JP2007013594A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電デバイスの製造方法において、マスター基板の各基板部の封止を、確実に行うことができるとともに生産性を向上させた圧電デバイスの製造方法を使用した圧電デバイスを提供する。
【解決手段】 マトリクス状に配列された複数個の基板部１とこの基板部１同士の間に設けられる捨代部Ｓとを有してなるマスター基板９に導体パターン４を形成する工程Ａと、マスター基板９の基板部１の表主面に圧電振動素子５を実装する工程Ｂと、封止材６を有するマスターカバー１１をマスター基板９に載置する工程Ｃと、マスターカバー１１側にヒーター電極１３を接触させつつ当該マスターカバー１１を加熱し、その熱により封止材６を溶融させ、マスター基板９とマスターカバー１１とを接合させる工程Ｄと、マスター基板９を各基板部１の外周に沿って切断し、複数個の圧電デバイス１００を得る工程Ｅと、を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子機器に用いられる圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスに関する。

従来、電子機器の基準信号を発生させるのに圧電デバイスが用いられている。
かかる従来の圧電デバイスとしては、セラミック材料等から成る基板上にシールリングを取着させるとともに、該シールリングの内側に位置する基板の上面に、圧電振動素子としての水晶振動素子を、その一端側でのみ保持する形で実装し、更に前記シールリング上に金属製のカバーを載置・固定することにより水晶振動素子を気密封止した封止構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、この封止構造において、基板内に収容した圧電振動素子に特性を変動させるような過度の熱を与えず、しかも表面実装する際のリフロー半田にも十分に耐えられる構造としてシーム溶接による封止構造が挙げられる。
従来のシーム溶接は、一面が開口した筺体状基板の開口周囲にタングステンやモリブデンを下地層とし、その上にＮｉメッキ被覆膜などの封止用導体膜を形成し、また、前記シール用導体膜上に４２アロイ、コバールなどのシールリングを銀ロウ付けなどで接合する。その後、基板の開口にシールリングと同一の金属材料から成る矩形状カバーを載置し、仮付けした後、シールリングと矩形状カバーとの接合する４辺に、カバー側からローラー電極を押圧しながら当該ローラー電極を通電させつつ回転させることで、カバーとシールリングとの間に大きな電流を印加しての溶接が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、封止方法において、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）ロウ材で接合するものがあり、カーボン治具に収納したまま、封止炉に入れ真空雰囲気内で加熱する方法が知られている。
特開２００２―１１１４３５号公報（第５−６頁、図２） 特開２０００−２２０１３号公報（第７頁、３図）

しかしながら、従来の封止方法であるシーム溶接では、一定以上の溶接面積が必要な為、小型化する際に、水晶振動素子を小型化するとクリスタルインピーダンス（ＣＩ）値等の特性が劣化し、基板を小型化すると溶接面積が十分にとることができないので、気密封止性を維持することができないことにより、これ以上水晶振動素子及び基板共に小型化することができなかった。
また、封止時間がかかるとともに、マスター基板での生産をすることが出来ないという欠点があった。

また、従来のカーボン治具を使用し、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）等にて封止する方法では、個片で実施する場合には、キャリア治具からカーボン治具へ移し変える工程が必要な為、生産性が低下してしまうという欠点があった。
また、前記カーボン治具を用いていたために、カーボン治具から塵埃が剥離して収容空間へ侵入することが避けられなかった。そして、一旦収容空間に入り込んだ塵埃などのゴミは容易に取りきれないという欠点があった。

そこで、本発明は、前記した問題点を解決し、マスター基板の各基板部の封止を、確実に行うことができるとともに生産性を向上させた圧電デバイスの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、マトリクス状に配列された複数個の基板部とこの基板部同士の間に設けられる捨代部とを有してなるマスター基板に導体パターンを形成する工程Ａと、前記マスター基板の基板部の表主面に前記圧電振動素子を実装する工程Ｂと、封止材を有するマスターカバーを前記マスター基板に載置する工程Ｃと、前記マスターカバー側にヒーター電極を接触させつつ当該マスターカバーを加熱し、その熱により封止材を溶融させ、前記マスター基板と前記マスターカバーとを接合させる工程Ｄと、前記マスター基板を各基板部の外周に沿って切断し、複数個の圧電デバイスを得る工程Ｅと、を含む圧電デバイスの製造方法である。

