JP2006033265A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動片を収容した絶縁材料の箱形ベースにガラス材料のリッドを接合して気密封止する圧電デバイスの製造方法において、工程の簡単化、製造コストの低減及び環境保全及び労働衛生を考慮した無鉛化を図る。
【解決手段】 上部を開放した箱形をなし、その上端面にＣｒなどの金属膜６及びその上にＡｕ／Ｓｎなどの金属ろう材層７を被着したセラミック材料のベース１を形成し、そのキャビティ５内に圧電振動片１０を実装する。ガラス薄板１３の一方の面に金属膜１４を被着したリッド１２を形成する。ベースの上にリッドを、その一方の面をベース上端面の金属ろう材層に重ね合わせて載置し、加熱して金属ろう材層を溶融させることにより気密に接合封止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動片、弾性表面波振動片、圧電振動ジャイロ素子をパッケージに実装して気密に封止した振動子、発振器、フィルタ、圧電ジャイロセンサなどの圧電デバイスを製造する方法に関する。

従来より電子機器の小型化、薄型化に伴い、圧電デバイスはより一層の小型化・薄型化が要求されると共に、回路基板等への実装に適した表面実装型のものが多用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミックなどの絶縁材料で形成したパッケージに圧電振動片を封止する構造が広く採用されている。

このようなパッケージとして、セラミック材料の薄板を積層した箱型ベースのキャビティに圧電振動片を実装し、該ベースにリッドを接合して気密に封止したものが多く採用されている。例えば、金属製のリッドを用いる場合、ベースの上端面に金属シールリングを配置し、シーム溶接により接合する方法が知られている（例えば、特許文献１乃至４を参照）。更に、金属膜を形成したベースの上端面に金属ろう材を配置し、加熱溶融させて接合する方法が知られている（例えば、特許文献５乃至７を参照）。

また、セラミック又はガラス材料のリッドを用いる場合、ベースとリッドとの間に低融点ガラス又は樹脂を配置し、これを加熱溶融させて接合する方法が知られている（例えば、特許文献４を参照）。同様にガラス材料のリッドを用いる場合に、該リッドの下面にメタライズ層を形成しかつ共晶はんだリッドを溶融させて、セラミックケースに気密封止したり（例えば、特許文献８を参照）、リッドの接合部に共晶用金属膜層を形成しかつ加熱溶融させて真空封止する水晶振動子が提案されている（例えば、特許文献９を参照）。

特開２０００−２２３６０６号公報 特開２００３−１５８２１１号公報 特許第３３１８４５２号公報 特開２００１−２４４７７２号公報 特開第３４１３５２２号公報 特開平１１−３０７６６１号公報 特開２００３−３１８６９０号公報 特開平９−３６６９０号公報 特開昭５４−７８６９４号公報

しかしながら、上述した従来技術においてシーム溶接による接合方法は、ガラス材料のリッドを用いる場合に適用することができない。また、最近は環境意識の向上により、鉛を含有する低融点ガラスの使用は、環境保全及び労働衛生の観点から好ましくない、という問題がある。無鉛化された低融点ガラスも開発されているが、比較的融点が高いので、ガラス材料のリッドに使用するのは好ましくない。

上記特許文献８及び９に記載の従来技術は、いずれも製造工程が複雑であり、製造コストの増大及び生産性の低下を招く虞がある。特に、特許文献９には、ガラス材料から箱形のリッドを形成しかつその接合面に金属層を形成するための具体的な方法が全く開示されておらず、実用化が困難である。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁材料からなる箱形ベースにガラス材料からなるリッドを接合して、その内部に圧電振動片を気密に封止する圧電デバイスの製造方法において、その製造工程を簡単にしかつ製造コストを低減することにある。
更に本発明の目的は、環境保全及び労働衛生を考慮して無鉛化を図ることにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、上部を開放した箱形をなし、その上端面に金属膜を被着しかつその上に金属ろう材層を形成した絶縁材料のベースに圧電振動片を実装する工程と、一方の面に金属膜を被着したガラス材料からなるリッドを形成する工程と、ベースの上にリッドを、その一方の面をベース上端面の金属ろう材層に重ね合わせて載置し、加熱して金属ろう材層を溶融させることにより気密に接合封止する工程とを有することを特徴とする圧電デバイスの製造方法が提供される。

