JP2004129193A

JP2004129193A - Elastic surface wave apparatus

Info

Publication number: JP2004129193A
Application number: JP2003021101A
Authority: JP
Inventors: Mitsutaka Touden; 嶌田　光隆; Yoshifumi Yamagata; 山形　佳史; Kazuhiro Otsuka; 大塚　一弘
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2004-04-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an elastic surface wave apparatus in which an elastic surface wave element and a base substrate can be extremely stably bonded against a thermal stress caused by a difference in a thermal expansion coefficient between the element and the substrate and the stable connection between them is maintained for a long time. <P>SOLUTION: The elastic surface wave apparatus is composed of: an elastic surface wave element in which an IDT (interdigital transducer) electrode 11, a connecting electrode 12 and an outer peripheral sealing electrode 13 are formed on one major face of a lithium-tantalate piezoelectric substrate 10; and a base substrate 2 formed with an element connecting electrode 21 to be connected with the connecting electrode via a solder bump member 3 and an outer peripheral sealing conductor film 22 to be bonded with the outer peripheral sealing electrode 13 via a soldering member 4. For each of the solder bump member 3 and the soldering member 4, an Sn-Sb or Sn-Ag leadless solder containing Sn in ≥90% is used and the thermal expansion coefficient of the base substrate 2 is set from 9 to 22 ppm/°C. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
インターデジタルトランスデューサー電極（以下、単にＩＤＴ電極と記す）及び接続電極が形成された弾性表面波素子をベース基板に接合・固定した弾性表面波装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、弾性表面波素子は、図６に示すように、キャビティ６３が形成されたベース基板６２に、弾性表面波素子６１を接合して、このキャビティ６２の開口を封止用金属蓋体６４などで覆っていた。
【０００３】
このような弾性表面波装置の弾性表面波素子６１は、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板などの単結晶圧電基板一方主面にＩＤＴ電極を形成し、さらに、このＩＤＴ電極に接続をする接続電極を形成していた。
【０００４】
これらのＩＤＴ電極や接続電極は、圧電基板上に薄膜技法を用いてアルミニウムなどで形成していた。
【０００５】
また、ベース基板６２は、たとえばアルミナセラミックなどからなり、ベース基板６２の一方主面には、キャビティ６３が形成されている。このキャビティ６３の底面には、素子接続用電極が配置されており、この素子接続用電極は、ベース基板６２の底面に形成した外部接続電極と接続している。また、キャビティ６３の開口周囲は、封止導体膜が形成さており、その封止導体膜にシールリング６５が固定されている。
【０００６】
このような弾性表面波素子６１とベース基板６２の接続にあたっては、弾性表面波素子の接続電極上に金ワイヤのボールボンディングによる金バンプ６６を形成して、この金バンプ６６とベース基板６２の素子接続用電極と当接するように、キャビティ６３内に弾性表面波素子６１を配置し、その後、弾性表面波素子６１に超音波を印加して融着していた。
【０００７】
その後、キャビティ６３内を所定雰囲気に制御して、キャビティ６３開口周囲に固定したシールリング６５を介して金属蓋体６４を配置して、金属蓋体６４をシーム溶接により封止していた。
【０００８】
なお、ベース基板６２は、周知の多層配線基板の製造方法と同様であり、キャビティ６３はベース基板６２を構成する上部側のアルミナ絶縁層の枠形状により構成することができ、また、素子接続用電極は、アルミナ絶縁層間に配置された配線パターンの一部として形成することができる。そして、その配線パターン（素子接続用電極）の表面は、上述の超音波融着を容易にするために、金メッキ層などが被着されている。
【０００９】
このような金バンプ６６は、ボールボンディング法を用いて圧電基板の接続電極上に形成するため、ボンディングダメージを与えてしまう。また、実装にあたっては、弾性表面波素子に直接、超音波熱圧着により接合しており、基板加熱温度を１５０℃程度に加熱し、素子側から荷重は１〜１０Ｎ程度を印加して行う。即ち、また、加熱処理を伴うため、基板が熱膨張により変形し、この変形した応力が内在した状態で弾性表面波素子が接合・固定されてしまい、常温における弾性表面波素子の特性を変動させてしまう。
【００１０】
また、弾性表面波素子に超音波振動をあたえるため、物理的な影響をあたえてしまい、極端な場合には圧電基板から接続電極が剥離してしまう。
また別の構造として、弾性表面波素子とベース基板との接続及び機械的な接合を金バンプ以外にハンダパンプを用いた構造が既に知られている。
【００１１】
そして、弾性表面波素子６１とベース基板６２との接合のハンダには、一般的には、Ｐｂ／Ｓｎ（たとえは９５Ｐｂ／５Ｓｎ）が用いられていた。
【００１２】
この構造では、弾性表面波素子の接続においては、弾性表面波素子に超音波振動を印加する必要がないため、弾性表面波素子への物理的なダメージを極端に抑えることができる。また、半田リフロー処理などの加熱処理で行われるが、ハンダの鉛成分が基板側の熱膨張係数と弾性表面波素子側の熱膨張係数の差による応力を吸収する機能を有していた。これは、ハンダを含まれる鉛成分が比較的柔らかい材料であり、熱膨張係数の差による応力が発生しても、この応力を柔らかい材料である鉛で緩和できるためである。即ち、ベース基板の熱膨張係数と弾性表面波素子の熱膨張係数を厳密に考慮する必要がなく、比較的安価で容易な接続が可能といえる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、接合部材の鉛成分を含有するハンダは、環境悪化を招くことから、その利用が制限されつつある。
【００１４】
また、超音波による融着に比較して、弾性表面波素子及びベース基板の全体に加熱を行う必要があり、弾性表面波素子とベース基板との間のひずみ量が大きくなる可能性があった。
【００１５】
また、この鉛成分を多量に含むはんだ材料は、降伏応力が低いため、弾性表面波素子と基板間の熱膨張係数差による熱ストレスが加わった場合には、塑性ひずみ量やクリープひずみ量が大きくなる。これは、接合時のみを考えると、上述のように熱ストレスを吸収できるように思えても、実際の長期使用を想定した温度サイクル試験を行うと、弾性表面波装素子とベース基板との熱膨張係数の差による応力がハンダ部分に集中し、それが繰り返しかかりハンダ部分で金属疲労を起こし、破断してしまうという致命的な問題があった。
【００１６】
このため、従来では、ベース基板と弾性表面波素子との接合部分の側面部分に、高粘度コート材を周囲に設けて、はんだ接合部分に発生する応力を緩和させ、信頼性寿命を確保していた。
【００１７】
さらに、弾性表面波素子をアルミナなどのベース基板に、Ｐｂはんだ以外のろう材を用いると、弾性表面波素子側に熱膨張係数の差による応力が集中してしまい、弾性表面波素子が割れてしまう可能性があり、接合部材については特に慎重に選定する必要がある。
【００１８】
また、その接合時に、接合部材から、異物が発生するものを避けなくてはならない。これは、異物が弾性表面波素子、特にＩＤＴ電極に付着してしまうと、特性劣化を招いてしまうためである。
【００１９】
