JP2014187341A - 電子デバイス及びそのガラス封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性ろう材を使用しなくてもガラス封止材だけで十分な接合強度が得られる、電子デバイス及びそのガラス封止方法を提供する。
【解決手段】 水晶デバイス１０は、素子搭載部材２０、蓋部材３０、水晶振動素子４０及びガラス封止材５０を備えている。ガラス封止材５０は、蓋部材３０の一方の主面３１側の周縁と素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁との間に環状に設けられ、空間１１内を真空に保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、素子搭載部材と蓋部材とによって形成された空間内に電子部品素子を収容した構造の電子デバイス、及びその電子デバイスを製造する際のガラス封止方法に関する。

電子デバイスは、一般的に、電子機器に用いられている。特に、移動通信機器等の電子機器には、電子デバイスの一例である水晶デバイスが多く用いられている。例えば特許文献１には、素子搭載部材と蓋部材とをガラス封止材により接合し、その空間内に電子部品素子としての水晶振動素子を収容した水晶デバイスが開示されている。

図７に示す従来技術の水晶デバイス９０は、素子搭載部材９２、蓋部材９３、水晶振動素子９４、ガラス封止材９５及び活性ろう材９６を備えており、素子搭載部材９２と蓋部材９３とがガラス封止材９５により接合され、素子搭載部材９２と蓋部材９３とで形成された空間９１内に水晶振動素子９４が気密封止された構造となっている。蓋部材９３は金属からなり、素子搭載部材９２はセラミックスからなる。

水晶デバイス９０を製造する際のガラス封止方法は、蓋部材９３に金属メッキを施し、その上に活性ろう材９６を塗布し、更にその上にガラス封止材９５を塗布し、水晶振動素子９４を搭載した素子搭載部材９２に蓋部材９３を重ね合せ、大気圧雰囲気中で加熱することによりガラス封止材９５を溶融して蓋部材９３と素子搭載部材９２とを接合する、というものである。蓋部材９３とガラス封止材９５との間に活性ろう材９６を設ける理由は、蓋部材９３と素子搭載部材９２との接合強度を向上させるためである。

蓋部材９３への活性ろう材９６の形成は、例えば以下に述べる方法により行なわれる。まず、蓋部材９３のガラス封止材９５との接合面に、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの一種以上の活性金属を含有するペースト状のろう材をスクリーン印刷法やカレンダーロール法等により７０［μｍ］程度の厚さに印刷塗布する。次いで、印刷塗布した活性金属を含有するペースト状のろう材を乾燥した後、還元雰囲気の熱処理炉にて約８００［℃］の温度で６０分間加熱することにより、層厚が５５［μｍ］程度の活性ろう材９６が形成される。なお、その際に、活性ろう材９６の表面に、膜厚が３［μｍ］程度の活性金属の水素化物層が形成される。

特許第３８１１４２３号公報

前述のように、従来技術の水晶デバイス９０では、蓋部材９３と素子搭載部材９２との接合強度を十分なものとするために、蓋部材９３とガラス封止材９５との間に活性ろう材９６を設ける必要があった。しかしながら、活性ろう材９６を形成するには、原材料が高価であるばかりか、専用のスクリーン印刷設備や還元雰囲気の熱処理炉が必要になり、しかも約８００［℃］かつ６０分間という高温かつ長時間の熱処理を要する。そのため、活性ろう材９６を使用することにより、製造工程が複雑化し、製造コストもアップしてしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、活性ろう材を使用しなくてもガラス封止材だけで十分な接合強度が得られる、電子デバイス及びそのガラス封止方法を提供することにある。

本発明に係る電子デバイスは、
表裏の関係にある一方及び他方の主面と、この一方の主面側に設けられた搭載パッドと、この搭載パッドに電気的に導通するとともに前記他方の主面側に設けられた外部接続端子と、を有する素子搭載部材と、
表裏の関係にある一方及び他方の主面を有し、この一方の主面側が前記素子搭載部材の前記一方の主面側に重ねられ、前記素子搭載部材とともに空間を形成する蓋部材と、
前記搭載パッドに電気的に接続された接続端子を有するとともに、前記空間内に収容された電子部品素子と、
前記蓋部材の前記一方の主面側の周縁と前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁との間に環状に設けられ、前記空間内を真空に保持するガラス封止材と、
を備えたものである。

本発明に係る電子デバイスのガラス封止方法は、
本発明に係る電子デバイスを製造する際のガラス封止方法であって、
前記蓋部材の前記一方の主面側の周縁と前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁との少なくとも一方に、前記ガラス封止材を形成する封止材形成工程と、
前記電子部品素子が搭載された前記素子搭載部材の前記一方の主面側に、前記蓋部材の前記一方の主面側を、前記ガラス封止材を挟んで重ね合わせることにより、前記電子部品素子を前記空間内に収納する蓋部材配置工程と、
前記ガラス封止材を真空中で加熱することにより当該ガラス封止材を溶融又は軟化させ、当該ガラス封止材を再び硬化させることにより前記空間内を真空に保持したまま前記素子搭載部材と前記蓋部材とを接合する接合工程と、
を含むものである。

