JP2010157813A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発振周波数の変動を防止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を課題とする。
【解決手段】２個一対の圧電振動素子搭載パッドと、接合用導体パターンが設けられている基板体に圧電振動素子を搭載する圧電振動素子搭載工程と、基部と、基部の主面に設けられた枠部で凹部空間が形成され、基部には第１の孔部と、第１の孔部よりも小さい開口である第２の孔部により構成されている貫通孔が設けられている蓋体の枠部に形成されている接合膜と、基板体に設けられている接合用導体パターンと接合する蓋体接合工程と、貫通孔の第１の孔部と第２の孔部によって形成された段差部に封止板を配置し、段差部に設けられている封止用導体パターンと、封止板に設けられている封止膜とを陽極接合することで凹部空間内を気密封止する気密封止工程と、を含むものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスの製造方法に関するものである。

圧電デバイスの例の１つである圧電振動子について説明する。図５は、従来の圧電デバイスを示す断面図である。
図５に示すように、従来の圧電振動子２００は、基板体２１０、圧電振動素子２２０、蓋体２３０、封止材２４０とから主に構成されている。
基板体２１０の一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド２１１が設けられ、導電性接着剤２５０を前記圧電振動素子２２０が搭載されている。
また、基板体２１０の一方の主面の外周縁側には、接合用導体パターン２１２が設けられている。
前記基板体２１０の他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子２１３である電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子が形成されている。
前記蓋体２３０は、基部２３０ａと枠部２３０ｂによって構成されており、圧電振動素子２２０が内包できるように、基部２３０ａと枠部２３０ｂとで凹部空間２３１が形成されている。その凹部空間２３１を囲繞し、枠部２３０ｂの接合用導体パターン２１２と対向する箇所には、例えば、アルミニウム等の接合膜２３２が設けられている。
また、蓋体２３０には貫通孔２３３が設けられており、前記貫通孔２３３をロウ材等の封止材２４０にて気密封止する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。
ロウ材は、例えば、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）や銀ロウ（Ａｇ−Ｓｎ−Ｃｕ）等が用いられ、溶融する際には含有する溶剤がガスとして発生する

また、圧電デバイスの製造方法は、基板体２１０に設けられた圧電振動素子搭載パッド２１３に圧電振動素子２２０を搭載する圧電振動素子搭載工程と、前記蓋体２３０と、前記基板体２１０に設けられている前記接合用導体パターン２１２とを接合する蓋体接合工程と、蓋体２３０に設けられた前記貫通孔２３３に封止材２４０を配置し、レーザ等で封止材２４０を溶融することで前記凹部空間２３１内を気密封止する気密封止工程を具備している。
このような圧電デバイス２００は、基板体２１０の外部接続用電極端子２１３と電子機器等のマザーボードに設けられた圧電デバイス搭載パッド（図示せず）とを半田等の導電性接合材（図示せず）で接合することで表面実装される。

特開２００８−２８８６５４号公報

しかしながら、従来の圧電デバイスの製造方法では、気密封止工程の際に、貫通孔２３３内の溶融した封止材２４０が圧電振動素子２２０に付着し、圧電振動素子２２０の発振周波数が変動してしまうといった課題があった。
また、従来の圧電デバイスの製造方法の気密封止工程では、封止材２４０を溶融させるために、３００℃程度の温度を付与する必要があるため、封止材２４０が溶融されることで多くのガスが放出され、圧電振動素子２２０の発振周波数が変動してしまうといった課題もあった。
また、圧電デバイス２００の基板体２１０の外部接続用電極端子２１３と電子機器等のマザーボードに設けられた圧電デバイス搭載パッド（図示せず）とを半田等の導電性接合材（図示せず）で接合する際に、３００℃程度の温度を付与する必要があるため、封止材２４０からガスが放出され、圧電振動素子２２０の発振周波数が変動してしまうことがある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、発振周波数の変動を防止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を課題とする。

