JP2010246001A - 電子部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合部からのろう材の飛散や溢れ出しを防止すると共に、接合強度を安定化させた電子部品及びその製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の電子部品は、第１の被接合部材と第２の被接合部材とを、互いの接合面に夫々第１の金属メタライズ、第２の金属メタライズを施すと共に、第１の金属メタライズと第２の金属メタライズとをロウ材を挟んで接合してなり、ロウ材がＩｎであり、接合部が金属メタライズとＩｎとの拡散により形成された共晶合金であり、第１の金属メタライズの幅をｌ１とし、第２の金属メタライズの幅をｌ２とし、ロウ材の幅をｌ３とし、ロウ材の側面から突出した第１の金属メタライズの側面の長さをＬ１とし、ロウ材の側面から突出した第２の金属メタライズの側面の長さをＬ２としたとき、ｌ３＜ｌ１＜ｌ２、Ｌ１＜Ｌ２、の関係を満足することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電振動子等の電子部品に関し、特に複数の基材を共晶合金を用いて気密的に接合封止してなる電子部品およびその製造方法に関するものである。

従来、電子部品の実装に用いる半田材として、Ｓｎ（錫）とＰｂ（鉛）の共晶合金がある。この共晶半田は６２Ｓｎ−３８Ｐｂ（ｗｔ％）組成からなり、共晶点の溶融温度が１８３度でリフロー用として電子部品の実装に用いられていた。しかし、このような共晶合金を用いた電子機器が廃棄された場合、有害な鉛が酸性雨などにより地下水又は河川へ溶出して汚染する土壌汚染及び水質汚染の問題が生じていた。そこで近年、環境保護の観点から鉛を含まない所謂、鉛フリー半田が着目されている。

特許文献１には、鉛フリー半田であるＳｉ−Ａｕからなる共晶合金を用いて複数の基板を接合してなる水晶振動子が開示されている。図１３に示すように、振動子用水晶の両主面側に保持用水晶を接合してなる水晶振動子において、振動子用水晶１０１の両主面外周の下地電極（Ｃｒ−Ａｕ）１１１ａ，１１１ｂと、前記振動子用水晶１０１に対向する面側の保持用水晶１０２ａ，１０２ｂの外周の下地電極（Ｃｒ−Ａｕ）１１１ｃ，１１１ｄとに夫々形成した共晶合金（Ｓｉ−Ａｕ）からなる第１接合部１１３ａ，１１３ｂと第２接合部１１３ｃ，１１３ｄとを当接させて、共晶合金を３８５度（水晶α―β転位温度５７３度より低い温度）で加熱溶融することにより前記第１接合部１１３ａ，１１３ｂと第２接合部１１３ｃ，１１３ｄとを接合して３層構造の水晶振動子を構成することが開示されている。

図１４は特許文献２に開示された圧電素子容器の部分断面図であって、セラミック基板１２１上にキャップ１２２を半田１２３を用いて接合して封止するにあたり、セラミック基板１２１の外周に形成した第１メタライズリング１２４の内側の縁がキャップ１２２の封止面に形成した第２メタライズリング１２５の内側の縁よりも外側にした圧電素子容器が開示されている。

図１５は特許文献３に開示された気密容器であって、凹部１３８を有する容器１３６とガラスリッド１３１とをろう材である半田１３３を用いて接合して気密封止するにあたり、ガラスリッド１３１の封止面に設けた第１メタライズリング１３２の表面に形成した半田リング１３３を容器１３６の封止面に形成した第２メタライズリング１３７を当接したとき、半田が容器１３６の内側に飛散したり、流れ出ないようにガラスリッド１３１の第１メタライズリング１３２の内側に隙間１３５を介して第３メタライズリング１３４を形成した気密容器が開示されている。

図１６は特許文献４に開示されたセラミックパッケージであって、凹部１４６を有するセラミック製容器１４２とセラミック製蓋１４１の双方の封止面に半田メタライズ１４５，１４５′を形成するとともに、少なくともどちらか一方の半田メタライズの内側に溝１４８を設けることにより、凹部１４６内への半田の流出を防止したセラミックパッケージが開示されている。

図１７は特許文献５に開示された圧電デバイスであって、以下のような圧電デバイス用容器が開示されている。パッケージ１５７の上端に予めメタライズ部１８２が形成されており、パッケージ側の下から上の順にタングステン１８２ａ、ニッケル１８２ｂ、金１８２ｃの各層が形成されている。この他にモリブデン１８２ａ、ニッケル１８２ｂ、金１８２ｃの層構造とすることもできる。またコバール製の蓋体１４０の少なくとも接合面にはニッケル層１８３ａの表面に金層１８３ｂがメッキされたメッキ層１８３が形成されている。パッケージ１５７と蓋体１４０の両方の接合面には金が露出している。パッケージ１５７と蓋体１４０とを加熱チャンバー内等に収容して、金とゲルマニウムからなる共晶合金Ａｕ−Ｇｅのろう材１８４を用いて、当該ろう材（Ａｕ−Ｇｅ）１８４を加熱することにより溶融させて接合している。

特開２００１−１１９２６４号公報 特開平７−２２８８８号公報 特開昭５２−２２４９３号公報 特開昭５３−７１７２号公報 特開２００８−７２７０５号公報

しかしながら、特許文献１乃至５には次のような問題がある。
特許文献１では、水晶振動子用水晶の両主面外周と保持用水晶の対向する面の外周に共晶合金を形成させているが、接合時に両水晶基板のアライメントがずれると接合領域が一致せず接合領域が少なくなってしまうため、接合強度の劣化を招き、接合信頼性の低下による気密性の確保が困難となる問題があった。さらに積層させた共晶合金を融解させて接合するプロセスの場合、お互いの接合部のアライメントがずれると共晶組成にバラツキが生じるため、容器の気密信頼性が低下するという問題があった。従って、本構造では、位置ズレしないような高精度な装置が必要となりコスト高となってしまう。

