JP2007013628A - 圧電振動子の製造方法及び圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストを削減し、小型低背化を可能とする。
【解決手段】 基板１０と、この基板１０に実装される圧電素子４０と、この圧電素子４０を封止するための凹部２１が設けられた蓋２０とから構成され、凹部２１を塞ぐように基板１０と蓋２０とが接合される圧電振動子１００であって、表面が平坦に処理された基板１０と、圧電素子４０と接続され、基板１０に設けられる発振器として機能する回路６０と、基板１０に形成される圧電素子を実装する実装パターン３１と実装パターン３１を外部に引き回す引き回しパターン３２と引き回しパターン３２につながる外部実装パターン３３と、基板１０の接合面に形成される金属膜３４と、各実装パターンにＧＧＩ接合によって実装される圧電素子４０と、を備え、ウェハの状態で陽極接合された基板１０と蓋２０とが個片化されてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面実装可能な圧電振動子の製造方法及び圧電振動子に関する。

従来、図７に示すように、表面実装可能な圧電振動子として、枠部２０３Ａと振動部２０３Ｂとが一体で形成される水晶からなる圧電基板２０３を、共にガラスからなる蓋２０１と基板２０２とで挟んで構成された圧電振動子２００が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような圧電振動子２００は、圧電基板２０３の振動特性を低下させないようにするために、蓋２０１と基板２０２とに振動部２０３Ｂが収まる程度の凹部２１０が形成されている。また、圧電基板２０３の枠部２０３Ａの裏面及び表面の両面には金属層２０３Ｃが形成されており、枠部２０３Ａと蓋２０１、及び、枠部２０３Ａと基板２０２とが陽極接合により、凹部２１０を振動部２０３Ｂに向けて接合されている。
また、電極を外部に引き回すために、基板２０２の水晶との接合面にスルーホール２０４を設けている。この場合、水晶側にスルーホール２０４の一方の端部を覆う取付電極２０５が設けられており、水晶と基板２０２とを接合した後に、スルーホール２０４内部にスパッタリングで金属膜２０５を設けて外部電極としている。

この圧電振動子２００の製造方法は、まず、蓋２０１及び基板２０２が、ウェハから個片にダイシングされる。次に、蓋２０１及び基板２０２がウェハから個片にダイシングされた後に、圧電基板２０３に枠部２０３Ａと振動部２０３Ｂとを一体で形成する工程と、この外枠２０３Ａの裏面と表面とに金属層２０３Ｃを形成する工程と、蓋２０１に凹部２１０を形成する工程と、基板２０２に凹部２１０を形成する工程と、基板２０２にスルーホール２０４を形成する工程と、枠部２０３Ａの一方の面と蓋２０１とを陽極接合により凹部２１０を振動部２０３Ｂに向けて接合する工程と、枠部２０３Ａの他方の面と基板２０２とを陽極接合により凹部２１０を振動部２０３Ｂに向けて接合する工程と、を経て圧電振動子２００が製造されている。
なお、一般的に、振動子や発振器の気密封止方法には、ガラスフリット、抵抗溶接、シーム溶接、樹脂封止、熱融着、ＥＢ封止などが知られている。

また、接合のための金属層と引き出し電極の一部を陽極接合、耐熱接着剤、共晶結合で接合させる封止方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３３９０３４８号公報（段落０００５〜００１３、図３） 特許第３６２１４３５号公報

しかしながら、基板及び蓋が個片の状態で圧電振動子の組み立てを行う場合、基板精度、治具精度、設備精度の諸要因により、各部品を個々に扱うために、製造装置が複雑となって製造装置にかかる管理が煩雑になり、又は、新たな設備を導入する必要が出てしまい、コストが増大する原因となる。
また、基板及び蓋が個片の状態で圧電振動子の組み立てを行う場合、設備が各部品を把持又は／及び固定する必要があるため、圧電振動子の小型低背化が困難な状態になっている。
また、水晶からなる圧電素子は、枠部と振動部とが一体で形成されているために、製造にコストがかかるばかりか、高度なエッチング技術を必要とするために製造に手間がかかっていた。
また、圧電振動子を発振器に用いる場合は、別途、ＩＣを購入して当該圧電振動子に実装しなければならないため、製造コストが増大していた。
さらに、水晶をガラスで挟み込んで陽極接合を行うと、水晶とガラスとで膨張係数が異なるため、接合後に応力が残留してしまい、安定した接合状態を得るのが困難であった。