また、本発明は、前記工程Ｃにおいて、前記マスターカバーに代えて、封止材を有する個片化されたカバー部を前記マスター基板に載置し、前記工程Ｄにおいて、前記マスターカバーに代えて、当該カバー部に前記ヒーター電極を接触させつつ当該カバー部を加熱し、その熱により前記封止材を溶融させ、前記マスター基板と前記カバー部とを接合させてもよい。

また、本発明は、前記ヒーター電極が、チタン、モリブデン、タングステン、セラミックスからなっていても良い。

また、本発明は、発熱する加熱治具によって前記マスター基板に８０℃から１５０℃の予備加熱を加えても良い。

また、本発明は、前記ヒーター電極を、ハロゲンランプ又はキセノンランプの光源により発熱させても良い。

本発明によれば、マスターカバー側にヒーター電極を接触させて前記マスターカバーを加熱し、その熱により封止材を溶融させ、前記マスター基板と前記マスターカバーとを接合させるので、マスター基板にマスターカバーを載置した状態での接合（封止）が可能となり、生産性を向上させることが可能となる。また、ヒーター電極をマスターカバーに接触させることにより、一括的に熱を印加できると共に、マスターカバーの各カバー部に均等に熱がかかるので安定して気密封止することが可能となる。更に、カーボン治具を使用する場合と比較して、塵埃が入る可能性がない為、安定した発振出力をすることが可能となる。

また、前記ヒーター電極が、チタン、モリブデン、タングステン、セラミックスからなることにより、抵抗値が高く、発熱性が良好なため、容易に温度をコントロールすることが可能となる。また、前記ヒーター電極が前記マスターカバーのカバー部に接触しても、前記カバー部に損傷を与えることなく、安定した気密封止を行うことが可能となる。

また、前記マスター基板と前記マスターカバーを接合させる前に、加熱治具によって前記マスター基板に８０℃から１５０℃の予備加熱を加えることにより、ヒーター電極が前記マスターカバーのカバー部に接触しても、マスター基板に与える熱影響を最小限にすることで、マスター基板の損傷を防止することが可能となる。

また、前記ヒーター電極に、ハロゲンランプ、又はキセノンランプの光源によって、前記ヒーター電極を発熱させるので、前記ヒーター電極の温度上昇を早くすることが可能となるとともに、安定した発熱状態とすることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（第一の実施形態）
図１は、個片化する前の状態の一例を示す分解斜視図である。図２は、圧電振動素子を実装したマスター基板にマスターカバーを載置した状態の一例を示す斜視図である。図３は、ヒーター電極をマスターカバーに押圧する前の状態を示す斜視図である。図４は、接合したマスター基板とマスターカバーとを各圧電デバイスごとに切断した状態を示す斜視図である。図５は、圧電デバイスの断面図である。

図５に示すように、本発明に係る圧電デバイス１００は、主に基板（以下、「基板部」という。）１と蓋（以下、「カバー部」という。）２と圧電振動素子５とから構成されている。
ここで、本発明の圧電デバイス１００は、マトリクス状に配列された複数個の基板部１と基板部１同士の間に設けられる捨代部Ｓとを有してなるマスター基板９に導体パターン４が形成されており、このマスター基板４の基板部１の表主面に圧電振動素子５が実装された状態で、封止材６を有するマスターカバー１１を当該マスター基板９に載置して、マスターカバー１１側にヒーター電極１３を接触させつつ当該マスターカバー１１を加熱し、その熱により封止材６を溶融させ、マスター基板９とマスターカバー１１とを接合し、この状態でマスター基板９とマスターカバー１１とを各基板部１の外周に沿って切断して得られる。

基板部１は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数層、積層することによって形成されている。この基板部１には、所定幅の縁を有しつつ矩形状に凹む凹部７が形成されており、所定幅の縁に導体パターン４が形成されている。導体パターン４の下面には入力端子（図示せず）、出力端子（図示せず）及びグランド端子（図示せず）を含む複数個の外部端子３（図５参照）が設けられている。なお、捨代部Ｓも基板部１と同様の材質から構成される。

なお、基板部１がアルミナセラミックスからなる場合に、当該基板部１は、所定のセラミック材料粉末に所定量の有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に外部端子３や接続パッドＰ，導体パターン４等となる導体ペーストを、またセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを、従来周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

