JP2009246562A - 電極構造および電子デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】応力による外部接続端子の剥離や、それに伴う貫通電極の破損を防止した電極構造および電子デバイスを提供する。
【解決手段】前記コンタクトホール10aの内径は、外部接続端子6側の内径よりも貫通電極7側の内径の方が大きくなるように形成されている。また、コンタクトホール10aは、外部接続端子6側から貫通電極7側に向かって前記絶縁膜厚の中間位置まで同一径で形成されてなる垂直壁面部と、前記中間位置から貫通電極7に向かって徐々にその内径が大きくなるように形成されてなる傾斜壁面部を有した構成になっている。このような構成にすることで、コンタクトホール10a内に充填される導電性部材11と第二絶縁膜10との密着面積が増加するので応力に対する剥離強度を上げることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電極構造と、該電極構造を有する電子デバイスに関するものである。
近年、複数の半導体チップを積み重ねたスタック構造の半導体装置や、半導体チップに他の電子部品を積み重ねたスタック構造の電子デバイスや、半導体基板を用いたパッケージに電子部品を収納してなる電子デバイス等が開発されている。そして、前記半導体チップどうしの電気的接続、半導体基板を用いたパッケージ内の電子部品と外部接続端子との電気的接続のために、半導体チップや半導体基板面に貫通電極を形成することが知られている。
前記貫通電極は、半導体基板に貫通孔を形成し、当該貫通孔内面に絶縁膜を形成して絶縁処理した上、その内面に導電部材を充填して形成されるものである。
圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスは、携帯電話、モバイルコンピュータ、PDA(Personal・Digital・Assistant)等の小型情報端末に広く使用されている。この圧電デバイスの構造は、例えば、箱型のパッケージ内に圧電振動片を収容し、このパッケージに蓋部材を接合してパッケージ内を気密に封止した構成となっている。パッケージ内部の圧電振動片と外部接続をなす接続端子は、貫通電極を用いて電気的な接続をなすものがある。
図3は、従来技術による圧電デバイスを示す図で、(a)は断面図、(b)は、蓋部材を除いた平面図である。この図に示す圧電デバイス30は、パッケージ31と、このパッケージ31の底部表面にマウント固定された圧電振動片32と、パッケージ31を気密に封止する蓋部材33とを有した圧電振動子の例である。
圧電振動片32は、例えば水晶からなり、矩形状に加工したATカット振動片である。圧電振動片としては他に音叉型振動片等も用いられる。図3(b)に示したように、圧電振動片32には、その表裏面に励振電極32aが形成されており、該励振電極32aからは、引出しパターンが一端部に延長されており、引出し電極32bを構成している。
パッケージ31は平坦な底部31aと、該底部31aの周縁に立設された壁部31bとを有しており、その内側に圧電振動片32の収容空間となるキャビティCが形成されている。パッケージ31は、底部31aと、壁部31bとが一体に形成されている。また、底部31aと、壁部31bとを別体に構成することも可能である。
パッケージ31の内側の底部には電極パッド35が形成されている。電極パッド35は例えば、ニッケルの下地上に金や銀のメッキを施すことにより形成されている。
また、パッケージ31の底面には両端部にそれぞれ外部接続端子34が形成されている。
パッケージ31の内側の底部表面に形成された電極パッド35は、貫通電極36により外部接続端子34と接続されている。貫通電極36は、貫通孔内に導電性部材、例えば、電解メッキ等によって金(Au)メッキを施すことで貫通孔内を充填して構成されている。
そして、電極パッド35の上には導電部材37を介して、圧電振動片32が支持固定されている。ここで、導電部材37は、導電性接着剤を用いることができる。また、金バンプを利用した金属バンプ接合も可能である。
