JP2013140874A - Electronic device, ceramic substrate, manufacturing method, and piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子部品が接合されたセラミック基板上に金属蓋体をレーザー光等を用いて局部加熱することにより接合して電子部品を封止した電子デバイス、セラミック基板、電子デバイスの製造方法、及び圧電発振器に関するものである。 The present invention relates to an electronic device, a ceramic substrate, and an electronic device manufacturing method, in which a metal lid is bonded by locally heating the ceramic substrate to which the electronic component is bonded using laser light or the like, and the electronic component is sealed. And a piezoelectric oscillator.
従来より、セラミック基板に接合した電子部品を金属蓋体により封止した表面実装用の電子デバイスが広く用いられている。例えば、情報通信機器やコンピューターなどのOA機器、民生機器などの様々な電子機器の電子回路のクロック源として、電子部品としての圧電振動片をセラミック基板に接合し、その圧電振動片を覆うようにセラミック基板上に凹状の金属蓋体を接合することにより、セラミック基板と金属蓋体とにより形成される空間内に圧電振動片を気密封止した電子装置としての圧電デバイスが広く使用されている。 Conventionally, an electronic device for surface mounting in which an electronic component bonded to a ceramic substrate is sealed with a metal lid has been widely used. For example, as a clock source for electronic circuits of various electronic devices such as OA equipment such as information communication equipment and computers, consumer equipment, etc., a piezoelectric vibrating piece as an electronic component is joined to a ceramic substrate and the piezoelectric vibrating piece is covered A piezoelectric device is widely used as an electronic device in which a piezoelectric vibrating piece is hermetically sealed in a space formed by a ceramic substrate and a metal lid by bonding a concave metal lid on the ceramic substrate.
一般に金属蓋体とセラミック(アルミナ)基板とをレーザー光、或いは電子ビームの照射により接合する場合には、セラミック基板側に予め形成したメタライズ層上にロウ材を介して金属蓋体の周縁部を重ねた状態で、金属蓋体周縁部上からレーザー光等を照射し、ロウ材を溶融、固化させることによって溶接している。この際の金属蓋体、及びロウ材の温℃は、例えば800〜1000℃程度となる。レーザー光による溶接は局所的な溶接であるため、レーザー光を照射された蓋体部位に相当するセラミックの部位は局所的に温度が瞬間的に100〜200℃程度までは上昇するが、金属蓋体のように800〜1000℃までは上昇しない。このように溶接中には、金属蓋体とセラミックとの間に700〜900℃程度の温度差が生じることになる。このため、溶接部位が冷却する際に部材間に収縮による歪み応力が発生し、金属よりも圧倒的に脆い材料であるセラミック基板側には収縮時の歪み応力によってクラックが発生したり、セラミック基板上の配線が剥離し易くなる。
なお、溶接時の温度差を無くするために、レーザー光照射時にセラミック基板を金属蓋体の温度に近づくように加熱するとすれば、セラミック基板の配線及びロウ材が酸化によって劣化する虞がある。
In general, when joining a metal lid and a ceramic (alumina) substrate by laser light or electron beam irradiation, the peripheral portion of the metal lid is placed on a metallized layer formed in advance on the ceramic substrate side via a brazing material. In the overlapped state, laser beam or the like is irradiated from the peripheral part of the metal lid, and welding is performed by melting and solidifying the brazing material. In this case, the temperature of the metal lid and the brazing material is about 800 to 1000 ° C., for example. Since welding with laser light is local welding, the temperature of the ceramic portion corresponding to the lid portion irradiated with the laser light rises locally to about 100 to 200 ° C., but the metal lid It does not rise to 800-1000 ° C like the body. Thus, during welding, a temperature difference of about 700 to 900 ° C. occurs between the metal lid and the ceramic. For this reason, when the welded part cools, strain stress is generated between the members, and cracks are generated on the ceramic substrate side, which is a material that is overwhelmingly brittle than metal, due to the strain stress during contraction. The upper wiring is easy to peel off.
If the ceramic substrate is heated so as to approach the temperature of the metal lid during laser light irradiation in order to eliminate the temperature difference during welding, the wiring and brazing material of the ceramic substrate may be deteriorated by oxidation.
特許文献1に記載の電子装置は、銀ロウを電子ビーム照射により加熱溶融させて接合する電子部品の気密封止において、急激な温度勾配による局所における熱収縮が原因でパッケージ(セラミック)にクラックが形成され気密性が失われるという問題を、接合部に配設されているメタライズ金属膜の厚みを25μm以上と厚くすることにより解決している。 In the electronic device described in Patent Document 1, in the hermetic sealing of electronic parts to be joined by heating and melting silver brazing by electron beam irradiation, cracks are generated in the package (ceramic) due to local thermal shrinkage due to a rapid temperature gradient. The problem of loss of hermeticity that is formed is solved by increasing the thickness of the metallized metal film disposed at the joint to 25 μm or more.
しかし、縦・横・高さ寸法が夫々数mm程度の超小型の圧電デバイス等において、メタライズ金属膜の厚みを25μm以上と過大に厚くすると、電子部品の低背化の妨げとなる。また、メタライズ材料の使用量が増えるのでコスト増を招くことが明かである。
或いは、セラミック基板上のメタライズ層と金属蓋体との間にコバール等の厚い金属膜を配置することによりこれを応力緩和層として利用し、溶接時のクラック発生を防止することも行われているが、部材数の増大による工数増大とコストアップを招くばかりでなく、低背化に反する結果ともなるため、改善が求められていた。
However, if the thickness of the metallized metal film is excessively increased to 25 μm or more in an ultra-compact piezoelectric device having vertical, horizontal, and height dimensions of about several millimeters, it will hinder the reduction of the height of the electronic component. In addition, it is clear that the amount of metallized material used increases, leading to an increase in cost.
