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JP2017028486A - Piezoelectric device for high temperature - Google Patents

Piezoelectric device for high temperature Download PDF

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JP2017028486A
JP2017028486A JP2015144769A JP2015144769A JP2017028486A JP 2017028486 A JP2017028486 A JP 2017028486A JP 2015144769 A JP2015144769 A JP 2015144769A JP 2015144769 A JP2015144769 A JP 2015144769A JP 2017028486 A JP2017028486 A JP 2017028486A
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JP
Japan
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layer
wire
piezoelectric device
pad
recessed space
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JP2015144769A
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Japanese (ja)
Inventor
嘉雄 齋藤
Yoshio Saito
嘉雄 齋藤
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Kyocera Crystal Device Corp
Original Assignee
Kyocera Crystal Device Corp
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Publication date
Application filed by Kyocera Crystal Device Corp filed Critical Kyocera Crystal Device Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology capable of improving connection strength of an Al wire, in a piezoelectric device for high temperature use which is used in an environment at a temperature of 150°C or above and 300°C or below.SOLUTION: A piezoelectric device includes: an element mounting member 20 having a recessed space; a crystal vibration element and an IC chip mounted in the recessed space; and a lid member for sealing the recessed space. The piezoelectric device is used in an environment at a temperature of 150°C or above and 300°C or below. A pad 24 for an IC is provided in the recessed space, and the pad 24 for an IC and the IC chip are connected by an Al wire 52. The pad 24 for an IC includes: an Au layer 24a with which the Al wire 52 is in contact; and a Ni layer 24b as a metal layer under the Au layer. The film thickness ta of the Au layer 24a is 0.5 μm or more and 0.8 μm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用される、例えば水晶発振器などの高温用圧電デバイスに関する。本明細書及び特許請求の範囲では、元素名を元素記号で示すことにする。   The present invention relates to a high-temperature piezoelectric device such as a crystal oscillator that is used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In the present specification and claims, element names are indicated by element symbols.

一般的な圧電デバイスとして、素子搭載部材の凹部空間内に圧電素子及びICチップが実装され、凹部空間が蓋部材で密閉され、ICチップの電極がワイヤによって凹部空間内のパッドに電気的に接続されたものが知られている(特許文献1参照)。   As a general piezoelectric device, a piezoelectric element and an IC chip are mounted in a recessed space of an element mounting member, the recessed space is sealed with a lid member, and an electrode of the IC chip is electrically connected to a pad in the recessed space by a wire. Is known (see Patent Document 1).

また、圧電デバイスではなく一般的な半導体デバイスとして、下地のCu(銅)メッキ層とその上のAu(金)メッキ層とからなるパッドが基板上に設けられ、そのパッドとICチップの電極とがAl(アルミニウム)ワイヤで接続されたものが知られている(特許文献2参照)。   In addition, as a general semiconductor device instead of a piezoelectric device, a pad made of an underlying Cu (copper) plating layer and an Au (gold) plating layer thereon is provided on the substrate. Are connected by an Al (aluminum) wire (see Patent Document 2).

その特許文献2の技術では、Cu−Auの積層構造からなるとともにAlワイヤが接合されるパッドにおいて、Auメッキ層の膜厚を0.5μm未満としている。これにより、高温環境下(125℃以下)でAuメッキ層とAlワイヤとの間で生ずるカーケンダルボイドを防止でき、ワイヤとパッドとの接合性が向上する、ということである。このカーケンダルボイドとは、熱によるAuの拡散速度が他の金属であるAlやCuのそれよりも著しく大きいことにより、Auメッキ層中に生じる欠乏層(ボイド)のことである。カーケンダルボイドが発生すると、AlワイヤがAuメッキ層から剥離しやすくなる。   In the technique of Patent Document 2, the thickness of the Au plating layer is less than 0.5 μm in a pad that has a Cu—Au laminated structure and is bonded to an Al wire. As a result, Kirkendall voids generated between the Au plating layer and the Al wire under a high temperature environment (125 ° C. or lower) can be prevented, and the bondability between the wire and the pad is improved. This Kirkendall void is a deficient layer (void) generated in the Au plating layer because the diffusion rate of Au due to heat is significantly higher than that of other metals such as Al and Cu. When Kirkendall voids are generated, the Al wire easily peels from the Au plating layer.

