KR0145232B1 - 탄성 표면파 장치 - Google Patents

탄성 표면파 장치

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KR0145232B1
KR0145232B1 KR1019950017605A KR19950017605A KR0145232B1 KR 0145232 B1 KR0145232 B1 KR 0145232B1 KR 1019950017605 A KR1019950017605 A KR 1019950017605A KR 19950017605 A KR19950017605 A KR 19950017605A KR 0145232 B1 KR0145232 B1 KR 0145232B1
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Abstract

탄성표면파 장치 11는 지지기판 12상에 페이스 다운(face down) 방식으로 납땜 19, 20에 의해 접합되는 탄성표면과 소자 13와, 그 탄성표면과 소자 13을 둘러싸는 금속캡 21를 포함하고, 탄성파 소자 13과 지지기판 12 및 금속 캡 21의, 표면파 전파방향으로의 열팽창계수를 각각 α1, α2및 α3이라 할 경우, α1α2일 때는 α3≥α1로 되고, α1α2일 때는 α3≤α1로 된다.

Description

탄성 표면파 장치
제 1도는 종래의 SAW장치의 일례를 보여주는 단면도이다.
제 2도는 본 발명의 한 실시예의 SAW 장치를 보여주는 단면도이다.
제 3도는 SAW 소자를 보여주는 평면도이다.
제 4도는 지지기판 상에 SAW 소자를 장착한 구조의 냉각에 따른 변형을 설명하기 위한 단면도이다.
제 5도는 실시예에 있어 냉각에 따라 가해지는 응력을 설명하기 위한 단면도이다.
제 6도는 종래의 SAW 장치에서 냉각에 따라 가해지는 응력을 설명하기 위한 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11:SAW 장치 12:지지기판
13:SAW 소자 14:표면파 기판
15, 16:인터디지털 트랜스듀서 21:금속캡
본 발명은, 패키지 구조가 개량된 탄성표면파 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 지지판과 도전성 캡으로 구성되는 패키지 내에 페이스다운(face-down)방식으로 표면파 소자가 지지기판 상에 장착된 구조를 가지는 탄성표면파 장치의 개량에 관한 것이다.
탄성표면파(이하, SAW라 한다) 소자의 패키지 구조로서는, (1) SAW 소자를 금속단자(metal terminal)와 접속시키고, 수지외장으로 피복시켜서 형성된 패키지 구조, (2) 지지기판과 금속캡으로 구성된 패키지로 SAW 소자를 에워싸서 형성된 패키지 구조, (3)세라믹 패키지 내에 SAW 소자를 봉입하여 형성된 패키지 구조 등이 알려져 있다.
제 1도는 지지기판과 금속캡으로 패키지 구조를 구성한 종래의 SAW 장치의 한 예를 보여주는 단면도이다. SAW 장치 1은 알루미나 등의 절연성 세라믹으로 만들어지는 지지기판 2를 구비하고 있다. 지지기판 2의 상면에는, SAW 소자 3을 고정시키고, SAW 소자 3과 전기적으로 접속시키기 위한 전극랜드(electrode land) 4, 5가 형성되어 있다.
SAW 소자 3은, 지지기판 2상에 페이스 다운(face down)방식으로 설치되어 잇다. 즉, SAW 소자 3은 표면파가 전파되는 면이 하면(下面)이 되도록 배치되어 있다. SAW소자 3의 단자전극(도면에 없음)이 납땜 6,7에 의하여 전기한 전극랜드 4, 5에 접속되어 있으며, 이렇게하여 SAW 소자 3이 전극랜드 4, 5에 전기적으로 접속되어 있다.
한편, SAW 소자 3을 둘러싸고 또 봉인하기 위하여, 금속캡 8이 지지기판 2에 고정되어 있다. 이 금속캡 8은, 하방이 열린 형상을 가지며, 하단에 지지기판 2와 거의 평행으로 뻗은 테두리부 8a가 형성되어 있다. 이 테두리부 8a는 납땜 9에 의해 지지기판 2에 접착되어 있다. 또, 지지기판 2에는, 납땜 9와의 접합을 위하여 금속패드 10이 형성되어 있다.
