形態においては、電子部品として集積回路素子を用いた圧電発振器を用いて説明したが、基板に設けられた弾性表面波素子搭載パッドに弾性表面波素子を搭載された弾性表面波フィルタでも構わない。
弾性表面波素子は、例えば水晶素板が用いられ、前記水晶素板の他方の主面の中央部にＩＤＴ電極が被着形成したものであり、４隅にはバンプを形成するための電極パッドが設けられている。水晶素板の一方の主面には、金属膜が形成されている。
弾性表面波素子の他方の主面に形成されたバンプと基板の弾性表面波素子搭載パッドが対応するように配置し、接合用ホーンを弾性表面波素子の一方の主面に形成された金属膜に当接させ、接合用ホーンから弾性表面波素子に超音波を加えることによって、バンプと弾性表面波素子搭載パッドが摩擦し、その摩擦によって生じた熱によりバンプが溶融して接合する。

（変形例２）
本発明の実施形態においては、電子部品として集積回路素子を用いた圧電発振器を用いて説明したが、基板に設けられたコンデンサ搭載パッドにコンデンサを搭載する際に、本発明の接合方法を用いても構わない。
この際、他方の主面の両端にバンプを形成したコンデンサの他方の主面に金属膜を形成し、コンデンサの他方の主面に形成されたバンプと基板のコンデンサ搭載パッドが対応するように配置し、接合用ホーンをコンデンサの一方の主面に形成された金属膜に当接させ、接合用ホーンからコンデンサに超音波を加えることによって、バンプとコンデンサ搭載パッドが摩擦し、その摩擦によって生じた熱によりバンプが溶融して接合する。
コンデンサの一方の主面に金属膜を形成する場合は、短絡しないように形成することは言うまでもない。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の金属膜形成工程を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法のバンプ形成工程を示す断面図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の切断工程を示す断面図であり、（ｄ）は、本発明の実施形態に係る電子部品の接合方法の電子部品接合工程を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の電子部品の接合方法を用いた圧電発振器の製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の電子部品の接合方法を用いた圧電発振器の製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る電子部品の実装方法を用いて製造された圧電発振器を示す分解斜視図である。 従来の電子部品の実装方法を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・電子部品（集積回路素子）
１１・・・金属膜
１２・・・電極パッド
１３・・・バンプ
２０・・・基板（容器体）
２１・・・凹部空間
２２・・・搭載部
２３・・・圧電振動素子搭載パッド
２４・・・電子部品搭載パッド（集積回路素子搭載パッド）
２５・・・外部接続用電極端子
２６・・・封止用導体パターン
３０・・・圧電振動素子（水晶振動素子）
３１・・・励振用電極
４０・・・蓋体
４１・・・封止部材
５０・・・導電性接着剤
１００・・・圧電発振器
１１０・・・ダイシングテープ
１２０・・・接合用ホーン

Claims (3)

1. 基板に設けられた電子部品搭載パッドに、電子部品を接合する電子部品の接合方法であって、
   電子部品の一方の主面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
   前記電子部品の他方の主面に設けられた電極パッドにバンプを形成するバンプ形成工程と、
   前記電子部品の他方の主面に形成されたバンプが電子部品搭載パッドに対応するように配置し、接合用ホーンを前記電子部品の一方の主面の金属膜に当接させ超音波を加えることによって接合する電子部品接合工程とを、含むことを特徴とする電子部品の接合方法。
2. 前記電子部品が集積回路素子であり、ウエハの状態で金属膜形成工程が行なわれ、バンプ形成工程後ウエハの状態を切断し個片化するための切断工程を含むことを特徴とする請求項１記載の電子部品の接合方法。
3. 前記金属膜が前記接合用ホーンの材質と同じ硬度の材質、若しくは前記接合用ホーンの材質よりも高硬度な材質で形成されていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の接合方法。

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