JP5369887B2 - 電子部品用パッケージ、圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、圧電振動片が形成された振動片基板を、リッド基板およびベース基板により上下方向から挟むようにして直接接合した後に、真空チャンバー内で、リッド基板またはベース基板のいずれか一方に形成された封止孔(貫通孔)に、例えば金属などの熱溶解する球状の封止材を落とし込み、その封止材を溶解させてから凝固させて封止孔に充填することにより、リッド基板およびベース基板により形成される内部空間内に、圧電振動片を気密に封止する圧電デバイスの製造方法が示されている。
上記構成によれば、第1の基板または第2の基板の少なくとも一方の基板に形成される封止孔の内壁が、該封止孔の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有しているので、封止孔に固形の封止材を配置したときに、球状の封止材の表面と封止孔の内壁面との接触あるいは近接する面が多く確保できる。これにより、封止材を溶融させて封止孔を封止する際に、封止孔の内壁面を介した封止材への熱伝導が良好に行われるとともに、溶融した封止材が封止孔の内壁面に濡れ広がりやすくなるので、封止不良が抑えられ、安定した振動特性を有して高信頼性を備えた圧電デバイスを提供することができる。
この構成によれば、開口形状の面積が大きく形成されている外部側から配置される封止材の内部空間側への落下を防止しながら、封止孔の内部空間側の開口が大きく形成されていることにより、孔封止工程における真空引きがされやすいので、真空引き時間を短縮させて製造効率を向上させることができる。
また、封止孔の壁面に金属膜を形成することにより、孔封止工程において、溶融された金属からなる封止材が電極膜上に濡れ広がって孔封止を確実に行うことができる。
したがって、封止孔に配置した固形の封止材を溶融させ、これを硬化させることによる孔封止を確実に行うことが可能となるので、安定した振動特性を有し、高信頼性を備えた圧電デバイスを製造することができる。
(第1の実施形態)
本実施形態の振動片基板20は水晶からなる。また、リッド基板10およびベース基板30は、ガラスやシリコン、あるいは振動片基板20と同じ水晶からなる。
同様に、ベース基板30は、少なくとも振動片基板20の開口部T1を塞ぐ大きさを有し、本実施形態では、振動片基板20の外形が矩形であることから、ベース基板30の外形も矩形の形状とされている。
図2において、振動片基板20の水晶振動片25は、枠部21の一端部の内側と一体とされている基部23と、その基部23を基端として、図中右方向に向けて、二股に分かれて平行に延びる一対の振動腕25A,25Bが突設されている。すなわち、水晶振動片25は、音叉のような形状を有した、所謂、音叉型水晶振動片である。
この第1の電極28は、枠部21の上端面21aに引き回された第1の接合用電極28aと、その第1の接合用電極28aと接続されて水晶振動片25の基部23を通り振動腕25Aの両側面および振動腕25Bの上面と下面とに設けられた第1の励振電極26Bとを有している。
この第2の電極29は、枠部21の下端面21bに引き回された第2の接合用電極29aと、その第2の接合用電極29aと接続されて水晶振動片25の基部23を通り振動腕25Bの両側面および振動腕25Aの上面と下面とに設けられた第2の励振電極26Aとを有している。
すなわち、第1の接合用電極28aは、振動片基板20とリッド基板10とを陽極接合するのに用いられる。また、第2の接合用電極29aは、振動片基板20とベース基板30とを陽極接合するのに用いられる。
また、第1の励振電極26Bおよび第2の励振電極26Aは、水晶振動片25を駆動するのに用いられる。
これらの第1の接合用電極28aおよび第2の接合用電極29aと、第1の励振電極26Bおよび第2の励振電極26Aとは、水晶材料をフォトリソグラフィを用いてエッチングすることにより形成された振動片基板20の原形の表面に、例えばスパッタリングにより、クロム(Cr)層を下地として形成し、その上に金(Au)層を積層させて設けた共通の構造にて形成されている。
ここで、本実施形態の水晶振動子1において、特に重要な封止孔40の構成について図面に沿って詳細に説明する。図4は、図3の水晶振動子のD部である封止孔近傍を拡大して説明するものであり、(a)は部分拡大平面図、(b)は(a)のC−C線断面図である。なお、図4(b)は、封止孔に固形の封止材45aを配置した状態を図示している。また、図4(a)では、封止孔における封止材45aの配置位置を仮想線(二点鎖線)で示している。