Alternatively, by arranging a thick metal film such as Kovar between the metallized layer on the ceramic substrate and the metal lid, it is used as a stress relaxation layer to prevent cracking during welding. However, not only the increase in man-hours and cost increase due to the increase in the number of members, but also a result against the low profile, improvement has been demanded.
本発明は、上述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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例にかかる電子デバイスは、表面に配線が備えられているセラミック基板と、前記配線に接合されている電子部品と、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層を介して、前記セラミック基板と周縁部において接合されて、平面視で前記電子部品を覆っている金属蓋体と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 1 An electronic device according to this application example includes a ceramic substrate provided with wiring on the surface, an electronic component bonded to the wiring, and a metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less. And a metal lid that is joined to the ceramic substrate at a peripheral portion and covers the electronic component in a plan view.
本適用例の圧電デバイスによれば、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層をセラミック基材と金属蓋体との間に介在させることにより、両部材の温度低下割合の差をメタライズ層によって緩和し、セラミック基材にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。 According to the piezoelectric device of this application example, by interposing a metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less between the ceramic substrate and the metal lid, the difference in the temperature decrease rate of both members is reduced by the metallized layer. It is possible to effectively prevent cracks from being formed in the ceramic substrate and the wiring material from being peeled off.
[適用例2]前記金属蓋体は、メタライズ層と供にロウ材を介して、前記セラミック基板と前記周縁部において接合されていることを特徴とする。適用例1の効果を更に高めることができる。 Application Example 2 The metal lid is bonded to the ceramic substrate at the peripheral edge via a brazing material together with the metallized layer. The effect of Application Example 1 can be further enhanced.
[適用例3]前記メタライズ層は、銅から構成されていることを特徴とする。 Application Example 3 The metallization layer is made of copper.
この構成によれば、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層の材料として銅を選定することにより、優れた緩衝作用を発揮し、セラミック基材にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。 According to this configuration, by selecting copper as the material of the metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less, an excellent buffering effect is exhibited, cracks are formed in the ceramic substrate, and the wiring material is peeled off. It can be effectively prevented.
[適用例4]前記メタライズ層の厚みは、15〜25μmであることを特徴とする。 Application Example 4 The thickness of the metallized layer is 15 to 25 μm.
この構成によれば、メタライズ層の厚みが15μm以上であることによって溶接後の冷却時の収縮に対する緩衝効果が低下してセラミック基板にクラックが発生したり配線材料が剥離することを効果的に防止できる。また、膜厚が25μmを越えないため、溶接の際の温度上昇に要する時間を短縮して、コストダウン、生産性向上を図ることができる。 According to this configuration, when the thickness of the metallized layer is 15 μm or more, the buffering effect against shrinkage at the time of cooling after welding is reduced, thereby effectively preventing the ceramic substrate from cracking or peeling of the wiring material. it can. In addition, since the film thickness does not exceed 25 μm, the time required for temperature rise during welding can be shortened, and cost reduction and productivity improvement can be achieved.
[適用例5]セラミック基板は、電子部品を接合するための配線と、金属蓋体の周縁部と接合するための、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層とを表面に備えていることを特徴とする前記ロウ材は、銀ロウから構成されていることを特徴とする。 Application Example 5 The ceramic substrate is provided with wiring on the surface for joining electronic components and a metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less for joining to the peripheral portion of the metal lid. The brazing material is made of silver brazing.
この構成によれば、上記の如き電子デバイスを実現することができる。 According to this configuration, the electronic device as described above can be realized.
[適用例6]本適用例にかかるセラミック基板では、前記メタライズ層は、銅から構成されて、且つ厚みが15〜25μmであることを特徴とする。 Application Example 6 In the ceramic substrate according to this application example, the metallized layer is made of copper and has a thickness of 15 to 25 μm.
[適用例7]本電子デバイスの製造方法は、適用例2乃至4の何れか一項に記載の電子デバイスの製造方法であって、前記電子部品、前記セラミック基板、及び前記金属蓋体を夫々準備する工程と、前記配線上に前記電子部品を接合する工程と、前記セラミック基板に前記金属蓋体を接合して前記電子部品を収容する内部空間を形成する工程と、を備え、前記内部空間を形成する工程では、前記メタライズ層上に、前記金属蓋体を配置してから、レーザー光、又は電子ビームを前記金属蓋体側から照射して前記ロウ材を溶融させることを特徴とする。 Application Example 7 This electronic device manufacturing method is the electronic device manufacturing method according to any one of Application Examples 2 to 4, wherein each of the electronic component, the ceramic substrate, and the metal lid is provided. A step of preparing, a step of bonding the electronic component on the wiring, and a step of bonding the metal lid to the ceramic substrate to form an internal space for accommodating the electronic component. In the step of forming, the metal lid is disposed on the metallized layer, and then the brazing material is melted by irradiating a laser beam or an electron beam from the metal lid side.
この構成によれば、緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層をセラミック基材と金属蓋体との間に介在させることにより、セラミック基材と金属蓋体との温度低下割合の差をメタライズ層によって緩和することができる。このため、セラミック基材にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。 According to this configuration, by interposing a metallized layer that functions as a buffer layer and has a Young's modulus of 200 GPa or less between the ceramic substrate and the metal lid, the rate of temperature decrease between the ceramic substrate and the metal lid is reduced. The difference can be mitigated by the metallization layer. For this reason, it can prevent effectively that a crack is formed in a ceramic base material or a wiring material peels.
[適用例8]本適用例にかかる圧電発振器は、適用例1乃至4の何れか一項に記載の電子デバイスは圧電振動子であり、半導体素子を備えていることを特徴とする。 Application Example 8 A piezoelectric oscillator according to this application example is characterized in that the electronic device according to any one of Application Examples 1 to 4 is a piezoelectric vibrator and includes a semiconductor element.
