JP3998129B2

JP3998129B2 - 弾性表面波装置とその製造方法

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Publication number: JP3998129B2
Application number: JP2002154850A
Authority: JP
Inventors: 正洋中野; 勝男佐藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP2003347880A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、携帯電話、自動車電話、無線機器等に使用される弾性表面波装置とその製造方法に係わり、特に圧電基板のパッケージへの組込みに金バンプによるフリップチップ工法を使用した小型弾性表面波装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波装置、すなわち弾性表面波フィルタや弾性表面波共振子は、携帯電話等の高周波回路部のフィルタとして、誘電体フィルタに替わり盛んに利用されるようになってきた。この理由として、弾性表面波フィルタは誘電体フィルタに比べて素子寸法が小さいこと、および同じ素子寸法で比較すると電気的特性が優れていること等があげられる。
【０００３】
この弾性表面波装置は、図１０に示すように、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電基板１の表面に、すだれ状電極２すなわち弾性表面波変換器（ＩＤＴ）や反射器となる電極を形成したもので、通常、この電極材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム−銅等のアルミニウム合金が使用される。一般的にはアルミニウムまたはアルミニウム合金はスパッタリングにより成膜する。
【０００４】
従来ＩＤＴから外部への電気的な接続はアルミニウム線によるワイヤーボンドが使用されてきたが、弾性表面波装置の小型化の要求に対応するため、ワイヤーを張る面積を節約できるフリップチップ法が多用されつつある。この工法では、圧電基板１を収容するパッケージ３のサイズは、すだれ状電極２を形成して切り出した圧電基板１の寸法に合わせたものでよく、小型化に対応できる。このフリップチップ工法としては、圧電基板１上のすだれ状電極２の一部として形成されたパッド電極下地層２ａ上に金バンプ４を形成する方法があげられる。ボンディングパッド電極５は、前記パッド電極下地２ａ上に、密着強度を上げるためのクロム層６と、アルミニウムでなる嵩上げ層７とを設けて形成され、その上に金バンプ４が形成される。
【０００５】
金バンプ４でのフリップチップ接合の場合、金バンプ４の果たす役割としては、電気的な接続に加えて、弾性表面波素子チップをパッケージ内に機械的に保持することも必要であり、より膜厚の厚いボンディングパッド電極５を必要とする。このため、ボンディングパッド電極５の径は６０〜１５０μｍと大きくする必要があり、より膜厚の厚いボンディングパッド電極５を必要とする。ボンディングパッド電極５の膜厚が薄い場合、金バンプ４形成時にボンディングパッド電極５と金バンプ４が接合できない不具合が発生する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
すだれ状電極２よりも膜厚が厚いボンディングパッド電極５を形成する場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるすだれ状電極２の表面には電気的に絶縁性である自然酸化膜を取り除いた後に、ボンディングパッド電極５を形成するか、あるいは自然酸化膜を形成しないように真空中ですだれ状電極２とボンディングパッド電極５とを同時に形成する必要があった。これはアルミニウムの自然酸化膜が存在すると、ボンディングパッド電極５の電気抵抗が増大し、よって弾性表面波装置の損失を増大させてしまうためである。
【０００７】
