JP2009194788A - 圧電振動子の製造方法、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ベース基板2と、キャビティ用の凹部3aが形成され、凹部をベース基板に対向させた状態でベース基板に接合されたリッド基板3と、両基板間に形成されたキャビティ内で、ベース基板の上面に接合された圧電振動片4と、ベース基板の下面に形成された一対の外部電極38、39と、ベース基板を貫通するように形成され、一対の外部電極にそれぞれ電気的に接続された一対の貫通電極32、33と、ベース基板の上面に形成され、圧電振動片に一対の貫通電極をそれぞれ電気的に接続させる引き回し電極36、37と、を備え、貫通電極が、貫通孔30、31の内面に成膜された電極膜32a、33aと、貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に固着されたガラス体32b、33bと、で形成される圧電振動子1を提供する。
【選択図】 図3
Description
ベース基板201及びリッド基板202は、例えばセラミックやガラス等からなる絶縁基板である。両基板201、202のうちベース基板201には、該基板201を貫通するスルーホール204が形成されている。そして、このスルーホール204内には、該スルーホール204を塞ぐように導電部材205が埋め込まれている。この導電部材205は、ベース基板201の下面に形成された外部電極206に電気的に接続されていると共に、キャビティC内にマウントされている圧電振動片203に電気的に接続されている。
一般的に導電ペーストを使用する場合には、焼成して硬化させる必要がある。つまり、スルーホール204内に導電ペーストを埋め込んだ後、焼成を行って硬化させる必要がある。ところが、焼成を行うと、導電ペーストに含まれる有機物が蒸発により消失してしまうので、通常、焼成後の体積が焼成前に比べて減少してしまう(例えば、導電ペーストとしてAgペーストを用いた場合には、体積が略20%程度減少してしまう)。そのため、導電ペーストを利用して導電部材205を形成したとしても、表面に凹みが発生してしまったり、酷い場合には貫通孔が中心に開いてしまったりする恐れがある。
その結果、キャビティC内の気密が損なわれたり、圧電振動片203と外部電極206との導通性が損なわれたりする可能性があった。
本発明に係る圧電振動子は、ベース基板と、キャビティ用の凹部が形成され、該凹部を前記ベース基板に対向させた状態で該ベース基板に接合されたリッド基板と、前記凹部を利用して前記ベース基板と前記リッド基板との間に形成されたキャビティ内に収納された状態で、ベース基板の上面に接合された圧電振動片と、前記ベース基板の下面に形成された一対の外部電極と、前記ベース基板を貫通するように形成され、前記キャビティ内の気密を維持すると共に、前記一対の外部電極に対してそれぞれ電気的に接続された一対の貫通電極と、前記ベース基板の上面に形成され、接合された前記圧電振動片に対して前記一対の貫通電極をそれぞれ電気的に接続させる引き回し電極と、を備え、前記貫通電極が、前記ベース基板を貫通する貫通孔の内面に成膜された電極膜と、貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に固着されたガラス体と、で形成されていることを特徴とするものである。
また、上記工程と同時或いは前後のタイミングで、ベース基板用ウエハに、一対の貫通電極を複数形成する貫通電極形成工程を行う。この際、後に両ウエハを重ね合わせたときに、リッド基板用ウエハに形成した凹部内に収まるように一対の貫通電極を複数形成する。
続いて、埋め込んだガラス体の塊を所定の温度で加熱する加熱工程を行う。この加熱工程を行うことで、まず貫通孔に埋め込まれたガラス体の塊が溶融する。この際、埋め込まれたガラス体の塊の体積が貫通孔の容積と略等しいので、溶融した状態のガラス体は、貫通孔内に隙間なく行き渡って貫通孔を塞ぐ。これにより、ガラス体は、貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に強固に固着した状態になる。この結果、電極膜とガラス体とにより貫通電極が形成される。
しかしながら、上述したように、ペーストを使用せずに、電極膜とガラス体とを利用しており、両者の表面に大きな凹みが現れる恐れがない。なお、ガラス体は、加熱工程の際に若干体積が減少する可能性があるが、ペーストを焼成する場合とは違い、目立つ凹みとなって現れるほど顕著なものではなく、無視できる範囲である。
従って、ベース基板用ウエハの表面と、ガラス体の表面とは、ほぼ面一な状態となる。つまり、ベース基板用ウエハの表面と貫通電極の表面とを、ほぼ面一な状態とすることができる。
特に、電極膜及びガラス体からなる貫通電極は、上述したように、ベース基板用ウエハの上面に対してほぼ面一な状態となっている。そのため、ベース基板用ウエハの上面にパターニングされた引き回し電極は、間に隙間等を発生させることなく貫通電極に対して密着した状態で接する。これにより、引き回し電極と貫通電極との導通性を確実なものにすることができる。
