JP2004356913A - 圧電装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、圧電素子をベース基板にハンダにて接続及び封止する場合に、超音波熱圧着を用いて仮止めを行う際に当接面に発生するハンダ接合性の悪い合金層の影響を抑えて、封止信頼性が高く量産性の高い圧電共振装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電基板１０の一方主面上に形成された接続電極１３及び封止電極１４と、対向するベース基板２上の素子接続用電極２１及び素子封止用電極２２上にハンダを溶融させて形成したハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４とを当接させて超音波熱圧着する際に、素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４の頂点部が封止電極１４の外側に当接する構造とする。
【選択図】図１
【解決手段】圧電基板１０の一方主面上に形成された接続電極１３及び封止電極１４と、対向するベース基板２上の素子接続用電極２１及び素子封止用電極２２上にハンダを溶融させて形成したハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４とを当接させて超音波熱圧着する際に、素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４の頂点部が封止電極１４の外側に当接する構造とする。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電装置及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは、気密構造に特徴を有する圧電装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を利用した圧電装置は広範な分野で用いられており、例えば、圧電体の厚み振動を利用した圧電共振装置は、小型化や高周波化が必要な分野への適用が進んでいる。
【０００３】
従来の圧電共振装置としては、基体の一方主面に圧電体層とそれを挟み込む一対の振動電極とを形成した圧電素子を、セラミック等のパッケージで気密封止した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は特許文献１に示されている従来の圧電共振装置１００を模式的に示す断面図である。圧電素子１０１はパッケージ１０２のベース基板１０２ａの上面にハンダ接合部１０３を介してフリップチップボンディングされ、蓋体１０４によって気密封止されている。圧電素子１０１とパッケージ１０２との電気的接続もハンダ接合部１０３を介して行われ、パッケージ１０２のベース基板１０２ａに内蔵された配線導体１０５を介して、ベース基板１０２ａの底面に形成された外部端子電極（図示せず）と接続されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３２２５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の圧電共振装置１００は小型化と低コスト化の点で問題を有していた。すなわち、従来の圧電共振装置１００においては圧電素子１０１をパッケージ１０２で気密封止していることから、その全体形状が圧電素子１０１の大きさに比し著しく大型となり、小型化が困難であった。また、形状が複雑で、高価なパッケージ１０２や蓋体１０４を使用する必要があるため、部材費が高くなり、低コスト化が困難であった。
【０００７】
上述の問題を解決する為に、本発明者は、図６に示すような構造の圧電共振装置を案出した。図６は本発明者が案出した圧電共振装置を模式的に示す断面図であり、図６において、圧電共振装置５０は、圧電素子５１、ベース基板５２、ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４、外装樹脂層５５とから構成されている。
【０００８】
圧電素子５１としては、圧電共振子や、複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタやデュプレクサなどが例示でき、基体５６の一方主面上に、間に圧電体層５７が介在されている一対の振動電極５８、この振動電極５８とそれぞれ接続される接続電極５９が形成され、さらに、基体５６の一方主面の外周に環状の封止電極６０が形成されている。尚、振動電極５８の振動領域上には空隙６１が形成されており、振動の減衰が防止されている。
【０００９】
ベース基板５２構成する基板６２はセラミックやガラス−セラミック材料からなり、その表面には、素子接続用電極６３、素子封止用電極６４及び外部端子電極６５が形成されている。さらに、その内部には、素子接続用電極６３と外部端子電極６５とを接続する、ビアホール導体を含む内部配線パターン６６が形成されている。
【００１０】
このようなベース基板５２上に圧電素子５１を接合するにあたり、ベース基板５２の一方主面と圧電素子５１の一方主面（圧電体層５７、振動電極５８等が形成された面）との間に所定間隙が形成されるように、圧電素子５１の接続電極５９とベース基板５２の主面の素子接続用電極６３とをハンダバンプ部材５３によりそれぞれ接続し、圧電素子５１の封止電極６０とベース基板５２の素子封止用電極６４とをハンダ接合部材５４によって接合する。
【００１１】
ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４は、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ材料を用いる。なお、この接合時にあたり、ベース基板５２と圧電素子５１との間隙が所定雰囲気、例えば窒素雰囲気になるように、接合は窒素雰囲気中で処理する。
【００１２】
また、ベース基板５２に接合された圧電素子５１は、他方主面側及び側面にわたり、外装樹脂層５５が被着形成されている。この外装樹脂層５５としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などが例示できる。
【００１３】
このような圧電共振装置において、ベース基板５２は、圧電素子５１の素子サイズよりも若干大きく成形されており、ベース基板５２の一方主面には素子接続用電極６３、素子封止用電極６４が形成され、他方主面には外部端子電極６５が形成され、その内部には、内部配線パターン６６が形成されている。
【００１４】
また、圧電素子５１は、シリコン等からなる基体５６に、圧電体層５７、振動電極５８、接続電極５９、封止電極６０が形成されている。
【００１５】
この圧電共振装置の製造方法としては、大型ベース基板の各素子領域内に存在する素子接続用電極６３と素子封止用電極６４の上にクリームハンダを印刷塗布し、リフロー炉を通して溶融することによりそれぞれハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４を形成する。その後、ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４に対してハンダフラックス洗浄を行い、圧電素子５１の接続電極５９が、ベース基板５２上のハンダバンプ部材５３に当接するように、同時に、圧電素子５１の封止電極６０がベース基板５２上のハンダ接合部材５４に当接するように、多数個の圧電素子５１を大型ベース基板のそれぞれの素子領域に位置決め載置して、各圧電素子５１に適当な荷重を印加しながらリフロー炉に通してリフロー処理を行う。これによりハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４が再溶融されて、ハンダパンプ部材５３によってベース基板５２側の素子接続用電極６３と圧電素子５１側の接続電極５９との間の電気的な接続が達成され、同時にハンダ接合部材５４によってベース基板５２側の素子封止用電極６４と圧電素子５１側の封止電極６０との間の封止接合が達成される。これにより、圧電素子５１の振動電極５８の形成領域においてベース基板５２との間に空洞が形成された状態で接合される。
【００１６】
なお、圧電素子５１の振動電極５８はモリブデン、タングステン、アルミニウムなどからなるが、接続電極５９と封止電極６０は、ニッケル層と金層からなる表面層を有し、ハンダとの接続性を良好なものとしている。
【００１７】
次に、多数個取りの大型ベース基板上に実装された複数の圧電素子５１に、すくなくとも圧電素子５１が覆われるように、外装樹脂を流し込んで加熱硬化して外装樹脂層５５となる樹脂を形成する。
【００１８】
最後に、大型ベース基板上に樹脂によって被覆された圧電素子５１を、ダイシングソーなどで各素子領域毎に切断し、圧電共振装置５０を得る。
【００１９】