しかしこの従来の弾性表面波装置では、これをプリント基板にリフローにより半田付けする場合、金バンプ４を形成する金の熱拡散が発生し、これにより機械的に脆い金−アルミニウム合金が圧電基板１とすだれ状電極２の界面に形成され、バンプ強度が低下するという不具合が発生する。これは、金バンプ４を形成する金元素がリフロー時の昇温によって過度に拡散してしまうためである。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、バンプを形成する金のすだれ状電極への過度の拡散によるバンプの強度低下を防止しうる弾性表面波装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の弾性表面波装置は、圧電基板上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるすだれ状電極を形成し、該すだれ状電極の一部であるボンディングパッド電極の下地層上にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるボンディングパッド電極の嵩上げ層を形成し、該ボンディング電極上に金バンプを形成し、該金バンプにより前記圧電基板をパッケージにフリップチップボンドしてなる弾性表面波装置であって、
前記下地層上にアルミニウム酸化膜が形成され、前記アルミニウム酸化膜上にクロム層が形成され、前記クロム層上に前記嵩上げ層が形成され、前記嵩上げ層上に金バンプが超音波溶着され、前記金バンプ溶着後の熱処理により、前記アルミニウム酸化膜の一部を通過して下地層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金層内に金が拡散し、この金拡散部にクロム層の盛り上がり部が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このように、ボンディングパッド電極の下地層と嵩上げ層との間にアルミニウム酸化膜を形成することにより、金バンプを形成する金のすだれ状電極への拡散が抑制され、金−アルミニウム合金形成によるバンプの圧電基板への接合強度の低下を防止することができる。
【００１１】
また、金がアルミニウム酸化膜を通過する構成としても、従来のように酸化膜のない場合に比較してすだれ状電極における金−アルミニウム合金層の形成量は少なくなり、バンプの圧電基板への接合強度低下を防止することができ、かつ導電性を確保することができる。
【００１２】
また、下地層上にクロム層を形成したので、そのクロム層の上層であるアルミニウムまたはアルミニウム合金のエッチングにより嵩上げ層を形成する場合、クロム層が露出した時点でエッチングを止めることにより過度のエッチングを防止することができる。
【００１３】
（２）本発明の弾性表面波装置の製造方法は、圧電基板上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を成膜し、該アルミニウムまたはアルミニウム合金膜をエッチングしてすだれ状電極およびその一部としてのボンディングパッド電極の下地層を形成し、
その後酸素雰囲気中または空気中で放置することにより、前記下地層上にアルミニウム酸化膜を形成し、
前記アルミニウム酸化膜を形成した下地層上にクロム層を形成し、該クロム層上にアルミニウムまたはアルミニウム合金でなる嵩上げ層を成膜し、エッチングによりボンディングパッド電極を形成し、
該ボンディングパッド電極上に金バンプを超音波溶着し、その後、２００〜２７０℃の温度範囲にて熱処理を施すことにより、前記金バンプの金を、前記アルミニウム酸化膜の一部を通過させて下地層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金層内に拡散させ、この金拡散部に前記クロム層の盛り上がり部を形成することを特徴とする。
【００１４】
このように、放置によって下地層上にアルミニウム酸化膜を形成することにより、特殊の膜形成装置を準備することなく、膜形成が行える。また、金バンプを形成した後、２００〜２７０℃で熱処理を行うことにより、金の適度な拡散を生じさせ、導電性を得ると共に、バンプ強度も確保できる。熱処理温度が２００℃未満であると、金の酸化膜通過が十分に行えず、導電性の確保が困難となる。また、熱処理温度が２７０℃を超えると、パッド電極全面に金の拡散が生じ、バンプ強度が低下する。
