JP2010050864A - 圧電デバイスの封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スルーホールの体積に適合した体積の共晶金属の封止材をスルーホールに配置して、共晶金属を溶融しパッケージ内部の気密を保つ圧電デバイスの封止方法を提供する。
【解決手段】 圧電デバイスの封止方法は、貫通孔が複数形成されたベース基板を用意する工程（Ｓ３０２）と、貫通孔の少なくとも一つの体積を計測する計測工程（Ｓ３０６）と、体積より小さな体積を有する共晶金属を配置する工程（Ｓ３１０）と、共晶金属を溶融することにより貫通孔を封止する封止工程（Ｓ３１２）と、を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ベースに設けられたスルーホールを封止する工程を備えた圧電デバイスを形成するための封止方法に関する。

従来、移動体通信機器やＯＡ機器等の小型軽量化及び高周波数化に伴って、それらに用いられる水晶デバイスも、より一層の小型化及び高周波数化への対応が求められている。

圧電振動子はパッケージ内部に圧電振動片を収容し、圧電振動片はパッケージ内の電極部に結合されている。通常パッケージは、ガラス又はセラミックで形成され、内部に所定の内部空間を備えている。パッケージ底部には、パッケージ内部と底部とに貫通するスルーホールが形成されており、スルーホールは共晶金属などで封止されている。

例えば、パッケージを使った封止技術には特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１では、パッケージの上端面にロウ材などの接着剤が塗布され、加熱可能なチャンバー内で上から荷重をかけながら加熱しロウ材などを溶融し、パッケージを圧着させる。そしてパッケージのスルーホールに、金・ゲルマニューム（Ａｕ/Ｇｅ）合金などの共晶金属を載せ真空中もしくは不活性ガス中のチャンバー内で、レ−ザー光を照射して高温ハンダが溶融されることでパッケージが封止される。
特開２００３−１５８４３９号公報

特許文献１に開示された封止方法は、パッケージ底部に形成されたスルーホールに、共晶金属を挿入し、レーザー光を照射して共晶金属を溶融し、スルーホールを封止している。しかし、封止方法は個別対応と成り量産性に問題があった。さらに、スルーホールの封止において、スルーホール体積に対し共晶金属の体積が大きすぎる場合は、溶融時にスルーホールから溢れ出た共晶金属が広がり、表面実装面上の電極配線間を短絡させるおそれがある。

またスルーホールの形成においてレーザー加工を採用した場合は、レーザーの入射面側に水晶の溶けだしによる盛り上がり（バリ）が発生しやすい。この状態でパッケージングされた圧電デバイスは実装面側の平坦度が悪くなり、表面実装の際に不具合が発生するおそれがある。

そこで本発明の目的は、スルーホールの体積に適合した体積の共晶金属の封止材をスルーホールに配置して、共晶金属を溶融しパッケージ内部の気密を保つ圧電デバイスの封止方法を提供することである。
また、パッケージの一部と水晶振動片とを水晶で一体的に形成するとともに、スルーホールの形成においてサンドブラスト加工、レーザー加工又はウェットエッチング加工を採用する。このような加工方法で形成されたスルーホールを、ウエハ単位で封止する封止方法を提供する。

第１の観点による圧電デバイスの封止方法は、貫通孔が複数形成されたベース基板を用意する工程と、貫通孔の少なくとも一つの体積を計測する計測工程と、体積より小さな体積を有する共晶金属を配置する工程と、共晶金属を溶融することにより貫通孔を封止する封止工程と、を備える。
この貫通孔の一つの体積を計測してその体積より小さな体積の共晶金属が貫通孔に配置されるため、共晶金属が溶けて貫通孔が封止しても溶けた共晶金属が貫通孔から溢れ出ることがない。

第２の観点による圧電デバイスの封止方法は、ベース基板、リッドが複数形成されたリッド基板、及び圧電振動片が複数形成された振動片用の基板の３枚の基板を大気中で接合する接合工程、を備え、封止工程は接合された３枚の基板に対して真空中又は不活性雰囲気中で封止する。
真空中又は不活性雰囲気中等のチェンバー内であれば作業性に制限があるが、封止工程では共晶金属を溶融するだけでよい。

第３の観点による圧電デバイスの圧電振動片は、音叉型の圧電振動片又はＡＴカットの振動片である。
第４の観点による圧電デバイスの接合工程は、陽極接合又はシロキサン結合である。

