JP2010183153A - 圧電振動子及びその製造方法並びに発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、多層構造の内部に設けられる配線パターンの設計の自由度を確保しつつ、ウエーハ状態での一括処理を行うことができ、従って製造効率を向上させることができる圧電振動子及びその製造方法並びに発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】 ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成することが可能なセラミックからなる基板２００上に形成された、圧電片２３０を搭載するための複数の搭載領域２１０に、圧電片２３０を搭載する搭載ステップを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子及びその製造方法並びに発振器に関する。

従来、圧電振動子の代表的なものとして、水晶を用いた種々の水晶振動子が開発されている。この水晶振動子は、例えば携帯電話機に搭載され、各回路が動作する際の基準となるクロック信号を生成する。

ところで、水晶振動子は、水晶片を収納し保護する容器の形状の違いによって、大きく分けて２種類のものが開発されている。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、かかる水晶振動子の構成の一例を示す分解斜視図である。すなわち、パッケージ２０に形成された凹型形状のキャビティ３０内に水晶片６０を搭載する水晶振動子１０（図７（Ａ））と、平板状のベースと呼ばれる基板１１０上に水晶片１４０を搭載する水晶振動子１００（図７（Ｂ））とがある。

具体的には、図７（Ａ）に示すように、水晶振動子１０は、水晶片６０を保護する容器として、凹型形状のキャビティ３０が形成されたパッケージ２０を使用する。このパッケージ２０は、例えば、１層目として、セラミックからなる平板を用意し、当該平板上に、２層目として、セラミックからなる枠を積層することにより、キャビティ３０を形成する。

このようにパッケージ２０に形成されたキャビティ３０の内底面上には、搭載パッド４０が配置され、当該搭載パッド４０と、水晶片６０の両面に形成された励振電極７０とは、導電性接着剤（図示せず）を介して接続されている。

パッケージ２０の上面には、メタライズ層（金属層）５０が形成され、リッド（蓋）８０の下面には、パッケージ２０の上面に形成されたメタライズ層（金属層）５０に対応するように、封止材９０が塗布されている。水晶振動子１０は、これらメタライズ層５０及び封止材９０を接合することにより形成されている。

一方、図７（Ｂ）に示すように、水晶振動子１００は、平板状のベースと呼ばれる基板１１０上に配置された搭載パッド１２０と、水晶片１４０の両面に形成された励振電極１５０とを、導電性接着剤（図示せず）を介して接続することにより、基板１１０上に水晶片１４０が搭載された構成を有する。

水晶片１４０を保護するカバーとしての役割を果たすキャップ１６０には、凹型形状のキャビティ１７０が形成され、基板１１０及びキャップ１６０は、水晶片１４０を収納するようにして、接合材１３０を介して接合されている。なお、基板１１０及びキャップ１６０は、いずれも例えばセラミックからなる。

特開２００７−３２４８５２号公報

ところで、近年では、水晶振動子の製造方法として、基板に予め形成された複数のキャビティに水晶片を一括して搭載し、陽極接合を用いて基板及び蓋を接合した後に個片化する、いわゆるウエーハ状態での一括処理による製造方法が提案されている。

しかし、かかる製造方法では、セラミックからなる基板を使用する場合、基板に複数のキャビティを形成した後に焼成すると、基板が収縮する。この場合、基板の位置によって収縮の度合いが異なることにより、キャビティの寸法にばらつきが生じるため、ウエーハ状態での一括処理を行う場合には、高精度な位置決めを行う必要があった。

かかる問題を解決するため、基板及び蓋の材料として、焼成の際に収縮の度合いが小さく、かつ、陽極接合を用いてウエーハ状態で基板及び蓋を接合することを考慮すると、イオン伝導性を有するガラスを使用することが提案されている。このガラスを用いて、セラミックの基板のような多層構造の内部に配線パターンを設けると、厚みがセラミックの場合と比較して厚くなるという問題があった。

しかし、基板及び蓋の材料としてガラスを使用すると、セラミックを使用する場合と比較して、異なる層間の接着や、異なる層間の導通を確保することが困難になり、複数の層を積層する際、配線パターンを自由に設計することができなくなるという問題があった。また、異なる層毎に形状を変化させてキャビティを形成することが困難になるという問題もあった。

本発明は、多層構造の内部に設けられる配線パターンの設計の自由度を確保しつつ、ウエーハ状態での一括処理を行うことができ、従って製造効率を向上させることができる圧電振動子及びその製造方法並びに発振器を提供することを目的とする。

本発明の一態様による圧電振動子の製造方法は、ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成することが可能なセラミックからなる基板上に形成された、圧電片を搭載するための複数の搭載領域に、前記圧電片を搭載する搭載ステップと、陽極接合によって、前記基板と、前記基板に対応するように形成されたガラスからなる蓋とを、金属膜を介して接合する接合ステップと、接合された前記基板及び前記蓋を個片化することにより、圧電振動子を形成する圧電振動子形成ステップとを備える。