また、特許文献２に係る封止方法を、基板をマトリックス状に配列したウェハで扱おうとすると、個々に調整するために引き出し電極の一部を接合のための金属膜と絶縁する必要がある。しかし、このようにすると、陽極接合ができなくなるという問題がある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、コストを削減し、小型低背化が可能となり、安定した接合状態を得る圧電振動子の製造方法及び圧電振動子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、シリコンからなる基板ウェハと、この基板ウェハに実装される圧電素子と、この圧電素子を封止するための凹部をマトリクス状に設けたガラスからなる蓋ウェハとから構成され、前記基板ウェハの接合面に金属膜が形成されるとともに、前記各凹部内に収まるように当該基板ウェハに発振器として機能する回路、前記圧電素子を実装する実装パターン、この実装パターンを外部に引き回す引き回しパターン、この引き回しパターンにつながる外部実装パターンが形成され、前記凹部を塞ぐように前記基板ウェハと前記蓋ウェハとが接合される圧電振動子の製造方法であって、前記各実装パターンに前記圧電素子を実装する圧電素子実装工程と、前記凹部を塞ぐように前記基板ウェハと前記蓋ウェハとを陽極接合により接合して気密封止するウェハ接合工程と、接合された前記基板ウェハと前記蓋ウェハとを個片化する個片化工程とを備える、ことを特徴とする圧電振動子の製造方法である。

また、本発明は、前記各実装パターンへの前記圧電素子の接合をＧＧＩ接合によりなされても良い。また、本発明は、前記金属膜がＣｒ又はＡgであっても良い。

また、本発明は、基板と、この基板に実装される圧電素子と、この圧電素子を封止するための凹部が設けられた蓋とから構成され、前記凹部を塞ぐように前記基板と前記蓋とが接合される圧電振動子であって、前記圧電素子と接続され、前記凹部内に収まるように前記基板に設けられる発振器として機能する回路と、前記各凹部内に収まるように当該基板ウェハに前記圧電素子を実装する実装パターンと、この実装パターンを外部に引き回す引き回しパターンと、前記引き回しパターンにつながる外部実装パターンと、前記基板ウェハがシリコン又はガラスからなり、前記蓋ウェハが耐熱性の絶縁材料からなる場合に当該蓋ウェハの接合面に形成され、又は、前記蓋ウェハがシリコン又はガラスからなり、前記基板ウェハが耐熱性の絶縁材料からなる場合に前記基板ウェハの接合面に形成される金属膜と、前記各実装パターンに実装される前記圧電素子と、を備えることを特徴とする圧電振動子である。

また、本発明は、前記圧電素子が前記各実装パターンにＧＧＩ接合により実装されても良い。また、本発明は、前記金属膜がＣｒ又はＡgであっても良い。

このような圧電振動子の製造方法によれば、コストを削減し、小型低背化を可能とし、基板ウェハと蓋ウェハとの接合状態を安定させることができる。
また、このような圧電振動子によれば、コストを削減し、小型低背化を可能とし、基板と蓋との接合状態を安定させることができる。

（第一の実施形態）
次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明の圧電振動子には、圧電素子としてブランクタイプの水晶が用いられる場合について説明する。また、金属膜を基板ウェハ（基板）に形成した場合について説明する。また、特に説明する場合を除き、スルーホールは、基板となる部分の対角線上に位置する２つの隅に設けられる。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る圧電振動子がウェハ状に配列された状態の一例を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子を実装した状態の一例を示す断面図である。図３は、蓋ウェハと基板ウェハとを接合する前の状態を示す断面図である。図４（ａ）は、蓋ウェハと基板ウェハとを接合した後の状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は、圧電振動子に個片化した状態を示す断面図である。図５（ａ）は、スルーホールを四隅に設けた場合における発振器として機能する回路の形成状態の一例を示す概念図であり、図５（ｂ）は、発振器として機能する回路の一例を示す回路図である。図６は、本発明の実施形態にかかる圧電振動子の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。
なお、図１〜図４において、圧電振動子の説明を明確にするために、発振器として機能する回路を省略して記載している。

図４に示すように、本発明の圧電振動子１００は、基板１０と、凹部２１を有する蓋２０と、圧電素子４０と、凹部２１内に収まるように基板１０に設けられる圧電素子４０を実装する実装パターン３１と、この実装パターン３１を外部に引き回す引き回しパターン３２と、この引き回しパターン３２につながる外部実装パターン３３と、陽極接合のための金属膜３４と、基板１０に設けられる発振器として機能する回路６０とから構成されている。
なお、本発明の第一の実施形態に係る圧電振動子の製造方法の説明について、各構成要素の説明の中に含めるものとし、重複する説明を省略する。