特開2013−239790号公報JP 2013-239790 A 特開2003−059962号公報JP 2003-059962 A

しかしながら、特許文献2の技術は、高温環境下といっても125℃以下であるので、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用する高温用圧電デバイスにおいて次のような問題を生じる。   However, since the technology of Patent Document 2 is 125 ° C. or lower even in a high temperature environment, the following problems occur in a high temperature piezoelectric device used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.

Au層のピンホールは、Au層の膜厚が薄いほど多く、Au層の膜厚が厚いほどそれらが埋められて少なくなる。そのため、パッドを下地金属層とAu層との積層構造とし、Au層を0.5μm未満に薄くした場合、Au層のピンホールを介して下地金属がAu層表面へ露出することにより、Alワイヤの接続強度が低下する。Au層表面に露出した下地金属は、Alワイヤを剥がすように作用する。   The number of pin holes in the Au layer increases as the film thickness of the Au layer decreases, and the number of pin holes in the Au layer decreases as the film thickness of the Au layer increases. Therefore, when the pad has a laminated structure of a base metal layer and an Au layer, and the Au layer is thinned to less than 0.5 μm, the base metal is exposed to the surface of the Au layer through the pin hole of the Au layer, so that the Al wire The connection strength is reduced. The base metal exposed on the surface of the Au layer acts to peel off the Al wire.

そこで、本発明の目的は、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用する高温用圧電デバイスにおいて、Alワイヤの接続強度を向上し得る技術を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of improving the connection strength of an Al wire in a high-temperature piezoelectric device used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.

本発明者は、高温用圧電デバイスにおけるAu層の膜厚とAlワイヤの接続強度との関係について、実験及び考察を繰り返したところ次の知見を得た。Au層の膜厚を0.5μm未満にすると、Au層のピンホールを介して下地金属がAu層表面へ露出することにより、Alワイヤの接続強度が実用的なレベル以下になる。一方、Au層の膜厚を0.8μmを越える値にすると、Au層にカーケンダルボイドが発生することにより、Alワイヤの接続強度が実用的なレベル以下になる。本発明はこの知見に基づきなされたものである。   This inventor repeated experiment and consideration about the relationship between the film thickness of the Au layer and the connection strength of the Al wire in the high-temperature piezoelectric device, and obtained the following knowledge. When the thickness of the Au layer is less than 0.5 μm, the base metal is exposed to the surface of the Au layer through the pin hole of the Au layer, and the connection strength of the Al wire becomes below a practical level. On the other hand, if the thickness of the Au layer exceeds 0.8 μm, Kirkendall voids are generated in the Au layer, so that the connection strength of the Al wire becomes less than a practical level. The present invention has been made based on this finding.

すなわち、本発明に係る高温用圧電デバイスは、
凹部空間を有する素子搭載部材と、前記凹部空間内に実装された圧電素子及びICチップと、前記凹部空間を密閉する蓋部材とを備え、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用される高温用圧電デバイスにおいて、
前記凹部空間内に設けられたIC用パッドと前記ICチップとがAlワイヤによって接続され、
前記IC用パッドは前記Alワイヤが接するAu層とその下の金属層とを含み、
前記Au層の膜厚が0.5μm以上かつ0.8μm以下である、
ことを特徴とする。
That is, the high-temperature piezoelectric device according to the present invention is
An element mounting member having a recessed space, a piezoelectric element and an IC chip mounted in the recessed space, and a lid member that seals the recessed space, and is used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Piezoelectric devices for
The IC pad provided in the recess space and the IC chip are connected by an Al wire,
The IC pad includes an Au layer in contact with the Al wire and a metal layer below the Au layer,
The film thickness of the Au layer is 0.5 μm or more and 0.8 μm or less,
It is characterized by that.