本発明の圧電デバイスの製造方法は、２個一対の圧電振動素子搭載パッドと接合用導体パターンが設けられている基板体の圧電振動素子搭載パッドに圧電振動素子を搭載する圧電振動素子搭載工程と、外部に向かって拡径し封止用導体パターンが表面に形成された貫通孔を有する基部とこの基部に設けられ接合膜が設けられた枠部とから構成される蓋体を、接合膜と接合用導体パターンとを接合することで前記基板体に接合する蓋体接合工程と、貫通孔内で止まる大きさの封止板を貫通孔内に配置し、封止用導体パターンと封止板の封止膜とを陽極接合で接合することで、圧電振動素子を囲む空間を気密封止する気密封止工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスの製造方法によれば、貫通孔内に封止板を配置し、陽極接合することで凹部空間内を気密封止することによって、従来の圧電デバイスのように封止材を使用することがなくなるので、気密封止工程の際に溶融した封止材が圧電振動素子に付着し、圧電振動素子の発振周波数が変動してしまうことを防止することができる。
また、本発明の圧電デバイスの製造方法では、気密封止工程の際に、封止用導体パターンと封止板の封止膜とを陽極接合している。よって、封止用導体パターンと封止膜の金属同士での接合のため、ガスは発生しないので、圧電デバイスの発振周波数が変動することを防ぐことができる。
また、本発明の圧電デバイスの基板体の外部接続用電極端子と電子機器等のマザーボードに設けられた圧電デバイス搭載パッド（図示せず）とを半田等の導電性接合材（図示せず）で接合する際に、３００℃程度の温度を付与しても、封止材を使用していないため、封止材からのガスの発生を防止することができる。よって、圧電振動素子の発振周波数が変動することを防止することができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電デバイスを圧電振動子として説明し、これに用いる圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。尚、図示した寸法を一部誇張して示している。

圧電デバイスの例の１つである、圧電振動子について説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る圧電振動子１００は、基板体１１０と圧電振動素子１２０と蓋体１３０と封止板１４０で主に構成されている。

圧電振動素子１２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板１２１に励振用電極１２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板１２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極１２２は、前記水晶素板１２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
このような圧電振動素子１２０は、その両主面に被着されている励振用電極１２２から延出する引き出し電極と後述する基板体１１０の主面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１１１ａ、１１１ｂとを、導電性接着剤１５０（図２参照）を介して電気的且つ機械的に接続することによって搭載される。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を圧電振動素子１２０の先端部１２３とする。

図１及び図２に示す基板体１１０は、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。
図１及び図２に示すように、基板体１１０の一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド１１１が設けられている。
また、基板体１１０の一方の主面には、その一方の主面の外周縁部を囲繞するように接合用導体パターン１１２が設けられている。
基板体１１０の他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子１１３が設けられている。
基板体１１０の内層には、例えば、圧電振動素子搭載パッド１１１（１１１ａ、１１１ｂ）と外部接続用電極端子１１３と電気的に接続する配線パターン（図示せず）等が設けられている。

接合用導体パターン１１２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等から設けられ、その厚みは、例えば、１０〜３０μｍとなっている。

図２に示すように、蓋体１３０は、基部１３０ａと枠部１３０ｂにより構成され、前記基部１３０ａと前記枠部１３０ｂで凹部空間１３１が形成されている。
また、その枠部１３０ａの基板体１１０に設けられた接合用導体パターン１１２と対応する位置には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の接合膜１３２が設けられている。
前記蓋体１３０の基部１３０ａには、貫通孔Ｋが設けられている。
前記貫通孔Ｋは、第１の孔部Ｋ１と、前記第１の孔部Ｋ１よりも小さい凹部空間１３１側開口である第２の孔部Ｋ２により構成されている。これにより、外部に向かって拡径する貫通孔Ｋが形成されている。
前記第１の孔部Ｋ１と前記第２の孔部Ｋ２によって形成された段差部１３３には、例えば、アルミニウム等の封止用導体パターン１３４が設けられている。
前記蓋体１３０は、例えばシリコン、ガラスなどからなる。
蓋体１３０は、所定雰囲気で、基板体１１０の接合用導体パターン１１１上に載置され、蓋体１３０の枠部１３０ａに設けられた接合膜１３２と接合用導体パターン１１１が陽極接合される。

