CN1949664A - 压电器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了压电器件及其制造方法，可进行通过导电性粘结剂无法实现的小直径涂布，并且不会发生通过金凸块进行固定时成为问题的变形，可以得到作为目标的特性的压电器件。在设于表面安装用封装(2)的凹处(3)内的2个电极焊盘(6、6)上通过接合部件对压电振动元件(10)的2个连接焊盘(12b、13b)进行接合支承，而且通过盖(4)气密地密封所述凹处(3)的压电器件中，作为接合部件使用由金属球形粒子和溶剂构成的金属部件(7)。

Description

压电器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及表面安装型的压电振子、具有压电振子的压电振荡器以及压电滤波器。
背景技术
以往，在压电振子、具有压电振子的压电振荡器以及压电滤波器等的压电器件中，使用导电性粘结剂或金凸块(Gold Bump)来将这些器件的压电振动元件(压电振动片)的连接焊盘(pad)接合(固定)到封装上的电极焊盘上。
例如，在专利文献1中，公开了一种与减小导电性粘结剂对压电振子的各种特性带来的影响、且适合于通过引线接合进行连接的压电器件的结构相关的技术。
并且，在专利文献2中，公开了能消除如下不良的表面安装型压电谐振子，即，当把设于石英振子上的Ag连接焊盘上形成的Au凸块热压接在陶瓷封装内的Au内部端子上进行固定时，由于过度的加热，在构成石英振子的石英基板上产生因热变形引起的内部应力、或者由于构成连接焊盘的Ag层氧化引起谐振频率变动、或者封装发生翘曲而在石英基板内部产生应力等的不良。
专利文献1：日本特开2000-332572号公报
专利文献2：日本特开2000-232332号公报
专利文献3：日本特开2005-216508号公报
但是，导电性粘结剂由硅树脂或环氧树脂等的有机系树脂和银粒子构成，通过这些有机系树脂固化收缩，在封装上的电极焊盘上粘结压电振动元件，并且通过有机系树脂的体积减少，银粒子彼此接触确保了导通。导电性粘结剂以往一般通过分注(dispense)方式进行涂布，但伴随压电器件的小型化、薄型化，搭载压电振动元件的封装(基板)的电极焊盘的尺寸(面积)变小。例如，2016尺寸(2mm×1.6mm)的压电振子的情况下，电极焊盘的尺寸约为0.30mm×0.30mm左右。因此，考虑在电极焊盘上涂布导电性粘结剂时的偏差，通过分注方式进行涂布的导电性粘结剂的形状需要为0.20mm以下的小直径。
而且，在表面安装型的压电振子的情况下，例如伴随高频化，压电振动元件变薄，对于机械性冲击变得容易破损，因此一般使用含有硅树脂的导电性粘结剂(导电性硅酮粘结剂)来接合封装和压电振动元件以吸收该冲击。
并且，导电性硅酮粘结剂的成分一般为含有银粒子80～90wt％、树脂成分15～25wt％、溶剂成分5～15wt％，粘度为200～250dPa·s、触变比为3.0～6.0。
但是，导电性粘结剂是树脂成分约为20wt％的糊状状态，因此存在涂布之后产生渗漏，从电极焊盘溢出、无法进行小直径涂布的问题。
图6是表示各种导电性粘结剂的基于分注方式的涂布例的图。如该图6所示，导电性粘结剂A、B、C、D都是涂布到封装的电极焊盘上后，导电性粘结剂渗漏，无法使其形状成为0.20mm以下的小直径。
并且，当进行0.20mm的小直径涂布时，使用内径在0.10mm左右的针孔，但存在银粒子堵塞在针孔的喷出路径中无法连续地进行涂布的问题。
而且导电性粘结剂即使在固化后也会由于加热而产生有机物(气体)，该气体凝聚而污染压电振动元件的基板面，则频率变化。
特别是，近年，由于压电器件的小型化、薄型化，收纳压电振动元件的区域的体积变小，因此，形成气体的影响更易显著地表现的结构，存在不能得到目标特性的问题。