本発明に係る電子デバイス及びそのガラス封止方法によれば、蓋部材と素子搭載部材とによって形成された空間内をガラス封止材が真空に保持していることにより、蓋部材と素子搭載部材とを密着させようとする大気圧の力が働くため、活性ろう材を使用しなくてもガラス封止材だけで、蓋部材と素子搭載部材との十分な接合強度が得られる。そのため、活性ろう材形成工程を省略できることにより、製造工程を簡素化できるとともに、製造コストも低減できる。

実施形態１の水晶デバイスを示す分解斜視図である。 実施形態１の水晶デバイスを示す図１におけるII−II線断面図である。 図３［Ａ］は実施形態１の水晶デバイスの変形例を示す部分拡大断面図であり、図３［Ｂ］はその比較例を示す部分拡大断面図である。 実施形態２のガラス封止方法を示す断面図であり、図４［Ａ］は封止材形成工程であり、図４［Ｂ］は素子搭載工程であり、図４［Ｃ］は蓋部材配置工程である。 実施形態２のガラス封止方法における接合工程を示す概略構成図である。 低融点ガラスを用いて真空度、加熱温度及び加熱時間を変えて作成した試料について、封止性及び結晶化を調べた結果を示す図表である。図６［１］は加熱時間を一定にした場合であり、図６［２］は加熱温度を一定にした場合である。 従来技術の水晶デバイスを示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。以下、電子部品素子の一例として水晶振動素子、電子デバイスの一例として水晶デバイスを採り上げて説明する。また、本発明に係る電子デバイスの一実施形態を「実施形態１の水晶デバイス」とし、本発明に係る電子デバイスのガラス封止方法の一実施形態を「実施形態２のガラス封止方法」として説明する。

図１は、実施形態１の水晶デバイスを示す分解斜視図である。図２は、実施形態１の水晶デバイスを示す図１におけるII−II線断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

図１は封止材形成工程後かつ素子搭載工程前の状態を示し、図２は接合工程後の状態を示している。これらの各工程については後述する。まず、本実施形態１の水晶デバイス１０の概要を説明する。

水晶デバイス１０は、素子搭載部材２０、蓋部材３０、水晶振動素子４０及びガラス封止材５０を備えている。素子搭載部材２０は、表裏の関係にある一方の主面２１及び他方の主面２２と、一方の主面２１側に設けられた搭載パッド２３と、搭載パッド２３に電気的に導通するとともに他方の主面２２側に設けられた外部接続端子２４と、を有する。蓋部材３０は、表裏の関係にある一方の主面３１及び他方の主面３２を有し、一方の主面３１側が素子搭載部材２０の一方の主面２１側に重ねられ、素子搭載部材２０とともに空間１１を形成する。水晶振動素子４０は、搭載パッド２３に電気的に接続された接続端子４１を有するとともに、空間１１内に収容されている。ガラス封止材５０は、蓋部材３０の一方の主面３１側の周縁と素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁との間に環状に設けられ、空間１１内を真空に保持する。

次に、本実施形態１の水晶デバイス１０について更に詳しく説明する。

水晶デバイス１０は、水晶振動素子４０が素子搭載部材２０に搭載された状態で、素子搭載部材２０と蓋部材３０とがガラス封止材５０によって接合され、素子搭載部材２０と蓋部材３０とで形成される空間１１内に水晶振動素子４０が気密封止された構造となっている。

水晶振動素子４０は、接続端子４１と水晶片４２と励振電極４３とから構成されており、水晶片４２の両主面に励振電極４３が設けられ、励振電極４３から水晶片４２の主面の端部にまで延びるように接続端子４１が設けられている。

蓋部材３０は、例えば４２アロイやコバール（Kovar）などの金属又はセラミックスからなり、一方の主面３１及び他方の主面３２が矩形形状の平板となっている。

素子搭載部材２０は、例えばセラミックスからなり、基板部２５と枠部２６とを有する。枠部２６は、基板部２５の一方の主面２１側の周縁に沿って環状に設けられている。また、素子搭載部材２０は、空間１１の底面となる一方の主面２１側に搭載パッド２３が設けられ、他方の主面２２側に外部接続端子２４が設けられている。搭載パッド２３は、水晶振動素子４０の接続端子４１に対向する位置に設けられ、導電性接着材２７によって接続端子４１に電気的に接続されている。外部接続端子２４は、素子搭載部材２０の内部配線２８（図２）を介して搭載パッド２３に電気的に接続されている。

したがって、素子搭載部材２０には水晶振動素子４０が搭載され、水晶振動素子４０は空間１１内に収納されつつ接続端子４１が搭載パッド２３に電気的に接続されている。なお、蓋部材３０が平板状、素子搭載部材２０が凹部を有する構造になっているが、これとは逆に、蓋部材３０が凹部を有する構造、素子搭載部材２０が平板状としてもよい。

