JP2009159548A - 圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分に静電耐性を有する圧電デバイス（５０）を提供する。
【解決手段】 圧電デバイス（５０）はパッケージ（ＰＫＧ）内に圧電振動片（２０）を収納するものである。そして圧電デバイスは、第１面と第２面とを有し、圧電振動片を第１面に載置するとともに静電気保護回路が形成された台座（６０）と、パッケージ内に形成され台座の第２面と接続する内部電極（５９）と、を備える。台座（６０）の第１面には、圧電振動片の電極と接続する第１パット（７１）が形成され、台座の第２面には、内部電極と接続する第２パット（７２）及び静電気を拡散する第３パッド（７４）が形成され、台座には第１パッドと第２パッドとを接続する配線（７３）が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は例えば水晶などからなる圧電基板を用いて、静電耐性（ＥＳＤ耐性）の高い小型の圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法の技術に関する。

従来、時計や家電製品、各種情報・通信機器やＯＡ機器等の民生・産業用電子機器には、その電子回路のクロック源として圧電振動子、圧電振動片とＩＣチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の水晶振動子が広く使用されている。また、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御や航行制御、ビデオカメラ等の手振れ防止・検出等における回転角速度センサとして、圧電振動ジャイロが広く利用され、３次元立体マウス等の回転方向センサにも応用されている。

特に最近、これら水晶振動子は、それを搭載する電子機器の小型化・薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されている。水晶振動子が小型化するに従い水晶ブランクもより小型化されると、水晶ブランク上の電極の面積、および配線間隔も縮小する。配線間隔が縮小した水晶ブランクは、細い電極パターンになり、静電気放電（ＥＳＤ：Electro-Static
Discharge）でパターンが破壊されることが多い。つまり、水晶ブランクまたは水晶振動子は小型化されるにつれてリークの危険性が著しく増大し、水晶振動子の静電耐性の低下を招く。

水晶ブランクまたは水晶振動子の静電気破壊電圧であるＥＳＤ耐圧は５００Ｖ程度であり、他の電子部品と比べて低い値を示している。このため、水晶ブランクまたは水晶振動子のＥＳＤ耐圧を向上させることが要求されている。特許文献１では、放電反応により空気中に静電荷を放電する放電保護機能を有するシールドケースを提供しているが、圧電デバイスの小型化及び量産化には適していなかった。

このため、従来の製法では十分な静電耐性（ＥＳＤ耐性）を持つ小形な水晶振動子を製造することができないことから、水晶振動子とは別にプリント基板上に静電気保護回路を形成する必要があった。
特開２００６−２１１２５６号公報

しかし、水晶振動子とは別にプリント基板上に静電気保護回路を形成することは、プリント基板全体の大きさを小さくしにくくすることにもなり、小型の水晶振動子自体に静電気保護回路を持つようにする要望が強かった。

本発明の目的は、圧電デバイスの内部に静電気保護回路を内蔵することで、小型で十分な静電耐性を持つ圧電デバイスを提供することにある。

第１の観点の圧電デバイスはパッケージ内に圧電振動片を収納するものである。そして圧電デバイスは、第１面と第２面とを有し、圧電振動片を第１面に載置するとともに静電気保護回路が形成された台座と、パッケージ内に形成され台座の第２面と接続する内部電極と、を備える。
この構成により、静電気保護回路が形成された台座に圧電振動片が載置されるため、スペースが限られた中で静電耐性を向上させることができる。

第２の観点の圧電デバイスの台座は、ダイオードを形成した半導体基板である。
圧電振動片を載置する台座が、ダイオードを形成した半導体基板であるため、台座として量産性にすぐれている。

第３の観点の圧電デバイスにおいて、台座の第１面に圧電振動片の電極と接続する第１パットが形成され、台座の第２面に内部電極と接続する第２パット及び静電気を拡散する第３パッドが形成され、台座には第１パッドと第２パッドとを接続する配線が形成されている。
第１パッドと第２パッドとを接続する配線が、外部からの電力供給と振動出力とを圧電振動片とを導通させている。そして、第３パッドにより静電気を拡散することができる。