特に、圧電基板の材料にタンタル酸リチウムを用いた弾性表面波素子の場合、タンタル酸リチウムの熱膨張係数は、素子の伝搬方向と、伝搬方向と直交する方向では、熱膨張係数が異なるという特性を有する。例えば、表面波伝播方向の線膨張係数は約１６ｐｐｍ／℃、表面波伝播方向と直交する方向の線膨張係数は約８．３ｐｐｍ／℃である。
【００２０】
また、基板材料はアルミナで熱膨張係数は、方向性の依存性がなく、たとえば７ｐｐｍ／℃である。即ち、熱膨張係数の方向性の依存のある圧電基板と、方向依存性のない基板とを、接続するにはその接続構造を十分に考慮しなくてはならない。しかも、圧電基板とベース基板との低背化及び容易な接合を図ったフェイスダウン実装構造（熱膨張係数の応力が接合部で集中する）では特に考慮しなくてはならない。
【００２１】
また、圧電基板のＩＤＴ電極を形成した表面側が、ベース基板への実装面となり、この実装面側に弾性表面波が安定して伝搬できるように所定間隙を形成する必要があり、半導体素子の接合のように、機械的な接合を向上させるため、ベース基板との間に絶縁性樹脂のからなるアンダフィルの使用についても制限が発生してしまう。
【００２２】
本発明は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、ベース基板に、タンタル酸リチウムの圧電基板を用いた弾性表面波素子をフェースボンディング接合しても、熱膨張係数の差による熱応力に対して非常に安定して接合でき、しかも、長期にわたり安定した接続が維持できる弾性表面波装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タンタル酸リチウム圧電基板の一主面上にインターデジタルトランスデューサー電極、該インターデジタルトランスデューサー電極と接続をする接続電極及び外周封止電極が形成された弾性表面波素子と、
ハンダバンプ部材を介して前記接続電極と接続する素子接続用電極、ハンダ接合部材を介して前記外周封止電極と接合する外周封止導体膜及び外部端子電極を形成されたベース基板と、
該ベース基板の主面と前記弾性表面波素子の一主面との間に所定間隙を形成するように、前記ベース基板の主面に接続・固定した弾性表面波素子の他主面及び側面に被着された外装樹脂層とからなる弾性表面波装置において、
前記ハンダバンプ部材及びハンダ接合部材は、９０％以上のＳｎを含むＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系の無鉛ハンダであるとともに、前記ベース基板の熱膨張係数が、９〜２０ｐｐｍ／℃であることを特徴とする弾性表面波装置である。
【００２４】
また、前記ベース基板が、セラミック粉末と該セラミック粉末の界面に結晶化ガラスが配されたガラスセラミックである。
【００２５】
また、前記ベース基板が、無機繊維で強化された樹脂基板である。
【００２６】
【作用】
本発明では、ベース基板に、タンタル酸リチウムからなる圧電基板を用いた弾性表面波素子を、９０％以上のＳｂを含むＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系ハンダからなるハンダバンプ及びハンダ接合部材により電気的な接続及び接合をおこなっている。即ち、ハンダバンプ部材により、ベース基板と弾性表面波素子との電気的な接続を行い、またハンダ接合部材により、特に、圧電基板一方主面の周囲で機械的な接合をおこなっている。即ち、超音波融着のように、弾性表面波素子に多大な物理的な衝撃をあたえることがないため、電極の剥離などを招くことが一切ない。
【００２７】
このハンダバンプやハンダ接合部材に、９０％以上のＳｎを含むＳｎ−Ｓｂ系無鉛ハンダをハンダバンプ及びハンダ接合部材に用いるため、従来の鉛成分を含有するハンダの接合に比較して、熱膨張係数の差による熱応力による金属疲労を低減して長期にわたり、安定した接続を維持している。
【００２８】
また、鉛成分を有するハンダに比較して、その熱応力を吸収しにくいものの、タンダル酸リチウムの伝搬方向の熱膨張係数とそれに直交する方向の熱膨張係数を考慮して、ベース基板の熱膨張係数を厳密に、９〜２０ｐｐｍ／℃と規定しているため、ハンダ接合部材で吸収できなかった応力に対しても、弾性表面波素子やベース基板にひずみや反りが発生しない。
【００２９】
したがって、実際の使用を想定した温度サイクル試験を施しても、安定した接合が維持できる。
【００３０】
また、タンタル酸リチウム圧電基板の一方主面（ＩＤＴ電極が形成された面）の周囲には、接合用のハンダ接合用部材が周設されている。即ち、弾性表面波素子とベース基板との間隙が、接合が安定したハンダ部材で取り囲まれているため、その間が気密的に封止された状態を維持できる。
【００３１】
また、熱膨張係数９〜２０ｐｐｍ／℃の基板としては、無機物フィラーの界面に結晶化ガラスが充填されたガラス−セラミック基板がなどが例示でき、タンタル酸リチウムの方向性を有する熱膨張係数に対しても、非常に安定して追随することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の弾性表面波装置を図面に基づいて詳説する。
図１は、本発明の弾性表面波装置の断面図であり、図２は、本発明の弾性表面波装置に用いるベース基板の概略平面図であり、図３は、弾性表面波装置に用いる弾性表面波素子を製造する各工程における断面図である。
【００３３】
本発明は、弾性表面波素子１、ベース基板２、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４、外装樹脂層５とから構成されている。
【００３４】
弾性表面波素子１は、弾性表面波共振子、弾性表面波フィルタなどが例示でき、タンタル酸リチウム圧電基板１０の一主面上にインターデジタルトランスデューサー電極（本発明では、櫛歯状電極及び反射器電極を含み、以下、単にＩＤＴ電極という）１１が形成され、さらにこのＩＤＴ電極１１と接続をする接続電極１２が形成されている。例えば、ＩＤＴ電極１１は、タンタル酸リチウム圧電基板１０の中央に、伝搬方向に形成され、接続電極１２は、ＩＤＴ電極１１の所定箇所から延びるように、ＩＤＴ電極１１の周囲に形成される。接続電極１２は、例えば、信号入力電極、信号出力電極、グランド電位電極などからなる。
【００３５】
また、このタンタル酸リチウム圧電基板１０の一方主面（ＩＤＴ電極１１、接続電極１２を形成した面）の外周には、外周封止電極１３が形成されている。この外周封止電極１３は、弾性表面波素子１とベース基板２との単に形成される間隙の周囲を気密的に封止するものである。なお、各電極１１〜１３は、例えば、アルミニウム、銅などをフォトリソグラフィ技術に基づいて形成され、その表面に、クロム、ニッケル、金などのメッキ層が形成される。
【００３６】
ベース基板２は、熱膨張係数９〜２０ｐｐｍ／℃となる基板材料、たとえば、ガラス−セラミック材料の多層基板などが例示できる。このガラス−セラミック材料の基板２０は、アルミナ粉末の無機物フィラーと、この無機物フィラーの界面に結晶化ガラスが配置され基板であり、アノーサイトなどの結晶化ガラスが析出される複数の金属酸化物（ほう酸、シリカ、酸化亜鉛など）の粉末を用いて、有機バインダ、溶剤を均質混練して得られるスラリーを例えばグリーンシート生成して、このグリーンシートを積層した後一体的に焼成して形成される。また、上述のスラリーを支持基板上に印刷し、また、支持基板にコートして積層化して未焼成状態の積層体を形成した後、焼成処理して形成する。ベース基板２を構成する基板２０の表面には、素子接続用電極２１、外周封止導体膜２２及び外部端子電極２３が形成されている。さらに、素子接続用電極２１と外部端子電極２３とを接続するビアホール導体を含む内部配線パターン２４が形成されている。
【００３７】
ベース基板２は上記のガラス−セラミック基板以外に、ガラスファイバーなどの無機繊維で強化された樹脂基板でもよい。樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ＢＴ樹脂がよいが、とくにＢＴ樹脂は気密性が高く、耐湿特性が良好で電子部品のパッケージ用として適している。樹脂基板の主面には銅箔がラミネートされており、この上に感光性レジストを用いてパターン形成後、エッチングで内部配線パターン２４や素子接続用電極２１、外周封止導体膜２２及び外部端子電極２３などを形成する。
【００３８】
とくに、ベース基板２として樹脂基板を用いるほうがセラミック基板に比べていくつかの点で優れている場合がある。第１に配線や電極パターンが上記のように写真現像技術を用いたもので、パターン精度が高く、大型基板の上で一括成型した後ダイシングソーで分割する際の切断精度が高い。これに対しセラミック基板は焼成時の基板変形で配線や電極パターンが変形し、切断時の精度を高めることができない。第２に樹脂基板材料の誘電率が一般に小さく浮遊容量が形成されにくい。これにより弾性表面波フィルタを実装する際は、バランス度やＶＳＷＲ特性の良好なフィルタを提供することができる。
【００３９】
これらの各導体膜または各電極２１〜２４は、上述の基板を形成する工程で、銀などの導電性ペーストをグリーンシートや印刷塗布膜上に形成した貫通孔内に充填したり、また、グリーンシートや印刷塗布膜の表面に所定形状に印刷して、積層処理後、基板２０の焼成工程で一体的に焼成処理されて形成される。
なお、この素子接続用電極２１、外周封止導体膜２２及び外部端子電極２３は、銀の導体膜上にメッキ処理などを施して、少なくともハンダ濡れ性が良好な金属表面を形成する。
