JP2007158417A - 圧電デバイス、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる圧電デバイス、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の圧電デバイスは、圧電振動素子が矩形状の発振用集積回路素子上に搭載パッドを介し実装され、発振用集積回路素子外周の大きさの枠状ガラス製容器体がその上縁部に設けられた封止用導体パターンを介し発振用集積回路素子が枠状ガラス製容器体上面で陽極接合され、圧電振動素子が封止空間内に気密的に収容され、又、複数の発振用集積回路素子を縦横に有したウエハ上の、発振用集積回路素子が設けられた領域に圧電振動素子を搭載する工程Ａ、圧電振動素子が搭載されたウエハを複数のガラス製容器体を縦横に有すシート基板上に陽極接合で一括的に接合する工程Ｂ、及びシート基板、及びウエハを一括的に切断で個割りして複数の圧電デバイスを得る工程Ｃとを含み課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる圧電デバイス、及びその製造方法に関するものである。

従来から、携帯用通信機器等の電子機器に組み込まれるタイミングデバイスとして圧電デバイスが幅広く用いられている。

かかる従来の圧電デバイスとしては、内部に圧電振動素子としての水晶振動素子が収容されている第１の容器体２１を、下面に複数個の外部端子を設け、内部に水晶振動素子の発振出力を制御するための発振用集積回路素子２２を収容した第２の容器体２３上に載置・固定した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、第１の容器体２１の開口部周辺には複数個の接続電極が、第２の容器体２３の下面には接続電極と１対１に対応する接続電極２４が設けられ、この両者を半田等のロウ材を介して接合することにより第１の容器体２１が第２の容器体２３上に固定される。

その組み立てを終えた後、第１の容器体２１の開口部は、金属製の蓋体２５を従来から周知のシーム溶接（抵抗溶接）等で接合することにより塞がれ、これによって水晶振動素子の収容領域が気密封止される。

また、このような従来の圧電デバイスの製造方法としては、通常、第１の容器体２１と第２の容器体２３だけを“複数個取り”の手法によって製作し、分割後に得られた個片（第１の容器体２１、第２の容器体２３）に水晶振動素子や発振用集積回路素子２２を個別に搭載した上、両者を接合して製品を組み立てていた。

特開平１０−９８１５１号公報

しかしながら、上述した従来の圧電デバイスは、水晶振動素子が収容されている第１の容器体と発振用集積回路素子が収容されている第２の容器体とを縦に積み上げて組み立てたものであり、全体構造が高背化してしまう。したがって圧電デバイスを低背化させることが困難であるという欠点を有していた。

また、上述した製造方法では、第２の容器体を個片に分割した後で発振用集積回路素子や第１の容器体等を第２の容器体上に搭載する場合、その作業が完了するまでの間、第２の容器体２３を個々にキャリア等で保持しておく必要があり、組み立て作業が煩雑である上に、キャリア等の製造設備が別途必要になり、これによっても圧電デバイスである温度補償型水晶発振器の生産性が低下するという欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、低背化に最適な構造の圧電デバイス、及び取り扱いが簡便で且つ生産性にも優れた圧電デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の圧電デバイスは、圧電振動素子と発振用集積回路素子で構成される圧電デバイスにおいて、圧電振動素子が矩形状の発振用集積回路素子上に搭載パッドを介して実装されており、発振用集積回路素子の外周の大きさの枠状のガラス製容器体上縁部に設けられた封止用導体パターンを介して前記発振用集積回路素子が枠状のガラス製容器体の上面で陽極接合され、圧電振動素子が封止空間内に気密的に収容されることを特徴とするものである。

また、本発明の圧電デバイスは、先述の封止空間内で、ガラス製容器体の上面に設けられた接続パッドと、それぞれ相対して発振用集積回路素子上に設けられた電極パッドが、導電性接合材を介して電気的に接合されることを特徴とするものである。

また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、複数の発振用集積回路素子を縦横にマトリクス状に有してなるウエハ上の、それぞれ発振用集積回路素子が設けられた領域に、圧電振動素子を搭載する工程Ａと、
前記工程Ａで圧電振動素子が搭載されたウエハを、複数のガラス製容器体を縦横にマトリクス状に有するシート基板上に陽極接合し、更に 一括的に接合する工程Ｂと、
先述のシート基板、及びウエハを一括的に切断によって個割りして複数の圧電デバイスを得る工程Ｃとを含むことを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスによれば、ガラス製容器体に配置される圧電振動素子の収容領域を発振用集積回路素子で塞ぐようにしたことから、従来に比較して全体構造を薄く形成することができ、圧電発振器の低背化に著しく供することが可能となる。

