(57)【要約】【課題】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。【解決手段】圧電デバイスは、凹部空間を有する素子搭載部材２０と、凹部空間内に実装された水晶振動素子及びＩＣチップと、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。凹部空間内にＩＣ用パッド２４が設けられ、ＩＣ用パッド２４とＩＣチップとが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。【選択図】図１
2017028486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２３９７９０号公報
【特許文献２】特開２００３−０５９９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
まず、圧電デバイス１０の構成を概略的に説明する。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、圧電デバイス１０の組み立て方法について説明する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
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
【図１】
2017028486.tif 000003
【図２】
2017028486.tif 000004
【図３】
2017028486.tif 000005