JP2006229295A

JP2006229295A - 振動子パッケージ

Info

Publication number: JP2006229295A
Application number: JP2005037438A
Authority: JP
Inventors: Akira Ito; 章伊藤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】残留応力が緩和された状態で、カバーが接合された状態が得られるようにする。
【解決手段】枠部１１０及びこの内側に一体に配置された水晶振動子片１１１からなる水晶基板１０１と、枠部１１０にアルミニウムやモリブデンなどからなる接合膜１１４を介して接合されたカバー１２０及びカバー１３０とから構成されている。カバー１２０，カバー１３０は、例えば、陽極接合が可能なガラスから構成され、枠部１１０とカバー１２０及びカバー１３０とで封止された空間内に水晶振動子片１１１が配置され、カバー１２０及びカバー１３０が、断面形状がアーチ状の凹部１２１及び凹部１３１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスなどから構成されたカバーに両面が覆われて封止された水晶などの圧電材料からなる振動子パッケージに関する。

水晶フィルタや水晶振動子などの圧電素子は、周囲の温度や湿度の変化、あるいは微細な異物に影響されて特性が微妙に変化することや、機械的振動や衝撃によって破損しやすい。このため、上述した素子は、パッケージに封止して使用に供されている。パッケージの方式としては、気密封止方式と樹脂を用いた簡易封止方式とに分けられ、ＳＭＤ（Surface Mounted Device）タイプ気密封止方式では主にセラミックスや金属などの材料が用いられている。また、より安価な気密封止方式として、プラスチックを用いた気密封止方式のプラスチックパッケージも実現されている。

上述したパッケージでは、素子個別にパッケージを形成しているが、これらに対し、複数の素子が同時に形成されているウエハレベルで、封止された状態とした後、個々の素子（チップ）に切り出してパッケージされたチップの状態とする技術も提案されている（特許文献１参照）。この技術では、図２に示すように、複数の水晶振動子本体が形成された水晶ウエハ２０１に、ガラスウエハ２０２，２０３を貼り合わせて水晶振動子本体の部分が封止された状態としている。水晶ウエハ２０１に形成された複数のチップ部は、図３の平面図に示すように、枠部２１０と周囲がくり抜かれて形成された水晶振動子片２１１とから構成されている。ウエハを貼り合わせた後、公知のダイシング技術により切り出すことで、複数のチップが同時に形成可能となる。

チップの状態では、図４の断面図に示すように、枠部２１０に接合膜２１４を介し、ガラスからなるカバー２１５及びカバー２１６が接合され、これらで封止された空間内に水晶振動子片２１１が配置された状態となっている。なお、水晶振動子片２１１には、両方の面に電極２１２が形成され、図示していない配線により所定の信号が印加可能とされている。枠部２１０とカバー２１５及びカバー２１６との接合としては、アルミニウムなどの金属からなる接合膜２１４を用いた陽極接合が提案されている（特許文献２参照）。

また、金属膜を介して水晶部材同士を接合する技術も提案されている（特許文献３参照）。この技術では、接合面に金属膜を設けた水晶ウエハの金属膜表面に水晶部材を密着させ、所定の加重を付与すると共に水晶部材の側が陰極となるように電圧を印加し、水晶ウエハに金属膜を介して水晶部材が接合された状態としている。また、よく知られているように、直接接合によりガラス部材と水晶部材を接合する技術も提案されている。

なお、出願人は、本明細書に記載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出願時までに発見するには至らなかった。
特開２００３−１８８４３６号公報特許第３３９０３４８号公報特開２０００−２８１４５９号公報

しかしながら、上述した従来の技術（特許文献１，２）では、ガラスからなるカバーを陽極接合により水晶板に接合しており、熱膨張係数が異なる材料同士の接合となっているため、封止（接合）した後に、残留応力により接合の強度が低下し、気密状態に高い信頼性が得にくいという問題があった。この残留応力の問題は、直接接合により接合する場合も同様である。