第４の観点の圧電デバイスの台座の厚さは、５０μｍ〜７５０μｍである。
圧電振動片がパッケージと接触しない程度の厚さが必要であり、その一方で台座をあまりに厚くすると製造コストの面で不利となる。

第５の観点の圧電デバイスの製造方法は、パッケージ内の内部電極に対応するように、静電気保護回路が形成された台座の第２面を配置する配置工程と、台座の第１面に導電性接着剤を塗布して、圧電振動片を接着する接着工程と、パッケージに蓋体で封止する封止工程と、を備える。
この構成により、静電気保護回路が形成された台座を第２面を配置し、台座の第１面に導電性接着剤を介して圧電振動片を接着するため、スペースが限られた中で静電耐性を向上させることができる。

第６の観点の圧電デバイスの製造方法は、第５の観点において、配置工程でフリップチップボンディングにより第２面を固定する。
小型の台座をフリップチップボンディングにより確実に固定することができる。

第７の観点の圧電デバイスの製造方法は、第５又は第６の観点において、接着工程後に圧電振動片の周波数調整を行う。
台座及び圧電振動片を固定した後に周波数調整を行うため、蓋体で封止した後であっても周波数が一定している。

本発明の圧電デバイスはその内部に静電気保護回路を設置することで、十分に静電耐性を有する圧電デバイスを製造することができる。また、全ての種類の水晶ブランクに適応できるため汎用性が高い。

本発明の静電気保護回路は全ての種類の水晶ブランクに適応できるが、小型の主流である音叉型水晶振動片２０について、図面を参照しながら説明する。また、音叉型水晶振動片２０を実装する音叉型水晶振動子５０は搭載される装置の小型化により、実装面積を減らすために、ワイヤボンディングからフリップチップボンディング（以下ＦＣＢ）へ移行して来ている。このため特に表面実装（ＳＭＤ）タイプの音叉型振動子５０について説明する。

図１（ａ）は、本実施形態に係るＳＭＤ（Surface Mount Device）タイプの音叉型水晶振動子５０を示す概略上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）の概略側面図である。なお図１（ａ）は蓋体５６を外した状態であり、構成を分かりやすくしている。

図１（ａ）は、実装される音叉型水晶振動片２０をも示している。音叉型水晶振動片２０は二股に別れて平行に延びる一対の振動腕２１を備えている。音叉型水晶振動片２０は、たとえば３２．７６８ｋＨｚで信号を発振する振動片で、極めて小型の振動片となっており、振動腕２１の表裏両面には、溝部２７が形成されている。音叉型水晶振動片２０の基部２９は、その全体が略板状に形成され、第１基部電極２３と第２基部電極２５とが形成されている。

このＳＭＤタイプの音叉型水晶振動子５０は、音叉型水晶振動片２０を収納する箱状のパッケージＰＫＧを有している。このパッケージＰＫＧは、その底部にベース部５４を備えている。このベース部５４は、酸化アルミニウム質の混練物からなる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、焼結して形成されている。

セラミック製のベース部５４の上には、ニッケル上に金メッキを施した封止材５８が設けられており、この封止材５８は、コバール等からなる蓋体５６と同様の材料から形成されている。また、この封止材５８の上には蓋体５６が載置され、蓋体５６はシーム溶接等の手法により封止材５８で固定される。これらベース部５４、封止材５８および蓋体５６で、中空の箱体を形成することになる。

本発明の音叉型水晶振動子５０はベース部５４に音叉型水晶振動片２０を載置するための台座部５１に静電気保護回路を搭載する。台座部５１には静電気保護回路を内蔵したＳｉ（シリコン）チップ片（以下静電気保護Ｓｉチップ）６０がＦＣＢで固定されている。静電気保護Ｓｉチップ６０の裏面にはスタッドバンプ５３を形成し、パッケージ内部電極５９及びアース端子ＧＮＤと接続している。音叉型水晶振動片２０がベース部５４と接触しないように台座が必要であるが、静電気保護Ｓｉチップ６０が台座の役目を兼用している。