次に、重ね合わせた両ウエハを接合する接合工程を行う。これにより、両ウエハが強固に密着するので、圧電振動片をキャビティ内に封止することができる。この際、ベース基板用ウエハに形成された貫通孔は、貫通電極によって塞がれているので、キャビティ内の気密が貫通孔を通じて損なわれることがない。特に、貫通電極を構成するガラス体は、貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に強固に密着しているので、キャビティ内の気密を確実に維持することができる。
最後に、接合されたベース基板用ウエハ及びリッド基板用ウエハを切断して、複数の圧電振動子に小片化する切断工程を行う。
特に、ベース基板に対してほぼ面一な状態で貫通電極を形成できるので、該貫通電極を、引き回し電極及び外部電極に対して確実に密着させることができる。その結果、圧電振動片と外部電極との安定した導通性を確保することができ、作動性能の信頼性を向上して、高品質化を図ることができる。しかも、貫通孔の内面に成膜された電極膜を利用して貫通電極を構成しているので、非常に安定した導通性を得ることができる。
また、キャビティ内の気密に関しても確実に維持することができるので、この点においても高品質化を図ることができる。
加えて、電極膜及びガラス体を利用した簡単な方法で貫通電極を形成できるので、工程の簡素化を図ることができる。
また、本発明に係る電子機器は、上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電波時計は、上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法によれば、上述した圧電振動子を一度に効率良く製造することができ、低コスト化を図ることができる。
また、本発明に係る発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動子を備えているので、同様に作動の信頼性を高めて高品質化を図ることができる。
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図4に示すように、ベース基板2とリッド基板3とで2層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティC内に圧電振動片4が収納された表面実装型の圧電振動子1である。
なお、図4においては、図面を見易くするために後述する励振電極15、引き出し電極19、20、マウント電極16、17及び重り金属膜21の図示を省略している。
この圧電振動片4は、平行に配置された一対の振動腕部10、11と、該一対の振動腕部10、11の基端側を一体的に固定する基部12と、一対の振動腕部10、11の外表面上に形成されて一対の振動腕部10、11を振動させる第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15と、第1の励振電極13及び第2の励振電極14に電気的に接続されたマウント電極16、17とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片4は、一対の振動腕部10、11の両主面上に、該振動腕部10、11の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部18を備えている。この溝部18は、振動腕部10、11の基端側から略中間付近まで形成されている。
なお、上述した励振電極15、マウント電極16、17及び引き出し電極19、20は、例えば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)やチタン(Ti)等の導電性膜の被膜により形成されたものである。
このベース基板2には、該ベース基板2を貫通する一対のスルーホール(貫通孔)30、31が形成されている。この際、一対のスルーホール30、31は、キャビティC内に収まるように形成されている。より詳しく説明すると、本実施形態のスルーホール30、31は、マウントされた圧電振動片4の基部12側に一方のスルーホール30が位置し、振動腕部10、11の先端側に他方のスルーホール31が位置するように形成されている。
また、一対のスルーホール30、31は、図3に示すように、ベース基板2の下面側に開いた開口が、上面側に開いた開口よりも小さくなるように形成されている。より詳しくは、ベース基板2の下面に向かって径が2段階に分かれて漸次縮径し、断面が段付きのテーパ状になるように形成されている。
なお、貫通電極32、33は、電極膜32a、33aを通して、電気導通性が確保されている。
そして、これら一対の引き回し電極36、37上にそれぞれバンプBが形成されており、該バンプBを利用して圧電振動片4がマウントされている。これにより、圧電振動片4の一方のマウント電極16が、一方の引き回し電極36を介して一方の貫通電極32に導通し、他方のマウント電極17が、他方の引き回し電極37を介して他方の貫通電極33に導通するようになっている。
しかしながら、上述したように、ペーストを使用せずに、電極膜32a、33aとガラス体32b、33bとを利用しており、両者の表面に大きな凹みが現れる恐れがない。なお、ガラス体32b、33bは、加熱工程の際に若干体積が減少するが、ペーストを焼成する場合とは違い、目立つ凹みとなって現れるほど顕著なものではなく、無視できる範囲である。
