(57)【要約】【課題】  本発明は、集積回路素子の電極パッドと、金バンプと半田で形成されたボールとの接合強度の低下のない電子装置を提供することを課題とする。【解決手段】  本発明の電子装置は、集積回路素子と、集積回路素子の回路の形成された面の電極パッド上に固着される金バンプと、金バンプを包む半田と、集積回路素子の電極パッドが金バンプと半田を介して接合される素子搭載部材と、素子搭載部材に配置された集積回路素子搭載用パターンとを備え、半田の体積に対する金バンプの体積比率を１２パーセント以上１６パーセント以下とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路素子と、
前記集積回路素子の回路の形成された面の電極パッド上に固着される金バンプと
前記金バンプを包む半田と、
前記集積回路素子の電極パッドが前記金バンプと前記半田を介して接合される素子搭載部材と、前記素子搭載部材に配置された集積回路素子搭載用パターンとを備え、
前記半田の体積に対する前記金バンプの体積比率を１２パーセント以上１６パーセント以下としたことを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等に用いられる電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、携帯用の電子機器には、各種電子装置が用いられている。
これらの電子装置のうち、例えば、圧電発振器について説明する。
図４に示すように、従来の圧電発振器２００は、素子搭載部材２１０、蓋部材２１４、圧電振動素子２２０、集積回路素子２３０から主に構成されている。
素子搭載部材２１０は、基板部２１１と、第一の枠部２１２と、第二の枠部２１３で構成される。素子搭載部材２１０を構成する基板部２１１と第一の枠部２１２と第二の枠部２１３は、例えば、ガラス−セラミックス、アルミナセラミックス等のセラミック材料からなる。
また、基板部２１１は、一方の主面に圧電振動素子２２０を搭載するための圧電振動素子搭載用パターン２１７が配置され、他方の主面に集積回路素子２３０を搭載するための集積回路素子搭載用パターン２１８が配置されている。また、基板部２１１の内部には、内層配線（図示せず）が設けられ、圧電振動素子搭載用パターン２１７と集積回路素子搭載用パターン２１８とが内層配線（図示せず）を介して接続されている。
また、基板部２１１の一方の主面には、第一の枠部２１２が形成され、基板部２１１と第一の枠部２１２とで第一の凹部Ｋ１が形成される。また、第一の凹部Ｋ１には、圧電振動素子２２０が収容される。圧電振動素子２２０が収容される第一の凹部Ｋ１は、第一の枠部２１２と蓋部材２１４とで気密封止されている。
また、基板部２１１の他方の主面には、第二の枠部２１３が形成され、基板部２１１と第二の枠部２１３とで第二の凹部Ｋ２が形成される。また、第二の凹部Ｋ２には、集積回路素子２３０が収容される。また、第二の枠部２１３の四隅部は、外部接続端子２１６を備える構成となっている。
【０００３】
蓋部材２１４は、基板部２１１と第一の枠部２１２で形成された第一の凹部Ｋ１を気密封止している。また、蓋部材２１４の材質は、４２アロイやコバール、リン青銅等からなる。
圧電振動素子２２０は、圧電素板の両主面に励振用電極（図示せず）と接続用電極（図示せず）を備える構造となっている。また、圧電振動素子２２０の接続用電極（図示せず）は、導電性接着剤２２１を介して素子搭載部材２１０に配置された圧電振動素子搭載パッド２１７に接続されている。
集積回路素子２３０は、回路が形成された面に電極パッド２３４が形成されている。また、図４に示すように、集積回路素子２３０の電極パッド２３４は、半田２３２が固着されている。集積回路素子２３０の電極パッド２３４に固着された半田２３２は、加熱工程で溶融し、冷却固化することで、素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８と接合される（例えば、特許文献１参照）。
また、集積回路素子２３０の電極パッド２３４と、素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８との間には、集積回路素子２３０の回路形成面を保護するための樹脂２４０が充填されている。
【０００４】
また、別の集積回路素子２３０の電極パッド２３４と素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８との接合技術としては、集積回路素子２３０の電極パッド２３４上に金バンプを固着し、その上に半田を形成したものがある。この集積回路素子２３０の電極パッド２３４に固着された金バンプ上への半田の形成は、金バンプ上にメタルマスクを設けて、スクリーン印刷にて行っている。（例えば、特許文献２参照）。