SAW 장치 1에서는, SAW 소자 1이 납땜 6, 7을 이용하여 페이스 다운 방식으로 지지기판 2상에 고정되어 있기 때문에 SAW 소자 3의 표면과 전파면 하방에 공간 A가 구성되어 있고, 따라서, SAW 소자 3을 구동하는 경우에, 그 진동이 방해받지 않는다. 즉, 납땜 6, 7의 두께인 공간 A로 인해서 바라는 특성이 얻어 질 수 있다. 더욱이, SAW소자 3은 지지기판 2와 금속캡 8에 의해서 형성된 공간으로 둘러싸여 있기 때문에, SAW 소자 3을 구성하고 있는 전극재료의 산화나 외부로부터의 습기나 가스의 침입에 의한 특성의 열등화가 생기기 어렵게 되어 있다.
그런데, SAW 장치 1에서는, 주위의 온도변화에 따라, 지지기판 2, SAW 소자 3 및 금속캡 8이 팽창 또는 수축한다. 이러한 팽창·수축에 의하여 SAW 소자 3에 응력이 보태어지면, 표면파 소자 3의 특성이 변화한다. 따라서, 종래, 지지기판 2, SAW 소자 3 및 금속캡 8의 열팽창계수가 가능하면 같아 지도록, 이들의 부재를 구성하는 재료가 선택되어져 왔다.
그러나, 지지기판 2, SAW 소자 3 및 금속캡 8의 열팽창계수를 서로 같게 하는 것은 불가능에 가깝다. 따라서, 가급적 열팽창계수가 같은 재료로 지지기판 2, SAW 소자 3 및 금속캡 8이 만들어진다. 히트사이클 시험과 같은 신뢰성 시험에 SAW 장치1을 시험해보면, (1)공진주파수나 중심주파수가 목적하는 공진주파수나 중심주파수로부터 벗어나는 수가 많다는 점, 또, (2)납땜 6,7에서 접합이 풀어져, 단선(선이 끊어짐)이 발생하는 등의 문제가 있었다.
그래서, 본 발명의 목적은, 온도변화가 있는 경우에도, SAW 소자와 패키지를 구성하는 재료들간의 열팽창율 차에 의한 주파수변동이나 단선이 생기기 어려운, 신뢰성 높은 SAW 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 지지기판 상에 SAW 소자를 페이스 다운 방식으로 납땜에 의하여 접합하여 이룩되며, 지지기판과 도전성 캡에 의하여 패키지를 구성하여 이룩되는 SAW 장치의 개량에 관한 것이며 다음과 같은 구성을 갖춘 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 SAW 장치는, 지지기판; 전기한 지지기판상에 표면파가 전파되는 면을 하면(下面)으로하여 납땜된 SAW 소자; 및 전기한 지지기판에 납땜되어 전기한 SAW 소자를 둘러싸는 도전성 캡을 포함함을 특징으로 한다. 전기한 SAW 소자, 지지기판 및 도전성 캡의 표면파 전달방향으로의 열팽창계수를 각각 α1, α2및 α3로 정했을 때, α1α2일 때에는 α3≥α1을 충족시키고, α1α2일때에는 α3≤α1을 충족시키도록 전기한 SAW 소자, 지지기판 및 도전성 캡이 구성된다.
본 발명자는, SAW 소자와 패키지의 열팽창계수 차에 기인하는 전기한 문제점에 대하여 연구한 결과, 주파수변동이나 납땜접합부분에 있어서의 단선현상은, 표면파 전파방향으로의 응력이 SAW 소자나 납땜접합부분에 가하여진 경우에 특히 현저하게 나타난다는 것을 발견하였다. 따라서, 온도변화가 생긴 경우에는, SAW 소자에 표면파 전달방향으로의 응력이 가하여지기 어렵도록, SAW 소자 및 패키지 구성부재를 구성하면, 상기 과제를 달성할 수 있다고 판단하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 따라서, 본 발명에서는, 표면탄성파 소자 및 패키지 구성재료의 열팽창계수가 서로 같아지도록 하는 것이 아니라, 상기와 같이, 표면파 소자, 지지기판 및 도전성 캡의 표면파 전파방향으로의 열팽창계수를 α1, α2및 α3이라 했을 때, 상기 특정의 관계를 충족하도록 구성되어 있다.