これによれば、緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層をセラミック基材と金属蓋体との間に介在させることにより、セラミック基材と金属蓋体との温度低下割合の差をメタライズ層によって緩和することができる。このため、セラミック基材にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。 According to this, by interposing a metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less that functions as a buffer layer between the ceramic base and the metal lid, the difference in temperature decrease rate between the ceramic base and the metal lid. Can be relaxed by the metallized layer. For this reason, it can prevent effectively that a crack is formed in a ceramic base material or a wiring material peels.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の電子デバイスの一例としての圧電デバイスの一実施形態の平面図であり、図2(a)は圧電デバイスを上側からみた一部断面平面図、(b)は(a)のA−A線に沿った縦断面図である。なお、図2(a)では、圧電デバイスの内部の構造を説明する便宜上、圧電デバイスの上方に設けられる金属蓋体(19)の一部を切り欠いて図示している。また、図3は図2(b)の一部(接合部)を拡大して詳しく説明する部分断面図である。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of an embodiment of a piezoelectric device as an example of an electronic device of the present invention, FIG. 2 (a) is a partial sectional plan view of the piezoelectric device as viewed from above, and FIG. It is a longitudinal cross-sectional view along the AA line. In FIG. 2A, for convenience of explanation of the internal structure of the piezoelectric device, a part of the metal lid (19) provided above the piezoelectric device is cut out. FIG. 3 is a partial cross-sectional view illustrating a part (joint portion) of FIG.
図1、図2において、圧電デバイス1は、基板としてのセラミック基板10と、セラミック基板10の一方の主面上(上面)に接合された電子部品としての圧電振動片20と、圧電振動片20を覆うようにセラミック基板10上に接合された凹状の金属蓋体19と、を有し、セラミック基板10と金属蓋体19とにより形成されるキャビティーT内に圧電振動片20が気密封止されている。
セラミック基板10と金属蓋体19は、パッケージを構成している。
セラミック基板10は、平板状のセラミック基材(アルミナ)11の一方の主面(上面)に圧電振動片20が接合される振動片接合端子18を有し、他方の主面(下面)に複数の外部実装端子16を有している。振動片接合端子18、および、図示しないその他の端子は、セラミック基材11に設けた貫通孔(ビアホール)に高融点金属を含む導体ペーストを埋設することにより形成された層内配線(ビア)17により対応する外部実装端子16に接続されている。セラミック基板は、電子部品を接合するための配線と、金属蓋体の周縁部と接合するための、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層(後述)とを表面に備えていることを特徴とする。
1 and 2, the piezoelectric device 1 includes a
The
The
外部実装端子16が設けられたセラミック基板10の一方の主面は圧電デバイス1の外底面となり、その外底面に設けられた外部実装端子16によって、圧電デバイス1を電子機器などの外部実装基板に実装することができる。本実施形態のセラミック基板10を構成するセラミック基材11はグリーンシートを成形・加工してから焼成することにより形成されている。
圧電振動片20は、例えば、水晶などの圧電体材料により形成された平板状の圧電基板の両主面に、対向電極としての励振電極25を設けた構成を有している。また、圧電振動片20の各主面の一端部側には外部接続電極26が設けられ、各々が対応する励振電極25から引き出された電極間配線により電気的に接続されている。なお、圧電振動片20の材質として、水晶以外の圧電体材料では、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどが挙げられ、また、圧電体材料以外では、シリコンなどを挙げることができる。セラミック基板10上(他方の主面側)において、圧電振動片20は、その一端側に設けられた外部接続電極26をセラミック基板10の対応する振動片接合端子18と位置合わせした状態で、例えば銀ペーストなどの接合部材30により電気的な接続をはかりながら接合され、他端部側を自由端として片持ち支持されている。
One main surface of the
The piezoelectric vibrating
金属蓋体19は、その凹部とセラミック基板10の圧電振動片20接合面とで囲まれたキャビティーT内に圧電振動片20を収容させることによって圧電振動片20の搭載領域を気密封止するためのものである。金属蓋体は、メタライズ層と共にロウ材を介して、セラミック基板と周縁部において接合されている。
凹状の金属蓋体19は、例えばコバール、42アロイ、あるいはリン青銅などの金属からなる板材を従来周知の板金加工により成形してなり、中央部下面に凹部が形成され、外周部には鍔状の当接脚部19cが環状に形成されている。
すなわち、金属蓋体19は、中央部に水平部19aを有し、その水平部19aの外周側から下方へ延びる側壁部19bが形成され、さらに側壁部19bの下縁部を外周側に曲げることにより、金属蓋体19の外周部に水平部19aと略平行な環状の当接脚部19cが形成されている。なお、側壁部19bは図示のように外側へ向かって斜めに傾斜していてもよいし、垂直壁であってもよい。
The
The
That is, the
図3に示すように当接脚部19cの下面が接合されるセラミック基板10の外周上面12には、振動片接合端子18と同一材料から成るメタライズ層13が環状に形成されている。
金属蓋体19は、水平部19aと側壁部19bとにより形成される凹部の開口部側をセラミック基板10側に向けた状態で、当接脚部19cをセラミック基板10のメタライズ層13に対向させて接合されている。
本実施形態では、図3に示すように、セラミック基板10の外周上面の環状のメタライズ層13と、金属蓋体19の環状の当接脚部19cの下面とが、例えば、比較的低融点の合金からなる接合部材としてのロウ材層19Bを介して接合されている。
As shown in FIG. 3, a
The
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the
また、金属蓋体19は、メタライズ層13を介してセラミック基板10の図示しないグランド端子に電気的に接続されることが好ましい。このようにすれば、圧電デバイス1の使用時に、金属からなる金属蓋体19がグランド電位に保持されることにより、圧電振動片20を金属蓋体19のシールド効果によって外部からの不要な電気的作用、例えばノイズなどから保護することができる。