【００４０】
このようなベース基板２上に弾性表面波素子１を接合するにあたり、ベース基板２の主面と弾性表面波素子１の一主面（ＩＤＴ電極１１が形成された面）との間に所定間隙を形成するように、弾性表面波素子１の接続電極１２とベース基板２の主面の素子接続用電極２１とをハンダバンプ部材３により接続して、弾性表面波素子１の外周封止電極１３とベース基板２の外周封止導体膜２２とをハンダ接合部材４によって接合する。そして、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４は、その組成がＳｎ９０％以上の無鉛はんだ材料であるＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系のハンダを用いる。即ち、本発明による接合方法は、ハンダによるフェースボンディング接合である。
【００４１】
なお、この接合時にあたり、ベース基板２と弾性表面波素子１との間隙が所定雰囲気、たとえば窒素雰囲気になるように、接合は窒素雰囲気で処理する。
【００４２】
また、ベース基板２に接合された弾性表面波素子１は、他方主面側及び側面にわたり、外装樹脂層５を被着形成する。この外装樹脂層５は、エポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂などが例示できる。
【００４３】
本発明で特徴的なことは、タンタル酸リチウム圧電基板１０を用いた弾性表面波素子１をフェイスホンディング接合するにあたり、異方性の熱膨張係数を考慮して、基板２０の熱膨張係数を９〜２０ｐｐｍ／℃に制御するとともに、このベース基板２と弾性表面波素子１との接続及び接合に用いるハンダ組成は、Ｓｎ９０％以上の無鉛はんだ材料を用いたことである。
【００４４】
これにより、ハンダバンプ３及びハンダ接合部材４がベース基板２の各電極、各導体膜２１、２２上に一括的に形成することができ、大幅なプロセスコストの削減が可能となる。また、ハンダ材料の融点を２５０℃以下とすることができるため、弾性表面波素子１とベース基板２との間のひずみ量を抑えることができ、弾性表面波素子１にクラックの発生を有効に抑えることができる。したがって、弾性表面波素子１とベース基板２との間の塑性ひずみ量を低減させる効果は顕著となり、長期にわたり高い信頼性を保証できる。さらに、ベース基板２は、水分透過抑制効果のあるガラス−セラミック材料からなる基板２０を用いており、各素子接続用電極２１、内部配線パターン２４などに、銀や銅などの低抵抗材料を用いることができ、高周波特性に優れたものになる。
【００４５】
また、弾性表面波素子１の圧電基板１０の外周の全周にわたり、外周封止電極１３が形成され、この部分にベース基板２の外周封止導体膜２２とハンダ接合部材４によって接合されている。このため、気密封止性が非常に向上することになり、水分の浸入経路が完全に無くなり気密性が大幅に向上する。
【００４６】
また、気密封止をおこなうハンダ接合部材４と、弾性表面波素子１とベース基板２とを電気的に接続するハンダバンプ部材３とを同一材料に形成することにより、例えば、ベース基板２上にハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４を形成する工程が同一工程内の作業となり、ハンダバンプ部材３による接続及びハンダ封止部材４による接合も同一工程でその作業を行える。
【００４７】
以下、本発明の弾性表面波装置の製造方法に図３（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
【００４８】
まず、ベース基板２が複数抽出できる大型ベース基板を用意する。この大型ベース基板の各装置の領域（切断または分割後にベース基板２となる領域）の一方主面には、素子接続用電極２１、外周封止導体膜２２が形成され、他方主面には、外部端子電極２３が形成され、さらに、各素子領域には、内部配線パターン２４が形成されている（図３（ａ）参照）。なお、各基板領域の平面形状は、弾性表面波素子１の平面形状よりも１周り、たとえば、０．５ｍｍ程度大きくしておくことが重要である。
【００４９】
次に、弾性表面波素子１とベース基板２とを電気的に接続するハンダパンプ部材３及び周囲を封止するハンダ接合部材４を形成する（図３（ｂ）参照）。このハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４は、大型ベース基板の各素子領域に形成した素子接続用電極２１の表面及び外周封止導体膜２２の表面に、ペースト状のハンダを塗布して形成する。なお、バンプ状とするため、塗布したハンダを１次加熱処理、洗浄処理をおこなう。これにより、印刷したハンダは、素子接続電極２１及び外周封止導体膜２２上で断面半円形状となり、さらに、不要なフラックス成分を除去することができる。
【００５０】
このハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４は、ベース基板２０側に形成している。これは弾性表面波素子１側に形成する場合、非常に狭い間隔のＩＤＴ電極１１にハンダやその他の不要な成分が付着して、弾性表面波素子１の特性劣化を避けるためである。
【００５１】
また、タンタル酸リチウム圧電基板１０が複数抽出できるタンタル酸リチウムの大型圧電基板を用意する。この大型圧電基板の一方主面の各素子領域には、ＩＤＴ電極１１、接続電極１２、外周封止電極１３が被着形成される。そして、各大型圧電基板は、各弾性表面波素子１毎に切断処理され、その後、例えば整列パレットなどに整列される。このタンタル酸リチウム圧電基板１０の一方主面に、図１に示すように、ＩＤＴ電極１１が形成され、さらにこのＩＤＴ電極１１と接続をする接続電極１２が形成され、さらＩＤＴ電極１１及び接続電極１２を取り囲むように、基板１０の周辺には外周封止電極１３が形成されている。
【００５２】
次に、パレットに整列した弾性表面波素子１を取り出して（図３（ｃ）参照）、大型ベース基板の各基板領域に載置する。このとき、弾性表面波素子１側の接続電極１２と、基板領域の素子接続用電極２１上に形成したハンダバンプ材３とを位置合わせして、同時に、弾性表面波素子１の外周封止電極１３と各基板領域に形成した外周封止導体膜２２上に形成したハンダ接合部材４と位置合わせをおこなう。これにより、大型ベース基板には、各基板領域に対応して弾性表面波素子１がそれぞれ載置されることになる（図３（ｄ）参照）。
【００５３】
次に、弾性表面波素子１が載置された大型ベース基板を一括的にリフロー処理して、このハンダパンプ部材３によって電気的な接続を施し、ハンダ接合部材４によって両者を機械的に接合するとともに気密的に封止をおこなう。これにより、ハンダパンプ部材３及びハンダ接合部材の４の高さに相当する間隙が、弾性表面波素子１の一方主面と大型ベース基板の表面との間に形成でき、弾性表面波素子１で発生する弾性表面波を安定して伝搬させることができる。なお、このリフロー処理時に、その雰囲気を例えば窒素雰囲気中で処理することにより、この間隙を窒素雰囲気にすることができる。
【００５４】
次に、大型ベース基板に電気的な接続及び機械的な接合が施された弾性表面波素子１に、素子１の他方主面（露出している表面）側から、外装樹脂層５となる例えばエポキシ樹脂ペーストを塗布して、硬化処理する。この時、弾性表面波素子１よりも大型ベース基板の各素子領域の平面形状が大きいため、隣接しあう弾性表面波素子１の間隙にもエポキシ樹脂が塗布される。即ち、弾性表面波素子１は、他方主面側及びその側面に外装樹脂層５が塗布されることになる（図３（ｅ）参照）。
【００５５】
次に、複数の弾性表面波素子１が実装され、且つ外装樹脂層５が被着された大型ベース基板を、基板領域毎に外装樹脂層５が被着された状態でダイシング処理により切断処理する（図３（ｆ）参照）。この工程により、図１、図２に示す弾性表面波装置が得られることになる。
【００５６】
本発明において、ハンダパンプ部材３及びハンダ接合部材４に、９０％以上のＳｂを含むＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系のハンダを用いている。例えば、Ｓｎ−Ｓｂハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂハンダが用いられる。そして、本発明者は、上述のハンダを含む代表的な４種類のハンダ（Ｓｎ−Ｓｂハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ、Ｓｎ−Ｐｂハンダ、Ｓｎ−Ａｕ系ハンダ）について、外周封止導体膜２２上のハンダの封止幅を５０〜３００μｍに変化させて、それぞれ測定した。
【００５７】
その結果を図４に示す。図４においては、Ｓｎ−Ｐｂハンダは環境的配慮すると実用性に乏しく、また、鉛成分含有による最大主応力は小さいものの、逆に温度サイクル試験などを施すと、金属疲労をおこしてしまい、接合信頼性の低下を招いてしまう。また、Ｓｎ−Ａｕ系ハンダは、降伏応力が高すぎてしまう。その結果、ベース基板２に接合した時に、ハンダ接合部材４に残留する応力が、弾性表面波素子１に影響し、例えば、最大主応力が２００Ｎ／ｍｍ^２を超えると、弾性表面波素子１をベース基板２に接合した状態で、また、温度サイクル試験で、弾性表面波素子１にクラックが発生してしまうことを確認している。即ち、最大主応力は、ハンダ接合部材４の封止幅によっても依存するため、接合に用いるハンダ材料と封止幅とを調整して、ハンダ接合部材４における最大主応力の値が、２００Ｎ／ｍｍ^２を超えないように、図４に基づいて設定する必要がある。