パッケージ31のキャビティC側の上方には、蓋部材33が種々の手段によって接合される。パッケージ31及び蓋部材33は、ガラスや水晶、あるいはシリコンなどによって形成される。尚、パッケージ31を半導体基板であるシリコン基板で形成する場合は、シリコン基板面を電気的に絶縁するための第一絶縁膜38を被覆する必要がある。したがって、キャビティCの底部31a表面、壁部31b内面にも第一絶縁膜38を形成した構成となっている。さらに、パッケージ31の外部底面側には第二絶縁膜39が形成されている。この第二絶縁膜39は、基板の表面に形成された電極パッド35や外部接続端子34等の導電パッド間や、それら導電パッドと外部の回路基板の導電パターンとの間に生じる不要な静電容量(寄生容量)による電気的特性の悪化を防止するために設けられている。したがって、前記貫通電極36と外部接続端子34との間には第二絶縁膜39が介在する構成と成るので、第二絶縁膜39にコンタクトホール39aを設け、このコンタクトホール39a内にも導電性部材を充填して貫通電極と接続がなされた電極構造となっている。
パッケージ31と蓋部材33の接合方法は、例えば、接合面に金属膜を形成することにより、陽極接合の手法を用いて行うことができる。また、表面活性化接合の手法を用いることもできる。表面活性化接合は、接合面どうしの表面を活性化して、部材どうしを何も介さずに直接接合するものである。
圧電デバイスは前記したように構成されており、圧電振動片32がパッケージ31の底部に搭載されるとともに、パッケージ31が有するキャビティC内に収容されて、蓋部材33により気密に封止されている。
特開2007−267101号公報
前記した従来の圧電デバイスの電極構造においては、基板下面の第二絶縁膜(ポリイミド)上に配設された外部接続端子(金属膜)に応力が作用すると、外部接続端子が第二絶縁膜(ポリイミド)との界面において剥がれが生じてしまう可能性がある。外部接続端子が剥がれることによって、貫通電極が破損して断線したり、断線しなくとも貫通電極の電気的特性が変化する不具合も危惧される。また、前記圧電デバイスは内部が気密封止されたものであるので、破損箇所でリークが発生して内部の気密性が保たれなくなるといった悪影響を及ぼすことが懸念される。
これは、第二絶縁膜のポリイミドが有機物質膜であるのに対し、外部接続端子が金属膜である事から相性が悪く、密着強度が弱いためである。そこで、両者の密着力を強く保つために、ポリイミド表面をエッチング等で粗してから金属からなる外部接続端子を形成する等の手段が講じられているのが現状であるが、それでもなお充分な密着力が確保できるとは限らない。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、応力による外部接続端子の剥離や、それに伴う貫通電極の破損を防止した電極構造および電子デバイスを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明の電極構造は、基板の表面に絶縁膜の一部を挟んで形成された二つの導電パッドが貫通電極を介して相互に接続された電極構造であって、
前記二つの導電パッドのうち少なくとも一方は、前記絶縁膜の厚み方向に設けられたコンタクトホール内に連通する導電性部材を介して前記貫通電極と接続されており、前記コンタクトホールの内径は、前記導電パッド側の内径よりも前記貫通電極側の内径の方が大きく形成されてなることを特徴とする。
前記コンタクトホールは、前記導電パッド側から前記貫通電極側に向かって前記絶縁膜厚の中間位置まで同一径で形成されてなる垂直壁面部と、前記中間位置から前記貫通電極に向かって徐々にその内径が大きくなるように形成されてなる傾斜壁面部を有する構成とすることができる。
前記コンタクトホール内は、前記導電性部材によって充填した構成にすることができる。
前記導電性部材は、前記導電パッドと一体形成されされた構成にすることができる。
前記コンタクトホール内壁面は、粗面化された構成にすることができる。
前記の電極構造を備えた基板の導電パッド上に電子部品が実装されてなる電子デバイスとする。
本発明によれば、貫通電極と導電パッドを接続するための絶縁膜に設けられるコンタクトホール内径を前記導電パッド側の内径よりも前記貫通電極側の内径の方を大きく形成したので、コンタクトホール内に設けられる導電性部材と絶縁膜との密着面積を増加させることができるので応力による外部接続端子の剥離や、それに伴う貫通電極の破損を防止した電極構造および電子デバイスが得られる。