【００１５】
また、下地層上にクロム層を形成したので、そのクロム層の上層であるアルミニウムまたはアルミニウム合金のエッチングにより嵩上げ層を形成する場合、クロム層が露出した時点でエッチングを止めることにより過度のエッチングを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は本発明による弾性表面波装置の一実施の形態を模式的に示す部分断面図である。図１（Ａ）において、１はタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等でなる圧電基板、２はアルミニウムまたはアルミニウム−銅等のアルミニウム合金でなるすだれ状電極であり、図１（Ｂ）に示すように、その一部２ａはボンディングパッド電極５の下地層として形成される。図２の図１の部分拡大断面図であり、この図に示すように、すだれ状電極２の表面には、アルミニウム酸化膜８が形成される。９はパッケージ３をプリント基板（図示せず）にはんだ付けするための端子電極である。
【００１７】
６はすだれ状電極２とアルミニウムまたはアルミニウム合金でなる嵩上げ層７との間の密着強度を上げるために必要に応じて設けられるクロム層である。嵩上げ層７上に金バンプ４が形成される。
【００１８】
パッケージ３に取付ける前の弾性表面波素子本体は、圧電基板１上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を成膜し、該アルミニウムまたはアルミニウム合金膜をエッチングしてすだれ状電極２を形成する。その後酸素雰囲気中または空気中で放置することにより、前記すだれ状電極２上にアルミニウム酸化膜８を形成する。該アルミニウム酸化膜８を形成し、下地層２ａ上にクロム層６を形成し、その上にアルミニウムまたはアルミニウム合金を成膜し、エッチングにより嵩上げ層７を形成する。そしてこのようにして形成したボンディングパッド電極５上に金バンプ４を形成し、２００〜２７０℃の温度範囲にて熱処理を施す。
【００１９】
これにより、図２に示すように、嵩上げ層７、クロム層６、アルミニウム酸化膜８を通過して金の拡散を行わせ、下地層２ａの一部に金の拡散領域１０を形成する。このように、アルミニウム酸化膜８に一部金を通過させることにより、ボンディングパッド電極５とすだれ状電極２との導電性が確保される。
【００２０】
なお、前記すだれ状電極２の厚さは、使用する圧電基板と作製される弾性表面波フィルタの仕様によって決まり、本実施例の３６度Ｙ回転Ｘ伝播タンタル酸リチウム上に形成した中心周波数１８４２ＭＨｚのフィルタの場合、このすだれ状電極２の厚さは１７０〜２００ｎｍが好適であり、アルミニウム酸化膜８の厚さは１〜５ｎｍ（より好ましくは２〜３ｎｍ）、クロム層６の厚さは５０〜１５０ｎｍ（より好ましくは５０〜１２０ｎｍ）、嵩上げ層７の厚さは０．３〜１．５μｍ（より好ましくは０．５〜１．０μｍ）、金バンプ４の厚さは１０〜３０μｍ（より好ましくは１５〜２５μｍ）に形成される。
【００２１】
［実施例１］
圧電基板１である３６度Ｙ回転Ｘ伝播タンタル酸リチウム基板にＡｌ−Ｃｕ合金電極をスパッタリングにより成膜し、その上にフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、ドライエッチング工法によりＡｌ−Ｃｕ合金膜をエッチングして、ボンディングパッド電極の下地層２ａを含むすだれ状電極２のパターンを得た。
【００２２】
その後、これを乾燥空気中で１日放置した。その後、クロム層６、アルミニウム層７を成膜し、再びフォトリソグラフィーによりボンディングパッド電極形状にレジストパターンを形成し、ドライエッチング工法によりアルミニウムの嵩上げ層７のパターンを形成した。この時、下層６のクロム層は、その上層のアルミニウムのエッチング時のエッチングストッパーとして作用させ、アルミニウム層がエッチングされてなくなり、クロム層が見えた時点でエッチングが停止するようにした。次に不要なドライエッチングのガス種を変えてクロムを選択的にエッチングさせ、下地層２ａのＡｌ−Ｃｕ合金膜に影響を与えないようにした。次に嵩上げ層７上に金ボールを超音波溶着することにより、金バンプ４を形成した。その後、２５０℃で２時間熱処理を行った。次にダイシングにより圧電基板１をチップに分割した後、パッケージ３に前記金バンプ４を超音波接合した。