しかしながら、上述の圧電共振装置５０では、大型ベース基板上に、多数個の圧電素子５１を位置決めした状態で各素子に荷重を印加しながらリフロー炉に通さなければならないが、大型ベース基板に載置した圧電素子５１が位置ずれしないように各工程を施すことが困難であった。
【００２０】
この対策として圧電素子５１を１つ１つベース基板５２に超音波熱圧着することで大型ベース基板の上に仮固定したあとリフロー炉に通すことを試みたが、このような超音波熱圧着により仮固定を施したのち、リフローハンダを溶融させて接合された場合、量産ベースでハンダ接合部材５４部分を評価すると、このハンダ接合部材５４で封止不良が発生する場合があった。
【００２１】
不具合部の詳細を観察してみると、圧電素子５１の封止電極６０の表面中のニッケル、金と、ベース基板５２上の素子封止用電極６４上に形成したハンダ接合部材５４中のＳｎとが超音波圧着時に合金化し、ＳｎＮｉ、ＳｎＡｕなどのハンダ密着性の悪い粒状物質（合金層）が、ハンダ接合部材５４と封止電極６０との当接部分を中心に形成される。この密着性の悪い合金層ははんだと一体化しないため気密性が悪化し、結果として、外周封止接合部分での耐湿信頼性不良を引き起こしてしまう。
【００２２】
特に、この密着性の悪い合金層は、上述したように、ハンダ接合部材５４の頂点、すなわち断面半円形状となった頂点部分に集中する。しかも、従来の圧電素子５１の封止電極６０とベース基板５２側の素子封止用電極６４とは、その形状が同一となっており、且つ素子封止用電極６４の全幅にわたってハンダ接合部材５４が形成されているため、密着性の悪い合金層が、圧電素子５１側の封止電極６０の中央部分に位置することになる。この密着性の悪い合金層が外周封止を行う部分の中央部分に位置することによって、安定した接合をおこなう領域を大きく減少させ、耐湿信頼性不良を引き起こしてしまうものである。
【００２３】
また、外周接合部分での耐湿信頼性の低下は、素子封止用電極６４の形状にも起因する。すなわち、素子封止用電極６４は、圧電素子５１の形状に対応して、全体が矩形状となった環状に形成されている。この場合、そのコーナー部分に形成されるリフローハンダは表面張力の関係で、コーナー部分以外の他の辺に比べて盛り上がった形になりやすい。このため、ハンダ接合部材５４と圧電素子５１の封止電極６０との接触状態が、コーナー部分とそれ以外の部分で変化してしまい、これによって、全外周を安定して接合することが困難となる。特に、超音波熱圧着で仮固定する際に、このコーナー部分で接触度合いが増加して、上述の合金層の影響を受け易く、封止不良を引き起こしてしまうという問題があった。
【００２４】
本発明は上述の課題に鑑み案出されたもので、その目的は、圧電素子を大型ベース基板に超音波熱圧着法を用いて仮固定することを容易にし、信頼性の高い圧電共振装置を提供するとともに、製造効率が高い製造方法を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電装置は、基体上に、間に圧電体層が介在されている一対の振動電極を形成するとともに、該振動電極の一端に接続電極を設け、更に前記振動電極及び前記圧電体層を囲繞する環状の封止電極を前記基板上に形成した圧電素子と、
前記接続電極に電気的に接続される素子接続用電極、前記封止電極と接合する環状の素子封止用電極、及び、外部端子電極を形成したベース基板とを、
前記ベース基板と前記圧電素子との間に所定の間隙を形成するようにして、前記接続電極と前記素子接続用電極とをハンダバンプ部材を介して接続するとともに、前記封止電極と前記素子封止用電極とをハンダ接合部材を介して接合してなる圧電装置において、
前記素子封止用電極の電極幅を前記封止電極の電極幅よりも広くし、且つ前記素子封止用電極の内周形状と前記封止電極の内周形状とを略一致せしめたことを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明の圧電装置は、前記素子封止用電極は、その全周にわたり実質的に同一の導体幅で形成されており、前記素子封止用電極上に接合される前記ハンダ接合部材の幅は、前記素子封止用電極の導体幅と略同一であることを特徴とするものである。
【００２７】
更に、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材を前記素子接続用電極上に、前記ハンダ接合部材を前記素子封止用電極上にそれぞれ形成し、次に、前記接続電極と前記素子接続用電極、あるいは前記封止電極と前記素子封止用電極の少なくとも一方を、前記素子接続用電極上に形成した前記ハンダバンプ部材または前記素子封止用電極上に形成した前記ハンダ接合部材を用いて超音波熱圧着により仮固定し、しかる後、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させることを特徴とするものである。
【００２８】
また更に、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させる時、前記圧電素子に荷重が印加されており、且つ、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材の溶融がリフロー処理により行われることを特徴とするものである。
【００２９】
更にまた、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させた後、前記荷重を解除した状態で溶融温度から常温まで徐冷することを特徴とするものである。
【００３０】
【作用】
本発明の圧電共振装置は、ハンダバンプ部材及びハンダ接合部材を介して、ベース基板に圧電素子がハンダ接合されている。即ち、圧電素子の接続電極とベース基板の素子接続用電極とがハンダバンプ部材により電気的に接続されている。
また、圧電素子の封止電極とベース基板の素子封止用電極とがハンダ接合部材によって気密封止接合されている。
【００３１】
本発明においては、圧電素子をベース基板が複数抽出できる大型ベース基板に超音波熱圧着によりハンダバンプ部材ないしハンダ接合部材を介して、圧電素子が１個ずつ位置決めされながらベース基板に仮固定される。
【００３２】
本発明では、素子封止用電極の電極幅Ｗは、前記封止電極の電極幅ｗよりも広く、且つ素子封止用電極の内周形状と封止電極の内周形状とが略一致している。
すなわち、素子封止用電極の電極幅Ｗの中央部分は、封止電極の中央部分よりも外側に偏在している。すなわち、素子封止用電極の電極幅に形成された接合前のハンダ接合部材（断面半円形状）の頂点は、封止電極の外側に当接することにより、この部分で仮固定されることになる。このため当接部分で発生しやすいハンダ濡れ性の悪い合金層は、封止電極の外寄り部分に偏在し、その後のリフローハンダを溶融させて接合する時に、圧電素子の封止電極の電極幅中央から内側にかけては、ハンダ濡れ性の悪い合金層が存在しない領域で安定且つ確実な溶融接合ができ、気密的に封止することができる。これにより、超音波熱圧着で生成されたハンダ濡れ性の悪い合金層の影響を受けることなく、耐湿信頼性の高い封止接合が可能な圧電共振装置となる。
【００３３】
ここでベース基板の素子封止用電極の導体幅Ｗが全周にわたり均一に形成されているため、ハンダ接合部材をこの素子封止用電極に形成してもハンダ接合部材の盛り上がりを均一にすることができ、これにより封止電極に超音波熱圧着で仮固定されるときは、全周にわたって均等な仮固定が達成でき、従来のように部分的に超音波熱圧着が集中してハンダ封止が困難な合金層による封止不良を引き起こすことがない。
【００３４】
また、上述の圧電共振装置の製造方法においては、ベース基板に圧電素子を超音波熱圧着により仮固定するため、圧電素子の位置ずれなどを抑えることができ、圧電素子とベース基板との安定した接続が維持でき、しかも、製造工程中の搬送などの取り扱いが非常に容易となる。
【００３５】
特に、仮固定されたハンダバンプ部材とハンダ接合部材を所定加圧条件（荷重）下で加熱処理により溶融するが、その状態で荷重を解除して溶融温度から常温に徐冷すると、溶融ハンダによるセルフアラインメント効果により、ベース基板上の圧電素子が若干位置ずれしていても本来の位置自動的に修正される。特に加圧条件が強かった場合は溶融ハンダが押しつぶされた形になり、電極間の距離が狭まり、最悪ショートする可能性が考えられるが、上記のような加圧の解放により適切な接続・封止状態が達成できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電共振装置及びその製造方法を図面に基づいて詳説する。
【００３７】
図１は、本発明の圧電共振装置の断面図であり、図２（ａ）は、本発明の圧電共振装置の仮固定前の状態を示す部分側面図であり、図２（ｂ）は、仮固定した後の部分側面図であり、図２（ｃ）は、ハンダバンプ部材及びハンダ接合部材で接合した後の部分側面図である。また、図３は、本発明の圧電共振装置に用いるベース基板の概略平面図であり、図４は、本発明の圧電共振装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【００３８】