第５の観点による圧電デバイスの封止方法は、ベース基板は水晶基板であり、水晶基板に形成された貫通孔はウェットエッチングによって形成された一方の面側が三角形であり他方の面が六角形である孔であり、計測工程は、三角形又は六角形の一辺の長さを計測し、この一辺の長さとベース基板の厚みとに基づいて貫通孔の体積を算出する。
貫通孔の断面が六角形又は三角形であれば、その一辺を計測することで貫通孔の体積を求めるため、簡単に体積を算出することができる。

第６の観点による圧電デバイスの封止方法は、ベース基板に形成された貫通孔は、サンドブラスト、レーザー加工によって形成された一方の面が円形である孔であり、計測工程は、円形の直径を計測し、この直径とベース基板の厚みとに基づいて貫通孔の体積を演算する。
貫通孔の断面が円形であれば、その直径を計測することで貫通孔の体積を求めるため、簡単に体積を算出することができる。

第７の観点による圧電デバイスの封止方法において、レーザー加工によって貫通孔付近に形成されたバリは、エッチング又は研磨で削り取られる。
レーザー加工により貫通孔はバリが発生するため削り取って平坦化する。

第８の観点による圧電デバイスの封止方法において、貫通孔の内面には共晶金属との濡れ性に優れた金属被覆が設けられている。
そのため溶けた共晶金属は金属皮膜に沿って流れる。
第９の観点による圧電デバイスの封止方法は、共晶金属が球形に形成された金ゲルマニューム合金（ＡｕＧｅ）、金スズ合金（ＡｕＳｎ）、又は金シリコン（ＡｕＳｉ）合金を含む。

本発明の圧電デバイスは、スルーホールの体積に適した体積の共晶金属をスルーホールに配置し共晶金属を溶融するため、溶融時にスルーホールから溢れ出た共晶金属が広がる心配がなく、表面実装面上の電極配線間を短絡させるおそれもない。さらに、圧電デバイスは、リッド及びベース並びに振動片が全てウエハ単位で接合し、そのウエハに共晶金属を配置して同時に封止することができるため、大量に製造することができる。

＜第１実施形態；第１圧電デバイス１００の構成＞
図１は、本実施例の音叉型水晶振動片３０を備えた第１圧電デバイス１００の概略図を示している。音叉型水晶振動片３０は、基部２３及び振動腕２１を囲む外枠部２９を備え、一対の支持腕２２から延びる接続部２６により外枠部２９と接続し、水晶フレーム２０を形成した点にある。図１は、分割した状態の第１圧電デバイス１００を、リッド１０のリッド部側からみた斜視図である。

図１に示されるように、第１圧電デバイス１００は、最上部のリッド１０、水晶フレーム２０及びベース４０から構成される。リッド１０及びベース４０は水晶材料から形成される。水晶フレーム２０は、エッチングにより形成された音叉型水晶振動片３０を有している。

第１圧電デバイス１００は、音叉型水晶振動片３０を備えた圧電フレーム２０を中心に、その圧電フレーム２０の上にリッド１０が接合され、水晶フレーム２０の下にベース４０が接合されてパッケージ８０が形成されている。つまり、リッド１０は水晶フレーム２０に、ベース４０は水晶フレーム２０にシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）する構成になっている。

水晶フレーム２０は、その中央部にいわゆる音叉型水晶振動片３０と外側に外枠部２９とを有しており、音叉型水晶振動片３０と外枠部２９との間には空間部ＳＰが形成されている。音叉型水晶振動片３０の外形を規定する空間部ＳＰはウェットエッチングにより形成されている。音叉型水晶振動片３０は、外枠部２９と同じ厚さである。

図２（ａ）は、第１圧電デバイス１００を構成するリッド１０の内面図であり、（ｂ）は音叉型水晶振動片３０を有する水晶フレーム２０の上面図であり、（ｃ）はベース４０の上面図であり、（ｄ）は（ａ）から（ｃ）のＥ−Ｅ断面で第１圧電デバイス１００を示した断面構成図である。

図２（ａ）に示されるようにリッド１０は、リッド用凹部１７を水晶フレーム２０側の片面に有している。

図２（ｂ）に示される水晶フレーム２０は、音叉型水晶振動片３０と、外枠部２９と、支持腕２２と、接続部３６とから構成され、同じ厚さの水晶ウエハに一体に形成されている。音叉型水晶振動片３０は一対の振動腕２１と基部２３とからなる。

