JP2004254238A - Piezoelectric device, its manufacturing method, mobile telephone utilizing piezoelectric device and electronic equipment utilizing piezoelectric device - Google Patents

Piezoelectric device, its manufacturing method, mobile telephone utilizing piezoelectric device and electronic equipment utilizing piezoelectric device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric device of a structure that can be sealed by anode-joining in a short time with good quality, its manufacturing method, a mobile phone and electronic equipment utilizing such a piezoelectric device. <P>SOLUTION: In the piezoelectric device provided with a vibrator substrate 36 formed with a piezoelectric vibrator, a glass-made base substrate 38 and a lid substrate 37 respectively fixed on the vibrator substrate so as to sandwich the vibrator substrate, anode-bonding is applied to the vibrator substrate, the base substrate and the lid substrate respectively to house the piezoelectric vibrator 32 in an internal space S2 inside the base substrate and the lid substrate, at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through-hole 60 communicating the internal space and the outside, and the through-hole is filled with a sealant to air-tightly seal the internal space. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片を気密に収容した圧電デバイスとその製造方法、ならびに、圧電デバイスを利用した携帯電話装置と電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
HDD(ハード・ディスク・ドライブ)、モバイルコンピュータ、あるいはICカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図12は、このような圧電デバイスの構成例を示す分解斜視図、図13はその概略断面図である。
図において、圧電デバイス1は、枠部の内側に圧電振動片を形成した振動片基板2を、リッド基板3とベース基板4で上下から挟んで固定することにより構成されている(特許文献1参照)。これにより、圧電振動片2bは、リッド基板3とベース基板4で形成する内部空間S1内に収容される。
【0003】
図13に示されているように、振動片基板2には、リッド基板3とベース基板4との各接合面に接合用電極2c,2dがそれぞれ設けられており、この接合用電極2c,2dを利用して、振動片基板2は、リッド基板3及びベース基板4とそれぞれ陽極接合されている。
【0004】
図14は、圧電デバイス1の製造工程を示すフローチャートである。
図において、リッド基板3とベース基板4の製造工程がST1−1からST1−3までに示されており、圧電振動片2bの製造工程がST2−1からST2−4までに示されている。
リッド基板3とベース基板4はともにガラス基板から形成される。リッド基板3とベース基板4は、それぞれガラス材料から、各外形をエッチングして形成する。
【0005】
そのため、各外形に適合して、材料となるガラス材料(ガラス基板)に、リッド基板3とベース基板4の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する(ST1−1)。次いで、それぞれエッチングにより外形を形成し(ST1−2)、耐蝕膜を剥離して(ST1−3)、図12に示すような外形のリッド基板3及びベース基板4を形成する。
また、圧電振動片2bは、例えば、水晶ウエハを用いて、振動片基板2の外形に対応した耐蝕膜を予め形成する(ST2−1)。次に、エッチングにより振動片基板2の外形を形成し(ST2−2)、耐蝕膜を剥離する(ST2−3)。次いで、圧電振動片として動作に必要とされる図示しない電極を形成する(ST2−4)。
【0006】
以上の前工程に続いて、図13で説明したように、振動片基板2を、リッド基板3及びベース基板4に対して陽極接合する(ST5)。次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ(ST6)、必要な検査等を行って圧電デバイス1が完成する(ST7)。
【0007】
【特許文献1】特開2000−223996
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、陽極接合は真空雰囲気中で行う必要があった。すなわち、圧電振動片2bは、リッド基板3及びベース基板4により形成される内部空間内に水蒸気その他のガスが残存しないように密閉される。密閉後に水蒸気その他のガスが残存すると、圧電振動片2bに付着し、電極部が錆びたり、ガス成分が付着することで振動性能に悪影響を与えるからである。
具体的には、従来の陽極接合は、図15に示すような温度プロファイルに従って行われていた。
すなわち、図15に示すように、例えば、図示しない真空チャンバ内において、開始からt1までが、脱ガスに必要な昇温時間であり、真空中で行うため、空気による熱伝導ができないことから、長時間を必要とする。続いて、t1からt2まで加熱を継続して、上記内部空間S1内のガス成分を気化させて真空中に追い出す。次に、加熱を止めてt2からt3まで、長時間をかけて陽極接合に適する温度まで温度を下降させ、t3からt4までの時間で真空中において陽極接合を行う(ST5)。
【0009】
すなわち、従来の方法における真空中での陽極接合は、図15に示すように、摂氏150度程度の比較的低い温度で行うために、t2からt3までの間で、真空中において長い時間をかけてワークの温度を下げてから陽極接合を行い、その後、時間は約t5までの時間で、常温に近い温度付近まで冷却して、真空チャンバーから取り出すようにしている。このため、図15のt3からt5までで、約1時間の作業時間が必要であり、図15の開始からt4までの陽極接合の終了まででも約2時間30分程度の長時間の作業を必要としている。
したがって、従来の陽極接合にあっては、開始から取り出しまでの図15の全工程で約3時間程度の長い時間を要し、製造効率が悪いという問題があった。
ここで、真空中での陽極接合を、図15の場合より高い温度で行うことすれば、t2からt3に対応した陽極接合に適する温度までの温度下降時間を短縮することができる。しかし、陽極接合を高い温度で行うと、圧電材料、例えば水晶で形成した圧電振動片2bと、リッド基板3及びベース基板4を構成するガラスとの熱膨張率の相違により、撓んだり、接合後にひずみが残り、破損する原因となるという別の問題を生じる。
【0010】
本発明は、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスとその製造方法、ならびに、このような圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第1の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスであって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている、圧電デバイスにより達成される。
【0012】
第1の発明の構成によれば、前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板に貫通孔を備えている。このため、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とをそれぞれ陽極接合した後で、内部のガスを抜くための孔として前記貫通孔を利用することができる。つまり、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮でき、製造コストを低減できる。そして、接合後において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、圧電振動片の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、前記貫通孔は封止材で塞がれているので、圧電振動片は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
このように、本発明によれば、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスを提供することができるという効果を発揮できる。
【0013】
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記振動片基板が、上端と下端とが開放された枠体と、この枠体に対して、枠体の内側に一体に設けられた圧電振動片とを備えることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、圧電振動片は枠体を利用してリッド基板及びベース基板と接合できるので、パッケージ内部で小さな圧電振動片を接合する手間が不要である。
【0014】
第3の発明は、第2の発明の構成において、前記圧電振動片が、前記枠体の内面に一体に形成される基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕とを備えた音叉型振動片であり、前記各振動腕には、長さ方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片として構成し、さらに、その各振動腕に長さ方向に延びる溝を形成することにより、電界効率を向上させることができる。
【0015】
第4の発明は、第3の発明の構成において、前記基部には、前記枠体の内面と一体に形成された領域と、前記振動腕との間に、切欠き部を備えることを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片とした場合に、その基部に前記切欠き部を形成することで、振動腕からの振動が基部に漏れ込むことを有効に防止でき、クリスタルインピーダンス値を抑制することができる。
【0016】
また、上述の目的は、第5の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスの製造方法であって、少なくともいずれか一方に貫通孔を形成した前記ベース基板及び前記リッド基板を用意し、前記振動片基板に駆動用の電極と、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設け、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気中で陽極接合し、さらに、真空中で前記貫通孔を孔封止する、圧電デバイスの製造方法により、達成される。
【0017】
