JP2008048273A - 圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスとその製造方法を提供すること。
【解決手段】パッケージ57内に圧電振動片32を収容して、蓋体40により気密に封止する構成の圧電デバイスであって、前記パッケージには、金属を充填して封止される孔封止用の貫通孔27を備えているとともに、前記パッケージが、金属製の前記蓋体40をシーム溶接により接合することにより蓋封止されている。
【選択図】図6
【解決手段】パッケージ57内に圧電振動片32を収容して、蓋体40により気密に封止する構成の圧電デバイスであって、前記パッケージには、金属を充填して封止される孔封止用の貫通孔27を備えているとともに、前記パッケージが、金属製の前記蓋体40をシーム溶接により接合することにより蓋封止されている。
【選択図】図6
Description
本発明は、パッケージに圧電振動片を収容した圧電デバイスならびにその製造方法の改良に関する。
HDD(ハード・ディスク・ドライブ)、モバイルコンピュータ、あるいはICカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器やジャイロセンサなどの計測機器において、パッケージなどの内部に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
すなわち、パッケージ内に圧電振動片を収容し、ガラス板などでなる蓋体で封止する圧電デバイスは知られている。
図7は、このような圧電デバイス1を示している(特許文献1、図1参照)。
図において、圧電デバイス1は、セラミック製のパッケージ(ベース)2を有しており、該パッケージ2内に、圧電振動片3が、該圧電振動片3の基部4の部分を、導電性接着剤5によりパッケージ内の電極部に接合された状態で収容されている。
図7は、このような圧電デバイス1を示している(特許文献1、図1参照)。
図において、圧電デバイス1は、セラミック製のパッケージ(ベース)2を有しており、該パッケージ2内に、圧電振動片3が、該圧電振動片3の基部4の部分を、導電性接着剤5によりパッケージ内の電極部に接合された状態で収容されている。
パッケージ2の上端である接合面と、ガラス製の蓋体6との間には、低融点ガラス7が配置され、この低融点ガラスでなるロウ材を加熱溶融して、蓋体6をパッケージ2に対して気密に接合するようにされている。
特開2006−196932
ところで、図7の構造では、蓋体6の接合に低融点ガラスを用いているが、低融点ガラスは、パッケージ2と蓋体6との接合面、すなわち、接合代(しろ)の面積を比較的大きく必要とする。
しかしながら、現在、パッケージ2を小型化する上で、上記接合代を広くとれなくなってきており、接合代の幅が0.4mm以下、例えば、0.2mm程度になっている。このため、ロウ材が低融点ガラスであると、接合強度が不足し、パッケージの気密性が十分保持できないおそれがある。
しかしながら、現在、パッケージ2を小型化する上で、上記接合代を広くとれなくなってきており、接合代の幅が0.4mm以下、例えば、0.2mm程度になっている。このため、ロウ材が低融点ガラスであると、接合強度が不足し、パッケージの気密性が十分保持できないおそれがある。
この発明は、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的は、第1の発明によれば、パッケージ内に圧電振動片を収容して、蓋体により気密に封止する構成の圧電デバイスであって、前記パッケージには、金属を充填して封止される孔封止用の貫通孔を備えているとともに、前記パッケージが、金属製の前記蓋体をシーム溶接により接合することにより蓋封止されている圧電デバイスにより、達成される。
第1の発明の構成によれば、孔封止用の貫通孔を備えているから、蓋封止後に該貫通孔からガス出しをすることによって、パッケージ内の真空度を向上させることができる。しかも、該パッケージを小型に形成した場合に、蓋体との接合面積が小さくなったとしても、その限られた面積の接合面を用いて、金属ロウ材を利用したシーム溶接によって、蓋体が接合されているので、十分な接合強度を得ることができ、パッケージに関して、好適に気密性が保持される。
かくして、本発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスを提供することができる。
かくして、本発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスを提供することができる。
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記蓋体がコバールにより形成されていることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、蓋体をコバールにより形成すると、シーム溶接が可能で、しかも丈夫で錆びにくいので、パッケージの気密性を好適に保持できる。
第2の発明の構成によれば、蓋体をコバールにより形成すると、シーム溶接が可能で、しかも丈夫で錆びにくいので、パッケージの気密性を好適に保持できる。
第3の発明は、第1または2のいずれかの発明の構成において、前記貫通孔に充填される金属充填材が金−ゲルマニウム(系)合金であることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、孔封止において前記貫通孔に充填される金属が金−ゲルマニウム合金であると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
第3の発明の構成によれば、孔封止において前記貫通孔に充填される金属が金−ゲルマニウム合金であると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