従って、ベース基板用ウエハ40の表面と、ガラス体32b、33bの表面とは、ほぼ面一な状態となる。つまり、ベース基板用ウエハ40の表面と貫通電極32、33の表面とを、ほぼ面一な状態とすることができる。
特に、電極膜32a、33a及びガラス体32b、33bからなる貫通電極32、33は、上述したように、表面に凹みがなく、ベース基板用ウエハ40の上面に対してほぼ面一な状態となっている。そのため、ベース基板用ウエハ40の上面にパターニングされた引き回し電極36、37は、間に隙間等を発生させることなく貫通電極32、33に対して密着した状態で接する。これにより、一方の引き回し電極36と一方の貫通電極32との導通性、並びに、他方の引き回し電極37と他方の貫通電極33との導通性を確実なものにすることができる。この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
特に、圧電振動片4は、バンプ接合されるので、ベース基板用ウエハ40の上面から浮いた状態で支持される。
ところで、陽極接合を行う際、ベース基板用ウエハ40に形成されたスルーホール30、31は、貫通電極32、33によって完全に塞がれているので、キャビティC内の気密がスルーホール30、31を通じて損なわれることがない。特に、貫通電極32、33を構成するガラス体32b、33bは、スルーホール30、31を塞ぐように、電極膜32a、33aを間に挟んでスルーホール30、31の内面に強固に密着しているので、キャビティC内の気密を確実に維持することができる。
特に、この工程を行う場合も引き回し電極36、37の形成時と同様に、ベース基板用ウエハ40の下面に対して貫通電極32、33がほぼ面一な状態となっているので、パターニングされた外部電極38、39は、間に隙間等を発生させることなく貫通電極32、33に対して密着した状態で接する。これにより、外部電極38、39と貫通電極32、33との導通性を確実なものにすることができる。
なお、切断工程(S90)を行って個々の圧電振動子1に小片化した後に、微調工程(S80)を行う工程順序でも構わない。但し、上述したように、微調工程(S80)を先に行うことで、ウエハ体60の状態で微調を行うことができるので、複数の圧電振動子1をより効率よく微調することができる。よって、スループットの向上化を図ることができるので好ましい。
本実施形態の発振器100は、図18に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
本実施形態の電波時計130は、図20に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
また、上記実施形態では、音叉型の圧電振動片4を例に挙げて説明したが、音叉型に限られるものではない。例えば、厚み滑り振動片としても構わない。
また、上記実施形態では、圧電振動片4をバンプ接合したが、バンプ接合に限定されるものではない。例えば、導電性接着剤により圧電振動片4を接合しても構わない。但し、バンプ接合することで、圧電振動片4をベース基板2の上面から浮かすことができ、振動に必要な最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。よって、バンプ接合することが好ましい。
この場合には、加熱工程の際に、ガラスボールGとベース基板用ウエハ40との膨張量が略等しくなる。従って、熱膨張係数の違いによって、ベース基板用ウエハ40に過度に圧力を作用させてクラック等を発生させたり、ガラス体32b、33bとスルーホール30、31との間に隙間が空いてしまったりすることがない。このため、より高品質な貫通電極32、33を形成することができ、その結果、圧電振動子1の更なる高品質化を図ることができる。
C…キャビティ
G…ガラスボール(ガラス体の塊)
1…圧電振動子
2…ベース基板
3…リッド基板
3a…キャビティ用の凹部
4…圧電振動片
30、31…スルーホール(貫通孔)
32、33…貫通電極
32a、33a…電極膜
32b、33b…ガラス体
35…接合膜
36、37…引き回し電極
38、39…外部電極
40…ベース基板用ウエハ
50…リッド基板用ウエハ
100…発振器
101…発振器の集積回路
110…携帯情報機器(電子機器)
113…電子機器の計時部
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部
Claims (14)
- ベース基板と、
キャビティ用の凹部が形成され、該凹部を前記ベース基板に対向させた状態で該ベース基板に接合されたリッド基板と、
前記凹部を利用して前記ベース基板と前記リッド基板との間に形成されたキャビティ内に収納された状態で、ベース基板の上面に接合された圧電振動片と、
前記ベース基板の下面に形成された一対の外部電極と、
前記ベース基板を貫通するように形成され、前記キャビティ内の気密を維持すると共に、前記一対の外部電極に対してそれぞれ電気的に接続された一対の貫通電極と、
前記ベース基板の上面に形成され、接合された前記圧電振動片に対して前記一対の貫通電極をそれぞれ電気的に接続させる引き回し電極と、を備え、