α1α2일 때는, 온도변화와 더불어, SAW 소자가 지지기판보다 더 크게 표면파 전파방향으로 팽창 또는 수축한다. 이 경우에는, 지지기판이 표면파 소자에 응력을 가하여 SAW 소자의 팽창·수축을 억제한다. 그래서, 이런 지지기판으로부터 SAW 소자에 가해지는 응력을 감쇄시키기 위하여, α3≥α1로 되어있다.
즉, 도전성 캡이 지지기판보다 더 크게 팽창, 수축하도록 구성함으로써, 지지기판으로부터 SAW 소자에 가해지는 응력이 감쇠되고, 그것으로 말미암아 SAW 소자의 특성의 변동 및 SAW 소자와 지지기판과의 사이의 납땜접합부분에서의 단선이 억제된다.
한편, α1α2일 때에는, 상기와는 반대로 온도변화에 따라 SAW 소자보다 지지기판이 더 팽창·수축한다. 그래서, 지지기판으로부터 SAW 소자에, 상기 팽창·수축에 따른 힘이 가하여지게 된다. 이 때에는, α3≤α1으로 되어있기 때문에, SAW 소자가, 도전성 캡보다도 더 크게 팽창·수축한다. 즉, 도전성 캡은, SAW 소자보다 온도변화에 따른 팽창·수축양이 적다. 그 결과, 지지기판으로부터 SAW 소자에 가하여지는 상기 팽창·수축에 따른 힘이 도전성 캡의 낮은 열팽창성에 의하여 억제된다. 따라서 이 경우에도 역시, 표면파 소자의 주파수 변동이나 SAW 소자와 지지기판과의 사이의 납땜접합부분에 있어서의 단선이 억제된다.
이상과 같이, 본 발명의 SAW 장치에서는, SAW 소자, 지지기판 및 도전성캡의 표면파 전파방향으로의 열팽창계수가 상기의 특정한 관계로 되어있기 때문에, 납땜시의 고온상태로부터 냉각될 때 발생하는, 납땜부분에서의 단선불량을 효과적으로 억제할 수 있다. 또, 열사이클 등의 신뢰성시험이나, 실사용시의 급격한 온도변화에 노출된 경우일지라도, 납땜접합부분에서의 단선발생을 억제할 수가 있는 것과 함께, 표면파 전파방향을 따라 SAW 소자에 가해지는 응력도 감소되기 때문에, 중심주파수나 공진주파수가 이동되는 일도 드물다.
그래서, 본 발명에 의하면, SAW 소자와 패키지 구조와의 열팽창계수차에 기인하는 악영향을 감소시킬 수 있고, 온도변화에 대한 신뢰성이 큰 SAW 장치를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 실시예를 설명하여 본 발명을 명백히 하겠다.
제2도는, 본 발명의 한 실시예에 나오는 SAW 장치 11를 나타내는 단면도 이다. SAW 장치 11은, 알루미나 등의 절연성 세라믹으로 만들어진 지지기판 12를 갖는다. 또, 지지기판 12는, 알루미나 등의 절연성 세라믹 대신에, 후술한 열팽창계수간의 관계를 충족시키는 한, 금속표면을 절연성 피막이나 합성수지로 피복한 재료에 의해 만들어져도 된다.
지지기판 12상에는, SAW 소자 13이 페이스 다운 방식으로 장착된다. SAW 소자 13은, 표면파 공진자, 표면파 필터, 표면파 지연선 등의 여러 가지의 SAW 소자로 구성될 수 있다. SAW 소자의 한예를 제3도에 나타낸다. 제3도에서 보여주는 SAW 소자 13은 트랜스버셜형의 SAW 필터인데, 표면파 기판 14와 한쪽 주면상에 위치한 한쌍의 인터디지털 트랜스듀서(이하 IDT) 15, 16으로 이루어져 있다. 각 IDT 15, 16은 각기 한쌍의 빗살꼴 전극 15a, 15b, 16a, 16b로 구성되어 있다. 빗살꼴전극 15a, 15b는 각기 서로의 전극 지(指)가 서로 맞물리게끔 구성되어 있고, 빗살꼴전극 16a, 16b에 있어서도 서로의 전극 지(指)가 서로 맞물리게끔 구성되어 있다. IDT 15, 16에 형성된 면이 표면파가 전파되는 면이 된다.