かくして上述した圧電デバイス1は、セラミック基板10の底面に設けられた外部実装端子16を介して圧電振動片20の両主面に設けられた励振電極25間に外部からの変動電圧を印加し、圧電振動片20の特性に応じた所定の周波数で振動を起こさせることによって圧電デバイス1として機能し、かかる圧電デバイス1の共振周波数に基づいて外部の発振回路で所定周波数の基準信号を発振・出力することができる。そして、このような基準信号は、例えば携帯用通信機器などの電子機器におけるクロック信号として利用することができる。
The
Thus, the piezoelectric device 1 described above applies a variable voltage from the outside between the
本発明の圧電デバイス1の特徴的な構成は、表面に配線が備えられているセラミック基板10と、配線に接合されている電子部品20と、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13を介して、セラミック基板と周縁部において接合されて、平面視で電子部品を覆っている金属蓋体19と、を備えている点にある。
これを換言すれば、一面上に接合用のメタライズ層13を有したセラミック基板10と、セラミック基板の一面上に接合された電子部品(圧電振動片20)と、メタライズ層上に銀ロウ等のロウ材層19Bを用いて周縁を接合されることにより電子部品を封止する金属蓋体19とを備えた電子デバイスにおいて、メタライズ層として、ヤング率が200GPa以下の金属を選定した点にある。
The characteristic configuration of the piezoelectric device 1 according to the present invention includes a
In other words, a
メタライズ層13は、セラミック基板を構成するセラミック材料上に振動片接合端子18を形成する際に同時に形成されるため、振動片接合端子18と同一材料から成る。本発明では、メタライズ層13を構成するヤング率が200GPa以下の金属の一例として銅を選定する。銅のヤング率は、110〜130GPaである。なお、ヤング率が200GPa以下の金属であれば、銅以外のものであってもよい。
メタライズ層13と振動片接合端子18の構成材料が同一となる理由は、セラミック基板の製造工程にある。即ち、配線パターンを有したセラミック基材11は、焼成前のグリーンシート上に配線材料(導体ペースト)を印刷したものを焼成することによって形成されており、グリーンシートの同一面上に形成される振動片接合端子18とメタライズ層13は、前記配線材料の印刷工程において同時に塗布され、焼成されることによりセラミック基材11と一体化する。
Since the metallized
The reason why the constituent materials of the metallized
しかし、このようにグリーンシートに配線材料を印刷、焼成して高温加熱して密着させる必要があるため、タングステンのように高温に耐える金属材料が使用されており、銅のように高温加熱によって表面が酸化して導通が低下する材料は使用することができなかった。
従来、セラミック基材11(=アルミナ、ヤング率:310GPa)の一面に形成される配線パターンを構成する配線材料は、ヤング率が極めて高いタングステン(ヤング率:400−410GPa)が主であった。このため、タングステン製のメタライズ層上に金属蓋体を接合した場合には、溶接時におけるセラミック基板(セラミック基材)のクラック発生を防ぐことができなかった。
本発明においては、ヤング率が200GPa以下の柔軟性を有した金属として例えば銅を使用するため、銅による緩衝効果によって溶接時におけるセラミック基板のクラック発生、配線材料の剥離を防ぐことができる。
しかし、上述のようにグリーンシートを高温により焼成することによりセラミック基材11面に配線材料を一体化する製造方法では、銅を配線材料として使用することが難しかった。
However, since it is necessary to print, bake, and heat and bond the wiring material to the green sheet in this way, a metal material that can withstand high temperatures such as tungsten is used, and the surface is heated by high temperature heating such as copper. However, it was not possible to use a material that was oxidized and reduced in conductivity.
Conventionally, tungsten (Young's modulus: 400-410 GPa), which has a very high Young's modulus, has been mainly used as the wiring material constituting the wiring pattern formed on one surface of the ceramic substrate 11 (= alumina, Young's modulus: 310 GPa). For this reason, when a metal lid was joined on the metallized layer made of tungsten, it was not possible to prevent cracks in the ceramic substrate (ceramic base material) during welding.
In the present invention, for example, copper is used as the flexible metal having a Young's modulus of 200 GPa or less, and therefore, it is possible to prevent cracking of the ceramic substrate and peeling of the wiring material during welding due to the buffering effect of copper.
However, in the manufacturing method in which the wiring material is integrated with the surface of the
ところで、近年セラミック基板面に、高温加熱を伴わないセミアディティブ法を用いて銅配線を形成する方法が開発されている。この方法は、グリーンシートに配線材料のペーストを印刷してから焼成するのではなく、焼成済みのグリーンシートにフォトリソグラフィ技術を用いてメッキ、スパッタ、エッチングを順次行うことにより、任意の銅配線を酸化させずに形成するものである。
本発明では、このセミアディティブ法を用いることによって、焼成済みのグリーンシートに対して後から、メタライズ層13と振動片接合端子18を含む銅配線を形成するため、銅配線を酸化させずに形成することができる。
By the way, in recent years, a method of forming a copper wiring on a ceramic substrate surface by using a semi-additive method without high temperature heating has been developed. This method does not print the wiring material paste on the green sheet and then fires it, but performs plating, sputtering, and etching on the fired green sheet in order using photolithography technology, thereby forming an arbitrary copper wiring. It is formed without being oxidized.