また、第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明の構成において、前記パッケージが矩形の箱状パッケージであり、該パッケージの内側底部の幅方向端部の両側縁に沿って、前記圧電振動片の接合用の電極部がそれぞれ形成されており、かつ前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の両外側において、該振動腕と同じ方向に延びる一対の支持用アームとを有しており、各支持用アームが、前記接合用の各電極部に対して、それぞれ接合されていることを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、パッケージ内に収容される圧電振動片は、その振動腕の外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アームを有しており、該支持用アームにて、パッケージに対して支持するために、接合固定できるようにされている。
このため、圧電振動片の屈曲振動に関与する各振動腕は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージと蓋体との接合部(パッケージの外周に沿った領域)よりも距離が離れる。このことによって、パッケージの接合面と蓋体とをシーム溶接する際に、溶融した金属の飛沫が、前記屈曲振動に関与する振動腕に付着して、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
第4の発明の構成によれば、パッケージ内に収容される圧電振動片は、その振動腕の外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アームを有しており、該支持用アームにて、パッケージに対して支持するために、接合固定できるようにされている。
このため、圧電振動片の屈曲振動に関与する各振動腕は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージと蓋体との接合部(パッケージの外周に沿った領域)よりも距離が離れる。このことによって、パッケージの接合面と蓋体とをシーム溶接する際に、溶融した金属の飛沫が、前記屈曲振動に関与する振動腕に付着して、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
また、上記目的は、第5の発明にあっては、パッケージ内に圧電振動片を接合して、金属製の蓋体により封止するようにした圧電デバイスの製造方法であって、前記パッケージ、前記圧電振動片、前記蓋体を個々に形成する工程と、前記パッケージ内部に前記圧電振動片を接合するマウント工程と、前記パッケージを前記蓋体で気密に封止する蓋封止工程と、前記蓋体による封止後に、前記パッケージの底部に設けた封止孔である貫通孔を利用して、加熱下で該封止孔から脱ガスし、かつ該封止孔に金属材料を溶融充填する孔封止工程とを含んでおり、前記蓋封止工程においては、前記パッケージの接合面に形成した金属部と、前記蓋体との間に金属ロウ材を配置して、前記蓋体側から電流を印加してシーム溶接により該金属ロウ材を溶融することにより接合する圧電デバイスの製造方法により、達成される。
第5の発明の構成によれば、パッケージを小型に形成しても、前記蓋封止工程では、シーム溶接により蓋体をパッケージに対して接合するようにしているので、十分な接合強度を得ることができ、気密性が良好な圧電デバイスを得ることができる。しかも、このパッケージ内部は、前記孔封止工程において脱ガスされることで高い真空度を得ることができる。
かくして、第5の発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスの製造方法を提供することができる。
かくして、第5の発明によれば、小型のパッケージを用いても、気密性を損なわないように蓋体を接合することができる圧電デバイスの製造方法を提供することができる。
第6の発明は、第5の発明の構成において、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の両外側において、該振動腕と同じ方向に延びる一対の支持用アームとを備えていて、前記マウント工程においては、該支持用アームをパッケージの内側底面に対して接合するようにしたことを特徴とする。
第6の発明の構成によれば、パッケージと蓋体を接合する前記蓋封止工程において、シーム溶接する際には、溶融した金属の飛沫がパッケージ内に侵入する場合がある。しかしながら、第6の発明の構成によれば、パッケージ内に収容される圧電振動片は、その振動腕の外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アームを有しており、該支持用アームにて、パッケージに対して支持するために、接合固定できるようにされている。
このため、圧電振動片の屈曲振動に関与する各振動腕は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージと蓋体との接合部(パッケージの外周に沿った領域)よりも距離が離れる。このことによって、パッケージの接合面と蓋体とをシーム溶接する際に、溶融した金属の飛沫が、前記屈曲振動に関与する振動腕に付着して、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
第6の発明の構成によれば、パッケージと蓋体を接合する前記蓋封止工程において、シーム溶接する際には、溶融した金属の飛沫がパッケージ内に侵入する場合がある。しかしながら、第6の発明の構成によれば、パッケージ内に収容される圧電振動片は、その振動腕の外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アームを有しており、該支持用アームにて、パッケージに対して支持するために、接合固定できるようにされている。