第5の発明の構成によれば、ガラス製のベース基板及びリッド基板を製造する際に、どちらかに貫通孔を設けておく。そして、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設けて前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気圧で陽極接合する。すなわち、陽極接合が大気圧で行われるので、接合に必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮できる。その後、真空中において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、この貫通孔を封止材で塞いだ後は、内部でガスが発生して、圧電振動片に付着し、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。
【0018】
第6の発明は、第5の発明の構成において、前記陽極接合の後、前記孔封止の前に前記圧電振動片を真空中において、実装のリフロー温度より高い温度で熱処理することを特徴とする。
第6の発明の構成によれば、前記陽極接合の後で、真空雰囲気に移し、圧電振動片を圧電デバイスの実装の際のリフロー温度より高い温度で加熱すると、当該加熱温度に対応して排出される水蒸気等のガスが生成される。このガス成分を真空中に排出してから、貫通孔を孔封止すれば、圧電デバイスを実装する際にリフロー炉で加熱されても、実装工程で内部にガスが発生して、圧電振動片に付着し、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。
【0019】
また、上述の目的は、第7の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした電子機器により、達成される。
【0020】
また、上述の目的は、第8の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした携帯電話装置により、達成される。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1ないし図7は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図1はその概略分解斜視図、図2は図1の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図、図3は図2のA−A線概略断面図、図4は図1の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図、図5は図1のB−B線切断端面図、図6は図1の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図、図7は図6のC−C線切断端面図である。
【0022】
図1において、圧電デバイス30は、圧電振動子を構成した例を示している。この圧電デバイス30は、振動片基板36の上下の開口(後述)を、それぞれリッド基板37とベース基板38とで塞ぐように固定して形成されている。
リッド基板37とベース基板38は、それぞれガラス製の同じ材料で形成されている。
リッド基板37は、少なくとも図1で示す振動片基板36の上側開口36aを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板36の外形が矩形であることから、リッド基板37も矩形の形状とされている。ベース基板38は、少なくとも図1で示す振動片基板36の下側開口36bを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板36の外形が矩形であることから、ベース基板38も矩形の形状とされている。
【0023】
リッド基板37とベース基板38は、同じ外形状のものが使用されており、振動片基板36の外形と同じ外形を備えている。そして、リッド基板37は図1に示されているように、凹部37aを備えており、ベース基板38は凹部38aを備えている。
リッド基板37とベース基板38は、各凹部37aと38aを互いに向かい合わせにして、間に振動片基板36を挟んで固定されるようになっており、これにより、各凹部37aと38aは後述する振動片基板36の内側の空間と一体になって圧電振動片32を収容する内部空間S2を形成するようにされている。
【0024】
図1に示されているように、振動片基板36は、上端と下端とが開放され、内側に隙間ないし空間を有する矩形の枠である。振動片基板36は、開放された上端と下端とに、図1に示されているようにリッド基板37とベース基板38とが固定されることで、上記内部空間S2を密閉するようにされている。
振動片基板36は、必ずしも図1のように、4角形である必要はなく、角の丸い楕円や長円形等でもよい。本実施形態の場合は、振動片基板36は、図1に示されているように一方向に長い長方形で、厚みの薄い枠体として形成されている。
【0025】
この振動片基板36は、特に、内部に圧電振動片32を形成するために、圧電材料が使用されている。使用される圧電材料としては、本実施形態のように水晶が適しており、水晶以外にも、例えば、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。振動片基板36は、本実施形態の場合、水晶の薄板をエッチングすることにより、内側の空間と圧電振動片32の外形を形成している。
【0026】
圧電振動片32は、振動片基板36と同じ材料で一体に形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片32は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示する形状とされている。
すなわち、圧電振動片32は、図2において、振動片基板36の一端部の内側と一体とされている基部51と、この基部51を基端として、図において右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕34,35を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片とされている。
また、好ましくは、圧電振動片32の一対の振動腕34,35には、図1に示すように、それぞれ、長手方向に延びる長溝34a,35aを形成されている。この場合、各長溝34a,35aは、図5に示されているように、各振動腕34,35の上面と下面に同様の態様でそれぞれ形成される。
【0027】
このように、一対の振動腕34,35に、それぞれ長手方向に延びる長溝34a,35aを形成し、この長溝34a,35aにそれぞれ第1の励振電極41b,第2の励振電極42bを形成することによって、振動腕34,35における電界効率が向上する利点がある。尚、図示の複雑さを避けるため図1では励振電極41b,42b等の電極の図示を省略している。
圧電振動片32の振動片基板36の内面と一体に固定された領域である基部51と一対の振動腕34,35との間には、基部51の幅方向に縮幅して設けた切欠き部もしくはくびれ部52,52を設けるようにしている。
これにより、基部51側への圧電振動片32の振動の漏れを防止して、CI(クリスタルインピーダンス)値を低減することができる。
【0028】
図2に示されているように、振動片基板36の上端面36cには、第1の電極41が形成されている。この第1の電極41は、図2に符号41aで示すように、振動片基板36の上端面36cに引き回された第1の接合用電極41aと、この第1の接合用電極41aと接続されて、圧電振動片32の基部51の表面を通り、振動腕34の両側面及び振動腕35の上面と下面とに引き回された第1の励振電極41bとを有している。
また、図4に示されているように、振動片基板36の下端面36dには、第2の電極42が形成されている。この第2の電極42は、図4に符号42aで示すように、振動片基板36の下端面36dに引き回された第2の接合用電極42aと、この第2の接合用電極42aから延長されて、圧電振動片32の基部51の裏面を通り、振動腕35の両側面及び振動腕34の上面と下面とに引き回された第2の励振電極42bとを有している。
【0029】
これらの電極は次のような構成上の特徴を有している。
第1の接合用電極41a及び第2の接合用電極42aは、それぞれ振動片基板36とリッド基板37及びベース基板38と陽極接合するのに用いられる。第1の励振電極41b及び第2の励振電極42bは、圧電振動片32を駆動するのに用いられる。
これらの第1の接合用電極41a及び第2の接合用電極42aと、第1の励振電極41b及び第2の励振電極42bは、例えば水晶により形成された振動片基板36の表面に、例えばクロム(Cr)層を形成し、その上に金(Au)層を設けた共通の構造を備える。
【0030】
さらに、第1の接合用電極41a及び第2の接合用電極42aの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム(Al)層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等を被覆して形成されている。
また、図6に示されているように、第1の接合用電極41aは図6において左側の側面に側面電極45aとして、ベース基板38の底面まで引き回されて、このベース基板38の底面の端部に設けた実装電極45と接続されている。同様にして、第2の接合用電極42aは図6において右側の側面に側面電極46aとして、ベース基板38の底面まで引き回されて、このベース基板38の底面の端部に設けた実装電極46と接続されている。
【0031】
また、特に重要な構成として、図6に示されているように、本実施形態では、リッド基板37の中央付近には、内部空間S2と外部とを連通する貫通孔60が設けられている。この貫通孔60は、2つの貫通孔61と貫通孔62が連通した形態で、外側の第1の孔62は内部空間S2側に開く第2の孔61よりも内径を大きく形成することで、第1の孔62と第2の孔61の間に外向きの段部63を形成している。この貫通孔60には、後述するようにして封止材が充填されることで、孔封止されるようになっている。
【0032】
そして、図1に示されているように、振動片基板36の上端面36cには、図1及び図2で説明したリッド基板37の平面部37cが固定され、振動片基板36の下端面36dには、図1及び図2で説明したベース基板38の平面部38cが固定されている。
具体的には、図6に示されているように、ガラス製であるリッド基板37とベース基板38には、これらの軟化点よりも低い温度を加えた状態で、リッド基板37及びベース基板38と、これらを振動片基板36に対して接合するための接合膜である接合用電極41a,42aとの間で、これら接合用電極41a,42a側が陽極になるようにして、直流電源39から直流電圧を印加する。
すなわち、陽極接合は、表面どうしを密着させて固相のまま接合する手法で、平滑な表面をもつ面どうしで、その表面原子の結合を生じさせて接合する方法である。したがって、ガラス製であるリッド基板37とベース基板38には、印加された直流電圧の作用によって、イオンが移動し、これらと接合用電極41a,42aとのギャップ及びその近傍に形成された空間電荷層に、継続して印加された電圧がかかるようになる。そうすると、リッド基板37及びベース基板38と、各接合用電極41a,42aとの間に静電引力が発生し、互いに密着して、強電界によりガラス側から電極側へイオンの移動がすすみ、界面で電極側の原子と共有結合を生じて、結合が行われると考えられている。またこの過程は、逆電圧を利用して、可逆的に進行させることもできる。
これにより、リッド基板37とベース基板38との間に振動片基板36を挟むようにして内部空間S2は、リッド基板37とベース基板38により気密状態で封止されている。
【0033】
本実施形態の圧電デバイス30は、以上のように構成されており、次に、この圧電デバイス30の製造方法を説明する。
図8は、圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャートである。
図において、リッド基板37とベース基板38の製造工程がST11からST13までに示されており、圧電振動片32の製造工程がST21からST24までに示されている(前工程)。
先ず、この前工程を説明する。
リッド基板37とベース基板38はともに同じガラス材料から形成される。すなわち、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、イオンの拡散しやすいガラス材料を選択し、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択する。これらの条件において、例えば、ソーダガラスが適している。
【0034】
リッド基板37とベース基板38は、それぞれ上述した材料からなる所定の大きさのガラス基板を用いて、それぞれの外形をエッチングして形成する。
