JP2005033496A

JP2005033496A - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP2005033496A
Application number: JP2003196085A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Iguchi; 修一井口
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】ＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化に対応できるように、弾性率の小さい接着剤でＳＡＷ素子を接着固定しかつ良好な接合状態でのワイヤボンディングを実現する高品質・高信頼性の圧電デバイスを提供する。
【解決手段】ＳＡＷ素子１５を実装するためのパッケージ１４は、その実装面１６にＳＡＷ素子上面のボンディングパッド２０に対応する突起部２１を有する。ＳＡＷ素子は、各ボンディングパッドを対応する突起部に整合させかつその下面を該突起部に当接させた状態で、柔らかい弾性接着剤１７によりパッケージの実装面１６に接着固定する。ＳＡＷ素子のボンディングパッドとパッケージの接続端子２２とは、ウエッジボンディング法を用いてボンディングワイヤ２３で電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば弾性表面波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅ）素子をパッケ−ジ内に実装したＳＡＷデバイスのような圧電デバイスの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電基板の表面に形成した交差指電極からなるＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）と反射器とを備え、ＩＤＴから励振した弾性表面波を利用するＳＡＷ素子を用いた共振子、フィルタ、発振器等のＳＡＷデバイスが様々な電子機器に広く使用されている。特に最近は、通信機器などの分野で、通信の高速化に対応したＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化が要求されている。
【０００３】
一般にＳＡＷデバイスは、図６（Ａ）に例示するように、セラミック材料からなるベース１の上端に金属製のリッド２を、シールリング３を介してシーム溶接により気密に接合封止したパッケージ４を有し、その中にＳＡＷ素子５を実装する。ＳＡＷ素子５はその下面を接着剤６でベース１内の空所底面に接着固定し、その上面に設けられた電極接続用の各ボンディングパッド７が、それぞれパッケージ４内の対応する接続端子８とボンディングワイヤ９で電気的に接続される。これは、通常アルミニウム系材料のボンディングワイヤを使用し、その先端部をボンディングパッド７面に、図６（Ｂ）に示すように、ウエッジツール１０で加圧しつつ超音波振動を加えて接合するウエッジボンディング法により行う（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
金属製リッド２は、シーム溶接の際、その発熱により２００〜５００℃程度の高温になり、熱膨張率の小さいセラミック製ベース１よりも熱膨張した状態で接合されるが、気密封止後に常温に戻るとベース１よりも収縮する。そのため、ベース１には、これを下向き凸に変形させるような応力が発生し、接着剤６を介してＳＡＷ素子５に伝達されて、その特性に影響を及ぼす虞があり、特にＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化には好ましくない。また、接着剤６が硬化する際に幾分収縮するので、それによる応力がＳＡＷ素子５に作用する。そこで、パッケージのキャビティ底面にシリコン樹脂層を形成しかつその上にシリコン樹脂系の弾性接着剤を用いてＳＡＷ素子を接着固定し、シーム溶接による熱変形などの応力を吸収する構造が提案されている（特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１１０４０１号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化に対応するために、ＳＡＷ素子を接着固定する弾性接着剤は、その硬化後にシーム溶接による熱変形や接着剤硬化時の収縮による応力を十分に吸収し得る柔らかさ、即ちより小さい弾性率が要求される。