JP2007135191A - 圧電デバイス及び、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性接着剤では実現できなかった小径塗布が可能で、しかも金バンプによる固定で問題となっていた歪みの発生が無く目標としている特性を得ることができる圧電デバイスを提供する。
【解決手段】表面実装用パッケージ２の凹所３内に設けた２つの電極パッド６、６上に圧電振動素子１０の２つの接続パッド１２ｂ、１３ｂを接合部材により接合して支持すると共に、前記凹所３を蓋４により気密封止した圧電デバイスにおいて、接合部材として金属球形粒子と溶剤とから構成される金属部材７を用いるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装型の圧電振動子、圧電振動子を備えた圧電発振器、及び圧電フィルタに関するものである。

従来から圧電振動子、圧電振動子を備えた圧電発振器、及び圧電フィルタなどの圧電デバイスにおいては、それらの圧電振動素子（圧電振動片）の接続パッドを導電性接着剤または金バンプを用いてパッケージ上の電極パッドに接合（固定）するようにしていた。
例えば、特許文献１には、導電性接着剤が圧電振動子の諸特性に及ぼす影響を小さくし、且つ、ワイヤボンディングによる接続を行うのに好適な圧電デバイスの構造に関する技術が開示されている。
また特許文献２には、水晶振動子に設けたＡｇ接続パッド上に形成したＡｕバンプを、セラミックパッケージ内のＡｕ内部端子に熱圧着して固定する際に、過剰な加熱により水晶振動子を構成する水晶素板に熱歪みによる内部応力が発生したり、接続パッドを構成するＡｇ層が酸化することにより共振周波数が変動したり、パッケージが反りを起こして水晶素板内部に応力が発生するといった不具合を解消することができる表面実装型圧電共振子が開示されている。
特開２０００−３３２５７２公報 特開２０００−２３２３３２公報 特開２００５−２１６５０８公報

ところで、導電性接着剤はシリコーンやエポキシ等の有機系樹脂と銀粒子とから構成され、それらの有機系樹脂が硬化収縮することでパッケージ上の電極パッドに圧電振動素子が接着され、また有機系樹脂の体積減少によって銀粒子同士が接触し導通が確保されている。導電性接着剤は、従来から一般的にディスペンス方式により塗布していたが、圧電デバイスの小型化、低背化に伴い、圧電振動素子を搭載するパッケージ（基板）の電極パッドの寸法（面積）が小さくなってきた。例えば、２０１６サイズ（２ｍｍ×１．６ｍｍ）の圧電振動子の場合、電極パッドの寸法は約０．３０ｍｍ×０．３０ｍｍ程度となる。このため、導電性接着剤を電極パッドに塗布する際のバラツキを考慮すると、ディスペンサにより塗布する導電性接着剤の形状はφ０．２０ｍｍ以下の小径にする必要が生じてきた。
尚、表面実装型の圧電振動子の場合、例えば高周波化に伴い圧電振動素子が薄くなると機械的衝撃に対して破損し易くなる為、当該衝撃を吸収するようにシリコーン樹脂を含む導電性接着剤（導電性シリコーン接着剤）を用いてパッケージと圧電振動素子とを接合することが一般的である。
そして導電性シリコーン接着剤の成分は、銀粒子が８０〜９０ｗｔ％、樹脂分が１５〜２５ｗｔ％、溶剤分が５〜１５ｗｔ％を含有し、粘度が２００〜２５０ｄＰａ・ｓ、チクソ比が３．０〜６．０であるのが一般的である。
しかしながら、導電性接着剤は、樹脂分が約２０ｗｔ％のペースト状態なので、塗布した後に滲みが発生して電極パッドからはみだし小径塗布ができないという問題点があった。
図６は各種導電性接着剤のディスペンス方式による塗布例を示した図であり、この図６に示すように、導電性接着剤Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄのいずれもパッケージの電極パッド上に塗布した導電性接着剤が滲んでしまい、その形状をφ０．２０ｍｍ以下の小径にすることができなかった。
またφ０．２０ｍｍの小径塗布を行う場合は、内径がφ０．１０ｍｍ程度のニードルを使用することになるが、銀粒子がニードルの噴出経路を塞いでしまい連続的に塗布することができないという問題点があった。
さらに導電性接着剤は硬化後であっても加熱によって有機物（ガス）が発生し、そのガスが凝縮して圧電振動素子の素板面を汚すと周波数が変化する。
特に、近年、圧電デバイスの小型化、低背化によって、圧電振動素子を収容するエリアの体積が小さくなっているため、ガスの影響が顕著に現れやすい構造になっており、目標とする特性が得られないという問題点があった。
即ち、導電性接着剤による圧電振動素子の接着は、圧電デバイスの小型化、低背化によってディスペンス方式では小径塗布が困難な状況になり、しかも有機物（ガス）発生で目標とする特性が得られないという問題点があった。
そこで、特許文献２に開示されているように、導電性接着剤の代わりに、金ワイヤを潰した金バンプにより圧電振動素子を接合する方法が提案されている。