また、ガラス封止材５０は、素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁に沿って環状に形成されている。素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁とは、枠部２６の突端面２６１である。これにより、蓋部材３０の一方の主面３１側は、素子搭載部材２０の一方の主面２１側に接した状態で、ガラス封止材５０によって接合されている。なお、ガラス封止材５０は、素子搭載部材２０に代えて又は素子搭載部材２０とともに、蓋部材３０に形成してもよい。

また、環状に形成されているガラス封止材５０は、溶融又は軟化の後に再び硬化することにより、蓋部材３０と素子搭載部材２０とを接合している。このとき、蓋部材３０と素子搭載部材２０とで形成される空間１１内に、素子搭載部材２０に搭載されている水晶振動素子４０が気密封止されている。

ガラス封止材５０は、例えば、酸化鉛系ガラスや燐酸塩系ガラスなどの低融点ガラスからなる。ガラス封止材５０を用いた場合は、金属封止材を用いた場合に比べて、耐酸化性及び耐湿性に優れる。

次に、本実施形態１の水晶デバイス１０の作用及び効果について説明する。

（１）蓋部材３０と素子搭載部材２０とによって形成された空間１１内をガラス封止材５０が真空に保持していることにより、蓋部材３０と素子搭載部材２０とを密着させようとする大気圧の力が働くため、活性ろう材を使用しなくてもガラス封止材５０だけで、蓋部材３０と素子搭載部材２０との十分な接合強度が得られる。そのため、活性ろう材形成工程を省略できることにより、製造工程を簡素化できるとともに、製造コストも低減できる。なお、ここでいう「真空」とは、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standard）による「大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間内の状態」である。

（２）空間１１内の真空度は、３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上であることが好ましい。空間１１内の真空度を３０［Ｐａ］以下とした理由は、大気圧との差をより大きくして、より十分な接合強度を得るためである。空間１１内の真空度を０．００１［Ｐａ］以上とした理由は、比較的簡素な設備でもその真空度に到達できるからである。

（３）蓋部材３０はガラス封止材５０に接する面が酸化層からなり、ガラス封止材５０は酸化鉛を含み、蓋部材３０とガラス封止材５０とが接する面において、酸化層に含まれる酸素とガラス封止材５０に含まれる鉛とが化学的に結合している場合は、その化学的結合によって蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度がより強固になる。そのような化学的結合は、後述するように、実施形態２のガラス封止方法によって得ることができる。よって、蓋部材３０はセラミックスであってもよい。

図３［Ａ］は実施形態１の水晶デバイスの変形例を示す部分拡大断面図であり、図３［Ｂ］はその比較例を示す部分拡大断面図である。以下、図１乃至図３に基づき説明する。

図１及び図２に基づき、本変形例の前提となる蓋部材３０及び素子搭載部材２０の形状について説明する。蓋部材３０は平板状かつ矩形状である。素子搭載部材２０は、搭載パッド２３が設けられた平板状かつ矩形状の基板部２５と、基板部２５の周縁かつ素子搭載部材２０の一方の主面２１側に設けられた矩形状の枠部２６とからなる。枠部２６の矩形の外周は蓋部材３０の矩形の外周よりも大きい。素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁とは、枠部２６の突端面２６１である。

図３［Ａ］に基づき、本変形例の特徴について説明する。ガラス封止材５０は、枠部２６の突端面２６１から外側へはみ出していない。また、ガラス封止材５０は、蓋部材３０の一方の主面３１と他方の主面３２との間の側面３３に付着しており、かつ側面３３から枠部２６の突端面２６１までフリット状に付着している。このような本変形例の構造は、後述する実施形態２のガラス封止方法によって容易に得られる。本変形例のその他の構成は、前述の実施形態１と同様である。

図３［Ｂ］に基づき、比較例について説明する。ガラス封止材５１は、枠部２６の突端面２６１から外側へはみ出している。また、ガラス封止材５１は、蓋部材３０の一方の主面３１と他方の主面３２との間の側面３３に付着しておらず、そのため、側面３３から枠部２６の突端面２６１までフリット状に付着していない。このような比較例の構造は、例えば大気圧雰囲気中でガラス封止をすることにより得られる。なお、比較例における空間１１内は大気圧になっている。比較例のその他の構成は、本変形例と同様である。

図３［Ａ］［Ｂ］に基づき、本変形例の作用及び効果について説明する。

（１）比較例では、ガラス封止材５１が突端面２６１から外側へはみ出しているので、はみ出したガラス封止材５１が搬送用のトレイなどにぶつかって、ガラス封止材５１にクラックが生じることがあった。これに対し、本変形例では、ガラス封止材５０が突端面２６１から外側へはみ出していないので、搬送中などにガラス封止材５０にクラックが生じることを防止でき、これにより製造歩留りを向上できる。

（２）比較例では、ガラス封止材５１が側面３３に付着しておらず、そのため、ガラス封止材５１が側面３３から突端面２６１までフリット状に付着していない。これに対し、本変形例では、ガラス封止材５０が側面３３に付着しており、かつガラス封止材５０が側面３３から突端面２６１までフリット状に付着していることにより、ガラス封止材５０が蓋部材３０の側面３３及び一方の主面３１の両面に強固に付着するので、蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度をより向上できる。