In the present invention, by using this semi-additive method, a copper wiring including the metallized
次に、図3に基づいてメタライズ層13と金属蓋体19との接合部の構造について詳細に説明する。
レーザー光によりメタライズ層と金属蓋体の当接脚部19cを溶接する場合のレーザー光の照射位置は、図3に示すようにレーザー光のスポット径の中心部Cが当接脚部19cの幅寸法W1の中心部と合致するように設定する。
レーザー光を照射することによって局部的な溶接を行う際に、セラミック基板にクラックが発生するのは、セラミック基材11の温度低下割合と、金属蓋体19の温度低下割合との違いに起因している。即ち、レーザー光を当接脚部19cに照射すると、当接脚部、及び銀ロウの温度は、局所的に急激に800〜1000℃程度に上昇する。一方、当接脚部と接するセラミックの部位の温度は瞬間的に100〜200℃程度までは上昇するが、金属蓋体のように800〜1000℃までは上昇しない。このため、溶接部位が冷却する際に部材間に収縮による歪み応力が発生し、金属よりも圧倒的に脆い材料であるセラミック側には収縮時の歪み応力によってクラックが発生したり、セラミック基材上の配線が剥離し易くなる。
Next, the structure of the joint between the metallized
In the case where the metallized layer and the
When local welding is performed by irradiating laser light, cracks are generated in the ceramic substrate due to the difference between the temperature decrease rate of the
本発明では、緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13をセラミック基材と金属蓋体との間に介在させることにより、上記温度低下割合の差をメタライズ層13によって緩和するものである。
ヤング率が200GPa以下の金属としての銅(線膨張係数:16.8ppm/℃)から成るメタライズ層13の表面上には、極めて薄いニッケル薄膜14と、酸化防止用の金薄膜15とが順次メッキにより積層されている。
In the present invention, the metallized
On the surface of the
一方、金属蓋体19は、セラミック基板の線膨張係数(7ppm/℃)に近い線膨張係数を有した金属材料であるコバール(線膨張係数:5.5ppm/℃)から成る基材19Aと、当接脚部19cを含む基材の下面にクラッド法により積層されたロウ材としての銀ロウ19Bと、基材19Aの上面にクラッド法により積層された酸化防止膜としてのニッケル膜19Cと、から構成されている。
なお、基材19Aの材料としては、コバール以外では、42ニッケル、SUSを使用することができる。
銀ロウは、周知のように銀と銅とから成り、融点が700〜800℃程度であるため、溶接による溶融時に、金属蓋体とセラミック基材との間の温度差と同様に、銀ロウとセラミック基材との間にも大きな温度差が発生する。このため、銀ロウを用いた溶接において、メタライズ層13による緩衝効果が発揮される。
なお、ロウ材としては、銀ロウ以外にも金−すずのロウ材を用いることができる。
本例では、金属蓋体の基材19Aの厚さを40μm、銀ロウ19Bの厚さを10〜15μm、ニッケル膜19Cの厚さを5μmとした。金属蓋体の当接脚部19cの横幅W1は40μmとした。
On the other hand, the
As the material of the
Since silver solder is made of silver and copper as well known and has a melting point of about 700 to 800 ° C., the silver solder is similar to the temperature difference between the metal lid and the ceramic substrate when melted by welding. A large temperature difference also occurs between the ceramic substrate and the ceramic substrate. For this reason, the buffer effect by the metallized
As the brazing material, gold-tin brazing material can be used in addition to silver brazing.
In this example, the thickness of the
また、本例に係る絶縁性基材11の厚さは200μmである。
メタライズ層13の幅W2は120μmであり、メタライズ層13の銅部分の厚さはt15μm〜25μmである。メタライズ層13の銅部分の厚さが15μm未満である場合には、溶接後の冷却時の収縮に対する緩衝効果が低下してセラミック基板にクラックが発生したり配線材料が剥離する。また、メタライズ層の膜厚は大きい方が絶縁性基材と蓋体との間の距離を離間させることができるので応力緩和効果がより大きくなるが、メタライズ層の膜厚が25μmを越える場合には溶接時にメタライズ層の温度を上昇させるのに要するエネルギーが増大し、上昇に要する時間が長くなるため、コストアップ、生産性低下という問題を惹起する。
Moreover, the thickness of the insulating
The width W2 of the metallized
なお、上記実施形態では、セラミック基材側にメタライズ層13を形成した例を示したが、金属蓋体の当接脚部19cの下面に予め銅などからなるメタライズ層13を一体化しておいてもよい。メタライズ層13を当接脚部側に形成する場合には銅の環状体を当接脚部下面にクラッド法によって一体化することとなる。クラッド法は周知のように金属箔を積層して圧着する方法である。
本実施形態の圧電デバイス1においては、金属蓋体19とセラミック基材11との接合面にメタライズ層13と銀ロウ19Bを介在させたため、図3のようにレーザー光を照射して溶接する際に、昇温時におけるセラミックと金属蓋体との間の温度差、及び冷却時における両部材間の温度低下割合差に起因してセラミック部分にクラックが発生したり、メタライズ層13が剥離することが防止される。
In the above embodiment, the metallized
In the piezoelectric device 1 of the present embodiment, since the metallized
次に、図4(a)及び(b)は本発明の他の実施形態に係る電子デバイスの一例としての圧電デバイスの縦断面図、及び要部拡大図である。
この圧電デバイス40が前記実施形態に係る圧電デバイスと異なる点は、セラミック基板10が平板状ではなく、上面中央部に凹陥部41を有し、凹陥部41を包囲するように環状外枠42が形成されている構成にある。なお、図1の圧電デバイスと同一部材には同一符号を付して説明する。
セラミック基板10は、セラミック基材11の下面に複数の外部実装端子16を有し、他方の主面に設けた凹陥部41の内底面に圧電振動片20が接合される振動片接合端子18を有している。振動片接合端子18、および、図示しないその他の端子は、層内配線(ビア)17により対応する外部実装端子16に接続されている。
圧電振動片20は、その一端側に設けられた外部接続電極を対応する振動片接合端子18と位置合わせした状態で、例えば銀ペーストなどの接合部材30により電気的な接続をはかりながら接合され、他端部側を自由端として片持ち支持されている。
Next, FIGS. 4A and 4B are a longitudinal sectional view and a main part enlarged view of a piezoelectric device as an example of an electronic device according to another embodiment of the present invention.
