JP2006279872A - 圧電振動子及びその製造方法並びにその圧電振動子を用いた圧電発振器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 組み立て工程を簡略化して生産性を向上させることができる圧電振動子を提供することにある。
【解決手段】 本発明の圧電振動子は、支持基板の上面とカバー部材とを、封止部材で両者間に封止空間を形成するように接合し、前記封止空間内に圧電振動素子を収容してなる圧電振動子において、前記支持基板をシリコン基板によって形成するとともに、前記シリコン基板には、貫通配線が設けられ、シリコン基板の外周領域には、封止する為の導体パターンが形成されていることを特徴とするものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる圧電振動子に関するものである。

従来より圧電素板の両主面に電極を形成した圧電振動素子をパッケージ内部に搭載した、例えば、圧電振動子や、圧電振動子と発振回路とを同一のパッケージ内に搭載した圧電発振器、あるいは、特定の周波数帯を分離する圧電フィルタ等の圧電デバイスが、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に多用されている。そして近年、上面実装に対応した形状の圧電デバイスが開発され、電子機器の小型化に伴って、これらの圧電デバイスも小型化が進められている。

かかる従来の圧電デバイスの一例としては、圧電材として水晶を使用した水晶振動子を示す。容器体２１の凹部空間内底面には、一対の素子接続用電極パッドが設けられている。この素子接続用電極パッド上には、導電性接着材を介して電気的に接続される一対の励振電極を表裏主面に有した水晶振動素子２２が搭載されており、この水晶振動素子２２を囲繞する容器体２１の側壁頂部にはシールリング２３が取着されている。
このシールリング２３の上に金属製の蓋体２４を被せ、シーム溶接等でシールリング２３と蓋体２４とを接合することにより、水晶振動素子２２の搭載空間（凹部空間）を気密封止した水晶振動子である。（例えば、下記特許文献１を参照。）

かかる水晶振動子は、容器体２１の下面に設けられる入出力端子並びにグランド端子等の外部端子２５を介して水晶振動素子２２の励振電極間に外部からの変動電圧が印加されると、水晶振動素子２２の特性に応じた所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっており、その共振周波数に基づいて外部の発振回路で所定周波数の基準信号が発振・出力される。このような基準信号は携帯用通信機器等の電子機器におけるクロック信号として利用されることとなる。

前述のような水晶振動子等を含む圧電デバイスについては、以下のような文献が開示されている。
特開２００１−２７４６４９号公報 特開２００４−２３６１８３号公報

尚、出願人は、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに到らなかった。

しかしながら、上述した従来の水晶振動子においては、その組み立てに先立って、大型の母基板を分割することにより容器体２１を得ておく必要があり、前記容器体２１をそれぞれ別個の分割工程で得るようにしていたことから、水晶振動子の組み立て工程が煩雑なものとなり、生産性の向上に供しないという欠点を有していた。

また上述したように、容器体２１と蓋体２４とを事前に準備してから水晶振動子を組み立てる場合、複数個の容器体２１を個々にキャリアに保持させるための作業が必要となり、これによっても水晶振動子の組み立て工程が煩雑なものとなる欠点を有していた。

また更に、上述したように前記母基板にそれぞれに基板領域を設けるとともに、前記基板領域に前記水晶振動素子を搭載するが、搭載パッドの位置精度が低い為、前記圧電振動素子を搭載する際には、それぞれの基板領域の搭載パッドを認識する必要があるので、生産性が低下してしまうという欠点があった。

更にまた、上述したように前記母基板は、ダイシング法を用いて分割するがセラミック基板にて構成されているので、切断するのが非常に困難であるという欠点があった。

本発明は上述の欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、組み立て工程を簡略化して生産性を向上させることができる圧電振動子を提供することにある。

本発明の圧電振動子は、支持基板の上面とカバー部材とを、封止部材で両者間に封止空間を形成するように接合し、前記封止空間内に圧電振動素子を収容してなる圧電振動子において、前記支持基板をシリコン基板によって形成するとともに、前記シリコン基板には、貫通配線が設けられ、シリコン基板の外周領域には、封止する為の導体パターンが形成されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電振動子は、前記カバー部材に凹部が形成されていることを特徴とするものである。