図７は金バンプによる圧電振動素子の接合方法の一例を示した図であり、この図に示す接合方法は、ホットプレート１１０によりステージ加熱した状態で、パッケージ１００の内底面１０１上の電極パッド１０２に金バンプ１０３を着座させると共に、ツール１１１により所要の荷重にて圧電振動素子１０４を上方から加圧することにより、電極パッド１０２に圧電振動素子１０４を接合するものである。
この場合の金バンプ１０３は、密度とヤング率が大きく比較的硬い材料なので圧電振動素子１０４の接合部に歪みが生じる。そこで、歪みを除去するためにパッケージ１００を加熱する熱処理を施すようにしていたが、熱処理の前後において周波数やクリスタルインピーダンスが大きく変化し、目標とする特性が得られないという問題点があった。
一方、特許文献３に開示されているように、金属バンプとして金属粉を用いて軟らかいバンプを形成する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献３に開示された金属バンプは、金属ペーストを乾燥と焼結して金属バンプを形成した後、被接合物が接合されるものである。
そしてこのような金属バンプに、非接合物として圧電振動素子１０４を押付けた場合、金属バンプは押しつぶされることにより構造的に特許文献２に開示された金バンプとほぼ等しいものとなる。
従って、特許文献３に開示された金属バンプを使用した場合であっても圧電振動素子搭載後の金属バンプの密度とヤング率とが大きい為に圧電振動素子１０４の接合部に歪みが生じてしまうことを避けることができない場合がある。
更に、特許文献３に開示された金属バンプは、被接合物との接合前に溶剤を飛散させるよう乾燥処理したものである。
その為、金属バンプに圧電振動素子１０４を片持ち保持するよう固定する為に金属ペースト上に圧電振動子１０４の一端部を搭載しても当該金属ペーストには圧電振動素子１０４の搭載姿勢を水平に保つだけの粘着力（濡れ性）が得られない。
従って、金属ペーストが焼結するまでに圧電振動素子１０４の自由端部側がパッケージ内の底面に接触するよう傾斜してしまうので、水晶振動子として十分な振動特性が得られない場合がある。
そこで、本発明はこのような問題点の鑑みてなされたものであり、導電性接着剤では実現できなかった小径塗布が可能で、しかも金バンプによる固定で問題となっていた歪みの発生が無く目標としている特性を得ることができる圧電振動子、圧電発振器、及び圧電フィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、接続パッドを有する圧電基板と、電極パッドを有するパッケージと、前記電極パッドと前記接続パッドとを接続する接合部材とを備え、前記接合部材が複数の金属球形粒子を焼結結合した金属部材を用いたものであることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属球形粒子は金粒子であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属部材が多孔性構造を有するものであることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属球形粒子の粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、接続パッドを有する圧電基板を用意する工程と、
電極パッドを有するパッケージを用意する工程と、
前記電極パッド上に複数の金属球形粒子と溶剤を有する接合部材を塗布する工程と、
前記接合部材に圧電基板を搭載する工程と、
前記圧電基板を搭載した後、前記金属球形粒子を焼結結合する工程と、を
有することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記焼結結合の際の加熱温度が２００℃〜３００℃の範囲内であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記金属球形粒子の粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする。