このため、圧電振動片の屈曲振動に関与する各振動腕は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージと蓋体との接合部(パッケージの外周に沿った領域)よりも距離が離れる。このことによって、パッケージの接合面と蓋体とをシーム溶接する際に、溶融した金属の飛沫が、前記屈曲振動に関与する振動腕に付着して、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
図1及び図2は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図1はその概略平面図、図2は図1のA−A線切断端面図、図3はパッケージの概略平面図、図4はパッケージの概略底面図である。
図において、圧電デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、収容容器としてのパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。パッケージ57は、例えば、図1ないし図4を参照して理解されるように、一方向にやや長い矩形の箱状のものである。
パッケージ57は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板54,55,56を順次積層した後、焼結して形成されている。第3の基板56は、その内側の材料を除去して所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sを形成するようにされている。この内部空間Sが圧電振動片32を収容するための収容空間である。
図において、圧電デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、収容容器としてのパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。パッケージ57は、例えば、図1ないし図4を参照して理解されるように、一方向にやや長い矩形の箱状のものである。
パッケージ57は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板54,55,56を順次積層した後、焼結して形成されている。第3の基板56は、その内側の材料を除去して所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sを形成するようにされている。この内部空間Sが圧電振動片32を収容するための収容空間である。
また、第2の基板55については、後述する圧電振動片32の振動腕の先端部の下方に相当する領域について、該基板の材料を除去することで、矩形の凹部23を形成している。このため、外部からの衝撃などにより、該振動腕の先端が、図2の矢印に示すように、下方に振れた際に、パッケージ57の内側底面に衝突して損傷することを防止するようにしている。
このパッケージ57の内部には、圧電振動片32をマウントし、蓋体40で気密に封止するようにされている。ここで、蓋体40は、導電性を有する金属により形成されており、パッケージ57との熱膨張率が近似したものが適していて、好ましくは、鉄とコバルトの合金であるコバールの板体である。なお、蓋体40以外のパッケージ57のいずれかの箇所に、貫通孔を設けてコバールガラス(ホウ珪酸ガラス)などの窓を設け、光を透過する領域を形成して、外部からレーザー光がパッケージ内に照射できるようにすることもできる。この場合、該レーザー光で、後述する圧電振動片32の振動腕に形成した重り用金属膜を蒸散させると、質量削減方式による周波数が可能となる(図示せず)。
パッケージ57の底部には孔封止用の貫通孔27が設けられている。
貫通孔27は、図4に示されているように、例えばパッケージ57の中央部付近であって、所定の強度をも耐えるためには凹部23から離れた箇所に設けることが好ましい。
この貫通孔27は、図2に示されているように、外部とパッケージ57の内部とを連通する孔であって、第1の孔25と、これより縮径された第2の孔26を重ねて設けることで、外向きの段部29を備えている。孔封止用の貫通孔は必ずしもこのような2重孔の構造を備える必要はなく、例えば外に向かって徐々に拡径するテーパ状の貫通孔でもよいが、段部29を有する孔とすることで、後述するような利点がある。
そして、封止孔である貫通孔27は、例えば、Au−Ge等の金属封止材28を充填して、気密に封止されている。
貫通孔27は、図4に示されているように、例えばパッケージ57の中央部付近であって、所定の強度をも耐えるためには凹部23から離れた箇所に設けることが好ましい。
この貫通孔27は、図2に示されているように、外部とパッケージ57の内部とを連通する孔であって、第1の孔25と、これより縮径された第2の孔26を重ねて設けることで、外向きの段部29を備えている。孔封止用の貫通孔は必ずしもこのような2重孔の構造を備える必要はなく、例えば外に向かって徐々に拡径するテーパ状の貫通孔でもよいが、段部29を有する孔とすることで、後述するような利点がある。
そして、封止孔である貫通孔27は、例えば、Au−Ge等の金属封止材28を充填して、気密に封止されている。
図3に示すように、パッケージ57の内面の底部には、図2の内部空間Sに露出するようにして、2つの電極部31,31が形成されている。