しかしながら、弾性接着剤が柔らか過ぎると、図６（Ｂ）において想像線５´で示すように、ウエッジツール１０でボンディングワイヤ９先端部をボンディングパッド７面に押し付け加圧したとき、接着剤６が変形してＳＡＷ素子５が大きく沈み込む。ウエッジボンディング法によるボンディングワイヤの接合状態は、超音波の出力、ボンディングワイヤへの荷重、処理時間、及びこれらのバランスに左右されるから、ＳＡＷ素子の沈み込みが大き過ぎると、ボンディングワイヤへの荷重及び超音波振動が逃げてしまい、良好な接合状態が得られないという問題が生じる。
【０００７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特にＳＡＷデバイスの高周波化及び高精度化に対応して、弾性率の小さい接着剤を使用してＳＡＷ素子を接着固定すると同時に、良好な接合状態でのワイヤボンディングを実現し得る構造を有する、高品質・高信頼性の圧電デバイスを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電素子と、該圧電素子を実装するためのパッケージとを備え、圧電素子の下面を弾性接着剤によりパッケージの実装面に接着固定し、圧電素子上面のボンディングパッドとパッケージの接続端子とをボンディングワイヤで接続した圧電デバイスにおいて、パッケージの実装面が圧電素子のボンディングパッドに対応する突起部を有し、圧電素子が、ボンディングパッドを対応する突起部に整合させかつその下面を該突起部に当接させて、実装面に接着されている圧電デバイスが提供される。
【０００９】
このように、圧電素子がボンディングパッドの直下ではパッケージ実装面の突起部に直接支持され、かつ他の部分では弾性接着剤で固定される構成により、ボンディングワイヤをウエッジボンディングする際に、ウエッジツールでボンディングワイヤ先端部から圧電素子のボンディングパッド面に大きな荷重を加えても、圧電素子が沈み込む虞が無い。そのため、圧電素子を固定する弾性接着剤に硬化後の弾性率が小さく柔らかいものを用いた場合でも、ボンディングワイヤとボンディングパッドとの接合部に十分な超音波振動及び荷重をかけることができ、良好な接合状態が得られる。従って、パッケージの変形や接着剤の収縮などによる応力、及び落下などにより外部からパッケージに加わる衝撃を弾性接着剤で吸収して、圧電素子に与える影響を抑制しつつ、ワイヤボンディングの良好な接合状態を確保でき、高精度で高品質の圧電デバイスを得ることができる。
【００１０】
或る実施例では、パッケージの実装面が突起部の近傍に突設された仕切りを有し、該仕切りと突起部との間で圧電素子を実装面に接着する弾性接着剤よりも、仕切りの外側で圧電素子を実装面に接着する弾性接着剤の弾性率が小さい圧電デバイスが提供される。このように硬化後の弾性率が異なる２種の接着剤で圧電素子を実装面に接着し、狭い仕切りと突起部との間では比較的硬い弾性接着剤を使用し、仕切りの外側では柔らかい弾性接着剤を使用することにより、突起部を小さくして圧電素子の接着強度を高めることができると共に、そのようにしても仕切りの内側では、接着剤に或る程度の硬さが確保されるので、良好な接合状態でのワイヤボンディングが可能である。そして、圧電素子下面の大部分は柔らかい弾性接着剤で固定されるから、パッケージからの応力や外部からの衝撃を十分に吸収でき、圧電素子の所望の動作及び特性が確保される。
【００１１】
別の実施例では、多くの圧電デバイスがそうであるように、パッケージが、実装面を有するセラミック材料からなるベースと、該ベースにシーム溶接で気密に接合されるリッドとを有する場合に、シーム溶接の際にリッドに生じる熱膨張でベースが変形しても、その応力が圧電素子に与える影響を排除することができる。
【００１２】
また、或る実施例では、圧電素子がＳＡＷ素子であり、該ＳＡＷ素子にパッケージからの応力や外部からの衝撃が及ぼし得る影響を排除できると同時に、良好な状態でのワイヤボンディングが確保されることによって、高周波化及び高精度化に対応したＳＡＷデバイスが実現される。
【００１３】