本発明によれば、金属球形粒子と溶剤とから構成される金属部材を用いて２つの電極パッドと圧電振動素子の接続パッドを接合することで、導電性接着剤では実現できなかった小径塗布が可能となり、また金ワイヤを潰した金バンプによる接合で問題となっていた歪み発生がなく目標とする特性を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の実施形態として圧電振動子の構成を示した図であり、（ａ）はその内部構成を示した平面図、（ｂ）は（ａ）に示す矢印Ａ−Ａ方向から見た縦断面図、（ｃ）は（ｂ）の破線円Ｂの拡大図である。
この図１（ａ）（ｂ）に示す圧電振動子１は表面実装用のパッケージ２の凹所３内に圧電振動素子（水晶振動素子）１０を収容してから凹所３を金属蓋４により封止した構成を備えている。
パッケージ２は、セラミック等の絶縁材料からなる絶縁基板の外底面に表面実装用の実装端子を備えると共に、凹所３の内底面に圧電振動素子１０を、本発明の特徴である接合部材として金属部材７を用いて電気的及び機械的に接合するための電極パッド６が２個近接配置されている。なお、金属部材７の詳細は後述する。
圧電振動素子１０は、水晶基板等の圧電基板１１と、この圧電基板１１の両主面に夫々形成した励振電極１２、１３と、各励振電極１２、１３から圧電基板１１の一端縁１１ａに向けて夫々引き出されたリード端子１２ａ、１３ａと、各リード端子１２ａ、１３ａの端部に連設された接続パッド１２ｂ、１３ｂとを備えている。
圧電基板１１の一方の面に形成された励振電極１２から延びるリード端子１２ａは圧電基板の同一面に形成された接続パッド１２ｂと導通している。また圧電基板１１の他方の面に形成された励振電極１３から延びるリード端子１３ａは前記一方の面の端縁１１ａに沿って形成された接続パッド１３ｂと導通している。従って、両接続パッド１２ｂ、１３ｂは圧電基板１１の一方の面の一端縁１１ａに沿って近接配置された状態にある。また各接続パッド１２ｂ、１３ｂは、パッケージ側の電極パッド６，６と一対一で対応し得る位置関係となるように配置されている。

このときの圧電振動素子１０の素板厚（圧電基板１１の厚さ）は約３５μｍ、また図１（ｃ）に示すように圧電振動素子１０の素板２０（圧電基板１１）の両面に形成されている接続パッド１３ｂ、１２ｂは、素板２０上に厚さ約１５０Åのニッケル（Ｎｉ）スパッタ膜２１を成膜すると共に、そのＮｉスパッタ膜２１上に厚さ約８５０Åの金（Ａｕ）スパッタ膜２２を成膜することにより形成されている。また電極パッド６は図示しないが例えばパッケージ２の内底面上に形成した厚さ約１０μｍのＷメタライズ上に、厚さ約４μｍのＮｉメッキを施し、さらにその上に厚さ約０．５μｍのＡｕメッキを施すことにより形成されている。
このように構成される圧電振動子１は、パッケージ２の内底面に設けた２つの電極パッド６、６と圧電振動素子１０の２つの接続パッド１２ｂ、１３ｂとを接合する接合部材として、ポーラス構造（多孔性構造）を有する金属部材７を用いるようにした点に特徴があり、金属部材７は複数の金属球形粒子から構成されたものである。これにより、従来の導電性接着剤では実現できなかった小径塗布を可能とし、しかも金属部材７はポーラス構造であるので金バンプによる固定で問題となっていた歪みの発生が無く、目標としている特性を得ることが可能になる。
尚、金スパッタ膜２２の下地には、ニッケルスパッタ膜２１の代わりにクロムを使用しても構わない。また、金スパッタ膜２２の代わりに銀を使用しても構わない。更に、上述ではスパッタ成膜法にて接続パッド１３ｂ、１２ｂ、などの金属膜を形成して本発明を説明したが、蒸着成膜法やメッキ成膜法を使用して金属膜を形成した圧電振動素子１０であっても構わない。