特許文献２では、下地膜と低融点金属層が同面積で形成されているため、接合時にろう材がウェハ面に溢れ出てしまう。溢れ出したろう材はメタライズパターン以外に付着すると密着強度がないため、簡単に剥がれ落ちて電極間ショートや圧電デバイスの発振不良等の要因となる問題があった。

特許文献３では、ガラスリッドのメタライズリングよりも容器のメタライズリングのリング幅が広く、加熱により容器のメタライズリングの全面にろう材である半田が流れ出ると共晶合金である半田の組成が変化してしまい、それに伴って接合信頼性が劣化してしまうという問題があった。

特許文献４では、セラミック表面に溝を形成しなければならず、製造の煩雑性の問題があった。
特許文献５では、パッケージ１５７と蓋体１４０の両方の接合面には金が露出しており、ろう材である共晶合金Ａｕ−Ｇｅが加熱により溶融したとき、夫々の接合面の前記金と拡散を起こし、Ａｕ−Ｇｅの組成比率が変化してしまい、それに伴って接合信頼性が劣化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、接合部からのろう材の飛散や溢れ出しを防止すると共に、接合強度を安定化させた電子部品及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕第１の被接合部材と第２の被接合部材とを、互いの接合面に夫々第１の金属メタライズ、第２の金属メタライズを施すと共に、前記第１の金属メタライズと前記第２の金属メタライズとをロウ材を挟んで接合してなる電子部品であって、前記ロウ材がＩｎであり、接合部が前記金属メタライズと前記Ｉｎとの拡散により形成された共晶合金であり、前記第１の金属メタライズの幅をｌ１とし、前記第２の金属メタライズの幅をｌ２とし、前記ロウ材の幅をｌ３とし、前記ロウ材の側面から突出した前記第１の金属メタライズの側面の長さをＬ１とし、前記ロウ材の側面から突出した前記第２の金属メタライズの側面の長さをＬ２としたとき、ｌ３＜ｌ１＜ｌ２、Ｌ１＜Ｌ２、の関係を満足することを特徴とする電子部品。

これによれば、低融点金属層が下地膜及び接合用金属膜の間で接合されるため、固相−液相相互拡散接合によりパッケージ接合面は常に同一の組成比となり目標とする金属組成の共晶金属が得られる。このため接合部からのろう材の飛散や溢れ出しを防止し、パッケージの接合強度を安定化させることができる。また上層の低融点金属層が下地膜以外に濡れ広がって剥がれ落ちパッケージ内の励振電極に付着することがなく振動体の発振精度を安定化させることができる。

〔適用例２〕前記Ｌ２と前記Ｌ１の差分をＬ３としたとき、前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との接合誤差ΔＬが、ΔＬ≦Ｌ３を満足することを特徴とする適用例１に記載の電子部品。

これによれば、低融点金属層が下地膜及び接合用金属膜の間で十分な拡散領域を確保することができる。このため目標とする金属組成の共晶金属が得られて接合強度を安定化させることができる。また上層の接合膜が下地膜以外に濡れ広がって剥がれ落ちパッケージ内の励振電極に付着するという不具合がなくなり振動片の発振精度を安定化させることができる。

〔適用例３〕前記第１及び第２の被接合部材は、一方が電子素子を収容する容器であり、他方が当該容器の開口部を封止するリッドであることを特徴とする適用例１又は２に記載の電子部品。
これによれば、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の共晶点は約５００度となり、気密性の劣化のおそれがなく、高精度な２層積層構造の電子部品が得られる。

〔適用例４〕前記被接合部材は、３つの部材からなり、第１の被接合部材が電子素子層であり、第２及び第３の被接合部材が前記電子素子層の上下面を夫々保持する第１のケースと第２のケースであることを特徴とする適用例１又は２に記載の電子部品。

これによれば、第１接合で形成された共晶結合は接合温度よりも高くなっているため、第２接合又はリフロー等の熱処理などの後工程を行う際、加熱により第１接合が溶解することがなく気密性の劣化のおそれがなく、高精度な３層積層構造の電子部品が得られる。

〔適用例５〕前記金属メタライズの少なくとも表面層がＡｕであることを特徴とする適用例１乃至４の何れか１項に記載の電子部品。
これによれば、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の共晶点は約５００度となり、共晶合金に悪影響を与えることなく電子部品をリフローを用いてプリント配線基板上などに実装することができる。

〔適用例６〕前記共晶合金のＩｎの含有比率が３６．８以上５３．８ｗｔ％以下であることを特徴とする適用例５に記載の電子部品。
これによれば、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の結晶粒を極めて小さくした緻密な構造を実現できるので、接合信頼性を格段に向上させることができる。

〔適用例７〕前記共晶合金を構成するＡｕとＩｎの組成比率がＡｕ：Ｉｎ＝４６．２：５３．８（ｗｔ％）であることを特徴とする適用例５又は６に記載の電子部品。
これによれば、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の結晶粒が極めて小さく緻密な構造を実現できるので、接合信頼性を高く安定化させることができる。

〔適用例８〕前記共晶合金がＡｕ−Ｉｎ_２であることを特徴とする適用例５乃至７の何れか１項に記載の電子部品。
これによれば、共晶合金が最も結晶的に安定化させることができる。

