JP2006101244A - Piezoelectric vibrator, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電素板をバンプを介して導電性パッドの上に直接載置して気密封止する小型の圧電振動子と、その製造方法に関する。 The present invention relates to a small piezoelectric vibrator in which a piezoelectric element plate is directly mounted on a conductive pad via a bump and hermetically sealed, and a manufacturing method thereof.
近年、圧電振動子の種類には二本の金属サポートと呼ばれる金属片で圧電振動子内部の圧電素板の両端を支持する支持構造を持つものから、圧電素板を圧電振動子内部において圧電素板長手方向の片方の圧電素板端を保持した片持ち支持の状態でその支持構造が構成され気密封止されたものと、機械的な落下衝撃にも対応し得るように、圧電素板の長手方向の両端を保持して気密封止するものへと変化しており、これらの二つにその種類が大別されてきているのが実際である。また、圧電素板の圧電振動子内部における保持構造についても、収容容器の外形サイズが小さく成るに従って、圧電振動子内部の基板に直接圧電素板を搭載する支持構造と成ってきている傾向があり、先述の基板への圧電素板の直接の搭載においては、導電性接着剤、はんだ、或いは半導体集積部品と同様なフリップチップ工法などの接合導通部材も導入されつつある。 In recent years, the type of piezoelectric vibrator has a support structure that supports both ends of the piezoelectric element plate inside the piezoelectric vibrator with two metal pieces called metal supports. In order to be able to cope with mechanical drop impact, the support structure is constructed and hermetically sealed in a cantilevered support state where one piezoelectric element end in the plate longitudinal direction is held. It has been changed to one that holds both ends in the longitudinal direction and is hermetically sealed, and in fact, these two types are roughly divided. Also, the holding structure inside the piezoelectric vibrator of the piezoelectric element plate tends to become a support structure in which the piezoelectric element plate is directly mounted on the substrate inside the piezoelectric vibrator as the outer size of the container is reduced. In the direct mounting of the piezoelectric element plate on the above-mentioned substrate, a joining conductive member such as a conductive adhesive, solder, or a flip chip method similar to a semiconductor integrated component is being introduced.
一方、最近の傾向では通信分野の伝送系装置等を中核として、その高機能化、高精度化、小型化や軽量化に伴い、その搭載部品についても非常に急激な市場からの小型化や低背化、更に加えて軽量化や低価格化などの要求があるのが現状であり、圧電振動子といった部品の基板への実装も、先述の従来のリード形状のものからDIP (Dual In-line Package)、ZIP (Zig-zag In-line Package) 、QFP (Quad Flat Package)のような半導体部品パッケージの端子形状を持ったものや、更には搭載する部品の基板側の面にメタライズ処理を施した主電極を持った表面実装形状をしたものへと急速に展開している。 On the other hand, in recent trends, centering on transmission systems in the communications field, etc., along with their higher functionality, higher accuracy, smaller size, and lighter weight, the mounted components have also become very rapidly downsized from the market. At present, there are demands for height reduction and further weight reduction and price reduction, and mounting of components such as piezoelectric vibrators on the substrate has been changed from the conventional lead shape described above to DIP (Dual In-line). Package), ZIP (Zig-zag In-line Package), QFP (Quad Flat Package), etc. It is rapidly expanding into a surface-mounted shape with a main electrode.