本発明によれば、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用する高温用圧電デバイスにおいて、Alワイヤが接するAu層の膜厚を0.5μm以上かつ0.8μm以下としたことにより、Au層表面へ下地金属が露出すること及びAu層にカーケンダルボイドが発生することの両方を抑えられるので、Alワイヤの接続強度を向上できる。   According to the present invention, in a high-temperature piezoelectric device used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, the thickness of the Au layer in contact with the Al wire is 0.5 μm or more and 0.8 μm or less. Since both the exposure of the base metal to the surface and the generation of Kirkendall voids in the Au layer can be suppressed, the connection strength of the Al wire can be improved.

実施形態1の圧電デバイスにおけるIC用パッド及びその周辺を拡大して示す断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view of an IC pad and its periphery in the piezoelectric device of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の圧電デバイスを示し、図2[A]は平面図、図2[B]は図2[A]におけるIIb−IIb線断面図である。The piezoelectric device of Embodiment 1 is shown, FIG. 2 [A] is a top view, FIG. 2 [B] is the IIb-IIb sectional view taken on the line in FIG. 2 [A]. 実施形態1の圧電デバイスを一部を切り欠いて示す分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing the piezoelectric device of Embodiment 1 with a part cut away.

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。「高温用圧電デバイス」は「圧電デバイス」と略称する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, the same reference numerals are used for substantially the same components. The shapes depicted in the drawings are drawn so as to be easily understood by those skilled in the art, and thus do not necessarily match the actual dimensions and ratios. “High-temperature piezoelectric device” is abbreviated as “piezoelectric device”.

図1は、実施形態1の圧電デバイスにおけるIC用パッド及びその周辺を拡大して示す断面図である。図2は実施形態1の圧電デバイスを示し、図2[A]は平面図、図2[B]は図2[A]におけるIIb−IIb線断面図である。図3は、実施形態1の圧電デバイスを一部を切り欠いて示す分解斜視図である。以下、図1乃至図3に基づき説明する。   FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view showing an IC pad and its periphery in the piezoelectric device according to the first embodiment. 2 shows the piezoelectric device of the first embodiment, FIG. 2 [A] is a plan view, and FIG. 2 [B] is a sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG. 2 [A]. FIG. 3 is an exploded perspective view showing the piezoelectric device of Embodiment 1 with a part cut away. Hereinafter, description will be given with reference to FIGS.

まず、圧電デバイス10の構成を概略的に説明する。   First, the configuration of the piezoelectric device 10 will be schematically described.

圧電デバイス10は、凹部空間11を有する素子搭載部材20と、凹部空間11内に実装された水晶振動素子40及びICチップ50と、凹部空間11を密閉する蓋部材30とを備え、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用される。凹部空間11内にIC用パッド24が設けられ、IC用パッド24とICチップ50とがAlワイヤ52によって接続されている。IC用パッド24は、Alワイヤ52が接するAu層24aと、その下の金属層としてのNi(ニッケル)層24bとを含む。そして、Au層24aの膜厚taは、0.5μm以上かつ0.8μm以下である。   The piezoelectric device 10 includes an element mounting member 20 having a recessed space 11, a crystal resonator element 40 and an IC chip 50 mounted in the recessed space 11, and a lid member 30 that seals the recessed space 11, and is 150 ° C. or higher. And it is used in an environment of 300 ° C. or lower. An IC pad 24 is provided in the recessed space 11, and the IC pad 24 and the IC chip 50 are connected by an Al wire 52. The IC pad 24 includes an Au layer 24a in contact with the Al wire 52 and a Ni (nickel) layer 24b as a metal layer therebelow. The film thickness ta of the Au layer 24a is not less than 0.5 μm and not more than 0.8 μm.

このように、圧電デバイス10は、圧電素子として水晶振動素子40を備えた、表面実装型の水晶発振器である。水晶発振器は、装置の基準クロック信号源となるため、他の電子部品よりも高い信頼性が要求される。   As described above, the piezoelectric device 10 is a surface-mounted crystal oscillator including the crystal resonator element 40 as a piezoelectric element. Since the crystal oscillator serves as a reference clock signal source for the apparatus, higher reliability is required than other electronic components.