また、圧電振動素子を発振用集積回路素子の下面に実装しておけば、圧電振動素子の励振電極が発振用集積回路素子の電極パッドに直接接続されるため、発振用集積回路素子を支持基板側に実装する場合と比較して、圧電振動素子と発振用集積回路素子の電子回路とを接続する配線長が短縮されて、配線抵抗に起因した容量分の発生を有効に防止することができ、設計値に近い発振特性が得られる。

また、本発明の圧電デバイスによれば、封止空間の外側で、前記ガラス製容器体の接続パッドと発振用集積回路素子上の電極パッドとが導電性接合材を介して接続されるために、発振用集積回路素子−ガラス製容器体間を電気的に接続している導電性接合材のガラス製容器体、及び発振用集積回路素子への接続状態を目視等によって容易に確認することができる。

更に、本発明の圧電デバイスによれば、発振用集積回路素子とガラス製容器体との電気的な導通を行う部分、すなわち導電性接合材や発振用集積回路素子の電極パッド等を外部に露出させることができるので、圧電発振器を組み立てた後でも、検査用のプローブ等を導電性接合材や電極パッド等に接触させることで、圧電振動素子等の特性検査を著しく簡単に行うことができるという利点がある。

更に、本発明の圧電デバイスによれば、前記封止空間内で、前記ガラス製容器体の接続パッドと発振用集積回路素子上の電極パッドとが導電性接合材を介して接続されるため、封止状態を目視で容易に確認することができると共に、電磁波ノイズの影響を更に低下させることが可能となる。

また、本発明の圧電デバイスの製造方法によれば、複数の発振用集積回路素子を縦横にマトリクス状に有してなるウエハ上で、前記各発振用集積回路素子に対応する領域に圧電振動素子を搭載する工程Ａと、前記工程Ａで圧電振動素子が搭載されたウエハを複数のガラス製容器体を有するシート基板上に陽極接合する工程Ｂと、前記シート基板、及びにウエハを切断して複数の圧電デバイスを得る工程Ｃとを含むものとしたことから、その製造過程において、ウエハがキャリア部材として機能するため、別途キャリア部材を用意して、そのキャリア部材にウエハを分割して得た個々の発振用集積回路素子を搭載するといった煩雑な作業が一切不要となり、圧電デバイスの生産性を飛躍的に向上させることができる。しかもシート基板の状態でウエハに接合することから、ガラス製容器体を個別に実装する作業も一切不要となるといった効果を奏する。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る圧電デバイスを、表面実装型水晶発振器に適用した例を示す分解斜視図であり、図２は図１の水晶発振器を側面方向からみた断面図である。これらの図に示される水晶発振器は、大略的にガラス製容器体１と、発振用集積回路素子２と、圧電振動素子としての水晶振動素子３で構成されている。

ガラス製容器体１としては、材料となるガラス材料に、ガラス製容器体１に対応した耐蝕膜を予め形成し、次にエッチングにより凹部４を形成し、先述の耐蝕膜を剥離してガラス製容器体１を形成する。凹部４の外周には、以下に述べる発振用集積回路素子２と気密封止する為の封止用導体パターン５を設けられている。ガラス製容器体１の上面には、発振用集積回路素子２を配置するための接続パッド６が設けられており、下面には外部端子７（電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）が設けられている。これらの外部端子７は、水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることになる。また前記封止用導体パターン５の材料としては、アルミニウム以外のチタン、タンタル、及びシリコン等の陽極接合することができる材料が用いられる。

また、このようなガラス製容器体１の上面側に設けられた凹部４内には、水晶振動素子３が収容される。本実施形態において水晶振動素子３は発振用集積回路素子２の下面に実装された状態で凹部４内に収容されており、発振用集積回路素子２の下面に設けられる搭載パッド８に水晶振動素子３の対応する励振電極が導電性接着剤９を介して電気的に接続されている。

水晶振動素子３は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の励振電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の励振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。

また、水晶振動素子３は、一対の励振電極を発振用集積回路素子２の下面に設けられた、それぞれ対応する搭載パッド８に導電性接着剤９を介して電気的に接続させることにより発振用集積回路素子２の下面に実装され、この状態でガラス製容器体１の凹部４内に配置される。

このように、水晶振動素子３を発振用集積回路素子２の下面に実装させておけば、水晶振動素子３の励振電極が発振用集積回路素子２の搭載パッド８に直接接続されることになるため、発振用集積回路素子２をガラス製容器体１に実装する場合に比較して水晶振動素子３と発振用集積回路素子２の電子回路とを接続する配線長が著しく短縮され、その結果、配線抵抗に起因した容量の発生を有効に防止することが出来、これによって設計値に近い発振特性が得られる。