この接合技術は、電極パッド２３４に固着された金バンプ上の半田形成にメタルマスクを設けることで、半田の塗布量バラツキを抑えることができ、集積回路素子２３０の電極パッド２３４と、素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８との接合不良を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１６９４９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０１２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の圧電発振器２００の集積回路素子２３０の電極パッド２３４と、素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８との接合を半田２３２で行う場合は、加熱温度２５０℃程度の加熱工程を複数回行うことで、半田２３２が再溶融することがあった。その結果、従来の圧電発振器２００は、加熱工程で再溶融した半田２３２が、素子搭載部材２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８上に拡がり、集積回路素子２３０の電極パッド２３４と、半田２３２の接合部分の接触面積が小さくなり、接合強度が低下する場合や、半田２３２と、集積回路素子２３０の電極パッド２３４との間が接触せず接合不良となる場合があった。
【０００７】
また、従来の接合技術である集積回路素子２３０の電極パッド２３４上に金バンプを固着し、金バンプの表面に半田を設けたボールの場合は、加熱工程を複数回行うことで半田が再溶融し、半田が素子搭載基板２１０に配置された集積回路素子搭載用パターン２１８上に拡がり、集積回路素子２３０の電極パッド２３４と、金バンプと半田で形成されたボールとの接触面積が小さくなり、接合強度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、集積回路素子の電極パッドと、金バンプと半田で形成されたボールとの接合強度の低下を防ぐ電子装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電子装置は、集積回路素子と、集積回路素子の回路の形成された面の電極パッド上に固着される金バンプと、金バンプを包む半田と、集積回路素子の電極パッドが金バンプと半田を介して接合される素子搭載部材と、素子搭載部材に配置された集積回路素子搭載用パターンとを備え、半田の体積に対する金バンプの体積比率を１２パーセント以上１６パーセント以下としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電子装置は、集積回路素子の電極パッドと、素子搭載部材に配置された集積回路素子搭載用パターンとの接合に用いられる金バンプと金バンプを包む半田によるボールの、半田の体積に対する金バンプの体積比率を、１２パーセント以上１６パーセント以下とすることで、集積回路素子の電極パッド上に金バンプと金バンプを包む半田で形成されたボールを固着する際に、集積回路素子の電極パッドと金バンプと金バンプを包む半田で形成されるボールとの接合強度の低下を防止できる。また、本発明の電子装置は、集積回路素子の電極パッドのアルミ剥がれモードの不良の発生を防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電発振器の一例を示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧電発振器の集積回路素子の電極パッドと、金バンプと半田で形成されたボールとの接合部分のボールシェア強度の実験結果である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧電発振器の集積回路素子の電極パッド部分のアルミ剥がれモードの不良発生率の実験結果である。
【図４】従来の圧電発振器を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の電子装置を、添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の電子装置を、圧電発振器として説明する。以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る圧電発振器１００の一例を示した断面図である。
図１に示すように、圧電発振器１００は、素子搭載部材１１０、蓋部材１１４、圧電振動素子１２０、集積回路素子１３０とで主に構成されている。
【００１４】
素子搭載部材１１０は、基板部１１１、第一の枠部１１２、第二の枠部１１３とから主に構成される。
素子搭載部材１１０を構成する基板部１１１と、第一の枠部１１２と、第二の枠部１１３は、例えば、ガラス−セラミックス、アルミナセラミックス等のセラミック材料からなる。
【００１５】
また、基板部１１１は、一方の主面に圧電振動素子１２０を搭載するための圧電振動素子搭載用パターン１１７が配置され、他方の主面に集積回路素子１３０を搭載するための集積回路素子搭載用パターン１１８が配置されている。
また、基板部１１１の他方の主面の集積回路素子搭載用パターン１１８は、例えば３行２列に６個配置されている。図１では、例えば、集積回路素子搭載用パターン１１８の１列３個分の断面図を示している。素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８は、後述する集積回路素子１３０の電極パッド１３４が金バンプ１３１と半田１３２を介して接合される。ここで、金バンプ１３１を半田１３２で包んだ状態をボールという。また、基板部１１１の内部には、内層配線（図示せず）が設けられ、圧電振動素子搭載用パターン１１７と集積回路素子搭載用パターン１１８とが内層配線（図示せず）を介して接続されている。
【００１６】
また、基板部１１１の一方の主面には、第一の枠部１１２が形成され、基板部１１１と第一の枠部１１２とで第一の凹部Ｋ１が形成される。また、第一の凹部Ｋ１には、圧電振動素子１２０が収容される。圧電振動素子１２０が収容される第一の凹部Ｋ１は、第一の枠部１１２と蓋部材１１４とで気密封止されている。