Ni層24bの膜厚tbは、例えば1μm〜6μmである。Au層24a及びNi層24bは、例えば無電解メッキ膜である。Au層24a及びNi層24bの成膜方法として、無電解メッキの他に、電解メッキ、スパッタ、蒸着などが挙げられる。Au層24aの成膜方法とNi層24bの成膜方法とは、同じでも異なってもよい。Au層24a及びNi層24bのパターニングには、例えばフォトリソグラフィ及びエッチング、又はメタルマスクなどが用いられる。   The film thickness tb of the Ni layer 24b is, for example, 1 μm to 6 μm. The Au layer 24a and the Ni layer 24b are, for example, electroless plating films. As a method for forming the Au layer 24a and the Ni layer 24b, in addition to electroless plating, electrolytic plating, sputtering, vapor deposition, and the like can be given. The deposition method of the Au layer 24a and the deposition method of the Ni layer 24b may be the same or different. For patterning the Au layer 24a and the Ni layer 24b, for example, photolithography and etching, or a metal mask is used.

素子搭載部材20は、ICチップ50及び水晶振動素子40を搭載する。蓋部材30は、素子搭載部材20上に設けられる。凹部空間11は、素子搭載部材20に形成され、水晶振動素子40及びICチップ50を収容する。   The element mounting member 20 mounts the IC chip 50 and the crystal resonator element 40. The lid member 30 is provided on the element mounting member 20. The recessed space 11 is formed in the element mounting member 20 and accommodates the crystal resonator element 40 and the IC chip 50.

また、素子搭載部材20は、ICチップ50を搭載する第一底面211を有する基板部25と、IC用パッド24を搭載する第二底面212を有するとともに基板部25の周縁上に設けられた第一枠部261と、水晶振動素子40を搭載する第三底面213を有するとともに第一枠部261の周縁上に設けられた第二枠部262と、第二枠部262の周縁上に設けられた第三枠部263とからなる。基板部25と第一枠部261、第二枠部262及び第三枠部263とによって囲まれた空間が、凹部空間11である。   The element mounting member 20 has a substrate portion 25 having a first bottom surface 211 on which the IC chip 50 is mounted and a second bottom surface 212 on which the IC pad 24 is mounted and is provided on the periphery of the substrate portion 25. The first frame portion 261, the third bottom surface 213 on which the crystal resonator element 40 is mounted, the second frame portion 262 provided on the periphery of the first frame portion 261, and the periphery of the second frame portion 262. And a third frame portion 263. A space surrounded by the substrate portion 25, the first frame portion 261, the second frame portion 262, and the third frame portion 263 is the recessed space 11.

次に、圧電デバイス10の構成について更に詳しく説明する。   Next, the configuration of the piezoelectric device 10 will be described in more detail.

圧電デバイス10は、水晶振動素子40及びICチップ50が素子搭載部材20に搭載された状態で、素子搭載部材20と蓋部材30とがシーム溶接やガラス封止によって接合されることにより、水晶振動素子40及びICチップ50が凹部空間11内に気密封止された構造となっている。   In the piezoelectric device 10, the crystal vibration element 40 and the IC chip 50 are mounted on the element mounting member 20, and the element mounting member 20 and the lid member 30 are joined together by seam welding or glass sealing, thereby crystal vibration. The element 40 and the IC chip 50 are hermetically sealed in the recessed space 11.

水晶振動素子40は、表裏関係にある上面41及び下面42を有する水晶片43と、水晶片43の上面41から下面42まで延設された電極44と、を備えている。水晶片43は例えばATカット板からなる。電極44は、互いに絶縁された二つからなり、それぞれ励振電極、引き出し電極、パッド電極などに分けられ、上面41から側面を跨いで下面42まで延びている。なお、水晶振動素子40は、厚みすべり振動素子であるが、これに代えて音叉型屈曲振動素子や輪郭すべり振動素子を用いてもよい。   The crystal resonator element 40 includes a crystal piece 43 having an upper surface 41 and a lower surface 42 that are in a front / back relationship, and an electrode 44 that extends from the upper surface 41 to the lower surface 42 of the crystal piece 43. The crystal piece 43 is made of, for example, an AT cut plate. The electrode 44 consists of two insulated from each other, and is divided into an excitation electrode, a lead electrode, a pad electrode, etc., and extends from the upper surface 41 to the lower surface 42 across the side surface. The quartz crystal vibration element 40 is a thickness shear vibration element, but instead of this, a tuning fork type bending vibration element or a contour slip vibration element may be used.