図１において、本発明の圧電共振装置は、圧電素子１、ベース基板２、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４、外装樹脂層５から構成されている。
【００３９】
圧電素子１は、圧電共振子や、複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタやデュプレクサなどが例示でき、例えば、シリコンからなる基体１０の一方主面上に、間に窒化アルミニウムからなる圧電体層１１が介在されている一対の振動電極１２、この振動電極１２とそれぞれ接続される接続電極１３が形成されている。
さらに、基体１０の一方主面の外周には、圧電素子１とベース基板２との間に形成される間隙を気密封止する為の環状の封止電極１４が形成されている。尚、振動電極１２の振動領域上には空隙１５が形成されており、振動の減衰が防止されている。
【００４０】
なお、振動電極１２はモリブデン、タングステン、アルミニウムなどからなるが、接続電極１３と封止電極１４はニッケル層と金層からなる表面層を有し、ハンダとの接続性を良好なものとしている。
【００４１】
ベース基板２の材料としては、たとえば、ガラス−セラミック材料、アルミナなどが例示できる。ベース基板２を構成する基板２０の表面には、素子接続用電極２１、素子封止用電極２２及び外部端子電極２３が形成されている。さらに、基板１０の内部には、素子接続用電極２１と外部端子電極２３とを接続するビアホール導体を含む内部配線パターン２４が形成されている。この素子接続用電極２１、素子封止用電極２２及び外部端子電極２３は、銀の導体膜上にメッキ処理などを施して、少なくともハンダ濡れ性が良好な金属表面を形成する。
【００４２】
このようなベース基板２上に圧電素子１を接合するにあたり、ベース基板２の一方主面（素子接続用電極２１、素子封止用電極２２等が形成された面）と圧電素子１の一方主面（振動電極１１、接続電極１２、封止電極１３などが形成された面）との間に所定間隙を形成するように、圧電素子１の接続電極１３とベース基板２の主面の素子接続用電極２１とをハンダバンプ部材３により電気的に接続して、圧電素子１の封止電極１４とベース基板２の素子封止用電極２２とをハンダ接合部材４によって気密封止接合する。なお、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４は、環境問題を考慮して、無鉛はんだ材料であるＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系のハンダを用いることが望ましい。
【００４３】
なお、圧電素子１とベース基板２との間の間隙は、所定雰囲気、たとえば窒素雰囲気になるように、気密封止接合処理を窒素雰囲気でおこなう。
【００４４】
また、ベース基板２に接合された圧電素子１には、他方主面側及び側面にわたり、外装樹脂層５を被着形成する。この外装樹脂層５は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などが例示できる。
【００４５】
本発明で特徴的なことは、環状の素子封止用電極２２の導体幅Ｗが、これに対応する環状の封止電極１４の電極幅ｗよりも大きく設定され、しかも素子封止用電極２２の内周形状と前記封止電極１４の内周形状とが略一致するように形成している点である。すなわち、平面視すると素子封止用電極２２の外周が、封止電極１４の外周よりも突出した形状を有している。また、環状の素子封止用電極２２は、その全周にわたり、すなわち、コーナー部分及び他の辺部分においても、実質的に同一の導体幅Ｗで構成され、さらに、素子封止用電極２２上に形成されるハンダ接合部材４は、この素子封止用電極２２の導体幅Ｗいっぱいに形成されている。
【００４６】
そして、このようなベース基板２と圧電素子１との接合は、まず、例えばベース基板２側の素子接続用電極２１上及び素子封止用電極２２上にハンダバンプ部材３（図２で符号３ａと付す）及びハンダ接合部材４（図２で符号４ａと付す）を形成する。具体的には、素子接続用電極２１上及び素子封止用電極２２上にクリームハンダを塗布し、リフロー処理を施して形成する。
【００４７】
次いで、前記圧電素子１とベース基板２とを溶融接合する。
【００４８】
このよう接合工程は、素子接続用電極２１上に形成したハンダバンプ部材３ａと圧電素子１の接続電極１３とを、同時に素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４ａと圧電素子１の封止電極１４とをそれぞれ位置合わせして、少なくともその一方を超音波熱圧着により仮固定する工程と、仮固定された状態でハンダバンプ部材３ａ及びハンダ接合部材４ａを溶融させて接合する工程からなる。
【００４９】
尚、溶融接合する工程は、圧電素子１に荷重を印加しながらリフロー処理（再溶融）により行われるものであり、さらに、その後、この荷重を解除した状態で溶融温度から常温まで徐冷する処理を含むものである。
【００５０】
それらの工程を図２に示す。
【００５１】
図２（ａ）に示すように、ベース基板２側の素子接続用電極２１上にハンダバンプ部材３ａを、ベース基板２側の素子封止用電極２２上にハンダ接合部材４ａをそれぞれ形成する。次に、仮固定をおこなうため、ハンダバンプ部材３ａを圧電素子１の接続電極１３に、ハンダ接合部材４ａを圧電素子１の封止電極１４にそれぞれ位置合わせしてベース基板２に圧電素子１を載置する。
【００５２】
次に、図２（ｂ）に示すように、ベース基板２を、超音波熱圧着を確実にするために、例えば１００〜１５０℃に加熱し、圧電素子１側から超音波振動をあたえ、同時に圧着して仮固定する。例えば、ハンダバンプ部材３ａの突出量が、ハンダ接合部材４ａの突出量よりも大きい場合、超音波融着は先行してハンダパンプ部材３（３ｂ）側で行われ、このハンダパンプ部材３の突出量が低くなると、超音波融着は素子封止用電極２２上のハンダ接合部材４（４ｂ）でも行われる。
すなわち、これにより仮固定は達成される。
【００５３】
次に、図２（ｃ）に示すように、圧電素子１側から荷重をかけながら、ハンダ溶融温度以上の温度でリフロー炉に通して、ハンダバンプ部材３（３ｃ）、ハンダ接合部材４（４ｃ）を溶融させて、圧電素子１とベース基板２の電気的接続及び外周部分での気密封止を達成する。
【００５４】
尚、圧電素子１とベース基板２のとの間の間隙を所定雰囲気とするために、これらの接合工程を所定雰囲気で行う。
【００５５】
このように、溶融させて接合する時に圧電素子１側から荷重をあたえているため、素子封止用電極２２と封止電極１４との間のハンダ接合部材４が充分につぶれた状態で溶融接合され、封止が確実に行われることになる。
【００５６】
その後、この荷重を解除した状態で、溶融温度から常温まで徐冷する。これにより、接合工程が完了する。すなわち、荷重のかからない状態で常温にまで徐冷される間に、ハンダのセルフアライメント効果が動作して、特に、接続電極１３と素子接続用電極２１との間の位置ずれが補正され、確実な電気的な接続が達成される。
【００５７】
本発明では、ベース基板２側の素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４が仮固定される際、このハンダ接合部材４の頂点部分が、表面に金層を有する封止電極１４に接触して超音波熱圧着され、その結果、ハンダ濡れ性の悪い合金層が発生してしまう。しかし、このハンダ濡れ性の悪い合金層は、図２（ｂ）で示すハンダ接合部材４ｂの頂点部（▲印で示す）で主に発生する。しかし、上述したように、素子封止用電極２２の外周が封止電極１４の外周よりも突出した形状であるため、ハンダ接合部材４ｂの頂点部は、封止電極１４の幅ｗ方向の外寄りに位置することになる。すなわち、図２（ｃ）のようにリフロー炉を通して溶融接合する場合には、封止電極１４の幅ｗの中央から内寄り、すなわち、ハンダ濡れ性の悪い合金層が形成されない領域で、溶融したハンダが安定して濡れて、確実なハンダ接合が達成でき、良好な封止が達成される。
【００５８】
したがって、従来でははんだ濡れ性が悪い領域が封止電極６０の中央に位置していたのに対して、本発明では、濡れ性の悪い領域が外寄りに偏在し、その結果、確実なはんだ接合に寄与する領域が増大することにより、上述の作用が得られる。
【００５９】
このような状況を安定して作り出すためには、図３に示すようにベース基板２の上の素子封止用電極２２の導体幅Ｗを全ての領域において同一の幅に形成することが効果的である。すなわち、素子封止用電極２２の導体パターンは、コーナー部の外周は１／４円状の形状を有し、コーナー部の内周と外周のいずれもが円弧状のパターンを有している。このような形状とすることにより素子封止用電極２２の上に形成されるハンダ接合部材４の高さを、コーナー部分においても他の辺部分と略同一な高さとすることができる。