また、本実施形態の封止孔40において、内部空間側凹部42の外部側凹部41と連通する側の開口部42aよりも、内部空間側の開口部42bの方が大きく形成されている。
この構成の金属膜43によれば、孔封止工程において、下地金属の拡散が抑えられるとともに、溶融した封止材45aの濡れ性が良好となり確実な封止ができることを発明者は確認した。
この構成によれば、リッド基板10のいずれか一方の面のみから掘削して封止孔を形成した場合に比して、掘削開始面となる外部側の開口部の開口形状が大きくなるのが抑えられ、封止材45aのサイズに合わせて封止孔40を形成することができる。これにより、孔封止工程において封止材45aによる安定した孔封止を行うことができる。
これにより、封止孔40からの封止材45aの落下を防止しながら、孔封止工程における真空引きがされやすくなるので、真空引き時間を短縮させて製造効率を向上させることができる。
次に、水晶振動子1の製造方法について図面に沿って説明する。
図5は、本実施形態の水晶振動子1の製造方法を説明するフローチャートである。
図5において、リッド基板10の製造工程がステップS1−1からステップS1−4までに示され、振動片基板20の製造工程がステップS2−1からステップS2−4までに示され、ベース基板30の製造工程がステップS3−1からステップS3−3までに示されている。まず、これら前工程について説明する。
なお、リッド基板10および後述するベース基板30の形成材料として用いるガラス材料は、陽極接合を可能とするため、あるいは、陽極接合を容易にするために、イオンの拡散のしやすいガラス材料を選択する。例えば、アルカリ金属を含有するもので、エッチング加工に適するものを選定するとよく、例えば、ソーダガラスなどが適している。
なお、リッド基板10の外形は、例えば、ウェハから完全に切り離されないようにミシン目状の折り取り部によりガラス基板につなげるようにしている。これにより、以降の工程をガラス基板のウェハ状態にて効率的に流動することができる。
なお、外部側凹部41および内部空間側凹部42のうち、半球状(半円弧状の断面形状)である必要があるのは、後述する孔封止工程で溶融前の固形の封止材45a(図4を参照)を配置する外部側凹部41であり、内部空間側凹部42の凹分形状は半球状でなくてもよい。
このように、外部側凹部41の内壁を所定の表面粗さとするには、上記サンドブラスト加工法による封止孔形成時の砥粒の種類や粗さなどを選定、あるいは調整することによる。
以上により、リッド基板10が完成する。
振動片基板20の製造においては、まず、結晶軸に対して所定のカット角で切り出され、所望の厚さおよび表面状態になるように研磨加工された大判の水晶基板(水晶ウェハ)を準備する。そして、ステップS2−1に示すように、フォトリソグラフィを用いたウェットエッチングにより、水晶基板に複数の振動片基板20の外形を形成する。
そして、フォトレジストの露光により感光した部分を除去する現像を行ってからエッチング液に浸し、感光したフォトレジストを除去した部分の耐蝕膜をエッチングして、水晶基板上に、耐蝕膜からなる振動片基板20の外形形成用のエッチングマスクを形成する。
なお、振動片基板20の外形は、水晶基板から完全に切り離されないようにミシン目状の折り取り部などにより水晶基板につなげ、以降の工程を水晶基板(ウェハ)状態にて効率的に流動するようにしている。
電極形成は、振動片基板20の外形が形成された水晶基板の表面に、スパッタリングや蒸着により、クロム層を下地として形成し、その上に金層を積層させて形成される。
さらに、第1の接合用電極28aおよび第2の接合用電極29aの部分の上記金層の上に、スパタリングや蒸着により、陽極酸化のための金属被覆層である例えばアルミニウム層や、それに代わる、例えば、タングステン、ニッケル、チタン、あるいはシリコンなどを積層させて形成する。
ベース基板30は、上記リッド基板10と同じガラス材料により、概ね同じ方法により形成することができる。
まず、例えばソーダガラスなどからなるガラス基板の両主面全体に、エッチングマスクとなる例えばクロムおよび金からなる耐蝕膜をスパッタなどにより形成し、フォトリソグラフィを用いてエッチングすることにより、ガラス基板上に、耐蝕膜からなるベース基板30の外形形成用のエッチングマスクを形成する(ステップS3−1)。
以上により、ベース基板30が完成する。
上記に説明した方法で製造したリッド基板10、ベース基板30、および振動片基板20は、本実施形態では、図3を用いて上記に説明した態様により、直接接合法の一つである陽極接合により接合する。