【００２３】
［比較例１］
従来の製造方法により前記アルミニウム酸化膜の形成工程を省いて作製した試料を比較例１とした。
【００２４】
［リフローによる断線発生試験］
上記工程により作製した実施例１、比較例１の弾性表面波装置について２６０℃におけるハンダリフロー試験を行い、バンプ破壊による断線の発生数を調べた。試験の方法としては、まず試料の中心周波数を測定し、次にこれら試料のピーク温度２６０℃に設定されたハンダリフロー炉を通路させ、通過後の試料の温度が室温に戻った後、再び中心周波数を測定し、中心周波数の変化量を見るという方法を繰り返して行った。なお、この試験に用いた試料は、欧州携帯電話システムであるＤＣＳ１８００の受信用フィルタとして設計されたもので、フィルタの中心周波数は１８４２ＭＨｚ近傍のものである。試料の数は、実施例１、比較例１の各試料それぞれ１５個について行った。
【００２５】
図３は前記実施例１、比較例１について１５個の試料をそれぞれ２０回リフロー炉に通過させた場合の中心周波数の変化を示すもので、実施例１の場合、中心周波数の変化は僅かであり、バンプ接続部の破壊は生じていないことが判明した。比較例１の場合は実施例１の場合に比較して、中心周波数の変化が大きかった。また、比較例１の場合、１５個中の１個が、５個のハンダリフロー炉通路後、フィルタの挿入損失が極めて大きくなり、中心周波数が測定不能となった。原因を調べた結果、弾性表面波素子チップ上の下地層２ａから金バンプが剥離していることが分かった。これは下地層２ａへ金が過度に拡散し、機械的に脆いＡｌ−Ａｕ合金が過度に形成され、これがリフロー炉通過時の温度の急上昇、急冷却により熱衝撃で剥離を起こしたことによる。
【００２６】
［コンタクト抵抗に対する熱処理温度の影響］
前記実施例１の製造方法において、すだれ状電極２と金バンプ４との間のコンタクト抵抗を、熱処理温度を変えて調べた。その結果を図４に示す。図４から分かるように、コンタクト抵抗は、２００℃以上で弾性表面波装置の特性に影響しない１Ω以下となる。これは熱処理温度が２００℃以上になると金がアルミニウム酸化膜８を通過して下地層２ａへ適度に拡散するためである。
【００２７】
［実施例２］
圧電基板１である３６度Ｙ回転Ｘ伝播タンタル酸リチウム基板にＡｌ−Ｃｕ合金電極をスパッタリングにより成膜し、その上にフォトリソグラフィー技術によりレジストパターンを形成し、ドライエッチング工法によりＡｌ−Ｃｕ合金膜からなる下地層２ａを含むすだれ状電極２のパターンを得た。
【００２８】
その後、これをフッ化物水溶液であるドライエッチング後の残留塩素洗浄液（三菱ガス化学社製ＥＬＭ−Ｃ３０）で洗浄した。この洗浄液によりアルミニウム酸化膜は除去される。この残留塩素洗浄液でアルミニウム酸化膜を除去した後、酸素雰囲気中、すなわち乾燥空気中で３日放置しアルミニウム酸化膜８を形成した。
【００２９】
その後、クロム層、アルミニウム層を成膜し、再びフォトリソグラフィーによりボンディングパッド電極形状にレジストパターンを形成し、ドライエッチング工法によりアルミニウムの嵩上げ層７のパターンを形成した。この時、下層のクロム層６でエッチングが停止し、下地層２ａのＡｌ−Ｃｕ合金膜に影響を与えないようにした。次に嵩上げ層７に金ボールを超音波溶着することにより、金バンプ４を形成した。その後、２５０℃で２時間熱処理を行った。次にダイシングにより圧電基板１をチップに分割した後、パッケージ３に前記金バンプ４を超音波接合した。
【００３０】
［比較例２］
比較のため、ドライエッチング後の残留塩素洗浄液でアルミニウム酸化膜８を溶出除去した後、再酸化が起こらないように真空装置内に収容し、前記と同様にクロム、アルミニウム層を形成した。その後の工程は実施例２と同様にしてフリップチップ実装サンプルを作製した。
【００３１】
［チップシェア試験］
