JP2003298386A - 圧電振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉛フリー対応のリフロー温度の上昇に対し
て、リフロー前後の周波数の差が十分小さく抑制された
圧電振動子を提供する。 【解決の手段】 外形形成が終了した水晶ウエハの全面
にＣｒのみの薄膜を成膜してホトリソ加工でパターンを
形成後、Ａｕ膜が必要なマウントパッド部と錘部のみ
に、Ｃｒ薄膜の上にあらたに（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を成膜す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話及び携帯
情報端末等に用いられる圧電振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球環境の保全を維持する世界的な潮流
の中で、人間が日常利用する様々な家庭用電気製品、情
報処理装置、生産用装置等から携帯電話や携帯機器に至
るまで、電機・電子機器に含有される有害物質の削減は
大きな課題になっている。その中の一課題して、基板に
使用されるＳｎ／Ｐｂの化合物であるハンダ材料の中
の、Ｐｂ（鉛）の削減は電機・電子機器製品や部品を製
造する会社の当面の目標として取り組まれている。部品
においては、そのメッキ材料であるＳｎ／Ｐｂメッキか
ら、鉛を含まないメッキ材料であるＳｎメッキ、Ｓｎ／
Ａｇメッキ、Ｓｎ／Ｂｉメッキ、Ｓｎ／Ｃｕメッキなど
が鉛フリーメッキの候補として採用されつつある。

【０００３】部品を基板に実装するリフロー工程に用い
られる代表的な無鉛ハンダであるＳｎ−３．０Ａｇ−
０．５Ｃｕは、従来用いられてきた共晶ハンダと異な
り、融点が上昇することからリフローの温度プロファイ
ルが変化し、その最高温度も２６０℃前後の値となって
いる。これは従来に比較してリフローの対象となる電子
部品に対して約３０℃の耐熱性の向上を要求しているこ
とになる。

【０００４】携帯電話や携帯情報機器に使用される代表
的な圧電振動子である水晶振動子では、水晶のチップと
その保持器であるプラグとは、プラグのインナーリード
にメッキされた耐熱ハンダ（Ｓｎ：Ｐｂ＝１：９）によ
ってハンダ付けされていた。この耐熱ハンダの状態図が
示すように、２６０℃の温度では、メッキ材料は溶融す
ることはない。従って、リフロー工程後に周波数が大き
くシフトすることは無かった。

【０００５】ここで、シリンダ形の音叉振動子を例にと
ってその製造方法を述べる。 ステップ１（研磨／エッチング工程） 所定の厚みにラッピングされた水晶ウエハは、ポリシュ
仕上げされ、さらにエッチングで表面の数ミクロンの加
工変質層が除去され、かつ所定の厚みに揃えられる。音
叉形振動子の場合は、水晶ウエハの大きさは、数＋ｍｍ
角ないし３インチ程度であり、また厚みは１００ミクロ
ン前後である。 ステップ２（洗浄／成膜工程） ウエハは洗浄後に例えば下地にＣｒ膜を数千ｎｍ成膜
し、引き続きこのＣｒ膜の上にＡｕ（金）を数千ｎｍ成
膜する。以下（Ｃｒ＋Ａｕ）膜と略記する。 ステップ３（外形形成工程） 成膜後、ホトリソ加工で（Ｃｒ＋Ａｕ）膜に水晶チップ
の外形を形成し、これをマスクとしてフッ酸系の液にて
水晶ウエハをエッチングして、１枚のウエハに数百ケの
振動子のチップを形成する（外形形成）。 ステップ４（金属膜剥離工程） 外形形成後、このマスクの金属膜をすべて剥離する。

【０００６】ステップ５（電極膜成膜工程） ウエハ全面に再び（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を成膜させる。ウエ
ハには、振動子の形状した水晶チップが既に形成されて
いるから、主面（表面と裏面）だけでなく、側面にも成
膜される。 ステップ６（電極パターン形成工程） ホトリソ加工にて電極構造を形成する。電極構造は下地
膜がＣｒで表面薄膜はＡｕとなる。 ステップ７（錘形成工程） 錘部のみ、さらに錘としての重量を増加させるために、
（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を成膜させるか、あるいはコストを勘
案してＡｇ（銀）を蒸着させる。Ａｇの表面は酸化を防
止するためにさらにＡｕの薄膜を形成する。

