JP2008035181A

JP2008035181A - 圧電デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2008035181A
Application number: JP2006205992A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Onozawa; 康秀小野澤
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】圧電材料からなる圧電基板表面に励振電極１６を形成した圧電振動素子１５を導電性接着剤１７にて容器１０内に搭載する素子搭載工程と、圧電振動素子１５の共振周波数を調整する周波数調整工程と、容器１０の金属で形成された封止面を覆う上側マスク１９を配置して容器１０をシリコーン分子と不活性ガスとが満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、容器１０の封止面に蓋体２０を配置して容器１０を蓋体２０により気密に封止する封止工程と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、容器内に圧電振動素子が気密封止された圧電デバイスにおいて、共振周波数の経年的な変化を低減する圧電デバイスの製造方法に関する。

圧電振動子、圧電発振器に代表される圧電デバイスは、圧電振動素子が容器内に気密封止された構造を持ち、共振周波数の安定化が図られている。そして、この圧電デバイスは共振周波数が安定していることから、携帯電話などの通信機器やコンピュータなどの電子機器に利用されている。
これらの圧電デバイスは、圧電振動素子が容器内に気密封止され共振周波数の安定化が図られているものの、時間の経過と共に共振周波数が低下する現象がある。
図３は容器内に気密封止した水晶振動素子について、エージングを加速させる試験（加速エージング試験）を行った結果を示すグラフであり、縦軸に共振周波数の変化量をとり、横軸に時間をとって示している。
この図３から、共振周波数の低下は急激に起こるのではなく、時間の経過とともに少しずつ進行していくのが理解される。しかし、この現象の原因については多くの推論がなされているものの、明確な要因が掴めておらず根本的な解決がなされていない。

例えば、特許文献１には圧電振動子の経年的な共振周波数の低下現象の解決を目的とした技術が開示されている。
この特許文献１には、圧電振動素子の経年的な周波数の低下減少の発生原因が、電極を構成する金属膜の表層で生ずる酸化現象にあると捉え、金属膜の表層に蒸着やスパッタの手法で絶縁性膜（ＳｉＯ₂膜）を付着してその全面を覆う、或いは金属膜の表層を予め酸化処理、窒化処理もしくは炭化処理して保護膜を形成する方法が開示されている。なお、表層を金（Ａｕ）膜で構成した場合の酸化現象などは、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）などの下地膜が金膜の表層まで析出した下地金属部分にのみ発生し、金部分は安定的なので酸化などはしない。

特開平７−１５４１８７号公報

しかしながら、この従来技術にあっては、次のような問題が発生する。即ち、圧電振動素子の金属膜の表面に蒸着等によってＳｉＯ₂膜を形成して覆う際に、厳密な厚み管理制御が必要となる。ＳｉＯ₂膜は金との密着性に乏しいため剥がれやすく、また、ＳｉＯ₂膜が金膜表面から剥離しないように膜厚を厚くすると膜応力により振動子に残留応力が生ずる。つまり温度変化により歪みが生じて温度特性の劣化に繋がる。さらに、酸化膜、窒化膜、あるいは炭化膜等の保護膜を金膜表面に形成する場合、下地膜が析出した部分にのみ膜が形成されることは上述の通りであるが、下地膜が析出した領域の面積は個体によりバラツキがあるので、保護膜による質量付加にバラツキが生じ周波数調整が必要となる。
また、下地膜が金膜上に析出していない状態の電極を使用した場合においても、経年的な周波数の低下現象がみられ、金膜表面に部分的、不規則的に析出したニッケル部分の酸化は、周波数低下の一つの要因ではあるが、根本的な原因ではないことが判明している。従って、上記公報によって提案されている解決策は充分とは言えない。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電デバイスの製造方法は、圧電材料からなる圧電基板表面に金属膜を形成した圧電振動素子を導電性接合部材にて容器内に搭載する素子搭載工程と、前記圧電振動素子の共振周波数を調整する周波数調整工程と、前記容器の少なくとも金属で形成された封止面を覆うマスクを配置して前記容器を非結合電子対の有する気体と不活性ガスとが満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、前記容器の封止面に封止部材を配置して前記容器を封止部材により気密に封止する封止工程と、を備えたことを特徴とする。

この圧電デバイスの製造方法によれば、放置工程において圧電振動素子の金属膜に非結合電子対を有する気体の分子が化学吸着されて単分子膜が形成される。また一方、容器の金属で形成された封止面はマスクに覆われ非結合電子対を有する気体の分子が化学吸着されることはなく、容器と蓋体の溶接などの接合を阻害する膜を形成することがない。
このことから、容器と蓋体を良好に接合して圧電振動素子を容器に気密封止することができ、また、金属膜表面全体に形成された単分子膜の上にさらに分子の吸着が行われることがないことから、圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供することができる。