このようにガラス材料からなるリッドを使用しかつこれを金属ろう材の加熱溶融により圧電デバイスを気密封止することによって、従来よりも簡単な工程でかつ安価に圧電デバイスを製造することができる。しかも、従来のように低融点ガラスを使用しないので、環境保全及び労働衛生の観点から無鉛化を図ることができる。

或る実施例では、所定厚さのガラス材料からなる薄板の一方の面全面に前記金属膜を被着し、該薄板を切断して個片化することにより、リッドを形成することができる。これにより、多数のリッドを一度に簡単に製造することができ、生産性が向上する。

また、或る実施例では、前記金属ろう材層がＡｕ及びＳｎからなる共晶はんだ、Ａｇ及びＳｎからなる共晶はんだ、銀ろう、又は無鉛金属ろうからなり、比較的低い加熱温度でかつ短時間で、ガラスリッドに何ら悪影響を及ぼすことなく金属ろう材層を溶融させることができ、しかもろう材の無鉛化により環境保全及び労働衛生を改善することができる。

別の実施例では、前記金属膜をＣｒ、Ｎｉ、又はＡｌから形成することができる。この金属膜は、スパッタリング、蒸着又はめっきなどの従来方法により、ガラス材料のリッド表面に比較的簡単にかつ安価に成膜することができる。

更に別の実施例では、前記金属膜をＣｒ層とその上に被着したＡｕ層とから形成することができ、金属ろう材層を構成する金属ろう材に合わせて、特にＡｕ及びＳｎからなる共晶はんだを用いた場合に、リッドとの接合力を高めることができる。

また、或る実施例では、リッドが光透過性を有し、外部からレーザビームを照射して該リッドの金属膜を部分的に除去した後、リッドの金属膜を除去した部分から更にレーザビームを照射し、それにより圧電振動片表面の電極膜を部分的に削除してその周波数を調整する工程を更に有する。これにより、より高い信頼性及び品質の圧電デバイスを製造することができる。

別の実施例では、ベースがその内部と外部とを連通する封止孔を有し、該ベースにリッドを接合した後、真空中で封止孔をシール材料で気密に閉塞する工程を更に有する。これにより、圧電デバイスを真空に封止することができる。

以下に添付図面を参照しつつ、本発明による方法の好適な実施例を用いて、音叉型圧電振動片をパッケージに気密封止して圧電振動子を製造する工程を詳細に説明する。
本発明の第１実施例によれば、図１に示すように上部に開放した概ね矩形箱状のベース１を形成する。ベース１は、従来と同様に複数のセラミック材料薄板２〜４を積層し、圧電振動片を収容するためのキャビティ５を画定する。ベース１の上端面には、金属膜６が被着されかつその上に金属ろう材層７が形成されている。また、ベース１には、キャビティ５の略中央に開口して外部に連通する封止孔８が形成されている。キャビティ５の底面には、後述する圧電振動片を接続するための電極パッド９及び必要な配線パターンが形成されている。

本実施例では、金属ろう材層７に例えばクラッド化したＡｕ／Ｓｎはんだ等の金属ろう材を使用し、これを金属膜６表面上に載置し、溶着する。これ以外にＡｇ／Ｓｎはんだ、Ａｇろう、その他様々な金属ろう材を用いることができ、環境保全や労働衛生の観点から無鉛ろう材を用いることが好ましい。金属膜６は、例えばＣｒ、Ａｌ又はＮｉなどで形成され、金属ろう材層７に使用するろう材と相性の良い金属材料が好ましい。

