CN1765050A - 声表面波器件 - Google Patents

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Abstract

一种包括不恢复热电效应之压电基板的声表面波器件及其制作方法。被装入封装22内的声表面波元件10包括电阻率在1.0×107Ω·cm－1.0×1013Ω·cm范围内的压电基板12。由焊料26使垫片15a，15b，15c和16a，16b，16c与外部电极电连接。由密封材料28密封所述封装22与帽盖23之间的空间。焊料与密封材料当中的至少一种的熔点为300℃或更低。

Description

声表面波器件
技术领域
本发明涉及一种声表面波器件。
背景技术
各种射频下用的声表面波过滤器通常要在宽频带范围而且是低损耗下工作。因此，把两种机电耦合系数较大的钛酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)用于压电基板。由于这样的压电基板具有压电效应，一旦在激励电极上形成因温度变化所产生的热电电荷，各电极之间就会发生静电放电，从而损坏它们。为了防止电极的这种热电损坏，一种制作工艺所采用的方法系将各电极与一导体互相电连接，使它们具有相同的电位。然后再去掉此导体。因而，使制作过程复杂。另外，由于最终要使各电极彼此电分离，因此，这以后就不再能避免各电极的热电损坏。此外，在把声表面波滤波器安装于比如便携式装置的电路板上的步骤中，可能会因加热而产生热电电荷，继而可能引起其它电子部件受损，这显然是不利的。
专利文献1教导，通过控制晶体结构，可以减少在钛酸锂或铌酸锂上蓄积表面电荷。
专利文献1：日本未审专利申请公开No.11-92147。
发明内容
使用由那些不会蓄积热电电荷的材料所制成的压电基板，可以避免电极的热电损坏，使热电效应可以忽略。因此，认为可以排除一些在针对热电损坏测量时所实行的特定步骤，比如电连接各电极的步骤。
然而，即使其中热电效应应该是可以忽略的压电基板，实际上，也能恢复热电效应，继而，在一些情况下，热电电荷会引起问题。
鉴于上述情况，本发明提供一种声表面波器件，它包含不致恢复热电效应的压电基板，还提供一种制作随时装置的方法。
为了解决上述缺点，本发明提供一种如下结构的声表面波器件。
这种声表面波器件包括：声表面波元件，该元件在压电基板上具有至少一个激励电极和与激励电极相连的垫片；一个封装，具有延伸到外面的外部电极，该封装装着带有与垫片电连接之外部电极的声表面波元件；一个帽盖覆盖住所述声表面波元件，以密封材料封住所述封装与帽盖之间的空间；所述压电基板的电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内，而且所述密封材料的熔点为300℃或更低。
按照上述结构，如果压电基板的电阻率在1.0×1013Ω·cm或更小，则时间常数减小到电阻率约为1.0×1015Ω·cm的公知压电基板时间常数的1/100或更小，并因此而使热电电荷在1/100的时间内消失。例如，在可能会因热电电荷受到消极影响的软熔步骤中，即使在升温过程中产生热电电荷，由于软熔炉的温度通常会在整个几个小时的期间内达到最大温度，所以也不会形成它们。因而，可使压电基板的热电效应变得可以忽略。
另一方面，电阻率为1.0×107Ω·cm或更大的压电基板具有约为1.0×107Ω或更大的寄生电阻，比如，至少比射频声表面波滤波器的阻抗50Ω至几百欧姆大五个数量级。压电基板的这种电阻率根本不会影响插入损耗，因此不使声表面波器件的电特性变差。
然而，已经发现，即使是电阻率为1.0×107Ω·cm到1.0×1013Ω·cm(这当中的热电效应应予忽略)的压电基板，在高温下也会恢复热电效应，并且，在温度超过350℃时，这种压电基板快速恢复热电效应。如果采用通常所用的熔点在300℃或更高的焊料或密封材料，压电基板的温度升高，以致恢复热电效应，并因此而在制作过程中发生问题。
如上所述，通过把密封材料的熔点降低到300℃或更低，使制作过程中压电基板的温度低于快速恢复时的温度(约350℃)，则可使压电基板避免恢复热电效应。
最好使外部电极与垫片电连接的区域包含熔点为300℃或更低的焊料。
使用熔点为300℃或更低的焊料，就使得在制作过程中压电基板的温度低于快速恢复压电效应时的温度(约350℃)，从而避免压电基板恢复热电效应。
最好由AgSn合金或AuSn合金制成密封材料和焊料中的至少一种。