水晶フレーム２０は、外枠部２９と、基部２３と、支持腕２２と、接続部２６とに第１基部電極３１及び第２基部電極３２を備える。一対の振動腕２１は、表面、裏面及び側面に第１励振電極３３及び第２励振電極３４が形成されており、第１励振電極３３は第１基部電極３１につながっており、第２励振電極３４は第２基部電極３２につながっている。音叉型水晶振動片３０は、たとえば３２．７６８ｋＨｚで発振する振動片で、極めて小型の振動片となっている。

基部２３と一対の振動腕２１とで成す振動根元部及び基部２３と振動腕２１と支持腕２２とで成す２箇所の支持根元部の形状は、滑らかなＵ字形状をしている。音叉型水晶振動片３０は、音叉型水晶振動片３０と同様に振動腕２１及び支持腕２２の各幅並びに間隙を揃え、各根元部の形状を揃え、さらに各基部の長さを揃えることで、エッチングを行っても左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。

振動腕２１の先端付近は一定幅で幅広となりハンマー型の形状となっている。ハンマー型の形状部分は金属膜を備えた錘部を形成している。第１基部電極３１と第２基部電極３２及び第１励振電極３３と第２励振電極３４は、ともに、１５０オングストローム〜７００オングストロームのクロム（Ｃｒ）層の上に４００オングストローム〜２０００オングストロームの金（Ａｕ）層が形成された構成である。クロム（Ｃｒ）層の代わりに、チタン（Ｔｉ）層を使用してもよく、また金（Ａｕ）層の代わりに、銀（Ａｇ）層を使用してもよい。

一対の支持腕２２は、基部２３の一端から振動腕２１が伸びる方向（Ｙ方向）に伸びて接続部２６と外枠部２９とに接続している。一対の支持腕２２は、振動腕２１の振動を第１圧電デバイス１００の外部へ振動漏れとして伝えづらくさせ、またパッケージ外部の温度変化、または衝撃の影響を受けづらくさせる効果を持つ。

図２（ｃ）に示されるように、ベース４０は、ベース用凹部４７を水晶フレーム２０側の片面に有している。ベース４０は、エッチングによりベース用凹部４７を設ける際、同時に第１スルーホール４１と第２スルーホール４３と段差部４９とを形成する。ベース４０の表面には、第１接続電極４２及び第２接続電極４４を形成する。ベース４０の裏面には、第１外部電極４５及び第２外部電極４６を形成する。ベース４０は第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３並びに段差部４９を形成する。段差部４９には、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３と接続する第１接続電極４２及び第２接続電極４４を形成する。ベース４０の底部には、メタライジングされた第１外部電極４５及び第２外部電極４６が形成されている。

第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３は、その内面に金属膜１５が形成され、その内面の金属膜１５は、第１接続電極４２及び第２接続電極４４と同時にフォトリソグラフィ工程で作成される。内面の金属膜１５はクロム（Ｃｒ）層又はニッケル（Ｎｉ）層の上に金（Ａｕ）層又は銀（Ａｇ）層が形成される。内面に金属膜１５が形成されている。第１接続電極４２は、第１スルーホール４１を通じてベース４０の底面に設けた第１外部電極４５に接続する。第２接続電極４４は、第２スルーホール４３を通じてベース４０の底面に設けた第２外部電極４６に接続する。

外枠部２９の裏面に形成された第１基部電極３１と第２基部電極３２とは、それぞれベース４０の表面の第１接続電極４２及び第２接続電極４４に接続する。つまり、第１基部電極３１は第１外部電極４５と電気的に接続し、第２基部電極３２は第２外部電極４６と電気的に接続している。

図２（ｄ）の概略断面構成図で示されるように、第１圧電デバイス１００は，図２（ａ）に示されるリッド１０と（ｂ）に示される水晶フレーム２０と（ｃ）に示されるベース４０とを重ね合わせ、１個の圧電デバイスをシロキサン結合する前の図を示している。しかし実際の製造においては、図３に示されるように、１枚の振動片用の水晶ウエハＶＷに数百から数千の水晶フレーム２０と、１枚のリッド用水晶ウエハＬＷに数百から数千のリッド１０と、１枚のベース用水晶ウエハＢＷに数百から数千のベース４０とを用意し、それらをウエハ単位で接合して一度に数百から数千の圧電デバイスを製造する。