素子搭載部材20を構成する基板部25、第一枠部261、第二枠部262及び第三枠部263は、例えば複数のグリーンシートが積層及び焼成された積層セラミックス板からなる。第一枠部261は基板部25の周縁上に、第二枠部262は第一枠部261の周縁上に、第三枠部263は第二枠部262の周縁上に、それぞれ環状に設けられている。内部配線(図示せず)は、例えばグリーンシートに印刷された導体パターンやビアホール導体からなる。凹部空間11の第一底面211には、ICチップ50が例えば接着剤などによってダイボンディングされている。第二底面212にはIC用パッド24、第三底面213には素子用パッド23がそれぞれ設けられている。   The substrate portion 25, the first frame portion 261, the second frame portion 262, and the third frame portion 263 constituting the element mounting member 20 are made of, for example, a laminated ceramic plate in which a plurality of green sheets are laminated and fired. The first frame portion 261 is provided on the periphery of the substrate portion 25, the second frame portion 262 is provided on the periphery of the first frame portion 261, and the third frame portion 263 is provided on the periphery of the second frame portion 262, respectively. It has been. The internal wiring (not shown) is made of, for example, a conductor pattern printed on a green sheet or a via hole conductor. The IC chip 50 is die-bonded to the first bottom surface 211 of the recessed space 11 with, for example, an adhesive. An IC pad 24 is provided on the second bottom surface 212, and an element pad 23 is provided on the third bottom surface 213.

素子用パッド23は、水晶振動素子40の電極44に対向する位置に設けられ、導電性接合材27によって電極44に電気的に接続される。導電性接合材27は、例えば銀ペーストなどの導電性接着剤であり、硬化前は流動性を有する。基板部25の四隅の突端面には、それぞれ表面実装用の外部接続端子29が設けられている。外部接続端子29には、例えば、周波数制御端子、接地端子、出力端子、電源電圧端子などがある。なお、素子用パッド23、IC用パッド24及び外部接続端子29は、内部配線(図示せず)によって相互にかつ電気的に接続されている。   The element pad 23 is provided at a position facing the electrode 44 of the crystal resonator element 40 and is electrically connected to the electrode 44 by the conductive bonding material 27. The conductive bonding material 27 is a conductive adhesive such as silver paste, and has fluidity before curing. External connection terminals 29 for surface mounting are provided on the projecting end surfaces of the four corners of the substrate portion 25, respectively. Examples of the external connection terminal 29 include a frequency control terminal, a ground terminal, an output terminal, and a power supply voltage terminal. Note that the element pads 23, the IC pads 24, and the external connection terminals 29 are electrically connected to each other by internal wiring (not shown).

ICチップ50は、水晶振動素子40の発振回路等からなり、接続端子である電極51を有する。電極51は、例えばAl層やAu層からなり、Alワイヤ52を介してIC用パッド24に電気的に接続される。つまり、電極51とIC用パッド24とは、同じ数だけ設けられている。Alワイヤ52は、文字通りAlからなるワイヤであり、両端が電極51及びIC用パッド24にそれぞれ電気的に接続される。その接続方法は、超音波によるワイヤボンディングである。   The IC chip 50 is composed of an oscillation circuit of the crystal resonator element 40 and has an electrode 51 that is a connection terminal. The electrode 51 is made of, for example, an Al layer or an Au layer, and is electrically connected to the IC pad 24 via the Al wire 52. That is, the same number of electrodes 51 and IC pads 24 are provided. The Al wire 52 is literally made of Al, and both ends thereof are electrically connected to the electrode 51 and the IC pad 24, respectively. The connection method is wire bonding using ultrasonic waves.