更に或る実施例では、圧電素子のボンディングパッド及びボンディングワイヤがアルミニウム系材料からなると、ウエッジボンディングに適していることから好ましく、また加工性が良くかつ低コストである点からも好都合である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による圧電デバイスの好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用したＳＡＷデバイスの第１実施例の構成を示している。このＳＡＷデバイスは、上部を開放した矩形箱状のべース１１の上端に金属薄板のリッド１２を、シールリング１３を介してシーム溶接により気密に接合したパッケージ１４を有し、その中にＳＡＷ素子１５が実装封止されている。べース１１は、複数のアルミナ等セラミック材料からなる薄板を積層して構成され、その内部に画定される空所底部の実装面１６に、ＳＡＷ素子１５が弾性接着剤１７で固定されている。
【００１６】
ＳＡＷ素子１５は、水晶、リチウムタンタレート、リチウムニオベートなどの圧電材料からなる矩形基板の上面中央に１対の交差指電極１８、１８からなるＩＤＴが形成され、その長手方向両側に格子状の反射器１９、１９が形成されている。各交差指電極１８、１８には、そのバスバーに連続して前記基板の長手方向辺縁近傍にボンディングパッド２０、２０が形成されている。本実施例の交差指電極、反射器及びボンディングパッドは、加工性及びコストの観点からアルミニウムで形成されているが、それ以外の一般に使用されているアルミニウム合金などの導電性金属材料を使用することができる。
【００１７】
べース１１の実装面１６には、ＳＡＷ素子１５の各ボンディングパッド２０、２０に対応する位置に突起部２１、２１がそれぞれ一体に形成されている。ＳＡＷ素子１５は、各ボンディングパッド２０、２０をそれぞれ対応する突起部２１、２１に整合させて位置決めし、その下面を各突起部の上に当接させた状態で弾性接着剤１７により接着固定される。本実施例の弾性接着剤は、硬化後の弾性率が０．１Ｇｐａ以下の柔らかいシリコン樹脂系接着剤である。
【００１８】
べース１１の内部には、ＳＡＷ素子１５の幅方向の両側に段差が設けられ、その上面に各ボンディングパッド２０、２０に対応する接続端子２２、２２が形成されている。前記各ボンディングパッドと対応する各接続端子とは、それぞれボンディングワイヤ２３、２３で電気的に接続されている。本実施例のボンディングワイヤには、共晶による接合強度の低下を防止するために、前記ボンディングパッドと同じ導電材料のアルミニウム線を使用する。前記接続端子は、例えばＷ、Ｍｏ等の金属配線材料をべース１１のセラミック薄板の表面にスクリーン印刷しかつその上にＮｉ、Ａｕをめっきすることにより形成され、前記セラミック薄板に設けた配線パターンやビアホール（図示せず）を介して、べース１１外面の外部端子に接続されている。
【００１９】
ボンディングワイヤ２３とボンディングパッド２０、２０とは、その表面から機械的清浄化により酸化膜を除去した後、加圧と超音波振動とを利用したウエッジボンディング法により接続する。図２に示すように、ウエッジツール２４の下端でボンディングワイヤ２３の先端部をボンディングパッド２０面に所定の荷重で加圧し、超音波振動を加えて両者を接合する。このとき、ＳＡＷ素子１６は、各ボンディングパッド２０、２０の直ぐ下側で突起部２１、２１に支持されているので、ウエッジツール２４の加圧及び超音波振動が逃げる虞が無く、良好な接合状態が得られる。
【００２０】
このようにＳＡＷ素子１５を実装しかつ結線した後、シーム溶接でリッド１２をべース１１上端にシールリング１３に接合して、パッケージ１４を気密に封止するが、ＳＡＷ素子１６は、その下面が上述した柔らかい弾性接着剤１７で接着されているので、シーム溶接の高熱でリッド１２に生じる熱膨張でベース１１が変形し、また弾性接着剤１７が硬化時に収縮しても、その応力がＳＡＷ素子１５の動作に実質的に影響を及ぼす虞がない。従って、本発明のＳＡＷデバイスは、高周波化及び高精度化を図ると同時に、高品質かつ高信頼性を達成できる。