この電極部31,31は、パッケージの幅方向の両端部において、それぞれ長さ方法に沿って長く延びている。この電極部31,31は、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成することができ、それぞれパッケージの外部に引き出されるか、図示しない導電スルーホールを設けることで、パッケージ57の底面に形成した実装端子41,41とそれぞれ接続されている。
この電極部31,31は、パッケージの幅方向の両端部において、それぞれ長さ方法に沿って長く延びている。この電極部31,31は、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成することができ、それぞれパッケージの外部に引き出されるか、図示しない導電スルーホールを設けることで、パッケージ57の底面に形成した実装端子41,41とそれぞれ接続されている。
このように、電極部31,31は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものであり、各電極部31,31の上に、図1および2に示すように、例えば、導電性接着剤43,43が塗布され、この導電性接着剤43,43の上に、後述する圧電振動片の支持用アームが載置され、該導電性接着剤が硬化されることで、接合されるようになっている。
なお、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
あるいは、導電性接着剤を使用しない場合には、金バンプなどの金属バンプを利用して接合するようにしてもよい。
なお、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
あるいは、導電性接着剤を使用しない場合には、金バンプなどの金属バンプを利用して接合するようにしてもよい。
図3に示すように、本実施形態のパッケージ57は小型であり、例えば縦寸法(D1)が2.0mm、横寸法(L1)が1.2mm程度である。そして、パッケージ57の蓋体に対する接合代L2が 0.2mm程度である。
また、パッケージ57の接合面には、例えば、金属ロウ材としてのシームリング58がプリフォームされている。このシームリング58の幅は、0.2mm〜0.15mm程度である。なお、シームリング58は蓋体40側にプリフォームされていてもよい。
また、パッケージ57の接合面には、例えば、金属ロウ材としてのシームリング58がプリフォームされている。このシームリング58の幅は、0.2mm〜0.15mm程度である。なお、シームリング58は蓋体40側にプリフォームされていてもよい。
圧電振動片32は、本実施形態では、小型にして必要な性能を得るために図1に示すような形態とされている。
すなわち、圧電振動片32は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片32は、図1に示すように、基部51と、この基部51の一端(図において右端)から、右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕35,36を備えている。
各振動腕35,36の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、この長溝内に駆動用の電極である励振電極37,38が設けられている。
尚、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
すなわち、圧電振動片32は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片32は、図1に示すように、基部51と、この基部51の一端(図において右端)から、右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕35,36を備えている。
各振動腕35,36の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、この長溝内に駆動用の電極である励振電極37,38が設けられている。
尚、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
また、圧電振動片32は、その基部51の振動腕を形成した一端より、図1において、所定距離BL(基部長さ+切り込み部長さ)を隔てた他端(図において左端)において、基部51の幅方向に延長され、かつ振動腕35,36の両外側の位置で、各振動腕35,36の延びる方向(図1において右方向)に、これら振動腕35,36と平行に延びている支持用アーム61,62を備えている。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、後述するように、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、後述するように、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
励振電極37,38は、長溝33,34内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされている。そして、各励振電極37,38は、それぞれ引出し電極37a,38aとして、支持用アーム61,62に引き回されている。これにより、圧電デバイス30を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、実装端子41,41から、電極部31,31を介して圧電振動片32の各支持用アーム61,62の引出し電極37a,38aに伝えられ、各励振電極37,38に伝えられるようになっている。
そして、長溝33,34内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。
