JP4274215B2 - 圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法 - Google Patents
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図10は、このような圧電デバイス1を示している(特許文献1、図1参照)。
図において、圧電デバイス1は、セラミック製のパッケージ(ベース)2を有しており、該パッケージ2内に、圧電振動片3が、該圧電振動片3の基部4の部分を、導電性接着剤5を用いてパッケージ内の電極部に接合された状態で収容されている。
しかしながら、現在、パッケージ2を小型化する上で、上記接合代を広くとれなくなってきており、接合代の幅が0.4mm以下、例えば、0.2mm程度になっている。このため、ロウ材が低融点ガラスであると、接合強度が不足し、パッケージの気密性が十分保持できないおそれがある。
さらに、蓋体をガラス以外の材料で形成した場合においても、蓋封止後にパッケージ内に収容された圧電振動片3の周波数を調整することができれば、小型で周波数精度の高い圧電デバイスを得ることができて好ましい。
また、パッケージを封止する蓋体には、透明な窓部を備えているので、該窓部を透過させて内部にレーザー光などの加熱用ビームを導けば、圧電振動片に形成した周波数調整用の金属膜を部分的に蒸散させることができるので、質量削減方式による周波数調整をすることができる。
かくして、本発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができ、高精度に周波数を合わせることができる圧電デバイスを提供することができる。
第2の発明の構成によれば、前記一方の端部からシーム溶接を開始することによって、溶接中に、蓋体を構成する金属からガラス部分が剥離もしくは分離することがなく、透明な窓部を備える金属蓋体をパッケージに適切にシーム溶接することを実現できる。
第3の発明の構成によれば、コバールガラスは、コバール製の金属蓋と相性がよく、蓋体に形成した貫通孔に好適に接合させることができる。
第4の発明の構成によれば、孔封止用の貫通孔を備えているから、蓋封止後に該貫通孔からガス出しをすることによって、パッケージ内の真空度を向上させることができる。しかも、孔封止において前記貫通孔に充填される金属が金−ゲルマニウム合金であると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
第5の発明の構成によれば、パッケージ内に収容される圧電振動片は、その振動腕の外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アームを有しており、該支持用アームにて、パッケージに対して支持するために、接合固定できるようにされている。
このため、圧電振動片の屈曲振動に関与する各振動腕は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージと蓋体との接合部(パッケージの外周に沿った領域)よりも距離が離れる。このことによって、パッケージの接合面と蓋体とをシーム溶接する際に、溶融した金属の飛沫が、前記屈曲振動に関与する振動腕に付着して、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
かくして、第6の発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができ、高精度に周波数を合わせることができる圧電デバイスの製造方法を提供することができる。
第7の発明の構成によれば、蓋封止後に該貫通孔からガス出しをすることによって、パッケージ内の真空度を向上させることができる。
第8の発明の構成によれば、蓋体の窓部を構成するガラス材料が、シーム溶接による熱にさらされても、当該溶接工程において、前記蓋体の前記窓部に近接した蓋体端部に先ず溶接用の電極である金属ローラを当接させて転動を開始することにより溶接を始め、前記窓部に接近し、さらに、該窓部から次第に離間するように溶接を進めるようにすれば、ガラス材料とその周囲の金属材料が必要以上に加熱されることがないため、蓋体を構成する金属からガラス部分が剥離もしくは分離することがなく、透明な窓部を備える金属蓋体をパッケージに適切にシーム溶接することを実現できる。
図において、圧電デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、収容容器としてのパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。パッケージ57は、例えば、図1ないし図4を参照して理解されるように、一方向にやや長い矩形の箱状のものである。
パッケージ57は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板54,55,56を順次積層した後、焼結して形成されている。第3の基板56は、その内側の材料を除去して所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sを形成するようにされている。この内部空間Sが圧電振動片32を収容するための収容空間である。