【００２１】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示すＳＡＷデバイスの変形例を示している。この変形例では、両ボンディングパッド２０、２０がＳＡＷ素子１５の長手方向の一方の端部付近に配置され、かつこれに対応して両突起部２１、２１が、べース実装面１６の長手方向の同じ一方の端部付近に形成されている。このようにボンディングパッド及び突起部は、必要に応じて図１の実施例とは異なる様々な位置及びレイアウトに適宜配置でき、それによってパッケージの変形又は接着剤の硬化収縮による応力をより効果的に吸収し、ＳＡＷ素子１６への影響を排除することが期待される。
【００２２】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、本発明によるＳＡＷデバイスの第２実施例を示している。第２実施例では、パッケージ１１の実装面１６に、各突起部２１、２１の近傍に仕切り２４、２４がそれぞれ突設されている。各仕切り２５、２５は、ＳＡＷ素子１５の内方に関して突起部２１、２１を部分的に囲むようにかつそれと略同じ高さに形成され、接着剤の硬化前の流動を規制する流れ止めとしての役目を有する。図４（Ｃ）に良く示すように、各突起部２１、２１と仕切り２５、２５との間では、エボキシ系樹脂のような比較的硬い接着剤２６、例えば硬化後の弾性率が０．３Ｇｐａ以上の接着剤を用いて、ＳＡＷ素子１６下面を実装面１６に接着する。仕切り２５、２５の外側では、第１実施例と同じ弾性率の小さい、柔らかい弾性接着剤１７でＳＡＷ素子１５下面を実装面１６に接着する。
【００２３】
このように弾性率の異なる２種の接着剤を使用し、前記仕切りと突起部間の狭い領域では、比較的硬い接着剤によってＳＡＷ素子１５がしっかりと固定され、かつ接着剤に或る程度の硬さが確保されるので、第１実施例と同様に良好な接合状態でのワイヤボンディングが可能である。仕切りの外側即ちＳＡＷ素子１５下面の大部分の領域では、柔らかい弾性接着剤によって固定されるから、パッケージからの応力や外部からの衝撃を十分に吸収し、ＳＡＷ素子１５の所望の動作及び特性を確保することができる。
【００２４】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、これに様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、ＳＡＷ素子以外の圧電素子をパッケージに実装した様々な圧電デバイスについても、または音叉型その他の圧電振動片であっても、同様に適用することができる。
【００２５】
【実施例】
上述した本発明の第１実施例の構造を有し、弾性率０．０５Ｇｐａのシリコン系弾性接着剤を用いたＳＡＷデバイスを製造し、ボンディングワイヤの接合状態を、ボンディング時におけるウエッジツールの沈み込み及び超音波振動の振幅波形、接合強度、及び接合部におけるワイヤのつぶれ状態により評価した。比較例１として、弾性率０．３Ｇｐａの硬い接着剤を用いた従来のＳＡＷデバイス、及び比較例２として、ベース実装面に本発明の突起部を備えていない従来構造のパッケージに弾性率０．０５Ｇｐａのシリコン系弾性接着剤を用いたＳＡＷデバイスについて、それぞれ同様にボンディングワイヤの接合状態を評価した。
【００２６】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ本実施例及び比較例１、２のボンディング時におけるウエッジツールの沈み込み波形Ｗ１と超音波振動の振幅波形Ｗ２とを示している。ウエッジツールの沈み込み波形Ｗ１はワイヤ先端部のつぶれの進み具合を表す。図５（Ａ）に示すように、本実施例は、沈み込み波形Ｗ１及び振幅波形Ｗ２共に、図５（Ｂ）の比較例１と同様の傾向を示している。これに対し、図５（Ｃ）の比較例２は、沈み込み波形Ｗ１の変化が無く、ワイヤ先端部のつぶれが進んでいないこと、振幅波形Ｗ２の振幅及び作用時間が小さいことを示している。これから、柔らかい接着剤を用いた場合でも、本実施例の構造を採用することによって、接合部に十分に超音波振動が作用し、良好な接合状態を得られることが推察される。
【００２７】
接合強度は、ワイヤ引張試験を採用し、ボンディングプル強度及び破壊モードを測定した。破壊モードは、ワイヤの破壊個所によって、パッケージ接合端子との界面剥離をＡ、パッケージ接合端子との接合部直近での切断をＢ、ワイヤの引張位置での切断をＣ、ＳＡＷ素子ボンディングパッドとの接合部直近での切断をＤ、ボンディングパッドとの界面剥離をＥで表す。この結果を以下の表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