更に本発明の圧電振動子は、前記封止部材がロウ材から成ることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電振動子は、前記封止部材と前記圧電振動素子を接続する為の導電性接着材及び貫通配線の充填導体とが同一の金属材料から成ることを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧電振動子は、前記封止部材が金属材料により形成されるとともに、該封止部材を支持基板下面のグランド端子に電気的に接続したことを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電振動子の製造方法は、複数の基板領域を縦横に有してなるシリコン母基板のウエハ上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載する工程と、複数の基板領域を有するシリコン母基板のウエハ上に、カバー部材を前記圧電振動素子を気密封止する封止部材を介して接合することで集合圧電振動子を形成する工程と、前記集合圧電振動子を切断して複数の圧電振動子を得る工程と、を含むものである。

更にまた本発明の圧電発振器の製造方法は、複数の基板領域を縦横に有してなる第１のシリコン母基板のウエハ上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載する工程と、複数の基板領域を有する第１のシリコン母基板のウエハ上に、カバー部材を前記圧電振動素子を気密封止する封止部材を介して接合することで集合圧電振動子を形成する工程と、複数の基板領域を縦横に有してなる第２のシリコン母基板のウエハ上では、発振用ＩＣ及び、前記第１のシリコン母基板と接続する為のスペーサ部材を搭載する工程と、前記第１のシリコン母基板と前記第２のシリコン母基板とを導電性接合材にて接合し、集合圧電発振器を形成し、前記集合圧電発振器を切断して複数の圧電発振器を得る工程と、を含むものである。

本発明の圧電振動子によれば、前記支持基板をシリコン基板によって形成するとともに、前記シリコン基板には、貫通配線が設けられ、シリコン基板の外周領域には、封止する為の導体パターンが形成されていることによって、気密封止がよく、低背化することが可能となる。

更に本発明の圧電振動子によれば、前記封止部材がロウ材から成ることによって、支持基板とカバー部材との接合強度を高くすることができ、支持基板及びカバー部材間の熱応力に起因した封止部や接続部の破損等が有効に防止されるようになり、圧電発振器の生産性、信頼性を向上させることが可能となる。

また更に本発明の圧電振動子によれば、前記封止部材と前記圧電振動素子を接続する為の導電性接着材及び貫通配線の充填導体とが同一の金属材料から成ることによって、充填導体が析出した場合でも、封止部材と同一の金属の為に、封止接合する際に影響が少なく、接続強度を維持することが可能となる。

更にまた本発明の圧電振動子の製造方法によれば、前記封止部材が金属材料により形成されるとともに、該封止部材を支持基板下面のグランド端子に電気的に接続することによって、圧電デバイスの使用時、圧電振動素子が収容されている封止空間がグランド電位に保持された封止部材で取り囲まれた形となることから、封止空間内に侵入しようとする外部からのノイズの一部を前記封止部材でもって遮蔽し、封止空間内の圧電振動素子をより安定して動作させることができるようになる。なお、封止部材は、支持基板を構成する複数の絶縁層の層間に形成された配線パターンやシリコン基板を貫くように形成された貫通配線などを介して、グランド端子に電気的に接続されておけば良い。

また更に本発明の圧電振動子の製造方法によれば、複数の基板領域を縦横に有してなるシリコン母基板を上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載することによって、気密封止することができるとともに、従来のセラミックパッケージと比較すると、搭載パッドの位置精度が向上することによって、前記圧電振動素子を搭載する際に、前記圧電振動素子を搭載する際には、それぞれの基板領域の搭載パッドを認識する必要がなく、前記圧電振動素子を複数個同時に、搭載することができるので、生産性を向上することが可能となる。

また、母基板がシリコンにより形成されているので、非常にダイシングしやすいので、生産性を向上させることが可能となる。

前記第１のシリコン母基板と前記第２のシリコン母基板とを導電性接合材にて接合し、集合圧電発振器を形成し、前記集合圧電発振器を切断することによって、一括的に圧電発振器を形成することができる為、生産性を向上させることが可能となる。