【００５８】
以上のことから、ハンダ接合部材４のハンダとしては、Ｓｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系のハンダを用いることが重要である。また、Ｓｎが組成中９０％以上存在していないと、ハンダ接合が安定して行えない。なお、ハンダバンプ部材３は、上述のように、ハンダ接合部材４と同一工程で形成し、同一工程で接続する。このため、ハンダバンプ部材３をハンダ接合部材４と同一組成にしておくことが、ハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４の取り扱いが容易となる。
【００５９】
本発明者は、Ｓｎ−Ｓｂ系ハンダ、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダを用いて、タンタル酸リチウム圧電基板１０（タンタル酸リチウムの熱膨張係数は１６ｐｐｍ／℃であるものの、表面波伝播方向の線膨張係数は約１６ｐｐｍ／℃、表面波伝播方向と直交する方向の線膨張係数は約８．３ｐｐｍ／℃）を接合するにあたり、最適なベース基板２を検討した。
【００６０】
本発明は、ベース基板２の熱膨張係数を７〜２５ｐｐｍ／℃の範囲に属する６種類の基板材料を用いて、ハンダ材料として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを用い、封止幅を例えば２００μｍにして、ベース基板の塑性ひずみ量と、平均故障寿命との関係を調べた。塑性ひずみ量は、弾性表面波素子１を接合した状態でベース基板２の一辺における基板厚みに対するひずみ量の割合である。平均故障寿命は、−４０℃〜１２５℃を各３０分繰り返し、故障が発生する平均回数から平均故障寿命を求めた。
【００６１】
その結果、図５に示すように、塑性ひずみ量と平均故障寿命とはそれぞれベース基板の熱膨張係数に対して、明らかな相関関係が得られ、具体的には、ベース基板２の熱膨張係数が９〜２０ｐｐｍ／℃であると、塑性ひずみ量が２．０％未満とすることができ、これにより、平均故障寿命を約１０００回以上となる。
【００６２】
これに対して９ｐｐｍ／℃未満となると、ベース基板２と弾性表面波素子１の熱膨張係数の差による応力が大きくなり、塑性ひずみ量が大きくなりすぎ、温度サイル回数１０００未満で故障してしまう。このような基板の材料としては、アルミナセラミック基板（７．１ｐｐｍ／℃）が例示できる。この場合、接合直後の弾性表面波素子１のクラックの発生率が３０％を超え、さらに、温度サイクル１０回で２〜３％の割合で弾性表面波素子１にクラックが発生してしまい、ベース基板２のひずみからも、また、接合部分の応力の関係からも、実用のレベルにいたらない。
【００６３】
また、これに対して２０ｐｐｍ／℃を越えると、ベース基板２と弾性表面波素子１の熱膨張係数の差による応力が大きくなり、塑性ひずみ量が大きくなり過ぎ、温度サイル回数１０００未満で故障してしまう。
なお、上述の９〜２０ｐｐｍ／℃の範囲においては、アルミナセラミック粉末を無機物フィラーとして用いて、その粉末の界面に結晶化ガラスを配したガラスセラミック基板が例示できる。そして、結晶化ガラスの組成、アルミナセラミックと結晶化ガラスとの配合により、比較的任意の熱膨張係数の基板得られる。
【００６４】
本発明者は、１０．６ｐｐｍ／℃のベース基板２に、タンタル酸リチウム圧電基板１０を用いた弾性表面波素子１を、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（９６．５Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）ハンダをハンダハンプ部材３及びハンダ封止部材４に用いた弾性表面波装置を作成した。なお、外装樹脂層５には、エポキシ樹脂を用いてその熱膨張係数を３０ｐｐｍ／℃、ヤング率６６０ｋｇｆ／ｍｍ^２とした。
【００６５】
その結果、接合前の最大主応力が約１３７Ｎ／ｍｍ^２となり、接合後（塑性ひずみの発生後）の応力が約７８Ｎ／ｍｍ^２となり、封止後における弾性表面波素子１のクラック及び温度サイクル試験１０回後においても、弾性表面波素子１のクラックが共に発生しない。また、温度サイクル試験における平均故障寿命１７００回であった。
【００６６】
また、１２．３ｐｐｍ／℃のベース基板２に、タンタル酸リチウム圧電基板１０を用いた弾性表面波素子１を、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（９６．５Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）ハンダをハンダハンプ部材３及びハンダ封止部材４に用いた弾性表面波装置を作成した。なお、外装樹脂層５には、エポキシ樹脂を用いてその熱膨張係数を３０ｐｐｍ／℃、ヤング率６４６８Ｎ／ｍｍ^２とした。
【００６７】
その結果、接合前の最大主応力が約９８Ｎ／ｍｍ^２となり、接合後（塑性ひずみの発生後）の応力が約６８Ｎ／ｍｍ^２となり、封止後における弾性表面波素子１のクラック及び温度サイクル試験１０回後においても、弾性表面波素子１のクラックが共に発生しない。また、温度サイクル試験における平均故障寿命１８００回であった。
【００６８】
なお、タンタル酸リチウム圧電基板１０の熱膨張係数は、表面波伝播方向の線膨張係数が約１６ｐｐｍ／℃、表面波伝播方向と直交する方向の線膨張係数が約８．３ｐｐｍ／℃である。しかし、上述の種々の検討から、熱膨張係数は表面波伝搬方向の１６．０ｐｐｍ／℃が支配的であり、その結果、ベース基板２の熱膨張係数の範囲の中心値１４．９４は、タンタル酸リチウム圧電基板１０の方向性を考慮した相加平均的な１２．１５ｐｐｍ／℃に比較して、若干高い値となっている。このように設定すれば、タンタル酸リチウム圧電基板１０の熱膨張係数が方向によって相違しても、実施的に方向性を無視して、ベース基板２、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４においては、上述のようなハンダ材料と、ベース基板との組み合わせにより、安価で、製造方法が容易な弾性表面波装置となる。
【００６９】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、タンタル酸リチウム圧電基板を用いた弾性表面波素子をベース基板にハンダパンプ部材に電気的に接続し、且つハンダ接合部材によって気密的に接合した弾性表面波装置であって、上述のハンダバンプ及びハンダ接合部材は、９０％以上のＳｎを含むＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系の無鉛ハンダであるとともに、前記ベース基板の熱膨張係数が、９〜２０ｐｐｍ／℃としたため、熱膨張係数の差による熱応力に対して非常に安定して接合でき、しかも、長期にわたり安定した接続が維持できる弾性表面波装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性表面波装置の断面構造図である。
【図２】本発明の弾性表面波装置に用いるベース基板の平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の弾性表面波装置の製造方法の各工程を説明する断面図である。
【図４】ハンダ組成の違いによる最大主応力の比較した特性図である。
【図５】基板の熱膨張係数による塑性ひずみ量及び平均寿命との関係を示す特性図である。
【図６】従来の弾性表面波装置の断面図である。
【符号の説明】
１　　弾性表面波素子
２　　ベース基板
１０　　タンタル酸リチウム圧電基板
１１　　ＩＤＴ電極
１２　　接続電極
１３　　外周封止電極
２０　　基板
２１　　素子接続用電極
２２　　外周封止導体膜
２３　　外部端子電極
２４　　内部配線パターン
３　　　ハンダバンプ部材
４　　　ハンダ接合部材
５　　　外装樹脂層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface acoustic wave device in which a surface acoustic wave element on which an interdigital transducer electrode (hereinafter simply referred to as an IDT electrode) and a connection electrode are formed is bonded and fixed to a base substrate.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 6, a surface acoustic wave element is formed by joining a surface acoustic wave element 61 to a base substrate 62 in which a cavity 63 is formed, and opening an opening of the cavity 62 with a sealing metal lid 64 or the like. Was covered with.