本実施例では、比較例１と略同等のプル強度が得られ、かつ破壊モードが比較例１と同様にＢ又はＤである。これに対し、比較例２は、プル強度が半分以下であり、かつ破壊モードがＥである。これから、柔らかい接着剤を用いた場合でも、本実施例の構造を採用することによって、十分な接合強度が得られ、良好に接合されていることが分かる。
【００３０】
ワイヤのつぶれ状態は、その接合部におけるつぶれ幅を測定した。この結果を以下の表２に示す。
【００３１】
【表２】

【００３２】
本実施例ではワイヤのつぶれ幅が比較例１と略同等であるのに対し、比較例２はつぶれ幅が約３０％小さい。これから、柔らかい接着剤を用いた場合でも、本実施例の構造を採用することによって、接合部に十分に超音波振動が作用し、良好な接合状態を得られることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）図は本発明を適用したＳＡＷデバイスの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における断面図。
【図２】図１のＳＡＷデバイスにおいて、ＳＡＷ素子のボンディングパッドにワイヤボンディングする要領を示す部分拡大断面図。
【図３】（Ａ）図は図１のＳＡＷデバイスの変形例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図。
【図４】（Ａ）図は本発明によるＳＡＷデバイスの第２実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩＶ−ＩＶ線における断面図、（Ｃ）図はその要部を部分的にかつ拡大して、ＳＡＷ素子の一部を省略して示す平面図。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）図は、それぞれ本実施例及び比較例１、２のボンディング時におけるウエッジツールの沈み込み波形Ｗ１及び超音波振動の振幅波形Ｗ２を示す線図。
【図６】（Ａ）図は従来のＳＡＷデバイスを示す断面図、（Ｂ）図はＳＡＷ素子のボンディングパッドにワイヤボンディングする要領を示す部分拡大断面図。
【符号の説明】
１，１１…ベース、２，１２…リッド、３，１３…シールリング、４，１４…パッケージ、５，１６…ＳＡＷ素子、６…接着剤、７，２０…ボンディングパッド、８，２２…接続端子、９，２３…ボンディングワイヤ、１０，２４…ウエッジツール、１６…実装面、１７…弾性接着剤、１８…交差指電極、１９…反射器、２１…突起部、２５…仕切り、２６…接着剤。

Claims

圧電素子と、前記圧電素子を実装するためのパッケージとを備え、前記圧電素子の下面を弾性接着剤により前記パッケージの実装面に接着固定し、前記圧電素子の上面のボンディングパッドと前記パッケージの接続端子とをボンディングワイヤで接続した圧電デバイスにおいて、
前記パッケージの実装面が、前記圧電素子のボンディングパッドに対応する突起部を有し、前記圧電素子が、前記ボンディングパッドを対応する前記突起部に整合させかつその下面を前記突起部に当接させて、前記実装面に接着されていることを特徴とする圧電デバイス。
前記パッケージの実装面が、前記突起部の近傍に突設された仕切りを有し、前記仕切りと前記突起部との間で前記圧電素子を前記実装面に接着する前記弾性接着剤よりも、前記仕切りの外側で前記圧電素子を前記実装面に接着する前記弾性接着剤の弾性率が小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
前記パッケージが、前記実装面を有するセラミック材料からなるベースと、前記ベースにシーム溶接で気密に接合されるリッドとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
前記圧電素子が弾性表面波素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイス。
前記圧電素子のボンディングパッド及び前記ボンディングワイヤがアルミニウム系材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電デバイス。