即，由于压电器件的小型化、薄型化，通过导电性粘结剂实现的压电振动元件的粘结变成了通过分注方式难以进行小直径涂布的状况，而且存在由于产生有机物(气体)而不能得到目标特性的问题。
因此，如专利文献2中所公开的那样，提出了替代导电性粘结剂，通过压扁金线得到的金凸块来接合压电振动元件的方法。
图7是表示基于金凸块的压电振动元件的接合方法的一例的图，该图中所示的接合方法如下：通过热板110进行了载台加热的状态下，在封装100的内底面101上的电极焊盘102上安放金凸块103，并且通过工具111以所需的负荷从上方对压电振动元件104进行加压，由此将压电振动元件104接合在电极焊盘102上。
该情况下的金凸块103是密度和杨氏模量大、比较硬的材料，由此在压电振动元件104的接合部产生变形。因此，为了消除变形，实施对封装100进行加热的热处理，但在热处理前后频率和晶体阻抗变化很大，存在不能得到目标特性的问题。
另一方面，如在专利文献3中公开的那样，提出了使用金属粉形成软凸块作为金属凸块的方法。
但是，在专利文献3中公开的金属凸块在干燥和烧结金属糊剂形成金属凸块之后接合被接合物。
因此，在这样的金属凸块上，作为非接合物压上压电振动元件104时，由于金属凸块被压扁，因此在结构上与专利文献2中公开的金凸块成为基本上相等的结构。
因此，即使在使用专利文献3中公开的金属凸块的情况下，搭载了压电振动元件后的金属凸块的密度和杨氏模量较大，存在无法避免在压电振动元件104的接合部产生变形的情况。
而且，专利文献3中公开的金属凸块在与被接合物的接合前以使溶剂飞散的方式进行干燥处理。
因此，凸块即使在金属糊剂上搭载压电振子104的一端部以使压电振动元件104以悬臂保持方式固定在金属凸块上，在该金属糊剂中也得不到水平地保持压电振动元件104的搭载姿势的粘着力(浸润性)。
因此，直至金属糊剂进行烧结为止，压电振动元件104的自由端部侧倾斜而与封装内的底面接触，因此作为石英振子存在得不到足够的振动特性的情况。
发明内容
因此，本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供压电振子、压电振荡器以及压电滤波器，其可进行通过导电性粘结剂无法实现的小直径涂布，并且不会发生通过金凸块进行固定时成为问题的变形，可以得到作为目标的特性。
为了达成上述目的，本发明第一方面的压电器件，其特征在于该压电器件具有：具有连接焊盘的压电基板；具有电极焊盘的封装；连接所述电极焊盘和所述连接焊盘的接合部件，所述接合部件使用烧结结合多个金属球形粒子而成的金属部件。
本发明第二方面的压电器件，其特征在于，在本发明第一方面的压电器件中，所述金属球形粒子是金粒子。
本发明第三方面的压电器件，其特征在于，在本发明第一方面的压电器件中，所述金属部件是具有多孔性结构的部件。
本发明第四方面的压电器件，其特征在于，在本发明第一方面的压电器件中，所述金属球形粒子的粒径在0.2μm～0.5μm的范围内。
本发明第五方面的压电器件制造方法，其特征在于，该压电器件制造方法具有以下工序：准备具有连接焊盘的压电基板的工序；准备具有电极焊盘的封装的工序；在所述电极焊盘上涂布具有多个金属球形粒子和溶剂的接合部件的工序；在所述接合部件上搭载压电基板的工序；以及在搭载了所述压电基板之后，烧结结合所述金属球形粒子的工序。
本发明第六方面的压电器件制造方法，其特征在于，在本发明第五方面的压电器件制造方法中，所述烧结结合时的加热温度在200～300℃的范围内。
本发明第七方面的压电器件制造方法，其特征在于，在本发明第五方面的压电器件制造方法中，所述金属球形粒子的粒径在0.2μm～0.5μm的范围内。
根据本发明，通过使用由金属球形粒子和溶剂构成的金属部件来接合2个电极焊盘和压电振动元件的连接焊盘，从而可实现通过导电性粘结剂无法实现的小直径涂布，并且不会发生通过压扁金线而成的金凸块进行接合时成为问题的变形，可以得到作为目标的特性。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的压电振子的结构的图。