また、基板部１は、この凹部７の内部に水晶からなる圧電振動素子５を収容する役割を果たす。そして、凹部７の底面には、圧電振動素子５の振動電極と電気的に接続される一対の接続パッドＰが被着・形成されている。

圧電振動素子５は、所定の結晶軸でカットした、厚み３０μｍ〜１６０μｍの水晶片の両主面に一対の振動電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。
このような圧電振動素子５は、その両主面に被着されている振動電極と凹部７の底面の対応する接続パッドＰとを導電性接着材８を介して電気的・機械的に接続することによって基板部１の凹部底面に実装される。

この一対の接続パッドＰは、図５に示すように、その上面側で圧電振動素子５の振動電極に導電性接着材８を介して電気的に接続され、下面側で基板部１内部の配線導体（図示せず）やビアホール導体（図示せず）等を介して入出力端子（入力端子・出力端子）（図示せず）に電気的に接続される。

また、導体パターン４は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等から成る下地層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次被着させることによって１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されており、所定幅の縁のみならず、その凹部７の内壁面と、基板部１の外側面とにそれぞれ延在されている。

この導体パターン４は、後述するカバー部２を封止材６を介して基板部１の上面に接合させるためのものである。このように、かかる導体パターン４を、タングステン（Ｗ）、又はモリブデン（Ｍｏ）から成る下地層の表面にＮｉ層及びＡｕ層を順次被着させた構成としたことにより、導体パターン４に対する封止材６の濡れ性を良好とすることができ、圧電デバイス１００の信頼性及び生産性を向上させることができる。

また基板部１の内部には、厚さ方向に貫通するビアホール（図示せず）に設けられたビア導体（図示せず）が埋設されている。これにより、基板部１の上面に被着させた導体パターン４が封止材６を介してカバー部２に接合することによって、カバー部２がビア導体を介して基板部下面のグランド端子（図示せず）と電気的に接続される。このように、金属から成るカバー部２をグランド端子と電気的に接続させておくことにより、圧電デバイス１００を使用した場合に、カバー部２がグランド電位に保持されるようになるため、カバー部２のシールド作用によって、圧電振動素子５を外部からの不要な電気的作用より良好に保護することができる。

このようなグランド端子を含む基板部１下面の外部端子３は、圧電デバイス１００をマザーボード等の外部配線基板上に搭載する際に、当該外部配線基板の配線と半田等の導電性接着材を介して電気的に接続するための端子として機能する。

また、基板部１上に配置されるカバー部２は、４２アロイ等から成る金属板であって、その下面に、外周に沿ってニッケル（Ｎｉ）層を環状に被着させ、このＮｉ層を封止材６を介して基板部上面の導体パターン４に接合させることによって基板部１の上面に取着される。これにより、凹部７が塞がれて圧電振動素子５の凹部７内が気密封止される。同時に、カバー部２が前記したビア導体等を介して基板部１下面のグランド端子に電気的に接続される。

次に本発明に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。

（工程Ａ）
マスター基板９は、図１及び図５に示すように、矩形状の平板状基板が２層積層され、さらにマトリクス状、即ち、縦ｍ列×横ｎ行の行列状に配置された多数の矩形状の凹部７を有する基板を積層してなる。このマスター基板９には、マトリクス状に配置された凹部７を中心に基板部１を形成しつつ、基板部１同士の間に捨代部Ｓを形成している。また、凹部７の底面に一対の接続パッドＰを形成し、基板部１の上面であって所定幅を有する縁にカバー部２との接合用の導体パターン４が被着・形成されている。そして基板部１の下面側には入出力端子やグランド端子等の外部端子３（図５参照）が被着・形成されている。

（工程Ｂ）
マスター基板９の各基板部１に設けられている凹部７の底面にある接続パッドＰに、圧電振動素子５を実装する。
マスター基板９の各基板部１の凹部７底面には圧電振動素子５が1個ずつ実装され、圧電振動素子５の振動電極とマスター基板９上面の接続パッドＰとが導電性接着剤８（図５参照）を介して電気的・機械的に接続される。