また、静電気保護Ｓｉチップ６０の上面には音叉型水晶振動片２０と接続するための電極が形成されており、導電性接着剤５２を用いて、音叉型水晶振動片２０の基部電極２３、２５と接続する。パッケージ内部電極５９及びアース端子ＧＮＤは、パッケージＰＫＧの外側に形成されたタングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキが施された外部電極部８８に接続される。なお、アース端子ＧＮＤは外部電極部８８を介して接地されるようにしても良いし、パッケージＰＫＧ内部の静電気を放電する回路に接続するようにしても良い。

静電気保護Ｓｉチップ６０は保護ダイオードを配置し、静電気の吸収と拡散とを行うために、静電気が音叉型水晶振動片２０へ直接印加されることがない。例えば音叉型水晶振動子５０は音叉型水晶振動片２０の電極の両端にＰＮ接合ダイオードを用い、静電気の保護をしている。

図２は音叉型水晶振動子５０におけるＰＮ接合ダイオードを用いた静電気保護回路を示した図である。
ＰＮ接合ダイオードは音叉型水晶振動片２０の駆動信号ＸＴ及び出力信号ＸＴＸがアース端子に接続したＰＮ接合ダイオードに対して逆方向電位として印加されるように配置している。

この静電気保護回路はアース端子ＧＮＤに対して負の静電気が印加されるとダイオードの整流作用で音叉型水晶振動片２０に印加されず、ダイオードを介してアース端子ＧＮＤに拡散する。またＰＮ接合の降伏電圧以上である正の静電気が印加されると、ＰＮ接合の降伏現象が発生し静電気は音叉型水晶振動片２０に印加されず、ダイオードを介してアース端子ＧＮＤに拡散する。

以上より、音叉型水晶振動子５０は台座部５１に静電気保護回路を内蔵することで、音叉型水晶振動片２０の小型化を十分に活かすことのでき、静電耐性をもった音叉型水晶振動子５０を製造することができる。以下に本発明の音叉型水晶振動子５０の製造方法を示す。

図３Ａ及び図３Ｂは例えば、ｐ型Ｓｉ基板６１を用いた静電気保護Ｓｉチップ６０の製造方法を示すフローチャートである。なお、フローチャートの右図は各ステップの工程における静電気保護Ｓｉチップ６０の１個分のｐ型Ｓｉ基板６１を示す断面図である。また静電気保護Ｓｉチップ６０は静電気保護Ｓｉチップ製造装置（以下Ｓｉチップ製造装置）で公知の半導体製造技術を応用することで容易に実現できる。また下記の静電気保護Ｓｉチップ６０の製造方法は一例であり、限定されるものでない。

ステップＳ１１において、Ｓｉチップ製造装置は所望の台座部５１としてｐ型Ｓｉ基板６１を用いる。静電気保護Ｓｉチップ６０の例えば台座部５１の厚みが３００μｍとする場合に、ｐ型Ｓｉ基板６１は厚みが３００μｍの両面研磨されたｐ型Ｓｉ基板６１を用いる。なお、台座部５１の厚みは、５０μｍ〜７５０μｍ程度が好ましい。

ステップＳ１２において、Ｓｉチップ製造装置はｐ型Ｓｉ基板６１の両面を熱酸化などの手法により表面を酸化させた後に、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）などを用いてＳｉ窒化膜６２をｐ型Ｓｉ基板６１の表面に堆積させる。右図はｐ型Ｓｉ基板６１の断面図である

ステップＳ１３において、Ｓｉチップ製造装置は素子分離領域６３になる領域のＳｉ窒化膜６２をフォトリソ・エッチング技術で除去する。

ステップＳ１４において、Ｓｉチップ製造装置は熱酸化を行い、素子分離領域６３を熱酸化膜にする。
ステップＳ１５において、Ｓｉチップ製造装置は全面のＳｉ窒化膜６２を除去する。

ステップＳ１６において、Ｓｉチップ製造装置はフォトリソ・イオン注入技術を用いてＮ型及びＰ型の不純物を注入しアニールを行うことで、それぞれＮ＋拡散領域６４とＰ＋拡散領域６５とを形成する。