そして、長溝33,34内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。
ここで、励振電極37,38は下地金属層の上に導通性に優れた金属で電極層を形成することで作られる。
この実施形態では、下地金属層として、クロム(Cr)層を成膜し、電極層として金(Au)層を成膜して、後述する製造工程において、フォトリソグラフィなどの手法により図1に示すような形状の電極に形成されている。
この場合、下地層と電極層(図示せず)の各成膜は、スパッタリングや蒸着により行われるが、水晶ウエハなどから多数の圧電振動片を形成するためのバッジ工程では、蒸着により成膜するのが好ましい。
この実施形態では、下地金属層として、クロム(Cr)層を成膜し、電極層として金(Au)層を成膜して、後述する製造工程において、フォトリソグラフィなどの手法により図1に示すような形状の電極に形成されている。
この場合、下地層と電極層(図示せず)の各成膜は、スパッタリングや蒸着により行われるが、水晶ウエハなどから多数の圧電振動片を形成するためのバッジ工程では、蒸着により成膜するのが好ましい。
また、図3に示すように、好ましくは、基部51には、基部51の振動腕側の端部から十分離れた位置において、両側縁に、基部51の幅方向の寸法を部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部71,72を設けている。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
なお、強度が許す場合には、基部51の例えば中心付近に図示しない貫通孔を形成し、該貫通孔周縁近傍に応力を集中させるようにすることで、振動漏れが、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
なお、強度が許す場合には、基部51の例えば中心付近に図示しない貫通孔を形成し、該貫通孔周縁近傍に応力を集中させるようにすることで、振動漏れが、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
図1において、支持用アーム61,61とパッケージ57との接合箇所は、例えば、一方の支持用アーム61に関して、圧電振動片32の長さ寸法の重心位置Gに相当する箇所とすることで、ひとつだけ選択することもできる。しかし、図1で示すように、上記重心G位置を挟んで該重心位置から等距離離れた2点を選んで接合すると、より接合構造が強化され、安定するので好ましい。
ひとつの支持用アームについて、1点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片32の全長aの25%以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、2点の接合箇所(両方の支持用アームを合わせると4箇所)を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片32の全長の25%以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。
ひとつの支持用アームについて、1点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片32の全長aの25%以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、2点の接合箇所(両方の支持用アームを合わせると4箇所)を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片32の全長の25%以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。
(圧電デバイスの製造方法)
次に、圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明する。
図5は、本実施形態の圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明するための簡単なフローチャートである。
(前工程)
圧電デバイス30の圧電振動片32と、パッケージ57と、蓋体40は、前工程としてそれぞれ別々に製造される。
蓋体40は、既に説明したように、導通性の金属により形成される。本実施形態では、例えば、コバールの板体を所定の大きさに加工し、ニッケルメッキすることにより得られる。
次に、圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明する。
図5は、本実施形態の圧電デバイス30の製造方法の実施形態を説明するための簡単なフローチャートである。
(前工程)
圧電デバイス30の圧電振動片32と、パッケージ57と、蓋体40は、前工程としてそれぞれ別々に製造される。
蓋体40は、既に説明したように、導通性の金属により形成される。本実施形態では、例えば、コバールの板体を所定の大きさに加工し、ニッケルメッキすることにより得られる。
パッケージ57は、上述したように、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔をプレスなどによって形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sや貫通孔27を形成することができる。
また、例えば、上記焼結前に導電ペーストにより、図3で説明した電極部31,31や図4の貫通孔27の段部29,あるいは実装端子41,41の領域に、銀ペーストなどの導電ペーストを適用し、焼結後、メッキによりこれら電極部等の金属膜を形成することができる。