图2是表示通过分注器在电极焊盘上涂布金属部件时的情形的图。
图3是详细地观察烧结后的金属部件的图。
图4是表示金属部件和电极焊盘的镀金和压电振动元件的金溅镀膜之间的接合界面的详细情况的图。
图5是表示本发明的实施方式的压电振荡器的结构的图。
图6是表示通过分注方式进行的各种导电性粘结剂的涂布例的图。
图7是表示通过金凸块实现的压电振动元件的固定方法的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示作为本发明的实施方式的压电振子的结构的图，(a)是表示其内部结构的平面图，(b)是从(a)中所示的箭头A-A方向观察到的纵剖面图，(c)是(b)的虚线圆B的扩大图。
在该图1(a)(b)中所示的压电振子1具有以下结构：即在表面安装用的封装2的凹处3内收纳了压电振动元件(石英振动元件)10之后，通过金属盖4封住凹处3。
封装2在由陶瓷等的绝缘材料构成的绝缘基板的外底面上具有表面安装用的安装端子，并且挨着配置有2个电极焊盘6，该电极焊盘6用于使用金属部件7作为本发明特征的接合部件，在凹处3的内底面上电气地、机械地接合压电振动元件10。金属部件7的详情后述。
压电振动元件10具有：石英基板等的压电基板11；分别形成在该压电基板11的两个主面上的激励电极12、13；从各激励电极12、13向压电基板11的一端缘11a分别引出的引线端子12a、13a；以及连设在各引线端子12a、13a的端部的连接焊盘12b、13b。
从压电基板11的一个面上形成的激励电极12延伸出的引线端子12a与形成在压电基板的同一面上的连接焊盘12b导通。并且，从压电基板11的另一面上形成的激励电极13延伸出的引线端子13a与沿着所述一个面的端缘11a形成的连接焊盘13b导通。因此，两个连接焊盘12b、13b为沿着压电基板11的一个面的一端缘11a邻接配置的状态。并且，各连接焊盘12b、13b配置为可与封装侧的电极焊盘6、6一一对应的位置关系。
此时的压电振动元件10的坯板厚度(压电基板11的厚度)为约35μm，并且如图1(c)所示，在压电振动元件10的坯板20(压电基板11)的两面形成的连接焊盘13b、12b是通过在坯板20上形成厚度约150的镍(Ni)溅镀膜21，并且在该Ni溅镀膜21上形成厚度约850的金(Au)溅镀膜22而形成的。并且，电极焊盘6是通过在未图示的例如封装2的内底面上形成的厚度约10μm的W金属层上实施厚度约4μm的Ni电镀，并且在其上实施厚度约0.5μm的Au电镀而形成的。
这样形成的压电振子1的特征在于，作为接合设在封装2的内底面上的2个电极焊盘6、6和压电振动元件10的2个连接焊盘12b、13b的接合部件，使用具有多孔结构(多孔性结构)的金属部件7，金属部件7由多个金属球形粒子构成。由此，可实现以往通过导电性粘结剂无法实现的小直径涂布，并且因为金属部件7是多孔结构，所以不会发生通过金凸块进行固定时成为问题的变形，可以得到作为目标的特性。
并且，对于金溅镀膜22的基底，也可以替代镍溅镀膜21而使用铬。并且，可以替代金溅镀膜22而使用银。并且，上面通过溅镀成膜法形成连接焊盘13b、12b等的金属膜来对本方面进行了说明，但也可以是使用蒸镀成膜法或电镀成膜法来形成金属膜的压电振动元件10。
图2是表示通过分注器在收纳压电振动元件的封装内的电极焊盘上涂布了金属部件7时的情形的图。
如图2所示，例如要通过分注器涂布金属部件7以成为0.20mm以下的小直径时，可以明了，使用图2(c)、(d)中所示的内径为0.18mm和0.15mm的针53、54(武藏工程公司制造或EFD公司制造的30G直针)时，可以在电极焊盘6上得到0.18mm～0.20mm的涂布直径的金属部件7。