圧電振動子内部の基板への圧電素板の搭載方法の一例を挙げれば、セラミックス等の絶縁材で形成され、表面実装にも対応した形状の容器に設けられた凹部底面の容器の長さ方向一方端に二つの導電性パッドが形成され、これらの導電性パッド上の任意の位置に金などから成る金属バンプ(以下バンプという)を形成し、その上に圧電素板の主面表裏面に励振電極と外部接続用電極が形成された圧電素板を載置してコレット等の保持具で保持しながら、先の圧電振動子容器の凹部底面方向に加重を掛けながら保持具を容器の長辺方向に超音波振動させ、圧電素板の外部接続用電極とバンプとを摩擦熱によって溶融接合するといった方法がある。その後に先の圧電素板から保持具を離して圧電振動子容器の凹部開口部を覆うように金属製の蓋を被せて容器内凹部を気密封止することにより圧電振動子を形成することが出来る。 An example of a method for mounting the piezoelectric element plate on the substrate inside the piezoelectric vibrator is the length direction of the container at the bottom of the recess formed in a container formed of an insulating material such as ceramics and corresponding to surface mounting. Two conductive pads are formed at one end, and metal bumps (hereinafter referred to as “bumps”) made of gold or the like are formed at arbitrary positions on these conductive pads, and the main surface front and back surfaces of the piezoelectric element plate are formed thereon. While holding the piezoelectric element plate on which the excitation electrode and the external connection electrode are formed and holding it with a holder such as a collet, the holder is attached to the length of the container while applying a load to the bottom surface of the recess of the piezoelectric vibrator container. There is a method in which ultrasonic vibration is performed in the side direction and the external connection electrodes of the piezoelectric base plate and the bumps are melt-bonded by frictional heat. The piezoelectric vibrator can be formed by separating the holder from the previous piezoelectric element plate and covering the concave portion in the container with a metal lid so as to cover the concave opening of the piezoelectric vibrator container. I can do it.
従来から、圧電振動子の長期的な特性の安定性を得るために、圧電振動子の内部に搭載される圧電素板には加熱処理が加えられる。この加熱処理によって圧電素板の下地電極の材料として用いられるクロム(Cr)、ニッケル(Ni)などの電極下地材料を金(Au)などの電極下地材料上層の主電極材料に拡散することが一般的に知られている。 Conventionally, in order to obtain long-term stability of the characteristics of the piezoelectric vibrator, a heat treatment is applied to the piezoelectric element plate mounted inside the piezoelectric vibrator. In general, this heat treatment diffuses the electrode base material such as chromium (Cr) or nickel (Ni) used as the base electrode material of the piezoelectric base plate into the main electrode material on the upper layer of the electrode base material such as gold (Au). Known.
なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに至らなかった。 In addition, the applicant did not find any prior art documents related to the present invention by the time of filing of the present application other than the prior art documents specified by the above prior art document information.
しかしながら、先述の加熱処理により電極下地材料を金(Au)などから成る電極下地材料上層の主電極材料に拡散する場合、図に示されるように、電極下地材料上層の主電極材料の表面にクロム(Cr)やニッケル(Ni)などの電極下地材料が析出して出来る析出層が形成され、その結果金(Au)などから成るバンプと圧電素板の主電極面との溶融接合界面に析出した電気的抵抗率の大きな先述のクロム(Cr)やニッケル(Ni)などの電極下地材料の析出層形成により、圧電振動子の長期的な特性の安定性が損なわれるおそれがあるといった問題があった。 However, when the electrode base material is diffused into the main electrode material on the upper layer of the electrode base material made of gold (Au) or the like by the above heat treatment, as shown in the figure, the surface of the main electrode material on the upper layer of the electrode base material is chromium. A deposited layer is formed by depositing an electrode base material such as (Cr) or nickel (Ni), and as a result, deposited on the melt-bonded interface between the bump made of gold (Au) and the main electrode surface of the piezoelectric element plate. There is a problem that the stability of the long-term characteristics of the piezoelectric vibrator may be impaired due to the formation of the deposited layer of the electrode base material such as chromium (Cr) or nickel (Ni), which has a high electrical resistivity. .
また、同時に先述の圧電素板の主電極面との溶融接合界面に析出した電気的抵抗率の大きなクロム(Cr)やニッケル(Ni)などの電極下地材料の析出層形成により、金(Au)などから成るバンプと、圧電素板の主電極との安定した溶融接合強度が得られないおそれがあるといった問題があった。 At the same time, gold (Au) is formed by forming a deposited layer of electrode base material such as chromium (Cr) or nickel (Ni) having a high electrical resistivity deposited at the melt-bonding interface with the main electrode surface of the piezoelectric element plate. There is a problem that a stable fusion bonding strength between the bump made of the above and the main electrode of the piezoelectric element plate may not be obtained.