封止板１４０は、例えばガラスからなり、例えばアルミニウム（Ａｌ）等からなる封止膜１４１が表面に形成されている。
封止膜１４１は、前記封止用導体パターン１３４と対向する位置に設けられている。
前記封止板１４０は、前記第１の孔部Ｋ１と前記第２の孔部Ｋ２によって形成された段差部１３３に配置され、前記封止板１４０の封止膜１４１と段差部１３３に設けられている封止用導体パターン１３４が真空雰囲気中で陽極接合される。

前記導電性接着剤１５０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記基板体１１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、圧電振動素子搭載パッド１１１、接合用導体パターン１１２、外部接続用電極端子１１３等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔（図示せず）内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

次に上述した圧電デバイスの製造方法について図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図であり、図３（ｃ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の気密封止工程を示す断面図である。

（圧電振動素子搭載工程）
図３（ａ）に示すように、圧電振動素子搭載工程は、２個一対の圧電振動素子搭載パッドと接合用導体パターンとが設けられている基板体の前記圧電振動素子搭載パッドに圧電振動素子を搭載する工程である。
前記基板体１１０の前記圧電振動素子搭載パッド１１１上に導電性接着剤１５０を塗布し、この圧電振動素子搭載パッド１１１に塗布された導電性接着剤１５０に圧電振動素子１２０の表面に形成した励振用電極１２２から延設した引き出し電極を付着させる形態で圧電振動素子１２０を搭載する工程である。

（蓋体接合工程）
図３（ｂ）に示すように、蓋体接合工程は、外部に向かって拡径し封止用導体パターンが表面に形成された貫通孔を有する基部とこの基部に設けられ、接合膜が設けられた枠部とから構成される蓋体を、前記接合膜と前記接合用導体パターンとを接合することで前記基板体に接合する工程である。

蓋体１３０は、所定雰囲気で、基板体１１０の接合用導体パターン１１２上に載置され、前記蓋体１３０の枠部１３０ａに設けられた前記接合膜１３２と前記接合用導体パターン１１２とを陽極接合により接合される。このときの温度は、約２００℃となっており、接合膜１３２と接合用導体パターン１１２のように金属同士を接合するので、ガスが発生しない。
前記蓋体１３０には、例えば、サンドブラスト加工方法やエッチング加工方法等を用いることで、貫通孔Ｋが形成されている。
前記貫通孔Ｋは、第１の孔部Ｋ１と、前記第１の孔部Ｋ１よりも小さい開口である第２の孔部Ｋ２により構成されている。

具体的には、蓋体１３０を圧電振動素子１２０が凹部空間１３１に納まるように、基板体１１０の一方の主面に配置する。このとき、枠部１３０ｂに設けられている接合膜１３２と接合用導体パターン１１２は接触している。その後、約２００℃程度に加熱すると同時に、蓋体１３０側を陰極、基板体１１０側を陽極として電圧をかけることによって、基板体１１０の接合用導体パターン１１２と蓋体１３０の接合膜１３２に電界が生じ、蓋体１３０側の陽イオンを基板体１１０側に強制的に拡散させ、静電引力を発生させることで接合する。
この蓋体接合工程で発生するガスは、貫通孔Ｋを介して外部に排出される。

（気密封止工程）
図３（ｃ）に示すように、気密封止工程は、記貫通孔内で止まる大きさの封止板を前記貫通孔内に配置し、封止用導体パターンと封止板の封止膜とを陽極接合で接合することで、圧電振動素子を囲む空間を気密封止する工程である。