蓋部材30は、例えばコバール(Kovar)などの金属又はセラミックスなどからなり、矩形形状の平板となっている。また、蓋部材30は、素子搭載部材20に電気溶接又はガラス封止などにより接合され、凹部空間11を気密封止する。   The lid member 30 is made of, for example, a metal such as Kovar or ceramics, and is a rectangular flat plate. The lid member 30 is joined to the element mounting member 20 by electric welding or glass sealing to hermetically seal the recessed space 11.

次に、圧電デバイス10の組み立て方法について説明する。   Next, a method for assembling the piezoelectric device 10 will be described.

まず、凹部空間11の第一底面211にICチップ50をダイボンディングする。続いて、ICチップ50の電極51及び第二底面212のIC用パッド24に、Alワイヤ52をワイヤボンディングする。続いて、第三底面212の素子用パッド23に、水晶振動素子40の電極44を、導電性接合材27を介して載置する。最後に、素子搭載部材20の凹部空間11を、蓋部材30によって封止する。これにより、圧電デバイス10が完成する。   First, the IC chip 50 is die bonded to the first bottom surface 211 of the recessed space 11. Subsequently, an Al wire 52 is wire-bonded to the electrode 51 of the IC chip 50 and the IC pad 24 on the second bottom surface 212. Subsequently, the electrode 44 of the crystal resonator element 40 is placed on the element pad 23 on the third bottom surface 212 via the conductive bonding material 27. Finally, the recessed space 11 of the element mounting member 20 is sealed with the lid member 30. Thereby, the piezoelectric device 10 is completed.

次に、図1乃至図3に基づき、圧電デバイス10の作用及び効果について説明する。   Next, operations and effects of the piezoelectric device 10 will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

本実施形態1によれば、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用する高温用の圧電デバイス10において、Alワイヤ52が接するAu層24aの膜厚taを0.5μm以上かつ0.8μm以下としたことにより、Au層24a表面へ下地のNi層24bが露出すること及びAu層24aにカーケンダルボイドが発生することの両方を抑えられるので、Alワイヤ52の接続強度を向上できる。よって、本実施形態1は、従来の圧電デバイスで使用を想定している環境温度の上限である125℃を更に上回る150℃以上かつ300℃以下の環境、すなわち温泉掘削機や石油掘削ドリル等で圧電デバイスを使用している環境下におけるAlワイヤ52の接続強度の向上に特に有効である。   According to the first embodiment, in the high-temperature piezoelectric device 10 used in an environment of 150 ° C. or more and 300 ° C. or less, the film thickness ta of the Au layer 24a in contact with the Al wire 52 is 0.5 μm or more and 0.8 μm or less. As a result, both the exposure of the underlying Ni layer 24b to the surface of the Au layer 24a and the generation of Kirkendall voids in the Au layer 24a can be suppressed, so that the connection strength of the Al wire 52 can be improved. Therefore, the first embodiment is used in an environment of 150 ° C. or more and 300 ° C. or less, which is higher than the upper limit of the environmental temperature assumed to be used in the conventional piezoelectric device, that is, a hot spring excavator, an oil drilling drill, or the like. This is particularly effective for improving the connection strength of the Al wire 52 in an environment where a piezoelectric device is used.

Au層24aの膜厚taを0.5μm以上とした理由は、Au層24aのピンホールを介してNiがAu層24aの表面へ露出することを抑制できるからである。一方、Au層24aの膜厚taを0.8μm以下とした理由は、Au層24aにカーケンダルボイドが発生することを抑制できるからである。この効果は、Au層24aの膜厚taを0.6μm以上かつ0.7μm以下にすることにより、更に顕著になる。   The reason why the film thickness ta of the Au layer 24a is 0.5 μm or more is that Ni can be prevented from being exposed to the surface of the Au layer 24a through the pinholes of the Au layer 24a. On the other hand, the reason why the film thickness ta of the Au layer 24a is set to 0.8 μm or less is that generation of Kirkendall voids in the Au layer 24a can be suppressed. This effect becomes even more remarkable when the film thickness ta of the Au layer 24a is 0.6 μm or more and 0.7 μm or less.