【００１７】
また、基板部１１１の他方の主面には、第二の枠部１１３が形成され、基板部１１１と第二の枠部１１３とで第二の凹部Ｋ２が形成される。また、第二の凹部Ｋ２には、集積回路素子１３０が収容される。また、第二の枠部１１３の四隅部は、外部接続端子１１６を備える構成となっている。また、第二の枠部１１３の四隅部に形成された外部接続端子１１６は、それぞれＶＣＣ端子、ＶＣＯＮ端子、ＯＵＴ端子、グランド端子として機能している。
【００１８】
蓋部材１１４は、基板部１１１と第一の枠部１１２で形成された第一の凹部Ｋ１を気密封止している。また、蓋部材１１４の材質は、４２アロイやコバール、リン青銅等からなる。
【００１９】
圧電振動素子１２０は、圧電素板の両主面に励振用電極（図示せず）と接続用電極（図示せず）を備える構造となっている。また、圧電振動素子１２０の接続用電極（図示せず）は、導電性接着剤１２１を介して素子搭載部材１１０に配置された圧電振動素子搭載パッド１１７に接続されている。また、圧電振動素子１２０は、所定の結晶軸でカットした圧電素板に外部からの変動電圧が一対の接続用電極と励振用電極を介して圧電素板に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。また、圧電素板としては、例えば水晶が用いられる。
【００２０】
集積回路素子１３０は、少なくとも発振回路を備える構成となっている。また、集積回路素子１３０は、回路が形成された面に電極パッド１３４が形成される。電極パッド１３４は、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８に、半田１３２と金バンプ１３１を介して接合されている。また、集積回路素子１３０の電極パッド１３４は、集積回路素子１３０の回路が形成された面に、例えば３行２列に６個配置されている。尚、図１では、集積回路素子１３０の電極パッド１３４の１列３個分の断面図を示している。また、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８との間には、樹脂１４０が充填されている。
【００２１】
金バンプ１３１は、集積回路素子１３０の回路の形成された面の電極パッド１３４上に超音波接合法により固着され、バンプ径が例えば４０〜６０μｍ程度であり、高さが例えば３０〜４０μｍ程度の大きさで形成されている。また、金バンプ１３１を半田１３２で包んだボールは、ボール径が例えば８０〜１００μｍ程度で、高さが例えば６０〜１００μｍ程度の大きさで形成されている。
【００２２】
半田１３２は、金バンプ１３１を包んで形成される。金バンプ１３１と半田１３２は、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８との接合に用いられる。また、本発明に用いられる半田１３２は、例えばＳｎ―Ｃｕ−Ｎｉ系の組成を持つ鉛フリー半田を用いても良い。
【００２３】
ここで、本発明の圧電発振器１００の素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８と、集積回路素子１３０の電極パッド１３４との接合は、金バンプ１３１と、金バンプ１３１を包む半田１３２により行っている。本発明の圧電発振器１００に用いられる金バンプ１３１と半田１３２による接合は、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率の最適な比率を求めることで、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分の接合強度の低下を防止している。半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率の最適な比率は、以下の実験を行うことで求めている。
【００２４】
実験では、まず、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１０パーセント、１１パーセント、１２パーセント、１４パーセント、１６パーセント、１７パーセント、１８パーセントの実験用サンプルを体積比率毎に３０個程度作成した。尚、実験用サンプルは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４上に、超音波接合法により金バンプ１３１を固着し、金バンプ１３１上に半田１３２を形成し、加熱温度のピーク温度が２５０〜２７０℃の第一加熱工程を４０秒程度通過させ、冷却固化することで、金バンプ１３１上に半田１３２を固着し、金バンプ１３１と半田１３２からなるボールを形成した。尚、ここで第一の加熱工程は、後述する本発明の圧電発振器１００の製造方法に示すように、集積回路素子１３０の電極パッド１３４上に、金パンプ１３１を包む半田１３２を固着する際の工程である。また、比較のために、金バンプ１３１単独の実験用サンプルを作成した。本実験における接合強度の評価は、前述の実験用サンプルを用いて、集積回路素子１３０の電極パッド１３４上に固着された金バンプ１３１と半田１３２からなるボールを、シェアツールで水平方向に押し、ボールが破断（せん断）された時のボールシェア強度（ｍＮ）を測定している。ここでボールシェア強度とは、シェアツールによりボールを水平方向に押しボールが破断（せん断）された時の荷重値である。また、シェアツールとは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と金バンプ１３１と半田１３２からなるボールの接合界面に水平方向から力を加える道具である。