＜第１圧電デバイス１００の製造工程＞
図３は、リッド１０が形成されたリッド用水晶ウエハＬＷと、音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム２０が形成された振動片用の水晶ウエハＶＷと、ベース４０が形成されたベース用水晶ウエハＢＷとを重ね合わせる前の斜視図である。説明の都合上仮想線で、リッド用水晶ウエハＬＷにリッド１０が示され、振動片用の水晶ウエハＶＷに水晶フレーム２０が示され、ベース用水晶ウエハＢＷにベース４０が示されている。なお、振動片用の水晶ウエハＶＷに対しては、水晶フレーム２０と音叉型水晶振動片３０とが区別し易いように空間ＳＰが斜線で示されている。

重ね合わせる際には、すでにリッド１０のリッド用凹部１７は水晶エッチングで形成されている。また、ベース４０のベース用凹部４７が水晶エッチングで形成されており、さらに第１接続電極４２及び第２接続電極４４も形成されている。音叉型水晶振動片３０には第１基部電極３１及び第２基部電極３２並びに第１励振電極３３及び第２励振電極３４が形成されている。リッド用水晶ウエハＬＷ、振動片用の水晶ウエハＶＷ及びベース用水晶ウエハＢＷは、結合面を鏡面状態にしてプラズマ処理又はイオンビームを照射することにより、リッド用水晶ウエハＬＷ、振動片用の水晶ウエハＶＷ及びベース用水晶ウエハＢＷの結合面を活性化する。

結合面が活性化された夫々の水晶ウエハの大きさは例えば４インチ角である。また夫々の水晶ウエハにはオリエンテーションフラットが形成されているため、３枚の水晶ウエハを正確に位置合わせして重ね合わせる。リッド用水晶ウエハＬＷ、振動片用の水晶ウエハＶＷ及びベース用水晶ウエハＢＷの結合面は、位置合わせして重ね合わされた後、大気中で１００°Ｃから２００°Ｃ程度に加熱した状態で加圧する。これによりシロキサン結合で強固に結合しパッケージ８０を形成する。図２で説明したように、水晶ウエハ同士のシロキサン結合の際に、第１基部電極３１及び第２基部電極３２と第１接続電極４２及び第２接続電極４４ともしっかりと結合する。

パッケージ８０を形成後、真空中又は不活性雰囲気中で第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３の封止を行う。第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３の封止の際には、スルーホールの体積を計測する計測工程と、そのスルーホールに適した体積の共晶金属ボール７０を配置する工程とが行われる。これらの工程については後述する。

リッド用水晶ウエハＬＷ及びベース用水晶ウエハＢＷ並びに水晶フレーム２０が形成された振動片用の水晶ウエハＶＷの３枚が結合され、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３の封止されたウエハは、ダイジングソー又はレーザソーで切断して第１圧電デバイス１００が完成する。いわゆるパッケージングと電極の配線の接続とが同時に行うことができ、またウエハ単位で製造できるため、生産性を向上させることができる。

＜スルーホールの形状＞
図４は、ベース４０の底面を上にした第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３を示す拡大断面図である。図４では３種類のスルーホールが示されている。図４（ａ）は、断面が三角形と六角形とに形成されたスルーホールを示す断面図であり、（ｂ）は、サンドブラスト加工により形成されたスルーホールを示す断面図であり、（ｃ）は、レーザー加工により形成されたスルーホールの断面である。

図４（ａ）に示されるベース４０は、Ｚカットされたベース用水晶ウエハＢＷ（図３参照）で形成される。ベース用水晶ウエハＢＷのＡ面及びＢ面には、クロム（Ｃｒ）またはニッケル（Ｎｉ）などの耐食膜が形成される。そして、Ａ面の耐食膜に円形の開口が形成される。この開口からウェットエッチング材料が入り込みベース用水晶ウエハＢＷをエッチングする。これにより、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３が形成される。このときＺカットのベース用水晶ウエハＢＷのエッチング異方性から、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３のＡ面では３辺が長く３辺が短い六角形（ａ−１）の断面になる。Ｂ面は三角形の断面となる。

その後、ベース用水晶ウエハＢＷのＡ面及びＢ面から耐食膜を除去する。その後、ベース４０のＡ面には、第１外部電極４５及び第２外部電極４６が形成される。またベース４０のＢ面に第１接続電極４２及び第２接続電極４４が形成され、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３には金属膜１５が形成される。

図４（ｂ）に示されるベース４０は、サンドブラスト加工によって第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３が形成された例である。サンドブラスト加工ではベース用水晶ウエハＢＷの異方性は関係がない。ベース用水晶ウエハＢＷにマスク又はマスクレスで不図示のノズルからＡ面にサンドを吐出すると、Ａ面が大きな円形断面（ｂ−１）が、Ｂ面に小さな円形断面（ｂ−２）が形成される。その後洗浄されて、ベース４０のＡ面には、第１外部電極４５及び第２外部電極４６が形成される。またベース４０のＢ面に第１接続電極４２及び第２接続電極４４が形成され、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３には金属膜１５が形成される。