まず、ステップS5に示すように、リッド基板10とベース基板30との二つの基板間に水晶振動片25が一体形成された振動片基板20を配置する。このとき、陽極接合するための接合膜である第1の接合用電極28aおよび第2の接合用電極29aとを位置合わせする。
この陽極接合による工程は、従来の接合工程のように、内部空間S1からのガス出しを行う必要がなく、大気圧で行うことができる。
すなわち、まず、ステップS7に示すように、基板積層体のリッド基板10の封止孔40に、固形で球状の封止材45aを配置する。このとき、球状の封止材45aは、図4(b)に示すように、リッド基板10の外部側に開口した半球状の外部側凹部41に多くの面が接し、または接近させて受容される。
なお、封止材45aは、完成した水晶振動子1を外部実装基板に実装する際のリフロー温度よりも高い温度を融点として有していることが望ましく、例えば、金と錫(Sn)との合金、あるいは、金とゲルマニウム(Ge)との合金などが用いられる。
そして、真空チャンバー内にて、封止材45が完全に固化するまで温度を下降させて封止材を硬化してから(ステップS9)、孔封止された基板(ウェハ)積層体を真空チャンバーから取り出す。
サンドブラスト加工法は、ウェットエッチングやドライエッチングなどのエッチング法のように、被加工材の異方性に依存することなく、所望の形状に制御して基板を掘削加工することができるので、上記実施形態のような半球状の外部側凹部41の形成に好適であり、球状の封止材45aによる安定した孔封止が可能な封止孔40を形成することができる。
上記実施形態では、リッド基板10の外部側の面11に開口部を有する半球状の外部側凹部41と、内部空間側に開口部42bを有する内部空間側凹部42とが、外部側凹部41の凹底部分に形成された開口部42aで連通されてなる封止孔40において、外部側の開口部の開口形状の中心と内部空間側の開口部42aおよび開口部42bの開口形状の中心とが同じ位置にある構成とした。これに限らず、外部側凹部の開口形状の中心と内部空間側凹部の開口形状の中心をずらして配置した構成の封止孔とすることにより、封止工程における真空引きの効率化を図ることが可能になる。
図6は、リッド基板の封止孔の変形例を模式的に説明するものであり、(a)はリッド基板を外部側からみた部分平面図、(b)は(a)のE−E線断面を示す部分断面図である。なお、図6においては、本変形例の効果を説明する便宜上、溶融前の球状の封止材45aを封止孔80に載置した状態を図示している。
また、封止孔80の外部側凹部81を含む領域には金属膜83が形成されている。
上記実施形態および変形例1のリッド基板10,70の封止孔40,80では、平面視で円形状の外部側凹部41,81および内部空間側凹部42,82が連通してなる構成とした。これに限らず、内部空間側凹部の上側および下側開口部の平面視の形状を楕円形状にすることにより、孔封止工程における真空引きの効率化を図ることが可能になる。
図7は、リッド基板の封止孔の変形例2を模式的に説明するものであり、(a)はリッド基板を外部側からみた部分平面図、(b)は(a)のF−F線断面を示す部分断面図である。なお、図7においては、本変形例の効果を説明する便宜上、溶融前の球状の封止材45aを封止孔60に載置した状態を図示している。
また、封止孔60の外部側凹部61を含む領域には金属膜63が形成されている。
これにより、封止孔60の封止工程において、封止孔60の外部側凹部61に球状の封止材45aを載置したときに、外部側凹部61の凹底面に設けられた平面視で略楕円形状の中間開口部62aにより、その中間開口部が平面視で円形状である場合に比して、封止材45aと封止孔60の内壁との間に隙間が大きく確保される。また、内部空間側凹部62は、中間開口部62aよりも内部空間側開口部62bの方が大きく形成されている。したがって、封止工程における真空引きがより一層されやすくなるので、真空引き時間をより短縮させて製造効率を向上させる効果を奏する。
上記実施形態、変形例1および変形例2のリッド基板10,50,70の封止孔40,60,80では、リッド基板10,50,70の外部側の面から掘削加工することにより形成される外部側凹部41,61,81と、リッド基板10,50,70の内部空間側の面から掘削加工することにより形成される内部空間側凹部42,62,82との二つの凹部が連通されてなる封止孔40,60,80の構成とした。これに限らず、基板の外部側の面からのみ掘削加工して内部空間側の面に貫通させて形成した封止孔であってもよい。