そのため、各外形に適合して、ガラス基板(図示せず)に、リッド基板37とベース基板38の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する(ST11)。次いで、リッド基板37とベース基板38について、それぞれエッチングにより外形を形成する(ST12)。
【0035】
ここで、重要なのは、リッド基板37とベース基板38のいずれかに図6及び図7で示した貫通孔60を形成する点である。この貫通孔60は、本実施形態では、リッド基板37のほぼ中央付近に形成される。この貫通孔60の形成は、予め耐蝕膜の該当部分を除いておくことによって、リッド基板37の外形エッチングと同時に形成することができる。すなわち、この工程では、貫通孔60の第2の孔61に対応した内径の孔を形成する。
次に、耐蝕膜を剥離することにより、図1等で説明したリッド基板37とベース基板38の外形を形成する(ST13)。
続いて、リッド基板37とベース基板38に必要な耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、図1に説明した各凹部37a,38aを形成する(ST14)。
最後に、貫通孔60を設ける基板について、ST13で形成した孔の周囲を露出させて、それ以外の部分に耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、貫通孔60の第1の孔62を形成する(ST15)。
以上により、リッド基板37及びベース基板38を完成する。
【0036】
圧電振動片32は、例えば、水晶ウエハ等の基板を用いて、振動片基板36の外形に対応した耐蝕膜をこの基板(図示せず)に予め形成する(ST21)。次に、フッ酸等のエッチング液を用いて、振動片基板36の外形をエッチングにより形成し(ST22)、耐蝕膜を剥離する(ST23)。次いで、圧電振動片32として動作に必要とされる電極と陽極接合の接合膜として使用する電極とを形成する。このような電極は、例えば、図2ないし図4で説明した構成のものであり、これらの図に基づいて説明した第1の電極41と第2の電極42とを形成することになる(ST24)。
【0037】
すなわち、第1の電極41と第2の電極42は、振動片基板36の該当する箇所に、例えばクロム(Cr)層を形成し、その上に金(Au)層を設けた共通の構成を先に形成し、さらに、第1の接合用電極41a及び第2の接合用電極42aの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム(Al)層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等をスパッタリングや蒸着等の手法で設ける。
【0038】
次に後工程を説明する。
図6で説明したように、振動片基板36を、リッド基板37及びベース基板38に対して陽極接合する(ST35)。
この陽極接合の工程は、従来のように、内部空間S2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。このため、例えば図9のような温度プロファイルに従って実行することができる。
図6のように、リッド基板37及びベース基板38と、これらを振動片基板36に対して接合するための接合膜である接合用電極41a,42aとの間で、これら接合用電極41a,42a側が陽極になるようにして、直流電源39から直流電圧を印加する。
【0039】
この際に、図9に示されているように、開始から陽極接合に要する温度L1まで加熱する時間Ht1は、従来のように真空雰囲気中でガス出しをする必要がないから、大気中での加熱である点、及びガス出しに要する程の高い温度を必要としない点から、きわめて短い時間で加熱できる。すなわち、温度L1は、150度(摂氏、以下、温度表示は全て「摂氏」)程度である。したがって、温度L1まで昇温させ(Ht1)、昇温後陽極接合が完了するまでに3分程度であるから、開始から陽極接合が完了するまでの時間Ht2までは、約8分程度である。
【0040】
次に、ワークを真空チャンバー(図示せず)に移すことで温度L2に下降し、時間Ht3から、時間Ht4にかけて、再び温度L3まで加熱することでアニール処理を行う(ST36)。温度L3は、圧電デバイス30の実装時に行われるリフロー温度よりも高い温度が好ましい。このため、例えば260度以上、300度程度までで適宜選択される温度まで加熱する。このアニール処理はリフロー時の脱ガスを防止するためだからである。そこで、例えば温度L3として300度程度まで昇温し、30分程度、内部空間S2内において、圧電振動片32やリッド基板37及びベース基板38の内側から出るガスを貫通孔60から排出する。
【0041】
図9において温度L3の最終時である時間Ht5において、孔封止を行う(ST37)。この孔封止は真空チャンバー内で次のように行われる。
図10に示すように、リッド基板37の貫通孔60に封止材70を配置する。封止材70は、貫通孔60の第1の孔62に少なくとも一部が受容され、かつ第2の孔61の内径よりも大きな外形を備えることで、リッド基板37の内側に落下ないし完全に入り込まない大きさであることが好ましい。このため、本実施形態では、例えば、球形の封止材70を使用している。
【0042】
この封止材70は溶融されて、貫通孔60の第1の孔62及び/または第2の孔61内に充填されるものであり、リッド基板37と接合しやすい材料のものが好ましい。また、圧電デバイス30のリフロー工程の加熱温度により容易に溶融しないものが好ましい。このような条件から、Au−Sn合金やAu−Ge合金を用いることができる。また、封止材70として、リッド基板37との接合のしやすさを考慮すると、低融点ガラス等を使用することができる。
そして、このような封止材70を図10に示すように、貫通孔60の第1の孔62内に位置決めし、外部からレーザ光LB等を照射して溶融する。これにより、溶融した封止材70は貫通孔60を塞ぐように充填されることで孔封止が完成する。その後、真空チャンバー内にて、図9のHt6までの時間温度降下させ、真空チャンバーから取り出す。なお、孔封止後、直ぐに大気中に取り出して冷却時間をさらに短縮することも可能である。これに対して、パッケージに対する熱ストレスからの保護を考慮すると、図9のように真空チャンバー内で温度降下させるほうがより好ましい。
次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ(ST38)、必要な検査等を行って圧電デバイス30が完成する(ST39)。
【0043】
このように、本実施形態によれば、リッド基板37に貫通孔60を設けるようにしている。すなわち、振動片基板36と、ベース基板38及びリッド基板37とをそれぞれ陽極接合した後で、内部空間S2からガスを抜くための孔として貫通孔60を利用するようにしている。これにより、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度L1に昇温させる時間が少なくてすむので、製造コストを低減できる。そして、接合後において、貫通孔60から内部のガスを排出することで、圧電振動片32の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、貫通孔60は封止材70で塞がれているので、圧電振動片32は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
したがって、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイス30を提供することができる。
【0044】
図11は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン308及び受信内容を音声出力とするためのスピーカ309を備えており、さらに、送受信信号の変調及び復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるCPU(CentralProcessing Unit)301を備えている。
CPU301は、送受信信号の変調及び復調の他に画像表示部としてのLCDや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部302や、RAM,ROM等でなるメモリ303の制御を行うようになっている。このため、CPU301には、圧電デバイス30が取り付けられて、その出力周波数をCPU301に内蔵された所定の分周回路(図示せず)等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このCPU301に取付けられる圧電デバイス30は、圧電デバイス30等単体でなくても、圧電デバイス30等と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
【0045】
CPU301は、さらに、温度補償水晶発振器(TCXO)305と接続され、温度補償水晶発振器305は、送信部307と受信部306に接続されている。これにより、CPU301からの基本クロックの周波数が、環境温度の変化により変動しても、温度補償水晶発振器305により修正されて、送信部307及び受信部306に与えられるようになっている。
【0046】
このように、制御部を備えたデジタル式携帯電話装置300のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス30を利用することにより、低コストで短時間に効率よく生産しても、ガスの付着により圧電振動片32の振動性能に悪影響が生じることがなく、正確なクロック信号を生成することができる。
【0047】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
特に、圧電振動片の電極の引き回し構造は、上述の実施形態で説明した例に限らず、種々の構造を採用することができる。
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、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略分解斜視図。
【図2】図1の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図。
【図3】図2のA−A線概略断面図。
【図4】図1の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図。
【図5】図1のB−B線切断端面図。
【図6】図1の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図。
【図7】図6のC−C線切断端面図。
【図8】本発明の圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャート。
【図9】図8の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルの一例を示すグラフ。
【図10】図8の製造工程の孔封止の様子を示す説明図。
【図11】本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図12】従来の圧電デバイスの一例を示す分解斜視図。
【図13】図12の圧電デバイスの概略断面図。
【図14】図12の圧電デバイスの製造方法を示すフローチャート。
【図15】図14の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルを示すグラフ。
【符号の説明】
30・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、36・・・振動片基板、37・・・リッド基板、38・・・ベース基板、41a,42a・・・接合用電極、41b・・・第1の励振電極、42b・・・第2の励振電極、51・・・基部。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric device in which a piezoelectric vibrating piece is hermetically housed, a method for manufacturing the same, and a mobile phone device and an electronic apparatus using the piezoelectric device.