また、本発明の一態様による圧電振動子は、ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成されたセラミックからなり、圧電片を搭載するための搭載領域を有する基板と、前記基板が有する前記搭載領域に搭載された圧電片と、陽極接合によって、前記基板と金属膜を介して接合されたガラスからなる蓋とを備える。

また、本発明の一態様による発振器は、ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成されたセラミックからなり、圧電片を搭載するための搭載領域を有する基板と、前記基板が有する前記搭載領域に搭載された圧電片と、陽極接合によって、前記基板と金属膜を介して接合されたガラスからなる蓋と、内部に発振回路が形成され、圧電片接続用電極を介して前記圧電片と電気的に接続されると共に、外部端子接続用電極を介して前記基板に設けられた外部接続端子と電気的に接続された半導体チップとを備える。

本発明の圧電振動子及びその製造方法並びに発振器によれば、多層構造の内部に設けられる配線パターンの設計の自由度を確保しつつ、陽極接合を用いてウエーハ状態での一括処理を行うことができ、従って製造効率を向上させることができる。

また、本発明の圧電振動子及びその製造方法並びに発振器によれば、加熱の際に、歪や応力が発生することを防止することができる。

また、本発明の圧電振動子及びその製造方法並びに発振器によれば、収容部を有する多層構造を容易に形成することができ、また厚さを薄くすることができる。

また、本発明の圧電振動子及びその製造方法並びに発振器によれば、蓋に収容部を形成する必要がなく、その分、基板及び蓋を接合する際に、位置決めを行う必要がなくなり、生産効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態による水晶振動子の製造方法における工程別素子の斜視図である。 同水晶振動子の断面構造を示す縦断面図である。 同水晶振動子の具体的な構成を示す分解斜視図及び縦断面図である。 同水晶振動子の製造方法を用いて製造された発振器の構成の一例を示す分解斜視図及び縦断面図である。 同水晶振動子の製造方法を用いて製造された発振器の構成の一例を示す縦断面図である。 同水晶振動子の製造方法を用いて製造された発振器の構成の一例を示す分解斜視図及び縦断面図である。 従来の水晶振動子の構成の一例を示す分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１（Ａ）〜（Ｃ）に、本発明の実施の形態による水晶振動子の製造方法を示す。まず図１（Ａ）に示すように、１層目として、平板状のベースと呼ばれる基板を用意する。この基板は、例えば、所定の基準温度より低い９００℃程度以下の低温で焼成することが可能な低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）からなる。この低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含む。

次いで、この基板上に、２層目として、低温同時焼成セラミックからなり、格子状に形成された枠２００Ａを積層して、凹型形状のキャビティ２１０を形成することにより、複数のキャビティ２１０を有する基板２００を形成する。なお、このキャビティ２１０は、水晶片２３０を搭載する搭載領域としての収容部に対応する。

このように、基板２００として低温同時焼成セラミックを使用すれば、従来のセラミックを使用する場合と比較して、キャビティ２１０を有する多層構造を容易に形成することができ、また厚さを薄くすることができる。

そして、複数のキャビティ２１０が形成された基板２００を低温で焼成する。この場合、基板２００として低温同時焼成セラミックを使用していることから、従来のセラミックのように、例えば、所定の基準温度を１５００℃程度として、この温度で焼成する場合と比較して、基板２００が収縮する度合いを低減することができる。従って、キャビティ２１０の寸法にばらつきが生じることがなく、ウエーハ状態での一括処理が可能となる。

なお、基板２００は、低温同時焼成セラミックによって形成されているため、加熱の際に、歪や応力が発生することはない。また、ガラスによって形成する場合と比較して、強度を向上させることができる。

その後、各キャビティ２１０の内底面上に、搭載パッド２２０を一括して形成する。そして、図１（Ｂ）に示すように、各キャビティ２１０に形成された搭載パッド２２０に、導電性接着剤（図示せず）を介して水晶片２３０を接着することにより、ウエーハ状態で複数の水晶片２３０を一括して搭載する。

図１（Ｃ）に示すように、スパッタ法によって、低温同時焼成セラミックからなる平板状の蓋２４０のうち、基板２００と接合される接合面に、基板２００を形成する格子状の枠２００Ａに対応するように、例えばアルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃｒ）などからなる金属膜（図示せず）を形成する。この金属膜は、基板２００を形成する枠２００Ａの上面に形成されても良い。