〔適用例９〕本発明の電子部品の製造方法は、適用例１乃至９の何れか１例に記載の電子部品の製造方法であって、何れか１つの被接合部材の金属メタライズの表層にロウ材からなる層を形成する工程と、前記被接合部材の互いの接合面を対向させて積層させる積層体を作る工程と、前記ロウ材が溶融する温度で前記積層体を加熱加圧し、前記ロウ材を前記メタライズ層の中へ拡散させることによって、互いの接合面同士を接合する工程と、を含むことを特徴としている。

これによれば、第２接合部を形成する工程では、第１接合部と同一材料、同一条件で行なうことができる。また第２基板の接合の前に振動体の発振周波数調整を行なうことができる。さらに第１接合で形成された共晶結合は接合温度よりも高くなっているため、第２接合又はリフロー等の熱処理などの後工程を行う際、加熱により第１接合が溶解することがなく気密性の劣化のおそれがなく、高精度な電子部品の製造が可能となる。

本発明に係る電子部品の一実施例である圧電振動子を第１保持基板の斜め上方から見た分解斜視図である。 圧電振動子の第２保持基板の斜め下方から見た分解斜視図である。 本発明に係る電子部品の一実施例である圧電振動子の側面から見た模式図である。 本発明に係る圧電振動子の製造方法の説明図であって、（ａ）は第１接合部の接合前の配置状態の断面図、（ｂ）は周波数調整の説明図、（ｃ）は積層体の断面図である。 Ａｕ−Ｉｎ共晶合金を形成するプロセスを示した部分拡大図である。 ＡｕとＩｎの平衡状態図である。 ＴＬＰ接合により形成されたＡｕ−Ｉｎ共晶合金の図である。 ＡｕとＩｎの平衡状態図である。 本発明に係る電子部品の変形例の説明図であって、（ａ）は第１の変形例を示す断面図、（ｂ）は第２の変形例を示す断面図である。 圧電振動子の変形例の断面図である。 第１接合部の一部の断面拡大図である。 接合部の説明図である。 従来の水晶振動子の構成概略図である。 従来の圧電素子容器の部分断面図である。 従来の気密容器の説明図である。 従来のセラミックパッケージの説明図である。 従来の圧電デバイスの説明図である。

本発明の電子部品及びその製造方法の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。なお本実施形態の圧電デバイス用パッケージは、一例として圧電振動子を用いて以下説明する。

図１は本発明に係る電子部品の一実施例である圧電振動子を第１保持基板の斜め上方から見た分解斜視図である。図２は前記圧電振動子の第２保持基板の斜め下方から見た分解斜視図である。図３は本発明に係る電子部品の位置実施例である圧電振動子の側面から見た模式図である。

本発明に係る圧電振動子１０は、振動体基板２０と、当該振動体基板２０の両主面を夫々保持する第１保持基板３０と、第２保持基板４０と、第１接合部５０と、第２接合部６０を主な構成要素としている。

被接合部材となる振動体基板２０は、振動体２１と、この振動体２１外周と所定間隔を隔てて振動体２１を囲む枠体２２とから構成されている。振動体２１と枠体２２とは連結部２３Ａ，２３Ｂを介して一体形成されている。なお本実施形態の振動体２１は、枠体２２よりも薄肉に形成されており、連結部２３Ａ，２３Ｂはテーパ状に形成している。振動体２１を中心として連結部２３Ａと対角線上に位置する枠体２２には突出部２４を形成している。連結部２３Ａと突出部２４の裏面（第２保持基板４０側）には、一対の接続電極２５Ａ，２５Ｂが形成されている。振動体２１の表裏面には、一対の励振電極２６Ａ，２６Ｂが対向して形成されている。励振電極２６Ａ，２６Ｂは夫々引き回し電極２７Ａ，２７Ｂを介して振動体基板２０の裏面に対角線上に形成した接続電極２５Ａ，２５Ｂと電気的に接続している。

なお実施形態に係る振動体基板２０は、一例として平板状のＡＴカット水晶基板を用いて説明するが、振動体基板２０は水晶以外にもタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料、シリコン半導体などの半導体材料、またはその他絶縁体材料などを適用することが可能である。

被接合部材となる第１及び第２保持基板３０，４０は、材質に水晶、ガラス或いはセラミック基板を用いることができる。第１及び第２保持基板３０，４０は、熱膨張係数差による内部応力を回避するために振動体基板２０と同質の材料を用いることが好ましい。第１保持基板３０は、前記振動体基板２０の上面を覆う平板基板である。第２保持基板４０は、前記振動体基板２０の下面を支持する平板基板である。第２保持基板４０は、振動体基板２０の下面に形成した接続電極２５Ａ，２５Ｂと対向する位置に貫通孔４２Ａ，４２Ｂが形成されている。貫通孔４２Ａ，４２Ｂは内部に金属被膜が形成されている。第２保持基板４０の下面には、外部電極４４Ａ，４４Ｂが形成されている。外部電極４４Ａ，４４Ｂは貫通孔４２Ａ，４２Ｂを介して接続電極２５Ａ，２５Ｂと電気的に接続させている。

図１０は圧電振動子の変形例の断面図である。図示のように圧電振動子１０ａは、振動板基板２０の振動体２１と枠体２２は同じ板厚に形成し、第１及び第２保持基板３０、４０は振動体２１と対向する面を凹状に形成し、キャビティ空間を形成する構成としてもよい。

本発明において、第１及び第２接合部５０，６０は、接合する２つの端子電極の間に配置した金属ロウ材やインサート金属を一時的に溶融・液化した後、前記端子電極の金属の中へ前記金属ロウ材を拡散させて等温凝固することにより接合させる方法、所謂、液相拡散接合法（以下、ＴＬＰ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ）接合と称す）を採用している。