The
The
The piezoelectric vibrating
平板状の金属蓋体19は、例えばコバール、42アロイ、あるいはリン青銅などの金属から構成する。
金属蓋体19は、セラミック基板の線膨張係数(7ppm/℃)に近い線膨張係数を有した金属材料であるコバール(線膨張係数:5.5ppm/℃)から成る基材19Aと、基材の下面にクラッド法により積層されたロウ材としての銀ロウ19Bと、基材19Aの上面にクラッド法により積層された酸化防止膜としてのニッケル膜19Cと、から構成されている。なお、基材19Aの材料としては、コバール以外では、42ニッケル、SUSを使用することができる。
セラミック基板の環状外枠42の上面には、メタライズ層13が形成されている。メタライズ層13としては、ヤング率が200GP以下の金属、例えば銅が用いられる。なお、ヤング率が200GPa以下の金属であれば、銅以外のものであってもよい。
The
The
A metallized
本発明では、緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13をセラミック基材11と金属蓋体との間に介在させることにより、セラミック基材11と金属蓋体19との温度低下割合の差をメタライズ層13によって緩和することができる。
金属蓋体19は、外周下面をメタライズ層13と当接させた状態で、レーザー光、或いは電子ビームを図4(b)に示したように照射して銀ロウ19Bを溶融、固化させることによって、環状外枠42の上面に接合一体化される。なお、溶接方法としてはシーム溶接を使用することもできる。
In the present invention, the metallized
The
本実施形態では、図4(b)に示すように、セラミック基板10の環状外枠42上面全体に形成されたメタライズ層13と、金属蓋体19の下面とが、例えば、比較的低融点の合金からなる接合部材としての銀ロウ19Bを介して接合されている。
なお、メタライズ層13は、セラミック基材11側ではなく、金属蓋体19の外周下面に形成しておいてもよい。メタライズ層13を金属蓋体側に形成する場合には銅の環状体を金属蓋体下面にクラッド法によって一体化することとなる。
本実施形態の圧電デバイス40においても、金属蓋体とセラミック基材との接合面にメタライズ層13と銀ロウ19Bを介在させたため、図4(b)のようにレーザー光を照射して溶接する際に、昇温時におけるセラミックと金属蓋体との間の温度差、及び冷却時における両部材間の温度低下割合差に起因してセラミック部分にクラックが発生したり、メタライズ層13が剥離することが防止される。
In this embodiment, as shown in FIG. 4B, the metallized
The metallized
Also in the
次に、図5は本発明に係る圧電デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。また、図6はグリーンシートによりセラミック基板を製造する過程を示す平面図である。
なお、本例では図1、図2に示した電子デバイスの製造方法を説明するが、図4に係る電子デバイスについても同等の手順による製造が可能である。
本発明の製造方法は、電子部品20、セラミック基板10、及び金属蓋体を夫々準備する工程と、配線上に電子部品を接合する工程と、セラミック基板に金属蓋体19を接合して電子部品を収容する内部空間を形成する工程と、を備え、内部空間を形成する工程では、メタライズ層上に、金属蓋体を配置してから、レーザー光、又は電子ビームを金属蓋体側から照射してロウ材を溶融させることを特徴とする。
圧電デバイス1の製造工程は、圧電振動片20、セラミック基板10、および金属蓋体19をそれぞれ準備する前工程と、セラミック基板10上に圧電振動片20を接合してから金属蓋体19を接合して圧電振動片20を気密封止する後工程(組立工程)とに大別することができる。まず、前工程のうち、圧電振動片20、および金属蓋体19の準備について概略を説明する。
Next, FIG. 5 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a piezoelectric device according to the present invention. FIG. 6 is a plan view showing a process of manufacturing a ceramic substrate using a green sheet.
In this example, the manufacturing method of the electronic device shown in FIGS. 1 and 2 will be described. However, the electronic device according to FIG. 4 can be manufactured by the same procedure.