図４（ｃ）は、レーザー加工によって第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３が形成された例である。Ｚカットされたベース用水晶ウエハＢＷにフェムトレーザーなどのレーザー加工によって、円形であるスルーホールを形成する。レーザー加工を行うと、レーザーの入射面であるＡ面側に水晶の溶け出しにより高さＢのバリ（盛り上がり）４８が発生する。バリ４８はこの状態でパッケージングすると実装面側の平坦度が悪くなり、表面実装の際に不具合が発生するおそれがある。このためエッチング又はポリッシュ研磨加工でこのバリ４８を平坦に加工する。その後、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３に図４（ｃ）では描かれていない金属膜１５などが形成される。

＜スルーホールの封止の方法＞
第１第１圧電デバイス１００は、シロキサン結合によりパッケージ８０を形成後、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３に共晶金属ボール７０（図１参照）として共晶金属の金・ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金を配置し、真空中又は不活性ガス雰囲気中の真空リフロー炉で一定時間加熱されることで封止が行われる。

図５（ａ）及び（ｂ）は、第１スルーホール４１周辺の拡大図であり、（ａ）は共晶金属ボール７０が溶ける前、（ｂ）は共晶金属ボール７０が溶けて第１スルーホール４１が封止された状態を示した図である。第２スルーホール４３についても同様であるので第２スルーホール４３の説明は割愛する。

図５（ａ）に示されるように、シロキサン結合されたリッド１０、水晶フレーム２０及び第１圧電ベース４０は、上下を逆にして配置される。そして、上を向いた第１スルーホール４１に、金・ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金の共晶金属ボール７０が配置される。３５０度前後の真空リフロー炉内で共晶金属ボール７０が溶け始め、プレート冶具などが共晶金属ボール７０を押しつぶす。第１スルーホール４１に金属膜１５が形成されているので、溶けた共晶金属は金属膜１５に沿って流れ出す。つまり金属膜１５が濡れ性を向上させている。

共晶金属ボール７０が押しつぶされると、図５（ｂ）に示されるように、第１スルーホール４１内に共晶金属ボール７０が溶けて広がり第１スルーホール４１内を封止する。第１スルーホール４１は図４で示されたように各種の形状があり、またエッチング時間によってスルーホールの大きさが変わる。一方、共晶金属ボール７０の大きさにもばらつきがあり、上を向いた第１スルーホール４１に適切な大きさの共晶金属ボール７０を配置しなければ、第１スルーホール４１から溢れ出て第１外部電極４５に漏れ出てしまったり、第１スルーホール４１を完全に封止できなかったりすることがある。このため、適切な大きさの共晶金属ボール７０で第１スルーホール４１を封止する必要がある。

＜適切な大きさの共晶金属ボールによるスルーホールの封止＞
図６は、図４（ａ）で示されたＺカットのベース用水晶ウエハＢＷを用いて第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３を封止するためのフローチャートである。

図６のステップＳ３０２では、Ｚカットされた水晶ウエハに三角形又は六角形のスルーホールが複数形成されたベース用水晶ウエハＢＷと、振動片用の水晶ウエハＶＷと、リッド用水晶ウエハＬＷとがシロキサン結合されたパッケージ８０のウエハが用意される。ベース用水晶ウエハＢＷの厚みは予め計測されたり、Ｚカットされる際に適切な厚さで切断されたりしている。

ステップＳ３０４では、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３の体積を演算する。ウェットエッチングで形成された第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３は、１枚のベース用水晶ウエハＢＷ内ではほぼ同じ大きさであるから、一つ又は数個のスルーホールの体積を測定すれば、その他の多くのスルーホールも同じ体積とみなせる。このため、多くのスルーホールの中からランダムに一つのスルーホールがランダムに選ばれる。数個の平均を計算するため、数個のスルーホールが選ばれてもよい。

ステップＳ３０６では、ベース用水晶ウエハＢＷの第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の表面の三角形又は六角形の一辺の長さを計測する。図４（ａ）で示されたようにスルーホールの断面の六角形は正六角形ではないので長い辺の長さを計測することが望ましい。この計測はカメラ又は顕微鏡を使った画像処理によって行われる。また、ステップＳ３０２で示されたベース用水晶ウエハＢＷの厚みがすでに把握されている。そこで、ベース用水晶ウエハＢＷの厚みと三角形又は六角形の一辺の長さとに基づいて、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の体積を演算する。