加えてシリコン母基板を用いることにより、配線パターンの寸法精度が高いので、シート状のマスターカバー部材を使用しても各基板領域の封止用導体のずれ量が少ないので、マスターカバー部材の封止部材と前記封止用導体とがずれて接合することがないので、安定して封止することができる。
また、２枚の母基板を重ねあわせて発振器などを構成しても、母基板の搭載パッドや外部端子電極等の配線パターンのずれ量が少ない為、母基板間での接続が安定して行える。
更に母基板が発振用ＩＣと同様の材質の為、ダイシングがしやすくなるので、ダイサーの磨耗度を抑えることができ、生産性を向上させることが可能となる。例えば母基板上にマトリックス状に複数個の容器を形成した場合のダイシング処理が容易になりやすい。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る圧電振動子を上面実装型の水晶振動子に適用した例を示す分解斜視図、図２は図１の水晶発振器の断面図である。
これらの図に示す水晶振動子は、大略的に、支持基板１と、カバー部材２と、圧電振動素子としての水晶振動素子３とで構成されている。

支持基板１は、例えば、シリコン４、絶縁層５、貫通配線６並びに配線パターンから形成されている。シリコン（Ｓｉ）４の上面に絶縁層（ＳｉＯ_２）５が形成されているシリコン基板に貫通配線６を設け、上面と下面を導通接続させている。前記貫通配線６は、貫通孔に金錫（Ａｕ−Ｓｎ）等の導体ペーストを充填することによって形成することができる。また、前記シリコン基板の上面及び下面には、配線パターンが設けられている。支持基板１の上面には、封止用導体７と前記水晶振動素子３を搭載する為の搭載パッド９が設けられている。また、支持基板１の下面には複数個の外部端子電極８が設けられている。本実施形態においては支持基板１の下面四隅に配される４個の外部端子電極８が設けられており、それぞれ電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子として機能する。これらの外部端子電極８は、水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることとなる。

また、水晶振動素子３は、支持基板１の上面側に設けられる搭載パッド９に水晶振動素子３の対応する励振電極が導電性接着剤１０を介して電気的に接続されている。
前記水晶振動素子３は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の励振電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。

カバー部材２には、凹部が形成されており、前記カバー部材２と支持基板１との間で封止空間１１が形成されている。前記カバー部材２と支持基板１は、封止部材１２によって、支持基板１の封止用導体７と前記カバー部材２が接合されることによって、気密封止されている。
前記カバー部材２の側壁が支持基板１の封止用導体７に沿って外側に折り曲げられており、該折り曲げ部にわたってカバー部材２と支持基板１とがロウ付けされているので、カバー部材２と支持基板１との接合部の面積が増加し、カバー部材２と支持基板１との接合強度が向上すると共に、気密性も向上する。

また前記封止部材１２としては、例えば、ＡｕやＡｕ−Ｓｎ合金、半田等の金属から成るロウ材が好適に用いられ、封止部材１２は支持基板１の配線導体等を介して支持基板下面のグランド端子と電気的に接続されている。このように封止部材１２をグランド端子と電気的に接続させておけば、圧電デバイスの使用時、水晶振動素子３が収容されている封止空間１１がグランド電位ＧＮＤに保持された封止部材１２で取り囲まれた形となることから、封止空間１１内に侵入しようとする外部からのノイズの一部を封止部材１２でもって遮蔽し、封止空間１１内の水晶振動素子３をより安定して動作させることができる。

上述のような圧電振動子は、まず水晶振動素子３を支持基板１に搭載し、次にカバー部材２を水晶振動素子３が支持基板１の封止空間１１に配置されるようにして支持基板１上に封止部材１２を介して載置させ、しかる後、これをＮ_２ガスやＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中または所定の真空度に保たれた真空中で熱処理し、封止部材１２を支持基板１の上面に接合することにより組み立てられる。

ここで封止部材１２をロウ材により形成しておけば、支持基板１ととの接合強度が高くなることから、支持基板１及びカバー部材２の熱応力に起因した封止部や接続部の破損等が有効に防止されるようになり、圧電デバイスの生産性、信頼性を向上させることができる。

なお、上述した組み立て工程において支持基板１に対するカバー部材２の接合を不活性ガス雰囲気中で行うのは水晶振動素子３が収容される封止空間１１内に不活性ガスを充填しておくことで水晶振動素子３等の電気的特性を安定させるためである。また、カバー部材２の接合を真空中で行う場合、水晶振動素子３の電気的特性を安定させることができるとともに、水晶振動素子３のクリスタルインピーダンスを低く抑えることができる。

また導電性接着剤１０や封止部材１２として半田を用いる場合には、フラックス等の汚染物質を用いることなく酸化膜を良好に除去するために、従来周知の水素還元方式を採用することが好ましい。