図２は、ディスペンサにより圧電振動素子を収容するパッケージ内の電極パッド上に金属部材７を塗布したときの様子を示した図である。
この図２に示すように、例えばディスペンサにより金属部材７をφ０．２０ｍｍ以下の小径となるように塗布するには、図２（ｃ）（ｄ）に示した内径がφ０.１８ｍｍとφ０．１５ｍｍのニードル５３、５４（武蔵エンジニアリング社製あるいはＥＦＤ社製の３０Ｇストレートニードル）を用いると、電極パッド６上にφ０．１８ｍｍ〜φ０．２０ｍｍの塗布径の金属部材７が得られることが分かった。
また例えば金属部材７をφ０．１５ｍｍ以下のさらなる小径となるように塗布するには、図２（ｂ）に示した内径がφ０．１０ｍｍのニードル５２（ＥＦＤ社製のミクロスペンタイプの３２Ｇストレートニードル）を用いると、電極パッド６上にφ０．１２ｍｍの塗布径の金属部材７が得られることがわかった。さらに図２（ａ）に示したニードル先端の外径を研磨して小さくしたニードル５１（ＥＦＤ社製の３３Ｇシャンファーニードル（内径φ０．１０ｍｍ））を用いると、電極パッド６上にφ０．０７ｍｍの塗布径の金属部材７が得られることがわかった。
また、図２（ｅ）に示した内径がφ０．１５ｍｍのニードル５５（武蔵エンジニアリング社製の３０Ｇストレートニードル）を使用して金属部材７を塗布すると、電極パッド６上にφ０．１８ｍｍ〜φ０．２０ｍｍの塗布径の金属部材７が得られることが分かった。
そして、これらのディスペンサ工程において使用する金属部材７としては１個の金属球形粒子の粒径が０．０１μｍ〜０．９μｍの範囲内、金属粒子含有量９０ｗｔ％、溶剤含有量９ｗｔ％、樹脂含有量１ｗｔ％であり、焼結温度が２００℃〜３００℃であるものである。
更に、金属部材７としては塗布量に対する金属粒子の密度を高めて高い導電率を確保する為に金属粒子表面に被膜を形成するような被覆剤や被覆剤と反応する物質を含有していないものが好ましい。
尚、０．０１μｍ〜０．１μｍの比較的小さい粒径の金属粒子を使用した場合、焼結温度を低くすることができると共に、焼結前の金属部材７のチクソ比を低く抑えることができるのでディスペンサの噴出孔を金属粒子が塞いでしまうという事故が発生し難いというメリットがある。
但し、この場合、金属粒子間の焼結が起き易い故にポーラス構造となり難く金属部材７の金属密度が高すぎてしまう場合があり、金属部材７の金属密度やヤング率が金属バンプ（ボンディングボール）に近づいてしまう。
一方、金属粒子の粒径が大きいほど焼成温度を高くする必要があるので、圧電振動素子へ与えるダメージが大きくなる。
また更に、金属粒子の粒径が大きいほど金属部材料７は、落下衝撃などの外部衝撃を伝達し易く、更に、金属密度やヤング率が部分的に高いポーラス構造となってしまう。
そこで、比較的金属密度、ヤング率が適度に低いポーラス構造を安定的に再現するには粒径が０．２０μｍ〜０.５０μｍの金属粒子を用いて金属部材７を構成することが望ましい。
尚、Ａｕバンプの場合ヤング率は約７８ＧＰａであったのに対して、本発明に基づく金属部材７のヤング率は９Ｇｐａ〜１６ＧｐａでありＡｕバンプのヤング率と比較して小さいものであった。
因みに、図２（ｅ）に示したニードル５５を用いて従来の導電性接着剤を塗布すると、平均塗布径がφ０．２８ｍｍ（バラツキはφ０．２４ｍｍ〜φ０．３２ｍｍ）であった。
このように本実施形態では金属球形粒子と溶剤から構成される金属部材７を圧電振動素子１０と電極パッド６とを電気的機械的に接合するための接合部材として用いることで、導電性接着剤では実現できなかったディスペンサによる小径塗布が可能になった。
次に、上記のように電極パッド６に金属部材７を塗布した後、圧電振動素子１０を金属部材７上に搭載して例えばクリーンオーブン中で３００℃以下（２００℃〜３００℃）の加熱処理を行う。すると、金属部材７に含まれている溶剤が揮発して金属粒子が焼結するのと同時に圧電振動素子１０を電極パッド６に接合することができた。
尚、クリーンオーブン内の加熱温度が２００℃以下の設定では、金属球形粒子間の焼結が不完全となる可能性が高く、また加熱温度が３００℃以上の設定では、金属球形粒子が溶融し過ぎてしまいポーラス構造が得られ難い。
一方、金属球形粒子の粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの場合では、クリーンオーブン内の温度を２２５℃〜２７５℃に設定し加熱処理を行うことが望ましい。