【００２５】
図２は、前述の実験の半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率と、接合強度の関係であり、縦軸に予測確率（パーセント）、横軸にボールシェア強度（ｍＮ）を示している。図２のグラフは、グラフ左側の実験データより順に、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１０パーセント（◆印）、１１パーセント（▲印）、体積比率が１２パーセント（□印）、１４パーセント(◇印)、１６パーセント（△印）、１７パーセント（■印）、１８パーセント（●印）、金バンプ単独（○印）の場合のボールシェア強度の実験結果を示している。
【００２６】
図２の結果より、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１０パーセント（◆印）と、１１パーセント（▲印）では、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分のボールシェア強度が１４７ｍＮ（◆印）と、ボールシェア強度が２１０ｍＮ（▲印）に低下することがわかった。その比較としては、金バンプ１３１単独（○印）の場合の集積回路素子１３０の電極パッド１３４と金パンプ１３１との接合部分のボールシェア強度が３１０ｍＮである。また、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１２パーセント（□印）では、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分のボールシェア強度が３５０ｍＮとなり、金バンプ１３１単独（○印の場合よりボールシェア強度が向上することがわかった。
【００２７】
また、図２の実験結果より、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１０パーセント（◆印）と１１パーセント（▲印）では、金バンプ１３１中の金と、半田１３２に含まれる錫（Ｓｎ）により、加熱温度のピーク温度が２５０〜２７０℃の第一加熱工程を４０秒程度通過させ、冷却固化させる第一の加熱工程で合金層が形成され、金バンプ１３１中の金が、半田１３２中に拡散し、金パンプ１３１の体積が縮小するのが確認された。その結果、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１０パーセントと、１１パーセントでは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分の接触面積が小さくなり、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金パンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分のボールシェア強度が低下したと推測される。
【００２８】
また、図２より、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１４パーセント(×印)以上は、体積比率が１２パーセントよりも更に、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金パンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分のボールシェア強度が向上することが確認された。また、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１６パーセントを超える場合は、前述のボールシェア強度の測定で、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分で、電極パッド１３４を形成するアルミが剥がれる、アルミ剥がれモードの不良が発生することが確認された。その実験結果を図３のグラフに示す。
【００２９】
図３のグラフは、縦軸に、集積回路素子１３０の電極パッド１３４部分のアルミ剥がれモード不良発生率（パーセント）、横軸に、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率（パーセント）を示す。図３のグラフから、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率の１０〜１６パーセントは、アルミ剥がれモードの不良がないことがわかる。これに対し、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率の１７パーセント（図２の■印）と、１８パーセント（図２の●印）では、集積回路素子１３０の電極パッド１３４を形成するアルミが剥がれる、アルミ剥がれモードの不良が発生することがわかった。このアルミ剥がれモードは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分が強固過ぎるために、集積回路素子１３０の電極パッド１３４部分のアルミが剥がれる状態が生じている。
【００３０】