第１及び第２接合部５０，６０は、ＴＬＰ接合により形成された共晶合金である。本実施形態では一例として、第１及び第２接合部５０，６０にＡｕ−Ｉｎ共晶合金を形成している。第１接合部５０は、振動体基板２０と第１保持基板３０の間に形成する膜である。第２接合部６０は、振動体基板２０と第２保持基板４０の間に形成する第１接合部５０と同質の膜である。

図１１は、第１接合部の一部の断面拡大図である。図示のように第１接合部５０は、第１被接合部材となる第１保持基板３０の下面に形成した下地膜（金属メタライズ）５２０及び低融点金属層（ロウ材）５４０と、第２被接合部材となる振動体基板２０の上面に形成した接合用金属膜５６０から構成されている。

具体的に下地膜５２０は、まず第１保持基板３０に水晶基板と密着性の高いＣｒ層５１を形成し、その後Ａｕとの密着性も高いＣｒ層５１の上にＡｕ層５２を積層させて形成してなる２層構造を有する。

低融点金属層５４０は、Ａｕ（融点：１０６４度）よりも融点の低いＩｎ（インジウム、融点：１５６度）を用い、Ｉｎ層５５を下地膜５２０の最上層であるとなるＡｕ層５２の表面上に積層させて形成することができる。

接合用金属膜５６０は、前記下地膜５２０と同様に、まず振動体基板２０の上面に水晶基板と密着性の高いＣｒ層５４を形成し、その後Ａｕとの密着性も高いＣｒ層５４の上にＡｕ層５３を積層させて形成してなる２層構造を有する。

なお第２接合部６０も同様に、第１被接合部材となる第２保持基板４０の上面に形成した下地膜５２０及び低融点金属層５４０と、第２被接合部材となる振動体基板２０の下面に形成した接合用金属膜５６０から構成されている。

図５はＡｕ−Ｉｎ共晶合金を形成するプロセスを示した部分拡大図である。具体的に両基板の接合面を重ね合わせて積層体を形成すると、第１接合部５０は、図示のように上からＣｒ層５１、Ａｕ層５２、Ｉｎ層５５、Ａｕ層５３、Ｃｒ層５４の積層構造となる。そしてＩｎ層５５の融点（約１５６度）以上の温度、例えば２００度で加熱加圧することにより、Ａｕ層５２、５３間のＩｎ層５５を溶融して、ＩｎをＡｕ層５２、５３中へ拡散させることにより共晶反応を引き起こし、共晶合金であるＡｕ−Ｉｎを形成させる。このとき、Ａｕ層５２のＩｎ層５５は拡散により共晶合金化されているので、振動体基板ウェハ２００上のＣｒ層５４と第１基板ウェハ３００上のＣｒ層５１との間にはＡｕ−Ｉｎ共晶合金のみが存在する。

図１２は接合部の説明図である。第１及び第２接合部５０，６０は、下地膜５２０（第１の金属メタライズ）の幅をｌ１、長さをｌ′１（図１２の断面図と直交する方向）、下地膜５２０のＡｕ層５２の厚みをｔ１とし、接合用金属膜５６０（第２の金属メタライズ）の幅をｌ２、長さをｌ′２、接合用金属膜５６０のＡｕ層５３の厚みをｔ２とし、低融点金属層５４０（ロウ材）の幅をｌ３、長さをｌ′３、層の厚みをｔ３とする。

下地膜５２０の幅ｌ１と接合用金属膜５６０の幅ｌ２を同じに設定すると、形成する共晶合金の共晶組成の関係から同じ層の厚みに設定することができるため、目的とする共晶組成が得られ易い。しかし、ｌ１とｌ２を同じ幅に設定した第１保持基板と第２保持基板を接合する際、位置ズレが生じると、低融点金属層５４０が第２保持基板の接合用金属膜５６０と接触しない箇所が発生してしまう場合がある。そうすると、一部共晶結合が生じない箇所が発生して目的とする共晶組成が得られず、接合強度が安定化しないことがある。また第１保持基板の低融点金属層５４０が剥がれ落ちてパッケージ内の振動体の励振電極に付着して発振精度が安定化しないという問題が生じる。

そこで本発明の圧電デバイス用パッケージは、ｌ１、ｌ２、ｌ３が
ｌ３＜ｌ１＜ｌ２
の関係を満たすように設計した。

更に、低融点金属層５４０の側面から突出した下地膜５２０の側面の長さ（低融点金属層５４０の側面からの下地膜５２０の側面の突出量）をＬ１とし、低融点金属層５４０の側面から突出した接合用金属膜５６０の側面の長さ（低融点金属層５４０の側面からの接合用金属膜５６０の側面の突出量）をＬ２としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２
の関係を満たすように設計した。

また、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の共晶組成（ｗｔ％）が
Ａｕ：Ｉｎ
＝{（ｌ１×ｌ′１）×ｔ１＋（ｌ２×ｌ′２）×ｔ２}ｄ１：ｔ３×ｌ３×ｌ′３×ｄ２＝６３：３７〜４６：５４
の関係を満たすように設計した。なおｄ１はＡｕの密度を、ｄ２はＩｎの密度をそれぞれ示している。

さらに低融点金属層５４０の側面から突出した接合用金属膜５６０の側面までの距離Ｌ２と低融点金属層５４０の側面から突出した下地膜５２０の側面までの距離Ｌ１の差分となるＬ３が、第１保持基板と第２保持基板の接合時の接合誤差ΔＬの範囲内となる
ΔＬ≦Ｌ３
の関係を満足するように設定した。