并且，例如要涂布金属部件7以成为0.15mm以下的小直径时，可以明了，使用图2(b)中所示的内径为0.10mm的针52(EFD公司制造的Mikros笔型32G直针)时，可以在电极焊盘6上得到0.12mm的涂布直径的金属部件7。并且，可以明了，使用图2(a)中所示的研磨小了针末端外径的针51(EFD公司制造的倒角针(内径0.10mm))时，可以在电极焊盘6上得到0.07mm的涂布直径的金属部件7。
此外，可以明了，使用图2(e)中所示的内径为0.15mm的针55(武藏工程公司制造的30G直针)来涂布金属部件7时，可以在电极焊盘6上得到0.18mm～0.20mm的涂布直径的金属部件7。
因此，作为在这些分注工序中使用的金属部件7，1个金属球形粒子的粒径为0.01μm～0.9μm的范围内，金属粒子含有量为90wt％、溶剂含有量9wt％、树脂含有量1wt％，烧结温度为200～300℃。
并且，作为金属部件7，为了提高金属粒子相对于涂布量的密度、确保高导电率，优选不含有在金属粒子表面形成覆膜的覆盖剂或与覆盖剂反应的物质。
并且，当使用0.01μm～0.1μm的比较小的粒径的金属粒子时，可降低烧结温度，并且可把烧结前的金属部件7的触变比抑制得较低，因此具有不易发生金属粒子阻塞分注器的喷出孔的事故的优点。
但是，在该情况下，容易发生金属粒子之间的烧结，因此存在难以成为多孔结构、金属部件7的金属密度太高的情况，金属部件7的金属密度和杨氏模量接近金属凸块(键合球)。
另一方面，金属粒子的粒径越大，越需要提高烧成温度，因此对压电振动元件带来的损伤也越大。
而且，金属粒子的粒径越大，金属部件7越容易传递跌落冲击等的外部冲击，并且，形成金属密度和杨氏模量局部变高的多孔结构。
因此，为了比较稳定地再现金属密度、杨氏模量适度低的多孔结构，优选使用粒径为0.20μm～0.50μm的金属粒子来构成金属部件7。
并且，与Au凸块的情况下杨氏模量为约78Gpa相对，根据本发明的金属部件7的杨氏模量为9Gpa～16Gpa，与Au凸块的杨氏模量相比较小。
另外，使用图2(e)中所示的针55来涂布以往的导电性粘结剂时，平均涂布直径为0.28mm(偏差为0.24mm～0.32mm)。
这样在本实施方式中通过把由金属球形粒子和溶剂构成的金属部件7作为用于电气地、机械地接合压电振动元件10以及电极焊盘6的接合部件来使用，可实现通过导电性粘结剂无法实现的基于分注器的小直径涂布。
接着，如上所述在电极焊盘6上涂布了金属部件7之后，在金属部件7上搭载压电振动元件10，例如在洁净加热炉中进行300℃以下(200℃～300℃)的加热处理。于是，包含在金属部件7中的溶剂挥发，金属粒子烧结，同时实现把压电振动元件10接合在电极焊盘6上。
并且，在洁净加热炉内的加热温度为200℃以下的设定中，金属球形粒子之间的烧结变得不完全的可能性提高，此外在加热温度为300℃以上的设定中，金属球形粒子过度熔融，难以得到多孔结构。
另一方面，在金属球形粒子的粒径为0.2μm～0.5μm的情况下，优选把洁净加热炉内的温度设定为225℃～275℃，来进行加热处理。
图3(a)是表示搭载石英振动元件前的电极焊盘6上的金属部件7的照片，图3(b)是对(a)中所示的金属部件7的烧结后的状态进行扩大表示的照片。
通过图3(b)例如详细地观察金属部件7时，可观察到金属部件7中包含的球形粒子14的表面形成彼此烧结、互相连接的三维多孔结构。
并且，图4是表示金属部件7和电极焊盘6的镀金和压电振动元件10的金溅镀膜22之间的接合界面的详细情况的图，(a)是扩大表示金属部件7和电极焊盘6的镀金之间的接合界面的照片，(b)是扩大表示金属部件7和压电振动元件10的金溅镀膜22之间的接合界面的照片。
在作为金属部件7的球形粒子使用金粒子的情况下，可以明了，如图4(b)所示，金属部件7的球形粒子14与压电振动元件10上成膜的金溅镀膜22熔合，并且如图4(a)所示，与收纳压电振动元件10的封装2内的电极焊盘6上形成的镀金15熔合。即，可以明了压电振动元件10和封装2的电极焊盘6电连接，同时它们通过金属结合而牢固地接合在一起。