以上より、本発明の圧電発振器１００の半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１２パーセント以上は、金バンプ１３１単独（図２の○印）の場合よりボールシェア強度が向上することがわかった。これは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４を、金バンプ１３１と半田１３２を介して、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８に接合する工程で、加熱温度のピーク温度が２５０〜２７０℃の第一加熱工程を４０秒程度通過させるが、この第一加熱工程で、金パンプ１３１の体積が縮小することがなく、半田１３２の素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載パターン１１８への拡がりを抑え、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分の接触面積が小さくなることがなくいためと推測される。その結果、半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１２パーセント以上は、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金バンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分の接合強度の低下を防止することができる。
【００３１】
また、本発明の圧電発振器１００の半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率が１６パーセント以下は、集積回路素子１３０の電極パッド１３４部分のアルミ剥がれモードの不良の発生を抑えることができる。
【００３２】
よって、図２と図３の結果より、本発明における圧電発振器１００に用いられる半田１３２の体積に対する金バンプ１３１の体積比率の１２パーセント以上１６パーセント以下は、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、金パンプ１３１と半田１３２で形成されたボールとの接合部分の接合強度が向上し、更に、集積回路素子１３０の電極パッド１３４のアルミ剥がれモードの不良の発生のない、最適な体積比率であることがわかった。
【００３３】
本発明の圧電発振器１００の製造方法は、以下の通りである。ここでは、集積回路素子１３０の電極パッド１３４と、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８を、金バンプ１３１と、半田１３２を介して接合する工程を中心に説明する。まず、ウェハ状の集積回路素子の電極パッド１３４上に、超音波接合法により金パンプ１３１を固着する。
【００３４】
そして、ウェハ状の集積回路素子の電極パッド１３４に固着された金バンプ１３１上に、半田１３２形成用に設計されたメタルマスク（図示せず）を用いて半田１３２を設ける。その後、半田１３２形成用のメタルマスクを、ウェハ状の集積回路素子上から除去した後、加熱温度のピーク温度が２５０〜２７０℃の第一の加熱工程を４０秒程度通過させ、冷却固化することで、ウェハ状の集積回路素子の電極パッド１３４上に、金パンプ１３１を包むように半田１３２が固着される。
【００３５】
その後、ウェハ状の集積回路素子を、ダイシングにより個片の集積回路素子１３０に切断する。個片化された集積回路素子１３０は、圧電発振器１００の蓋部材１１４側を下にした状態で、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８上に、集積回路素子１３０の電極パッド１３４に固着された金バンプ１３１と、半田１３２を介して載置される。
【００３６】
その後、集積回路素子１３０の電極パッド１３４は、圧電発振器１００の蓋部材１１４側を下にした状態で、加熱温度のピーク温度が２６０〜２８０℃の第二の加熱工程を１０秒程度通過させ、冷却固化することで、素子搭載部材１１０に配置された集積回路素子搭載用パターン１１８上に、金パンプ１３１と半田１３２を介して接合される。最後に、圧電発振器１００の蓋部材１１４側を下にした状態で、集積回路素子１３０の回路形成面を保護する目的で、集積回路素子１３０と基板部１１１間に、樹脂１４０を塗布注入し硬化させることで、圧電発振器１００が完成する。
【００３７】
また、前記した実施形態以外にも、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。例えば、前記実施形態に示した圧電発振器１００の第一の凹部Ｋ１に搭載される圧電振動素子１２０は、平面視矩形状の圧電素板の両主面に励振用電極と接続用電極を備える構造を示したが、これに限定することなく、例えば、平面視形状が円形や、音叉形の圧電素板に各種電極を設けた形態の圧電振動素子でもよく、又圧電振動素子に変えて弾性表面波素子を用いても構わない。
【符号の説明】
【００３８】
１００・・・圧電発振器（電子装置）
１１０・・・素子搭載部材
１１１・・・基板部
１１２・・・第一の枠部
１１３・・・第二の枠部
１１４・・・蓋部材
１１６・・・外部接続端子
１１７・・・圧電振動素子搭載用パターン
１１８・・・集積回路素子搭載用パターン
１２０・・・圧電振動素子
１２１・・・導電性接着剤
１３０・・・集積回路素子
１３１・・・金バンプ
１３２・・・半田
１３４・・・電極パッド
１４０・・・樹脂
Ｋ１・・・第一の凹部
Ｋ２・・・第二の凹部
【図１】
2012009729.tif 000003
【図２】
2012009729.tif 000004
【図３】
2012009729.tif 000005
【図４】
2012009729.tif 000006