ベース１には、水晶などの圧電材料からなる音叉型圧電振動片１０をキャビティ５内に実装する。圧電振動片１０は、従来と同様に、その基端部１０ａを導電性接着剤１１で電極パッド９に固定することにより、電気的に接続されかつ概ね水平に支持される。

他方、ガラス材料からなる平板状のリッド１２を形成する。リッド１２は、透明なガラス薄板１３の下面全面に金属膜１４が形成されている。金属膜１４は、例えばＣｒ、Ａｌ又はＮｉなどで形成され、金属ろう材層７に使用するろう材と相性の良い金属材料が好ましい。金属膜１４は、スパッタリング、蒸着又はめっきなどの様々な従来方法で、ガラス薄板１３の表面に被着することができる。また、リッド１２は、所望の厚さを有する大型寸法のガラスウエハの一方の面に金属膜を形成し、これを所定の寸法に切断して、個々のリッド１２を一度に多数形成することができる。

次に、図１（Ｂ）に示すように、ベース１上にリッド１２を、その下面をベース側に向けて載置する。このようにベース１上端面の金属ろう材層７とリッド１２下面の金属膜１４とを重ね合わせた状態で加熱し、Ａｕ／Ｓｎはんだを溶融させて、ベース１とリッド１２とを気密に接合する。加熱は、リッド１２を載せたベース１をリフロー炉に通すことにより、又は接合部をレーザビーム、電子ビーム又はハロゲンヒータなどで局所的に加熱することにより行う。Ａｕ／Ｓｎはんだからなる金属ろう材層７は、約３００℃の温度で約１分の加熱時間で十分に溶融する。このように従来の低融点ガラスと同程度の温度でかつ比較的短時間で加熱するので、ガラスリッド１２に何らかの影響を及ぼす虞はない。

ここで、圧電振動片１０の発振周波数を微調整する。この周波数調整は、圧電振動片１０の周波数を測定しながら、リッド１２の外側からレーザビームを照射し、該振動片表面の電極膜即ち金属錘を部分的に除去することにより行う。図２（Ａ）に示すように、レーザビームは、最初に照射する１乃至数ショットＡでリッド１２下面の金属膜１４を部分的に除去し、開口１４ａを形成する。次に、図２（Ｂ）に示すように、この開口１４ａを介して、次の１ショットＢを圧電振動片１０表面に照射する。必要に応じて位置を変えながらこのようにレーザビームを照射することにより、圧電振動片１０の発振周波数を所望の値に高精度に調整することができる。

最後に、ベース１の封止孔８を適当なシール材１５で気密に閉塞する。これは、例えば図１（Ｂ）に示すようにベース１にリッド１２を接合したパッケージを上下逆にして真空雰囲気内に置き、封止孔８内にＡｕ−Ｓｎ等の金属ボールを配置し、かつこれをレーザビーム等で溶着させることにより行う。これにより、前記パッケージに圧電振動片１０を真空封止した圧電振動子が完成する。

本発明の第２実施例では、ベース１の金属ろう材層７との接合性を向上させるために、その下面に２層構造の金属膜を被着させたリッドを形成する。本実施例では、図３に示す工程によって、一度に多数のリッドを形成する。先ず、図３（Ａ）に示すように、所望の厚さを有する大型寸法のガラスウエハ２０の一方の面全面に、下地膜としてＣｒ膜２１をスパッタリング、蒸着又はめっきなどの様々な従来方法で形成する。この下地膜は、Ｃｒ以外に例えばＡｌ又はＮｉなどで形成され、約２０nm程度の厚さで十分である。