複数の基板１０は、シリコンからなり、個片化される前においてマトリックス状に配列されており、全体でウェハ（以下、「基板ウェハ」という。）の状態となっている（図１参照）。
また、各基板１０には、後述する発振器として機能する回路６０を設けるための回路用凹部１９が設けられており、この発振器として機能する回路６０と圧電素子４０とを気密封止できるようになっている。
また、複数の蓋２０は、ガラスからなり、個片化される前において凹部２１がマトリックス状に配列されており、全体でウェハ（以下、「蓋ウェハ」という。）の状態となっている（図１参照）。
なお、基板ウェハＫＷのそれぞれの基板１０，１０・・・の配列位置は、蓋ウェハＦＷのそれぞれの蓋２０，２０・・・の配列位置と対応している（図１参照）。

また、基板ウェハＫＷの表面は、平坦に処理されていてもよい。これは、蓋ウェハＦＷと陽極接合するために、基板ウェハＫＷの表面を平坦に処理する。
なお、基板ウェハＫＷへの処理や加工を行う場合、例えば、吸引式の固定ベッドが備えられた加工機（図示せず）を用いることで、基板ウェハＫＷを容易に固定することができる。
また、基板ウェハＫＷ及び後述する蓋ウェハＦＷの表面の平坦処理は、鏡面研磨をして平坦にすることが望ましい。

そして、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１０（基板ウェハＫＷの基板１０となる部分）に発振器として機能する回路（以下、単に「回路」という場合がある。）６０を設ける。
この回路６０は、図５（ｂ）に示すように、例えば、インバータ６１、帰還抵抗Ｒｆ、ドレイン抵抗Ｒｄ、ゲート容量Ｃｇ、ドレイン容量Ｃｄとから構成されている。
接続状態としては、インバータ６１と帰還抵抗Ｒｆとが並列接続され、ドレイン抵抗Ｒｄとインバータ６１の出力側及び、ドレイン抵抗Ｒｄと帰還抵抗Ｒｆが直列接続となるように接続し、インバータ６１と帰還抵抗Ｒｆとが圧電素子４０に接続される。この部分を接続部ＸＴ１とする。また、ドレイン抵抗Ｒｄと圧電素子４０とが接続する部分を接続部ＸＴ２とする。接続部ＸＴ１は、グランドに接地されたゲート容量Ｃｇに接続するとともに実装パターン３１の一方の端子に接続している。また、接続部ＸＴ２は、グランドに接地されたドレイン容量Ｃｄに接続するとともに実装パターン３１の他方の端子と接続している。

なお、これらインバータ６１、帰還抵抗Ｒｆ、ドレイン抵抗Ｒｄ、ゲート容量Ｃｇ、ドレイン容量Ｃｄは、実装される圧電素子４０と接触しない位置となる基板１０に設けても良いし、圧電素子４０が実装される面に対して裏面に設けても良い。
また、この回路６０には、電力供給するための配線を設けることもできる。

また、例えば、図５（ａ）に示すように、スルーホール１１を基板１０の四隅に設けた場合、実装パターン３１の一方の端子に近いスルーホール１１がＧＮＤ、実装パターン３１の他方の端子に近いスルーホール１１がＦｏｕｔ、ＧＮＤと対向するスルーホール１１がＮＣ、Ｆｏｕｔと対向するスルーホール１１がＶｃｃとした場合、ＧＮＤとなるスルーホール１１に近い方の実装パターン３１の端子に回路６０のＸＴ１が接続され、Ｆｏｕｔとなるスルーホール１１に近い方の実装パターン３１の端子に回路６０のＸＴ２が接続されてもよい。

このように、回路６０を構成することにより、当該水晶振動子１００を発振器として機能させることができるようになる。したがって、従来のようにＩＣを別途、購入して圧電振動子に実装する必要がないので、ＩＣを購入するコストや実装するコストが不要になるので、圧電振動子１００の製造コストを削減することができる。

ここで、スルーホール１１は、回路６０を基板に形成する前に設けておく。

また、図１及び図２（ａ）に示すように、基板ウェハＫＷには、蓋ウェハＦＷと陽極接合するための接合面を残して、つまり、設けられた凹部２１内に収まるように基板ウェハＫＷの基板１０となる部分に実装パターン３１を形成し、実装パターン３１を外部に引き回す引き回しパターン３２と外部実装パターン３３とを基板１０となる部分に形成されている。なお、実装パターン３１、引き回しパターン３２、外部実装パターン３３は、通電性の材料により設けられる。
これら実装パターン３１，引き回しパターン３２，外部実装パターン３３は、Ａｕが用いられ、圧電素子４０を実装する実装パターン３１とこの実装パターン３１を外部に引き回す引き回しパターン３２とが接続され、引き回しパターン３２と外部実装パターン３３とが接続された状態となっている。
また、引き回しパターン３２は、実装パターン３１と外部実装パターン３３とを繋ぐために、基板ウェハＫＷの基板１０上の接合面内に設けられるスルーホール１１を介して設けられる。