[0002]
[Prior art]
In a small information device such as an HDD (hard disk drive), a mobile computer, or an IC card, or a mobile communication device such as a mobile phone, a car phone, or a paging system, a piezoelectric vibrating piece is housed in a package. Piezoelectric devices such as vibrators and piezoelectric oscillators are widely used.
FIG. 12 is an exploded perspective view showing a configuration example of such a piezoelectric device, and FIG. 13 is a schematic sectional view thereof.
In the figure, a piezoelectric device 1 is configured by fixing a vibrating piece substrate 2 having a piezoelectric vibrating piece formed inside a frame portion by sandwiching the same from above and below between a lid substrate 3 and a base substrate 4 (see Patent Document 1). ). Thus, the piezoelectric vibrating reed 2b is accommodated in the internal space S1 formed by the lid substrate 3 and the base substrate 4.
[0003]
As shown in FIG. 13, the resonator element substrate 2 is provided with bonding electrodes 2c and 2d on respective bonding surfaces of the lid substrate 3 and the base substrate 4, and the bonding electrodes 2c and 2d are provided. The resonator element substrate 2 is anodically bonded to the lid substrate 3 and the base substrate 4, respectively.
[0004]
FIG. 14 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the piezoelectric device 1.
In the figure, the manufacturing process of the lid substrate 3 and the base substrate 4 is shown from ST1-1 to ST1-3, and the manufacturing process of the piezoelectric vibrating piece 2b is shown from ST2-1 to ST2-4.
Both the lid substrate 3 and the base substrate 4 are formed from a glass substrate. The lid substrate 3 and the base substrate 4 are formed by etching each outer shape from a glass material.
[0005]
Therefore, a corrosion-resistant film corresponding to each outer shape of the lid substrate 3 and the outer shape of the base substrate 4 is formed in advance on a glass material (glass substrate) which is a material suitable for each outer shape (ST1-1). Next, an outer shape is formed by etching (ST1-2), respectively, and the corrosion-resistant film is peeled off (ST1-3) to form a lid substrate 3 and a base substrate 4 having outer shapes as shown in FIG.
For the piezoelectric vibrating reed 2b, for example, a corrosion resistant film corresponding to the outer shape of the vibrating reed substrate 2 is formed in advance using a quartz wafer (ST2-1). Next, the outer shape of the resonator element substrate 2 is formed by etching (ST2-2), and the corrosion-resistant film is removed (ST2-3). Next, an electrode (not shown) required for operation as a piezoelectric vibrating reed is formed (ST2-4).
[0006]
Following the above pre-process, as described with reference to FIG. 13, the resonator element substrate 2 is anodically bonded to the lid substrate 3 and the base substrate 4 (ST5). Next, dicing is performed to the size of each product (ST6), and necessary inspections and the like are performed to complete the piezoelectric device 1 (ST7).
[0007]
[Patent Document 1] JP-A-2000-223996
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventionally, anodic bonding had to be performed in a vacuum atmosphere. That is, the piezoelectric vibrating reed 2b is hermetically sealed so that water vapor and other gases do not remain in the internal space formed by the lid substrate 3 and the base substrate 4. This is because, if water vapor or other gas remains after the sealing, it adheres to the piezoelectric vibrating piece 2b, and the electrode part rusts or a gas component adheres, thereby adversely affecting the vibration performance.
Specifically, conventional anodic bonding has been performed according to a temperature profile as shown in FIG.
That is, as shown in FIG. 15, for example, in a vacuum chamber (not shown), the time from the start to t1 is a temperature rising time required for degassing, and since it is performed in vacuum, heat conduction by air cannot be performed. Requires a long time. Subsequently, the heating is continued from t1 to t2, and the gas components in the internal space S1 are vaporized and driven out into a vacuum. Next, the heating is stopped and the temperature is lowered to a temperature suitable for anodic bonding over a long period of time from t2 to t3, and anodic bonding is performed in a vacuum for a period of time from t3 to t4 (ST5).
[0009]
That is, as shown in FIG. 15, the anodic bonding in a vacuum in the conventional method is performed at a relatively low temperature of about 150 degrees Celsius, so that it takes a long time in a vacuum between t2 and t3. After the temperature of the work is lowered, anodic bonding is performed, and thereafter, the time is about t5, the temperature is cooled to a temperature near normal temperature, and the work is taken out of the vacuum chamber. For this reason, a work time of about 1 hour is required from t3 to t5 in FIG. 15, and a long work time of about 2 hours 30 minutes is required even from the start of FIG. 15 to the end of the anodic bonding from t4. And
Therefore, in the conventional anodic bonding, there is a problem that a long time of about 3 hours is required in all the steps of FIG.
Here, if the anodic bonding in a vacuum is performed at a higher temperature than in the case of FIG. 15, the temperature falling time from t2 to a temperature suitable for anodic bonding corresponding to t3 can be reduced. However, if the anodic bonding is performed at a high temperature, the piezo-electric vibrating piece 2b formed of a piezoelectric material, for example, quartz, and the glass constituting the lid substrate 3 and the base substrate 4 may be bent or bonded due to a difference in thermal expansion coefficient. Another problem is that strain remains behind which can cause breakage.
[0010]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric device having a structure that can be sealed by anodic bonding in a short time and with good quality, a method of manufacturing the same, and a mobile phone and an electronic device using such a piezoelectric device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a glass base substrate fixed to the vibrating reed substrate such that the vibrating reed substrate is sandwiched therebetween. A piezoelectric device including a lid substrate, wherein the vibrating piece substrate is anodically bonded to the base substrate and the lid substrate, respectively, so that the piezoelectric vibrating piece is provided in an internal space inside the base substrate and the lid substrate. Is housed, and at least one of the base substrate and the lid substrate has a through-hole formed therein, which communicates the internal space with the outside.By filling the through-hole with a sealing material, This is achieved by a piezoelectric device in which the internal space is sealed in a closed state.