ステップＳ１７において、Ｓｉチップ製造装置は公知の内部配線形成工程を適用することでｐ型Ｓｉ基板６１の両面に電極配線する。内部配線形成工程はステップＳ１７の右図で示すように、ステップＳ１６で形成された熱酸化膜とＮ＋拡散領域６４とＰ＋拡散領域６５との上層に、第１層間絶縁膜６６と第２層間絶縁膜６７とを形成する。そして、この第１層間絶縁膜６６と第２層間絶縁膜６７とを貫通するようにメタル配線６８を形成する。

メタル配線６８のうち、音叉型水晶振動片２０の基部電極２３、２５と接続する配線を第１接続パット７１と呼び、パッケージ内部電極５９と接続する配線を第２接続パット７２と呼ぶ。また、メタル配線６８の１つはアース端子に接続する第３接続パット７４と呼ぶ。

ステップＳ１８において、Ｓｉチップ製造装置はｐ型Ｓｉ基板６１にフォトリソ・エッチング技術で貫通孔６９をあける。ステップＳ１７の右図はｐ型Ｓｉ基板６１のウエハに貫通孔６９を空けたｐ型Ｓｉ基板６１の上面図であり、ウエハの縮小図を図４に示す。

ステップＳ１９において、Ｓｉチップ製造装置は貫通孔６９をあけた側壁に第３層間絶縁膜７０を形成する。第３層間絶縁膜７０は貫通孔６９側壁を含む全面にＣＶＤ技術などを用いて酸化膜を堆積し、フォトリソ・エッチング技術でｐ型Ｓｉ基板６１の上面と下面との不要な酸化膜を除去する。

ステップＳ２０において、Ｓｉチップ製造装置はｐ型Ｓｉ基板６１の上面の第１接続パット７１と、ｐ型Ｓｉ基板６１の下面の第２接続パット７２とを接続する側面配線７３を形成する。側面配線７３はリフトオフパターニング技術を用いて形成する。例えばＳｉチップ製造装置はｐ型Ｓｉ基板６１の上面及び下面の配線電極を保護するレジストパターンをフォトリソ・エッチング技術で形成し、貫通孔６９の側面を含む全面にスパッタ法または蒸着法にて金Ａｕ／クロムＣｒ等の電極材料を成膜し、次にｐ型Ｓｉ基板６１の上面及び下面のレジストを除去することで側面配線７３が完成する。第１接続パット７１は音叉型水晶振動片２０と接続する為の端子であり、第２接続パット７２はパッケージ内部電極５９と接続するための端子である。

ステップＳ２１において、Ｓｉチップ製造装置はｐ型Ｓｉ基板６１の下面に形成した第２接続パット７２及び第３接続パット７４に金Ａｕ製のスタッドバンプ５３を形成する。スタッドバンプ５３はパッケージ内部電極５９及びアース端子ＧＮＤに接続するためのバンプであり、ＦＣＢで超音波などの振動を与えて融着・接合する。

ステップＳ２２において、Ｓｉチップ製造装置はダイシングなどにより、台座部５１の１個分の大きさに分割し、静電気保護Ｓｉチップ６０を製造する。

図５は静電耐性を持つＳＭＤタイプの音叉型振動子５０の製造方法を示すフローチャートである。静電耐性を持つＳＭＤタイプの音叉型振動子５０の製造は公知の振動子製造装置で組み立てる。

ステップＳ３１において、振動子製造装置はパッケージＰＫＧの底部のベース部５４に図３で製造したスタッドバンプ５３付きの静電気保護Ｓｉチップ６０を載置する。載置する場所はパッケージ内部電極５９とスタッドバンプ５３とが重なる場所である。

ステップＳ３２において、振動子製造装置はＦＣＢでパッケージ内部電極５９及びアース端子ＧＮＤと静電気保護Ｓｉチップ６０とをスタッドバンプ５３を介して融着・接合する。パッケージ内部電極５９及びアース端子ＧＮＤは外部電極８８と接続されており、パッケージ外部へとの導通が図られる。