上記実施例２、比較例２のサンプルについてフリップチップ実装後にチップシェア試験を行った。フリップチップのシェア強度試験は破壊試験であり、金バンプのせん断による破壊強度を調べる試験であり、実施例２、比較例２のサンプルについてそれぞれ１５個ずつ試験を行い、平均シェア強度と最小ショア強度を求めた。その結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１から明らかなように、実施例２による場合、比較例２よりはるかに大きなシェア強度が得られると共に、比較例２に比較し、最小シェア強度の値が平均値に近いことから、安定した強度が得られることが判明した。
【００３４】
また、実施例２のサンプルにおいて、金バンプ４の面積の一部であるのに対し、比較例２の場合には、金バンプ４の面積の全面にいたっていた。このように、比較例２では、金拡散が金バンプ４の全面にわたるという拡散過多が、バンプ強度低下の要因であることが分かる。
【００３５】
［熱処理温度とシェア強度との関係］
実施例２の工程において、エッチング後の洗浄から３日間酸素雰囲気中保管した後に嵩上げ層７を形成する製造条件にて作製したサンプルにおいて、金バンプ４形成後の熱処理温度を変化させたときのフリップチップ強度を評価した。その結果を表２に示す。表２から分かるように、２７０℃を越えると熱処理がシェア強度が低下する傾向が見られる。これは金がアルミニウム酸化膜８のバリアを破ってその下全面に金が過度に拡散したことによる強度低下である。
【００３６】
また表２から分かるように、２００〜２７０℃の温度範囲において、３００℃より高いシェア強度が得られ、この温度範囲で熱処理することがより好ましいことが分かる。また、前記のように、２００℃未満の熱処理温度では、電極の電気抵抗を実用的な１Ω以下に下げることが困難でもあることから、熱処理温度は２００℃以上であることが好ましい。
【００３７】
【表２】

【００３８】
［ボンディングパッド電極の断面の観察］
本発明においては、ボンディングパッド電極の下地層２aにおける金拡散が部分的に行われ、過度の拡散が抑制されることを確認するため、パッド電極部の断面を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察すると同時に、制限視野電子線回折による元素、化合物の同定を行った。
【００３９】
図５（Ａ）はボンディングパッド電極のうち、部分的に拡散が起こっていると判断される部分（クロム層６の盛り上がり部）のＴＥＭ像を示す写真図である。図５（Ｂ）は各層の位置を明らかにするために併記した断面図である。なお、これらの図では金バンプ４は図示していない。
【００４０】
図５（Ａ）において、Ｐ１８、Ｐ１９等と示した部分は、すだれ状電極と同時に形成される下地層２ａの部分であり、Ａｌ−Ｃｕ合金層である。
【００４１】
この層に金が拡散していることは、図６、図７に示す制限視野電子線回折像により明らかとなった。すなわち、クロム層６の盛り上がり部の周辺であるＰ１８の点では、Ａｌ_２Ａｕがリッチ（アルミニウムリッチ）であり、中心のＰ１９の点ではＡｌＡｕ_４がリッチ（金リッチ）であることが判明した。すなわち、盛り上がり部の中心は金リッチであり、盛り上がり部の周辺部は金拡散が少ないことが判明した。これらのことから、盛り上がり部は、パッド電極がＡｌ−Ａｕ合金を形成して体積膨張を起こしていると判定でき、金元素がクロム層６を突き抜けてパッド電極まで至っていることが分かる。
【００４２】
図８（Ａ）はアルミニウム酸化膜により拡散が阻止されている部分、すなわちクロム層６の盛り上がりがない部分のＴＥＭ像を示す写真図である。図８（Ｂ）は各層の位置を明らかにするために併記した断面図である。なお、これらの図では金バンプ４は図示していない。
【００４３】
図８（Ａ）において、Ｐ８〜Ｐ１０で示される下地層２ａの部分は制限視野電子線回折を行ったが、金の存在は確認されない。
【００４４】