The manufacturing method of the present invention includes a step of preparing the
The manufacturing process of the piezoelectric device 1 includes a pre-process for preparing the piezoelectric vibrating
ステップS1−1に示す圧電振動片20準備では、圧電振動片20を製造して圧電デバイス1組立ができる形態にする。圧電振動片20は、例えば水晶などの圧電体材料を所定のサイズに切り出して研磨した大判のウェハーに複数並べて一括形成することができる。概要を説明すると、まず、結晶軸に対して所定のカット角で切り出してから所望の厚さおよび表面状態となるように研磨加工した大判の水晶基板(水晶ウェハー)を準備する。そして、フォトリソグラフィを用いたウェットエッチングにより、水晶基板に複数の圧電振動片20の外形を形成する。なお、圧電振動片20の外形は、水晶基板から完全に切り離されないようにミシン目状の折り取り部などにより水晶ウェハーにつなげたまま、以降の工程を水晶基板(ウェハー)状態にて効率的に流動することが好ましい。そして、スパッタリングや蒸着などによって、励振電極25や外部接続電極26などの電極形成を行うことにより、水晶ウェハーに複数の圧電振動片20がマトリクス状に形成される。
ステップS1−3に示す金属蓋体19準備では、金属蓋体19を製造して圧電デバイス1組立ができる形態にする。金属蓋体19は、例えば、42アロイやコバール、あるいはリン青銅などの金属からなる板状の基材19Aの表面にニッケル膜19Cを、裏面に銀ロウ19Bを夫々クラッド法により積層一体化した構成を有し、従来周知の板金加工により成形することによって、中央部に凹部が形成され、外周部に当接脚部19cが環状に設けられた金属蓋体19を形成する。
In the preparation of the piezoelectric vibrating
In the preparation of the
次に、セラミック基板10の製造から圧電デバイス1組立までの製造工程を続けて説明する。
本実施形態では、セラミック基板10の基材としてセラミックのグリーンシート51が用いられており、セラミック基板10の製造では、ステップS1−2において準備したグリーンシートをステップS2において焼成する。次いで、ステップS3において焼成済みのグリーンシートに対してセミアディティブ法を用いてメタライズ層13、振動片接合端子18、外部実装端子19を夫々銅を用いて形成する。なお、メタライズ層13を構成する銅の表面には酸化防止のためにニッケル薄膜14、金薄膜15を順次積層形成する。
以上、ステップ0000S1−2のグリーンシート51準備からステップS2、S3までのステップにより、セラミック基板10がマトリクス状に複数形成されたグリーンシートが完成する(図6を参照)。
なお、この段階で、グリーンシート51から個片のセラミック基板10に分割することもできる。例えば、複数の圧電デバイス形成領域1Aがマトリクス状に形成されたグリーンシート51を、圧電デバイス形成領域1A間に形成される縦横のダイシングラインに沿ってダイシングすることなどにより、個片のセラミック基板10を得ることができる。
Next, the manufacturing process from manufacturing the
In the present embodiment, a ceramic
As described above, a green sheet in which a plurality of
At this stage, the
本実施形態では、複数のセラミック基板10が形成されたグリーンシート51の状態のままで、圧電デバイス1の組立を効率的に行う方法について、以下、説明する。
圧電デバイス組立工程では、まず、ステップS4の示すように、グリーンシート51の各圧電デバイス形成領域1Aに、上記ステップS1−1で準備した圧電振動片20を接合する。具体的には、まず、各圧電デバイス形成領域1Aの振動片接合端子18上に、ディスペンサーやスクリーン印刷などにより銀ペーストなどの接合部材39を塗布してから、圧電振動片20の一端側に設けられた外部接続電極26を、対応する振動片接合端子18に位置合わせして仮止めする。そして、接合部材39の硬化方法に応じた処理、例えば、熱硬化型の接合部材39であれば所定の温度で加熱し、また、紫外線硬化型の接合部材であれば紫外線を照射することにより接合部材39を固化させて、圧電振動片20を片持ち支持された態様に接合する。
In the present embodiment, a method for efficiently assembling the piezoelectric device 1 in the state of the
In the piezoelectric device assembly process, first, as shown in step S4, the piezoelectric vibrating
次に、ステップS5において、圧電振動片20が接合されたグリーンシート51の各圧電デバイス形成領域1Aに金属蓋体19を配置する。金属蓋体19の当接脚部19cの下面の銀ロウ19Bは、セラミック基板上のメタライズ層13と互いに整合する位置関係で位置決めされている。
次に、ステップS6の金属蓋体接合工程においては、図3に示したように当接脚部19cの上面に向けて所要スポット径を有したレーザー光を照射して銀ロウ19Bを加熱溶融させることにより、金属蓋体19による圧電振動片20の気密封止をより強固で確実なものとすることができる。
なお、上述した一連のセラミック基板10への金属蓋体接合ステップ(ステップS5の金属蓋体配置、および、ステップS6の金属蓋体接合)は、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気、あるいは減圧空間内で行うことが好ましい。これによって、圧電振動片20が収納されるセラミック基板10と金属蓋体19とにより形成されるキャビティーTの内部に不活性ガスが充満され、あるいは減圧空間に密閉・封止されるので、圧電振動片20が酸素や大気中の水分などによって腐食・劣化するのを有効に防止することができる。
以上、説明した一連のステップを経て、グリーンシート51に、複数の圧電デバイス1がマトリクス状に形成される。
Next, in step S5, the
Next, in the metal lid joining process of step S6, as shown in FIG. 3, the laser beam having a required spot diameter is irradiated toward the upper surface of the
Note that the above-described series of metal lid joining steps to the ceramic substrate 10 (metal lid arrangement in step S5 and metal lid joining in step S6) are performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas, for example. Or it is preferable to carry out in a decompression space. As a result, the inside of the cavity T formed by the
As described above, the plurality of piezoelectric devices 1 are formed in a matrix on the
次に、ステップS7の分割工程において、上述したステップS6までのステップを経たグリーンシート51を分割して複数の個片の圧電デバイス1を同時に得る。
分割ステップにより得られた圧電デバイス1は、ステップS8において、電気的特性や外観品質の検査を行なうことにより完成され、一連の圧電デバイス1の製造工程を終了する。
上記実施形態の圧電デバイスの製造方法によれば、セラミック基板10上に形成したヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13上に金属蓋体の当接脚部19cを載置した状態でレーザー光によって当接脚部19cを加熱するようにしたので、当接脚部下面に予め配置された銀ロウ19Bによってメタライズ層と当接脚部との接合が行われる。
緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13をセラミック基材11と金属蓋体との間に介在させることにより、セラミック基材11と金属蓋体19との温度低下割合の差をメタライズ層13によって緩和することができる。このため、セラミック基材11にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。
Next, in the dividing step of step S7, the
The piezoelectric device 1 obtained by the dividing step is completed by inspecting electrical characteristics and appearance quality in step S8, and a series of manufacturing processes of the piezoelectric device 1 is completed.