金属膜３４は、基板ウェハＫＷの前記接合面に形成され、共有結合可能な材質（酸化物）を用いることができる。特にイオン化傾向の強い材質、例えば、Ａｌ，Ｃｒ，Ａg等が望ましい。

図２（ｂ）に示すように、実装パターン３１には、電極４１が形成された圧電素子４０がＧＧＩ接合により実装される（図６参照、Ｓ１）（圧電素子実装工程）。
この圧電素子４０に形成された電極４１は、Ａｕであって、圧電素子４０の表面上に膜状に形成されるとともに、前記実装パターン３１上に実装される部分にバンプＢが形成されている。

このように圧電素子４０が実装された基板ウェハＫＷには、マトリックス状に配列された基板１０に対応してそれぞれ実装パターン３１と引き回しパターン３２と外部実装パターン３３が形成され、各実装パターン３１に圧電素子４０が実装される。したがって、圧電素子４０が基板ウェハＫＷにマトリックス状に配列された状態になる。

この状態において、基板ウェハＫＷ上の各圧電素子４０，４０・・・の周波数調整を行う（図６参照、Ｓ２）。

また、蓋ウェハＦＷには、蓋２０となるそれぞれの部分に、凹部２１がマトリックス状に形成されている。
この凹部２１は、基材ウェハＫＷに実装される後述する圧電素子４０と接触しない程度に蓋ウェハＦＷの蓋２０となる部分に形成される。
なお、蓋ウェハＦＷへの加工や搬送を行う場合、例えば、吸引式の固定アームが備えられた加工機（図示せず）を用いることで、蓋ウェハＦＷを容易に固定することができる。

そして、蓋ウェハＦＷの凹部２１を設けた表面、すなわち、基板ウェハＫＷと接合する表面が平坦に処理されていてもよい。これは、基板ウェハＫＷと陽極接合するために、蓋ウェハＦＷの表面を平坦に処理している。

この状態において、圧電素子４０が蓋ウェハＦＷに形成した凹部２１内に収まるように、基板ウェハＫＷと蓋ウェハＦＷとを重ね合わせて陽極接合を行って（図６参照、Ｓ３）（ウェハ接合工程）気密封止する。
このとき、基板ウェハＫＷの接合面に設けられた金属膜と蓋ウェハＦＷとが接合し、引き回しパターン３２が蓋ウェハＦＷとは接合しない状態となって、基板ウェハＫＷと蓋ウェハＦＷとを接合している。
これにより、基板ウェハＫＷと蓋ウェハＦＷとが接合された状態となり、複数の圧電振動子１００，１００・・・がマトリックス状に配列されたウェハとなる。
なお、陽極接合は、従来から用いられている諸条件をそのまま適用することができる。
一例として、２００℃から４００℃の温度で５００Ｖから１０００Ｖの電圧を印加することにより行う。

このようにマトリックス状に配列された複数の圧電振動子１００，１００・・・、つまり、ウェハの状態で接合されている各基板１０と蓋２０とを、ダイシングやレーザなどを用いて個片化する（図６参照、Ｓ４）（個片化工程）。このように構成すると、一度に複数の圧電振動子１００，１００・・・が得られる。

このように、基板１０がマトリックス状に配列された基板ウェハＫＷと、蓋２０がマトリックス状に配列された蓋ウェハＦＷとを用いたことにより、これら基板ウェハＫＷと蓋ウェハＦＷの固定又は／及び把持が容易に行えるので、実装パターン３１と引き回しパターン３２と外部実装パターン３３の形成及び圧電素子４０の実装を基板ウェハＫＷに容易に行うことができ、また、圧電素子４０が蓋ウェハＦＷの凹部２１内に納まるように基板ウェハＫＷに実装され、さらに、基板ウェハＫＷと蓋ウェハＦＷとが陽極接合されているので、圧電振動子を小型低背化することができる。

また、基板と蓋とが個片の状態で組み立てられる従来の場合と比較して、組み立て搬送のための治具が不要となるため、コストを削減することができる。
また、基板と圧電素子とがＧＧＩ接合されているので接合が容易であり、基板ウェハ又は蓋ウェハの接合面に金属膜を形成することで、金属膜の形成を容易に行うことができ、また、陽極接合を容易に行うことができ、コストを削減することができる。