（工程Ｃ）
次に、図２に示すように、圧電振動素子５が実装されているマスター基板９の基板部１の上面に形成された導体パターン４に１対１に対応する複数個のカバー部２を有する金属製のマスターカバー１１を、圧電振動素子５が封止されるようにして載置する。
なお、マスターカバー１１の上面には、ニッケル（Ｎｉ）層が形成され、更にニッケル（Ｎｉ）層の上面に、封止材であるクラッド化された金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層が形成される。クラッド化された金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜３０μｍである。例えば、成分比率が、金が８０％、錫が２０％のものが使用されている。また、このようなマスターカバー１１にも、先に述べたマスター基板９と同様に、各カバー部２同士の間に所定の捨代部Ｓが設けられている。

（工程Ｄ）
図３に示すように、マスター基板９にマスターカバー１１を載置した状態で、マスターカバー１１の全面にヒーター電極１３を接触させつつ当該マスターカバー１１を加熱し、その熱により封止材６を溶融させ、マスター基板９とマスターカバー１１とを接合させる。

このような、ヒーター電極１３を用いた接合装置は、いわゆる「パルスヒート装置」と呼ばれている。
このパルスヒート装置は、電源、電源電圧により加熱されるヒーター電極１３、ヒーター電極１３に取り付けられた熱電対により構成されている。ヒーター電極１３は、チタン、モリブデン、タングステン、セラミックス等の高抵抗値を示す材質を用いるので、熱容量が大きくなっている。

マスター基板９をパルスヒート装置にセットし、パルスヒート装置内で、空気を吸い出して真空状態にし、電源電圧をヒーター電極１３に印加してヒーター電極１３を発熱させる。
ここで、設定温度に達した後、ヒーター電極１３を前記マスターカバー１１に押圧させることにより、マスターカバー１１とマスター基板９間に介在する封止材６が溶融し、マスターカバー１１とマスター基板９とが接合される。
また、ヒーター電極１３をマスターカバー１１に押圧する際に、スプリング（ばね）などの弾性体１４をヒーター電極１３に設けておくことにより、適宜の加圧をマスターカバー１１の上面に加えることが可能となる。これにより適宜な加圧力でマスターカバー１１をマスター基板９に押し付けることができる。

また、マスター基板９とマスターカバー１１との接合において、マスター基板９の温度を８０℃から１５０℃で加熱治具Ｋによって加熱しながら、封止を行うのが好ましい。
これは、マスター基板９の温度が８０℃から１５０℃であれば、ヒーター電極１３がマスターカバー１１のカバー部２に接触しても、マスター基板９に与える熱影響を最小限にすることができ、マスター基板９の損傷を防止することが可能となる。また、マスター基板９に予備加熱を加えることにより、封止材６から発生するガスを外に逃がすことができるので、接合時に生じるボイドの発生を削減することが可能となる。
ここで、最も接合状態が良いのは、マスター基板９の温度が８５℃から１２０℃である場合である。

なお、マスター基板９の温度が８０℃より低いと、良好な接合状態とはならず、マスター基板９の温度が１５０℃より高いと水晶からなる圧電振動素子５に悪影響を及ぼすこととなる。

加熱治具Ｋは、図示しないヒーターによって加熱されるものであって、パルスヒータ装置でマスターカバー１１を加熱する前に、予めマスター基板９を加熱するものである。

また、ヒーター電極１３を加熱する方法としては、キセノンランプやハロゲンランプ等の光源をヒーター電極１３に照射し、ヒーター電極１３を熱することによって、ヒーター電極１３を加熱させても構わない。

キセノンランプは、陰極と陽極とを内部に配置したバルブであり、発光部の最高輝度の位置を集光ミラーの焦点位置に集光し、この焦点位置に光ファイバの射出端から射出する。

また、同様にハロゲンランプは、バルブ内にタングステンフィラメントを備え、ハロゲンガスを封入したものである。このタングステンフィラメントが通電加熱されると、ハロゲンガスと反応し、タングステン−ハロゲン化合物が生成される。タングステン−ハロゲン化合物は、バルブ内の対流により、タングステン−ハロゲン化合物がフィラメント付近に運ばれ、高温によりタングステンとハロゲンガスに分解されて、タングステンは、フィラメントに沈殿するというハロゲンサイクルを繰り返し、光ビームを発生するものである。

ここで発生した光ビームは、ヒーター電極１３を熱するのに用いられ、熱されたヒーター電極１３をマスターカバー１１に接触させることにより封止材６を溶融させ、溶融した封止材６によりマスターカバー１１をマスター基板９に接合させることができる。つまり、基板部１の封止を行うことができる。このとき、複数個同時に封止をすることできる。
また、キセノンランプやハロゲンランプで照射することによって、ヒーター電極１３に電源電圧を印加することによって加熱させるよりも、電源電圧を供給する為の配線等を真空炉内に引き回す必要がないので、メンテナンス等を効率良く実施することが可能となる。