また、下地金属層としてNi層24bを用いることにより、Au層24aのカーケンダルボイドの発生を更に抑えることができる。Niは、Cuなどに比べて、Auの拡散を遮蔽する効果があるからである(例えば特許文献2の段落0013参照)。つまり、下地金属層を例えばCu層とすると、AuがAlワイヤだけでなくCu層へも拡散することにより、Au層のカーケンダルボイドが発生しやすくなるからである。   In addition, by using the Ni layer 24b as the base metal layer, generation of Kirkendall voids in the Au layer 24a can be further suppressed. This is because Ni has an effect of shielding the diffusion of Au compared to Cu or the like (see, for example, paragraph 0013 of Patent Document 2). That is, if the base metal layer is, for example, a Cu layer, Au diffuses not only into the Al wire but also into the Cu layer, so that a Kirkendall void in the Au layer is likely to occur.

換言すると、圧電デバイス10の作用及び効果は次のとおりである。   In other words, the operation and effect of the piezoelectric device 10 are as follows.

Alワイヤ52とIC用パッド24との拡散層の周囲には、AlとAuの拡散速度が異なっているためカーケンダル効果(Kirkendall's effect)によりボイドが生じる場合がある。この結果、ボイド部分から剥離が生じ、Alワイヤ52とIC用パッド24との接続強度を確保することができず、Alワイヤ52とIC用パッド24との導通がとれなくなるおそれがある。特にAu層24aの膜厚taが厚いと、Auの拡散が加速されボイドが過剰に発生してしまう。   In the periphery of the diffusion layer of the Al wire 52 and the IC pad 24, voids may be generated due to the Kirkendall's effect because the diffusion rates of Al and Au are different. As a result, peeling occurs from the void portion, the connection strength between the Al wire 52 and the IC pad 24 cannot be ensured, and the Al wire 52 and the IC pad 24 may not be electrically connected. In particular, if the film thickness ta of the Au layer 24a is thick, the diffusion of Au is accelerated and voids are excessively generated.

そこで、本実施形態1では、Au層24aの膜厚taを薄くすることにより、拡散層におけるAuの拡散速度を抑え、過剰なボイドが発生することを低減させている。そして、カーケンダル効果によるボイドの発生を低減させることで、ボイド部分からの剥離を低減させ、Alワイヤ52とIC用パッド24との接続強度を確保している。   Therefore, in the first embodiment, by reducing the film thickness ta of the Au layer 24a, the Au diffusion rate in the diffusion layer is suppressed, and the occurrence of excessive voids is reduced. Then, by reducing the generation of voids due to the Kirkendall effect, peeling from the void portion is reduced, and the connection strength between the Al wire 52 and the IC pad 24 is ensured.

ここで、Au層の膜厚を厚くするとなぜカーケンダルボイドが発生しやすくなるのか(逆にAu層の膜厚を薄くするとなぜカーケンダルボイドが発生しにくくなるのか)、その理由は次のように考えられる。   Here, the reason why Kirkendall voids are more likely to occur when the Au layer is thickened (and conversely why Kirkendall voids are less likely to occur when the Au layer is thinned) is as follows. Can be considered.

Au層にカーケンダルボイドが発生する現象も、フィックの第1法則に従っている。フィックの第1法則とは、物質の拡散に関する基本法則であり、「拡散流束(拡散速度)は濃度勾配に比例する」という法則である。一次元方向にのみ拡散する場合を想定すると、フィックの第1法則は次式で与えられる。   The phenomenon of Kirkendall voids in the Au layer also follows Fick's first law. Fick's first law is a basic law concerning the diffusion of a substance, and is a law that "the diffusion flux (diffusion rate) is proportional to the concentration gradient". Assuming the case of diffusion only in one dimension, Fick's first law is given by the following equation.

J=−D(dc/dx) ・・・(1)
Jは拡散流束(拡散速度)、Dは拡散係数、cは濃度、xは位置である。
J = −D (dc / dx) (1)
J is the diffusion flux (diffusion rate), D is the diffusion coefficient, c is the concentration, and x is the position.