SAW 소자 13은, 표면파가 전파되는 면이 하면이 되도록 전기한 지지기판 12상에 장착되어 있다. 즉, 지지기판 12상에 형성된 전극랜드 17, 18이 납땜 19, 20에 의해 SAW 소자 13의 단자전극(도면에 없음)에 접합된다. 더욱이, 상기한 단자전극은, 제 3도에 나타낸 IDT 15, 16의 빗살꼴 전극 15a, 15b, 16a, 16b중 적절한 하나에 접속되어, SAW 소자 13을 구동하기 위한 외부접속용 전극이 된다.
따라서, SAW 장치 11에서의 표면파 전파방향은 제2도에 도시한 화살표 X방향인 것이다. 또, SAW 소자 13을 둘러싸고 봉인하기 위해서, 금속캡 21이 지지기판 12에 장착되어 있다. 금속캡 21은, 하방이 벌어진 형상을 하고, 하단 주변에 플랜지부 21a가 있다. 플랜지부 21a는, 지지기판 12에 거의 평행하게 외측으로 뻗어있고, 플랜지부 21a는 납땜 22에 의하여, 지지기판 12위에 형성된 금속패드 23에 접합되어 있다.
금속캡 21은 코바르 또는 양은 등 적절한 금속재료로 만들어지는데, SAW 소자 13을 둘러싸고 또 봉인함과 동시에, SAW 소자 13을 전자(電磁)적으로 차폐하는 기능도 수행한다. 따라서, 후술하는 열팽창계수간의 관계를 충족시키는 한, 금속캡 21 대신에, '절연성 재료표면에 도전막을 형성함으로써 만들어지는 재료'로 구성되는 캡을 써도 좋다.
본 실시예의 SAW 장치 11의 특징은, 상기한 SAW 소자 13, 지지기판 12 및 금속캡 21의, X방향으로의, 열팽창계수를 각각 α1, α2및 α3로 정할 때,
를 충족하게끔, 지지기판 12, SAW 소자 3 및 금속캡 21이 구성되어 있다는 것이다. 이와 같은 구성은, 예를 들어, 지지기판 12를 알루미나로 구성하고, 표면파 소자 13을 수정기판으로 구성하고, 금속캡21을 철로 구성함으로써 실현된다.
본 실시예의 SAW 장치 11은 상기 식 (1)을 충족시키게끔 구성되어 있기 때문에, 납땜 19,20 및 22에 의하여 지지기판 12, SAW 소자 13 및 금속캡21이 접합된 시점, 즉 고온상태에서는, 제 2도에 보여준 형상을 유지한다. 그런 후, SAW장치 11이 납땜시의 온도로부터 주위의 온도(상온)까지 냉각되면, 지지기판 12, SAW소자 13 및 금속캡 21이 냉각되게 된다. 이경우를 예로 들어, 비교예로서 준비한 하기의 종래의 SAW 장치 1과 비교하여, 본 실시예의 SAW 장치 1의 효과를 설명한다.
비교예로서 준비한 SAW 장치 1에서는, SAW소자 3이 수정기판으로 구성되어 있고, 지지기판 12는 알루미나로 구성되어 있으며, 금속캡 8이 42니켈(Ni)합금 으로 구성되어 있고, 열팽창계수간의 관계는, SAW 소자 3, 지지기판 2 및 금속캡 8의, 표면과 전도방향으로의 열팽창계수를 각각 α1, α2, α3으로 했을 때,
의 관계를 만족하게끔 구성되어 있다.
지금 상기 비교예의 SAW 장치 1 및 실시예의 SAW 장치 11을, 납땜할 때의 고온환경에서 상온까지 냉각한 것으로 한다.
또한, 예를 들어, 상기 SAW 장치 11에는 금속캡 21이 설치되어 있지 않다고 가정한다. 그러면, 지지기판 12 및 SAW 소자 13이 냉각과 더불어 수축하고, 또 제 4 도에 보여주는 바와 같이 지지기판 12 및 SAW 소자 13이 휘어져서 둘다 양끝이 상방을 향하게 된다. 그 결과 α1α2인 것이므로 SAW 소자 13이 지지기판 12보다 더 크게 수축하고, 인장응력이 지지기판 12측으로부터 SAW소자 13에 가해져서, SAW 소자 13의 수축이 억제된다.