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図1は圧電デバイスを示す図で、(a)は断面図、(b)は(a)に示すA部(電極構造部)拡大図である。
圧電デバイス1は、圧電振動片3を実装する基板となるパッケージ2と、このパッケージ2の底部表面にマウント固定された圧電振動片3と、パッケージ2を気密に封止する蓋部材4とを有している。
圧電振動片3は、例えば水晶からなり、矩形状に加工したATカット振動片や音叉型振動片等が用いられる。圧電振動片3には、その表裏面に励振電極(不図示)が形成されており、該励振電極からは、引出しパターンが一端部に延長され引出し電極(不図示)を構成している。
パッケージ2は平坦な底部2aと、該底部2aの周縁に立設された壁部2bとを有しており、その内側に圧電振動片3の収容空間となるキャビティCが形成されている。パッケージ2は、底部2aと、壁部2bとが一体に形成されている。また、底部2aと、壁部2bとを別体に構成することも可能である。
パッケージ2の内側の底部には電極パッド5が形成されている。電極パッド5は金属材料からなる導電パッドである。
また、パッケージ2の底面には両端部にそれぞれ外部接続端子6が形成されている。外部接続端子6も金属材料からなる導電パッドである。
パッケージ2の内側の底部表面に形成された電極パッド5は、貫通電極7により外部接続端子6と接続されている。貫通電極7は、貫通孔内に導電性部材、例えば、電解メッキ等によって金(Au)メッキを施すことで貫通孔内を充填して構成されている。
そして、電極パッド5の上には導電部材8を介して、圧電振動片3が支持固定されている。ここで、導電部材8は、導電性接着剤を用いることができる。
パッケージ2のキャビティC側の上方には、蓋部材4が種々の手段によって接合される。パッケージ2及び蓋部材4は、シリコン基板からなるものである。パッケージ2は半導体材料であるため、基板面を電気的に絶縁するためキャビティCの内底面に形成される第一絶縁膜9aと、パッケージ2の外部底面に形成される第一絶縁膜9bを有している。第一絶縁膜9a、9bは何れもシリコン酸化膜(SiO)である。さらに、パッケージ2の外部底面側には、前記第一絶縁膜9bに積層される第二絶縁膜10が形成されている。第二絶縁膜10はたと例えばポリイミドである。この第二絶縁膜10は、基板の表面に形成された電極パッド5と外部接続端子6(いずれも導電パッド)間やそれら導電パッドと外部の回路基板の導電パターンとの間に生じる不要な静電容量(寄生容量)による電気的特性の悪化を防止するために設けられている。したがって、前記貫通電極7と外部接続端子6との間には第二絶縁膜10が介在する構成となるので、第二絶縁膜10にコンタクトホール10aを設け、このコンタクトホール10a内にも導電性部材11を充填して貫通電極7と接続がなされた電極構造となっている。
前記コンタクトホール10aの内径は、外部接続端子6側の内径よりも貫通電極7側の内径の方が大きくなるように形成されている。また、コンタクトホール10aは、外部接続端子6側から貫通電極7側に向かって前記絶縁膜厚の中間位置まで同一径で形成され、その壁部はパッケージ2の底部2aの面に対して垂直な壁面部と、前記中間位置から貫通電極7に向かって徐々にその内径が大きくなるように形成され、パッケージ2の底部2aの面に対して傾斜した壁面部を有した構成になっている。このような構成にすることで、コンタクトホール10a内に充填される導電性部材11と第二絶縁膜10との密着面積が増加するので応力に対する剥離強度を上げることができる。さらに、コンタクトホール10aはその一部が傾斜壁面となっているので、前記圧電デバイス1が外部接続端子6を介して外部の回路基板上に実装固定された後、圧電デバイス1と外部の回路基板を引き離そうとするような外部応力が加わったとしても、外部接続端子6と結合された導電性部材11は、前記傾斜壁面がストッパーとして作用するので、外部接続端子6、導電性部材11が剥離しコンタクトホール10aから抜け落ちてしまうようなことも防止できる。