図３（Ｂ）に示すように、Ｃｒ膜２１を形成したガラスウエハ２０の前記一方の面上に金属マスク２２を配置する。金属マスク２２は、リッドのベース１上端面との接合部を露出させるように形成されている。次に、ガラスウエハ２０の前記一方の面にＡｕをスパッタリング又は蒸着する。これにより、図３（Ｃ）に示すようにＣｒ膜２１上に、ベース１上端面との接合部に対応するＡｕ膜２３を形成する。このガラスウエハ２０を例えばダイシングにより所定の寸法に切断して個片化する。これにより、多数のリッド２４が一度に形成される。ガラスウエハ２０は、ダイシング以外に、サンドブラスト法などの様々な手段で個片化することができる。

リッド２４は、図１に関連して説明した第１実施例の場合と同様に、その金属膜を下向きにしてベース１上に載置する。図４に示すように、ベース１上端面の金属ろう材層７とリッド２４下面の前記金属膜とを重ね合わせた状態で加熱し、Ａｕ／Ｓｎはんだを溶融させて、ベース１とリッド１２とを気密に接合する。加熱方法及び加熱条件は、第１実施例の場合と同様である。Ａｕ膜２３はＡｕ／Ｓｎはんだとの相性が良いので金属ろう材層７との接合性が良く、第１実施例の場合よりも大きい接合強度が得られる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、音叉型圧電振動片以外に、厚みすべり振動の圧電振動片や弾性表面波振動片、圧電振動ジャイロ素子をパッケージに収容することができる。また、本発明は、圧電振動片に加えてＩＣチップなどの電子部品をパッケージに搭載し、圧電発振器等の様々な圧電デバイスの製造方法に適用することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）図は本発明の第１実施例による圧電振動子の製造工程を示す断面図。 （Ａ）及び（Ｂ）図は図１（Ｂ）における周波数調整工程を示す部分拡大断面図。 （Ａ）〜（Ｄ）図は本発明の第２実施例に使用するリッドの製造工程を示す断面図。 第２実施例によるベースとリッドとの接合部分を示す部分拡大断面図。

符号の説明

１…ベース、２〜４…セラミック材料薄板、５…キャビティ、６…金属膜、７…金属ろう材層、８…封止孔、９…電極パッド、１０…圧電振動片、１０ａ…基端部、１１…導電性接着剤、１２，２４…リッド、１３…ガラス薄板、１４…金属膜、１５…シール材、２０…ガラスウエハ、２１…Ｃｒ膜、２２…金属マスク、２３…Ａｕ膜。

Claims (7)

1. 上部を開放した箱形をなし、その上端面に金属膜を被着しかつその上に金属ろう材層を形成した絶縁材料のベースに圧電振動片を実装する工程と、
   一方の面に金属膜を被着したガラス材料からなるリッドを形成する工程と、
   前記ベースの上に前記リッドを、その前記一方の面を前記ベース上端面の前記金属ろう材層に重ね合わせて載置し、加熱して前記金属ろう材層を溶融させることにより気密に接合封止する工程とを有することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 所定厚さの前記ガラス材料からなる薄板の一方の面全面に前記金属膜を被着し、前記薄板を切断して個片化することにより、前記リッドを形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
3. 前記金属ろう材層がＡｕ及びＳｎからなる共晶はんだ、Ａｇ及びＳｎからなる共晶はんだ、銀ろう、又は無鉛金属ろうからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイスの製造方法。
4. 前記金属膜がＣｒ、Ｎｉ、又はＡｌからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
5. 前記金属膜がＣｒ層とその上に被着したＡｕ層とからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
6. 前記リッドが光透過性を有し、外部からレーザビームを照射して前記リッドの前記金属膜を部分的に除去した後、前記リッドの前記金属膜を除去した部分から更にレーザビームを照射し、それにより前記圧電振動片表面の電極膜を部分的に削除してその周波数を調整する工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
7. 前記ベースがその内部と外部とを連通する封止孔を有し、前記ベースに前記リッドを接合した後、真空中で前記封止孔をシール材料で気密に閉塞する工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。

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