【０００７】ステップ８（粗調工程） 前工程でつけた錘の一部を大気中でＹＡＧレーザーで部
分的に蒸発させて錘の重さを変化させて周波数調整し
て、所定の周波数範囲に揃える。 ステップ９（マウント工程） 個々の振動子のチップは１ケづつウエハから切り離さ
れ、保持器であるプラグのインナーリードと接合され
る。振動子のマウントパッド部の上にインナーリードが
位置決めされて、Ｎ２などの不活性ガスの温風でインナ
ーリードのメッキ材料が溶融して、マウントパッドのＡ
ｕ薄膜にハンダ付けされる。 ステップ１０（微調工程） マウント工程後、振動子は真空中で再びＹＡＧレーザー
を用いて周波数調整が施され、所定の周波数範囲、例え
ば±１０ｐｐｍあるいは±２０ｐｐｍなどの範囲に入る
ように微調整される。 ステップ１１（圧入工程） 微調整が終了後に、真空中でケースを圧入して気密封止
体となる。このようにして振動子が完成する。 ステップ１２（モールド工程） 表面実装タイプ等のモールド品は、この後に、エポキシ
樹脂のモールドや耐熱樹脂の射出成形によってモールド
される。このうような従来の製造方法により作成された
音叉形水晶振動子（非モールド品）の外観を図６に示
す。水晶チップ１１は、プラグ９のインナーリード１０
と、マウントパッド１４の位置でインナーリード１０に
メッキされたハッダを溶融させて接合し（ハンダ付
け）、ケース１２によって気密封止されている。前述の
様に、この方法によって製作された振動子は、その温度
プロファイルの最高温度が２６０℃に達する鉛フリー用
のリフロー工程においても、リフロー後の振動子の周波
数が大きくシフトすることはなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、インナ
ーリード１０のメッキを耐熱ハンダから無鉛メッキであ
るＳｎ／Ｃｕメッキに変更した振動子を前述した従来の
工程で作成すると、鉛フリー用のリフロー温度プロファ
イルでＳｎ／Ｃｕメッキの溶融が起こり、メッキ材料が
振動子を構成する電極膜の表面膜であるＡｕの膜上を拡
散する。Ｓｎ／Ｃｕメッキ中のＣｕの重量割合は約５〜
７％に抑えられている。これは、これ以上にＣｕの割合
が増加すると、液相線が急激に上昇して、ハンダ付けが
困難になることによっている。このCu濃度範囲における
固相線温度は、２２７℃である。従って、２６０℃の温
度ではメッキ材料のわずかな溶融が原理的に発生する。
この溶けたハンダメッキ材料がＡｕ薄膜に拡散して周波
数のシフトが引き起こされる。

【０００９】即ち、図６に示す水晶チップの模式図にお
いて、従来のハンダメッキ材料はリフロー工程において
も、マウントパッド１４の外へ拡散することは無かった
が、Sn／Cuメッキ材料は、マウントパッド１４からさら
にリード部１６や主電極１８の一部に至るまで拡散する
場合がある。マウントパッド１４の側面に始まって、メ
ッキ材料がリード部１６の側面や主電極１８の側面１９
にも拡散する。この結果、リフロー後の周波数は、リフ
ローの前に比較して相対的にかなり高くなり、周波数の
シフト量が規格値をオーバーする場合が発生する。

【００１０】

【問題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は、ハンダメッキ材料の拡散を防ぐ目的で、
ハンダメッキ材料の拡散が極めて起こりにくい材質で構
成することを特徴とする圧電振動子にある。