前記貫通電極は、前記ベース基板を貫通する貫通孔の内面に成膜された電極膜と、貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に固着されたガラス体と、で形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1に記載の圧電振動子において、
前記貫通孔は、前記ベース基板の下面側に開いた開口が、上面側に開いた開口よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1又は2に記載の圧電振動子において、
前記ガラス体は、熱膨張係数が前記ベース基板と略等しいことを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動子において、
前記ベース基板及び前記リッド基板は、前記凹部の周囲を囲むように両基板の間に形成された接合膜を介して陽極接合されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片は、導電性のバンプによりバンプ接合されていることを特徴とする圧電振動子。 - 互いに接合されたベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された圧電振動子を、ベース基板用ウエハとリッド基板用ウエハとを利用して一度に複数製造する方法であって、
前記リッド基板用ウエハに、両ウエハが重ね合わされたときに前記キャビティを形成するキャビティ用の凹部を複数形成する凹部形成工程と、
前記ベース基板用ウエハに、該ウエハを貫通する一対の貫通電極を複数形成する貫通電極形成工程と、
前記ベース基板用ウエハの上面に、前記一対の貫通電極に対してそれぞれ電気的に接続された引き回し電極を複数形成する引き回し電極形成工程と、
複数の前記圧電振動片を、前記引き回し電極を介して前記ベース基板用ウエハの上面に接合するマウント工程と、
前記ベース基板用ウエハと前記リッド基板用ウエハとを重ね合わせて、前記凹部と両ウエハとで囲まれる前記キャビティ内に圧電振動片を収納する重ね合わせ工程と、
前記ベース基板用ウエハと前記リッド基板用ウエハとを接合し、前記圧電振動片を前記キャビティ内に封止する接合工程と、
前記ベース基板用ウエハの下面に、前記一対の貫通電極にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極を複数形成する外部電極形成工程と、
接合された前記両ウエハを切断して、複数の前記圧電振動子に小片化する切断工程と、を備え、
前記貫通電極形成工程は、前記ベース基板用ウエハに該ウエハを貫通する一対の貫通孔を複数形成する貫通孔形成工程と、これら複数の貫通孔の内面に電極膜を成膜する電極膜成膜工程と、該電極膜が成膜された貫通孔内に、該貫通孔の容積と略等しい体積のガラス体の塊を埋め込むガラス体セット工程と、埋め込んだガラス体の塊を所定の温度で加熱して溶融させ、電極膜が成膜された貫通孔を塞ぐように、電極膜を間に挟んで貫通孔の内面に固着させる加熱工程と、を備えていることを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項6に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記貫通孔形成工程の際に、前記貫通孔を、前記ベース基板用ウエハの下面側に開く開口が、上面側に開く開口よりも小さくなるように形成することを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項6又は7に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記ガラス体として、熱膨張係数が前記ベース基板用ウエハと略等しいガラス体を用いることを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項6から8のいずれか1項に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記マウント工程前に、前記ベース基板用ウエハと前記リッド基板用ウエハとを重ね合わせたときに、前記凹部の周囲を囲む接合膜をベース基板用ウエハの上面に形成する接合膜形成工程を備え、
前記接合工程の際、前記接合膜を介して前記両ウエハを陽極接合することを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項6から9のいずれか1項に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記マウント工程の際、導電性のバンプを利用して前記圧電振動片をバンプ接合することを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項6から10のいずれか1項に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記ガラス体セット工程の際、予め仮焼成されたガラス体の塊を用いることを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
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