図8は、リッド基板の封止孔の変形例3を模式的に説明するものであり、(a)はリッド基板を外部側からみた部分平面図、(b)は(a)のG−G線断面を示す部分断面図である。なお、図8においては、本変形例の効果を説明する便宜上、溶融前の球状の封止材45aを封止孔100に載置した状態を図示している。
また、封止孔100の内壁を含んだ領域には金属膜103が形成されている。
上記実施形態および変形例1〜変形例3では、リッド基板に設けられた半球状の内壁を有する封止孔を用いて確実な封止を行うことを可能とした圧電デバイスの一例として、電子部品としての音叉型水晶振動片を用いた水晶振動子1について説明した。これに限らず、上記で説明した構成の封止孔は、例えば、電子部品としての双音叉型水晶振動片を気密に封止・収容した圧電デバイスとしての圧力センサーにおいてもその効果を発揮する。
図9は、圧電デバイスの変形例としての圧力センサーを説明するものであり、図9(a)は模式断面図、(b)は、圧力センサーの要部である電子部品としてのセンサー素子片の模式平面図である。
また、第1のダイヤフラム230および第1の基板210それぞれの受圧部は、外部側の面と内部空間側の面とに加わる圧力の差によって湾曲するようになっており、外部側の面が測定対象となる圧力を受ける箇所になっている。
また、第1のダイヤフラム230の固着部242には、センサー素子片220の基部224が接着媒体280によって接合されている。これにより、センサー素子片220の振動腕225Aと振動腕225Bを有する振動部225は、第1のダイヤフラム230の二つの固着部242により両側が固定されて両持ち支持されている。
即ち、封止孔140は、第1の基板210の外部と内部空間側とを連通する貫通路であって、外部側の面に開口部を有し封止孔140の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有する半球状の外部側凹部141と、内部空間側に開口部を有する内部空間側凹部142とが、外部側凹部141の凹底部分に形成された開口部で連通されてなる。また、図示はしないが、封止孔140を平面視したときに視認される外部側凹部141の内壁を含んだ領域には金属膜が形成されている。
また、第1のダイヤフラム230と異なり受圧に伴い湾曲変形することを期待していない第1の基板210は、第1のダイヤフラム230と比較して圧力に対する湾曲変形し難い構成である。したがって、第1の基板210に封止孔140を構成した圧力センサーなどの力センサーの場合では、受圧の際に、封止孔140と封止材145との接合境界面に大きなひずみが発生し難いので気密封止機能に対する高い信頼性の維持が期待できる。
また、水晶からなる水晶振動片に限らず、水晶以外の他の圧電材料からなる圧電振動片、例えば、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板などを用いることもできる。
また、上記実施形態では、リッド基板10やベース基板30の材料として、青いガラスなどのガラス基板を用いたが、シリコン、あるいは振動片基板20と同じ水晶などの、直接接合が可能な他の材料を用いることも可能である。
例えば、珪素(Si)を主成分とした水晶やガラスなどの接合対応面である接合領域を鏡面研磨してから当接し、加圧することによって当接面の珪素結合(原子間的結合)によって直接接合する接合法(表面活性化接合ともいう)を用いる構成としてもよい。
また、低融点ガラスを介して加熱および加圧する直接接合方法を用いてもよい。
また、被接合材料を清浄化処理した後、真空雰囲気中で水分子を吹き付けて、被接合材料の表面に水分子と水酸基(OH基)とを吸着させて活性化させ、その後、プラズマ照射により表面の水分子を除去して、被接合材料の表面どうしを密着させ、一方の被接合材料の表面の水酸基と他方の被接合材料の表面の酸素原子との間で、直接水素結合させるという接合方法を用いることもできる。この水素結合による直接接合によれば、被接合材料どうしを当接させるだけで直接接合される。
Claims (8)
- 第1の基板および第2の基板を備え、
前記第1の基板と前記第2の基板とに挟まれた内部空間に電子部品を収容可能な電子部品用パッケージであって、
前記第1の基板または前記第2の基板の少なくとも一方の基板に前記内部空間と外部とを連通する封止孔が形成され、
前記封止孔に配置する固形の封止材を溶融することにより前記内部空間を気密に封止することが可能であり、
前記封止孔は、外部側に開口し、前記封止孔の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有する半球状の外部側凹部と、前記内部空間側に開口し、前記外部側凹部内に配置された開口に連通する内部空間側凹部と、を有し、