上述した異種材料の接合に対し、特許文献３の技術では、同一部材同士を接合しているため、熱膨張係数の問題は解消されているが、約３．５ｋＶの電圧をかけるとともに、３５０℃に加熱しており、高温の処理が必要となっている。また、図４の断面図に示したように、水晶振動子片２１１が封止される空間を得るために、カバーには凹部が形成されている。この凹部は、ガラスウエハの状態でみた場合、ガラスウエハの片方の面に多数の凹部が形成されている状態となり、ガラスウエハの片方の面が粗面とされている状態に等しい。このように、薄い板状の部材の片面が粗面とされている場合、反りが発生することが知られている。従って、熱膨張係数が同一な状態であっても、カバーに凹部が形成されていると、接合した状態において残留応力が発生する。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、残留応力が緩和された状態で、カバーが接合された状態が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る振動子パッケージは、枠部とこの内側に配置された圧電振動子片とが一体に形成された略矩形の圧電基板と、圧電振動子片が配置されている領域に設けられた凹部を備えて枠部に接合されたカバーとを少なくとも備え、凹部は、断面形状がアーチ状に形成されているようにしたものである。この振動子パッケージによれば、凹部の表面に、応力が集中しやすい角部などの箇所が形成されていない。

上記振動子パッケージにおいて、圧電基板の枠部に形成された金属からなる接合膜を備え、カバーは、接合膜を介して枠部に接合されているようにしてもよい。この場合、カバーは、接合膜を介して枠部に陽極接合すればよい。また、カバーは、枠部に直接接合により接合されているようにしてもよい。なお、カバーは、ガラス及び水晶の少なくとも１つから構成されたものであればよい。

以上説明したように、本発明では、カバーの凹部が、断面形状がアーチ状に形成されているようにしたので、凹部の表面には、応力が集中しやすい箇所が形成されていない。この結果、本発明によれば、パッケージの強度を低下させることなくカバーの薄層化が可能となり、残留応力が緩和された状態で、カバーが接合された状態が得られるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における振動子パッケージの構成例を示す模式的な断面図（ａ），部分斜視図（ｂ），及び部分平面図（ｃ）である。なお、以下では、圧電材料として水晶を用いた場合を例に説明するが、これに限るものではなく、他の圧電材料を用いる場合でも同様である。図１（ａ）に示す振動子パッケージは、枠部１１０及びこの内側に一体に配置された水晶振動子片１１１からなる水晶基板１０１と、枠部１１０にアルミニウムやモリブデンなどからなる接合膜１１４を介して接合されたカバー１２０及びカバー１３０とから構成されている。カバー１２０，カバー１３０は、例えば、陽極接合が可能なガラスから構成されたものである。なお、以降に説明する直接接合で接合を行う場合、カバー１２０，カバー１３０は、水晶から構成されていてもよい。

枠部１１０とカバー１２０及びカバー１３０とで封止された容器の空間内に水晶振動子片１１１が配置された状態となっている。この空間内は、例えば所定の真空度にまで減圧されている。所定の真空度にまで減圧された環境において、水晶基板１０１とカバー１２０及びカバー１３０とを貼り合わせることで、上記空間の内部が減圧された状態が形成できる。なお、水晶振動子片１１１には、両方の面に電極１１２が形成され、図示していない配線により所定の信号が印加可能とされている。

また、図１（ａ）に示した振動子パッケージでは、カバー１２０が、図１（ｂ）の斜視図にも例示するように、断面形状がアーチ状の凹部１２１を備える。同様に、カバー１３０が、断面形状がアーチ状の凹部１３１を備える。なお、上述した断面形状は、水晶基板１０１（水晶振動子片１１１）の接合膜１１４及び電極１１２が形成される平面に垂直な断面の形状を示している。このように、曲面から凹部１２１が形成されているので、凹部１２１の最頂点におけるカバー１２０の厚さｔを薄くしても、パッケージの強度が低下しない。

例えば、図４に示す従来の構成では、カバー２１５の凹部は、断面が矩形となっているため、パッケージの外部より力が加わると、矩形の角に応力が集中しやすい。このように応力の集中しやすい角が存在している状態では、カバーの凹部が形成されている部分を薄層化により破損しやすい状態となる。これに対し、図１に示すパッケージの構成では、カバー１２０の凹部１２１は、開口面積が、枠部１１０（水晶基板１０１）から離れるに従い徐々に小さくなるように構成され、断面に応力が集中しやすい角部などの箇所がない。この結果、カバー１２０は、厚さｔを薄くしても、破損しにくい状態となっている。これらのことは、カバー１３０及び凹部１３１においても同様である。