ｌ３＜ｌ１＜ｌ２、Ｌ１＜Ｌ２を満たすことにより、ｌ３の幅はｌ１の幅よりも短いため低融点金属層５４０が溶融したとき基板上に濡れ広がることを防止できる。また接合用金属膜５６０の幅ｌ２は下地膜５２０の幅ｌ１よりも長く、かつＬ２はＬ１よりも大きいため、第１保持基板と第２保持基板の接合の際、低融点金属層５４０は、上面が下地膜５２０と、下面が接合用金属膜５６０と必ず接し、低融点金属層５４０の上下面を金属膜で挟んだ構成となる。

また共晶合金の重量（ｗｔ）は、各層の幅ｌと長さｌ′と厚みｔと密度ｄの積から求めることができ、その共晶組成（ｗｔ％）をＡｕ：Ｉｎ＝６３：３７〜４６：５４の範囲に設定することにより、共晶点を低融点金属層５４０の融点よりも高温にすることができる。

次に本願発明者が、接合信頼性に着目し接合強度の観点から前述のＡｕ−Ｉｎ共晶合金の最適な組成比率に想到した経緯ついて、解説する。

図６は学術論文「ＧＯＬＤ−ＩＮＤＩＵＭ ＴＲＡＮＳＩＥＮＴ ＬＩＱＵＩＤ ＰＨＡＳＥ （ＴＬＰ）ＷＡＦＥＲ ＢＯＮＤＩＮＧ ＦＯＲ ＭＥＭＳ ＶＡＣＣＵＭ ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ （ＭＥＭＳ ２００８、Ｔｕｃｓｏｎ、ＡＺ、ＵＳＡ、Ｊａｎｕａｒｙ １３−１７、 ２００８）」に掲載されているＡｕとＩｎの平衡状態図である。当該状態図に示すように、共晶点である５００度付近には、共晶構造が三斜型のＡｕ−Ｉｎと共晶構造が立方型のＡｕ−Ｉｎ_２とが存在する。Ａｕ−Ｉｎは共晶点に対して亜共晶組成領域にあり、Ａｕ−Ｉｎ_２は共晶点に対して過共晶組成領域にある。この状態図からＡｕ−Ｉｎの融点は５０９度、Ａｕ−Ｉｎ_２の融点は５４０．７度であることがわかる。また夫々の融点における組成比率については、Ａｕ−ＩｎがＡｕ：Ｉｎ＝６３．２：３６．８ｗｔ％で、Ａｕ−Ｉｎ_２がＡｕ：Ｉｎ＝４６．２：５３．８ｗｔ％である。

次にＴＬＰ接合により形成された共晶合金の解析を行った。図７はＴＬＰ接合により形成されたＡｕ−Ｉｎ共晶合金の図である。
図示のようにＳＥＭ分析によれば、接合部はＡｕ−Ｉｎ_２からなる固相とＡｕ−Ｉｎからなる固相とが混在しており、断面観察の結果からＡｕ−Ｉｎ_２の方がＡｕ−Ｉｎに比べて、結晶粒が極めて小さく緻密な構造になっていることが判明した。

共晶合金を形成する過程で、組成比率を最適にコントロールしなければ、このように２つの固相からなるＡｕ−Ｉｎ共晶合金が形成されてしまうことになるため、相分離が発生し接合部が剥離してしまう危険性があるという新たな問題に直面した。

そこで、本願発明者は、実験並びに評価分析を重ねた結果、結晶粒が極めて小さく緻密な構造であるＡｕ−Ｉｎ_２或いはそれに近い固相とするためにＡｕ−Ｉｎ共晶合金のＩｎの含有比率を少なくとも４１以上５５ｗｔ％以下とすることに想到した。

ここで、Ｉｎが４１〜５５ｗｔ％の範囲を外れた場合について考察する。
図６の状態図において、各組成比の成分Ｃａ（Ａｕ−Ｉｎ共晶合金の成分）、Ｃｂ（Ａｕ−Ｉｎ_２共晶合金の成分）、Ｃｃ（温度Ｔ１の成分）、Ｃ０（ＣａとＣｂの間の領域）、Ｃ１（ＣｂよりもＩｎの組成が多い領域）について、それらの溶融状態における相の比率について検討する。

図中Ａにおける成分Ｃ０において、Ａｕ−Ｉｎ相とＡｕ−Ｉｎ_２相は下記の比率で混在していることになる。
Ａｕ−Ｉｎ：Ａｕ−Ｉｎ_２＝（Ｃｂ−Ｃ０）：（Ｃ０−Ｃａ）
よって、Ａｕ−Ｉｎ_２の組成比率に近い合金であればＡｕ−Ｉｎ_２相の割合が多くなる。

また図中Ｂにおける成分Ｃ１において、温度Ｔ１におけるＩｎの液相とＩｎの固相の比率が、以下の比率となる。
Ｉｎ液相：Ｉｎ固相＝（Ｃｃ−Ｃ１）：（Ｃ１−Ｃｂ）
この場合、Ａｕ−Ｉｎ相とＡｕ−Ｉｎ_２相は上記の比率で混在していることになる。

ここで、ＡｕとＩｎの原子量は、それぞれＡｕが１９７、Ｉｎが１１４．８であるから、Ａｕ−ＩｎとＡｕ−Ｉｎ_２の夫々におけるＩｎの重量濃度（％）は、以下のように算出される。
Ａｕ−Ｉｎに対するＩｎの比率＝１１４．８／（１９７＋１１４．８）＝３６．８％
Ａｕ−Ｉｎ_２に対するＩｎの比率＝（１１４．８×２）／（１９７＋１１４．８×２）＝５３．８％