また、例えば、上記焼結前に導電ペーストにより、図3で説明した電極部31,31や図4の貫通孔27の段部29,あるいは実装端子41,41の領域に、銀ペーストなどの導電ペーストを適用し、焼結後、メッキによりこれら電極部等の金属膜を形成することができる。
圧電振動片32は、水晶ウエハなどを用いて、音叉型の圧電振動片32を形成する場合には、図1に示すX軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光軸となるように、例えば水晶の単結晶から該水晶ウエハが切り出されることになる。
また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに数度の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られる。
そして、この水晶ウエハに必要な耐蝕膜(図示せず)を設けて、マスクとし、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の長溝33,34の部分をハーフエッチングで形成する。
次に、駆動電極としての励振電極を形成する。
すなわち、水晶ウエハの表裏両面に電極となる金属膜を成膜する。この金属膜は、例えば、クロムを下地として金を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。
その後フォトリソグラフィの手法により、図1で説明したような各電極を形成する。
また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに数度の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られる。
そして、この水晶ウエハに必要な耐蝕膜(図示せず)を設けて、マスクとし、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の長溝33,34の部分をハーフエッチングで形成する。
次に、駆動電極としての励振電極を形成する。
すなわち、水晶ウエハの表裏両面に電極となる金属膜を成膜する。この金属膜は、例えば、クロムを下地として金を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。
その後フォトリソグラフィの手法により、図1で説明したような各電極を形成する。
次に、各振動腕および基部を含む外形に適合するように図示しないマスクパターンを、例えば耐蝕膜により形成し、フッ酸溶液等を用いたウエットエッチングにより、支持用アームを有する圧電振動片32の外形を形成する(図1参照)。続いて、圧電振動片32の振動腕35,36の各側面に、フォトリソグラフィの手法により、励振電極を形成することにより、圧電振動片32が完成する。
なお、好ましくは、圧電振動片32の各振動腕35,36の先端部には、周波数調整用の重りとしての金属被膜21,21を上記励振電極の形成時に、該励振電極と同じ構造で形成することができる。
なお、好ましくは、圧電振動片32の各振動腕35,36の先端部には、周波数調整用の重りとしての金属被膜21,21を上記励振電極の形成時に、該励振電極と同じ構造で形成することができる。
(マウント工程)
以上の前工程を実行した後で、完成した圧電振動片32の接合を行う(ST1)。
具体的には、図3の各電極部31,31上に導電性接着剤43,43,43,43を塗布する。これらの上に図1に示すように、対応する支持用アーム61,62を載置し、かるく荷重をかける。
この状態で、ベルト炉などで加熱して導電性接着剤を硬化することにより(ST2)、圧電振動片32が接合される。
以上の前工程を実行した後で、完成した圧電振動片32の接合を行う(ST1)。
具体的には、図3の各電極部31,31上に導電性接着剤43,43,43,43を塗布する。これらの上に図1に示すように、対応する支持用アーム61,62を載置し、かるく荷重をかける。
この状態で、ベルト炉などで加熱して導電性接着剤を硬化することにより(ST2)、圧電振動片32が接合される。
なお、導電性接着剤ではなく、金属バンプなどにより圧電振動片32の接合を行ってもよく、その場合には硬化工程は不要である。
続いて、純水により洗浄し(ST3)、その後、加熱炉などを通して全体を加熱することにより、水分を蒸発させ、導電性接着剤から溶剤を十分に揮発させる(ST4)。
さらに、蓋体40が接合されない状態において、図1の上方からレーザ光を照射し圧電振動片32の各振動腕35,36の周波数調整用重り21,21の一部を蒸散させることにより、質量削減方式による周波数調整を行う(ST5)。
続いて、純水により洗浄し(ST3)、その後、加熱炉などを通して全体を加熱することにより、水分を蒸発させ、導電性接着剤から溶剤を十分に揮発させる(ST4)。
さらに、蓋体40が接合されない状態において、図1の上方からレーザ光を照射し圧電振動片32の各振動腕35,36の周波数調整用重り21,21の一部を蒸散させることにより、質量削減方式による周波数調整を行う(ST5)。
(蓋封止工程)
次にパッケージ57に蓋体40を接合する(ST6)。
図6は、蓋封止工程を説明する図であり、パッケージ57内の圧電振動片の図示は省略されている。
図示されているように、パッケージ57の上に蓋体40が載置される。
パッケージ57と蓋体40の間には、金属ロウ材であるシームリング58が介在されている。
この状態で、蓋体40の一端部の両側には溶接電極となる電極ローラ22,22を当てて、溶接電流を流す。そして、電極ローラ22,22を矢印方向に回転させながら、蓋体40の他端部まで転動させていくと、矢印方向(およびこれと逆方向)に溶接電流が印加され、その時の電気抵抗によるジュール熱により、シームリング58が溶融される。
これにより、蓋体40とパッケージ57の境界はむらなく溶接されるので、極めて高い気密シール性を得ることができる。