【００６０】
本発明において、素子封止用電極２２の幅Ｗと封止電極１４の電極幅ｗとの関係は、ハンダ接合部材４（４ｂ）の頂点が、封止電極１４の中央よりも外よりに位置すればよい。
【００６１】
また、溶融したハンダが気密封止接合に大きく寄与できるため、素子封止用電極２２及び封止電極１４の内周側に流れるハンダ量を減少されることが重要となる。このため、素子封止用電極２２の内周部分と、封止電極１４の内周部分と一致させることが好ましい。
【００６２】
以上の２点を考慮して、素子封止用電極２２の導体幅の全体にハンダ接合部材４が形成されることを前提とすれば、素子封止用電極２２の幅Ｗと封止電極１４の幅ｗとを、ｗ＜Ｗであり、且つｗ＞Ｗ／２とすればよい。
【００６３】
次に、本発明の圧電共振装置の概略的な製造方法を図４に従って説明する。なお、ベース基板２は最終工程で切断処理される大型ベース基板６を用いて製造する。
【００６４】
まず、大型ベース基板６は、複数のベース基板領域（便宜上、符号２を付す。）を有している。この基板領域２の一方主面には、素子接続用電極２１、素子封止用電極２２が形成され、他方主面には、外部端子電極２３が形成され、さらに、各基板領域２には、内部配線パターン２４が形成されている（図４（ａ）参照。）。なお、各基板領域の平面形状は、圧電素子１の平面形状よりも１周り、たとえば、０．５ｍｍ程度大きくしておく。
【００６５】
次に、圧電素子１とベース基板領域２とを電気的に接続するハンダバンプ部材３、及び圧電素子１とベース基板領域２とを気密封止接合する環状のハンダ接合部材４を形成する（図４（ｂ）参照。）。
【００６６】
ハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４は、例えば、ベース基板領域２の素子接続用電極２１及び素子封止用電極２２上に、ハンダペーストを所定回数塗布し、この塗布したクリームハンダを加熱溶融して形成する。これにより、溶融したハンダは、表面張力により、素子接続用電極２１上で断面概略半円形状となる。さらに、洗浄処理を行うことにより、クリームハンダに含有し、かつ溶融によりハンダの表面に浮き上がったフラックス成分を除去することができる。
【００６７】
尚、ハンダ接合部材４（４ａ）の突出量（突出高さ）よりもハンダバンプ部材３（３ａ）の突出量（突出高さ）が高くするようにすることが望ましい。このため、ハンダバンプ部材３となるクリームハンダの塗布回数を多くする。またハンダバンプ部材３となるクリームハンダを印刷するスクリーン製版の開口面積を広くして、塗布量を多くする。例えば、ハンダバンプ部材３（３ａ）の突出量（突出高さ）を約４２μｍとし、ハンダ接合部材４（４ａ）の突出量（突出高さ）を３８μｍとする。
【００６８】
次に、シリコンなどの基体１０が複数抽出できる大型圧電基板を用意する。この大型圧電基板の一方主面の各素子領域には、圧電体層１１、振動電極１２、接続電極１３、封止電極１４、空隙１５を形成する。そして、大型圧電基板を各圧電素子１毎に切断処理し、その後、例えば整列パレットなどに整列させる。そして、大型ベース基板６の各基板領域に圧電素子１を実装するにあたり、この整列パレットより各圧電素子１が取り出されることになる（図４（ｃ）参照。）。
【００６９】
その後、大型ベース基板６の各ベース基板領域２に圧電素子１を載置する。このとき、圧電素子１側の接続電極１３と、基板領域２の素子接続用電極２１とを位置合わせし、同時に、圧電素子１側の封止電極１４と基板領域２側の素子封止用電極２２とを位置合わせする。このとき、ハンダバンプ部材３ａとハンダ接合部材４ａとの突出量の差により、圧電素子１はハンダバンプ部材のみで支持されることになる。
【００７０】
次に、圧電素子１を大型ベース基板６に仮固定を行い、次いで、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４で溶融接合を行う（図４（ｄ）参照。）。
【００７１】
なお、図４（ｄ）の仮固定及び溶融接合は、図３を用いて説明したとおりである。この仮固定では、例えば、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４が溶融しない程度の温度（１００〜１５０℃）に加熱された金属製ヒータブロック上に大型ベース基板６を載置して、圧電素子１を加圧しながら、超音波振動をあたえて、主にハンダバンプ部材３を超音波融着させる。
【００７２】
次に、仮固定された複数の圧電素子１を大型ベース基板６に接合する。具体的にはこの大型ベース基板６を１対の金属製ヒータブロックで挟持した状態で、窒素雰囲気とされたチャンバー内に投入される。チャンバー内の酸素濃度はハンダ接合が確実に行える１０ｐｐｍ以下とされる。この時圧電素子１は大型ベース基板６上に仮固定されているが、圧電素子１と大型ベース基板６との間には、ハンダ接合部材の突出量以上の間隙が形成されており、窒素ガスがこの間隙内に安定的に流入することができる。
【００７３】
その後、金属製ヒータブロックを加熱するとともに、圧電素子１の上面側から荷重を加え、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４を溶融接合して気密封止を行う。尚、この荷重により、大型ベース基板６と圧電素子１との間の間隙は例えば２０μｍ程度となる。
【００７４】
この気密封止接合工程において、圧電素子１が大型ベース基板６に仮固定されているため、このチャンバー内での加熱処理時に位置ずれを起こすことがないため、安定した気密封止接合が可能となる。
【００７５】
また、ハンダバンプ部材３とハンダ接合部材４が加熱処理により溶融した状態で荷重を解除しハンダ溶融温度から常温まで徐冷すると、溶融ハンダによるセルフアラインメント効果により、圧電素子１がベース基板２の上の若干位置ずれしたところに仮固定されたとしても本来の位置に自動的に修正される。
【００７６】
次に、必要に応じて、圧電素子１の他方主面（露出している表面）側から、外装樹脂層５となる例えばエポキシ樹脂ペーストを塗布して、硬化処理する。この時、圧電素子１よりも大型ベース基板の各素子領域の平面形状が大きいため、隣接しあう圧電素子１の間隙にもエポキシ樹脂が塗布される。即ち、圧電素子１は、他方主面側及びその側面に外装樹脂層５が塗布されることになる（図４（ｅ）参照。）。
【００７７】
次に、複数の圧電素子１が実装され、且つ外装樹脂層５が被着された大型ベース基板６を、各基板領域２毎に外装樹脂層５が被着された状態でダイシング処理により切断する（図４（ｆ）参照。）。この工程により、図１に示す圧電共振装置が得られることになる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、圧電素子が大型ベース基板の上で、ハンダの溶融接合により接続されるとともに封止を完了する方法として、超音波熱圧着で圧電素子を仮固定したあと、荷重をかけながら溶融させる方法を提供している。これにより大量の圧電共振装置を一括して形成することができ、安価に量産することができる。
【００７９】
また、上述の製造方法でおこなっても、素子封止用電極の外周が、封止電極の外周から延出するように形成されているため、ハンダ接合部材に超音波熱圧着により封止性の悪い合金層が発生しても、その影響を抑制し、信頼性の高い圧電共振装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電共振装置を模式的に示す断面構造図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の圧電共振装置の製造方法にかかるハンダバンプ部材とハンダ接合部材の仮固定工程から溶融工程を示す部分側面図である。
【図３】本発明の圧電共振装置に用いるベース基板を模式的に示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の圧電共振装置の製造工程を説明する断面図である。
【図５】従来の圧電共振装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】従来の圧電共振装置の問題点を解決する為に本発明者が考案した圧電共振装置の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電素子
２・・・ベース基板
１０・・・基体
１１・・・圧電体層
１２・・・振動電極
１３・・・接続電極
１４・・・封止電極
２０・・・基板
２１・・・素子接続用電極
２２・・・素子封止用電極
２３・・・外部端子電極
２４・・・内部配線パターン
３・・・ハンダバンプ部材
４・・・ハンダ接合部材