前記封止孔を前記外部から前記内部空間に向かって平面視したときに、前記外部側凹部内に配置された開口の面積よりも前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積の方が大きく、さらに、前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積よりも前記封止孔の前記外部側にある開口の面積の方が大きいことを特徴とする電子部品用パッケージ。 - 前記封止孔を前記外部から前記内部空間に向かって平面視したときに、前記外部側の開口の中心と前記内部空間側の開口の中心とが離れていることを特徴とする請求項1に記載の電子部品用パッケージ。
- 第1の基板および第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板とに挟まれた内部空間に収容されている電子部品と、を備え、
前記第1の基板または前記第2の基板の少なくとも一方に、前記内部空間と外部とを連通している封止孔を有し、
前記封止孔は、外部側に開口し、前記封止孔の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有する半球状の外部側凹部と、内部空間側に開口し、前記外部側凹部内に配置された開口に連通する内部空間側凹部と、を有し、
前記封止孔を前記外部から前記内部空間に向かって平面視したときに、前記外部側凹部内に配置された開口の面積よりも前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積の方が大きく、前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積よりも前記封止孔の前記外部側にある開口の面積の方が大きく、
さらに封止材により前記内部空間が封止されている、
ことを特徴とする電子デバイス。 - 前記内部空間側に位置する前記封止孔の開口が前記平面視において楕円形状を含むことを特徴とする請求項3に記載の電子デバイス。
- 前記平面視において前記封止孔の前記外部側の開口の中心と前記内部空間側の開口の中心とが離れていることを特徴とする請求項3または4に記載の電子デバイス。
- 第1の基板および第2の基板と、
前記第1の基板と前記第2の基板とに挟まれた内部空間に収容されている電子部品と、を備え、
前記第1の基板または前記第2の基板の少なくとも一方に、前記内部空間と外部とを連通している封止孔を有し、
前記封止孔は、
その内壁が前記封止孔の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有し、
前記封止孔を前記外部から前記内部空間に向かって平面視したときに前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積よりも前記封止孔の前記外部側にある開口の面積の方が大きく、
さらに封止材により前記内部空間が封止されている電子デバイスの製造方法であって、
サンドブラスト加工法により掘削して前記封止孔を形成する工程と、
前記封止孔内に固形の前記封止材を配置する工程と、
前記封止材を溶融する工程と、
を含み、
前記封止孔は、外部側に開口し、前記封止孔の貫通方向および内周方向に広がる曲面を有する半球状の外部側凹部と、内部空間側に開口し、前記外部側凹部内に配置された開口に連通する内部空間側凹部と、を有し、
前記封止孔を前記外部から前記内部空間に向かって平面視したときに、前記外部側凹部内に配置された開口の面積よりも前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積の方が大きく、さらに、前記内部空間側にある前記封止孔の開口の面積よりも前記封止孔の前記外部側にある開口の面積の方が大きいことを特徴とする電子デバイスの製造方法。 - 前記封止孔を形成する工程が、前記基板の一方の面から前記基板を掘削して前記外部側凹部を形成するステップと、前記基板の前記一方の面と対面する他方の面から前記基板を掘削して前記内部空間側凹部を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項6に記載の電子デバイスの製造方法。
- 前記平面視したときに前記外部側の開口の中心と前記内部空間側の開口の中心とが離れていることを特徴とする請求項6または7に記載の電子デバイスの製造方法。
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