尚、コンタクトホール10a内は、導電性部材11が充填され、閉塞された状態であるが、必ずしも閉塞されている必要はなく、コンタクトホール10aの内壁面に一定の厚みを持たせて形成しても良い。
また、導電性部材11は、外部接続端子6と同一部材または別部材で別体に形成しても良いし、同一材料を用いて一体的に形成しても良い。
さらに、コンタクトホール10a内壁面を粗面化して構成すれば、第二絶縁膜10と導電性部材11との密着力をさらに向上することができる。
パッケージ2と蓋部材4は各々が接合され、パッケージ2内は気密封止される。接合方法は、例えば、接合面に金属膜を形成することにより、陽極接合の手法を用いて行うことができる。また、表面活性化接合の手法を用いることもできる。
圧電デバイスは前記したように構成されており、圧電振動片3がパッケージ2の底部に搭載され前記した電極構造と接続されるので、外部接続端子6の剥離や、それに伴う貫通電極7の破損を防止した圧電デバイスとなる。
続いて、本実施形態の電極構造の製造方法について図面を用いて説明する。図2−1、図2−2は本実施形態による電極構造を説明する図で、(a)〜(f)は、各工程における外部接続端子6の状態を示す断面図である。以下、図2−1、図2−2を参照して本実施形態の電子デバイスの製造方法を説明する。尚、(a)〜(f)は本実施形態を説明するにあたり、電極構造部が上下逆に表記されてることに留意されたい。
まず、図2−1(a)を参照して電極構造の一部である電極パッド5と貫通電極7の形成工程を説明する。
シリコン基板であるパッケージ2の底部2a表面にエッチングストップ層として第一絶縁膜9bが形成される。第一絶縁膜9bは、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等によって形成したもので、例えば、シリコン酸化膜(SiO)である。そして、所定位置にはドライエッチングにより孔2cが形成される。ドライエッチングは第一絶縁膜9bがエッチングストップ層となるため、第一絶縁膜9bが露出したところで終了となる。前記孔2cを形成するためのエッチング部は、フォトリソグラフィーによって形成されたマスクパターンによって決められる。前記マスクパターンの形成は、レジストをスピンコート法等により、前記シリコン基板上に塗布後、所望のマスクパターン形状を有するフォトマスクを被せて前記レジストの紫外線露光を行い、露光後、現像液を用いて形成される。この際、使用するレジスト種により、ポジ型は、紫外線が照射された部分の領域を除去して形成され、ネガ型は、紫外線が照射された部分以外の領域を除去して形成される。前記レジストの、露光、現像により除去され、シリコン基板の面が露出した部位がエッチング部となる。本工程はネガ型、ポジ型どちらであっても同様に形成できる。以上により形成されたマスクパターンをエッチングマスクとして、エッチングを行い孔2cが形成される。
前記工程によって孔2cを形成した後、該孔2c壁部内面、及びキャビティC内面(図1参照)に第一絶縁膜9aを形成する。前記第一絶縁膜9aは、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等によって形成したもので、例えば、シリコン酸化膜(SiO)である。前記第一絶縁膜9aは、後の工程で前記孔2c内に充填される導電性部材とシリコン基板であるパッケージ2の底部2aを絶縁処理するものである。
孔2c内への導電部材の充填方法としては、種々の手法が用いられるが、孔2c内に充填する場合は電解メッキによる手法が用いられる。形成された孔2c内に電解メッキ用の共通電極をスパッタリング若しくは蒸着により形成する。前記共通電極は、例えば、金(Au)である。
その後、フォトリソグラフィーにより、前記共通電極上に電解メッキ用のマスクパターンを形成する。本工程はネガ型、ポジ型どちらであっても同様に形成できる。
電解メッキ用の共通電極と、電解メッキ用のマスクパターンを形成した後、電解メッキを行い孔2c内に導電部材を充填する。尚、前記導電部材は、前記共通電極と同様、金(Au)である。これにより、孔2c内は導電部材が充填され、貫通電極7となり、同時に電極パッド5が形成される。