封止板１４０は、ガラスにより構成されている。
封止板１４０を、前記貫通孔Ｋの第１の孔部Ｋ１と前記第２の孔部Ｋ２によって形成された段差部１３４に配置する。
このとき、封止板１４０に設けられている封止膜１４１と段差部１３３に設けられている封止用導体パターン１３４は接触している。その後、約２００℃程度に加熱すると同時に、封止板１４０側を陰極、蓋体１３０側を陽極として電圧をかけることによって、蓋体１３０の封止用導体パターン１３４と封止板１４０の封止膜１４１に電界が生じ、封止板１４０側の陽イオンを蓋体１３０側に強制的に拡散させ、静電引力を発生させることで接合する。

本発明の圧電デバイスの製造方法によれば、貫通孔Ｋ内に封止板１４０を配置し、陽極接合することで凹部空間１３４内を気密封止することによって、従来の圧電デバイスのように封止材を使用することがなくなるので、気密封止工程の際に溶融した封止材が圧電振動素子に付着し、圧電振動素子１２０の発振周波数が変動してしまうことを防止することができる。
また、本発明の圧電デバイスの製造方法では、気密封止工程の際に、封止用導体パターン１３４と封止板１４０の封止膜１４１とを陽極接合している。よって、封止用導体パターン１３４と封止膜１４１の金属同士での接合のため、ガスは発生しないので、圧電デバイスの発振周波数が変動することを防ぐことができる。
また、圧電デバイス１００の基板体１１０の外部接続用電極端子１１３と電子機器等のマザーボードに設けられた圧電デバイス搭載パッド（図示せず）とを半田等の導電性接合材（図示せず）で接合する際に、３００℃程度の温度を付与しても、封止材を使用していないため、封止材からのガスの発生を防止することができる。よって、圧電振動素子の発振周波数が変動することを防止することができる。

また、前記した実施形態の変形例について説明する。この変形例として、圧電デバイスを圧電発振器として説明する。
この圧電発振器は、図４に示すように、基板体１１０ａの他方主面に枠部１１０ｂを設けて第２の凹部空間１１４を形成した基板体１１０を用い、その第２の凹部空間１１４内に集積回路素子１６０を別個搭載した構造となっている。このような圧電発振器でも本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法と同様の効果を奏する。
また、内部に搭載する圧電振動素子１２０をフィルタとして機能させた圧電フィルタ等の、他の圧電素子を用いても良い。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
例えば、前記した本実施形態では、圧電振動素子を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図であり、（ｃ）は、本発明の圧電デバイスの製造方法の気密封止工程を示す断面図である。 本発明の他の実施形態を示す圧電デバイスの断面図である。 従来における圧電デバイスを示す断面図である。

符号の説明

１１０・・・基板体
１１１、１１１ａ、１１１ｂ・・・圧電振動素子搭載パッド
１１２・・・接合用導体パターン
１１３・・・外部接続用電極端子
１２０・・・圧電振動素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・先端部
１３０・・・蓋体
１３０ａ・・・基部
１３０ｂ・・・枠部
１３１・・・凹部空間
１３２・・・接合膜
１３３・・・段差部
１３４・・・封止用導体パターン
１４０・・・封止板
１４１・・・封止膜
１５０・・・導電性接着剤
１００・・・圧電デバイス
Ｋ・・・貫通孔
Ｋ１・・・第１の孔部
Ｋ２・・・第２の孔部

Claims (1)

1. ２個一対の圧電振動素子搭載パッドと接合用導体パターンが設けられている基板体の前記圧電振動素子搭載パッドに圧電振動素子を搭載する圧電振動素子搭載工程と、
   外部に向かって拡径し封止用導体パターンが表面に形成された貫通孔を有する基部とこの基部に設けられ接合膜が設けられた枠部とから構成される蓋体を、前記接合膜と前記接合用導体パターンとを接合することで前記基板体に接合する蓋体接合工程と、
   前記貫通孔内で止まる大きさの封止板を前記貫通孔内に配置し、封止用導体パターンと封止板の封止膜とを陽極接合で接合することで、圧電振動素子を囲む空間を気密封止する気密封止工程と、を含む圧電デバイスの製造方法。

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