その後、真空又は窒素雰囲気下で、陽極接合によって、基板２００及びガラスからなる蓋２４０をウエーハ状態で接合する。これら基板２００及び蓋２４０を形成する低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含むことから、陽極接合が可能になる。このように、陽極接合によって、基板２００と、基板２００に対応するように形成された蓋２４０とを、金属膜（図示せず）を介して接合する。

本実施の形態の場合、基板２００に複数のキャビティ２１０を形成したことから、ガラスからなる蓋２４０にキャビティを形成する必要がなく、その分、基板２００及び蓋２４０を接合する際に、位置決めを行う必要がなくなり、生産効率を向上させることができる。

そして、接合された基板２００及びガラスからなる蓋２４０に対してダイシングを行って、個片化することにより水晶振動子を製造する。このようにして製造された水晶振動子の一例として、２層式の水晶振動子２５０を図２（Ａ）に示し、３層式の水晶振動子３００を図２（Ｂ）に示す。

図２（Ａ）に示すように、２層式の水晶振動子２５０は、１層目として、平板２６０Ａを用意し、２層目として、平板２６０Ａ上に枠２６０Ｂを積層することにより、平板２６０Ａ及び枠２６０Ｂからなる基板２６０とキャビティ２７０とを形成する。平板２６０Ａの上面のうち、露出している領域上には、水晶片２８０が搭載され、枠２６０Ｂの上面には、ガラスからなる蓋２９０が接合されている。

一方、図２（Ｂ）に示すように、３層式の水晶振動子３００は、１層目として、平板３１０Ａを用意し、２層目として、平板３１０Ａ上に枠３１０Ｂを積層し、３層目として、枠３１０Ｂ上に、当該枠３１０Ｂより短い幅を有する枠３１０Ｃを積層する。これにより、平板３１０Ａ並びに枠３１０Ｂ及び３１０Ｃからなる基板３１０と、階段状のキャビティ３２０とを形成する。

そして、枠３１０Ｂの上面のうち、露出している領域上には、水晶片３４０が搭載され、枠３１０Ｃの上面には、ガラスからなる蓋３５０が接合されている。

ここで図３（Ａ）及び（Ｂ）に、上述の製造方法によって製造された水晶振動子４００の具体的な構成を示す。この水晶振動子４００は、水晶片４５０を搭載する容器として、凹型形状のキャビティ４２０が形成された基板４１０を使用する。基板４１０は、低温同時焼成セラミックからなり、低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含む。このように、基板４１０は、ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成されたセラミックからなり、水晶片４５０を搭載するための搭載領域としてのキャビティ４２０を有する。

基板４１０に形成されたキャビティ４２０の内底面上には、搭載パッド４３０が配置され、当該搭載パッド４３０と、水晶片４５０の両面に形成された励振電極４６０とは、導電性接着剤４４０を介して接続されている。このようにして、水晶片４５０は、基板４１０が有するキャビティ４２０に搭載される。

蓋４７０は、ガラスからなる。また、基板４１０及び蓋４７０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やクロム（Ｃｒ）などからなる金属膜４８０を介して、陽極接合によって接合されている。

このように本実施の形態によれば、多層構造の内部に設けられる配線パターンの設計の自由度を確保しつつ、ウエーハ状態での一括処理を行うことができ、従って製造効率を向上させることができる。

ここで図４〜図６に、上述の製造方法を用いて製造された発振器の構成例を示す。以下、順に説明する。まず図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、発振器５００は、基板５１０のうち、表面側に凹型形状の第１のキャビティ５２０が形成されると共に、裏面側に凹型形状の第２のキャビティ５３０が形成された構成を有する。この基板５１０は、低温同時焼成セラミックからなり、低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含む。

第１のキャビティ５２０の内底面上には、導電性接着剤５４０を介して水晶片５５０が搭載され、当該水晶片５５０の両面に形成された励振電極５６０は、導電性接着剤５４０に接続されている。蓋５７０は、ガラスからなる。また、基板５１０及び蓋５７０は、陽極接合によって接合されている。

一方、第２のキャビティ５３０の内底面上には、例えばはんだボールからなる接続用電極５９０が設けられた半導体チップ５８０が搭載され、当該半導体チップ５８０は、その内部に発振回路が形成されている。また、基板５１０の裏面側には、外部接続端子６００が設けられている。

半導体チップ５８０は、接続用電極５９０のうち、水晶片接続用電極（すなわち圧電片接続用電極）を介して水晶片５５０と電気的に接続されると共に、外部端子接続用電極を介して外部接続端子６００と電気的に接続されている。

続いて、図５に示すように、発振器７００は、半導体チップ７３０及び水晶片７５０を搭載する容器として、凹型形状であって、かつ段部７２５を有するキャビティ７２０が形成された基板７１０を使用する。この基板７１０は、低温同時焼成セラミックからなり、低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含む。