本発明は、以上のような技術的背景のもとで成されたものであり、従がってその目的は、圧電素板をバンプを介して導電性パッドの上に直接載置して気密封止する小型の圧電振動子、及びその製造方法を提供することである。 The present invention has been made under the above technical background. Therefore, the object of the present invention is to place a piezoelectric element plate directly on a conductive pad via a bump. A compact piezoelectric vibrator that is hermetically sealed, and a method for manufacturing the same.
上記の目的を達成するために、本発明は、圧電素板が圧電振動子容器内部の絶縁基板上の導電性パッド上にバンプを介して支持されて気密封止される構成の圧電振動子の製造方法において、先の圧電素板の主電極に下地電極材料を成膜する工程と、主電極の表面にバリア層を成膜する工程と、主電極材料を成膜する工程と、圧電振動子容器へバンプを介してこのバンプと圧電素板の接続用電極において溶融接合し、先の圧電素板を圧電振動子容器に搭載する工程と、圧電振動子を周波数調整する工程とにより成ることを特徴とする。 To achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric vibrator having a structure in which a piezoelectric element plate is hermetically sealed by being supported via a bump on a conductive pad on an insulating substrate inside a piezoelectric vibrator container. In the manufacturing method, a step of forming a base electrode material on the main electrode of the previous piezoelectric element plate, a step of forming a barrier layer on the surface of the main electrode, a step of forming a main electrode material, and a piezoelectric vibrator It consists of a step of melt-bonding the bump and the piezoelectric element plate via the bump to the container and mounting the previous piezoelectric element plate on the piezoelectric vibrator container and a step of adjusting the frequency of the piezoelectric vibrator. Features.
また、圧電素板が圧電振動子容器内部の絶縁基板上の導電性パッド上にバンプを介して支持されて気密封止される構成の圧電振動子において、先の圧電素板の主電極に、下地電極材料と主電極材料の間のバリア層の材料としてAgまたはTiが用いられ、圧電素板の接続用電極と圧電振動子容器とが、先のバンプを介在して直接溶融接合されることを特徴とする。 Further, in the piezoelectric vibrator having a configuration in which the piezoelectric element plate is hermetically sealed by being supported on the conductive pads on the insulating substrate inside the piezoelectric vibrator container through the bumps, the main electrode of the previous piezoelectric element plate is Ag or Ti is used as the material for the barrier layer between the base electrode material and the main electrode material, and the electrode for connecting the piezoelectric element plate and the piezoelectric vibrator container are directly melt-bonded via the bumps. It is characterized by.
また、先の主電極のバリア層の膜厚は、少なくとも10nm以上であり、かつ主電極の下地電極材料の膜厚以上であることを特徴とする。 Further, the thickness of the barrier layer of the main electrode is at least 10 nm or more, and is not less than the thickness of the base electrode material of the main electrode.
また、先の主電極と溶融接合される先のバンプとが同じ材料から成ることを特徴とする。 Further, the above-described main electrode and the above-mentioned bump to be melt-bonded are made of the same material.
本発明の圧電振動子の製造方法によれば、主電極表面に下地電極材料が析出するのを防ぐ為に、下地電極材料と主電極材料の間にバリア層が設けられることで、先の下地電極材料が析出することを防ぐことができ、圧電素板の主電極とバンプとの著しく安定した溶融接合強度を得ることが出来る。 According to the method for manufacturing a piezoelectric vibrator of the present invention, a barrier layer is provided between the base electrode material and the main electrode material in order to prevent the base electrode material from being deposited on the surface of the main electrode. Precipitation of the electrode material can be prevented, and a remarkably stable melt bonding strength between the main electrode and the bump of the piezoelectric element plate can be obtained.
また、本発明の圧電振動子の製造方法によれば、バリア層により圧電素板の主電極表面に下地電極材料が析出しない為、バンプによる接合部分だけでは無く、主電極面全体において熱によるその膜質の変化が起こりにくく成ることで、圧電振動子の長期的な特性の安定性を得ることが出来る。 Further, according to the method for manufacturing a piezoelectric vibrator of the present invention, since the base electrode material is not deposited on the surface of the main electrode of the piezoelectric base plate by the barrier layer, the heat is applied not only to the joint portion by the bump but also to the entire main electrode surface. Since the film quality hardly changes, the long-term stability of the piezoelectric vibrator can be obtained.