그러나, 실시예의 SAW장치 11에서는, α3α1이므로, 금속캡 21은, 지지기판 12보다도 더 크게 수축하게 된다. 즉, 제5도에 나타낸 바와 같이, 지지기판 12에서 SAW 소자 13에 가해지는 인장응력이 완화되게 된다. 그결과, 소자 13에 지지기판 12로부터 가해지는 인장응력에 의한 휘어짐이 감소될뿐아니라, 납땜 19,20에 가해지는 응력도 줄어든다.
반면에 종래예의 SAW장치 1에서는, 금속캡 8이 없는 경우에, SAW소자 3과 지지기판 2와의 사이의 열팽창계수차에 의해 지지기판 2측으로부터 SAW 소자 3 대하여 인장응력이 가해지게 된다. 본 실시예의 SAW장치 11에 대하여도 마찬가지다.
또, α2α3이므로, 즉, 금속캡 8이 지지기판 2보다 적게 수축되기 때문에, SAW소자 3에는, 여전히 지지기판 2로부터 인장응력이 가해지게 되며, 게다가 지지기판 2는, 금속캡 8로부터 인장응력을 받는 것이 되므로, 상당한 인장응력이 SAW소자 3에 가해지고, 또 납땜 6,7에 의한 접합부분에도 큰 응력이 가해진다.
따라서, 실시예의 SAW장치 11에서는, 상기 식(1)을 만족시키게끔 각 부재가 구성되어 있기 때문에, SAW소자 13이 표면파 전파방향으로 휘어지는 정도가 완화되어, 주파수 변동을 억제할 수 있고, 또 납땜 19,20에 의한 접합부에 가해지는 응력도 줄어들어, 단선 등의 발생하기 어렵게 된다.
또, 상기 실시예에서는, α1α2인 상기식 (1)을 만족시키는 경우, 즉 α3≥α1인 경우에 대하여 설명했으나, α1α2의 경우에는, 상기 경우와는 반대로, α3≤α1이 됨으로써, 온도 변화에 의한 지지기판 12로부터 표면파 소자 13에 가해지는 인장응력을 완화시킬 수 있다.
또, 상기 실시예에서는 납땜시의 고온에서 상온으로 냉각한 경우를 예로 들어 설명했으나, 실제 사용시에 온도변화가 일어나는 경우에도, 상기와 같이 지지기판 12, SAW 소자 13 및 금속캡 21의, 표면파 전파방향으로의, 열팽창계수를 상기 특정관계로 정함으로써, 마찬가지로 지지기판으로부터 SAW 소자나 납땜접합부분에 가해지는 응력을 완화시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 지지기판과, 그 지지기판상에 표면파가 전파되는 면을 하면(下面)으로하여 납땜된 표면탄성파 소자와, 그 표면탄성파 소자를 둘러 싸게끔 전기한 지지기판에 납땜된 도전성 캡을 포함하고, 그 표면파 소자과 지지기판 및 도전성 캡의, 표면파 전파방향으로의 열팽창계수를 각각 α1,α2및 α3라고 했을 때, α1α2의 경우에는 α3≥α1, α1α2의 경우에는 α3≤α1을 충족하도록 그 표면탄성파 소자과 지지기판 및 도전성 캡이 형성되는 표면탄성파 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄성표면파 소자는 표면기판을 가지고, 그 표면기판의 한쪽 주면상에 적어도 1개의 인터디지털 트랜스듀서(interdigital transducer)가 형성되고, 그 인터디지털 트랜스듀서와 전기적으로 연결되도록 단자전극이 형성되며, 그 주면이 전기 탄성표면파 전파 표면을 정의하고 그 인터디지털 트랜스듀서가 그 주면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성표면파 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지기판상에 형성된 전극 랜드를 추가로 포함하고, 그 전극랜드가 납땜에 의해 상기 표면탄성파 소자의 단자전극과 접합되는 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  4. 제1항에있어서 상기도전성 캡이 금속캡으로 형성된 것을 특징으로 하는 탄성 표면파 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열팽창계수 α1,α2및 α3가 α3α1α2의 관계에 있고, 상기 지지기판이 알루미나기판으로 구성되고, 상기 표면탄성파 소자가 결정기판을 사용하여 이루어지며, 상기 금속캡이 철로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면탄성파 장치.
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