このような発振用集積回路素子２は、単結晶シリコン等から成る基体の下面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子３の温度特性を補償する温度補償データを格納するとともに温度補償データに基づいて水晶振動素子３の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、及びこの温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等の電子回路が設けられており、前述した発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、例えばクロック信号等の基準信号として利用される。

次にガラス製容器体１と発振用集積回路素子２には、これらの温度上での軟化点よりも低い温度を加えた状態で、ガラス製容器体１、及び発振用集積回路素子２と、封止用導体パターン５に直流電圧を印加することによって陽極接合する。陽極接合は、表面どうしを密着させて固相のまま接合する手法で、平滑な表面をもつ面同士で、その表面の原子の結合を生じさせて接合する方法である。

したがって、ガラス製容器体１と発振用集積回路素子２には、印加された直流電圧の作用によって、イオンが移動し、ガラス製容器体１、及び発振用集積回路素子２と封止用導体パターン５の間に静電引力が発生し、互いに密着して強電界によりガラス側から電極側へイオンの移動がすすみ、界面で電極側の原子と共有結合を生じて結合が行われる。これによってガラス製容器体１に設けられた凹部４は、ガラス製容器体１と発振用集積回路素子２により気密封止される。

このように、ガラス製容器体１上に配置される水晶振動素子３の収容領域を発振用集積回路素子２で塞ぐように構成することで、従来に比較して、全体構造を薄く形成することができ、水晶発振器の低背化に供することが可能となる。

しかも図２（ｂ）に示すように、ガラス製容器体１に設けた接続パッドと発振用集積回路素子２に設けた電極パッドとを接続する導電性接合材１０を、水晶振動素子３の収容領域を包囲する封止用導体パターン５の外周に配置させることにより、発振用集積回路素子２−ガラス製容器体１間を電気的に接続している導電性接合材１０のガラス製容器体１及び発振用集積回路素子２への接続状態を目視等によって容易に確認することができる。

また、図２（ｂ）のように、発振用集積回路素子２とガラス製容器体１との電気的な導通を行う部分、すなわち導電性接合材１０や発振用集積回路素子２の電極パッド等が外部に露出された状態となるので、水晶発振器を組み立てた後でも、検査用のプローブ針等を導電性接合材１０や電極パッド９等に接触させることで、水晶振動素子３の特性検査等を簡単に行うことが可能となる利点もある。本実施形態においては、水晶振動素子３の搭載パッド８と電気的に接続している２つの導電性接合材１０を水晶振動素子３の周波数検査用のモニタ電極として使用している。具体的には、周波数測定装置の測定用端子（プローブ）を搭載パッド８と接続している導電性接合材７に接触させ、所定の周波数で発振する水晶振動素子３の周波数測定を行う。

また、図２（ａ）に示すように、ガラス製容器体１に設けた接続パッド６と発振用集積回路素子２に設けた電極パッドとを接続する導電性接合材１０を、水晶振動素子３の収容領域を包囲する封止用導体パターン５の内周に配置させることによって、発振用集積回路素子２−ガラス製容器体１間の封止状態を目視等によって容易に確認することが出来るため、製品の検査等にかかる作業性が良好となる効果を奏する。

また、このように封止部分をグランド端子と電気的に接続させておけば、水晶発振器の使用時、水晶振動素子３が収容されている封止空間や、発振用集積回路素子２の回路形成面（発振用集積回路素子２の下面）がグランド電位（ＧＮＤ）に保持された封止部分で取り囲まれた形となることから、封止空間内に侵入しようとする外部からのノイズの一部を封止部分で遮蔽し、発振用集積回路素子２や封止空間内の水晶振動素子３をより安定に動作させることができる。

なお、前記発振用集積回路素子２は、単結晶シリコンのインゴットを所定厚みにスライスしてシリコンウエハを得、その一主面に従来から周知の半導体製造技術を採用し、発振回路等の電子回路や電極パッド、及び封止用導体パターン層等を形成して製作されたウエハを分割することによって得られる。

次に上述した圧電デバイスの製造方法について図３を用いて説明する。ここで、図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の製造方法を説明するための概略の斜視図である。

（工程Ａ）
複数の発振用集積回路素子を縦横にマトリクス状に有してなるウエハ上の、それぞれ前記発振用集積回路素子が設けられた領域に、圧電振動素子を搭載する。

ここでウエハ１２は、単結晶シリコンのインゴットを所定厚みにスライスしてシリコンウエハを得、その一主面に従来周知の半導体製造技術を採用し、発振回路等の電子回路や電極パッド等を形成することによって製作される。