ステップＳ３０８では、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の体積より小さな体積の共晶金属ボール７０を用意する。一般に共晶金属ボール７０の直径は、φ１８０ミクロン（μ）、φ２００μ、φ２２０μ及びφ２４０μなどがありこれらが分類されて販売されている。この販売されている分類に従って各直径の共晶金属ボール７０を用意しても良い。また、これらの各直径の共晶金属ボール７０も、販売段階では±５％程度の範囲で変動がある。このため、直径を計ることにより、例えばφ２００μの共晶金属ボール７０であれば、φ１９０μからφ１９５μの共晶金属ボール７０、１９５μからφ２００μの共晶金属ボール７０、２００μからφ２０５μの共晶金属ボール７０及び２０５μからφ２１０μの共晶金属ボール７０とさらに細かく分類して、各直径の共晶金属ボールを用意してもよい。このように分類されている共晶金属ボール７０から、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の体積より小さな体積で、且つ封止するに十分な共晶金属ボール７０を用意する。

ステップＳ３１０では、六角形の一辺が計測されたベース用水晶ウエハＢＷが用意される。このベース用水晶ウエハＢＷは、リッド用水晶ウエハＬＷ、ベース用水晶ウエハＢＷ及び振動片用の水晶ウエハＶＷの３枚がシロキサン結合してパッケージ８０になった状態である。そのベース用水晶ウエハＢＷに、ステップＳ３０８で用意された共晶金属ボール７０を配置する。上述したようにウェットエッチングで形成されたスルーホールは、１枚のベース用水晶ウエハＢＷ内ではほぼ同じ大きさであるから、何百ものスルーホールに用意された共晶金属ボール７０を一度に配置する。表面が六角形のスルーホールに対して、スルーホールの体積より小さな体積の共晶金属ボール７０は容易に収まりやすい。

ステップＳ３１２では、スルーホールに共晶金属ボール７０を配置したパッケージ８０が真空中又は不活性ガス雰囲気中の真空リフロー炉で一定時間所定の温度で加熱される。Ａｕ１２Ｇｅ合金の場合は、３５０°Ｃ〜３７０°Ｃの真空中もしくは不活性ガス中の不図示の真空リフロー炉に保持する。この共晶金属ボール７０は溶融しても表面張力で球の状態を維持していることが多いため、不図示のプレート冶具を使って共晶金属ボール７０を押しつぶされる。これにより共晶金属ボール７０が第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３に入り込む。スルーホールの体積よりも共晶金属ボール７０の体積が小さいため、プレートで共晶金属ボール７０を押しつぶした際にも、溶けた共晶金属ボール７０が外部に漏れ出ることはない。これによりパッケージ８０内が真空になった又は不活性ガスで満たされた第１圧電デバイス１００が完成する。

図７は、図４（ｂ）又は（ｃ）で示されたサンドブラスト加工又はレーザー加工のベース用水晶ウエハＢＷを用いて第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３を封止するためのフローチャートである。

図７のステップＳ４０２では、円形の第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３が複数形成されたベース用水晶ウエハＢＷと、振動片用の水晶ウエハＶＷと、リッド用水晶ウエハＬＷとがシロキサン結合されたパッケージウエハが用意される。ベース用水晶ウエハＢＷの厚みは予め計測されている。

ステップＳ４０４では、ベース用水晶ウエハＢＷの一つのスルーホールを特定する。直径を計測するサンドブラスト加工又はレーザー加工で形成されたスルーホールも、１枚のベース用水晶ウエハＢＷ内ではほぼ同じ大きさであるからである。直径の平均を計算するのであれば数個のスルーホールを選択する。

ステップＳ４０６では、第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の体積を演算する。サンドブラスト加工又はレーザー加工で形成されたスルーホールは円形であるから、その直径をカメラ又は顕微鏡を使った画像処理によって計測される。必要であれば、数個のスルーホールの直径を計測してその平均を計算するためにしても良い。

第１スルーホール４１又は第２スルーホール４３の体積を演算されたパッケージ８０は、図６で示されたＳ３０８の工程に移される。

＜第２実施形態；第２圧電デバイス１２０の構成＞
図８は、ＡＴ型水晶振動片６５を備えた第２圧電デバイス１２０の概略図を示している。一般的に、高周波数化に対応した圧電振動デバイスとして、ＡＴ型水晶振動片６５が利用されている。このＡＴ型水晶振動片６５は、水晶振動片の厚み方向の上下表面が、それぞれ対抗方向にすべるような振動により、高周波を発生させる。ＡＴ型水晶振動片６５の周波数は水晶振動片の厚さによって決まり、厚さと反比例の関係にある。