很容易使AgSn合金或AuSn合金的熔点为300℃或更低。另外，出于环境保护，要加强对Pb的使用的限制，可将这些合金制备成不含Pb。
最好用LiTaO3或LiNbO3制成压电基板。
借助氧的还原处理，可使LiTaO3或LiNbO3在保持压电特性的状态下，电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm内。
为了解决上述问题，本发明还提供一种制作声表面波器件的方法。
这种方法制作的声表面波器件包括：声表面波元件，该元件在压电基板上具有至少一个激励电极和与激励电极相连的垫片；还包括一个封装，它装入所述声表面波元件并具有延伸到外面的外部电极。所述方法包括使所述外部电极与垫片选择地连接的步骤；和以帽盖密封所述封装的步骤。所述压电基板的电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内。在惰性气体氛围中实行使外部电极与垫片电连接的步骤或用帽盖密封所述封装的步骤。
已经发现为什么电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围(热电效应应予忽略)的压电基板恢复热电效应的原因在于，空气中的氧，以及加热引起压电基板再氧化。
通过有如上述那样，在惰性气体氛围实行声表面波元件的垫片的连接以及密封所述封装，使得即使压电基板的温度升高，也能防止压电基板恢复热电效应。有鉴于此，垫片与外部电极之间的电连接所用的焊料，以及密封所述封装与帽盖之间的空间所用密封材料都无需具有低熔点。比如，可将一般所用的熔点高于300℃的焊料用作所述焊料或所述密封材料。
由于被装在声表面波器件中的声表面波元件被保持在惰性气体氛围内，所以，即使在将声表面波器件安装到比如便携式装置的印刷电路板过程的软熔步骤中该装置的温度升高，声表面波元件也不会恢复热电效应。因此，在安装声表面波器件时，不需要严格的温度控制，并因此而可以快速地进行所述安装。
所述惰性气体最好是N2。
N2能够使成本降低，而且比其它惰性气体更容易使用。
最好通过超声振动并在300℃或更低的温度下加热Au凸块结合，使所述垫片与外部电极连接。
在使外部电极与垫片电连接的步骤中，由于可使压电基板的温度降低到低于或等于快速恢复热电效应的温度(约350℃)，所以，即使在非惰性气体氛围中，也能够避免压电基板恢复热电效应。
按照本发明的声表面波器件及其制作方法，能使压电基板避免恢复热电效应。
附图说明
图1是一种实施例声表面波元件的外观示意图；
图2是表示一种实施例声表面波器件的结构断面视图；
图3是表示一种改型例声表面波器件的结构断面视图；
图4是表示作为实施例及公知过程的压电基板温度与感应电压之间关系的图线。
图中的参考标号
10，10x：声表面波元件
12，12x：压电基板
15a，15b，15c，15x：垫片
16a，16b，16c，16x：激励电极
17a，17b，17c，17x：垫片
22：封装
24：帽盖
26：凸块(焊料)
28：密封材料
32：封装
34：帽盖
38：密封材料
具体实施方式
以下将参照图1-4描述本发明的具体实施例。
如图1以外观方式所示出的那样，声表面波元件10包括在压电基板12的一个表面上的：梳状(日本的竹栅状)外部电极16a，16b和16c；反射器14和18；以及分别与其外部电极16a，16b和16c连接的焊接垫片15a，15b，15c和17a，17b，17c。
压电基板12由经过氧的还原作用的钛酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)制成。这种还原作用可使压电基板12的电阻率降低到1.0×1013Ω·cm或更小，以防止蓄积热电电荷，使压电基板保持压电特性。
最好将所述压电基板12的电阻率设定在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内。
电阻率为1.0×1013Ω·cm或更小的压电基板12的时间常数为公知的电阻率为1.0×1015Ω·cm或更小的压电基板的时间常数的1/100或更小，并因此而使热电电荷在公知压电基板中热电电荷的1/100的时间内消失。例如，在可能会因热电电荷受到消极影响的软熔焊接步骤中，即使在温度增高期间产生热电电荷，由于软熔炉的温度通常会在整个几个小时的期间内达到最大温度，所以也不会蓄积它们。因此，可使压电基板的热电效应变得可予忽略。