[0003]
The surface acoustic wave element 61 of such a surface acoustic wave device has an IDT electrode formed on one main surface of a single-crystal piezoelectric substrate such as a lithium tantalate substrate or a lithium niobate substrate, and is further connected to the IDT electrode. An electrode was formed.
[0004]
These IDT electrodes and connection electrodes have been formed of aluminum or the like on a piezoelectric substrate using a thin film technique.
[0005]
The base substrate 62 is made of, for example, alumina ceramic, and a cavity 63 is formed on one main surface of the base substrate 62. An element connection electrode is arranged on the bottom surface of the cavity 63, and the element connection electrode is connected to an external connection electrode formed on the bottom surface of the base substrate 62. A sealing conductor film is formed around the opening of the cavity 63, and a seal ring 65 is fixed to the sealing conductor film.
[0006]
In connecting such a surface acoustic wave element 61 and the base substrate 62, a gold bump 66 is formed on a connection electrode of the surface acoustic wave element by ball bonding of a gold wire. The surface acoustic wave element 61 is disposed in the cavity 63 so as to be in contact with the connection electrode, and thereafter, ultrasonic waves are applied to the surface acoustic wave element 61 to perform fusion.
[0007]
Thereafter, the inside of the cavity 63 was controlled to a predetermined atmosphere, the metal lid 64 was disposed via a seal ring 65 fixed around the opening of the cavity 63, and the metal lid 64 was sealed by seam welding.
[0008]
The base substrate 62 is the same as a well-known method of manufacturing a multilayer wiring substrate, and the cavity 63 can be formed by the frame shape of the alumina insulating layer on the upper side constituting the base substrate 62. The electrode can be formed as a part of a wiring pattern disposed between the alumina insulating layers. The surface of the wiring pattern (electrode for element connection) is coated with a gold plating layer or the like in order to facilitate the above-mentioned ultrasonic fusion.
[0009]
Since such a gold bump 66 is formed on the connection electrode of the piezoelectric substrate by using the ball bonding method, it causes bonding damage. In mounting, the substrate is directly bonded to the surface acoustic wave element by ultrasonic thermocompression bonding, the substrate is heated to a temperature of about 150 ° C., and a load of about 1 to 10 N is applied from the element side. In other words, since the heat treatment is involved, the substrate is deformed due to thermal expansion, and the surface acoustic wave element is bonded and fixed in a state where the deformed stress is present, causing the characteristics of the surface acoustic wave element to change at room temperature. Would.
[0010]
In addition, since the ultrasonic vibration is applied to the surface acoustic wave element, physical effects are given. In an extreme case, the connection electrode is separated from the piezoelectric substrate.
As another structure, a structure using a solder pump other than the gold bump for connection and mechanical bonding between the surface acoustic wave element and the base substrate is already known.
[0011]
In addition, Pb / Sn (for example, 95Pb / 5Sn) is generally used as solder for joining the surface acoustic wave element 61 and the base substrate 62.
[0012]
With this structure, it is not necessary to apply ultrasonic vibration to the surface acoustic wave element when connecting the surface acoustic wave element, so that physical damage to the surface acoustic wave element can be extremely suppressed. Further, the heating is performed by a soldering reflow process or the like, and the lead component of the solder has a function of absorbing a stress caused by a difference between a thermal expansion coefficient of the substrate and a thermal expansion coefficient of the surface acoustic wave element. This is because the lead component containing solder is a relatively soft material, and even if stress due to a difference in thermal expansion coefficient is generated, the stress can be relieved by the soft material lead. That is, it is not necessary to strictly consider the thermal expansion coefficient of the base substrate and the thermal expansion coefficient of the surface acoustic wave element, and it can be said that relatively inexpensive and easy connection is possible.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the use of the solder containing the lead component of the joining member is deteriorating the environment, and its use is being restricted.
[0014]
In addition, compared to fusion by ultrasonic waves, it is necessary to heat the entire surface acoustic wave element and the base substrate, and the amount of strain between the surface acoustic wave element and the base substrate may increase. .
[0015]
In addition, since the solder material containing a large amount of the lead component has a low yield stress, when a thermal stress due to a difference in thermal expansion coefficient between the surface acoustic wave element and the substrate is applied, the amount of plastic strain or creep strain is large. Become. This is because even if it seems that the thermal stress can be absorbed as described above when considering only at the time of joining, the thermal cycle test between the surface acoustic wave device and the base substrate is performed in a temperature cycle test assuming actual long-term use. There is a fatal problem that the stress due to the difference in the expansion coefficient is concentrated on the solder portion, and the stress is repeatedly applied, causing metal fatigue in the solder portion and breaking.
[0016]
For this reason, conventionally, a high-viscosity coating material is provided around the side surface portion of the joint portion between the base substrate and the surface acoustic wave element to reduce the stress generated at the solder joint portion and secure the reliability life. Was.
[0017]
Furthermore, when a brazing material other than Pb solder is used for a base substrate such as alumina for a surface acoustic wave element, stress due to a difference in thermal expansion coefficient is concentrated on the surface acoustic wave element side, and the surface acoustic wave element is broken. Therefore, it is necessary to carefully select the joining members.
[0018]
Further, at the time of the joining, it is necessary to avoid the generation of foreign matter from the joining member. This is because if foreign matter adheres to the surface acoustic wave element, particularly to the IDT electrode, the characteristics are deteriorated.
[0019]
In particular, in the case of a surface acoustic wave device using lithium tantalate as the material of the piezoelectric substrate, the thermal expansion coefficient of lithium tantalate differs in the propagation direction of the device and in the direction perpendicular to the propagation direction. Having. For example, the coefficient of linear expansion in the direction of surface wave propagation is about 16 ppm / ° C., and the coefficient of linear expansion in the direction orthogonal to the direction of surface wave propagation is about 8.3 ppm / ° C.
[0020]
The substrate material is alumina, and the coefficient of thermal expansion does not depend on the direction, and is, for example, 7 ppm / ° C. That is, in order to connect a piezoelectric substrate whose thermal expansion coefficient depends on the direction and a substrate which does not depend on the direction, the connection structure must be sufficiently considered. In addition, special consideration must be given to the face-down mounting structure (stress of the thermal expansion coefficient is concentrated at the joint) in which the height of the piezoelectric substrate and the base substrate are reduced and the joint is facilitated.
[0021]
Also, the surface of the piezoelectric substrate on which the IDT electrodes are formed is a mounting surface on the base substrate, and it is necessary to form a predetermined gap on the mounting surface so that surface acoustic waves can be stably propagated. As described above, in order to improve mechanical bonding, the use of an underfill made of an insulating resin between itself and the base substrate is limited.
[0022]
The present invention has been devised in view of the above-described problems, and has as its object to achieve a thermal expansion coefficient even when a surface acoustic wave element using a lithium tantalate piezoelectric substrate is face-bonded to a base substrate. It is an object of the present invention to provide a surface acoustic wave device which can be bonded very stably with respect to thermal stress caused by the difference between the two and can maintain stable connection for a long time.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a surface acoustic wave element in which an interdigital transducer electrode, a connection electrode for connecting to the interdigital transducer electrode, and an outer peripheral sealing electrode are formed on one principal surface of a lithium tantalate piezoelectric substrate,
An element connection electrode connected to the connection electrode via a solder bump member, an outer peripheral sealing conductor film joined to the outer peripheral sealing electrode via a solder bonding member, and a base substrate formed with external terminal electrodes,
In order to form a predetermined gap between the main surface of the base substrate and one main surface of the surface acoustic wave device, the other main surface and side surfaces of the surface acoustic wave device connected and fixed to the main surface of the base substrate. In a surface acoustic wave device comprising an applied exterior resin layer,
The solder bump member and the solder bonding member are Sn-Sb-based or Sn-Ag-based lead-free solder containing 90% or more of Sn, and the base substrate has a thermal expansion coefficient of 9 to 20 ppm / ° C. This is a characteristic surface acoustic wave device.