【００１１】本発明では圧電振動片と、圧電振動片をハ
ンダにより接合するインナーリードを有するプラグと、
圧電振動子内部を気密封止するケースからなる圧電振動
子において、圧電振動片のリード部の側面及び主電極の
側面を構成する金属膜の材料がクロムのみとした。

【００１２】ここで、錘部の薄膜の堆積は、堆積の直前
に下地のCr膜の最表面をイオン照射により取りさった後
に堆積すると良い。

【００１３】また本発明では圧電振動子の外形を形成
し、前記圧電振動子の表面に第１のＣｒ膜を成膜し、フ
ォトリソグラフィーによりパターニングした後、前記第
１のＣｒ膜からなるマウントパッド部と錘部に第２のＣ
ｒ膜と前記第２のＣｒ膜上にＡｕ膜を形成し圧電振動子
を製造する。ここでＡｕ膜上にＡｇ膜を形成することも
できる。

【００１４】本発明では第１のＣｒ膜の表面を逆スパッ
タした後、前記第２のＣｒ膜を成膜すると、密着性が向
上する。

【００１５】かかる本発明では、リフロー工程におい
て、ハンダメッキ材料がリード部１６及び主電極部１８
のそれぞれの主面とそれぞれの側面を含めて拡散せず、
リフロー後に大きな周波数のシフト発生が発生すること
がない。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、図面に基づいて本発明を
詳細に記述する。本発明の第１の実施例を説明する。本
実施例では、先に延べた従来のプロセスのステップ５〜
ステップ７の工程が図１のフローチャートに示す様に変
更されている。その他の工程は従来の工程と同様であ
る。ステップ’の電極膜成膜では、本実施例では、ウ
エハ全面にＣｒのみの薄膜を堆積させている。次にステ
ップ’でこのこのクロム薄膜にホトリソ加工を施し電
極パターンにする。側面を含めて金属薄膜はすべてクロ
ムのみで構成されている。この後に、ステップ’でマ
ウントパッド部１４及び錘部１７のみに（Ｃｒ＋Ａｕ）
膜を堆積させる。金属マスクなどを用いれば部分的に堆
積が可能である。即ち、本実施例の基本の考え方は、Ａ
ｕの必要な部分のみに、後から（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を堆積
させるものである。振動子においてＡｕが必要なのは、
マウントパッド部と錘部のみである。マウントパッド部
のＡｕは、マウント工程における保持器であるプラグの
インナーリードとの接合に用いられる。また、錘部のＡ
ｕは、周波数調整で必要とされる。一般に錘部の（Ｃｒ
＋Ａｕ）膜は数ミクロンとやや厚く形成するか、あるい
は数千ｎｍの厚みとして、この薄膜の上に更にＡｇなど
を数ミクロンの厚みに蒸着などで堆積させて錘とする。
前述の従来工程では、（Ｃｒ＋Ａｕ）膜は薄く、その上
にＡｇを蒸着させた場合を述べた。

【００１７】以上の第１の実施例において、前述の様
に、従来のプロセスと異なるのは、ステップ５〜ステッ
プ７の工程である。ステップ５の従来の工程では（Ｃｒ
＋Ａｕ）膜が成膜され、ステップ６でこの（Ｃｒ＋Ａ
ｕ）膜に対してホトリソ加工が施されて電極パターンが
形成されている。この場合に、ステップ６の従来工程で
は、主面にあるＡｕの薄膜は簡単にパターニングできる
が、側面にあるＡｕの薄膜は通常の露光機によるプロセ
スでは除去できない。これは、ポジレジストを使用した
場合には、通常の露光機では側面に光を入射させること
が出来ず、側面のレジストはそのままに残ってエッチン
グされるので、側面Ａｕ膜も同様に保護されて残ること
になるからである。そして従来工程のように主面のＡｕ
を除いても、この側面にＡｕ薄膜が残っていると、ハン
ダメッキ材料は側面のＡｕ膜上を拡散し、リフロー工程
における周波数シフトの原因となる。ネガレジストを使
用した場合は、露光で側面には入射しないから、現像で
側面のレジストはすべて剥離されてしまう。従って、引
き続き行われるＡｕのエッチング工程でＡｕはエッチン
グされ側面には全くＡｕは残らない。