[0012]
According to the configuration of the first invention, either the base substrate or the lid substrate has a through hole. For this reason, after the vibrating reed substrate, the base substrate, and the lid substrate are respectively anodically bonded, the through-holes can be used as holes for removing internal gas. That is, since the anodic bonding can be performed at atmospheric pressure, the time required to raise the temperature to a required temperature can be reduced. Moreover, unlike the conventional case, it is not necessary to reduce the temperature to a temperature suitable for anodic bonding over a long time after degassing in a vacuum, so that the time required for the entire process can be shortened and the manufacturing cost can be reduced. After the joining, the gas inside of the through-hole is exhausted to remove the gas that adversely affects the vibration characteristics of the piezoelectric vibrating reed, so that the vibration performance is not deteriorated, and the through-hole is sealed. Since the piezoelectric vibrating reed is closed by the material, the sealing performance is properly secured.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide an effect that a piezoelectric device having a structure that can be sealed by anodic bonding in a short time and with good quality can be provided.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the vibrating reed substrate is provided with a frame having an open upper end and a lower end, and a piezoelectric member provided integrally with the frame inside the frame. And a vibrating reed.
According to the configuration of the second aspect of the invention, the piezoelectric vibrating reed can be bonded to the lid substrate and the base substrate by using the frame, so that the labor for bonding the small piezoelectric vibrating reed inside the package is unnecessary.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the second aspect, the piezoelectric vibrating reed includes a base formed integrally with the inner surface of the frame, and a pair of vibrating arms extending in parallel from the base. A vibrating reed, wherein each of the vibrating arms is formed with a groove extending in a length direction.
According to the configuration of the third invention, the electric field efficiency can be improved by forming the piezoelectric vibrating piece as a tuning fork type vibrating piece and forming a groove extending in the length direction on each of the vibrating arms.
[0015]
In a fourth aspect based on the configuration of the third aspect, the base portion includes a cutout portion between the region formed integrally with the inner surface of the frame and the vibrating arm. I do.
According to the configuration of the fourth aspect of the invention, when the piezoelectric vibrating reed is a tuning fork vibrating reed, the notch is formed in the base, thereby effectively preventing the vibration from the resonating arm from leaking into the base. Can be prevented, and the crystal impedance value can be suppressed.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a glass base fixed to the vibrating reed substrate so as to sandwich the vibrating reed substrate therebetween. A method for manufacturing a piezoelectric device comprising a substrate and a lid substrate, wherein the base substrate and the lid substrate each having a through hole formed in at least one of them are provided, and a driving electrode is provided on the resonator element substrate, and the base substrate And a bonding electrode provided on a bonding surface with the lid substrate, anodically bonding the vibrating piece substrate, the base substrate and the lid substrate in the air, and sealing the through hole in a vacuum. This is achieved by a method for manufacturing a piezoelectric device.
[0017]
According to the configuration of the fifth aspect, when manufacturing the base substrate and the lid substrate made of glass, a through hole is provided in one of them. Then, an electrode for bonding is provided on a bonding surface between the base substrate and the lid substrate, and the vibrating piece substrate is anodically bonded to the base substrate and the lid substrate at atmospheric pressure. That is, since the anodic bonding is performed at atmospheric pressure, the time required to raise the temperature to the temperature required for bonding can be reduced. Moreover, unlike the conventional case, it is not necessary to reduce the temperature to a temperature suitable for anodic bonding over a long time after degassing in a vacuum, so that the time required for the entire process can be reduced. After that, in a vacuum, the gas inside is discharged from the through-hole, and after this through-hole is closed with a sealing material, gas is generated inside and adheres to the piezoelectric vibrating reed to improve the vibration performance. An adverse effect can be effectively prevented.
[0018]
A sixth invention is characterized in that, in the configuration of the fifth invention, after the anodic bonding, before the hole sealing, the piezoelectric vibrating reed is subjected to a heat treatment at a temperature higher than a reflow temperature for mounting in a vacuum. I do.
According to the configuration of the sixth aspect, after the anodic bonding, the piezoelectric vibrating piece is moved to a vacuum atmosphere and heated at a temperature higher than the reflow temperature at the time of mounting the piezoelectric device. A gas such as water vapor is generated. If this gas component is exhausted into a vacuum and the through-hole is sealed, even if it is heated in a reflow furnace when the piezoelectric device is mounted, gas is generated inside the mounting process and the piezoelectric vibrating piece To prevent the vibration performance from being adversely affected.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a vibrating piece substrate having a piezoelectric vibrating piece formed thereon, and a glass base fixed to the vibrating piece substrate so as to sandwich the vibrating piece substrate therebetween. An electronic device using a piezoelectric device including a substrate and a lid substrate, wherein the vibrating piece substrate and the base substrate and the lid substrate are respectively anodically bonded, thereby forming an inner portion of the base substrate and the lid substrate. The piezoelectric vibrating reed is housed in the internal space, and at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through-hole communicating the internal space and the outside, and the through-hole is sealed. This is achieved by an electronic device in which a clock signal for control is obtained by a piezoelectric device in which the internal space is hermetically sealed by filling a material. It is.
[0020]
Further, according to the eighth aspect of the present invention, there is provided a vibrating piece substrate on which a piezoelectric vibrating piece is formed, and a glass base fixed to the vibrating piece substrate so as to sandwich the vibrating piece substrate therebetween. A mobile phone device using a piezoelectric device including a substrate and a lid substrate, wherein the vibrating piece substrate, the base substrate, and the lid substrate are respectively anodically bonded, so that the inside of the base substrate and the lid substrate is The piezoelectric vibrating reed is accommodated in the internal space of the base plate, and at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through-hole for communicating the internal space with the outside. A portable telephone device in which a control clock signal is obtained by a piezoelectric device in which the internal space is hermetically sealed by filling a stopper material. , It is achieved.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 to 7 show an embodiment of the piezoelectric device of the present invention. FIG. 1 is a schematic exploded perspective view, FIG. 2 is a schematic plan view of a resonator element substrate of the piezoelectric device in FIG. 1, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2, FIG. 4 is a schematic bottom view of the resonator element substrate of the piezoelectric device of FIG. 1, FIG. 5 is a cross-sectional end view taken along the line BB of FIG. 6 is a schematic sectional view showing a state of anodic bonding, and FIG. 7 is a sectional view taken along the line CC of FIG.
[0022]
FIG. 1 shows an example in which a piezoelectric device 30 is configured as a piezoelectric vibrator. The piezoelectric device 30 is formed by fixing upper and lower openings (described later) of the resonator element substrate 36 with a lid substrate 37 and a base substrate 38, respectively.
The lid substrate 37 and the base substrate 38 are each formed of the same glass material.
The lid substrate 37 has a size that closes at least the upper opening 36a of the resonator element substrate 36 shown in FIG. 1, and in this embodiment, since the external shape of the resonator element substrate 36 is rectangular, the lid substrate 37 also has a rectangular shape. It has been. The base substrate 38 has a size to close at least the lower opening 36b of the resonator element substrate 36 shown in FIG. 1, and in this embodiment, since the external shape of the resonator element substrate 36 is rectangular, the base substrate 38 is also rectangular. It is shaped.
[0023]
The lid substrate 37 and the base substrate 38 have the same outer shape, and have the same outer shape as the outer shape of the resonator element substrate 36. As shown in FIG. 1, the lid substrate 37 has a concave portion 37a, and the base substrate 38 has a concave portion 38a.
The lid substrate 37 and the base substrate 38 are fixed so that the respective concave portions 37a and 38a face each other and the vibrating piece substrate 36 is interposed therebetween, whereby the respective concave portions 37a and 38a will be described later. The internal space S2 for accommodating the piezoelectric vibrating reed 32 is formed integrally with the space inside the vibrating reed substrate 36.