５・・・外装樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電装置及びその製造方法に関するものであり、より詳しくは、気密構造に特徴を有する圧電装置及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電現象を利用した圧電装置は広範な分野で用いられており、例えば、圧電体の厚み振動を利用した圧電共振装置は、小型化や高周波化が必要な分野への適用が進んでいる。
【０００３】
従来の圧電共振装置としては、基体の一方主面に圧電体層とそれを挟み込む一対の振動電極とを形成した圧電素子を、セラミック等のパッケージで気密封止した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図５は特許文献１に示されている従来の圧電共振装置１００を模式的に示す断面図である。圧電素子１０１はパッケージ１０２のベース基板１０２ａの上面にハンダ接合部１０３を介してフリップチップボンディングされ、蓋体１０４によって気密封止されている。圧電素子１０１とパッケージ１０２との電気的接続もハンダ接合部１０３を介して行われ、パッケージ１０２のベース基板１０２ａに内蔵された配線導体１０５を介して、ベース基板１０２ａの底面に形成された外部端子電極（図示せず）と接続されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３２２５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の圧電共振装置１００は小型化と低コスト化の点で問題を有していた。すなわち、従来の圧電共振装置１００においては圧電素子１０１をパッケージ１０２で気密封止していることから、その全体形状が圧電素子１０１の大きさに比し著しく大型となり、小型化が困難であった。また、形状が複雑で、高価なパッケージ１０２や蓋体１０４を使用する必要があるため、部材費が高くなり、低コスト化が困難であった。
【０００７】
上述の問題を解決する為に、本発明者は、図６に示すような構造の圧電共振装置を案出した。図６は本発明者が案出した圧電共振装置を模式的に示す断面図であり、図６において、圧電共振装置５０は、圧電素子５１、ベース基板５２、ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４、外装樹脂層５５とから構成されている。
【０００８】
圧電素子５１としては、圧電共振子や、複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタやデュプレクサなどが例示でき、基体５６の一方主面上に、間に圧電体層５７が介在されている一対の振動電極５８、この振動電極５８とそれぞれ接続される接続電極５９が形成され、さらに、基体５６の一方主面の外周に環状の封止電極６０が形成されている。尚、振動電極５８の振動領域上には空隙６１が形成されており、振動の減衰が防止されている。
【０００９】
ベース基板５２構成する基板６２はセラミックやガラス−セラミック材料からなり、その表面には、素子接続用電極６３、素子封止用電極６４及び外部端子電極６５が形成されている。さらに、その内部には、素子接続用電極６３と外部端子電極６５とを接続する、ビアホール導体を含む内部配線パターン６６が形成されている。
【００１０】
このようなベース基板５２上に圧電素子５１を接合するにあたり、ベース基板５２の一方主面と圧電素子５１の一方主面（圧電体層５７、振動電極５８等が形成された面）との間に所定間隙が形成されるように、圧電素子５１の接続電極５９とベース基板５２の主面の素子接続用電極６３とをハンダバンプ部材５３によりそれぞれ接続し、圧電素子５１の封止電極６０とベース基板５２の素子封止用電極６４とをハンダ接合部材５４によって接合する。
【００１１】
ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４は、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ材料を用いる。なお、この接合時にあたり、ベース基板５２と圧電素子５１との間隙が所定雰囲気、例えば窒素雰囲気になるように、接合は窒素雰囲気中で処理する。
【００１２】
また、ベース基板５２に接合された圧電素子５１は、他方主面側及び側面にわたり、外装樹脂層５５が被着形成されている。この外装樹脂層５５としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などが例示できる。
【００１３】
このような圧電共振装置において、ベース基板５２は、圧電素子５１の素子サイズよりも若干大きく成形されており、ベース基板５２の一方主面には素子接続用電極６３、素子封止用電極６４が形成され、他方主面には外部端子電極６５が形成され、その内部には、内部配線パターン６６が形成されている。
【００１４】
また、圧電素子５１は、シリコン等からなる基体５６に、圧電体層５７、振動電極５８、接続電極５９、封止電極６０が形成されている。
【００１５】
この圧電共振装置の製造方法としては、大型ベース基板の各素子領域内に存在する素子接続用電極６３と素子封止用電極６４の上にクリームハンダを印刷塗布し、リフロー炉を通して溶融することによりそれぞれハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４を形成する。その後、ハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４に対してハンダフラックス洗浄を行い、圧電素子５１の接続電極５９が、ベース基板５２上のハンダバンプ部材５３に当接するように、同時に、圧電素子５１の封止電極６０がベース基板５２上のハンダ接合部材５４に当接するように、多数個の圧電素子５１を大型ベース基板のそれぞれの素子領域に位置決め載置して、各圧電素子５１に適当な荷重を印加しながらリフロー炉に通してリフロー処理を行う。これによりハンダバンプ部材５３、ハンダ接合部材５４が再溶融されて、ハンダパンプ部材５３によってベース基板５２側の素子接続用電極６３と圧電素子５１側の接続電極５９との間の電気的な接続が達成され、同時にハンダ接合部材５４によってベース基板５２側の素子封止用電極６４と圧電素子５１側の封止電極６０との間の封止接合が達成される。これにより、圧電素子５１の振動電極５８の形成領域においてベース基板５２との間に空洞が形成された状態で接合される。
【００１６】
なお、圧電素子５１の振動電極５８はモリブデン、タングステン、アルミニウムなどからなるが、接続電極５９と封止電極６０は、ニッケル層と金層からなる表面層を有し、ハンダとの接続性を良好なものとしている。
【００１７】
次に、多数個取りの大型ベース基板上に実装された複数の圧電素子５１に、すくなくとも圧電素子５１が覆われるように、外装樹脂を流し込んで加熱硬化して外装樹脂層５５となる樹脂を形成する。
【００１８】
最後に、大型ベース基板上に樹脂によって被覆された圧電素子５１を、ダイシングソーなどで各素子領域毎に切断し、圧電共振装置５０を得る。
【００１９】
しかしながら、上述の圧電共振装置５０では、大型ベース基板上に、多数個の圧電素子５１を位置決めした状態で各素子に荷重を印加しながらリフロー炉に通さなければならないが、大型ベース基板に載置した圧電素子５１が位置ずれしないように各工程を施すことが困難であった。
【００２０】
この対策として圧電素子５１を１つ１つベース基板５２に超音波熱圧着することで大型ベース基板の上に仮固定したあとリフロー炉に通すことを試みたが、このような超音波熱圧着により仮固定を施したのち、リフローハンダを溶融させて接合された場合、量産ベースでハンダ接合部材５４部分を評価すると、このハンダ接合部材５４で封止不良が発生する場合があった。
【００２１】
不具合部の詳細を観察してみると、圧電素子５１の封止電極６０の表面中のニッケル、金と、ベース基板５２上の素子封止用電極６４上に形成したハンダ接合部材５４中のＳｎとが超音波圧着時に合金化し、ＳｎＮｉ、ＳｎＡｕなどのハンダ密着性の悪い粒状物質（合金層）が、ハンダ接合部材５４と封止電極６０との当接部分を中心に形成される。この密着性の悪い合金層ははんだと一体化しないため気密性が悪化し、結果として、外周封止接合部分での耐湿信頼性不良を引き起こしてしまう。
【００２２】
特に、この密着性の悪い合金層は、上述したように、ハンダ接合部材５４の頂点、すなわち断面半円形状となった頂点部分に集中する。しかも、従来の圧電素子５１の封止電極６０とベース基板５２側の素子封止用電極６４とは、その形状が同一となっており、且つ素子封止用電極６４の全幅にわたってハンダ接合部材５４が形成されているため、密着性の悪い合金層が、圧電素子５１側の封止電極６０の中央部分に位置することになる。この密着性の悪い合金層が外周封止を行う部分の中央部分に位置することによって、安定した接合をおこなう領域を大きく減少させ、耐湿信頼性不良を引き起こしてしまうものである。
【００２３】