Au層とAlワイヤとの境界(x=0)では、時間の経過とともにAu原子がAlワイヤへ拡散していく。ここで、Au層の膜厚が厚いほど、時間が経っても境界(x=0)へAu原子が供給され続けるので、境界(x=0)におけるAu原子の濃度勾配(dc/dx)は大きいまま維持される。その結果、Au層の膜厚が厚いほど、Au原子の拡散速度が低下しにくいので、カーケンダルボイドが発生しやすくなる。   At the boundary (x = 0) between the Au layer and the Al wire, Au atoms diffuse into the Al wire with time. Here, as the film thickness of the Au layer increases, Au atoms continue to be supplied to the boundary (x = 0) over time, so the concentration gradient (dc / dx) of Au atoms at the boundary (x = 0) is It remains large. As a result, the thicker the Au layer is, the more difficult it is to reduce the diffusion rate of Au atoms, so that Kirkendall voids are more likely to occur.

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。   The present invention has been described above with reference to the above embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention. In addition, the present invention includes a combination of some or all of the configurations of the above embodiments as appropriate.

本発明は、水晶やセラミックスからなる圧電素子を備えた圧電デバイスに利用可能であり、特に温泉掘削機や石油掘削ドリル等で使われる水晶発振器に好適である。   The present invention can be used for a piezoelectric device including a piezoelectric element made of crystal or ceramics, and is particularly suitable for a crystal oscillator used in a hot spring excavator, an oil drilling drill, or the like.

10 圧電デバイス(高温用圧電デバイス)
11 凹部空間
20 素子搭載部材
211 第一底面
212 第二底面
213 第三底面
23 素子用パッド
24 IC用パッド
24a Au層
ta Au層の膜厚
24b Ni層
tb Ni層の膜厚
25 基板部
261 第一枠部
262 第二枠部
263 第三枠部
27 導電性接合材
29 外部接続端子
30 蓋部材
40 水晶振動素子(圧電素子)
41 上面
42 下面
43 水晶片
44 電極
50 ICチップ
51 電極
52 Alワイヤ
10 Piezoelectric devices (piezoelectric devices for high temperatures)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Recessed space 20 Element mounting member 211 1st bottom face 212 2nd bottom face 213 3rd bottom face 23 Element pad 24 IC pad 24a Au layer ta Au layer film thickness 24b Ni layer tb Ni layer film thickness 25 Substrate part 261 1st One frame part 262 Second frame part 263 Third frame part 27 Conductive bonding material 29 External connection terminal 30 Lid member 40 Crystal vibration element (piezoelectric element)
41 Upper surface 42 Lower surface 43 Crystal piece 44 Electrode 50 IC chip 51 Electrode 52 Al wire

Claims (3)

凹部空間を有する素子搭載部材と、前記凹部空間内に実装された圧電素子及びICチップと、前記凹部空間を密閉する蓋部材とを備え、150℃以上かつ300℃以下の環境で使用される高温用圧電デバイスにおいて、
前記凹部空間内に設けられたIC用パッドと前記ICチップとがAlワイヤによって接続され、
前記IC用パッドは前記Alワイヤが接するAu層とその下の金属層とを含み、
前記Au層の膜厚が0.5μm以上かつ0.8μm以下である、
ことを特徴とする高温用圧電デバイス。
An element mounting member having a recessed space, a piezoelectric element and an IC chip mounted in the recessed space, and a lid member that seals the recessed space, and is used in an environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Piezoelectric devices for
The IC pad provided in the recess space and the IC chip are connected by an Al wire,
The IC pad includes an Au layer in contact with the Al wire and a metal layer below the Au layer,
The film thickness of the Au layer is 0.5 μm or more and 0.8 μm or less,
A high-temperature piezoelectric device characterized by that.
前記Au層の膜厚が0.6μm以上かつ0.7μm以下である、
請求項1記載の高温用圧電デバイス。
The thickness of the Au layer is 0.6 μm or more and 0.7 μm or less,
The high-temperature piezoelectric device according to claim 1.
前記金属層がNi層である、
請求項1又は2記載の高温用圧電デバイス。
The metal layer is a Ni layer;
The high-temperature piezoelectric device according to claim 1 or 2.
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