[0024]
As shown in FIG. 1, the resonator element substrate 36 is a rectangular frame having an open upper end and a lower end and having a gap or space inside. As shown in FIG. 1, a lid substrate 37 and a base substrate 38 are fixed to the open upper end and the lower end of the resonator element substrate 36, thereby sealing the internal space S2. I have.
The resonator element substrate 36 does not necessarily have to be a quadrangle as shown in FIG. 1, but may be an ellipse with a rounded corner, an oval, or the like. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the resonator element substrate 36 is formed as a rectangular frame that is long in one direction and has a small thickness.
[0025]
In particular, a piezoelectric material is used for the vibrating piece substrate 36 to form the piezoelectric vibrating piece 32 inside. As the piezoelectric material to be used, quartz is suitable as in this embodiment, and other than quartz, for example, a piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate can be used. In the case of the present embodiment, the resonator element substrate 36 forms the inner space and the outer shape of the piezoelectric resonator element 32 by etching a thin quartz plate.
[0026]
The piezoelectric vibrating reed 32 is integrally formed of the same material as the vibrating reed substrate 36. In the case of the present embodiment, the piezoelectric vibrating reed 32 is formed in a small size and is particularly illustrated in order to obtain necessary performance. It is shaped.
That is, in FIG. 2, the piezoelectric vibrating reed 32 is divided into a base 51 integrated with the inside of one end of the vibrating reed substrate 36 and a bifurcated rightward in FIG. And a pair of vibrating arms 34 and 35 extending in parallel to each other, and is a so-called tuning fork type piezoelectric vibrating reed having a whole shape like a tuning fork.
Preferably, the pair of vibrating arms 34, 35 of the piezoelectric vibrating reed 32 have long grooves 34a, 35a extending in the longitudinal direction, respectively, as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 5, the long grooves 34a and 35a are respectively formed on the upper and lower surfaces of the vibrating arms 34 and 35 in a similar manner.
[0027]
As described above, the pair of vibrating arms 34 and 35 are formed with the long grooves 34a and 35a extending in the longitudinal direction, respectively, and the first and second excitation electrodes 41b and 42b are formed in the long grooves 34a and 35a, respectively. Thereby, there is an advantage that the electric field efficiency in the vibrating arms 34 and 35 is improved. In FIG. 1, illustration of electrodes such as the excitation electrodes 41b and 42b is omitted in order to avoid complexity of illustration.
A notch provided between the base 51 and the pair of vibrating arms 34 and 35, which is a region integrally fixed to the inner surface of the vibrating reed substrate 36 of the piezoelectric vibrating reed 32, having a reduced width in the width direction of the base 51. Or constricted portions 52, 52 are provided.
Thereby, the leakage of the vibration of the piezoelectric vibrating reed 32 to the base 51 side can be prevented, and the CI (crystal impedance) value can be reduced.
[0028]
As shown in FIG. 2, a first electrode 41 is formed on the upper end surface 36c of the resonator element substrate 36. As shown by reference numeral 41a in FIG. 2, the first electrode 41 is connected to the first bonding electrode 41a routed to the upper end surface 36c of the resonator element substrate 36, and is connected to the first bonding electrode 41a. Then, the first excitation electrode 41b is routed through the surface of the base 51 of the piezoelectric vibrating reed 32 and on both sides of the vibrating arm 34 and the upper and lower surfaces of the vibrating arm 35.
Further, as shown in FIG. 4, a second electrode 42 is formed on the lower end surface 36d of the resonator element substrate 36. As shown by reference numeral 42a in FIG. 4, the second electrode 42 extends from the second bonding electrode 42a extended around the lower end surface 36d of the resonator element substrate 36, and extends from the second bonding electrode 42a. Then, the second excitation electrode 42b is routed through the back surface of the base 51 of the piezoelectric vibrating reed 32, on both sides of the vibrating arm 35, and on the upper and lower surfaces of the vibrating arm 34.
[0029]
These electrodes have the following structural features.
The first bonding electrode 41a and the second bonding electrode 42a are used for anodic bonding to the resonator element substrate 36, the lid substrate 37, and the base substrate 38, respectively. The first excitation electrode 41b and the second excitation electrode 42b are used to drive the piezoelectric vibrating reed 32.
The first bonding electrode 41a and the second bonding electrode 42a, and the first excitation electrode 41b and the second excitation electrode 42b are formed, for example, on the surface of the vibrating piece substrate 36 formed of quartz, for example. A common structure is provided in which a (Cr) layer is formed and a gold (Au) layer is provided thereon.
[0030]
Further, the first bonding electrode 41a and the second bonding electrode 42a are provided on the gold layer as a metal coating layer for anodic bonding, for example, an aluminum (Al) layer or, instead of this, It is formed by covering with tungsten, silicon, nickel, titanium and the like.
Also, as shown in FIG. 6, the first bonding electrode 41a is routed to the bottom surface of the base substrate 38 as a side electrode 45a on the left side surface in FIG. It is connected to the mounting electrode 45 provided at the end. Similarly, the second bonding electrode 42a is routed to the bottom surface of the base substrate 38 as a side electrode 46a on the right side surface in FIG. Is connected to
[0031]
As a particularly important configuration, as shown in FIG. 6, in the present embodiment, a through hole 60 that connects the internal space S2 to the outside is provided near the center of the lid substrate 37. The through-hole 60 has a form in which the two through-holes 61 and the through-hole 62 communicate with each other. The outer first hole 62 is formed to have a larger inner diameter than the second hole 61 that opens to the internal space S2 side. An outward step 63 is formed between the first hole 62 and the second hole 61. The through hole 60 is sealed with a sealing material as described later.
[0032]
As shown in FIG. 1, the flat portion 37c of the lid substrate 37 described with reference to FIGS. 1 and 2 is fixed to the upper end surface 36c of the resonator element substrate 36, and the lower end surface 36d of the resonator element substrate 36 Is fixed to the flat portion 38c of the base substrate 38 described with reference to FIGS.
Specifically, as shown in FIG. 6, a lid substrate 37 and a base substrate 38 made of glass are applied to a lid substrate 37 and a base substrate 38 at a temperature lower than their softening points. And the bonding electrodes 41a and 42a, which are bonding films for bonding them to the resonator element substrate 36, such that the bonding electrodes 41a and 42a serve as anodes. Apply voltage.
That is, anodic bonding is a method in which surfaces are brought into close contact with each other and bonded in a solid phase, and a method is used in which surfaces having a smooth surface are bonded by generating surface atoms. Therefore, ions move to the lid substrate 37 and the base substrate 38 made of glass by the action of the applied DC voltage, and the space charge formed in the gap between these and the bonding electrodes 41a and 42a and in the vicinity thereof. The layer is subjected to a continuously applied voltage. Then, an electrostatic attraction is generated between the lid substrate 37 and the base substrate 38 and each of the bonding electrodes 41a and 42a, and the electrodes come into close contact with each other. It is considered that a covalent bond is formed with an atom on the electrode side at the step S1 to form the bond. This process can also be reversibly advanced using a reverse voltage.
Thus, the internal space S2 is hermetically sealed by the lid substrate 37 and the base substrate 38 so as to sandwich the resonator element substrate 36 between the lid substrate 37 and the base substrate 38.
[0033]
The piezoelectric device 30 of the present embodiment is configured as described above. Next, a method for manufacturing the piezoelectric device 30 will be described.
FIG. 8 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric device.
In the figure, the manufacturing process of the lid substrate 37 and the base substrate 38 is shown from ST11 to ST13, and the manufacturing process of the piezoelectric vibrating reed 32 is shown from ST21 to ST24 (previous process).
First, the preceding process will be described.
The lid substrate 37 and the base substrate 38 are both formed of the same glass material. That is, in order to enable anodic bonding or to facilitate anodic bonding, a glass material in which ions are easily diffused is selected, and a material containing an alkali metal and suitable for etching is selected. Under these conditions, for example, soda glass is suitable.