また、外周接合部分での耐湿信頼性の低下は、素子封止用電極６４の形状にも起因する。すなわち、素子封止用電極６４は、圧電素子５１の形状に対応して、全体が矩形状となった環状に形成されている。この場合、そのコーナー部分に形成されるリフローハンダは表面張力の関係で、コーナー部分以外の他の辺に比べて盛り上がった形になりやすい。このため、ハンダ接合部材５４と圧電素子５１の封止電極６０との接触状態が、コーナー部分とそれ以外の部分で変化してしまい、これによって、全外周を安定して接合することが困難となる。特に、超音波熱圧着で仮固定する際に、このコーナー部分で接触度合いが増加して、上述の合金層の影響を受け易く、封止不良を引き起こしてしまうという問題があった。
【００２４】
本発明は上述の課題に鑑み案出されたもので、その目的は、圧電素子を大型ベース基板に超音波熱圧着法を用いて仮固定することを容易にし、信頼性の高い圧電共振装置を提供するとともに、製造効率が高い製造方法を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電装置は、基体上に、間に圧電体層が介在されている一対の振動電極を形成するとともに、該振動電極の一端に接続電極を設け、更に前記振動電極及び前記圧電体層を囲繞する環状の封止電極を前記基板上に形成した圧電素子と、
前記接続電極に電気的に接続される素子接続用電極、前記封止電極と接合する環状の素子封止用電極、及び、外部端子電極を形成したベース基板とを、
前記ベース基板と前記圧電素子との間に所定の間隙を形成するようにして、前記接続電極と前記素子接続用電極とをハンダバンプ部材を介して接続するとともに、前記封止電極と前記素子封止用電極とをハンダ接合部材を介して接合してなる圧電装置において、
前記素子封止用電極の電極幅を前記封止電極の電極幅よりも広くし、且つ前記素子封止用電極の内周形状と前記封止電極の内周形状とを略一致せしめたことを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明の圧電装置は、前記素子封止用電極は、その全周にわたり実質的に同一の導体幅で形成されており、前記素子封止用電極上に接合される前記ハンダ接合部材の幅は、前記素子封止用電極の導体幅と略同一であることを特徴とするものである。
【００２７】
更に、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材を前記素子接続用電極上に、前記ハンダ接合部材を前記素子封止用電極上にそれぞれ形成し、次に、前記接続電極と前記素子接続用電極、あるいは前記封止電極と前記素子封止用電極の少なくとも一方を、前記素子接続用電極上に形成した前記ハンダバンプ部材または前記素子封止用電極上に形成した前記ハンダ接合部材を用いて超音波熱圧着により仮固定し、しかる後、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させることを特徴とするものである。
【００２８】
また更に、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させる時、前記圧電素子に荷重が印加されており、且つ、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材の溶融がリフロー処理により行われることを特徴とするものである。
【００２９】
更にまた、本発明の圧電装置の製造方法は、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させた後、前記荷重を解除した状態で溶融温度から常温まで徐冷することを特徴とするものである。
【００３０】
【作用】
本発明の圧電共振装置は、ハンダバンプ部材及びハンダ接合部材を介して、ベース基板に圧電素子がハンダ接合されている。即ち、圧電素子の接続電極とベース基板の素子接続用電極とがハンダバンプ部材により電気的に接続されている。
また、圧電素子の封止電極とベース基板の素子封止用電極とがハンダ接合部材によって気密封止接合されている。
【００３１】
本発明においては、圧電素子をベース基板が複数抽出できる大型ベース基板に超音波熱圧着によりハンダバンプ部材ないしハンダ接合部材を介して、圧電素子が１個ずつ位置決めされながらベース基板に仮固定される。
【００３２】
本発明では、素子封止用電極の電極幅Ｗは、前記封止電極の電極幅ｗよりも広く、且つ素子封止用電極の内周形状と封止電極の内周形状とが略一致している。
すなわち、素子封止用電極の電極幅Ｗの中央部分は、封止電極の中央部分よりも外側に偏在している。すなわち、素子封止用電極の電極幅に形成された接合前のハンダ接合部材（断面半円形状）の頂点は、封止電極の外側に当接することにより、この部分で仮固定されることになる。このため当接部分で発生しやすいハンダ濡れ性の悪い合金層は、封止電極の外寄り部分に偏在し、その後のリフローハンダを溶融させて接合する時に、圧電素子の封止電極の電極幅中央から内側にかけては、ハンダ濡れ性の悪い合金層が存在しない領域で安定且つ確実な溶融接合ができ、気密的に封止することができる。これにより、超音波熱圧着で生成されたハンダ濡れ性の悪い合金層の影響を受けることなく、耐湿信頼性の高い封止接合が可能な圧電共振装置となる。
【００３３】
ここでベース基板の素子封止用電極の導体幅Ｗが全周にわたり均一に形成されているため、ハンダ接合部材をこの素子封止用電極に形成してもハンダ接合部材の盛り上がりを均一にすることができ、これにより封止電極に超音波熱圧着で仮固定されるときは、全周にわたって均等な仮固定が達成でき、従来のように部分的に超音波熱圧着が集中してハンダ封止が困難な合金層による封止不良を引き起こすことがない。
【００３４】
また、上述の圧電共振装置の製造方法においては、ベース基板に圧電素子を超音波熱圧着により仮固定するため、圧電素子の位置ずれなどを抑えることができ、圧電素子とベース基板との安定した接続が維持でき、しかも、製造工程中の搬送などの取り扱いが非常に容易となる。
【００３５】
特に、仮固定されたハンダバンプ部材とハンダ接合部材を所定加圧条件（荷重）下で加熱処理により溶融するが、その状態で荷重を解除して溶融温度から常温に徐冷すると、溶融ハンダによるセルフアラインメント効果により、ベース基板上の圧電素子が若干位置ずれしていても本来の位置自動的に修正される。特に加圧条件が強かった場合は溶融ハンダが押しつぶされた形になり、電極間の距離が狭まり、最悪ショートする可能性が考えられるが、上記のような加圧の解放により適切な接続・封止状態が達成できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電共振装置及びその製造方法を図面に基づいて詳説する。
【００３７】
図１は、本発明の圧電共振装置の断面図であり、図２（ａ）は、本発明の圧電共振装置の仮固定前の状態を示す部分側面図であり、図２（ｂ）は、仮固定した後の部分側面図であり、図２（ｃ）は、ハンダバンプ部材及びハンダ接合部材で接合した後の部分側面図である。また、図３は、本発明の圧電共振装置に用いるベース基板の概略平面図であり、図４は、本発明の圧電共振装置の製造方法の主要工程を示す断面図である。
【００３８】
図１において、本発明の圧電共振装置は、圧電素子１、ベース基板２、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４、外装樹脂層５から構成されている。
【００３９】
圧電素子１は、圧電共振子や、複数の圧電共振子を組み合わせたフィルタやデュプレクサなどが例示でき、例えば、シリコンからなる基体１０の一方主面上に、間に窒化アルミニウムからなる圧電体層１１が介在されている一対の振動電極１２、この振動電極１２とそれぞれ接続される接続電極１３が形成されている。
さらに、基体１０の一方主面の外周には、圧電素子１とベース基板２との間に形成される間隙を気密封止する為の環状の封止電極１４が形成されている。尚、振動電極１２の振動領域上には空隙１５が形成されており、振動の減衰が防止されている。
【００４０】
なお、振動電極１２はモリブデン、タングステン、アルミニウムなどからなるが、接続電極１３と封止電極１４はニッケル層と金層からなる表面層を有し、ハンダとの接続性を良好なものとしている。
【００４１】
ベース基板２の材料としては、たとえば、ガラス−セラミック材料、アルミナなどが例示できる。ベース基板２を構成する基板２０の表面には、素子接続用電極２１、素子封止用電極２２及び外部端子電極２３が形成されている。さらに、基板１０の内部には、素子接続用電極２１と外部端子電極２３とを接続するビアホール導体を含む内部配線パターン２４が形成されている。この素子接続用電極２１、素子封止用電極２２及び外部端子電極２３は、銀の導体膜上にメッキ処理などを施して、少なくともハンダ濡れ性が良好な金属表面を形成する。
【００４２】