（３）本変形例では、ガラス封止材５０が側面３３に付着しており、かつガラス封止材５０が側面３３から突端面２６１までフリット状に付着していることにより、蓋部材３０と素子搭載部材２０との間のガラス封止材５０の厚みが比較例に比べて薄くなる。そのため、本変形例におけるデバイスの高さｈａは、比較例におけるデバイスの高さｈｂよりも低くなる。したがって、本変形例によれば、デバイスの低背化すなわち小型化を達成できる。

図４は、実施形態２のガラス封止方法を示す断面図であり、図４［Ａ］は封止材形成工程であり、図４［Ｂ］は素子搭載工程であり、図４［Ｃ］は蓋部材配置工程である。図５は、実施形態２のガラス封止方法における接合工程を示す概略構成図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態２のガラス封止方法は、実施形態１の水晶デバイス１０を製造する際のガラス封止方法であり、次の工程を含む。

蓋部材３０の一方の主面３１側の周縁と素子搭載部材２０の一方の主面２１側の周縁との少なくとも一方に、ガラス封止材５０を形成する封止材形成工程（図４［Ａ］）。本実施形態２では、素子搭載部材２０にのみガラス封止材５０を形成する。

水晶振動素子４０が搭載された素子搭載部材２０（図４［Ｂ］）の一方の主面２１側に、蓋部材３０の一方の主面３１側を、ガラス封止材５０を挟んで重ね合わせることにより、水晶振動素子４０を空間１１内に収納する蓋部材配置工程（図４［Ｃ］）。本実施形態２では、素子搭載部材２０の一方の主面２１側は枠部２６の突端面２６１に相当する。

ガラス封止材５０を真空中で加熱することによりガラス封止材５０を溶融又は軟化させ、ガラス封止材５０を再び硬化させることにより空間１１内を真空に保持したまま素子搭載部材２０と蓋部材３０とを接合する接合工程（図５）。

次に、本実施形態２のガラス封止方法について具体的な一例を説明する。

接合工程における真空中の真空度が、３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上である。

蓋部材３０は平板状である。素子搭載部材２０は、搭載パッド２３が設けられた平板状の基板部２５と、基板部２５の周縁かつ素子搭載部材２０の一方の主面２１側に設けられた枠部２６とからなる。この場合、接合工程において、蓋部材３０の他方の主面３２側から赤外線で加熱することによりガラス封止材５０を真空中で加熱し、ガラス封止材５０を溶融又は軟化させる。

接合工程は、真空中の真空度を、ガラス封止材５０の硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変える工程を含む。ここでいう「高圧」には、大気圧未満の圧力、大気圧、及び、大気圧を超える圧力が含まれる。

次に、本実施形態２のガラス封止方法の各工程について更に詳しく説明する。

＜封止材形成工程（図４［Ａ］）＞
封止材形成工程は、一方の主面２１側に搭載パッド２３が設けられ、他方の主面２２側に搭載パッド２３と電気的に接続されている外部接続端子２４が設けられている素子搭載部材２０に対して、一方の主面２１の周縁に沿って環状にガラス封止材５０を形成する工程である。本実施形態２において一方の主面２１側の周縁とは、枠部２６の突端面２６１である。ガラス封止材５０は、例えば、ガラスフリットペーストを枠部２６の突端面２６１にスクリーン印刷法で塗布した後、これを乾燥させることによって形成する。

＜素子搭載工程（図４［Ｂ］）＞
素子搭載工程は、水晶振動素子４０の接続端子４１を素子搭載部材２０の搭載パッド２３に電気的及び機械的に接続することにより、水晶振動素子４０を素子搭載部材２０に搭載する工程である。素子搭載工程では、素子搭載部材２０の搭載パッド２３に導電性接着材２７を塗布し、導電性接着材２７に水晶振動素子４０の接続端子４１を接触させ、導電性接着材２７を硬化させることにより、搭載パッド２３と接続端子４１とを電気的に接続する。なお、この素子搭載工程は、水晶デバイスの製造方法の工程に含まれ、本実施形態２のガラス封止方法の工程には必ずしも含まれない。

＜蓋部材配置工程（図４［Ｃ］）＞
蓋部材配置工程は、素子搭載部材２０の一方の主面２１側すなわち枠部２６の突端面２６１に蓋部材３０の一方の主面３１側を接触させることにより、空間１１内に水晶振動素子４０を収納するように蓋部材３０を配置する工程である。

＜接合工程（図５）＞
図５は、接合工程で用いる真空加熱装置の一例を示す概略構成図である。真空加熱装置６０は、真空チャンバ６１、加熱源としてのハロゲンヒータ６２、真空ポンプ６３、真空計６４、パージガス供給源６５などを備えている。真空チャンバ６１には、ハロゲンヒータ６２が収容され、配管７１及びバルブ７２を介して真空ポンプ６３が接続され、配管７３を介して真空計６４が接続され、配管７４を介して大気開放用のバルブ７５が接続され、配管７６及びバルブ７７を介してパージガス供給源６５が接続されている。