次に、上述した水晶振動子（圧電デバイス）の製造方法について図３を用いて説明する。
（工程）
複数の基板領域を縦横に有してなるシリコン母基板１３のウエハ上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載する。
シリコン母基板１３は、単結晶シリコンのインゴットを所定厚みにスライスしてシリコンウエハを形成し、前記シリコンウエハの上面及び下面に絶縁層（ＳｉＯ_２）を被覆することで形成する。前記シリコン母基板１３の各基板領域には、貫通配線６が設けられ、前記基板領域の上面及び下面とを導通接続する。前記貫通配線６は、貫通孔に金錫（Ａｕ−Ｓｎ）等の導体ペーストを充填することによって形成することができる。また、前記基板領域の上面及び下面には、配線パターンが設けられている。基板領域の上面には、封止用導体７と前記水晶振動素子３を搭載する為の搭載パッド９が設けられている。また、基板領域の下面には複数個の外部端子電極８が設けられている。
そして、図３（ａ）に示すように、複数の基板領域を有するシリコン母基板１３上に、水晶振動素子３が搭載される。
ここで、水晶振動素子３は、一対の励振電極を各基板領域の上面に設けた対応する搭載パッド９に導電性接着材１０を介して電気的に接続させることにより実装される。

（工程）
次に、図３（ｂ）に示す如く、前記シリコン母基板１３の基板領域と１対１に対応するカバー部材２を、前記基板領域に搭載されている水晶振動素子３が封止されるようにして前記シリコン母基板上に載置する。
前記基板領域には、封止用導体７に前記カバー部材２を載置し、半導体レーザや超音波等を使用し、仮止を行う。
前記カバー部材２は、例えば、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成る、厚み６０μｍ〜１００μｍの金属板を従来周知の板金加工にて所定形状に加工することによって製作される。
かかるカバー部材２の下面には、ニッケル（Ｎｉ）層、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層とからなる封止部材１２が形成されている。かかる封止部材１２は前記カバー部材２を支持基板１に対して接合するためのろう材層として機能するものであり、金錫の組成比率は、例えば、金８０％、錫２０％に設定され、その厚みは、例えば、１０μｍ〜３０μｍに設定される。
また、前記カバー部材２の側壁が支持基板１の封止用導体７に沿って外側に折り曲げられており、該折り曲げ部にわたってカバー部材２と支持基板１とがロウ付けされているので、カバー部材２と支持基板１との接合部の面積が増加し、カバー部材２と支持基板１との接合強度が向上すると共に、気密性も向上する。

このようなカバー部材２を、前記カバー部材２の内側に対応する基板領域の水晶振動素子３が配されるようにしてシリコン母基板上に載置させ、しかる後、これを例えば、ハロゲンランプの照射や３００℃〜３５０℃の温度に保たれた加熱炉の中に入れ、前記封止部材１２を高温で加熱・溶融させることによってカバー部材２が第１のシリコン母基板１３に接合される。その後、一体化された第１のシリコン母基板１３とカバー部材２は徐々に室温まで冷却される。
尚、上述した一連の接合工程は、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中若しくは、真空雰囲気中で行うのが好ましく、これによって水晶振動素子３が収納される空間には不活性ガスが充満されるため、水晶振動素子３が酸素や大気中の水分等によって腐食・劣化するのを有効に防止することができる。
（工程）

そして、図３（ｃ）に示すように、得られた集合圧電振動子の第１のシリコン母基板１３を、各基板領域の外周に沿ってダイサーなどで切断することで、複数の圧電振動子を得ることができる。
以上のような製造方法によれば、製造過程において第１のシリコン母基板１３がキャリア部材として機能するため、別途キャリア部材を用意し、該キャリア部材に第１のシリコン母基板１３を分割して得た個々の支持基板を搭載するといった煩雑な作業が一切不要となり、圧電デバイスの生産性を飛躍的に向上させることができる。