これらの元素の存在割合は制限視野電子線回折により分析し、まとめた結果を図９に示す。この図９と、分析位置を示す図５、図８とを見比べることにより、金バンプ４を構成する金元素が、部分的にパッド電極の下地層２ａまで拡散し、よって電気的導通を得ると同時に、機械的強度も維持していることが分かる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングパッド電極の下地層上にアルミニウム酸化膜を形成したので、熱処理による金の下地層への拡散が部分的に行われ、金バンプのパッド電極に対する接合強度が増し、かつ電気的導通も確保され、熱的にも安定した弾性表面波装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明による弾性表面波装置の一実施の形態を模式的に示す断面図、（Ｂ）はそのすだれ状電極の形状の一例を示す平面図である。
【図２】本発明による弾性表面波装置のボンディングパッド電極の拡大断面図である。
【図３】本発明による弾性表面波装置と従来品におけるリフロー炉通過試験前後の中心周波数の変化を示す図である。
【図４】本発明による弾性表面波装置の熱処理温度とコンタクト抵抗との相関図である。
【図５】（Ａ）は本発明の弾性表面波装置において、ボンディングパッド電極のうち、部分的に金の拡散が起こっていると判断される部分のＴＥＭ像を示す写真図、（Ｂ）は各層の位置を明らかにするために併記した断面図である。
【図６】図５（Ａ）のＰ１８部の制限視野電子線回折像である。
【図７】図５（Ａ）のＰ１９部の制限視野電子線回折像である。
【図８】（Ａ）は本発明の弾性表面波装置において、ボンディングパッド電極のうち、金の拡散が起こっていないと判断される部分のＴＥＭ像を示す写真図、（Ｂ）は各層の位置を明らかにするために併記した断面図である。
【図９】本発明の弾性表面波装置において、ボンディングパッド電極の断面の各部での検出元素と検出強度をまとめた図である。
【図１０】従来の弾性表面波装置のボンディングパッド電極の断面を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１：圧電基板、２：すだれ状電極、２ａ：ボンディングパッド電極の下地層、３：パッケージ、４：金バンプ、５：ボンディングパッド電極、６：クロム層、７：嵩上げ層、８：アルミニウム酸化膜、９：端子電極、１０：金拡散領域

Claims

圧電基板上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるすだれ状電極を形成し、該すだれ状電極の一部であるボンディングパッド電極の下地層上にアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるボンディングパッド電極の嵩上げ層を形成し、該ボンディング電極上に金バンプを形成し、該金バンプにより前記圧電基板をパッケージにフリップチップボンドしてなる弾性表面波装置であって、
前記下地層上にアルミニウム酸化膜が形成され、前記アルミニウム酸化膜上にクロム層が形成され、前記クロム層上に前記嵩上げ層が形成され、前記嵩上げ層上に金バンプが超音波溶着され、前記金バンプ溶着後の熱処理により、前記アルミニウム酸化膜の一部を通過して下地層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金層内に金が拡散し、この金拡散部にクロム層の盛り上がり部が形成されていることを特徴とする弾性表面波装置。
圧電基板上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金を成膜し、該アルミニウムまたはアルミニウム合金膜をエッチングしてすだれ状電極およびその一部としてのボンディングパッド電極の下地層を形成し、
その後酸素雰囲気中または空気中で放置することにより、前記下地層上にアルミニウム酸化膜を形成し、
前記アルミニウム酸化膜を形成した下地層上にクロム層を形成し、該クロム層上にアルミニウムまたはアルミニウム合金でなる嵩上げ層を成膜し、エッチングによりボンディングパッド電極を形成し、
該ボンディングパッド電極上に金バンプを超音波溶着し、その後、２００〜２７０℃の温度範囲にて熱処理を施すことにより、前記金バンプの金を、前記アルミニウム酸化膜の一部を通過させて下地層を形成するアルミニウムまたはアルミニウム合金層内に拡散させ、この金拡散部に前記クロム層の盛り上がり部を形成することを特徴とする弾性表面波装置の製造方法。