次に、接合工程の詳しい一例について、図５を中心に説明する。

まず、素子搭載部材２０にガラス封止材５０を挟んで蓋部材３０が重ねられた状態の水晶デバイス１０（図４［Ｃ］）を、真空チャンバ６１の中に入れる。続いて、バルブ７２を「閉」とし、バルブ７５，７７を「開」とすることにより、真空チャンバ６１内の空気を窒素ガスで置き換える。続いて、バルブ７５，７７を「閉」とし、バルブ７２を「開」とし、真空ポンプ６３を「オン」とすることにより、真空引きを開始する。このとき、ガラス封止材５０はガラスフリットペーストが塗布及び乾燥された状態であるので、ガラス封止材５０と蓋部材３０とには微細な隙間が生じている。その隙間から気体が出入りすることから、真空チャンバ６１内の真空度と水晶デバイス１０の空間１１（図４［Ｃ］）内の真空度とはほぼ等しくなる。

そして、真空計６４による真空度が例えば３０［Ｐａ］以下になったら、ハロゲンヒータ６２を「オン」にして加熱を開始する。つまり、蓋部材３０の他方の主面３２側から赤外線６６で加熱することにより、ガラス封止材５０を真空中で加熱し、ガラス封止材５０を溶融又は軟化させる。続いて、ハロゲンヒータ６２を「オン」にしてから所定時間が経過したら、ハロゲンヒータ６２を「オフ」にして加熱を終了する。このとき、真空チャンバ６１内の真空度を、ガラス封止材５０の硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変えてもよい。具体的には、ハロゲンヒータ６２を「オフ」にしてから所定時間後に、バルブ７７を「開」とすることにより真空チャンバ６１内に窒素ガスを導入するか、あるいは、バルブ７５，７７を「開」とすることにより真空チャンバ６１内を大気圧の窒素ガスで満たす。また、バルブ７２，７５を「閉」かつバルブ７７を「開」とすることにより、大気圧を超える窒素ガスで真空チャンバ６１内を満たすこともできる。最後に、素子搭載部材２０と蓋部材３０とがガラス封止材５０によって接合された状態の水晶デバイス１０（図２）を、真空チャンバ６１の中から取り出す。

次に、本実施形態２のガラス封止方法の作用及び効果について説明する。

（１）ガラス封止材５０を真空中で加熱することによりガラス封止材５０を溶融又は軟化させ、ガラス封止材５０を再び硬化させることにより空間１１内を真空に保持したまま素子搭載部材２０と蓋部材３０とを接合することにより、空間１１内を真空に保持した水晶デバイス１０を得ることができる。そのため、前述したように、活性ろう材を使用しなくてもガラス封止材５０だけで、蓋部材３０と素子搭載部材２０との十分な接合強度が得られるので、活性ろう材形成工程を省略できることにより、製造工程を簡素化できるとともに、製造コストも低減できる。なお、本実施形態２によれば、活性ろう材形成工程を省略できる一方で、真空設備が必要になるなど接合工程が多少複雑化する。しかし、活性ろう材形成工程の省略化による簡素化に比べれば、接合工程の複雑化はわずかであるので、全体として製造工程を簡素化できる。

（２）接合工程における真空中の真空度を３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上とした場合は、空間１１内の真空度を３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上にできるので、前述したように、比較的簡素な設備でより十分な蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度を得ることできる。

（３）接合工程においてガラス封止材５０を例えば蓋部材３０側から加熱する場合、加熱源から発生した熱は蓋部材３０を経てガラス封止材５０に伝わる。このとき、従来技術では、大気圧雰囲気中で水晶デバイスを加熱することにより、蓋部材に供給された熱が大気圧雰囲気中にも大気への伝熱により逃げるので、その分、蓋部材を高温にしなければガラス封止材を所望の温度に加熱できない。これに対し、本実施形態２では、真空中で水晶デバイス１０を加熱することにより、蓋部材３０に供給された熱は、真空中にはほとんど逃げず、その多くが蓋部材３０を経てガラス封止材５０に伝わる。つまり、本実施形態２によれば、接合工程における蓋部材３０とガラス封止材５０との温度差が小さくなることにより熱ストレスを緩和できるので、製造工程中に生じる損傷を低減でき、これにより蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度をより向上できる。

（４）接合工程において真空中の真空度を、ガラス封止材５０の硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変える場合は、ガラス封止材５０が溶融又は軟化して空間１１内を気密に保ったまま空間１１外の気圧が高くなることにより、蓋部材３０と素子搭載部材２０とを密着させようとする力が働く。その結果、溶融又は軟化しているガラス封止材５０が押し広げられ、ガラス封止材５０の付着面積が増加するので、蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度をより向上できる。