従って、成分Ｃｂにおける共晶合金はＡｕ−Ｉｎ_２であるので、その組成比率は
Ａｕ：Ｉｎ＝４６．２：５３．８
となる。ここで、図６に示す平衡状態図を見ると、Ｉｎの組成比率が５３．８％以上になると１５６度以上で固相と液相が混在することになり、つまり１５６度以上で融解するところが存在することになる。

一方、４０ｗｔ％以下になると、Ａｕ−Ｉｎ_２の固相がかなり少なくなり、Ａｕ−Ｉｎの固相が大部分を占めることなる。
一方、成分Ｃａにおける共晶合金は、Ａｕ−Ｉｎであるので、そのＩｎの組成比率が３６．８％であることは前述の通りである。

ここで図８は、長崎 誠三、平林 眞 編著、「二元合金状態図集」、アグネ技術センターに掲載されているＡｕとＩｎの平衡状態図である。Ｉｎの比率が３６％より低下し逆にＡｕの比率が増加していくと、特に組成比率がＡｕ：Ｉｎ＝８０：２０においてＡｕ_７−Ｉｎ_３の相が存在するので、Ｉｎの比率が３６％より低下してしまうと、Ａｕ−Ｉｎ相とＡｕ_７−Ｉｎ_３とが混在した領域となり、Ａｕ−Ｉｎ_２相はほとんど存在しない領域となってしまう。

即ち、１００％のＩｎ中へＡｕを拡散させ徐々にＡｕの組成比率を上げながら合金化が進行していくと、最初にＡｕ−Ｉｎ_２相が形成される。さらに拡散が進行するとＡｕ−Ｉｎ相が形成されていくことになる。そしてさらに拡散が進行していくと、Ａｕ_７−Ｉｎ_３相が形成されることとなる。

よって、Ｉｎの比率が３６．８％より低下してしまうと、Ａｕ_７−Ｉｎ_３相の割合が増えていくことになる。
従って、接合部にＡｕが残っていると拡散が進行し組成比率が変化しながら共晶合金相を形成していくことになるので、Ａｕ−Ｉｎ_２相の組成比率でＡｕとＩｎとの拡散が完了してＡｕ−Ｉｎ_２相での組成比率よりＡｕの比率の高い合金相（図中のＡｕ−Ｉｎ_２よりも左側にある合金相）が形成されないようにすれば良いことになる。つまり、Ａｕの全てが拡散したときにＡｕ−Ｉｎ_２の共晶合金相を形成するように組成比率を調整すれば良い。このときの組成比率がＡｕ：Ｉｎ＝４６．２：５３．８ｗｔ％となる。

従って、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金のＩｎの含有比率を少なくとも３６．８以上５３．８ｗｔ％以下とすることによって、結晶粒を極めて小さくした緻密な構造を実現できるので、接合信頼性を格段に向上させることが可能となった。
そして、より好ましくは、ＡｕとＩｎとの共晶合金としてはＡｕとＩｎの組成比率が４６．２：５３．８ｗｔ％のＡｕ−Ｉｎ_２が結晶的に安定していて好ましいことがわかった。

またＬ２とＬ１の差分となるＬ３は、第１保持基板と第２保持基板の接合の接合誤差の範囲内に設定することにより、低融点金属層５４０の接合面が高融点金属膜（Ａｕ層）と接する構成とすることができる。

上記構成による圧電振動子は、第１保持基板３０と振動体基板２０の接合面に第１接合部５０を形成し、積層させる。積層した第１保持基板３０及び振動体基板２０を低融点金属の溶融温度まで加熱加圧して接合させる。

そして振動体基板２０の振動体の周波数調整を行い、所定の周波数に調整した後、振動体基板２０と第２保持基板４０の接合面に第２接合部６０を形成し、積層させる。ついで第１接合部５０と同様に積層した第２保持基板４０及び振動体基板２０を低融点金属の溶融温度まで加熱加圧して接合させる。

これにより本発明の圧電デバイス用パッケージは、低融点金属層５４０の上下面は第１及び接合用金属層５２，５６と必ず接する構成となって接合に十分な領域を確保することができる。従ってＴＬＰ接合の際、目的とする共晶組成の共晶金属が得られる。また溶融した低融点金属層が基板から剥がれ落ちることがなく、振動体の振動精度を安定化させることができる。

なおＡｕ−Ｉｎ共晶金属は、Ｉｎの融点となる約１５６度以上で加熱すると共晶反応により結合し共晶点が約５００度となる。このため、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金に悪影響を与えることなく圧電振動子をリフローを用いてプリント配線基板上に実装することができる。またＩｎの融点は１５６度であるため、Ｇｅの融点（９５９度）よりも極めて低い温度で溶融しＡｕ中へ拡散させて共晶合金を形成し、接合を行うことができるので、接合界面での熱膨張係数の違いによる熱ひずみや内部応力を低減することが可能である。

また第１及び第２保持基板を構成するＡｕ−Ｉｎ共晶金属は、振動子の後処理工程の加熱温度よりも高い共晶点であれば、この他にも接合温度約１７５度のＡｇ−Ｉｎ共晶金属（共晶点約８８０度）、接合温度約２００度のＣｕ−Ｉｎ共晶金属（共晶点約６５０度）等を適用することができる。

本発明に係る圧電振動子は、上記のように、第１保持基板と圧電振動体と第２保持基板とを第１及び第２接合部を介して接合させて製造するほかに、次のような複数のシートを用いて製造する場合にも適用できる。