このようなベース基板２上に圧電素子１を接合するにあたり、ベース基板２の一方主面（素子接続用電極２１、素子封止用電極２２等が形成された面）と圧電素子１の一方主面（振動電極１１、接続電極１２、封止電極１３などが形成された面）との間に所定間隙を形成するように、圧電素子１の接続電極１３とベース基板２の主面の素子接続用電極２１とをハンダバンプ部材３により電気的に接続して、圧電素子１の封止電極１４とベース基板２の素子封止用電極２２とをハンダ接合部材４によって気密封止接合する。なお、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４は、環境問題を考慮して、無鉛はんだ材料であるＳｎ−Ｓｂ系またはＳｎ−Ａｇ系のハンダを用いることが望ましい。
【００４３】
なお、圧電素子１とベース基板２との間の間隙は、所定雰囲気、たとえば窒素雰囲気になるように、気密封止接合処理を窒素雰囲気でおこなう。
【００４４】
また、ベース基板２に接合された圧電素子１には、他方主面側及び側面にわたり、外装樹脂層５を被着形成する。この外装樹脂層５は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂などが例示できる。
【００４５】
本発明で特徴的なことは、環状の素子封止用電極２２の導体幅Ｗが、これに対応する環状の封止電極１４の電極幅ｗよりも大きく設定され、しかも素子封止用電極２２の内周形状と前記封止電極１４の内周形状とが略一致するように形成している点である。すなわち、平面視すると素子封止用電極２２の外周が、封止電極１４の外周よりも突出した形状を有している。また、環状の素子封止用電極２２は、その全周にわたり、すなわち、コーナー部分及び他の辺部分においても、実質的に同一の導体幅Ｗで構成され、さらに、素子封止用電極２２上に形成されるハンダ接合部材４は、この素子封止用電極２２の導体幅Ｗいっぱいに形成されている。
【００４６】
そして、このようなベース基板２と圧電素子１との接合は、まず、例えばベース基板２側の素子接続用電極２１上及び素子封止用電極２２上にハンダバンプ部材３（図２で符号３ａと付す）及びハンダ接合部材４（図２で符号４ａと付す）を形成する。具体的には、素子接続用電極２１上及び素子封止用電極２２上にクリームハンダを塗布し、リフロー処理を施して形成する。
【００４７】
次いで、前記圧電素子１とベース基板２とを溶融接合する。
【００４８】
このよう接合工程は、素子接続用電極２１上に形成したハンダバンプ部材３ａと圧電素子１の接続電極１３とを、同時に素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４ａと圧電素子１の封止電極１４とをそれぞれ位置合わせして、少なくともその一方を超音波熱圧着により仮固定する工程と、仮固定された状態でハンダバンプ部材３ａ及びハンダ接合部材４ａを溶融させて接合する工程からなる。
【００４９】
尚、溶融接合する工程は、圧電素子１に荷重を印加しながらリフロー処理（再溶融）により行われるものであり、さらに、その後、この荷重を解除した状態で溶融温度から常温まで徐冷する処理を含むものである。
【００５０】
それらの工程を図２に示す。
【００５１】
図２（ａ）に示すように、ベース基板２側の素子接続用電極２１上にハンダバンプ部材３ａを、ベース基板２側の素子封止用電極２２上にハンダ接合部材４ａをそれぞれ形成する。次に、仮固定をおこなうため、ハンダバンプ部材３ａを圧電素子１の接続電極１３に、ハンダ接合部材４ａを圧電素子１の封止電極１４にそれぞれ位置合わせしてベース基板２に圧電素子１を載置する。
【００５２】
次に、図２（ｂ）に示すように、ベース基板２を、超音波熱圧着を確実にするために、例えば１００〜１５０℃に加熱し、圧電素子１側から超音波振動をあたえ、同時に圧着して仮固定する。例えば、ハンダバンプ部材３ａの突出量が、ハンダ接合部材４ａの突出量よりも大きい場合、超音波融着は先行してハンダパンプ部材３（３ｂ）側で行われ、このハンダパンプ部材３の突出量が低くなると、超音波融着は素子封止用電極２２上のハンダ接合部材４（４ｂ）でも行われる。
すなわち、これにより仮固定は達成される。
【００５３】
次に、図２（ｃ）に示すように、圧電素子１側から荷重をかけながら、ハンダ溶融温度以上の温度でリフロー炉に通して、ハンダバンプ部材３（３ｃ）、ハンダ接合部材４（４ｃ）を溶融させて、圧電素子１とベース基板２の電気的接続及び外周部分での気密封止を達成する。
【００５４】
尚、圧電素子１とベース基板２のとの間の間隙を所定雰囲気とするために、これらの接合工程を所定雰囲気で行う。
【００５５】
このように、溶融させて接合する時に圧電素子１側から荷重をあたえているため、素子封止用電極２２と封止電極１４との間のハンダ接合部材４が充分につぶれた状態で溶融接合され、封止が確実に行われることになる。
【００５６】
その後、この荷重を解除した状態で、溶融温度から常温まで徐冷する。これにより、接合工程が完了する。すなわち、荷重のかからない状態で常温にまで徐冷される間に、ハンダのセルフアライメント効果が動作して、特に、接続電極１３と素子接続用電極２１との間の位置ずれが補正され、確実な電気的な接続が達成される。
【００５７】
本発明では、ベース基板２側の素子封止用電極２２上に形成したハンダ接合部材４が仮固定される際、このハンダ接合部材４の頂点部分が、表面に金層を有する封止電極１４に接触して超音波熱圧着され、その結果、ハンダ濡れ性の悪い合金層が発生してしまう。しかし、このハンダ濡れ性の悪い合金層は、図２（ｂ）で示すハンダ接合部材４ｂの頂点部（▲印で示す）で主に発生する。しかし、上述したように、素子封止用電極２２の外周が封止電極１４の外周よりも突出した形状であるため、ハンダ接合部材４ｂの頂点部は、封止電極１４の幅ｗ方向の外寄りに位置することになる。すなわち、図２（ｃ）のようにリフロー炉を通して溶融接合する場合には、封止電極１４の幅ｗの中央から内寄り、すなわち、ハンダ濡れ性の悪い合金層が形成されない領域で、溶融したハンダが安定して濡れて、確実なハンダ接合が達成でき、良好な封止が達成される。
【００５８】
したがって、従来でははんだ濡れ性が悪い領域が封止電極６０の中央に位置していたのに対して、本発明では、濡れ性の悪い領域が外寄りに偏在し、その結果、確実なはんだ接合に寄与する領域が増大することにより、上述の作用が得られる。
【００５９】
このような状況を安定して作り出すためには、図３に示すようにベース基板２の上の素子封止用電極２２の導体幅Ｗを全ての領域において同一の幅に形成することが効果的である。すなわち、素子封止用電極２２の導体パターンは、コーナー部の外周は１／４円状の形状を有し、コーナー部の内周と外周のいずれもが円弧状のパターンを有している。このような形状とすることにより素子封止用電極２２の上に形成されるハンダ接合部材４の高さを、コーナー部分においても他の辺部分と略同一な高さとすることができる。
【００６０】
本発明において、素子封止用電極２２の幅Ｗと封止電極１４の電極幅ｗとの関係は、ハンダ接合部材４（４ｂ）の頂点が、封止電極１４の中央よりも外よりに位置すればよい。
【００６１】
また、溶融したハンダが気密封止接合に大きく寄与できるため、素子封止用電極２２及び封止電極１４の内周側に流れるハンダ量を減少されることが重要となる。このため、素子封止用電極２２の内周部分と、封止電極１４の内周部分と一致させることが好ましい。
【００６２】
以上の２点を考慮して、素子封止用電極２２の導体幅の全体にハンダ接合部材４が形成されることを前提とすれば、素子封止用電極２２の幅Ｗと封止電極１４の幅ｗとを、ｗ＜Ｗであり、且つｗ＞Ｗ／２とすればよい。
【００６３】
次に、本発明の圧電共振装置の概略的な製造方法を図４に従って説明する。なお、ベース基板２は最終工程で切断処理される大型ベース基板６を用いて製造する。
【００６４】
まず、大型ベース基板６は、複数のベース基板領域（便宜上、符号２を付す。）を有している。この基板領域２の一方主面には、素子接続用電極２１、素子封止用電極２２が形成され、他方主面には、外部端子電極２３が形成され、さらに、各基板領域２には、内部配線パターン２４が形成されている（図４（ａ）参照。）。なお、各基板領域の平面形状は、圧電素子１の平面形状よりも１周り、たとえば、０．５ｍｍ程度大きくしておく。
【００６５】
次に、圧電素子１とベース基板領域２とを電気的に接続するハンダバンプ部材３、及び圧電素子１とベース基板領域２とを気密封止接合する環状のハンダ接合部材４を形成する（図４（ｂ）参照。）。
【００６６】
ハンダバンプ部材３及びハンダ接合部材４は、例えば、ベース基板領域２の素子接続用電極２１及び素子封止用電極２２上に、ハンダペーストを所定回数塗布し、この塗布したクリームハンダを加熱溶融して形成する。これにより、溶融したハンダは、表面張力により、素子接続用電極２１上で断面概略半円形状となる。さらに、洗浄処理を行うことにより、クリームハンダに含有し、かつ溶融によりハンダの表面に浮き上がったフラックス成分を除去することができる。
【００６７】