（５）接合工程において真空中の真空度を、ガラス封止材５０の硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変える場合は、真空度を高圧に変える際に、その真空度を調整することにより、図３［Ａ］に示す構造が得られる。つまり、真空度を高圧に変える際に、その真空度を調整することにより、ガラス封止材５０を空間１１内へ押し込む力が十分に働くので、ガラス封止材５０が枠部２６の突端面２６１から外側へはみ出ない構造（図３［Ａ］）が得られる。また、蓋部材３０と素子搭載部材２０とを密着させようとする力が一定以上加わると、例えば図２に示す状態から図３［Ａ］に示す状態に変化する。つまり、真空度を高圧に変える際に、その真空度を調整することにより、ガラス封止材５０が蓋部材３０の側面３３に付着し、かつガラス封止材５０が側面３３から枠部２６の突端面２６１までフリット状に付着する構造（図３［Ａ］）が得られる。

（６）接合工程において真空中の真空度を、ガラス封止材５０の硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変える場合は、真空度を高圧に変える際に、その真空度を調整することにより、ガラス封止材５０の中に生じたボイドを除去することができる。接合工程においてガラス封止材５０を真空中で加熱・溶融・軟化させると、水晶デバイス１０の空間１１（図４［Ｃ］）内に残留していた僅かな気体が、溶融・軟化しているガラス封止材５０の中へ侵入し気泡となって外へ抜け出ようとする。この状態で真空中で冷却すると、硬化したガラス封止材５０の中に気泡がボイドとして残ることになる。このボイドは、接合強度低下の要因になる。そこで、ガラス封止材５０の硬化が終了する前に高圧を加えることによって、このボイドを除去する。ここでの「高圧」は大気圧であることが、十分な圧力が得られること、操作が簡単であること及び急冷による効果も期待できることから、望ましい。ここで「急冷による効果」とは、ガラス封止材５０が大気圧の気体によって急冷されることにより、ガラス封止材５０が急速に硬化するので、ガラス封止材５０への気泡の侵入が速やかに抑えられるということである。急冷の温度プロファイルは、例えば１００［℃／ｍｉｎ］である。

（７）接合工程においてガラス封止材５０を真空中で加熱する際に、真空中の真空度並びに加熱の温度及び時間を、ガラス封止材５０の結晶化が起きない範囲内とすることにより、ガラス封止材５０の結晶化によるガラス封止材５０の強度低下を防止できる。

図６に基づき詳しく説明する。図６は、低融点ガラスを用いて「真空度、加熱温度及び加熱時間」を変えて作成した試料について、「封止性及び結晶化」を調べた結果を示す図表である。図６［１］は加熱時間を３０［ｍｉｎ］一定にした場合であり、図６［２］は加熱温度を３３０［℃］一定にした場合である。作成した試料について、接合強度が許容値以上であれば封止ＯＫとし、許容値未満であれば封止ＮＧとした。このときに使用した低融点ガラスの組成は、熱膨張率調整用のフィラーを除くと次のとおりである。酸化鉛（ＰｂＯ）５５［ｗｔ％］、フッ化鉛（ＰｂＦ２）１８［ｗｔ％］、二酸化チタン（ＴｉＯ２）６［ｗｔ％］、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）４［ｗｔ％］、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）５［ｗｔ％］、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）３［ｗｔ％］、酸化亜鉛（ＺｎＯ）３［ｗｔ％］、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）３［ｗｔ％］、酸化銅（ＣｕＯ）２［ｗｔ％］、酸化カルシウム（ＣａＯ）１［ｗｔ％］。なお、この低融点ガラスの封止推奨温度は３２０［℃］である。

この結果から明らかなように、真空度は高いほど、加熱温度は高いほど、加熱時間は長いほど、それぞれ低融点ガラスの結晶化が起きやすくなった。その理由は、真空度が高いほど、加熱温度が高いほど、加熱時間が長いほど、低融点ガラス中の酸素が気相中へ拡散することにより、低融点ガラスの化学組成が変化して結晶化しやすくなるため、と考えられる。なお、低融点ガラスが結晶化すると、その部分が脆くなって接合強度が低下した。

真空度は、前述したように大気圧との差を大きくして十分な接合強度を得るためには、できるだけ高い方が望ましい。その一方、図６に示すように、真空度を高くするほど、ガラス封止材５０が結晶化することにより接合強度が低下する。例えば、加熱温度を３３０［℃］とした場合、真空度１［Ｐａ］では２０［ｍｉｎ］以上で結晶化し、真空度０．０１［Ｐａ］以下では５［ｍｉｎ］以上で結晶化する。そこで、封止性を考慮すると、加熱温度を３３０［℃］とした場合、真空度は０．０１［Ｐａ］以下、加熱時間は１〜５［ｍｉｎ］（より望ましくは１［ｍｉｎ］）とすることが望ましい。