図４は本発明に係る圧電振動子の製造方法を説明する図であって、（ａ）は第１接合部の接合前の配置状態の断面図、（ｂ）は周波数調整の説明図、（ｃ）は積層体の断面図を示す。図示するように本実施形態の製造方法は、ウェハ単位での製造例で説明する。振動体基板２０は、振動体基板ウェハ（マザーウェハ）２００上に複数個整列配置されている。振動体基板ウェハ２００上の振動体基板２０の形状及び電極は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技法或いはサンドブラスト法とを用いて形成している。また第１保持基板３０，第２保持基板４０についても同様にそれぞれ第１保持基板ウェハ３００，第２保持基板ウェハ４００上に複数個整列配置されており、形状又は電極はフォトリソグラフィ技術とエッチング技法或いはサンドブラスト法とを用いて形成している。

振動体基板ウェハ２００と第１及び第２保持基板ウェハ３００、４００との接合箇所には、第１及び第２接合部５０，６０が形成されている。本実施形態の第１及び第２接合部５０，６０はＡｕ−Ｉｎ共晶金属を用いている。

ここで振動体基板ウェハ２００と第１及び第２保持基板ウェハ３００、４００との接合部にＡｕ−Ｉｎ共晶合金を形成する場合、高融点（１０６４度）金属のＡｕ層を第１及び第２保持基板ウェハ３００、４００に形成した下地層のＣｒ層の表面上に形成し、低融点金属層のＩｎ層を少なくとも何れか一方の基板上に形成した前記Ａｕ層の表面上に形成している。Ａｕ層を両方の基板に形成することによりＡｕとＩｎとのＴＬＰ接合を促進させることができる。また、Ｉｎ層は何れか一方の基板に形成することにより製造工程を軽減化することができる。

振動体基板ウェハ２００は、フォトリソグラフィ技法とエッチング技法或いはサンドブラスト法等からなる複数の工程を経て、振動体２１と、この振動体２１の外周と所定の間隔を隔てて振動体２１を囲む枠体２２とを形成し、更に励振電極２６Ａ，２６Ｂ並びに引き回し電極２７Ａ，２７Ｂ等を形成しなければならない。このため、Ｉｎ層は振動体基板ウェハ２００に比べ構造が単純な第１及び第２保持基板ウェハ３００、４００上に形成することが望ましい。

第１及び第２接合部５０，６０の形成は、まず下地材として水晶基板と密着性の高いＣｒ層を形成した後、ＣｒはＡｕとの密着性も高く、Ｃｒ層の上にＡｕ層を形成し、下地膜５２０としている。さらに低融点金属層５４０を下地膜５２０上に形成している。

振動体基板ウェハ２００の枠体２２の表裏面に形成する接合用金属膜５６０は、矩形の枠体２２に沿って形成し、まず下地膜となるＣｒ層を形成し、ついでＡｕ層を形成した積層構造としている。Ａｕ層は、接続電極２５Ａ，２５Ｂ、引き回し電極２７Ａ，２７Ｂと短絡しないように所定間隔を隔てて形成している。

なお第１及び第２接合部５０，６０は、ｌ１、ｌ２、ｌ３がｌ３＜ｌ１＜ｌ２の関係を満たし、Ｌ１及びＬ２がＬ１＜Ｌ２の関係を満たすように設定した。
またＡｕ−Ｉｎ共晶金属の共晶組成（ｗｔ％）が
Ａｕ：Ｉｎ
＝{（ｌ１×ｌ′１）×ｔ１＋（ｌ２×ｌ′２）×ｔ２}ｄ１：ｔ３×ｌ３×ｌ′３×ｄ２＝６３：３７〜４６：５４
の関係を満たすように設定した。
さらにＬ２とＬ１の差分となるＬ３が、第１保持基板と第２保持基板の接合時の接合誤差の範囲内となるように設定した。

次にＩｎ層５５の形成は、第１及び第２保持基板３０、４０のＡｕ層５２上に形成している。
図４（ａ）に示すように、振動体基板ウェハ２００と第１保持基板ウェハ３００をＴＬＰ接合により接合する。具体的には両ウェハを重ね合わせると、第１接合部５０は、上からＣｒ層、Ａｕ層、Ｉｎ層５５、Ａｕ層５３、Ｃｒ層の積層構造となる。そしてＩｎ層５５の溶融温度（約１５６度）以上の温度、例えば２００度で加熱加圧することにより、Ａｕ層５２、５３間のＩｎ層５５を溶融して、ＩｎをＡｕ層５２、５３中へ拡散させることにより共晶反応を引き起こし、共晶合金であるＡｕ−Ｉｎを形成させる。このとき、Ａｕ層５２、５３のＩｎ層５５は拡散により共晶合金化されているので、振動体基板ウェハ２００上のＣｒ層５４と第１基板ウェハ３００上のＣｒ層５１との間にはＡｕ−Ｉｎ共晶合金のみが存在する。

次に図４（ｂ）に示すように、振動体基板２０の発振周波数の調整を行なう。具体的には第２保持基板シート４００を接合させる面から励振電極２６が露出するようにマスク５００を配置する。そして励振電極２６に対し、イオンエッチングによる金属膜の低減又は蒸着による質量付加によってモニタリングしながら周波数調整を行なっている。

次に図４（ｃ）に示すように、周波数調整した後、振動体基板ウェハ２００と第２保持基板ウェハ４００を接合させる。具体的に両ウェハの接合面を重ね合わせて積層体を形成すると、第２接合部６０は、第１接合部５０と同様に上からＣｒ層、Ａｕ層、Ｉｎ層、Ａｕ層、Ｃｒ層の積層構造となる。