上述したように、図１に示すパッケージによれば、カバー１２０の厚さｔを、従来より薄くすることが可能となっている。このように、従来より薄い部分を設けるようにしたので、図１に示すパッケージによれば、例えば、熱膨張係数が異なる材料同士の接合などによる残留応力が、より緩和されるようになる。この結果、残留応力により接合の強度が低下することが抑制されるようになり、より高い気密状態が容易に得られるようになる。また、図１に示すパッケージによれば、残留応力を緩和させるためにカバーの凹部を薄くしたが、強度の低下が抑制されているので、貼り合わせなどの加工時における破損などが発生しにくい。

なお、図１（ｂ）では、カバー１２０に形成された凹部１２１の開口部の平面形状が矩形であるが、これに限るものではない。例えば、図１（ｃ）の平面図に示すように、凹部１２１の開口部の平面形状が、角が丸められた形状であってもよい。また、凹部１２１，凹部１３１は、例えば、凹部が開口しているレジストパターンをマスクとしたウエットエッチングによる等方的なエッチング処理により形成可能である。また、サンドブラスト法を用いても、凹部１２１，凹部１３１の形成が可能である。

以下、図１に示す振動子パッケージの製造方法例について簡単に説明する。まず、所定の厚さの水晶ウエハを用意し、複数のチップ領域に、各々枠部１１０及び水晶振動子片１１１が形成された状態とする。水晶ウエハは、例えば、厚みすべり振動にＡＴカットされたもの、もしくは、音叉屈曲振動用に＋２゜Ｘカットされたものである。公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより水晶ウエハを加工することで、チップ領域毎に、枠部１１０及び水晶振動子片１１１が形成された状態とすることができる。

次に、各々の水晶振動子片１１１の表面（両面）に電極１１２が形成された状態とし、また、枠部１１０には接合膜１１４が形成された状態とする。例えば、水晶ウエハの両面に、スパッタ法などにより電極材料からなる金属膜が形成された状態とし、形成された金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで、電極１１２が形成された状態とすることができる。同様に、水晶ウエハの両面に、スパッタ法などによりアルミニウム膜が形成された状態とし、形成されたアルミニウム膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで、接合膜１１４が形成された状態とすることができる。なお、電極１１２及び接合膜１１４が形成された後、枠部１１０及び水晶振動子片１１１が形成された状態としてもよい。

次に、ガラスウエハ（第１ガラスウエハ）を用意し、ついで、用意したガラスウエハの一方の面に、接合面となる枠領域に囲われた領域に、複数の凹部１２１が形成された状態とする。枠領域は、格子状に形成され、この格子のますの部分に凹部１２１が形成され、凹部１２１は、前述したチップ領域に対応して配置された状態とする。ここで、ガラスウエハは、凹部１２１が形成される側の面（接合面）で接合が行われるため、この面は事前に鏡面加工されている。

次に、水晶ウエハの枠部１１０の一方の面（第１主面）に形成された接合膜１１４の表面と、凹部１２１を有するガラスウエハ１２０の接合面とが当接した状態とする。また、同様に形成された他のガラスウエハ（第２ガラスウエハ）の接合面も、水晶ウエハの枠部１１０の他方（第２主面）の面に形成された接合膜１１４の表面と当接された状態とする。なお、各ウエハを貼り合わせる前の段階は、図２に示した従来の状態とほぼ同様である。

次に、２枚のガラスウエハ及び水晶ウエハが真空チャンバ内に配置され、これらが例えば１５０℃程度に加熱された状態とし、この後、上述したように各ウエハが当接された状態とする。ついで、接合膜１１４を陽極とした状態で、２枚のガラスウエハの外側表面に各々陰極を配置し、所定の電界が印加された状態とし、接合膜１１４に、各々のガラスウエハが陽極接合された状態とする。このことにより、各チップ領域においては、水晶振動子片１１１が、凹部１２１及び凹部１３１による空間内に封止された状態となる。なお、接合した後に、ガラスウエハを薄層化してもよい。