図３（ａ）は水晶振動素子を搭載前の電極パッド６上の金属部材７を示した写真であり、図３（ｂ）は（ａ）に示した金属部材７の焼結後の状態を拡大して示した写真である。
図３（ｂ）により、例えば金属部材７を詳細に観察すると、金属部材７のなかに含まれている球形粒子１４の表面同士が焼結し、互いに連結した３次元ポーラス構造が形成していることが見て取れる。
また図４は金属部材７と電極パッド６の金メッキ及び圧電振動素子１０の金スパッタ膜２２との接合界面の詳細を示した図であり、（ａ）は金属部材７と電極パッド６の金メッキとの接合界面を拡大して示した写真、（ｂ）は金属部材７と圧電振動素子１０の金スパッタ膜２２との接合界面を拡大して示した写真である。
金属部材７の球形粒子として金粒子を使用した場合は、図４（ｂ）に示すように、金属部材７の球形粒子１４が圧電振動素子１０上に成膜した金スパッタ膜２２と融着すると共に、図４（ａ）に示すように、圧電振動素子１０を収容するパッケージ２内の電極パッド６上に形成した金メッキ１５と融着することが分かった。つまり、圧電振動素子１０とパッケージ２の電極パッド６とが電気的に接続するのと同時に、それらが金属結合によって強固に接合されていることがわかった。
ここで、金属部材７の金粒子が互いに焼結した３次元ポーラス構造は、金バンプの密度より小さいことは明らかである。また金属部材７はポーラス構造を有するためにヤング率も小さく、接合部の応力を緩和させることができる。これは金属部材７と金バンプは共に金という同一の材料を使用しているが、金属部材７では焼結体がポーラス構造を形成しているために、焼結体の密度やヤング率が違ってくるためである。
なお、純金の密度は１９．３（ｇ／ｃｍ³）、純金のヤング率は７８（Ｇｐａ）であるのに対して、２３０℃／１時間の焼結体である金属部材７の密度は１５．８（ｇ／ｃｍ³）、金属部材７のヤング率は９．５（Ｇｐａ）であり、２３０℃／１時間の焼結体は、純金に対して密度が約８２％、ヤング率が約１２％である。
従って、本実施形態のように、金属球形粒子１４と溶剤から構成され、焼結体がポーラス構造を有する金属部材７を用いて電極パッド６と圧電振動素子１０とを電気的機械的に接合すると、例えば接合部材として金バンプを用いた場合に問題となっていた歪みの発生がなく目標とする特性を得ることができるようになる。