次に、上述した水晶発振器（圧電発振器）の製造方法について図５を用いて説明する。
（工程）
図５（ａ）及び（ｂ）に示されているように、上述した水晶振動子（圧電振動子）を作製した後、第２のシリコン母基板１４のウエハ上に、発振用ＩＣ１６及び、前記第１のシリコン母基板１３と接続する為のスペーサ部材１７を搭載する。
前記発振用ＩＣ１６は、単結晶シリコン等から成る基体の下面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子３の温度特性を補償する温度補償データを格納するとともに該温度補償データに基づいて水晶振動素子の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等の電子回路が設けられている。
前記スペーサ部材１７は、その各々が銅等の金属材料を四角柱状に成形した金属ポストによって形成されており、第１のシリコン基板１３に設けられた接続電極と半田付け等によって電気的及び機械的に接続されることとなる。また、スペーサ部材１７は、半田等のバンプでも構わない。

（工程）そして、図５（ｃ）に示すように、得られた集合圧電発振器を、各基板領域の外周に沿ってダイサーなどで切断することで、複数の圧電発振器を得ることができる。
以上のような製造方法によれば、第１のシリコン母基板１３並びに第２のシリコン母基板１４を一括的に接続することができるので、圧電発振器の生産性を飛躍的に向上させることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上述した実施形態においては、個片のカバー部材を使用したが、図４に示すように分割する前のマスターカバー部材１５を使用し、一括的にマスターカバー部材１５と第１のシリコン母基板１３を一括的に分割することによって、さらに生産性を向上することが可能となる。

また、上述した実施形態においては、圧電振動子として、水晶振動子が説明されているが、支持基板１にその他の電子素子を搭載しても、本発明には適用可能である。

また更に上述した実施形態においては、圧電振動素子３として水晶振動素子を用いた水晶振動子を例にとって説明したが、これに代えて、圧電振動素子として弾性上面波（ＳＡＷ）フィルタ等の他の圧電振動素子を用いる場合にも本発明は適用可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電振動子（水晶振動子）を示す分解斜視図である。 図１の圧電振動子（水晶振動子）の断面図である。 本発明に係る圧電振動子（水晶振動子）の製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す圧電振動子（水晶振動子）の製造方法を説明するための斜視図である。 本発明に係る圧電発振器（水晶発振器）の製造方法を説明するための斜視図である。

符号の説明

１・・・・支持基板
２・・・・カバー部材
３・・・・圧電振動素子（水晶振動素子）
４・・・・シリコン
５・・・・絶縁層
６・・・・貫通配線
７・・・・封止用導体
８・・・・外部端子電極
９・・・・搭載パッド
１０・・・導電性接着剤
１１・・・封止空間
１２・・・封止部材
１３・・・第１のシリコン母基板
１４・・・第２のシリコン母基板
１５・・・マスターカバー部材
１６・・・発振用ＩＣ
１７・・・スペーサ部材

Claims (6)

1. 支持基板の上面とカバー部材とを、封止部材で両者間に封止空間を形成するように接合し、前記封止空間内に圧電振動素子を収容してなる圧電振動子において、前記支持基板をシリコン基板によって形成するとともに、前記シリコン基板には、貫通配線が設けられ、前記シリコン基板の外周領域には、封止する為の導体パターンが形成されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記封止部材がロウ材から成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記封止部材と前記圧電振動素子を接続する為の導電性接着材及び貫通配線の充填導体とが同一の金属材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
4. 前記封止部材が金属材料により形成されるとともに、該封止部材を支持基板下面のグランド端子に電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
5. 複数の基板領域を縦横に有してなるシリコン母基板のウエハ上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載する工程と、
   複数の基板領域を有するシリコン母基板のウエハ上に、カバー部材を前記圧電振動素子を気密封止する封止部材を介して接合することで集合圧電振動子を形成する工程と、
   前記集合圧電振動子を切断して複数の圧電振動子を得る工程と、を含む圧電振動子の製造方法。
6. 複数の基板領域を縦横に有してなる第１のシリコン母基板のウエハ上で、各基板領域に圧電振動素子を搭載する工程と、
   複数の基板領域を有する第１のシリコン母基板のウエハ上に、カバー部材を前記圧電振動素子を気密封止する封止部材を介して接合することで集合圧電振動子を形成する工程と、
   複数の基板領域を縦横に有してなる第２のシリコン母基板のウエハ上では、発振用ＩＣ及び、前記第１のシリコン母基板と接続する為のスペーサ部材を搭載する工程と、
   前記第１のシリコン母基板と前記第２のシリコン母基板とを導電性接合材にて接合し、集合圧電発振器を形成し、前記集合圧電発振器を切断して複数の圧電発振器を得る工程と、を含む圧電発振器の製造方法。

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