キャビティ７２０の内底面上には、接続用電極７４０が設けられた半導体チップ７３０が搭載され、当該半導体チップ７３０は、その内部に発振回路が形成されている。段部７２５の表面上には、導電性接着剤７６０を介して水晶片７５０が搭載されている。

蓋７７０は、ガラスからなる。また、基板７１０及び蓋７７０は、陽極接合によって接合されている。また、基板７１０の裏面側には、外部接続端子７８０が設けられている。

半導体チップ７３０は、接続用電極７４０のうち、水晶片接続用電極（すなわち圧電片接続用電極）を介して水晶片７５０と電気的に接続されると共に、外部端子接続用電極を介して外部接続端子７８０と電気的に接続されている。

続いて、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、発振器８００は、水晶片８６０を搭載する容器として、凹型形状のキャビティ８３０が形成された基板８１０を使用し、半導体チップ８９０を搭載する容器として、凹型形状のキャビティ８４０が形成された基板８２０を使用し、これら基板８１０及び８２０が積層された構成を有する。基板８１０及び８２０は、低温同時焼成セラミックからなり、低温同時焼成セラミックは、イオン伝導性を有するガラスを含む。

基板８１０に形成されたキャビティ８３０の内底面上には、導電性接着剤８５０を介して水晶片８６０が搭載され、当該水晶片８６０の両面に形成された励振電極８６５は、導電性接着剤８５０に接続されている。蓋８７０は、ガラスからなる。また、基板８１０及び蓋８７０は、陽極接合によって接合されている。また、基板８１０の裏面側には、外部接続端子９００が設けられている。

一方、基板８２０に形成されたキャビティ８４０の内底面上には、接続用電極８８０が設けられた半導体チップ８９０が搭載され、当該半導体チップ８９０は、その内部に発振回路が形成されている。また、基板８２０の表面側には、外部接続端子９１０が設けられ、裏面側には、外部接続端子９２０が設けられている。

半導体チップ８９０は、接続用電極８８０のうちの水晶片接続用電極（すなわち圧電片接続用電極）、外部接続端子９００及び９１０を順次介して水晶片８６０と電気的に接続されると共に、接続用電極８８０のうち、外部端子接続用電極を介して外部接続端子９２０と電気的に接続されている。

なお、上述の実施の形態は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、前記の実施の形態においては、キャビティ２１０が形成された基板２００と、平板状の蓋２４０とを陽極接合する場合について述べたが、平板状の基板とキャビティが形成された蓋とを陽極接合しても良い。

また、上述の実施の形態においては、水晶片２３０が搭載された水晶振動子を製造したが、例えば圧電セラミックなど、他の種々の圧電片が搭載された圧電振動子を製造するようにしても良い。

また、上述の実施の形態においては、基板として、低温同時焼成セラミックからなる基板２００を適用したが、ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成することが可能なセラミックからなる他の種々の基板を適用するようにしても良い。

２００、４１０，５１０、７１０、８１０、８２０ 基板
２１０、４２０、５２０、５３０、７２０、８３０、８４０ キャビティ
２２０、４３０ 搭載パッド
２３０、４５０、５５０、７５０、８６０ 水晶片
２４０、４７０、５７０、７７０、８７０ 蓋
４００ 水晶振動子
４８０ 金属膜
５００、７００、８００ 発振器
５８０、７３０、８９０ 半導体チップ
５９０、７４０、８８０ 接続用電極
６００、７８０、９００、９１０、９２０ 外部接続端子

Claims (3)

1. ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成することが可能なセラミックからなる基板上に形成された、圧電片を搭載するための複数の搭載領域に、前記圧電片を搭載する搭載ステップと、
   陽極接合によって、前記基板と、前記基板に対応するように形成されたガラスからなる蓋とを、金属膜を介して接合する接合ステップと、
   接合された前記基板及び前記蓋を個片化することにより、圧電振動子を形成する圧電振動子形成ステップと
   を備えることを特徴とする圧電振動子の製造方法。
2. ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成されたセラミックからなり、圧電片を搭載するための搭載領域を有する基板と、
   前記基板が有する前記搭載領域に搭載された圧電片と、
   陽極接合によって、前記基板と金属膜を介して接合されたガラスからなる蓋と
   を備えることを特徴とする圧電振動子。
3. ガラスを含み、所定の基準温度より低い温度で焼成されたセラミックからなり、圧電片を搭載するための搭載領域を有する基板と、
   前記基板が有する前記搭載領域に搭載された圧電片と、
   陽極接合によって、前記基板と金属膜を介して接合されたガラスからなる蓋と、
   内部に発振回路が形成され、圧電片接続用電極を介して前記圧電片と電気的に接続されると共に、外部端子接続用電極を介して前記基板に設けられた外部接続端子と電気的に接続された半導体チップと
   を備えることを特徴とする発振器。