また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、前記マスクが前記容器の封止面を覆い磁性を有する上側マスクと前記容器の底面に接し磁性を有する下側マスクとを備え、該上側マスクと該下側マスクの間に前記容器を配置することが望ましい。

この圧電デバイスの製造方法によれば、磁性を有する上側マスクと下側マスクの間に容器が配置されることで、マスクの密着性が向上しマスクずれを防止することができる。

実施形態の説明に先立ち、本発明が成立するに至った経緯を説明する。
従来より、容器内に気密封止された圧電振動子の周波数が経年的に低下し続けるという現象が知られていたが、その原因究明がされていない。このような不具合を解決する手法として、これまでは周波数が低下する速度を遅らせることに注目し研究されてきた。
このような現状に対して、その研究過程で行ったエージングを加速する試験（加速エージング試験）において、周波数がある値まで低下した後に、それ以降の周波数変動が起こらない安定領域が存在することを見出した。このことを精査した結果、経年的な周波数低下現象の一つの原因が、圧電振動素子を容器内に接着するためのシリコーン樹脂導電性接着剤を構成するシリコーン樹脂より蒸散されるシリコーン分子（環状ジメチルポリシロキサン分子：ジメチルポリシロキサンを４〜７重合したもの）が、圧電振動素子の金属膜（励振電極）上に化学吸着することによる質量増加であることを見出した。

つまり、金をはじめとした金属材料の表面の原子はダングリングボンドを備えており、非結合電子対を備えた物質と化学的に吸着しやすい状態にあるため、シリコーン分子が金属材料の表面に吸着される。そして、シリコーン分子は非結合電子対を有するため、励振電極表面に単分子膜を形成する。励振電極表面のダングリングボンドの数は有限であり、更に化学吸着によって励振電極表面全体に形成された単分子膜の上に更にシリコーン分子が重ねて化学吸着することはできず、それ以上周波数が低下することはない。一方、水晶基板を構成する水晶材料はダングリングボンドを有さないため、シリコーン分子は水晶基板表面に化学吸着することはない。
このことから、容器の気密封止前に、予め水晶振動素子などの圧電振動素子の励振電極表面にシリコーン分子を吸着させれば、それ以上、ガスの吸着が行われず経年的に共振周波数が低下することを低減させることが可能であると考え、以下に、その具体的な圧電デバイスの製造方法を提案する。
（実施形態）

図１は、本実施形態に係る圧電デバイスとしての圧電振動子を示す構成図であり、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
圧電振動子１は、容器１０と、容器１０に収容される圧電振動素子１５と、容器１０内を気密に封止する蓋体２０とを備えている。
容器１０は、セラミックなどの絶縁基板１１にコバール材などで形成された金属リング１２が、ろう材などで固着されている。また、絶縁基板１１には圧電振動素子１５との接続をなす接続パッド１３が設けられ、絶縁基板１１内の配線によりＮｉ／Ａｕメッキなどが施された外部接続端子１４と接続されるように構成されている。

圧電振動素子１５は水晶板、タンタル酸リチウム板などの圧電基板からなり、その表面にＣｒを下地膜としたＡｕの金属膜である励振電極１６が形成されている。そして、圧電振動素子１５はシリコーン樹脂などの導電性接着剤１７を介して、絶縁基板１１の接続パッド１３に固定されている。このようにして、圧電振動素子１５の励振電極１６と接続パッド１３とが電気的に接続される。また、励振電極１６の表面にはシリコーン分子（環状ジメチルポリシロキサン分子：ジメチルポリシロキサンを４〜７重合したもの）２５が化学吸着されて単分子層が形成されている。この、励振電極１６上のシリコーン分子２５の付着状態は、図１（ｂ）の模式断面図において点で図示しているが、実際には励振電極１６表面を覆うように数多くのシリコーン分子２５が付着している。

容器１０の金属リング１２の上方にはコバール材などで形成された蓋体２０が配置され、容器１０と蓋体２０により画定される空間部２８がＮ₂などの不活性ガスに満たされて、シーム溶接などで気密に封止されている。詳しくは、金属リング１２の表面にＮｉ、Ａｕのメッキが施され、蓋体２０の表面にはＮｉメッキが施されており、加熱によりＡｕ−Ｎｉ共晶合金が形成されることで両者が接合されている。

次に、上記の構成における圧電振動子１の製造方法について説明する。
図２は圧電振動子１の製造方法を説明する模式工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように素子搭載工程として、シリコーンなどを含む導電性接着剤１７が塗布された容器１０の接続パッド上に圧電振動素子１５を搭載する。続いて、圧電振動素子１５を搭載した容器１０を加熱して導電性接着剤１７を乾燥させ、圧電振動素子１５を容器１０内に固定する。
次に、図２（ｂ）に示すように周波数調整工程として、イオンガン２３よりイオンビームを圧電振動素子１５の励振電極１６に照射して、励振電極１６の一部を削って所定の周波数になるように周波数調整を行う。