尚、ハンダ接合部材４（４ａ）の突出量（突出高さ）よりもハンダバンプ部材３（３ａ）の突出量（突出高さ）が高くするようにすることが望ましい。このため、ハンダバンプ部材３となるクリームハンダの塗布回数を多くする。またハンダバンプ部材３となるクリームハンダを印刷するスクリーン製版の開口面積を広くして、塗布量を多くする。例えば、ハンダバンプ部材３（３ａ）の突出量（突出高さ）を約４２μｍとし、ハンダ接合部材４（４ａ）の突出量（突出高さ）を３８μｍとする。
【００６８】
次に、シリコンなどの基体１０が複数抽出できる大型圧電基板を用意する。この大型圧電基板の一方主面の各素子領域には、圧電体層１１、振動電極１２、接続電極１３、封止電極１４、空隙１５を形成する。そして、大型圧電基板を各圧電素子１毎に切断処理し、その後、例えば整列パレットなどに整列させる。そして、大型ベース基板６の各基板領域に圧電素子１を実装するにあたり、この整列パレットより各圧電素子１が取り出されることになる（図４（ｃ）参照。）。
【００６９】
その後、大型ベース基板６の各ベース基板領域２に圧電素子１を載置する。このとき、圧電素子１側の接続電極１３と、基板領域２の素子接続用電極２１とを位置合わせし、同時に、圧電素子１側の封止電極１４と基板領域２側の素子封止用電極２２とを位置合わせする。このとき、ハンダバンプ部材３ａとハンダ接合部材４ａとの突出量の差により、圧電素子１はハンダバンプ部材のみで支持されることになる。
【００７０】
次に、圧電素子１を大型ベース基板６に仮固定を行い、次いで、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４で溶融接合を行う（図４（ｄ）参照。）。
【００７１】
なお、図４（ｄ）の仮固定及び溶融接合は、図３を用いて説明したとおりである。この仮固定では、例えば、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４が溶融しない程度の温度（１００〜１５０℃）に加熱された金属製ヒータブロック上に大型ベース基板６を載置して、圧電素子１を加圧しながら、超音波振動をあたえて、主にハンダバンプ部材３を超音波融着させる。
【００７２】
次に、仮固定された複数の圧電素子１を大型ベース基板６に接合する。具体的にはこの大型ベース基板６を１対の金属製ヒータブロックで挟持した状態で、窒素雰囲気とされたチャンバー内に投入される。チャンバー内の酸素濃度はハンダ接合が確実に行える１０ｐｐｍ以下とされる。この時圧電素子１は大型ベース基板６上に仮固定されているが、圧電素子１と大型ベース基板６との間には、ハンダ接合部材の突出量以上の間隙が形成されており、窒素ガスがこの間隙内に安定的に流入することができる。
【００７３】
その後、金属製ヒータブロックを加熱するとともに、圧電素子１の上面側から荷重を加え、ハンダバンプ部材３、ハンダ接合部材４を溶融接合して気密封止を行う。尚、この荷重により、大型ベース基板６と圧電素子１との間の間隙は例えば２０μｍ程度となる。
【００７４】
この気密封止接合工程において、圧電素子１が大型ベース基板６に仮固定されているため、このチャンバー内での加熱処理時に位置ずれを起こすことがないため、安定した気密封止接合が可能となる。
【００７５】
また、ハンダバンプ部材３とハンダ接合部材４が加熱処理により溶融した状態で荷重を解除しハンダ溶融温度から常温まで徐冷すると、溶融ハンダによるセルフアラインメント効果により、圧電素子１がベース基板２の上の若干位置ずれしたところに仮固定されたとしても本来の位置に自動的に修正される。
【００７６】
次に、必要に応じて、圧電素子１の他方主面（露出している表面）側から、外装樹脂層５となる例えばエポキシ樹脂ペーストを塗布して、硬化処理する。この時、圧電素子１よりも大型ベース基板の各素子領域の平面形状が大きいため、隣接しあう圧電素子１の間隙にもエポキシ樹脂が塗布される。即ち、圧電素子１は、他方主面側及びその側面に外装樹脂層５が塗布されることになる（図４（ｅ）参照。）。
【００７７】
次に、複数の圧電素子１が実装され、且つ外装樹脂層５が被着された大型ベース基板６を、各基板領域２毎に外装樹脂層５が被着された状態でダイシング処理により切断する（図４（ｆ）参照。）。この工程により、図１に示す圧電共振装置が得られることになる。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように、圧電素子が大型ベース基板の上で、ハンダの溶融接合により接続されるとともに封止を完了する方法として、超音波熱圧着で圧電素子を仮固定したあと、荷重をかけながら溶融させる方法を提供している。これにより大量の圧電共振装置を一括して形成することができ、安価に量産することができる。
【００７９】
また、上述の製造方法でおこなっても、素子封止用電極の外周が、封止電極の外周から延出するように形成されているため、ハンダ接合部材に超音波熱圧着により封止性の悪い合金層が発生しても、その影響を抑制し、信頼性の高い圧電共振装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電共振装置を模式的に示す断面構造図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の圧電共振装置の製造方法にかかるハンダバンプ部材とハンダ接合部材の仮固定工程から溶融工程を示す部分側面図である。
【図３】本発明の圧電共振装置に用いるベース基板を模式的に示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の圧電共振装置の製造工程を説明する断面図である。
【図５】従来の圧電共振装置の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】従来の圧電共振装置の問題点を解決する為に本発明者が考案した圧電共振装置の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電素子
２・・・ベース基板
１０・・・基体
１１・・・圧電体層
１２・・・振動電極
１３・・・接続電極
１４・・・封止電極
２０・・・基板
２１・・・素子接続用電極
２２・・・素子封止用電極
２３・・・外部端子電極
２４・・・内部配線パターン
３・・・ハンダバンプ部材
４・・・ハンダ接合部材
５・・・外装樹脂
Claims (5)
- 基体上に、間に圧電体層が介在されている一対の振動電極を形成するとともに、該振動電極の一端に接続電極を設け、更に前記振動電極及び前記圧電体層を囲繞する環状の封止電極を前記基板上に形成した圧電素子と、
前記接続電極に電気的に接続される素子接続用電極、前記封止電極と接合する環状の素子封止用電極、及び、外部端子電極を形成したベース基板とを、
前記ベース基板と前記圧電素子との間に所定の間隙を形成するようにして、前記接続電極と前記素子接続用電極とをハンダバンプ部材を介して接続するとともに、前記封止電極と前記素子封止用電極とをハンダ接合部材を介して接合してなる圧電装置において、
前記素子封止用電極の電極幅を前記封止電極の電極幅よりも広くし、且つ前記素子封止用電極の内周形状と前記封止電極の内周形状とを略一致せしめたことを特徴とする圧電装置。 - 前記素子封止用電極は、その全周にわたり実質的に同一の導体幅で形成されており、前記素子封止用電極上に接合される前記ハンダ接合部材の幅は、前記素子封止用電極の導体幅と略同一であることを特徴とする請求項１記載の圧電装置。
- 請求項１または請求項２に記載の圧電装置の製造方法であって、
前記ハンダバンプ部材を前記素子接続用電極上に、前記ハンダ接合部材を前記素子封止用電極上にそれぞれ形成し、次に、前記接続電極と前記素子接続用電極、あるいは前記封止電極と前記素子封止用電極の少なくとも一方を、前記素子接続用電極上に形成した前記ハンダバンプ部材または前記素子封止用電極上に形成した前記ハンダ接合部材を用いて超音波熱圧着により仮固定し、しかる後、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させることを特徴とする圧電装置の製造方法。 - 前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させる時、前記圧電素子に荷重が印加されており、且つ、前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材の溶融がリフロー処理により行われることを特徴とする請求項３に記載の圧電装置の製造方法。
- 前記ハンダバンプ部材及び前記ハンダ接合部材を溶融させて、前記接続電極と前記素子接続用電極とを接続させるとともに前記封止電極と前記素子封止用電極とを接合させた後、前記荷重を解除した状態で溶融温度から常温まで徐冷することを特徴とする請求項４に記載の圧電装置の製造方法。
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