（工程Ｅ）
そして、図４に示すように、マスター基板９の各基板部１及びマスターカバー１１のカバー部２の外周に沿って切断することにより、接合された各基板部１及びカバー部２を分割（切断）する。
マスター基板９の切断はダイサーを用いたダイシング等によって行なわれ、マスター基板９が個々の基板部１毎に分割されることにより、各圧電デバイス１００を得ることができる。

（第二の実施形態）
次に本発明の第二の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について説明する。
本発明の第二の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法は、工程Ｃにおいて、個片化されたカバー部をマスター基板に載置し、工程Ｄにおいて個々にカバー部をマスター基板に接合する点で第一の実施形態と異なる。

つまり、この個片化されているカバー部には封止材が設けられており、マスター基板の各基板部に各々載置して接合する。
したがって、個片化されているカバー部を一つずつ載置し接合する。という工程Ｃと工程Ｄを繰り返してカバー部と基板部とを接合する。

なお、これ以外にも、工程Ｃを繰り返すことによって、個片化されたカバー部をマスター基板に設けられている総て基板部に載置し、工程Ｄにより各カバー部とマスター基板の基板部とを接合しても良い。
このように、第二の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を構成しても第一の実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、圧電デバイスとして、圧電振動素子に水晶を用いた表面実装型の水晶発振器を例にとって説明したが、これに代えて、圧電振動素子として弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタ等の他の圧電振動素子を用いる場合にも本発明は適用可能であり、本実施形態と同様の効果を奏する。また、圧電振動素子に代えて半導体素子を用いることもできる。

また、上述した実施形態においては、マスターカバー１１のカバー部２に封止材６を形成していたが、マスター基板９の基板部１に形成しても良い。

更に、マスター基板９を複数のエリアに分割し、そのエリアごとに複数の基板部を形成すると共に、そのエリアごとにヒーター電極で気密封止しても良い。

個片化する前の状態の一例を示す分解斜視図である。 圧電振動素子を実装したマスター基板にマスターカバーを載置した状態の一例を示す斜視図である。 ヒーター電極をマスターカバーに押圧する前の状態を示す斜視図である。 接合したマスター基板とマスターカバーとを各圧電デバイスごとに切断した状態を示す斜視図である。 圧電デバイスの断面図である。

符号の説明

１００ 圧電デバイス
１ 基板部
２ カバー部
３ 外部端子
４ 導体パターン
５ 圧電振動素子
６ 封止材
７ 凹部
８ 導電性接着材
９ マスター基板
１１ マスターカバー
１３ ヒーター電極
１４ 弾性体
Ｓ 捨代部
Ｋ 加熱治具

Claims (5)

1. マトリクス状に配列された複数個の基板部とこの基板部同士の間に設けられる捨代部とを有してなるマスター基板に導体パターンを形成する工程Ａと、
   前記マスター基板の基板部の表主面に前記圧電振動素子を実装する工程Ｂと、
   封止材を有するマスターカバーを前記マスター基板に載置する工程Ｃと、
   前記マスターカバー側にヒーター電極を接触させつつ当該マスターカバーを加熱し、その熱により前記封止材を溶融させ、前記マスター基板と前記マスターカバーとを接合させる工程Ｄと、
   前記マスター基板を各基板部の外周に沿って切断し、複数個の圧電デバイスを得る工程Ｅと、を含む圧電デバイスの製造方法。
2. 前記工程Ｃにおいて、
   前記マスターカバーに代えて、
   封止材を有する個片化されたカバー部を前記マスター基板に載置し、
   前記工程Ｄにおいて、
   前記マスターカバーに代えて、
   当該カバー部に前記ヒーター電極を接触させつつ当該カバー部を加熱し、その熱により前記封止材を溶融させ、前記マスター基板と前記カバー部とを接合させる、
   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. 前記ヒーター電極が、チタン、モリブデン、タングステン、セラミックスからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法。
4. 発熱する加熱治具によって前記マスター基板に８０℃から１５０℃の予備加熱を加えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。
5. 前記ヒーター電極を、ハロゲンランプ又はキセノンランプの光源により発熱させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法。

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