なお、本実施形態では金属部材７をディスペンサにより電極パッド６上に塗布してから圧電振動素子１０を搭載し、その後に加熱処理して固定する場合を説明したが、これはあくまでも一例である。例えばディスペンサあるいはその他の方法により圧電振動素子１０あるいは圧電振動素子１０を収容するパッケージ２内の電極パッド６面上にペースト状の柱構造体を形成し、その後に加熱処理して柱状バンプとし、超音波を併用または併用せずに圧電振動素子１０を柱状バンプ状に押付けながら加熱して接合する方法なども考えられる。
この場合、例えば、金属球形粒子に粒径が０．５μｍ〜０．９μｍの比較的大きなものを使用すれば、金属球形粒子の剛性が比較的高いので、柱状バンプに圧電振動素子１０を押付けたときにポーラス構造体が完全に押しつぶされてしまうということが起き難いであろう。
また、本実施形態では圧電振動子を例に挙げて説明したが、これはあくまでも一例であり、例えば図示しないが、表面実装用パッケージの凹所内に設けた２つの電極パッド上に圧電振動素子の２つの接続パッドを接合部材により接合して支持すると共に、前記凹所を蓋により気密封止した圧電フィルタにおいて、接合部材として金属球形粒子と溶剤とから構成される金属部材を用いるようにしても良い。また、図５（ａ）に示すように本実施形態の圧電振動子１と、ＩＣ部品３０を収容した発振回路３１とを組み合わせて所謂二階建て構造の圧電発振器や、図５（ｂ）に示すような圧電振動素子１０とＩＣ部品３０とを同一パッケージ３２ａ内に収容したシングルシール構造の圧電発振器３２、或いは図５（ｃ）に示すようなＨ型パッケージ３３ａを使用した圧電発振器３３を構成したりすることも可能である。

本発明の実施形態に係る圧電振動子の構成を示した図である。 ディスペンサにより電極パッド上に金属部材を塗布したときの様子を示した図である。 焼結後の金属部材を詳細に観察した図である。 金属部材と電極パッドの金メッキ及び圧電振動素子の金スパッタ膜との接合界面の詳細を示した図である。 本発明の実施形態に係る圧電発振器の構成を示した図である。 各種導電性接着剤のディスペンス方式による塗布例を示した図である。 金バンプによる圧電振動素子の固定方法の一例を示した図である。

符号の説明

１…圧電振動子、２…パッケージ、３…凹所、４…金属蓋、６…電極パッド、７…金属部材、１０…圧電振動素子、１１…圧電基板、１２…励振電極、１２ａ…リード端子、１２ｂ…接続パッド、１３…励振電極、１３ａ…リード端子、１３ｂ…接続パッド、１４…球形粒子、３０…ＩＣ部品、３１、３２、３３…圧電発振器。

Claims (7)

1. 接続パッドを有する圧電基板と、電極パッドを有するパッケージと、前記電極パッドと前記接続パッドとを接続する接合部材とを備え、
   前記接合部材が複数の金属球形粒子を焼結結合した金属部材を用いたものであることを特徴とする圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属球形粒子は金粒子であることを特徴とする圧電デバイス。
3. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属部材が多孔性構造を有するものであることを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記金属球形粒子の粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする圧電デバイス。
5. 接続パッドを有する圧電基板を用意する工程と、
   電極パッドを有するパッケージを用意する工程と、
   前記電極パッド上に複数の金属球形粒子と溶剤を有する接合部材を塗布する工程と、
   前記接合部材に圧電基板を搭載する工程と、
   前記圧電基板を搭載した後、前記金属球形粒子を焼結結合する工程と、を
   有することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
6. 請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記焼結結合の際の加熱温度が２００℃〜３００℃の範囲内であることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
7. 請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記金属球形粒子の粒径が０．２μｍ〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

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