この後、例えば、各々ガラスウエハの外側表面に、図示していない配線により電極１１２に接続する端子（外部電極）が形成された状態とする。端子は、各チップ領域毎に形成された状態とする。ついで、枠部１１０の領域に設けられている断裁領域を断裁し、ウエハ状態より個々のチップに切り出すことにより、図１（ａ）に示すように、カバー１２０及びカバー１３０が、接合膜１１４に陽極接合されて枠部１１０に固定された状態の振動子パッケージが得られる。

上述したように、パッケージは、１５０℃程度に加熱された状態で接合されるため、接合の後に冷却されると、ガラスからなるカバーは水晶基板より多く縮退するために残留応力が働き、接合面における接合の強度が低下しやすい状態となっている。また、ガラスウエハの片面に凹部が形成されていることによる反りを起因とする残留応力もあり、やはり接合面における接合の強度が低下しやすい状態となっている。しかしながら、図１に示す振動子パッケージによれば、カバーの凹部に従来より薄い部分が形成できるので、上述した残留応力を薄い部分で緩和させることが可能となる。また、接合時や断裁時には、カバー１２０及びカバー１３０に応力が加わる状態となる。しかしながら、図１に示す振動子パッケージでは、凹部１２１，凹部１３１の断面形状がアーチ状となっているため、部分的な応力の集中がなく、凹部を薄くしても破損しにくい状態となっている。

ところで、上述では、陽極接合を例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、直接接合により、カバー１２０及びカバー１３０の接合面が枠部１１０に接合されていてもよい。直接接合は、ガラス部材と水晶部材などを、接着剤や接合膜などを用いることなく、一方の接合面の結晶表面構成原子と他方の接合面の結晶表面構成原子との間の共有結合を用い、両者を直接に固着させる技術である。例えば、研磨，洗浄，及び親水基形成処理を行ったガラスウエハと水晶ウエハとを清浄雰囲気中で接触させ、この状態で加熱処理などを行うことで、強固な接合状態が得られる。直接接合による接合強度は、親水基形成処理をした後に接触させただけの初期段階から、加熱処理を施すことにより数十倍以上に上昇する。

親水基形成処理をした後に接触させた初期段階では、両方のウエハの接触面に形成されている親水基と、接触している界面に存在する水分子との水素結合を介し、両方のウエハは結合されている。この状態から加熱処理を行うことにより、界面に存在する水分子は界面から除去され、水分子を介しての結合が、結晶構成原子間の強固な共有結合に変化する。従って、直接接合による接合強度は、加熱の処理温度が高いほど強くなる。このような直接接合による接合においても、前述した陽極接合の場合と同様に、カバーの凹部に従来より薄い部分が形成できるので、接合により発生する残留応力を薄い部分で緩和させることが可能となる。

本発明の実施の形態における振動子パッケージの構成例を示す模式的な断面図（ａ），部分斜視図（ｂ），及び部分平面図（ｃ）である。水晶振動子パッケージの製造過程を示す斜視図である。従来よりある水晶振動子パッケージの一部構成例を示す平面図である。従来よりある水晶振動子パッケージの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０１…水晶基板、１１０…枠部、１１１…水晶振動子片、１１２…電極、１１４…接合膜、１２０，１３０…カバー、１２１，１３１…凹部。

Claims

枠部とこの内側に配置された圧電振動子片とが一体に形成された略矩形の圧電基板と、
前記圧電振動子片が配置されている領域に設けられた凹部を備えて前記枠部に接合されたカバーと
を少なくとも備え、
前記凹部は、断面形状がアーチ状に形成されている
ことを特徴とする振動子パッケージ。
請求項１記載の振動子パッケージにおいて、
前記圧電基板の前記枠部に形成された金属からなる接合膜を備え、
前記カバーは、前記接合膜を介して前記枠部に接合されている
ことを特徴とする振動子パッケージ。
請求項２記載の振動子パッケージにおいて、
前記カバーは、前記接合膜を介して前記枠部に陽極接合されている
ことを特徴とする振動子パッケージ。
請求項１記載の振動子パッケージにおいて、
前記カバーは、前記枠部に直接接合により接合されている
ことを特徴とする振動子パッケージ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動子パッケージにおいて、
前記カバーは、ガラス及び水晶の少なくとも１つから構成されたものである
ことを特徴とする振動子パッケージ。