図８（ａ）は、第２圧電デバイス１２０の陽極接合を行う概略断面図であり、（ｂ）は、第２リッド１０Ａの正面図であり、（ｃ）は、第２水晶フレーム６０の正面図であり、（ｄ）は、第２ベース４０Ａの正面図である。パッケージ形成後、スルーホールの体積を計測する計測工程と、スルーホールに演算された体積より小さな体積の共晶金属ボール７０を配置する工程とは、第１圧電デバイス１００と同一のため説明を省く。

図８（ａ）は、第２圧電デバイス１２０のパッケージ接合に陽極接合を行う概略断面図である。第２圧電デバイス１２０は、第２水晶フレーム６０を中心として、第２水晶フレーム６０の下に第２ベース４０Ａが接合され、第２水晶フレーム６０の上にリッド用凹部１７Ａを備えた第２リッド１０Ａが接合されている。
図８（ｂ）及び（ｄ）に示される第２リッド１０Ａおよび第２ベース４０Ａは、パイレックス（登録商標）ガラス及びホウ珪酸ガラスなどのからなり、ナトリウムイオンなどの金属イオンを含有している。第２リッド１０Ａは、リッド用凹部１７Ａを第２水晶フレーム６０側の片面に有している。第２ベース４０Ａは、ベース用凹部４７Ａを第２水晶フレーム６０側の片面に有している。第２水晶フレーム６０は、水晶エッチングにより形成されたＡＴ型水晶振動片６５を有している。

図８（ｃ）に示される第２水晶フレーム６０の外枠部６１は、表面及び裏面に金属膜６３を備える。金属膜６３は、スパッタリングもしくは真空蒸着などの手法により形成する。金属膜６３は、アルミニュウム（Ａｌ）層より成り、アルミニュウム層の厚みは１０００Å〜１５００Å程度とする。

図８(ｄ)に示されるように、第２ベース４０Ａは、第１スルーホール４１Ａ及び第２スルーホール４３Ａがウェットエッチング加工、サンドブラスト加工又はレーザー加工で形成される。ガラスは等方性であり、これらの加工方法で形成されるスルーホールは円形となる。したがって、図７で示したようにスルーホールの直径を計測することでスルーホールの体積を求めることができる。

第２圧電デバイス１２０は、ＡＴ型水晶振動片６５を備えた第２水晶フレーム６０を中心として、リッド用凹部１７Ａを備えた第２リッド１０Ａ及びベース用凹部４７Ａを備えた第２ベース４０Ａを重ね、大気中で２００°Ｃから４００°Ｃに加熱しながら加圧し、第２リッド１０Ａの上面をマイナス電位に、外枠部６１の表面及び裏面の金属膜６３をプラス電位にして、直流電源９０を用いて４００Ｖの直流電圧を１０分間印加して陽極接合技術により接合しパッケージ８０Ａが形成される。

パッケージ８０Ａは、スルーホールの体積より多少体積の小さい共晶金属ボールによって、真空中又は不活性雰囲気中で第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３が封止される。第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３の封止されたパッケージ８０Ａは、ダイジングソー又はレーザソーで切断して第２圧電デバイス１２０が完成する。

なお、説明の都合上第２圧電デバイス１２０は、第２リッド１０Ａ、第２ベース４０Ａ及びＡＴ型水晶振動片６５を備えた第２水晶フレーム６０が単体で描かれているが、図３に描かれているようにウエハ単位で製造が行われる。ウエハ単位で製造できるため、生産性を向上させることができる。また、第２リッド１０Ａ及び第２ベース４０Ａがガラスではなく水晶材料を使用する場合には、ＡＴカットのリッド及びベースを用意し、それらを第２水晶フレーム６０とシロキサン結合を行うことができる。

以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。たとえば、本発明の音叉型圧電振動片３０を有する水晶フレームは、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。

また、実施例では共晶金属として共晶金属ボール７０にＡｕ１２Ｇｅ（溶融温度３６５°Ｃ）合金を用いた例で説明したが、金・スズ（Ａｕ２０Ｓｎ）合金（溶融温度２７８°Ｃ）及び金・シリコン（Ａｕ３．１５Ｓｉ）合金（溶融温度３６３°Ｃ）のいずれかを用いることができる。