第２接合部６０の共晶合金の形成は、第１保持基板ウェハ３００と同一の条件、即ちＩｎ層の溶融である約１５６度以上の例えば２００度で加熱加圧して行なう。また第２接合部６０の接合は、例えば真空封止又は不活性ガス雰囲気で気密封止している。このとき第１接合部５０はＡｕ−Ｉｎ共晶金属により共晶点が約５００度となるため、第２接合部６０のＩｎ層を溶融させる加熱により溶融することがない。

このような共晶接合により積層されてなるウェハの積層体は、図中点線に示すよう切断（ダイシング）して個片にすると圧電振動子１０が得られる。
このような本発明の圧電デバイス用パッケージによれば、低融点金属層の上下面が下地層及び低融点金属層のＡｕ層と接する構成となり、接合に十分な領域を確保することができる。従ってＴＬＰ接合の際、目的とする共晶組成の共晶金属が得られる。このため接合部からのろう材の飛散や溢れ出しを防止し、パッケージの接合強度を安定化させることができる。また低融点金属層が剥がれ落ちることがなく、振動体の発振精度を安定化させることができる。

以上、本願発明に係るＡｕ−Ｉｎ共晶合金を用いた接合からなる電子部品は、振動体基板２０の上下面を第１保持基板３０と第２保持基板４０とで夫々サンドイッチしてなる三層構造の水晶振動子１０を用いて説明したが、この他にも図９に示すような電子部品に適用できる。

図９は本発明に係る電子部品の変形例の説明図であって、（ａ）は第１の変形例を示す断面図、（ｂ）は第２の変形例を示す断面図である。
図９（ａ）の第１の変形例に示すように、内部に水晶振動子７０等のチップ部品（電子素子）を搭載した凹型のパッケージ（容器）７２の額縁状封止面を金属やガラス、水晶等からなるリッド７４で気密的に封止する際に、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金７６を形成することによって前記封止面を接合してもよい。

また図９（ｂ）の第２の変形例に示すように、複数のチップ部品７７ａ，７７ｂ等を搭載した凹型のパッケージ７２の額縁状封止面を金属やガラス、水晶等からなるリッド７４で気密的に封止する際に、Ａｕ−Ｉｎ共晶合金７６を形成することによって前記封止面を接合しても良いことは言うまでもない。

１０………圧電振動子、２０………振動体基板、２１………振動体、２２………枠体、２３………連結部、２４………突出部、２５………接続電極、２６………励振電極、２７………引き回し電極、３０………第１保持基板、４０………第２保持基板、４２………貫通孔、４４………外部電極、５０………第１接合部、５１………Ｃｒ層、５２………Ａｕ層、５３………Ａｕ層、５４………Ｃｒ層、５５………Ｉｎ層、６０………第２接合部、７０………水晶振動子、７２………パッケージ、７４………リッド、７６………Ａｕ−Ｉｎ共晶合金、７７………チップ部品、２００………振動体基板ウェハ、３００………第１保持基板ウェハ、４００………第２保持基板ウェハ、５００………マスク、５２０………下地膜、５４０………低融点金属層、５６０………接合用金属膜。

Claims (9)

1. 第１の被接合部材と第２の被接合部材とを、互いの接合面に夫々第１の金属メタライズ、第２の金属メタライズを施すと共に、前記第１の金属メタライズと前記第２の金属メタライズとをロウ材を挟んで接合してなる電子部品であって、
   前記ロウ材がＩｎであり、
   接合部が前記金属メタライズと前記Ｉｎとの拡散により形成された共晶合金であり、
   前記第１の金属メタライズの幅をｌ１とし、
   前記第２の金属メタライズの幅をｌ２とし、
   前記ロウ材の幅をｌ３とし、
   前記ロウ材の側面から突出した前記第１の金属メタライズの側面の長さをＬ１とし、
   前記ロウ材の側面から突出した前記第２の金属メタライズの側面の長さをＬ２としたとき、
   ｌ３＜ｌ１＜ｌ２、
   Ｌ１＜Ｌ２、
   の関係を満足することを特徴とする電子部品。
2. 前記Ｌ２と前記Ｌ１の差分をＬ３としたとき、
   前記第１の被接合部材と前記第２の被接合部材との接合誤差ΔＬが
   ΔＬ≦Ｌ３
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
3. 前記第１及び第２の被接合部材は、一方が電子素子を収容する容器であり、他方が当該容器の開口部を封止するリッドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品。
4. 前記被接合部材は、３つの部材からなり、第１の被接合部材が電子素子層であり、第２及び第３の被接合部材が前記電子素子層の上下面を夫々保持する第１のケースと第２のケースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品。
5. 前記金属メタライズの少なくとも表面層がＡｕであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電子部品。
6. 前記共晶合金のＩｎの含有比率が３６．８以上５３．８ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項５に記載の電子部品。
7. 前記共晶合金を構成するＡｕとＩｎの組成比率がＡｕ：Ｉｎ＝４６．２：５３．８（ｗｔ％）であることを特徴とする請求項５又は６に記載の電子部品。
8. 前記共晶合金がＡｕ−Ｉｎ_２であることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の電子部品。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の電子部品の製造方法であって、
   対向する何れか１つの被接合部材の金属メタライズの表層にロウ材からなる層を形成する工程と、
   前記被接合部材の互いの接合面を対向させて積層させる積層体を作る工程と、
   前記ロウ材が溶融する温度で前記積層体を加熱加圧し、前記ロウ材を前記メタライズ層の中へ拡散させることによって、互いの接合面同士を接合する工程と、
   を含むことを特徴とする電子部品の製造方法。