また、従来において行われていた、圧電振動子の長期的な特性の安定性を得るための圧電振動子の内部に搭載される圧電素板の加熱処理工程を必要としなくなり、圧電振動子の生産コストを削減することが出来る。 Moreover, the heat treatment process of the piezoelectric element plate mounted inside the piezoelectric vibrator for obtaining the long-term stability of the piezoelectric vibrator, which has been conventionally performed, is no longer necessary, and the production of the piezoelectric vibrator Cost can be reduced.
また、本発明の圧電振動子によれば、主電極とバンプが同じ材料から成るために、それらの溶融接合部に界面層を持たず、長期間にわたり非常に特性的に安定した溶融接合と、その溶融接合強度を得ることが出来る。なお、この効果は、バンプの材料に対して、接合性を向上させ、電気抵抗率がAuより低い材料であるAgが30wt%程度まで含有されている主電極材料を使用する場合であってもほぼ同等な効果を得ることが出来る。 In addition, according to the piezoelectric vibrator of the present invention, since the main electrode and the bump are made of the same material, the melt bonding portion does not have an interface layer, and the melt bonding is very characteristically stable over a long period of time. The melt bonding strength can be obtained. Note that this effect is achieved even when a main electrode material containing up to about 30 wt% of Ag, which is a material having a lower electrical resistivity than Au, is used for the bump material. An almost equivalent effect can be obtained.
以下に図面を参照しながら本発明の実施の一形態について説明する。
なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In addition, the same code | symbol in each figure shall show the same object.
図1は本発明の圧電振動子の製造方法を示したフローチャートである。即ち、本発明の圧電振動子の製造方法は、圧電素板1が圧電振動子容器2内部の絶縁基板3上の導電性パッド4上にバンプ5を介して支持されて気密封止される構成の圧電振動子の製造方法において、まず圧電素板1の主電極7に下地電極材料8を成膜し(S101)、次に先の主電極の表面9、即ち下地電極材料8の表面にバリア層10を成膜し(S102)、次に先のバリア層10の表面に主電極材料11を成膜し(S103)、更に圧電振動子容器2へバンプ5を介してこのバンプ5と圧電素板1の接続用電極12において溶融接して圧電素板1を搭載し(S104)、最後に圧電振動子6を周波数調整する(S105)工程により成るものである。
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a piezoelectric vibrator of the present invention. That is, in the method for manufacturing a piezoelectric vibrator of the present invention, the
図2は本発明の水晶から成る圧電素板1の表面に下地電極を付け、更にその上にバリア層10を付け、更にその上に主電極7をつけた3層構造の主電極7を成膜した圧電素板1と、導電性パッド4上のバンプ5とを溶融接合する様子を示した概略の側面方向からみた模式図である。ここでは圧電素板1上に下地電極材料8としてクロム(Cr)、バリア層として銀(Ag)、主電極材料11として用いられている金(Au)を成膜した圧電振動子6の接続用電極12と、絶縁基板3上の導電性パッド4上にバンプ5を介して搭載する。ここで、バンプ5の材料と圧電素板1の主電極材料が同一の場合において、最もその溶融接合強度は高くなるが、バンプ5の材料と圧電素板1の主電極材料は異なっていても構わず、この場合においても本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
FIG. 2 shows a three-layered main electrode 7 in which a base electrode is provided on the surface of a
図3は本発明の水晶から成る圧電素板1の表面に下地電極を付け、更にその上にバリア層10を付け、更にその上に主電極7をつけた3層構造の主電極7を成膜した圧電素板1を示した概略の斜め上方向からみた模式図である。ここでは圧電素板1上に下地電極材料8としてクロム(Cr)、バリア層10として銀(Ag)、主電極材料11として用いられている金(Au)を成膜している。ここで、バリア層10は、銀(Ag)でなくとも構わず、下地電極材料8が熱処理によって主電極表面に析出しない材料の場合においても本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
FIG. 3 shows a main electrode 7 having a three-layer structure in which a base electrode is provided on the surface of a