本実施例の音叉型水晶振動片３０を備えた第１圧電デバイス１００の概略図である。 （ａ）はリッド１０の内面図であり、（ｂ）は音叉型水晶振動片３０を有する水晶フレーム２０の上面図であり、（ｃ）はベース４０の上面図であり、（ｄ）は（ａ）から（ｃ）のＥ−Ｅ断面を重ね合わせた断面構成図である。 リッド用水晶ウエハＬＷと、水晶ウエハＶＷと、ベース用水晶ウエハＢＷとを重ね合わせる前の斜視図である。 ベース４０の底面を上にした第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３を示す拡大断面図である。 （ａ）は共晶金属ボール７０が溶ける前、（ｂ）は共晶金属ボール７０が溶けて第１スルーホール４１が封止された状態を示した図である。 Ｚカットのベース用水晶ウエハＢＷに形成されたスルーホールを封止するためのフローチャートである。 ベース用水晶ウエハＢＷに形成された円形のスルーホールを封止するためのフローチャートである。 ＡＴ型水晶振動片６５を備えた第２圧電デバイス１２０の概略図である。

符号の説明

１０ … リッド、１０Ａ … 第２リッド
１５，６３ … 金属膜
１７，１７Ａ … リッド用凹部
２０ … 水晶フレーム
３０ … 音叉型水晶振動片
２１ … 振動腕
２３ … 基部
３１ … 第１基部電極、 ３２ … 第２基部電極
３３ … 第１励振電極、 ３４ … 第２励振電極
４０ … ベース、 ４０Ａ … 第２ベース
４１、４１Ａ … 第１スルーホール、４３，４３Ａ … 第２スルーホール
４２ … 第１接続電極、 ４４ … 第２接続電極
４５ … 第１外部電極、 ４６ … 第２外部電極
４７，４７Ａ … ベース用凹部
４８ … バリ
６０ … 第２水晶フレーム
６５ … ＡＴ型水晶振動片
７０ … 共晶金属ボール
８０，８０Ａ … パッケージ
９０ … 直流電源
１００ … 第１圧電デバイス
１２０ … 第２圧電デバイス
ＢＷ … ベース用水晶ウエハ
ＬＷ … リッド用水晶ウエハ
ＶＷ … 振動片用水晶ウエハ

Claims (9)

1. 圧電デバイスの封止方法であって、
   貫通孔が複数形成されたベース基板を用意する工程と、
   前記貫通孔の少なくとも一つの体積を計測する計測工程と、
   前記体積より小さな体積を有する共晶金属を前記貫通孔に配置する工程と、
   前記共晶金属を溶融することにより、前記貫通孔を封止する封止工程と、
   を備えることを特徴とする圧電デバイスの封止方法。
2. 前記ベース基板、リッドが複数形成されたリッド基板、及び圧電振動片が複数形成された振動片用の基板の３枚の基板を大気中で接合する接合工程、を備え、
   前記封止工程は、前記接合された３枚の基板に対して真空中又は不活性雰囲気中で封止することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの封止方法。
3. 前記圧電振動片は、音叉型の圧電振動片又はＡＴカットの振動片であることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの封止方法。
4. 前記接合工程は、陽極接合又はシロキサン結合であることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの封止方法。
5. 前記ベース基板は水晶基板であり、前記水晶基板に形成された貫通孔はウェットエッチングによって形成された一方の面側が三角形であり他方の面が六角形である孔であり、
   前記計測工程は前記三角形又は六角形の一辺の長さを計測し、この一辺の長さと前記ベース基板の厚みとに基づいて前記貫通孔の体積を演算することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電デバイスの封止方法。
6. 前記ベース基板に形成された貫通孔は、サンドブラスト、レーザー加工によって形成された一方の面が円形である孔であり、
   前記計測工程は、前記円形の直径を計測し、この直径と前記ベース基板の厚みとに基づいて前記貫通孔の体積を演算することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電デバイスの封止方法。
7. 前記レーザー加工によって前記貫通孔付近に形成されたバリは、エッチング又は研磨で削り取られることを特徴とする請求項６に記載の圧電デバイスの封止方法。
8. 前記貫通孔の内面には、前記共晶金属との濡れ性に優れた金属被覆が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電デバイスの封止方法。
9. 前記共晶金属が球形に形成された金ゲルマニューム合金（ＡｕＧｅ）、金スズ合金（ＡｕＳｎ）、又は金シリコン（ＡｕＳｉ）合金を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の圧電デバイスの封止方法。