また、第2の基板55については、後述する圧電振動片32の振動腕の先端部の下方に相当する領域について、該基板の材料を除去することで、矩形の凹部23を形成している。このため、外部からの衝撃などにより、該振動腕の先端が、図2の矢印に示すように、下方に振れた際に、パッケージ57の内側底面に衝突して損傷することを防止するようにしている。
図2に示すように、この蓋体40には、透明な窓部45が形成されている。
すなわち、好ましくは、一方向に長い蓋体40の一方の端部に寄った箇所(図2では右寄りの箇所)に、貫通孔46を設けて該貫通孔46内に透明材料47を充填することで、透明な窓部45とし、光を透過する領域を形成して、外部からレーザー光LB1をパッケージ内に照射できるようにされている。この場合、該レーザー光LB1で、後述する圧電振動片32の振動腕に形成した周波数調整用の金属膜(錘用金属膜)21の一部を蒸散させると、質量削減方式による周波数調整が可能となる。なお、ガラス材料47は、後述するようにコバールガラス(ホウ珪酸ガラス)を選択することが好ましい。
貫通孔27は、図4に示されているように、例えばパッケージ57の中央部付近であって、所定の強度を持たせるためには凹部23から離れた箇所に設けることが好ましい。
この貫通孔27は、図2に示されているように、外部とパッケージ57の内部とを連通する孔であって、第1の孔25と、これより縮径された第2の孔26を重ねて設けることで、外向きの段部29を備えている。孔封止用の貫通孔は必ずしもこのような2重孔の構造を備える必要はなく、例えば外に向かって徐々に拡径するテーパ状の貫通孔でもよい。しかしながら、この実施形態のように、段部29を有する孔とすることで、後述するような利点がある。
そして、封止孔である貫通孔27には、例えば、Au−Ge等の金属封止材28を充填して、気密に封止されている。
この電極部31,31は、パッケージの幅方向の両端部において、それぞれ長さ方法に沿って長く延びている。この電極部31,31は、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成することができ、それぞれパッケージの外部に引き出されるか、図示しない導電スルーホールを設けることで、パッケージ57の底面に形成した実装端子41,41とそれぞれ接続されている。
なお、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
あるいは、導電性接着剤を使用しない場合には、金バンプなどの金属バンプを利用して接合するようにしてもよい。
また、パッケージ57の接合面には、例えば、金属ロウ材としてのシームリング58がプリフォームされている。このシームリング58の幅は、0.2mm〜0.15mm程度である。なお、シームリング58は蓋体40側にプリフォームされていてもよい。
すなわち、圧電振動片32は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片32は、図1に示すように、基部51と、この基部51の一端(図において右端)から、右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕35,36を備えている。
各振動腕35,36の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、この長溝内に駆動用の電極である励振電極37,38が設けられている。
尚、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、後述するように、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
そして、長溝33,34内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。
この実施形態では、下地金属層として、クロム(Cr)層を成膜し、電極層として金(Au)層を成膜して、後述する製造工程において、フォトリソグラフィなどの手法により図1に示すような形状の電極に形成されている。
この場合、下地層と電極層(図示せず)の各成膜は、スパッタリングや蒸着により行われるが、水晶ウエハなどから多数の圧電振動片を形成するためのバッジ工程では、蒸着により成膜するのが好ましい。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
なお、強度が許す場合には、基部51の例えば中心付近に図示しない貫通孔を形成し、該貫通孔周縁近傍に応力を集中させるようにすることで、振動漏れが、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI(クリスタルインピーダンス)値を低く抑えることができる。
ひとつの支持用アームについて、1点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片32の全長aの25%以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、2点の接合箇所(両方の支持用アームを合わせると4箇所)を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片32の全長の25%以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。