次にパッケージ57に蓋体40を接合する(ST6)。
図6は、蓋封止工程を説明する図であり、パッケージ57内の圧電振動片の図示は省略されている。
図示されているように、パッケージ57の上に蓋体40が載置される。
パッケージ57と蓋体40の間には、金属ロウ材であるシームリング58が介在されている。
この状態で、蓋体40の一端部の両側には溶接電極となる電極ローラ22,22を当てて、溶接電流を流す。そして、電極ローラ22,22を矢印方向に回転させながら、蓋体40の他端部まで転動させていくと、矢印方向(およびこれと逆方向)に溶接電流が印加され、その時の電気抵抗によるジュール熱により、シームリング58が溶融される。
これにより、蓋体40とパッケージ57の境界はむらなく溶接されるので、極めて高い気密シール性を得ることができる。
ここで、パッケージ57と蓋体40とを接合する上記シーム溶接にあっては、シームリング58である金属ロウ材が溶融した金属の飛沫が、パッケージ57内に侵入する場合がある。このような飛沫が、圧電振動片32の振動腕35,36に付着すると、その重量が重くなって、周波数が変化してしまう。
しかしながら、パッケージ57内に収容される本実施形態の圧電振動片32は、図1で説明したように。振動腕35,36の両外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アーム61,62を有しており、該支持用アーム61,62によって、パッケージ57と接合させている。
このため、圧電振動片32の各振動腕35,36は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージ57と蓋体40との接合部(パッケージの外周に沿った領域であり、図3のシールリング58の部分)よりも距離が離れている。このことによって、シーム溶接の際に、溶融した金属の飛沫が、圧電振動片32の振動腕35,36に付着して、振動性能に悪影響を与えるおそれがないものである。
しかしながら、パッケージ57内に収容される本実施形態の圧電振動片32は、図1で説明したように。振動腕35,36の両外側、すなわち幅方向に離れた両外側で、該振動腕と同じ方法に延びる一対の支持用アーム61,62を有しており、該支持用アーム61,62によって、パッケージ57と接合させている。
このため、圧電振動片32の各振動腕35,36は、通常の音叉型圧電振動片と比べて、パッケージ57と蓋体40との接合部(パッケージの外周に沿った領域であり、図3のシールリング58の部分)よりも距離が離れている。このことによって、シーム溶接の際に、溶融した金属の飛沫が、圧電振動片32の振動腕35,36に付着して、振動性能に悪影響を与えるおそれがないものである。
(孔封止工程)
続いて、孔封止工程(ST7)に移る。
孔封止に先行して、好ましくは、加熱工程を設ける。
すなわち、パッケージ57を真空・加熱チャンバーなどに収容し、所定の温度プロファイルで加熱する。
これにより、パッケージ57内面の水分や、導電性接着剤43の溶剤成分などが十分に気化する。この過程により生成したガスは、貫通孔27を介して外部に排出されることで、十分なガス出し、ないしは脱ガスがされ、パッケージ57内は1×10−2Pa程度の高い真空度とされる。
続いて、孔封止工程(ST7)に移る。
孔封止に先行して、好ましくは、加熱工程を設ける。
すなわち、パッケージ57を真空・加熱チャンバーなどに収容し、所定の温度プロファイルで加熱する。
これにより、パッケージ57内面の水分や、導電性接着剤43の溶剤成分などが十分に気化する。この過程により生成したガスは、貫通孔27を介して外部に排出されることで、十分なガス出し、ないしは脱ガスがされ、パッケージ57内は1×10−2Pa程度の高い真空度とされる。
続いて、例えば、図6のパッケージ57の上下を逆にして、貫通孔27内の段部29上に充填金属用の金属球28aを配置する。金属球28aは球形であるから、ころがして孔に入れやすく作業が容易になる。
金属球28aとしては、例えば、金−ゲルマニウム(Au−Ge)、金錫(Au−Sn)などが優れている。すなわち、鉛を含まない合金であるから、廃棄しても有害な鉛が生成されないし、リフロー工程でも溶融することがない。
特に、金−ゲルマニウム(Au−Ge)系合金を用いると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
この状態で、図6で示すように、金属球28aに対して、孔封止用のレーザー光LBを照射する。これにより、金属球28aは瞬時に溶融して貫通孔27に充填され、該貫通孔27を気密に封止する。
続いて、必要な検査を行い、圧電デバイス30が完成する(ST8)。
金属球28aとしては、例えば、金−ゲルマニウム(Au−Ge)、金錫(Au−Sn)などが優れている。すなわち、鉛を含まない合金であるから、廃棄しても有害な鉛が生成されないし、リフロー工程でも溶融することがない。
特に、金−ゲルマニウム(Au−Ge)系合金を用いると、比較的低い融点であるために孔封止作業で扱いやすい上に、圧電デバイスのリフロー工程では、通常のリフロー温度で、金−ゲルマニウム合金は溶融しないことから、該リフロー工程で気密性が損なわれるおそれがない。
この状態で、図6で示すように、金属球28aに対して、孔封止用のレーザー光LBを照射する。これにより、金属球28aは瞬時に溶融して貫通孔27に充填され、該貫通孔27を気密に封止する。
続いて、必要な検査を行い、圧電デバイス30が完成する(ST8)。
このように、本実施形態によれば、孔封止用の貫通孔27を備えているから、蓋封止後に該貫通孔27からガス出しをすることによって、パッケージ57内の真空度を向上させることができる。しかも、該パッケージ57を小型に形成した場合に、蓋体40との接合面積が小さくなったとしても、その限られた面積の接合面を用いて、金属ロウ材58を利用したシーム溶接によって、蓋体40が接合されているので、十分な接合強度を得ることができ、パッケージに関して、好適に気密性が保持される。