また、シリコンやガラスといった材料と接合できない耐熱性の絶縁材料との接合が可能となるため、設計の自由度を増すことができ、シリコンやガラスといった材料よりも安価な材料をもちいることができるため、コストを削減することができる。
また、引き回しパターン３２が、見かけ上、蓋２０と接触はしているが接合状態に無いため、蓋２０の変形や熱伝導の影響が、接合している場合に比べて少なくすることができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施形態に係る圧電振動子について説明する。
本発明の第二の実施形態に係る圧電振動子（図示せず）は、金属膜（図示せず）が蓋ウェハに形成される点で第一の実施形態と異なる。
このように第二の実施形態に係る圧電振動子を構成しても、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、圧電素子として水晶の他にセラミック等を用いることもできる。
また、圧電素子の周波数調整を個片化後に行っても良いし、ウェハ接合工程の後であって個片化工程の前に、接合状態が良好か否かの検査を行っても良い。
また、耐熱性の絶縁材料に金属膜を成膜する際に、耐熱性の絶縁材料と金属膜との間にバインダ材を設けても良い。このようにすることにより、耐熱性の絶縁材料と金属膜との結合を強固にすることができる。

本発明の第一の実施形態にかかる圧電振動子がウェハ状に配列された状態の一例を示す分解斜視図である。 （ａ）は図１におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は圧電素子を実装した状態の一例を示す断面図である。 蓋ウェハと基板ウェハとを接合する前の状態を示す断面図である。 （ａ）は蓋ウェハと基板ウェハとを接合した後の状態を示す断面図であり、（ｂ）は圧電振動子に個片化した状態を示す断面図である。 （ａ）はスルーホールを四隅に設けた場合における発振器として機能する回路の形成状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は、発振器として機能する回路の一例を示す回路図である。 本発明の実施形態にかかる圧電振動子の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 従来の圧電振動子を示す断面図である。

符号の説明

１００ 圧電振動子
１０ 基板
２０ 蓋
２１ 凹部
３１ 実装パターン
３２ 引き回しパターン
３３ 外部実装パターン
３４ 金属膜
４０ 圧電素子
４１ 電極
６０ 回路（発振器として機能する回路）
ＫＷ 基板ウェハ
ＦＷ 蓋ウェハ
Ｂ バンプ

Claims (6)

1. シリコンからなる基板ウェハと、この基板ウェハに実装される圧電素子と、この圧電素子を封止するための凹部をマトリクス状に設けたガラスからなる蓋ウェハとから構成され、前記基板ウェハの接合面に金属膜が形成されるとともに、前記各凹部内に収まるように当該基板ウェハに発振器として機能する回路、前記圧電素子を実装する実装パターン、この実装パターンを外部に引き回す引き回しパターン、この引き回しパターンにつながる外部実装パターンが形成され、前記凹部を塞ぐように前記基板ウェハと前記蓋ウェハとが接合される圧電振動子の製造方法であって、
   前記各実装パターンに前記圧電素子を実装する圧電素子実装工程と、
   前記凹部を塞ぐように前記基板ウェハと前記蓋ウェハとを陽極接合により接合して気密封止するウェハ接合工程と、
   接合された前記基板ウェハと前記蓋ウェハとを個片化する個片化工程とを備える、
   ことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
2. 前記各実装パターンへの前記圧電素子の接合がＧＧＩ接合によりなされることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子の製造方法。
3. 前記金属膜が、Ｃｒ又はＡgからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電振動子の製造方法。
4. 基板と、この基板に実装される圧電素子と、この圧電素子を封止するための凹部が設けられた蓋とから構成され、前記凹部を塞ぐように前記基板と前記蓋とが接合される圧電振動子であって、
   前記圧電素子と接続され、前記凹部内に収まるように前記基板に設けられる発振器として機能する回路と、
   前記各凹部内に収まるように当該基板ウェハに前記圧電素子を実装する実装パターンと、この実装パターンを外部に引き回す引き回しパターンと、前記引き回しパターンにつながる外部実装パターンと、
   前記基板ウェハがシリコン又はガラスからなり、前記蓋ウェハが耐熱性の絶縁材料からなる場合に当該蓋ウェハの接合面に形成され、又は、前記蓋ウェハがシリコン又はガラスからなり、前記基板ウェハが耐熱性の絶縁材料からなる場合に前記基板ウェハの接合面に形成される金属膜と、
   前記各実装パターンに実装される前記圧電素子と、
   を備えることを特徴とする圧電振動子。
5. 前記圧電素子が前記各実装パターンにＧＧＩ接合により実装されてなることを特徴とする請求項４に記載の圧電振動子。
6. 前記金属膜がＣｒ又はＡgからなることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の圧電振動子。

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