另一方面，电阻率为1.0×107Ω·cm或更大的压电基板12的寄生电阻约为1.0×107Ω或更大，比如，至少比射频声表面波滤波器的阻抗50Ω至几百欧姆大五个数量级。压电基板的这种电阻率根本不会影响插入损耗，因此不使声表面波器件的电特性变差。
压电基板12的电阻率指的是通过测量在压电基板12(JIS C 2141)的前后表面上为测量所设的各电极垫片之间的电阻所得结果的计算值。换句话说，所述电阻率是沿厚度方向所见到的电阻率。同样用于下面的描述。
声表面波元件10被装在带外部电极(未示出)之封装22的空置空间23中，如图2所示，所述外部电极露出到外部并被叩焊焊接。具体地说，将声表面波元件10的位置固定，使连接的垫片15a，15b，15c和17a，17b，17c直接与它们的设在封装22中的相应凸块26相对，然后通过加热、加压，使声表面波元件10被固定。使各凸块26与外部电极(未示出)电连接，从而使焊接垫片15a，15b，15c和17a，17b，17c经各凸块26与外部电极电连接。
用可在300℃或更低条件下建立连接的焊料制成各凸块26。比如可用AgSn合金或AuSn合金制得它们。另外，通过加给超声振动和重量，恰好可使Au凸块在300℃或更低条件下建立连接。
在叩焊焊接(flip chip bonding)之后，将帽盖24放在封装22上，盖住声表面波元件10，并以密封材料28密封所述封装22与帽盖24之间的空间。比如，可以预先将密封材料28放在封装22或帽盖24上，然后再加热，与放在封装22上的帽盖24熔合，从而封住封装22与帽盖24之间的空间。
由熔点为300℃或更低的物质制作密封材料28。比如可由AgSn合金或AuSn合金制成，这比一般所用的焊料的熔点更低。
例如，由含百分之96.5(重量)AgSn合金和百分之3.5(重量)Ag制成凸块26和密封材料28。这种AgSn合金的熔点为221℃，是易熔的。可以采用任何其它有不同组分的AgSn合金或AuSn合金，只要熔点在300℃或更低即可。
也可以采用通常所用的主要含Pb的焊料，只要其熔点在300℃或更低即可。不过，鉴于环境保护，最好是无Pb焊料。
通过降低凸块26和密封材料28的熔点，可使用来叩焊焊接声表面波元件10以及用密封材料28密封帽盖24与封装22之间的空间的温度降低到300℃或更低。由于这样能够使压电基板12的温度升高受到抑制，所以压电基板12可以避免恢复热电相应。这将在后面有所详述。
现在参照图3来描述一种改型例，其中利用导线连接来连接声表面波元件。
如图3所示，声表面波元件10x实际上与前述声表面波元件10的结构相同，它在压电基板12x的一个表面上包括：梳状(日本的竹栅状)外部电极16x；以及与外部电极16x连接的垫片15x和17x。压电基板12x的电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内，从而可以避免形成热电电荷。
用芯片固定件35以及再用导线连接，将声表面波元件10x固定在封装32的空置空间33内。具体地说，由连接导线37使声表面波元件10x的垫片15x和17x与封装32的各接线端(未示出)相连。对各连接导线的端部加压，并使其经受超声振动或加热，或者二者同时，从而实现连接。
在把声表面波元件10x装入封装32中并导线连接之后，以帽盖34盖注封装32，并由密封材料38密封。所述密封材料38的熔点为300℃或更低。比如，使用AgSn合金或AuSn合金。
使用熔点为300℃或更低的凸块26和密封材料28及38，可以防止压电基板12或12x的温度升高，从而避免压电基板恢复热电效应。以下将参照图4有述。
图4表示退火1小时以后压电基板晶片表面处感应电压的测量结果。横轴表示退火温度，纵轴表示感应电压。图4中的“公知过程”指的是普通未还原钛酸锂(LiTaO3)压电基板在空气中受到热处理的情况；“空气”指的是所述实施例中所用还原钛酸锂(LiTaO3)压电基板在空气中受到热处理的情况；“氮氛围”指的是所述实施例中所用已还原钛酸锂(LiTaO3)压电基板在N2氛围中受到热处理的情况。晶片表面处感应的电压是起因于压电基板的热电效应。随着感应电压的增大，更容易在电极内发生热电断裂。
图4表示，如果在空气中受到热处理，即使还原的压电基板也恢复热电效应。具体地说，当退火温度达到约350℃或更高时，快速恢复热电效应，并且电压达到有如原来具有热电效应的压电基板在500℃下那样的电压水平。从而使热电效应被完全恢复。这是因为，空气中的氧以及受热促进了压电基板的再氧化作用。相反，在氮气氛围中退火的压电基板很难恢复热电效应。