[0034]
The lid substrate 37 and the base substrate 38 are formed by etching the respective outer shapes using a glass substrate of a predetermined size made of the above-described material.
Therefore, a corrosion-resistant film corresponding to each outer shape of the lid substrate 37 and the base substrate 38 is formed in advance on a glass substrate (not shown) so as to conform to each outer shape (ST11). Next, the outer shapes of the lid substrate 37 and the base substrate 38 are formed by etching, respectively (ST12).
[0035]
What is important here is that the through hole 60 shown in FIGS. 6 and 7 is formed in either the lid substrate 37 or the base substrate 38. In the present embodiment, the through hole 60 is formed substantially near the center of the lid substrate 37. The through hole 60 can be formed at the same time as the outer shape etching of the lid substrate 37 by removing a corresponding portion of the corrosion resistant film in advance. That is, in this step, a hole having an inner diameter corresponding to the second hole 61 of the through hole 60 is formed.
Next, the outer shapes of the lid substrate 37 and the base substrate 38 described with reference to FIG. 1 and the like are formed by removing the corrosion-resistant film (ST13).
Subsequently, a necessary corrosion-resistant film is formed on the lid substrate 37 and the base substrate 38, and half-etching is performed to form the concave portions 37a and 38a described in FIG. 1 (ST14).
Finally, with respect to the substrate provided with the through-hole 60, the periphery of the hole formed in ST13 is exposed, a corrosion-resistant film is formed in other portions, and half-etching is performed, so that the first hole 62 of the through-hole 60 is formed. Is formed (ST15).
Thus, the lid substrate 37 and the base substrate 38 are completed.
[0036]
For the piezoelectric vibrating reed 32, a corrosion-resistant film corresponding to the outer shape of the vibrating reed substrate 36 is formed in advance on a substrate (not shown) using a substrate such as a quartz wafer (ST21). Next, the outer shape of the resonator element substrate 36 is formed by etching using an etching solution such as hydrofluoric acid (ST22), and the corrosion-resistant film is removed (ST23). Next, an electrode required for operation as the piezoelectric vibrating reed 32 and an electrode used as a bonding film for anodic bonding are formed. Such an electrode has, for example, the configuration described in FIG. 2 to FIG. 4, and forms the first electrode 41 and the second electrode 42 described based on these drawings (ST24). ).
[0037]
That is, the first electrode 41 and the second electrode 42 have a common configuration in which, for example, a chromium (Cr) layer is formed in a corresponding portion of the resonator element substrate 36 and a gold (Au) layer is provided thereon. The first bonding electrode 41a and the second bonding electrode 42a are formed on the gold layer as a metal coating layer for anodic bonding, for example, an aluminum (Al) layer, Instead, tungsten, silicon, nickel, titanium, or the like is provided by a method such as sputtering or vapor deposition.
[0038]
Next, a post process will be described.
As described with reference to FIG. 6, the resonator element substrate 36 is anodically bonded to the lid substrate 37 and the base substrate 38 (ST35).
This anodic bonding step can be performed at atmospheric pressure without the need to discharge gas from the internal space S2 as in the related art. Therefore, for example, it can be executed according to a temperature profile as shown in FIG.
As shown in FIG. 6, between the lid substrate 37 and the base substrate 38 and the bonding electrodes 41a and 42a which are bonding films for bonding them to the resonator element substrate 36, these bonding electrodes 41a and 42a are formed. A DC voltage is applied from the DC power supply 39 so that the side becomes the anode.
[0039]
At this time, as shown in FIG. 9, the time Ht1 for heating from the start to the temperature L1 required for anodic bonding does not need to be degassed in a vacuum atmosphere as in the prior art. Heating can be performed in a very short time because it is heating and does not require a high temperature required for degassing. That is, the temperature L1 is about 150 degrees Celsius (hereinafter, all the temperature indications are "Celsius"). Therefore, the temperature is raised to the temperature L1 (Ht1), and it takes about 3 minutes until the anodic bonding is completed after the temperature rise. Therefore, the time from the start until the anodic bonding is completed is about 8 minutes.
[0040]
Next, the workpiece is moved to a vacuum chamber (not shown) to lower the temperature to L2, and from time Ht3 to time Ht4, is heated again to temperature L3 to perform an annealing process (ST36). The temperature L3 is preferably higher than the reflow temperature performed when the piezoelectric device 30 is mounted. For this reason, heating is performed to a temperature appropriately selected, for example, from 260 ° C. to about 300 ° C. This is because this annealing treatment is to prevent degassing during reflow. Therefore, the temperature is raised to, for example, about 300 degrees as the temperature L3, and the gas that flows out of the inside of the piezoelectric vibrating reed 32, the lid substrate 37, and the base substrate 38 is exhausted from the through hole 60 for about 30 minutes in the internal space S2.
[0041]
In FIG. 9, at time Ht5 which is the last time of temperature L3, hole sealing is performed (ST37). This hole sealing is performed in a vacuum chamber as follows.
As shown in FIG. 10, a sealing material 70 is arranged in the through hole 60 of the lid substrate 37. The sealing material 70 is at least partially received in the first hole 62 of the through hole 60 and has an outer shape larger than the inner diameter of the second hole 61, so that the sealing material 70 falls or completely enters the inside of the lid substrate 37. It is preferable that the size does not enter. For this reason, in the present embodiment, for example, a spherical sealing material 70 is used.
[0042]
The sealing material 70 is melted and filled in the first hole 62 and / or the second hole 61 of the through hole 60, and is preferably made of a material that can be easily bonded to the lid substrate 37. Further, it is preferable that the piezoelectric device 30 does not easily melt due to the heating temperature in the reflow step. Under such conditions, an Au-Sn alloy or an Au-Ge alloy can be used. In addition, as the sealing material 70, low melting point glass or the like can be used in consideration of ease of joining with the lid substrate 37.
Then, as shown in FIG. 10, such a sealing material 70 is positioned in the first hole 62 of the through hole 60, and is irradiated with a laser beam LB or the like from the outside and melted. Thereby, the hole sealing is completed by filling the molten sealing material 70 so as to close the through hole 60. After that, the temperature is lowered in the vacuum chamber for a time period up to Ht6 in FIG. 9 and is taken out of the vacuum chamber. In addition, it is also possible to take out to the air immediately after sealing the holes and further reduce the cooling time. On the other hand, in consideration of protection of the package from thermal stress, it is more preferable to lower the temperature in the vacuum chamber as shown in FIG.
Next, the product is diced to the size of each product (ST38), and necessary inspections and the like are performed to complete the piezoelectric device 30 (ST39).
[0043]
As described above, according to the present embodiment, the through holes 60 are provided in the lid substrate 37. That is, the through-hole 60 is used as a hole for removing gas from the internal space S2 after the resonator element substrate 36 is anodically bonded to the base substrate 38 and the lid substrate 37, respectively. As a result, the anodic bonding can be performed at the atmospheric pressure, and the time required to raise the temperature to the required temperature L1 can be reduced, so that the manufacturing cost can be reduced. After the joining, the gas inside the through-hole 60 is exhausted to remove the gas that adversely affects the vibration characteristics of the piezoelectric vibrating piece 32, so that the vibration performance is not deteriorated. Since the stopper 70 is closed, the piezoelectric vibrating reed 32 is properly sealed, and the sealing performance is ensured.
Therefore, it is possible to provide the piezoelectric device 30 having a structure that can be sealed by anodic bonding with high quality in a short time.
[0044]
FIG. 11 is a diagram illustrating a schematic configuration of a digital mobile phone device as an example of an electronic apparatus using the piezoelectric device according to the embodiment of the present invention.
In the figure, a microphone 308 for receiving the voice of the sender and a speaker 309 for outputting the received content as a voice output are provided, and further, an integrated circuit or the like as a control unit connected to the modulation and demodulation unit of the transmission / reception signal is provided. CPU (Central Processing Unit) 301.