続いて、前記孔2cの底部に位置する前記第一絶縁膜9aと、その下層で、積層状態となっている第一絶縁膜9bをエッチング除去するためのマスクパターンをパッケージ2の底部2a外表面にフォトリソグラフィーにより形成する。本工程はネガ型、ポジ型どちらであっても同様に形成できる。
前記工程において形成した絶縁膜除去用のマスクパターンをマスクとし、前記第一絶縁膜9a、9bをエッチングにより除去する。尚、前記第一絶縁膜9a、9bは、いずれもシリコン酸化膜(SiO)である。また、前記エッチングはドライエッチング、ウェットエッチングのいずれを用いても良い。エッチングにより、貫通電極7底部のコンタクト部12が開口された状態となる。
続いて、電極パッド5と対向する反対側のパッケージ2の底部2aの外表面に電極パッド5と導通可能とするための外部接続端子6を形成する工程へ移行する。
(a)は第二絶縁膜10をパターン形成する露光工程を示す図である。
本実施形態の第二絶縁膜10は、感光性ポリイミドであり、ネガ型を使用する。ネガ型の特性として、紫外線が照射された部位が結合し、結合した部位は現像液により除去されない特性を持っている。10は前記パッケージ2の底部2a外表面に塗布された第二絶縁膜である。第二絶縁膜10をスピンコート法等により、前記シリコン基板上に塗布後、所望のマスクパターン形状を有するフォトマスク13を被せて前記第二絶縁膜10の紫外線露光を行う。この際の露光量は、塗布された第二絶縁膜10の膜厚に対して、推奨されている適切な露光量に対し、少ない露光量で照射する。例えば塗布された第二絶縁膜10の膜厚30μmの適切な露光量が900mJの場合は、本実施形態では600mJの露光量を照射する。露光量が少ない場合の絶縁膜状態としては、照射源に近い絶縁膜は露光による結合が完全な状態であるが、照射源から離れている絶縁膜は露光による結合が不完全な状態となっている。
(b)は第二絶縁膜10をパターン形成する現像工程と、ポリイミド化するキュア工程を示す図である。
前記第二絶縁膜10への前記(a)工程による露光量での露光後、現像液を用いて紫外線が照射された部位以外の領域を除去する。この際の現像時間は、塗布された第二絶縁膜10の膜厚に対して、推奨されている適切な時間に対し、長い時間で現像する。例えば、塗布された第二絶縁膜10の膜厚30μmの適切な現像時間が4分間の場合は、本実施形態では5分間の現像を行う。前記(a)工程の露光状態により照射源に近い第二絶縁膜10は結合が完全な状態であるため、垂直形状で現像されるが、照射源から離れているパッケージ2の底部2a近傍の第二絶縁膜10は、露光による結合が不完全な状態であるため、第二絶縁膜10の表面側から垂直形状で現像された後、結合が不完全な状態の部位がパッケージ2の底部2a近傍で水平方向へ広がるようにして現像が進み、傾斜壁面部を有するコンタクトホール10aのパターン形状へと現像される。現像工程後、第二絶縁膜10をポリイミド化するためにキュアする。キュアする事により、フォトリソグラフィーにより傾斜壁面部を有するコンタクトホール10aのパターン形状へと現像された第二絶縁膜10がポリイミド化され、傾斜壁面部を有するコンタクトホール10aのパターン形状で第二絶縁膜10が形成される。
(c)は第二絶縁膜10のコンタクトホール10a内部に導電性部材11を充填する前工程を示す図である。
導電性部材11の充填方法としては、種々の手法が用いられるが、コンタクトホール10a内部に充填する場合は電解メッキによる手法が用いられる。前記(b)工程によって形成された第二絶縁膜10一面に電解メッキ用の共通電極14をスパッタリング若しくは蒸着により形成する。前記共通電極14は、例えば、金(Au)である。更に、第二絶縁膜10と共通電極14の密着力を強くする場合には、共通電極14のスパッタリング若しくは蒸着による形成前に、Arプラズマ処理、Oアッシング処理等により第二絶縁膜10一面を粗面化処理した後、共通電極14を形成する事ができる。その後、フォトリソグラフィーにより、前記共通電極14上に電解メッキ用のマスクパターン15を形成する。
(d)は第二絶縁膜10のコンタクトホール10a内部に導電性部材11を充填する工程を示す図である。