[0024]
Further, the base substrate is a glass ceramic in which crystallized glass is disposed at an interface between the ceramic powder and the ceramic powder.
[0025]
Further, the base substrate is a resin substrate reinforced with inorganic fibers.
[0026]
[Action]
In the present invention, a surface acoustic wave device using a piezoelectric substrate made of lithium tantalate as a base substrate is electrically connected to a solder bump and a solder bonding member made of a Sn—Sb or Sn—Ag solder containing 90% or more of Sb. Connection and joining. That is, the solder bump member electrically connects the base substrate and the surface acoustic wave element, and the solder bonding member mechanically bonds around the one principal surface of the piezoelectric substrate. That is, unlike a case of ultrasonic welding, since a large physical impact is not applied to the surface acoustic wave element, the electrode is not peeled off at all.
[0027]
Since a Sn—Sb-based lead-free solder containing 90% or more of Sn is used for the solder bump and the solder bonding member, the thermal expansion coefficient of the solder bump and the solder bonding member is lower than that of the conventional solder containing a lead component. Metal fatigue due to thermal stress due to the difference is reduced to maintain a stable connection for a long time.
[0028]
In addition, although it is less likely to absorb the thermal stress than solder having a lead component, the thermal expansion coefficient of the base substrate is considered in consideration of the thermal expansion coefficient in the propagation direction of lithium tandarate and the thermal expansion coefficient in the direction orthogonal thereto. Since the coefficient is strictly specified as 9 to 20 ppm / ° C., no distortion or warpage occurs in the surface acoustic wave element or the base substrate even with respect to the stress that cannot be absorbed by the solder joint member.
[0029]
Therefore, even if a temperature cycle test is performed assuming actual use, stable bonding can be maintained.
[0030]
A soldering member for bonding is provided around one principal surface (the surface on which the IDT electrode is formed) of the lithium tantalate piezoelectric substrate. That is, since the gap between the surface acoustic wave element and the base substrate is surrounded by the solder member whose bonding is stable, it is possible to maintain a state in which the gap is hermetically sealed.
[0031]
Examples of the substrate having a coefficient of thermal expansion of 9 to 20 ppm / ° C. include a glass-ceramic substrate in which crystallized glass is filled at the interface of an inorganic filler, and the like. Even so, it can follow very stably.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a surface acoustic wave device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view of a surface acoustic wave device of the present invention, FIG. 2 is a schematic plan view of a base substrate used in the surface acoustic wave device of the present invention, and FIG. It is sectional drawing in each process which manufactures a surface acoustic wave element.
[0033]
The present invention includes a surface acoustic wave element 1, a base substrate 2, a solder bump member 3, a solder bonding member 4, and an exterior resin layer 5.
[0034]
The surface acoustic wave element 1 can be exemplified by a surface acoustic wave resonator, a surface acoustic wave filter, and the like. An interdigital transducer electrode (in the present invention, a comb-shaped electrode and a reflective electrode) is formed on one main surface of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10. (Hereinafter, simply referred to as an IDT electrode) 11, and a connection electrode 12 for connection to the IDT electrode 11 is formed. For example, the IDT electrode 11 is formed at the center of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10 in the propagation direction, and the connection electrode 12 is formed around the IDT electrode 11 so as to extend from a predetermined position of the IDT electrode 11. The connection electrode 12 includes, for example, a signal input electrode, a signal output electrode, a ground potential electrode, and the like.
[0035]
An outer peripheral sealing electrode 13 is formed on the outer periphery of one main surface (the surface on which the IDT electrodes 11 and the connection electrodes 12 are formed) of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10. The outer peripheral sealing electrode 13 hermetically seals around a gap formed between the surface acoustic wave element 1 and the base substrate 2. Each of the electrodes 11 to 13 is formed of, for example, aluminum, copper, or the like based on a photolithography technique, and a plating layer of chromium, nickel, gold, or the like is formed on the surface thereof.
[0036]
The base substrate 2 can be exemplified by a substrate material having a thermal expansion coefficient of 9 to 20 ppm / ° C., for example, a multilayer substrate of a glass-ceramic material. The substrate 20 of the glass-ceramic material is a substrate in which an inorganic filler of alumina powder and crystallized glass are disposed at an interface between the inorganic filler and a plurality of metal oxides (eg, anorthite) on which crystallized glass is deposited. Using a powder of boric acid, silica, zinc oxide or the like), a slurry obtained by homogeneously kneading an organic binder and a solvent is formed into, for example, a green sheet, and the green sheet is laminated and then integrally fired. . In addition, the above-described slurry is printed on a supporting substrate, coated on the supporting substrate and laminated to form an unfired laminate, and then fired to form the laminate. On a surface of a substrate 20 constituting the base substrate 2, an element connection electrode 21, an outer peripheral sealing conductor film 22, and an external terminal electrode 23 are formed. Further, an internal wiring pattern 24 including a via-hole conductor for connecting the element connection electrode 21 and the external terminal electrode 23 is formed.
[0037]
The base substrate 2 may be a resin substrate reinforced with an inorganic fiber such as a glass fiber in addition to the above-described glass-ceramic substrate. As the resin, an epoxy resin, a polyimide resin, and a BT resin are preferable. In particular, the BT resin has high airtightness, has good moisture resistance, and is suitable for electronic component packaging. A copper foil is laminated on the main surface of the resin substrate, and a pattern is formed thereon using a photosensitive resist, and then the internal wiring pattern 24, the element connection electrode 21, the outer peripheral sealing conductor film 22, and the external terminals are etched by etching. The electrodes 23 and the like are formed.
[0038]
In particular, using a resin substrate as the base substrate 2 may be superior in some respects to a ceramic substrate in some cases. First, the wiring and electrode patterns use the photo-developing technique as described above, and have high pattern accuracy, and high cutting accuracy when divided by a dicing saw after being collectively molded on a large substrate. On the other hand, in the case of a ceramic substrate, wiring and electrode patterns are deformed due to deformation of the substrate at the time of firing, and the accuracy at the time of cutting cannot be improved. Second, the dielectric constant of the resin substrate material is generally small, and it is difficult to form a floating capacitance. Thereby, when mounting the surface acoustic wave filter, it is possible to provide a filter having good balance and VSWR characteristics.
[0039]
Each of these conductor films or electrodes 21 to 24 is filled with a conductive paste such as silver into a through hole formed on a green sheet or a print coating film in the step of forming the above-mentioned substrate, It is formed by printing in a predetermined shape on the surface of a sheet or a print coating film, and after a lamination process, integrally firing in the firing process of the substrate 20.
The element connection electrode 21, the outer peripheral sealing conductor film 22, and the external terminal electrode 23 are subjected to plating or the like on the silver conductor film to form a metal surface having at least good solder wettability.
[0040]
When joining the surface acoustic wave element 1 on such a base substrate 2, a predetermined gap is provided between the main surface of the base substrate 2 and one main surface (the surface on which the IDT electrode 11 is formed) of the surface acoustic wave element 1. The connection electrode 12 of the surface acoustic wave element 1 and the element connection electrode 21 on the main surface of the base substrate 2 are connected by the solder bump member 3 so that the outer peripheral sealing electrode 13 of the surface acoustic wave element 1 is formed. The outer peripheral sealing conductor film 22 of the base substrate 2 is joined by the solder joining member 4. The solder bump member 3 and the solder bonding member 4 use Sn—Sb or Sn—Ag solder which is a lead-free solder material having a composition of 90% or more of Sn. That is, the bonding method according to the present invention is face bonding by soldering.
[0041]
At the time of this bonding, the bonding is performed in a nitrogen atmosphere so that the gap between the base substrate 2 and the surface acoustic wave element 1 is in a predetermined atmosphere, for example, a nitrogen atmosphere.
[0042]
Further, the surface acoustic wave element 1 bonded to the base substrate 2 has the exterior resin layer 5 formed over the other main surface and side surfaces. Examples of the exterior resin layer 5 include an epoxy resin and a polyimide resin.