制作声表面波器件的过程包括各种所需加热的步骤。如果使用还原的压电基板，则伴随着低浓度的剩余氧在低温下进行加热，从而避免恢复热电效应。
一般是通过焊接金属帽盖或者通过低温软焊实行密封。焊接会使温度局部地升高到1000℃，相应地也会使制品的内部温度升高。另一方面，低温软焊可在大约350℃的温度，也即焊料的熔点下密封。在防止压电基板再氧化方面，低温软焊更显有效。
然而，即使是低温软焊，如果温度升高到超过350℃，也会快速恢复压电基板的热电相应。使用低熔点的AgSn合金或AuSn合金作为密封材料，可使密封温度降低到300℃或更低，从而能有效地避免压电基板的热电效应。
为了通过叩焊焊接来固定声表面波元件，通常将高熔点焊料用作关于凸块以及密封封装与帽盖之间空间所用的密封材料的焊料。这是因为，当把最终的声表面波器件安装到印刷电路板上时，从防止凸块的焊料和密封材料再熔的观点出发，对于凸块和密封材料而言，其焊料的熔点要高于把所述器件安装到印刷电路板上所用焊料的熔点。
在公知的过程中，使用主要含Pb的高温焊料，密封软熔炉的最高温度在330-360℃。例如，普通所用的高温焊料含有百分之82(重量)的Pb、有百分之12(重量)的Sn、百分之1(重量)的Ag和百分之5(重量)的Sb。这种焊料的固相线在238℃，液相线在265℃。这种焊料在温度低于或等于固相线的温度下为固态；在固相线与液相线之间的温度下为固态和液态的共存态。
由于本实施例所用焊料的熔点比像是凸块的焊料和密封材料那样的普通焊料的熔点低，必须用熔点比凸块的焊料和密封材料的熔点低的焊料，或者使用导电涂料，实行在印刷电路板上的安装。
以下将描述第二实施例的声表面波器件。
除下述内容外，第二实施例的声表面波器件实际上具有与第一实施例相同的结构。
在第二实施例的声表面波器件中，通过在氮气氛围内的叩焊焊接或导线连接，将声表面波元件固定在封装内，然后再密封所述封装。相应地，给声表面波器件中充以氮气，将声表面波元件保持在氮气氛围内。
有如图4所清楚地显示的，即便是加热温度增高，任何氮气氛围都防止压电基板恢复热电效应；因此，不需要把凸块的焊料和密封材料的熔点限制在300℃或更低。
在使所述基板于高温下暴露几个小时的过程中，在防止压电基板恢复热电效应方面，氮气氛围是非常有效的。在将本实施例的声表面波器件安装在比如便携式装置的印刷电路板上时，即使在高温下实行软熔步骤，压电基板也不致恢复热电效应。因此，能够防止因这种声表面波器件的热荷而造成其它元件故障的问题。
本发明的声表面波器件并不限于所述各实施例，而可以做出多种改型。

Claims (7)

1.一种声表面波器件包括：
声表面波元件，它在压电基板上具有至少一个激励电极和与激励电极相连的垫片；
一个封装，具有延伸到外面的外部电极，该封装装着带有与垫片电连接之外部电极的声表面波元件；
一个帽盖盖住所述声表面波元件，以密封材料密封所述封装与帽盖之间的空间；
其中，所述压电基板的电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内，而且所述密封材料的熔点为300℃或更低。
2.如权利要求1所述的声表面波器件，其中，所述外部电极与垫片电连接的区域包含熔点在300℃或更低的焊料。
3.如权利要求1或2所述的声表面波器件，其中，所述密封材料与焊料中的至少一个由AgSn合金或AuSn合金组成。
4.如权利要求1-3任一项所述的声表面波器件，其中，所述压电基板由LiTaO3或LiNbO3组成。
5.一种制作声表面波器件的方法，所述声表面波器件包括：声表面波元件，该元件在压电基板上具有至少一个激励电极和与激励电极相连的垫片；还包括一个封装，该封装装着所述声表面波元件并具有延伸到外面的外部电极，所述方法包括如下步骤：
将外部电极与垫片电连接；
以帽盖密封所述封装，
其中，所述压电基板的电阻率在1.0×107Ω·cm-1.0×1013Ω·cm范围内；在惰性气体氛围中实行使外部电极与垫片电连接的步骤或用帽盖密封所述封装的步骤。
6.如权利要求5所述的制作声表面波器件的方法，其中，所述惰性气体包括N2。
7.如权利要求5所述的制作声表面波器件的方法，其中，利用超声振动和在300℃或更低的温度下加热Au凸块结合，使所述垫片与外部电极连接。
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