ステップＳ３３において、振動子製造装置は静電気保護Ｓｉチップ６０の上面の接続パット６７に導電性接着剤５２を塗布し、音叉型水晶振動片２０を接着する。導電性接着剤５２は仮硬化させた後に、硬化炉で本硬化させる。

ステップＳ３４において、振動子製造装置は音叉型水晶振動片２０の振動腕２１にレーザ光を照射して、振動腕２１の水晶単結晶ウエハ１０の一部または錘金属を蒸散・昇華させ、質量削減方式による周波数調整を行う。

ステップＳ３５において、振動子製造装置は真空チャンバなどに音叉型水晶振動片２０を収容したパッケージＰＫＧを移し、封止材５８により蓋体５９で封止する。

ステップＳ３６において、振動子製造装置は静電耐性を持つＳＭＤタイプの音叉型振動子５０の駆動特性、または静電耐性などの検査を行い、ＳＭＤタイプの音叉型振動子５０を完成させる。

以上、本発明の静電耐性を持つＳＭＤタイプの音叉型振動子について詳細に説明したが、他の全ての水晶振動片についても同様に台座を静電気保護Ｓｉチップに置き換えることができる。また水晶に限ることのない圧電片についても同様に台座を静電気保護Ｓｉチップに置き換えることができる。また、圧電デバイスの代表として水晶振動子について説明してきたが、他の圧電材料を使用した振動子にも適用できる。さらに、パッケージＰＫＧ内に発振回路を有するＩＣを実装した水晶発振子にも適用できる。

（ａ）は、音叉型振動子５０の上面図である。 （ｂ）は、（ａ）の側面の構成図である。 音叉型水晶振動子５０における静電気保護回路を示した図である 静電気保護Ｓｉチップ６０の製造方法を示すフローチャートである。 静電気保護Ｓｉチップ６０の製造方法を示すフローチャートである。 ｐ型Ｓｉ基板６１のウエハに貫通孔６９をあけた縮小図である。 音叉型振動子５０の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

２０ … 音叉型水晶振動片
２１ … 振動腕
２３ … 第１基部電極
２５ … 第２基部電極
２７ … 溝部
２９ … 基部
５０ … 音叉型水晶振動子
５１ … 台座部
５２ … 導電性接着剤
５３ … スタッドバンプ
５４ … ベース部
５６ … 蓋体
５８ … 封止材
５９ … パッケージ電極
６０ … 静電気保護Ｓｉチップ
６１ … ｐ型Ｓｉ基板
６２ … Ｓｉ窒化膜
６３ … 素子分離領域
６４ … Ｎ＋拡散領域
６５ … Ｐ＋拡散領域
６６ … 第１層間絶縁膜
６７ … 第２層間絶縁膜
６８ … メタル配線
６９ … 貫通孔
７０ … 第３層間絶縁膜
７１ … 第１接続パット
７２ … 第２接続パット
７３ … 側面配線
７４ … 第３接続パット
ＧＮＤ … アース端子
ＰＫＧ … パッケージ

Claims (7)

1. パッケージ内に圧電振動片を収納する圧電デバイスにおいて、
   第１面と第２面とを有し、前記圧電振動片を前記第１面に載置するとともに静電気保護回路が形成された台座と、
   前記パッケージ内に形成され、前記台座の第２面と接続する内部電極と、
   を備えることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記台座は、ダイオードを形成した半導体基板であることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記台座の第１面には、前記圧電振動片の電極と接続する第１パットが形成され、
   前記台座の第２面には、前記内部電極と接続する第２パット及び静電気を拡散する第３パッドが形成され、
   前記台座には、前記第１パッドと第２パッドとを接続する配線が形成されてい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。
4. 前記台座の厚さは、５０μｍ〜７５０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
5. パッケージ内の内部電極に対応するように、静電気保護回路が形成された台座の第２面を配置する配置工程と、
   前記台座の第１面に導電性接着剤を塗布して、圧電振動片を接着する接着工程と、
   前記パッケージに蓋体で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。
6. 前記配置工程は、フリップチップボンディングにより前記第２面を固定する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。
7. 前記接着工程後に、前記圧電振動片の周波数調整を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の圧電デバイスの製造方法。