【００１８】しかし、マウントパッド部、リード部、主
電極部、錘部の側面のうちで、リード部と主電極部の側
面にＡｕが不要なだけであって、マウントパッド部と錘
部には、側面にＡｕがあったほうが望ましい。マウント
パッド部の側面のＡｕは、インナーリード部とのハンダ
付けの際にマウント強度の向上の役割を果たし、また錘
部の側面のＡｕは後にＡｇが蒸着される場合の下地とし
て重要である。即ち、下地がＡｕの場合は、Ａｇ膜の密
着力が優れている。従って、ネガレジシトを使って側面
のＡｕを全部とることは可能であっても、後工程で再び
Ａｕを成膜するという工程が必要になる。よって、本発
明のように最初からＣｒのみを成膜し、これで電極パタ
ーンを形成し、この後でＡｕの必要個所であるマウント
パッド部と錘部にのみ（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を成膜する本実
施例ほうが良い。

【００１９】尚、Ｃｒ膜の保護の目的で、ステップ’
の工程で、Ｃｒ膜でなく（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を成膜し、ス
テップ’で（Ｃｒ＋Ａｕ）膜に対して、電極のパター
ニングを行った後に、Ａｕのエッチング液で側面含めて
すべてＡｕを剥離してしまっても、結果としては本実施
例と同じ結果を得ることができる。

【００２０】本実施例にしたがって作成された振動子の
リフロー特性を図２に示す。インナーリードのメッキ材
料はＳｎ／Ｃｕである。このように、リフロー後の周波
数シフト量は規定値以内（本サンプルの規格値は、±１
０ｐｐｍ以内である）に収まっており、従来の方法で作
成された振動子のような大きな周波数シフトは発生して
いない。

【００２１】続いて本発明の第２の実施例を述べる。前
述の第１の実施例ステップ’で、錘部の下地のＣｒ上
に（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を堆積させる際に、下地のＣｒ膜の
最表面に、有機物やＣｒの酸化層が存在する場合があ
る。下地のＣｒが長時間に渡って湿度の高い雰囲気に曝
された場合や、レジストの残滓がある場合に起きる。こ
のような場合には、下地のＣｒ膜とその上に堆積させた
（Ｃｒ＋Ａｕ）膜の密着強度が不十分となる。密着強度
が不足すると後工程のステップ８の粗調工程において、
レーザーの瞬間的な入熱による急激な温度上昇によっ
て、レーザー照射部のだけでなく、その近傍の膜が界面
でわずかな剥離を起こし、その剥離が時間の経過にとも
なって徐々に拡大していく。このような剥離が発生する
と振動子の発振周波数は徐々に変化し数＋ｐｐｍの変動
を生じることが既に分かっている。

【００２２】従って、膜の密着強度が高くなるように、
Ｃｒの電極膜を形成したら直ちに（Ｃｒ＋Ａｕ）の成膜
工程を実施するか、ステップ’の工程終了後一定期間
が経過した場合は、成膜の工程で工夫が必要となる。図
３は、成膜直前に逆スパッタで下地のＣｒ膜の最表面を
わずかに削って、Ｃｒのクリーンな表面を露出させた後
に、直ちに（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を堆積させる装置の模式図
を示している。逆スパッタ部２では、ワーク側（水晶ウ
エハ）にRF電力を印加して、表面の酸化層や有機物を取
り除いた後、真空を破ること無くCｒ成膜室３及びAu成
膜質４に順次搬送され、それぞれの膜が堆積される。金
属膜の成膜は、水晶ウエハの両面から同時に成膜するDC
マグネトロンスパッタリングなどが使用される。この図
のように逆スパッタ工程の後を、真空を破ることなく堆
積工程を開始することで界面はクリーンに保たれ、従っ
て密着強度が増加する。