続いて、図２（ｃ）に示すように放置工程として、下側マスク１８上に多数の圧電振動素子が収納された容器１０を載置する。また、封止面である容器１０の金属リング１２上面に上側マスク１９を載置する。この下側マスク１８は磁性を有しており、外部接続端子１４に形成されたＮｉメッキ層を引き付けて密着する。上側マスク１９も同様に磁性を有しており、金属リング１２表面に施されたＮｉメッキ膜を引き付けて密着している。また、容器１０の厚さが薄い場合には、下側マスク１８と上側マスク１９との間隔が小さくなり、マスク同士で引き付け合うことになり、マスクの密着性が向上する。
そして、この下側マスク１８、上側マスク１９を配置した多数の容器を密閉されたチャンバーなどに置き、そのチャンバー内にシリコーン分子の有する気体を導入して放置する。このとき、圧電振動素子１５の励振電極１６の表面にシリコーン分子２５が化学吸着して単分子膜を形成する。また、容器１０の金属リング１２の表面にもシリコーン分子が化学吸着して単分子膜を形成する（図示せず）が、上側マスク１９を配置した金属リング１２の上面にはシリコーン分子は吸着しない。

その後、図２（ｄ）に示すように封止工程として、蓋体２０を容器１０の金属リング１２の上方に配置し、Ｎ₂などの不活性ガス雰囲気で溶接ローラ２４を蓋体２０に圧接して電流を流してシーム溶接を行い、容器１０と蓋体２０により画定される空間部２８を気密に封止する。このようにして、図１に示す圧電振動子１が完成する。

以上のように、この圧電振動子１の製造方法によれば、放置工程において圧電振動素子１５の励振電極１６にシリコーン分子２５が化学吸着されて単分子膜が形成される。また一方、容器１０の金属で形成された封止面は上側マスク１９に覆われシリコーン分子２５が化学吸着されることはなく、容器１０と蓋体２０との溶接など接合を阻害する膜を形成することがない。
このことから、容器１０と蓋体２０を良好に接合して圧電振動素子１５を容器１０に気密封止することができ、また、励振電極１６表面全体に形成された単分子膜の上にさらに分子の吸着が行われることがないことから、圧電振動子１の経年的な共振周波数の変化を低減する圧電振動子１の製造方法を提供することができる。
また、この圧電振動子１の製造方法によれば、磁性を有する上側マスク１９と下側マスク１８の間に容器１０が配置されることで、マスクの密着性が向上しマスクずれを防止することが可能である。

なお、本実施形態の周波数調整工程では、イオンエッチングによる励振電極を削って周波数を高くする方向での調整を行ったが、蒸着・スパッタなどにより金属膜を付加して周波数を低くする方向での調整を行っても良い。
また、封止工程ではシーム溶接の他、レーザ溶接、Ａｕ−Ｓｎなどのろう材を溶融させる方法など、様々な封止方法を採用することができる。
また、本実施形態の封止工程では容器と蓋体にて画定される空間をＮ₂などの不活性ガス雰囲気にて封止したが、減圧雰囲気にて封止を行っても良い。

以上、本実施形態において圧電デバイスとして圧電振動子を例示して説明したが、圧電振動子とこの圧電振動子の発振機能を有するＩＣ部品を備えた圧電発振器として構成しても良い。
さらに、本発明における圧電デバイスの製造方法は、圧電振動素子として弾性表面波素子を用いたＳＡＷ共振子、ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ発振器などの製造においても利用が可能である。

本発明の第１実施形態に係る圧電振動子を示す構成図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。本発明の実施形態に係る製造工程を説明する模式工程図。従来の容器内に封止した水晶振動素子の共振周波数が低下する現象を示すグラフ。

符号の説明

１…圧電デバイスとしての圧電振動子、１０…容器、１１…絶縁基板、１２…金属リング、１３…接続パッド、１４…外部接続端子、１５…圧電振動素子、１６…金属膜としての励振電極、１７…導電性接合部材としての導電性接着剤、１８…下側マスク、１９…上側マスク、２０…蓋体、２４…溶接ローラ、２３…イオンガン、２５…シリコーン分子。

Claims

圧電材料からなる圧電基板表面に金属膜を形成した圧電振動素子を導電性接合部材にて容器内に搭載する素子搭載工程と、
前記圧電振動素子の共振周波数を調整する周波数調整工程と、
前記容器の少なくとも金属で形成された封止面を覆うマスクを配置して前記容器を非結合電子対の有する気体と不活性ガスとが満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、
前記容器の封止面に封止部材を配置して前記容器を封止部材により気密に封止する封止工程と、を備えたことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記マスクが前記容器の封止面を覆い磁性を有する上側マスクと前記容器の底面に接し磁性を有する下側マスクとを備え、該上側マスクと該下側マスクの間に前記容器を配置することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。