次に、圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明する。
図6は、本実施形態の圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明するための簡単なフローチャートである。
(前工程)
圧電デバイス30の圧電振動片32と、パッケージ57と、蓋体40は、前工程としてそれぞれ別々に製造される。
蓋体40は、既に説明したように、導通性の金属により形成される。本実施形態では、例えば、コバールの板体を所定の大きさに加工し、ニッケルメッキすることにより得られる。
図2に示すように、蓋体40とパッケージ57の接合に際して、該段部48がパッケージ57の上端の内周面に当接されることにより、容易に位置決めされるようになっている。
蓋体40の長さ方向(図5では左右の方向)に関して、一端寄りの位置、すなわち、図5では右よりの位置に貫通孔46を形成し、該貫通孔46に透明材料47を接合することで、窓部45を形成する。
好ましくは窓部45は長さ方向の中央部を完全に外れた位置に設ける。窓部45を形成する位置は、図2に示すように、パッケージ57を蓋体40で封止した状態において、圧電振動片32の振動腕先端の周波数調整用金属膜21の直上の位置とすることが好ましい。
ここで、本実施形態では、蓋体40は、その大きさが、例えば、長さL2が1.9mm、幅D2が1.05mmとなっている。この蓋体40の外形(外寸)は、パッケージ57の外形(外寸)より小さい。また、例えば、窓部45の直径φは0.5mm、蓋体40の長辺外縁から窓部45外周までの距離D3が0.275mm、蓋体40の短辺外縁から窓部45外周までの距離L3がは0.28mmとされている。
貫通孔46に接合する透明材料47はガラスが好ましく、特に、蓋体40が鉄とコバルトの合金であるコバールもしくは鉄とコバルトおよび他の金属の3元合金であるコバール系合金である場合には、該透明材料47はホウ珪酸ガラスであるコバールガラスとすることが特に好ましい。
なお、貫通孔46は蓋体40の厚み方向に沿って、下方へ徐々に縮径するテーパ状の孔としてもよい。これにより、該貫通孔46の内径に沿ったバルク状の透明材料を配置することにより、形成が一層容易となる。
また、例えば、上記焼結前に導電ペーストにより、図3で説明した電極部31,31や図4の貫通孔27の段部29,あるいは実装端子41,41の領域に、銀ペーストなどの導電ペーストを適用し、焼結後、メッキによりこれら電極部等の金属膜を形成することができる。
また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに数度の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られる。
そして、この水晶ウエハに必要な耐蝕膜(図示せず)を設けて、マスクとし、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の長溝33,34の部分をハーフエッチングで形成する。
次に、駆動電極としての励振電極を形成する。
すなわち、水晶ウエハの表裏両面に電極となる金属膜を成膜する。この金属膜は、例えば、クロムを下地として金を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。
その後フォトリソグラフィの手法により、図1で説明したような各電極を形成する。
なお、好ましくは、圧電振動片32の各振動腕35,36の先端部には、周波数調整用の錘としての(周波数調整用)金属膜21,21を上記励振電極の形成時に、該励振電極と同じ構造で形成することができる。
以上の前工程を実行した後で、完成した圧電振動片32の接合を行う(ST1)。
具体的には、図3の各電極部31,31上に導電性接着剤43,43,43,43を塗布する。これらの上に図1に示すように、対応する支持用アーム61,62を載置し、かるく荷重をかける。
この状態で、ベルト炉などで加熱して導電性接着剤を硬化することにより(ST2)、圧電振動片32が接合される。
続いて、純水により洗浄し(ST3)、その後、加熱炉などを通して全体を加熱することにより、水分を蒸発させ、導電性接着剤から溶剤を十分に揮発させる(ST4)。
さらに、蓋体40が接合されない状態において、図2に示すように、上方からレーザー光を照射し圧電振動片32の各振動腕35,36の周波数調整用金属膜21,21の一部を蒸散させることにより、質量削減方式による周波数調整(粗調)を行う(ST5)。
次にパッケージ57に蓋体40を接合する(ST6)。
図7および図8は、蓋封止工程を説明する図であり、パッケージ57内の圧電振動片の図示は省略されている。図7は図1のA−A線に沿った断面で封止工程を示し、図8は図1のB−B線に沿った断面で封止工程を示すものである。
これらの図に示すように、パッケージ57の上に蓋体40が載置される。この時、蓋体40の段部48がパッケージ57の上端の内周面に当接されることにより、容易に位置決めされる。
パッケージ57と蓋体40の間には、金属ロウ材であるシームリング58が介在されている。
これにより、蓋体40とパッケージ57の境界はむらなく溶接されるので、極めて高い気密シール性を得ることができる。