The CPU 301 controls the input / output unit 302 including an LCD as an image display unit and operation keys for inputting information, and the memory 303 including a RAM and a ROM, in addition to the modulation and demodulation of transmission / reception signals. It has become. For this reason, the piezoelectric device 30 is attached to the CPU 301, and its output frequency is used as a clock signal suitable for the control content by a predetermined frequency dividing circuit (not shown) or the like built in the CPU 301. ing. The piezoelectric device 30 attached to the CPU 301 is not limited to the piezoelectric device 30 alone, but may be an oscillator combining the piezoelectric device 30 or the like with a predetermined frequency dividing circuit or the like.
[0045]
The CPU 301 is further connected to a temperature-compensated crystal oscillator (TCXO) 305, and the temperature-compensated crystal oscillator 305 is connected to a transmitting unit 307 and a receiving unit 306. Thus, even if the frequency of the basic clock from the CPU 301 fluctuates due to a change in the environmental temperature, the frequency is corrected by the temperature-compensated crystal oscillator 305 and provided to the transmission unit 307 and the reception unit 306.
[0046]
As described above, by using the piezoelectric device 30 according to the above-described embodiment in an electronic device such as the digital mobile phone device 300 including the control unit, even if the electronic device is efficiently manufactured in a short time at a low cost, An accurate clock signal can be generated without adversely affecting the vibration performance of the piezoelectric vibrating reed 32 due to the adhesion of the gas.
[0047]
The invention is not limited to the embodiments described above. Each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with another configuration not shown.
In particular, the structure for arranging the electrodes of the piezoelectric vibrating reed is not limited to the example described in the above embodiment, and various structures can be adopted.
In addition, the present invention can be applied to all piezoelectric devices regardless of the names of the piezoelectric vibrator, the piezoelectric oscillator, and the like as long as the piezoelectric vibrating reed is housed in the package.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic exploded perspective view showing an embodiment of a piezoelectric device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of a resonator element substrate of the piezoelectric device of FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line AA of FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic bottom view of a resonator element substrate of the piezoelectric device of FIG. 1;
FIG. 5 is a sectional view taken along the line BB of FIG. 1;
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a state of anodic bonding of the piezoelectric device of FIG. 1;
FIG. 7 is a sectional end view taken along line CC of FIG. 6;
FIG. 8 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for manufacturing a piezoelectric device according to the present invention.
FIG. 9 is a graph showing an example of a temperature profile of anodic bonding and annealing in the manufacturing process of FIG. 8;
FIG. 10 is an explanatory view showing a state of hole sealing in the manufacturing process of FIG. 8;
FIG. 11 is a view showing a schematic configuration of a digital mobile phone device as an example of an electronic apparatus using a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an exploded perspective view showing an example of a conventional piezoelectric device.
FIG. 13 is a schematic sectional view of the piezoelectric device of FIG.
FIG. 14 is a flowchart showing a method for manufacturing the piezoelectric device of FIG.
FIG. 15 is a graph showing a temperature profile of anodic bonding and annealing in the manufacturing process of FIG. 14;
[Explanation of symbols]
Reference numeral 30 denotes a piezoelectric device, 32 denotes a piezoelectric vibrating reed, 36 denotes a vibrating reed substrate, 37 denotes a lid substrate, 38 denotes a base substrate, 41a and 42a denotes a bonding electrode, 41b... 1st excitation electrode, 42b ... 2nd excitation electrode, 51 ... base.

Claims (8)

圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスであって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている
ことを特徴とする、圧電デバイス。
A vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a piezoelectric device including a glass base substrate and a lid substrate respectively fixed to the vibrating reed substrate, with the vibrating reed substrate interposed therebetween,
The piezoelectric vibrating reed is accommodated in an internal space inside the base substrate and the lid substrate by the vibrating reed substrate and the base substrate and the lid substrate being respectively anodically bonded,
In addition, at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through hole that communicates the internal space with the outside. By filling the through hole with a sealing material, the internal space is sealed. A piezoelectric device characterized by being sealed in a piezoelectric device.
前記振動片基板が、上端と下端とが開放された枠体と、この枠体に対して、枠体の内側に一体に設けられた圧電振動片とを備えることを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。2. The vibrating piece substrate according to claim 1, further comprising: a frame having an open upper end and a lower end; and a piezoelectric vibrating piece integrally provided inside the frame with respect to the frame. 3. The piezoelectric device as described. 前記圧電振動片が、前記枠体の内面に一体に形成される基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕とを備えた音叉型振動片であり、前記各振動腕には、長さ方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の圧電デバイス。The piezoelectric vibrating reed is a tuning fork vibrating reed including a base integrally formed on the inner surface of the frame, and a pair of vibrating arms extending in parallel from the base, and each of the vibrating arms has a length. The piezoelectric device according to claim 2, wherein a groove extending in the direction is formed. 前記基部には、前記枠体の内面と一体に形成された領域と、前記振動腕との間に、切欠き部を備えることを特徴とする請求項3に記載の圧電デバイス。4. The piezoelectric device according to claim 3, wherein the base has a notch between the region formed integrally with the inner surface of the frame and the vibrating arm. 5. 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスの製造方法であって、
少なくともいずれか一方に貫通孔を形成した前記ベース基板及び前記リッド基板を用意し、
前記振動片基板に駆動用の電極と、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設け、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気中で陽極接合し、
さらに、真空中で前記貫通孔を孔封止する
ことを特徴とする、圧電デバイスの製造方法。
A method of manufacturing a piezoelectric device including a vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a glass base substrate and a lid substrate respectively fixed to the vibrating reed substrate, with the vibrating reed substrate interposed therebetween,
Prepare the base substrate and the lid substrate having a through hole formed in at least one of them,
A driving electrode on the resonator element substrate, and a bonding electrode provided on a bonding surface between the base substrate and the lid substrate,
The vibrating piece substrate, the base substrate and the lid substrate are anodically bonded in the air,
Further, a method of manufacturing a piezoelectric device, comprising sealing the through-hole in a vacuum.
前記陽極接合の後、前記孔封止の前に前記圧電振動片を真空中において、実装のリフロー温度より高い温度で熱処理することを特徴とする、請求項5に記載の圧電デバイスの製造方法。The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 5, wherein after the anodic bonding and before the hole sealing, the piezoelectric vibrating reed is subjected to a heat treatment in a vacuum at a temperature higher than a reflow temperature for mounting. 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、電子機器。
An electronic device using a piezoelectric device including a vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a glass base substrate and a lid substrate fixed to the vibrating reed substrate with the vibrating reed substrate interposed therebetween. hand,
The piezoelectric vibrating reed is accommodated in an internal space inside the base substrate and the lid substrate by the vibrating reed substrate and the base substrate and the lid substrate being respectively anodically bonded,
In addition, at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through hole that communicates the internal space with the outside. By filling the through hole with a sealing material, the internal space is sealed. An electronic device characterized in that a control clock signal is obtained by a piezoelectric device sealed in the electronic device.
圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、携帯電話装置。
A mobile phone device using a piezoelectric device including a vibrating reed substrate on which a piezoelectric vibrating reed is formed, and a glass base substrate and a lid substrate respectively fixed to the vibrating reed substrate so as to sandwich the vibrating reed substrate therebetween. So,
The piezoelectric vibrating reed is accommodated in an internal space inside the base substrate and the lid substrate by the vibrating reed substrate and the base substrate and the lid substrate being respectively anodically bonded,
In addition, at least one of the base substrate and the lid substrate is formed with a through hole that communicates the internal space with the outside. By filling the through hole with a sealing material, the internal space is sealed. A cellular phone device characterized in that a control clock signal is obtained by a piezoelectric device sealed in the mobile phone device.
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