（８）蓋部材３０のガラス封止材５０に接する面が酸化層からなり、ガラス封止材５０が酸化鉛を含む場合は、蓋部材３０とガラス封止材５０とが接する面において、酸化層に含まれる酸素とガラス封止材５０に含まれる鉛とが接合工程において化学的に結合するので、その化学的結合によって蓋部材３０と素子搭載部材２０との接合強度をより強固にできる。例えば、蓋部材３０が表面にニッケルめっき層を有する４２アロイからなるとき、そのニッケルめっき層の表面には大気中の酸素によって自然にニッケル酸化層が形成されている。一方、一般的な低融点ガラスからなるガラス封止材５０には、酸化鉛が含まれている。酸化鉛がガラスに低融点性を賦与する理由は、Ｐｂ−Ｏ結合が珪酸塩ガラスのＳｉ−Ｏ結合に比べて弱く低温で容易に解離するため、かつ、鉛原子上に非共有電子対が存在するのでこれらが互いに反発することによりネットワーク形成を阻害するため、と言われている。このような酸化鉛の性質に関連して、接合工程においてガラス封止材５０を真空中で加熱すると、酸化鉛が酸素と鉛に解離し、その鉛がニッケル酸化層の酸素と結合する、と考えられる。なお、ガラス封止材５０を大気中で加熱すると、酸化鉛が酸素と鉛に解離しても大気から酸素が供給されることにより、その鉛がニッケル酸化層の酸素と結合することはない。また、ガラス封止材５０を還元雰囲気で加熱すると、ガラス封止材５０に含まれる酸化鉛などの酸化物が還元されることにより、ガラス封止材５０の化学組成が変化して強度が低下する。

次に、図２に示す本実施形態２によって得られた水晶デバイス１０と、図７に示す従来技術の水晶デバイス９０とについて、引張試験を行った結果について説明する。

試験方法は次のとおりである。まず、水晶デバイス１０，９０をそれぞれ１０個ずつ用意する。そして、それぞれの蓋部材３０，９３の露出している主面の全体に、リング状の銅線をはんだ付けする。続いて、素子搭載部材２０，９２を押さえつつ、リング状の銅線にプッシュプルゲージのフックを引っ掛けて、蓋部材３０，９３が剥がれるまでリング状の針金を５［ｍｍ／ｍｉｎ］で引っ張る。

試験結果は次のとおりである。従来技術の水晶デバイス９０の破断点の平均値は、６．４［Ｎ］であった。本実施形態２の水晶デバイス１０の破断点の平均値は、１７．２［Ｎ］であった。つまり、本実施形態２によれば、活性ろう材を用いていないにもかかわらず、従来技術の約３倍の破断強度が得られた。また、本実施形態２において破断した蓋部材３０には、全てにガラスフリットが付着していた。これは、ガラス封止材５０と蓋部材３０との界面での剥離ではなく、ガラス封止材５０のバルク破壊が発生したことを示しており、活性ろう材を用いなくてもガラス封止材５０と蓋部材３０との十分な接合強度が得られることを意味する。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。例えば、電子部品素子として、セラミックスからなる圧電振動素子や、コンデンサ素子、半導体素子などを用いてもよい。電子デバイスは、複数の電子部品素子を収容するものとしてもよい。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

１０ 水晶デバイス（電子デバイス）
１１ 空間
２０ 素子搭載部材
２１ 一方の主面
２２ 他方の主面
２３ 搭載パッド
２４ 外部接続端子
２５ 基板部
２６ 枠部
２６１ 突端面
２７ 導電性接着材
２８ 内部配線
３０ 蓋部材
３１ 一方の主面
３２ 他方の主面
３３ 側面
４０ 水晶振動素子（電子部品素子）
４１ 接続端子
４２ 水晶片
４３ 励振電極
５０，５１ ガラス封止材

６０ 真空加熱装置
６１ 真空チャンバ
６２ ハロゲンヒータ
６３ 真空ポンプ
６４ 真空計
６５ パージガス供給源
６６ 赤外線
７１，７３，７４，７６ 配管
７２，７５，７７ バルブ

９０ 水晶デバイス
９１ 空間
９２ 素子搭載部材
９３ 蓋部材
９４ 水晶振動素子
９５ ガラス封止材
９６ 活性ろう材

Claims (13)