そこで、図8に示すように、金属ローラ22を、蓋体40の窓部45に近接した蓋体端部に当接させて、該金属ローラ22の転動を開始することにより溶接を始め、窓部45に接近させ、さらに、該窓部45から次第に離間するように矢印方向に沿って、溶接を進める。
これにより、透明材料47であるガラス材料の周辺でこれを包囲するコバールが必要以上に加熱されることがなく、膨張後、急速な収縮によりガラスとの界面が剥離するといった不都合が有効に防止される。
図9は、実施形態の蓋封止工程におけるシミュレーションの結果である。
金属ローラ22に挟まれた蓋体40の中央部の位置の温度を縦軸とし、時間を横軸としている。
なお、溶接条件としては、例えば、メインヒートコントロールが120A、電源周波数は1kHz、金属ローラ22がパッケージ57の短手方向を挟んで、長手方向に沿って速度3mm/secで進行させた。
また、この場合、パッケージ57のサイズは、長手方向が2.0mm、短手方向が1.2mmのパッケージとした。
すなわち、本発明者等の実験によれば、例えば、金属ローラ22を上記と逆の他端部にはじめに当接させ、溶接を開始すると、窓部45の周辺の温度は、摂氏160度程度まで上昇してしまうが、上記方法によれば、溶接の際の窓部45の周辺の温度上昇は、摂氏90度程度に抑制することができることがわかる。
しかしながら、パッケージ57内に収容される本実施形態の圧電振動片32は、図1で説明したように。振動腕35,36の両外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アーム61,62を有しており、該支持用アーム61,62によって、パッケージ57と接合させている。
このため、圧電振動片32の各振動腕35,36は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージ57と蓋体40との接合部(パッケージの外周に沿った領域であり、図3のシームリング58の部分)よりも距離が離れている。このことによって、シーム溶接の際に、溶融した金属の飛沫が、圧電振動片32の振動腕35,36に付着して、振動性能に悪影響を与えるおそれがないものである。
続いて、孔封止工程(ST7)に移る。
孔封止に先行して、好ましくは、加熱工程を設ける。
すなわち、パッケージ57を真空・加熱チャンバーなどに収容し、所定の温度プロファイルで加熱する。
これにより、パッケージ57内面の水分や、導電性接着剤43の溶剤成分などが十分に気化する。この過程により生成したガスは、貫通孔27を介して外部に排出されることで、十分なガス出し、ないしは脱ガスがされ、パッケージ57内は1×10−2Pa程度の高い真空度とされる。
金属球28aとしては、例えば、金−ゲルマニウム(Au−Ge)、金錫(Au−Sn)などが優れている。すなわち、鉛を含まない合金であるから、廃棄しても有害な鉛が生成されないし、通常のリフロー工程でも溶融することがない。
特に、金−ゲルマニウム(Au−Ge)系合金を用いると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
この状態で、図7、図8で示すように、金属球28aに対して、孔封止用のレーザー光LB2を照射する。これにより、金属球28aは瞬時に溶融して貫通孔27に充填され、該貫通孔27を気密に封止する。
続いて、必要な検査を行い、圧電デバイス30が完成する(ST9)。
さらに、また、パッケージを蓋体40により封止した後において、窓部45を利用して高精度に周波数を合わせることができるものである。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、水晶フィルタ、SAWデバイス、ジャイロ、角速度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
Claims (2)
- パッケージ内に圧電振動片を接合して、金属製の蓋体により封止するようにした圧電デバイスの製造方法であって、
前記パッケージ内部に前記圧電振動片を接合するマウント工程と、
前記パッケージを前記蓋体で気密に封止する蓋封止工程と、
前記蓋体に設けたガラス製の窓部を介して、外部からレーザー光を照射し、前記圧電振動片に形成した周波数調整用金属膜の一部を蒸散させる周波数調整工程と
を含んでおり、
前記蓋封止工程においては、前記パッケージの接合面に形成した金属部と前記蓋体との間にロウ材を配置して、前記蓋体側から電流を印加してシーム溶接により該金属ロウ材を溶融することにより接合し、
前記蓋封止工程においては、シーム溶接用の電極である金属ローラを、前記蓋体の前記窓部に近接した蓋体端部に当接させて転動を開始することにより溶接を始め、前記窓部に接近し、さらに、該窓部から次第に離間するように溶接を進める
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 - 前記蓋体による封止後に、前記パッケージの底部に設けた封止孔である貫通孔を利用して、加熱下で該封止孔から脱ガスし、かつ該封止孔に金属材料を溶融充填する孔封止工程を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイスの製造方法。
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