[0043]
A feature of the present invention is that when the surface acoustic wave element 1 using the lithium tantalate piezoelectric substrate 10 is face-bonded, the thermal expansion coefficient of the substrate 20 is determined in consideration of the anisotropic thermal expansion coefficient. The solder composition used for connection and bonding between the base substrate 2 and the surface acoustic wave element 1 is controlled to 9 to 20 ppm / ° C., and a lead-free solder material of Sn 90% or more is used.
[0044]
Thereby, the solder bumps 3 and the solder bonding members 4 can be collectively formed on each electrode and each of the conductor films 21 and 22 of the base substrate 2, and a significant reduction in process cost can be achieved. Further, since the melting point of the solder material can be set to 250 ° C. or less, the amount of distortion between the surface acoustic wave element 1 and the base substrate 2 can be suppressed, and cracks can be effectively generated in the surface acoustic wave element 1. Can be suppressed. Therefore, the effect of reducing the amount of plastic strain between the surface acoustic wave element 1 and the base substrate 2 becomes remarkable, and high reliability can be guaranteed for a long time. Further, as the base substrate 2, a substrate 20 made of a glass-ceramic material having a moisture permeation suppressing effect is used, and a low-resistance material such as silver or copper is used for the element connection electrodes 21, the internal wiring patterns 24, and the like. And have excellent high frequency characteristics.
[0045]
Further, an outer peripheral sealing electrode 13 is formed over the entire outer periphery of the piezoelectric substrate 10 of the surface acoustic wave element 1, and is joined to the outer peripheral sealing conductor film 22 of the base substrate 2 by the solder joining member 4. . For this reason, the hermetic sealing performance is greatly improved, and there is no water intrusion path, so that the hermetic performance is greatly improved.
[0046]
Further, by forming the solder bonding member 4 for hermetic sealing and the solder bump member 3 for electrically connecting the surface acoustic wave element 1 and the base substrate 2 to the same material, for example, the solder bumps are formed on the base substrate 2. The process of forming the member 3 and the solder joining member 4 is an operation in the same process, and the connection by the solder bump member 3 and the joining by the solder sealing member 4 can be performed in the same process.
[0047]
Hereinafter, a method for manufacturing a surface acoustic wave device according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0048]
First, a large base substrate from which a plurality of base substrates 2 can be extracted is prepared. An element connection electrode 21 and an outer peripheral sealing conductor film 22 are formed on one main surface of a region of each device of the large base substrate (a region that becomes the base substrate 2 after cutting or division), and the other main surface is External terminal electrodes 23 are formed, and an internal wiring pattern 24 is formed in each element region (see FIG. 3A). It is important that the planar shape of each substrate region is larger than the planar shape of the surface acoustic wave element 1 by one circumference, for example, about 0.5 mm.
[0049]
Next, a solder pump member 3 for electrically connecting the surface acoustic wave element 1 and the base substrate 2 and a solder joining member 4 for sealing the periphery are formed (see FIG. 3B). The solder bump member 3 and the solder bonding member 4 are formed by applying paste solder to the surface of the element connection electrode 21 and the surface of the outer peripheral sealing conductor film 22 formed in each element region of the large-sized base substrate. In order to form a bump, the applied solder is subjected to primary heat treatment and cleaning treatment. As a result, the printed solder has a semicircular cross section on the element connection electrode 21 and the outer peripheral sealing conductor film 22, and furthermore, unnecessary flux components can be removed.
[0050]
The solder bump member 3 and the solder bonding member 4 are formed on the base substrate 20 side. This is to prevent the deterioration of the characteristics of the surface acoustic wave element 1 when solder or other unnecessary components adhere to the IDT electrodes 11 at very narrow intervals when the surface acoustic wave element 1 is formed.
[0051]
A large-sized lithium tantalate piezoelectric substrate from which a plurality of lithium tantalate piezoelectric substrates 10 can be extracted is prepared. An IDT electrode 11, a connection electrode 12, and an outer peripheral sealing electrode 13 are formed on each element region on one main surface of the large piezoelectric substrate. Then, each large-sized piezoelectric substrate is cut for each surface acoustic wave element 1, and then aligned on, for example, an alignment pallet. As shown in FIG. 1, an IDT electrode 11 is formed on one main surface of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10, and a connection electrode 12 for connecting to the IDT electrode 11 is further formed. An outer peripheral sealing electrode 13 is formed around the substrate 10 so as to surround the substrate 12.
[0052]
Next, the surface acoustic wave devices 1 arranged on the pallet are taken out (see FIG. 3C) and mounted on each substrate area of the large base substrate. At this time, the connection electrode 12 on the surface acoustic wave element 1 side and the solder bump material 3 formed on the element connection electrode 21 in the substrate region are aligned, and at the same time, the outer peripheral sealing electrode 13 of the surface acoustic wave element 1 is aligned. And the solder bonding member 4 formed on the outer peripheral sealing conductor film 22 formed in each substrate region. As a result, the surface acoustic wave devices 1 are mounted on the large base substrate in correspondence with the respective substrate regions (see FIG. 3D).
[0053]
Next, the large-sized base substrate on which the surface acoustic wave element 1 is mounted is subjected to a reflow process collectively, an electrical connection is made by the solder pump member 3, and the two are mechanically joined by the solder joining member 4. Perform airtight sealing. As a result, a gap corresponding to the height of the solder pump member 3 and the solder joint member 4 can be formed between one principal surface of the surface acoustic wave element 1 and the surface of the large base substrate. Surface acoustic waves can be stably propagated. At the time of this reflow treatment, the atmosphere can be treated in a nitrogen atmosphere, for example, so that the gap can be made a nitrogen atmosphere.
[0054]
Next, on the surface acoustic wave element 1 electrically connected and mechanically bonded to the large-sized base substrate, the exterior resin layer 5 becomes, for example, from the other main surface (exposed surface) side of the element 1. An epoxy resin paste is applied and cured. At this time, since the planar shape of each element region of the large base substrate is larger than that of the surface acoustic wave element 1, the epoxy resin is also applied to the gap between the adjacent surface acoustic wave elements 1. That is, in the surface acoustic wave device 1, the exterior resin layer 5 is applied to the other main surface side and the side surface thereof (see FIG. 3E).
[0055]
Next, the large-sized base substrate on which the plurality of surface acoustic wave elements 1 are mounted and to which the exterior resin layer 5 is attached is cut by dicing with the exterior resin layer 5 attached to each substrate region. (See FIG. 3 (f)). By this step, the surface acoustic wave device shown in FIGS. 1 and 2 is obtained.
[0056]
In the present invention, an Sn—Sb or Sn—Ag solder containing 90% or more of Sb is used for the solder pump member 3 and the solder joining member 4. For example, Sn-Sb solder, Sn-Ag-Cu solder, and Sn-Ag-Sb solder are used. The inventor of the present invention has disclosed that four types of typical solders including the above-described solders (Sn-Sb solder, Sn-Ag-Cu solder, Sn-Pb solder, and Sn-Au-based solder) are used for the outer peripheral sealing conductor film. The measurement was carried out while changing the sealing width of the solder on No. 22 to 50 to 300 μm.
[0057]
The result is shown in FIG. In FIG. 4, Sn-Pb solder is not practical because of environmental considerations, and although the maximum principal stress due to the lead component is small, when subjected to a temperature cycle test or the like, it causes metal fatigue, and This leads to a decrease in reliability. Further, the yield stress of the Sn-Au solder is too high. As a result, the stress remaining in the solder bonding member 4 when bonded to the base substrate 2 affects the surface acoustic wave element 1, for example, when the maximum principal stress is 200 N / mm. ² When the surface acoustic wave element 1 is exceeded, cracks are generated in the surface acoustic wave element 1 with the surface acoustic wave element 1 bonded to the base substrate 2 and in a temperature cycle test. That is, since the maximum principal stress also depends on the sealing width of the solder joint member 4, the value of the maximum principal stress in the solder joint member 4 is adjusted to 200 N / mm ² Must be set based on FIG. 4 so as not to exceed.