在此，很明显金属部件7的金粒子互相烧结而成的三维多孔结构比金凸块的密度小。并且，因为金属部件7具有多孔结构，因此杨氏模量也小，可缓和接合部的应力。这是因为虽然金属部件7和金凸块都使用金这同一材料，但在金属部件7中烧结体形成多孔结构，因此烧结体的密度和杨氏模量变得不同。
此外，纯金的密度为19.3(g/cm3)，纯金的杨氏模量为78(Gpa)，与此相对，230℃/1小时的烧结体的金属部件7的密度为15.8(g/cm3)，金属部件7的杨氏模量为9.5(Gpa)，230℃/1小时的烧结体与纯金相比，密度约为82％，杨氏模量约为12％。
因此，如本实施方式所述，使用由金属球形粒子14和溶剂构成、且烧结体具有多孔结构的金属部件7，电气地、机械地接合电极焊盘6和压电振动元件10时，不会发生例如使用金凸块作为接合部件时成为问题的变形，可以得到作为目标的特性。
此外，在本实施方式中，说明了通过分注器在电极焊盘6上涂布金属部件7之后，再搭载压电振动元件10，然后进行加热处理并固定的情况，但这仅是一个例子。也可以考虑其它方法，例如，通过分注器或其它方法，在压电振动元件10或者收纳压电振动元件10的封装2内的电极焊盘6的面上形成糊状的柱结构体，之后进行加热处理，形成柱状凸块，在同时使用或不使用超声波的情况下，将压电振动元件10压在柱状凸块上，同时进行加热接合的方法。
该情况下，例如如果对于金属球形粒子使用粒径为0.5μm～0.9μm的比较大的粒子，则金属球形粒子的刚性比较高，因此把压电振动元件10压到柱状凸块上时，很难把多孔结构体完全压扁。
并且，在本实施方式中以压电振子为例进行了说明，这仅是一个例子，例如可以在未图示、但设在表面安装用封装的凹处内的2个电极焊盘上通过接合部件对压电振动元件的2个连接焊盘进行接合并支承，并且，在通过盖气密地密封了所述凹处后的压电滤波器中，作为接合部件可使用由金属球形粒子和溶剂构成的金属部件。并且，如图5(a)所示，也可使用本实施方式的压电振子1和收纳IC部件30的振荡电路31组合而成的所谓二层结构的压电振荡器、图5(b)所示的压电振动元件10和IC部件30收纳在同一封装32a内的单密封结构的压电振荡器32、或者图5(c)所示的H型封装33a，来构成压电振荡器33。

Claims (7)

1.一种压电器件，其特征在于，该压电器件具有：
具有连接焊盘的压电基板；
具有电极焊盘的封装；
连接所述电极焊盘和所述连接焊盘的接合部件，
其中，所述接合部件使用了烧结结合多个金属球形粒子而成的金属部件。
2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述金属球形粒子是金粒子。
3.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述金属部件是具有多孔性结构的部件。
4.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述金属球形粒子的粒径在0.2μm～0.5μm的范围内。
5.一种压电器件的制造方法，其特征在于，该压电器件制造方法具有以下工序：
准备具有连接焊盘的压电基板的工序；
准备具有电极焊盘的封装的工序；
在所述电极焊盘上涂布具有多个金属球形粒子和溶剂的接合部件的工序；
在所述接合部件上搭载压电基板的工序；以及
在搭载了所述压电基板之后，烧结结合所述金属球形粒子的工序。
6.根据权利要求5所述的压电器件的制造方法，其特征在于，所述烧结结合时的加热温度在200℃～300℃的范围内。
7.根据权利要求5所述的压电器件的制造方法，其特征在于，所述金属球形粒子的粒径在0.2μm～0.5μm的范围内。
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