そして、ウエハの各発振用集積回路素子２に水晶振動素子３が1個ずつ搭載され、水晶振動素子３の励振電極（図示せず）とウエハ上面の搭載パッド８とが導電性接着剤９を介して電気的・機械的に接続される。

前記水晶振動素子１は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の励振電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の励振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。さらに前記水晶振動素子１は、一対の励振電極を前記発振用集積回路素子２に設けた対応する搭載パッド８に導電性接着剤９を介して電気的に接続させることにより各発振用集積回路素子に２実装される。

なお、本実施形態では、マトリクス状に配された発振用集積回路素子２の間に所定の捨代（すてしろ）領域が設けられている。

（工程Ｂ）
次に、前記工程Ａで圧電振動素子が搭載されたウエハを、複数のガラス製容器体を縦横にマトリクス状に有するシート基板上に陽極接合で一括的に接合する。

前記シート基板１１は、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラスといったガラス材料から構成されており、各基板領域に対応した耐蝕膜を予め形成し、次にエッチングにより、各基板領域に凹部４を形成し、耐蝕膜を剥離して各基板領域を形成する。外周には封止用導体パターン５及び発振用集積回路素子２を配置する為の接続パッドが設けられている。また、各基板領域の下面には、外部端子（電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）が設けられている。

次に、ガラス製であるシート基板１１には、これらの軟化点よりも低い温度を加えた状態で、ウエハ１２及び前記シート基板１１と、封止用導体パターン５に直流電圧を印加する。すなわち、陽極接合は表面どうしを密着させて固相のまま接合する手法で、平滑な表面をもつ面同士で、その表面原子の結合を生じさせて接合する方法である。

したがって、ガラス製であるシート基板１１には、印加された直流電圧の作用によって、イオンが移動し、ウエハのシリコンと、ガラス製のシート基板１１の封止用導体パターン間に静電引力が発生し、互いに密着して、強電界によりガラス側から電極側へイオンの移動がすすみ、界面で電極側の原子と共有結合を生じて、結合が行われる。これにより、シート基板１１に設けられた凹部４は、発振用集積回路素子２により気密封止されている。

（工程Ｃ）
そして最後に、図３（ｃ）に示す如く前記シート基板１１、ウエハ１２を一括的に従来から周知のダイシング方法による、ダイサーなどで切断することで、切断によって個割りし複数の圧電デバイスを得る。

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ことは言うまでも無い。

上述した実施形態においては、圧電振動素子として水晶振動素子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おいても本発明は適用可能であり、これら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無い。

本発明の一実施形態に係る圧電発振器を表面実装型の水晶発振器に適用した例を示す分解斜視図である。 図１の水晶発振器の側面方向からみた概略の断面図である。 図１の水晶発振器に用いられる支持基板を斜め上の方向からみた概略の斜視図である。 図１の水晶発振器に用いられる発振用集積回路素子を斜め下方より見た概略の斜視図である。

符号の説明

１・・・・ガラス製容器体
２・・・・発振用集積回路素子
３・・・・圧電振動素子（水晶振動素子）
４・・・・凹部
５・・・・封止用導体パターン
６・・・・接続パッド
７・・・・外部端子
８・・・・搭載パッド
９・・・・導電性接着剤
１０・・・導電性接合材
１１・・・シート基板
１２・・・ウエハ

Claims (3)

1. 圧電振動素子と発振用集積回路素子で構成される圧電デバイスにおいて、圧電振動素子が矩形状の発振用集積回路素子上に搭載パッドを介して実装されており、該発振用集積回路素子の外周の大きさの枠状のガラス製容器体上縁部に設けられた封止用導体パターンを介して前記発振用集積回路素子が該枠状のガラス製容器体の上面で陽極接合され、該圧電振動素子が封止空間内に気密的に収容されることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記封止空間内で、前記ガラス製容器体の上面に設けられた接続パッドと、それぞれ相対して該発振用集積回路素子に設けられた電極パッドが、導電性接合材を介して電気的に接合されることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 複数の発振用集積回路素子を縦横にマトリクス状に有してなるウエハ上の、それぞれ前記発振用集積回路素子が設けられた領域に、圧電振動素子を搭載する工程Ａと、
   前記工程Ａで該圧電振動素子が搭載されたウエハを、複数のガラス製容器体を 縦横にマトリクス状に有するシート基板上に陽極接合で一括的に接合する工程Ｂと、
   前記シート基板、及び該ウエハを一括的に切断によって個割りし複数の圧電デバイスを得る工程Ｃと、を含む圧電デバイスの製造方法。

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