【００２３】図４は、第２に実施例で示された手法で作
成したものと逆スパッタ無しの工程で作られたサンプル
の常温エージング特性の比較である。サンプルは常温
（室温）で常に発振しており、時間の経過で周波数のシ
フトが起きるかどうかを確認する試験である。本実施例
の逆スパッタ条件は、次のようである。プロセスガスは
アルゴンであり、圧力は１０Pa、RF電力は２００W、プ
ロセス時間は３分である。このように逆スパッタ工程の
あるものは、周波数のシフトは計測誤差範囲内である
が、逆スパッタ無しのものは明らかに周波数シフトが認
められる。周波数シフトが発生したサンプルのケースを
はずして、振動子の電極を電子顕微鏡で観察した結果、
膜の剥離が錘部の稜線近傍で発生していることが認めら
れた。

【００２４】第２の実施例で作成したサンプルのリフロ
ー特性を図５に示す。前述の条件で逆スパッタを実施
後、真空を破ることなく直ちに（Cr＋Au）を成膜した。
成膜条件は、プロセスガスは同じくアルゴンで、圧力
０．４Pa、成膜電力は、Cr及びAuともに１４０Wであ
る。図５に示されるように、リフロー後の周波数シフト
は、規格値である±１０ｐｐｍ内であることを満足して
いる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、圧電
振動子の側面の電極材料にハンダメッキの拡散が発生し
にくい材料を採用することによって、リフロー後の周波
数シフトを抑制している。また、ハンダメッキの拡散が
起きにくい電極材料に（Ｃｒ＋Ａｕ）膜を堆積させる場
合に、膜の密着強度を向上させて、常温エージング特性
とリフロー特性の両方を満足させる振動子の電極構造を
提供している。これにより、リフロー安定性にすぐれた
鉛フリーの圧電振動子を実現できるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す製造工程のフロー
チャートである。

【図２】第１の実施例で作成された振動子のリフロー特
性である。

【図３】本発明の第２の実施例を示す逆スパッタ可能な
成膜装置の模式図である。

【図４】第２の実施例である逆スパッタ工程のエージン
グ特性に及ぼす効果を示す図である。

【図５】第２の実施例で作成された振動子のリフロー特
性である。

【図６】音叉形水晶振動子の外観、水晶チップの電極パ
ターンを示す図である。

【符号の説明】

１・・・ロード室 ２・・・逆スパッタ室 ３・・・Ｃｒ成膜室 ４・・・Ａｕ成膜質 ５・・・アンロード室 ６・・・ゲートバルブ ７・・・第１層（下地）ターゲット ８・・・第２層ターゲット ９・・・プラグ １０・・・インナーリード １１・・・水晶チップ １２・・・ケース １４・・・マウントパッド １５・・・主電極部 １６・・・リード部 １７・・・錘部 １８・・・主電極膜 １９・・・側面電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動片と、前記圧電振動片をハンダ
   により接合するインナーリードを有するプラグと、前記
   圧電振動子内部を気密封止するケースからなる圧電振動
   子において、前記圧電振動片のリード部の側面及び主電
   極の側面を構成する金属膜の材料がクロムのみで構成さ
   れることを特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電振動子において、錘
   部の薄膜の堆積は、堆積の直前に下地のCr膜の最表面を
   イオン照射により取りさった後に堆積して構成したこと
   を特徴とする圧電振動子。
3. 【請求項３】 圧電振動子の外形を形成し、前記圧電振
   動子の表面に第１のＣｒ膜を成膜し、フォトリソグラフ
   ィーによりパターニングした後、前記第１のＣｒ膜から
   なるマウントパッド部と錘部に第２のＣｒ膜と前記第２
   のＣｒ膜上にＡｕ膜を形成する圧電振動子の製造方法。
4. 【請求項４】 前記Ａｕ膜上にＡｇ膜を形成する請求項
   ３記載の圧電振動子の製造方法。
5. 【請求項５】 前記第１のＣｒ膜の表面を逆スパッタし
   た後、前記第２のＣｒ膜を成膜する請求項３または４記
   載の圧電振動子の製造方法。