[0058]
From the above, it is important to use Sn—Sb or Sn—Ag solder as the solder of the solder bonding member 4. If Sn does not exist in a composition of 90% or more, solder bonding cannot be performed stably. Note that, as described above, the solder bump member 3 is formed in the same step as the solder bonding member 4, and is connected in the same step. Therefore, when the solder bump member 3 has the same composition as the solder bonding member 4, the handling of the solder bump member 3 and the solder bonding member 4 becomes easy.
[0059]
The present inventor used a Sn—Sb-based solder and a Sn—Ag-based solder to prepare a lithium tantalate piezoelectric substrate 10 (the thermal expansion coefficient of lithium tantalate is 16 ppm / ° C., but the linear expansion coefficient in the direction of surface wave propagation). (Approximately 16 ppm / ° C. and a linear expansion coefficient of approximately 8.3 ppm / ° C. in a direction orthogonal to the direction of propagation of the surface wave).
[0060]
The present invention uses six types of substrate materials having a coefficient of thermal expansion of the base substrate 2 in the range of 7 to 25 ppm / ° C., uses an Sn—Ag—Cu-based solder as a solder material, and sets the sealing width to 200 μm, for example. Then, the relationship between the amount of plastic strain of the base substrate and the average failure life was examined. The plastic strain is a ratio of the strain to the substrate thickness on one side of the base substrate 2 in a state where the surface acoustic wave element 1 is joined. The average failure life was obtained by repeating −40 ° C. to 125 ° C. for 30 minutes each, and calculating the average failure life from the average number of times failures occurred.
[0061]
As a result, as shown in FIG. 5, a clear correlation is obtained between the amount of plastic strain and the average failure life with respect to the coefficient of thermal expansion of the base substrate. Is 9 to 20 ppm / ° C., the amount of plastic strain can be made less than 2.0%, whereby the average failure life becomes about 1000 times or more.
[0062]
On the other hand, if the temperature is less than 9 ppm / ° C., the stress due to the difference in the thermal expansion coefficient between the base substrate 2 and the surface acoustic wave device 1 increases, the plastic strain becomes too large, and failure occurs when the number of temperature sills is less than 1,000. . An example of such a substrate material is an alumina ceramic substrate (7.1 ppm / ° C.). In this case, the rate of occurrence of cracks in the surface acoustic wave element 1 immediately after joining exceeds 30%, and cracks occur in the surface acoustic wave element 1 at a rate of 2 to 3% after 10 temperature cycles. Neither the strain of the substrate 2 nor the stress of the joint part is at a practical level.
[0063]
On the other hand, if it exceeds 20 ppm / ° C., the stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the base substrate 2 and the surface acoustic wave element 1 increases, the amount of plastic strain becomes too large, and failure occurs when the number of temperature sills is less than 1,000. Would.
In the range of 9 to 20 ppm / ° C., a glass ceramic substrate in which alumina ceramic powder is used as an inorganic filler and crystallized glass is disposed at the interface of the powder can be exemplified. Then, a substrate having a relatively arbitrary coefficient of thermal expansion can be obtained by the composition of the crystallized glass and the combination of the alumina ceramic and the crystallized glass.
[0064]
The present inventor has proposed a surface acoustic wave device 1 using a lithium tantalate piezoelectric substrate 10 on a base substrate 2 at 10.6 ppm / ° C., using Sn-Ag-Cu (96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu). A surface acoustic wave device using the solder for the solder hump member 3 and the solder sealing member 4 was produced. The exterior resin layer 5 is made of epoxy resin and has a thermal expansion coefficient of 30 ppm / ° C. and a Young's modulus of 660 kgf / mm. ² And
[0065]
As a result, the maximum principal stress before joining is about 137 N / mm ² And the stress after joining (after the occurrence of plastic strain) is about 78 N / mm ² Thus, neither the crack of the surface acoustic wave element 1 after sealing nor the crack of the surface acoustic wave element 1 occurs even after 10 temperature cycle tests. The average failure life in the temperature cycle test was 1,700 times.
[0066]
Further, a surface acoustic wave element 1 using a lithium tantalate piezoelectric substrate 10 was soldered to a base substrate 2 of 12.3 ppm / ° C., and Sn-Ag-Cu (96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu) solder was soldered. A surface acoustic wave device used for the member 3 and the solder sealing member 4 was produced. The exterior resin layer 5 is made of epoxy resin and has a thermal expansion coefficient of 30 ppm / ° C. and a Young's modulus of 6468 N / mm. ² And
[0067]
As a result, the maximum principal stress before joining is about 98 N / mm. ² And the stress after joining (after the occurrence of plastic strain) is about 68 N / mm ² Thus, neither the crack of the surface acoustic wave element 1 after sealing nor the crack of the surface acoustic wave element 1 occurs even after 10 temperature cycle tests. The average failure life in the temperature cycle test was 1,800 times.
[0068]
The thermal expansion coefficient of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10 is approximately 16 ppm / ° C. in the direction of surface wave propagation, and approximately 8.3 ppm / ° C. in the direction orthogonal to the direction of surface wave propagation. However, from the various studies described above, the thermal expansion coefficient is dominant at 16.0 ppm / ° C. in the direction of propagation of the surface wave, and as a result, the center value 14.94 of the range of the thermal expansion coefficient of the base substrate 2 is tantalum. The value is slightly higher than the arithmetic average of 12.15 ppm / ° C. in consideration of the directionality of the lithium oxide piezoelectric substrate 10. With this setting, even if the thermal expansion coefficient of the lithium tantalate piezoelectric substrate 10 differs depending on the direction, the directivity is practically ignored, and the base substrate 2, the solder bump member 3, and the solder bonding member 4 The combination of the solder material and the base substrate as described above provides a surface acoustic wave device that is inexpensive and easy to manufacture.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a surface acoustic wave device in which a surface acoustic wave element using a lithium tantalate piezoelectric substrate is electrically connected to a base substrate and a solder pump member, and is hermetically joined by a solder joint member. The above-mentioned solder bumps and solder joining members are Sn-Sb-based or Sn-Ag-based lead-free solder containing 90% or more of Sn, and the base substrate has a coefficient of thermal expansion of 9 to 20 ppm / ° C. The surface acoustic wave device can be bonded very stably against thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient, and can maintain stable connection for a long time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional structural view of a surface acoustic wave device according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a base substrate used in the surface acoustic wave device of the present invention.
FIGS. 3A to 3F are cross-sectional views illustrating each step of a method for manufacturing a surface acoustic wave device according to the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram comparing maximum principal stresses due to differences in solder composition.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between a plastic strain amount and an average life depending on a thermal expansion coefficient of a substrate.
FIG. 6 is a sectional view of a conventional surface acoustic wave device.
[Explanation of symbols]
1 Surface acoustic wave device
2 Base substrate
10. Lithium tantalate piezoelectric substrate
11 IDT electrode
12 connection electrode
13 Outer periphery sealing electrode
20 substrates
21 Element connection electrode
22 Outer peripheral sealing conductor film
23 External terminal electrode
24 Internal Wiring Pattern
3 Solder bump members
4 Solder joining members
5 Exterior resin layer

Claims

An interdigital transducer electrode on one principal surface of a lithium tantalate piezoelectric substrate, a surface acoustic wave element in which a connection electrode and an outer peripheral sealing electrode for connection with the interdigital transducer electrode are formed,
An element connection electrode connected to the connection electrode via a solder bump member, an outer peripheral sealing conductor film joined to the outer peripheral sealing electrode via a solder bonding member, and a base substrate formed with external terminal electrodes,
In order to form a predetermined gap between the main surface of the base substrate and one main surface of the surface acoustic wave device, the other main surface and side surfaces of the surface acoustic wave device connected and fixed to the main surface of the base substrate. In a surface acoustic wave device comprising an applied exterior resin layer,
The solder bump member and the solder bonding member are Sn-Sb-based or Sn-Ag-based lead-free solder containing 90% or more of Sn, and the base substrate has a thermal expansion coefficient of 9 to 20 ppm / ° C. Characteristic surface acoustic wave device.

2. The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the base substrate is a glass ceramic having crystallized glass disposed at an interface between the ceramic powder and the ceramic powder.

The surface acoustic wave device according to claim 1, wherein the base substrate is a resin substrate reinforced with inorganic fibers.