前記(c)工程により電解メッキ用の共通電極14と、電解メッキ用のマスクパターン15を形成した後、電解メッキにより第二絶縁膜10のコンタクトホール10a内部に導電性部材11を充填する。尚、前記導電性部材11は、例えば、銅(Cu)11a、ニッケル(Ni)11b、金(Au)11cで構成されている。これにより、第二絶縁膜10のコンタクトホール10a内部は導電性部材11が充填され、コンタクト部12を介して貫通電極7と接続されてパッケージ2のキャビティC面側の電極パッド5と導通可能な状態となる。(図1参照。)
(e)は共通電極14をエッチング除去するためのマスクパターン形成工程を示す図である。
前記(c)工程で形成した電解メッキ用のマスクパターン15を除去した後、前記(c)工程で形成された共通電極14をエッチング除去するためのマスクパターン16をフォトリソグラフィーにより形成する。本工程はネガ型、ポジ型どちらであっても同様に形成できる。
(f)は共通電極14をエッチング除去する工程を示す図である。
最後に、前記(e)工程で形成した共通電極14除去用のマスクパターン16をマスクとし、共通電極14をウエットエッチングにより除去する。本工程はネガ型、ポジ型どちらであっても同様に形成できる。共通電極14をエッチング除去した後、共通電極14除去用のマスクパターンを16除去する。本実施例においては、コンタクトホール10a内の導電性部材11の充填に電解メッキ手法を用いたため、第二絶縁膜10上に形成される外部接続端子6は、共通電極14、銅11a、ニッケル11b、金11cが積層された状態で構成されるものである。以上の工程によって電極パッド5と外部接続端子6とが貫通電極7を介して接続がなされた電極構造が形成される。
本実施形態による圧電デバイスを示す図で、(a)は断面図、(b)は(a)に示すA部(電極構造)拡大図。 本実施形態の電極構造の製造方法を説明する図。 本実施形態の電極構造の製造方法を説明する図。 従来技術による圧電デバイスを示す図で、(a)は断面図、(b)は、蓋部材を除いた平面図。
符号の説明
1 圧電デバイス
2 パッケージ
2a パッケージ底部
2b パッケージ壁部
3 圧電振動片
4 蓋部材
5 電極パッド
6 外部接続端子
7 貫通電極
8 導電部材
9a 第一絶縁膜
9b 第一絶縁膜
10 第二絶縁膜
10a コンタクトホール
11 導電性部材
12 コンタクト部
13 フォトマスク
14 共通電極
15 マスクパターン
16 マスクパターン
30 圧電デバイス
31 パッケージ
31a 底部
31b 壁部
32 圧電振動片
32a 励振電極
32b 引出し電極
33 蓋部材
34 外部接続端子
35 電極パッド
36 貫通電極
37 導電部材
38 第一絶縁膜
39 第二絶縁膜

Claims (6)

  1. 基板の表面に絶縁膜の一部を挟んで形成された二つの導電パッドが貫通電極を介して相互に接続された電極構造であって、
    前記二つの導電パッドのうち少なくとも一方は、前記絶縁膜の厚み方向に設けられたコンタクトホール内に連通する導電性部材を介して前記貫通電極と接続されており、前記コンタクトホールの内径は、前記導電パッド側の内径よりも前記貫通電極側の内径の方が大きく形成されてなることを特徴とする電極構造。
  2. 前記コンタクトホールは、前記導電パッド側から前記貫通電極側に向かって前記絶縁膜厚の中間位置まで同一径で形成されてなる垂直壁面部と、前記中間位置から前記貫通電極に向かって徐々にその内径が大きくなるように形成されてなる傾斜壁面部を有することを特徴とする請求項1に記載の電極構造。
  3. 前記コンタクトホール内は、前記導電性部材によって充填されてなることを特徴とする請求項1又は2に記載の電極構造。
  4. 前記導電性部材は、前記導電パッドと一体形成されてなることを特徴とする請求項1〜3の何れか一つに記載の電極構造。
  5. 前記コンタクトホール内壁面は、粗面化されてなることを特徴とする請求項1〜4の何れか一つに記載の電極構造。
  6. 請求項1〜5の何れか一つに記載の電極構造を備えた基板の導電パッド上に電子部品が実装されてなることを特徴とする電子デバイス。

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