図4は従来の、水晶から成る圧電素板1の表面に下地電極を付け、更にその上に主電極を付けた後に圧電素板1に加熱処理を加えると、主電極に下地電極材料8が拡散して、その主電極表面に下地電極材料8の析出層が形成される様子を示す概略の側面方向からみた模式図である。ここでは下地電極材料8としてクロム(Cr)とニッケル(Ni)の二例について示している。圧電素板1に加熱処理を加えることによりその特性の長期的な安定性を得る方法は、兼ねてから行われたものであったが、バンプ5を使用しそれを介して圧電素板1を搭載する場合、圧電素板1の加熱処理による下地電極材料8の主電極表面への析出層13の形成は、析出層13が大きな抵抗率を有する為に、圧電振動子6の長期的な特性の安定性が損なわれるおそれがあり、また、圧電素板1の主電極との安定した溶融接合強度が得られないおそれがあるといった問題があった。
FIG. 4 shows that when a base electrode is attached to the surface of a conventional
図5は従来の加熱処理後の圧電素板1と、導電性パッド4上のバンプ5とを溶融接合する様子を示した概略の側面方向からみた模式図である。主電極の上に析出した下地電極材料8の析出層13を挟むかたちでバンプ5と圧電素板1が溶融接合するために、結果的に圧電振動子6の長期的な特性の安定性が損なわれるおそれがあり、また、圧電素板1の主電極とバンプ5との安定した溶融接合強度が得られないおそれがあるといった問題があった。なお、下地電極を持たず単層の主電極構造を持つ圧電振動子6も考えられ、水晶を材料とした圧電素板1の場合、主電極材料として好ましく、また水晶素板から容易に剥離することのない剥離強度を持つ主電極材料より成る主電極膜を単層で使用することは、主電極膜の高い機械的強度や長期的信頼性が得られるという利点がある。しかしながら、現在、主に主電極材料として用いられている金(Au)や銀(Ag)などでは、それ自体の単層膜では水晶との十分な密着性が得られない為にニッケル(Ni)やクロム(Cr)などの主電極の下地層が必要である。このような現状を鑑みて本発明の圧電振動子、及びその製造方法が考えられた。
FIG. 5 is a schematic view seen from the side of the outline showing a state in which the conventional
1 圧電素板
2 圧電振動子容器
3 絶縁基板
4 導電性パッド
5 バンプ
6 圧電振動子
7 主電極
8 下地電極材料
9 主電極の表面
10 バリア層
11 主電極材料
12 接続用電極
13 析出層
14 下地電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該圧電素板の主電極に下地電極材料を成膜する工程と、
該主電極の表面にバリア層を成膜する工程と、
該主電極の表面に主電極材料を成膜する工程と、
該圧電振動子容器へバンプを介して該バンプと該圧電素板の接続用電極において溶融接合し、該圧電素板を搭載する工程と、
該圧電振動子を周波数調整する工程と、により成る圧電振動子の製造方法。 In the method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a structure in which the piezoelectric element plate is hermetically sealed by being supported via a bump on a conductive pad on an insulating substrate inside the piezoelectric vibrator container,
Forming a base electrode material on the main electrode of the piezoelectric base plate;
Forming a barrier layer on the surface of the main electrode;
Forming a main electrode material on the surface of the main electrode;
A step of melting and bonding the bump and the piezoelectric element plate via a bump to the piezoelectric vibrator container, and mounting the piezoelectric element plate;
Adjusting the frequency of the piezoelectric vibrator, and a method of manufacturing the piezoelectric vibrator.
該圧電素板の主電極に、下地電極材料と主電極材料の間のバリア層の材料としてAgまたはTiが用いられ、該圧電素板の接続用電極と該圧電振動子容器とが、該バンプを介在して直接溶融接合されることを特徴とする圧電振動子。 In the piezoelectric vibrator having a configuration in which the piezoelectric element plate is hermetically sealed by being supported via a bump on a conductive pad on an insulating substrate inside the piezoelectric vibrator container,
Ag or Ti is used for the main electrode of the piezoelectric element plate as a material of a barrier layer between the base electrode material and the main electrode material, and the connection electrode of the piezoelectric element plate and the piezoelectric vibrator container are connected to the bumps. A piezoelectric vibrator characterized in that the piezoelectric vibrator is directly melt-bonded through a metal.
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