According to the method for manufacturing a piezoelectric device of the above-described embodiment, a laser beam is used in a state where the
By interposing the metallized
上記実施形態および変形例で説明した特定の形態、例えば、セラミック基板10、あるいは電子部品としての圧電振動片20などの形状は限定されるものではない。
同様に、各電極、配線、端子などの位置や形状についても上記実施形態およびに限定されない。
また、上記実施形態および変形例では、電子デバイスの一例として、電子部品としての圧電振動片20を搭載した圧電デバイス1、40について説明した。しかし、これに限らず、上記実施形態および変形例に示す構成は、電子部品として半導体回路素子など種々の電子部品を基板に接合し、その電子部品を金属蓋体により気密封止する構造の様々な電子デバイスのパッケージ構造に適用することができる。
具体的には例えば、水晶振動子等の圧電振動子のパッケージのキャビティーT内部、或いはパッケージ外部に発振回路を構成する半導体回路素子を組み込んだ圧電発振器のパッケージ構造に対しても本発明を適用することができる。
The specific forms described in the above embodiments and modifications, for example, the shape of the
Similarly, the position and shape of each electrode, wiring, terminal, etc. are not limited to the above embodiment.
In the embodiment and the modification, the
Specifically, for example, the present invention is applied to a package structure of a piezoelectric oscillator in which a semiconductor circuit element constituting an oscillation circuit is incorporated inside a cavity T of a package of a piezoelectric vibrator such as a crystal vibrator or outside the package. can do.
即ち、図7は本発明の電子デバイスの他の構成例としての圧電発振器を示す断面図である。なお、図1、図2と同一部分には同一符号を付して説明する。
図7に示すように、水晶振動子等の圧電振動子のパッケージのキャビティーT内部、或いはパッケージ外部に発振回路を構成する半導体回路素子61を組み込んだ圧電発振器60のパッケージ構造に対しても本発明を適用することができる。
この圧電発振器においても、緩衝層として機能するヤング率が200GPa以下であるメタライズ層13をセラミック基材11と金属蓋体19との間に介在させることにより、セラミック基材と金属蓋体との温度低下割合の差をメタライズ層によって緩和することができる。このため、セラミック基材にクラックが形成されたり、配線材料が剥離することを効果的に防止できる。
That is, FIG. 7 is a sectional view showing a piezoelectric oscillator as another configuration example of the electronic device of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the same part as FIG. 1, FIG.
As shown in FIG. 7, the present invention is also applied to a package structure of a
Also in this piezoelectric oscillator, by interposing the metallized
次に、図8は本発明に係る電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器70は上記の圧電デバイス1、40を備えている。圧電デバイス1、40を用いた電子機器70としては、伝送機器等を挙げることができる。これらの電子機器70において圧電デバイスは、基準信号源、或いは電圧可変型圧電発振器(VCXO)等として用いられ、小型で、良好な電子機器を提供できる。
Next, FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing the configuration of the electronic apparatus according to the present invention. The
1…圧電デバイス、10…セラミック基板、11…セラミック基材、12…外周上面、13…メタライズ層、14…ニッケル薄膜、15…金薄膜、16…外部実装端子、18…振動片接合端子、19…金属蓋体、19A…基材、19B…ロウ材(銀ロウ)、19C…ニッケル膜、19a…水平部、19b…側壁部、19c…当接脚部、20…圧電振動片、25…励振電極、26…外部接続電極、30…接合部材、40…圧電デバイス、41…凹陥部、42…環状外枠、51…グリーンシート、60…圧電発振器、61…半導体回路素子、70…電子機器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric device, 10 ... Ceramic substrate, 11 ... Ceramic base material, 12 ... Outer peripheral upper surface, 13 ... Metallized layer, 14 ... Nickel thin film, 15 ... Gold thin film, 16 ... External mounting terminal, 18 ... Vibrating piece joint terminal, 19 ... Metal lid, 19A ... Base material, 19B ... Brazing material (silver brazing), 19C ... Nickel film, 19a ... Horizontal part, 19b ... Side wall part, 19c ... Contact leg part, 20 ... Piezoelectric vibrating piece, 25 ... Excitation Electrode, 26... External connection electrode, 30. Bonding member, 40... Piezoelectric device, 41.
Claims (8)
前記配線に接合されている電子部品と、
ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層を介して、前記セラミック基板と周縁部において接合されて、平面視で前記電子部品を覆っている金属蓋体と、
を備えていることを特徴とする電子デバイス。 A ceramic substrate with wiring on the surface;
An electronic component joined to the wiring;
A metal lid that is bonded to the ceramic substrate at a peripheral portion through a metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less and covers the electronic component in plan view;
An electronic device comprising:
金属蓋体の周縁部と接合するための、ヤング率が200GPa以下であるメタライズ層と、
を表面に備えていることを特徴とするセラミック基板。 Wiring for joining electronic components;
A metallized layer having a Young's modulus of 200 GPa or less for bonding to the peripheral portion of the metal lid;
Is provided on the surface of the ceramic substrate.
前記電子部品、前記セラミック基板、及び前記金属蓋体を夫々準備する工程と、
前記配線上に前記電子部品を接合する工程と、
前記セラミック基板に前記金属蓋体を接合して前記電子部品を収容する内部空間を形成する工程と、
を備え、
前記内部空間を形成する工程では、前記メタライズ層上に、前記金属蓋体を配置してから、レーザー光、又は電子ビームを前記金属蓋体側から照射して前記ロウ材を溶融させることを特徴とする電子デバイスの製造方法。 A method for manufacturing an electronic device according to any one of claims 2 to 4,
Preparing the electronic component, the ceramic substrate, and the metal lid, respectively;
Bonding the electronic component on the wiring;
Bonding the metal lid to the ceramic substrate to form an internal space for accommodating the electronic component;
With
In the step of forming the internal space, the metal lid is disposed on the metallized layer, and then the brazing material is melted by irradiating a laser beam or an electron beam from the metal lid side. A method for manufacturing an electronic device.
半導体素子を備えていることを特徴とする圧電発振器。 The electronic device according to any one of claims 1 to 4 is a piezoelectric vibrator,
A piezoelectric oscillator comprising a semiconductor element.
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