1. 表裏の関係にある一方及び他方の主面と、この一方の主面側に設けられた搭載パッドと、この搭載パッドに電気的に導通するとともに前記他方の主面側に設けられた外部接続端子と、を有する素子搭載部材と、
   表裏の関係にある一方及び他方の主面を有し、この一方の主面側が前記素子搭載部材の前記一方の主面側に重ねられ、前記素子搭載部材とともに空間を形成する蓋部材と、
   前記搭載パッドに電気的に接続された接続端子を有するとともに、前記空間内に収容された電子部品素子と、
   前記蓋部材の前記一方の主面側の周縁と前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁との間に環状に設けられ、前記空間内を真空に保持するガラス封止材と、
   を備えた電子デバイス。
2. 前記空間内の真空度が３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上である、
   請求項１記載の電子デバイス。
3. 前記蓋部材は平板状かつ矩形状であり、
   前記素子搭載部材は、前記搭載パッドが設けられた平板状かつ矩形状の基板部と、この基板部の周縁かつ当該素子搭載部材の前記一方の主面側に設けられた矩形状の枠部とからなり、
   前記枠部の矩形の外周は前記蓋部材の矩形の外周よりも大きく、
   前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁とは、前記枠部の突端面であり、
   前記ガラス封止材は、前記枠部の突端面から外側へはみ出していない、
   請求項１又は２記載の電子デバイス。
4. 前記蓋部材は平板状かつ矩形状であり、
   前記素子搭載部材は、前記搭載パッドが設けられた平板状かつ矩形状の基板部と、この基板部の周縁かつ当該素子搭載部材の前記一方の主面側に設けられた矩形状の枠部とからなり、
   前記枠部の矩形の外周は前記蓋部材の矩形の外周よりも大きく、
   前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁とは、前記枠部の突端面であり、
   前記ガラス封止材は、前記蓋部材の前記一方の主面と前記他方の主面との間の側面に付着しており、かつ当該側面から前記枠部の前記突端面までフリット状に付着している、
   請求項１乃至３のいずれか一つに記載の電子デバイス。
5. 前記蓋部材は前記ガラス封止材に接する面が酸化層からなり、
   前記ガラス封止材は酸化鉛を含み、
   前記蓋部材と前記ガラス封止材とが接する面において、前記酸化層に含まれる酸素と前記ガラス封止材に含まれる前記鉛とが化学的に結合している、
   請求項１乃至４のいずれか一つに記載の電子デバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の電子デバイスを製造する際のガラス封止方法であって、
   前記蓋部材の前記一方の主面側の周縁と前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁との少なくとも一方に、前記ガラス封止材を形成する封止材形成工程と、
   前記電子部品素子が搭載された前記素子搭載部材の前記一方の主面側に、前記蓋部材の前記一方の主面側を、前記ガラス封止材を挟んで重ね合わせることにより、前記電子部品素子を前記空間内に収納する蓋部材配置工程と、
   前記ガラス封止材を真空中で加熱することにより当該ガラス封止材を溶融又は軟化させ、当該ガラス封止材を再び硬化させることにより前記空間内を真空に保持したまま前記素子搭載部材と前記蓋部材とを接合する接合工程と、
   を含む電子デバイスのガラス封止方法。
7. 前記真空中の真空度が３０［Ｐａ］以下かつ０．００１［Ｐａ］以上である、
   請求項６記載の電子デバイスのガラス封止方法。
8. 前記蓋部材は平板状であり、
   前記素子搭載部材は、前記搭載パッドが設けられた平板状の基板部と、この基板部の周縁かつ当該素子搭載部材の前記一方の主面側に設けられた枠部とからなり、
   前記接合工程において、前記蓋部材の前記他方の主面側から赤外線で加熱することにより前記ガラス封止材を真空中で加熱し、前記ガラス封止材を溶融又は軟化させる、
   請求項６又は７記載の電子デバイスのガラス封止方法。
9. 前記接合工程は、前記真空中の真空度を、前記硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変える工程を含む、
   請求項６乃至８のいずれか一つに記載の電子デバイスのガラス封止方法。
10. 前記蓋部材は平板状かつ矩形状であり、
    前記素子搭載部材は、前記搭載パッドが設けられた平板状かつ矩形状の基板部と、この基板部の周縁かつ当該素子搭載部材の前記一方の主面側に設けられた矩形状の枠部とからなり、
    前記枠部の矩形の外周は前記蓋部材の矩形の外周よりも大きく、
    前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁とは、前記枠部の突端面であり、
    前記接合工程では、前記真空中の真空度を、前記硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変えることにより、前記ガラス封止材を前記枠部の突端面から外側へはみ出ないように押し込む、
    請求項６乃至９のいずれか一つに記載の電子デバイスのガラス封止方法。
11. 前記蓋部材は平板状かつ矩形状であり、
    前記素子搭載部材は、前記搭載パッドが設けられた平板状かつ矩形状の基板部と、この基板部の周縁かつ当該素子搭載部材の前記一方の主面側に設けられた矩形状の枠部とからなり、
    前記枠部の矩形の外周は前記蓋部材の矩形の外周よりも大きく、
    前記素子搭載部材の前記一方の主面側の周縁とは、前記枠部の突端面であり、
    前記接合工程では、前記真空中の真空度を、前記硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変えることにより、前記蓋部材の前記一方の主面と前記他方の主面との間の側面に前記ガラス封止材を付着させ、かつ当該側面から前記枠部の前記突端面までフリット状に当該ガラス封止材を付着させる、
    請求項６乃至７のいずれか一つに記載の電子デバイスのガラス封止方法。
12. 前記接合工程では、前記真空中の真空度を、前記硬化が終了する前にそれまでよりも高圧に変えることにより、前記ガラス封止材の中に生じたボイドを除去する、
    請求項６乃至９のいずれか一つに記載の電子デバイスのガラス封止方法。
13. 前記接合工程では、前記ガラス封止材を真空中で加熱する際に、前記真空中の真空度並びに前記加熱の温度及び時間を、前記ガラス封止材の結晶化が起きない範囲内とする、
    請求項６乃至１２のいずれか一つに記載の電子デバイスのガラス封止方法。

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