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、水晶フィルタ、SAWデバイス、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、水晶フィルタ、SAWデバイス、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
27・・・貫通孔(封止孔)、30・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、35,36・・・振動腕、40・・・蓋体、51・・・基部、57・・・パッケージ、58・・・シームリング(封止材)、61,62・・・支持用アーム
Claims (6)
- パッケージ内に圧電振動片を収容して、蓋体により気密に封止する構成の圧電デバイスであって、
前記パッケージには、金属を充填して封止される孔封止用の貫通孔を備えているとともに、
前記パッケージが、金属製の前記蓋体をシーム溶接により接合することにより蓋封止されている
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 前記蓋体がコバールにより形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス。
- 前記貫通孔に充填される金属充填材が金−ゲルマニウム(系)合金であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 前記パッケージが矩形の箱状パッケージであり、該パッケージの内側底部の幅方向端部の両側縁に沿って、前記圧電振動片の接合用の電極部がそれぞれ形成されており、
かつ前記圧電振動片が、
圧電材料により形成された基部と、
前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、
前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の両外側において、該振動腕と同じ方向に延びる一対の支持用アームと
を有しており、
各支持用アームが、前記接合用の各電極部に対して、それぞれ接合されている
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電デバイス。 - パッケージ内に圧電振動片を接合して、金属製の蓋体により封止するようにした圧電デバイスの製造方法であって、
前記パッケージ、前記圧電振動片、前記蓋体を個々に形成する工程と、
前記パッケージ内部に前記圧電振動片を接合するマウント工程と、
前記パッケージを前記蓋体で気密に封止する蓋封止工程と、
前記蓋体による封止後に、前記パッケージの底部に設けた封止孔である貫通孔を利用して、加熱下で該封止孔から脱ガスし、かつ該封止孔に金属材料を溶融充填する孔封止工程と
を含んでおり、
前記蓋封止工程においては、前記パッケージの接合面に形成した金属部と、前記蓋体との間に金属ロウ材を配置して、前記蓋体側から電流を印加してシーム溶接により該金属ロウ材を溶融することにより接合する
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 - 前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の両外側において、該振動腕と同じ方向に延びる一対の支持用アームとを備えていて、前記マウント工程においては、該支持用アームをパッケージの内側底面に対して接合するようにしたことを特徴とする請求項5に記載の圧電デバイスの製造方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006223317A JP2008048273A (ja) | 2006-08-18 | 2006-08-18 | 圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法 |
US11/840,331 US7579748B2 (en) | 2006-08-18 | 2007-08-17 | Piezoelectric device and method for manufacturing thereof |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2008048273A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010232641A (ja) * | 2009-03-05 | 2010-10-14 | Tdk Corp | 貫通電極の形成方法、及び半導体基板 |
US9628046B2 (en) | 2013-11-16 | 2017-04-18 | Seiko Epson Corporation | Resonator element, resonator, oscillator, electronic apparatus, and mobile object |
JP2019114736A (ja) * | 2017-12-26 | 2019-07-11 | 株式会社村田製作所 | 三次元配線基板の製造方法および三次元配線基板 |
-
2006
- 2006-08-18 JP JP2006223317A patent/JP2008048273A/ja not_active Withdrawn
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