JP5001393B2 - 圧電振動デバイス及び圧電振動デバイスの製造方法 - Google Patents

圧電振動デバイス及び圧電振動デバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、特に量産に優れた圧電振動デバイス及び圧電振動デバイスの製造方法に関する。
従来、移動体通信機器やOA機器等の小型軽量化及び高周波数化に伴って、それらに用いられる圧電振動デバイスも、より一層の小型化及び高周波数化への対応が求められている。また製造コストを下げるために量産性に優れた圧電振動デバイスの製造方法が求められている。
特許文献1の圧電振動デバイスの製造方法によれば、圧電振動片を収納するパッケージを複数有するウエハのガイド部に個々のリッドを載置している。そして、その製造方法はガイド部を介してリッドとパッケージとを嵌合し気密封止した後、パッケージウエハを切断して複数の圧電振動デバイスを形成している。特許文献1の圧電振動デバイスの製造方法は、パッケージケースとリッドとの位置ずれを防ぐことができるため、生産性を向上させることができる。
特開2008−182468号公報
しかしながら、特許文献1の製造方法は、圧電振動片を収納するパッケージがウエハ単位となっているに過ぎず、リッドは個片の状態になっている。このため、複数のパッケージを形成したウエハに個々にリッドを搭載しなければならない。したがってさらなる生産性の向上が求められている。
本発明は、生産性を向上させ長期安定性の高い圧電振動デバイスを提供することを目的とする。
第1観点の圧電振動デバイスは、励振電極が形成された圧電振動片と圧電振動片の外周に配置されるとともに第1接合膜が形成された枠体とを有すると圧電フレームと、第2接合膜が一方の面に形成され枠体の一方の面に接合するリッドと、第3接合膜が一方の面に形成されるとともに一方の面から他方の面に貫通する貫通孔が形成され枠体の他方の面に接合するベースと、を備える。そして、第1接合膜及び第2接合膜又は第1接合膜及び第3接合膜をそれぞれ接合する接合材と、貫通孔を封止する封止材とが異なる融点である。
このような構成によれば、圧電振動デバイスは生産性を向上させ長期安定性が高い。
また、圧電振動デバイスは、第1接合膜に接合材で接合される凹部が設けられる。
さらに、圧電振動デバイスの第1接合膜は枠体の周囲に所定幅で形成され、第2接合膜はリッドの周囲に所定幅で形成され、第3接合膜はベースの周囲に所定幅で形成される。
圧電振動デバイスの第1接合膜は四辺からなる矩形形状で枠体の最外周の内側に形成され、第2接合膜は四辺からなる矩形形状でリッドの最外周の内側に形成され、第3接合膜は四辺からなる矩形形状でベースの最外周の内側に形成される。
また、圧電振動デバイスの第1接合膜が形成される枠体の表面は粗い面が形成され、第2接合膜が形成されるリッドの表面は粗い面が形成され、第3接合膜が形成されるベースの表面は粗い面が形成されている。
圧電振動デバイスのリッド又はベースは、ガラス、セラミック又は圧電材料のいずれか一つからなる。
圧電振動デバイスの圧電振動片は、ATカット水晶振動片又は音叉型水晶振動片を含む。
第2観点の圧電振動デバイスの製造方法は、励振電極が形成された圧電振動片と圧電振動片の外周に配置される枠体とを有する圧電フレームが複数形成された圧電ウエハを用意する工程と、枠体とほぼ同じ大きさリッドを複数形成されたリッドウエハを用意する工程と、枠体とほぼ同じ大きさで一方の面から他方の面に貫通する貫通孔を有するベースを複数形成されたベースウエハを用意する工程と、圧電ウエハの両面に枠体に沿って第1接合膜を形成する工程と、リッドウエハの片面に第1接合膜に合うように第2接合膜を形成する工程と、ベースウエハの片面に第1接合膜に合うように第3接合膜を形成する工程と、第1接合膜と第2接合膜との間、及び第1接合膜と第3接合膜との間に接合材を配置する工程と、圧電ウエハ、リッドウエハ及びベースウエハを重ね合わせて接合する工程と、を備える。
この製造方法は生産性が高く、また製造コストも低減できる。
圧電振動デバイスの製造方法は、接合の工程後に、貫通孔を封止材で封止する工程と、封止の工程後に圧着された3枚のウエハを枠体の最外周に沿って切断する工程と、を備える。そして接合材と封止材との融点が異なる。
また第1接合膜を形成する工程は、第1接合膜を凹部が形成された面に形成する。
この凹部は圧電振動デバイスの最外周の外側に形成される。
また接合材を配置する工程は、接合材を凹部に配置する。
圧電振動デバイスの製造方法において、第1接合膜が形成される枠体の表面は粗い面が形成され、 第2接合膜が形成されるリッドの表面は粗い面が形成され、第3接合膜が形成されるベースの表面は粗い面が形成されている。
また圧電振動デバイスの製造方法において、第1接合膜は四辺からなる矩形形状で枠体の最外周の内側に形成され、第2接合膜は四辺からなる矩形形状でリッドの最外周の内側に形成され、第3接合膜は四辺からなる矩形形状でベースの最外周の内側に形成される。
本発明によれば、ウエハ単位でパッケージを形成することができるとともに、圧電振動デバイスの安定性及び耐久性を向上させることができる。
(a)は、音叉型水晶振動片30を備えた第一水晶振動デバイス100の斜視図である。 (b)は、第一リッド10の内面図である。 (c)は、音叉型水晶振動片30を有する第一水晶フレーム20の上面図である。 (d)は、第一ベース40の上面図である リッド用ウエハ10W側から見たパッケージウエハ80Wの上面図である。 (a)は、第一水晶振動デバイス100を有するパッケージウエハ80WのA−A断面線で切った拡大断面図である。各ウエハが分離された状態を示している。 (b)は、図3(a)のX部の拡大断面図である。 (a)は、リッド用ウエハ10WA側から見たパッケージウエハ80WAの上面図である。 (b)は、(a)のB−B断面線で切った拡大断面図である。 (a)は、リッド用ウエハ10WB側から見たパッケージウエハ80WBの上面図である。 (b)は、(a)のC−C断面線で切った拡大断面図である。 (a)は、リッド用ウエハ10WC側から見たパッケージウエハ80WCの上面図である。 (b)は、(a)のD−D断面線で切った拡大断面図である。 (a)は、リッド用ウエハ10WD側から見たパッケージウエハ80WDの上面図である。 (b)は、(a)のE−E断面線で切った拡大断面図である。 第六水晶振動デバイス150示す拡大断面図である。 第七水晶振動デバイス160を示す拡大断面図である。 第一水晶振動デバイス100の第1製造方法のフローチャートである。 第一水晶振動デバイス100の第2製造方法のフローチャートである。 リッド用ウエハ10Wと、振動片用の水晶ウエハ20Wと、ベース用ウエハ40Wとを重ね合わせる前の斜視図である。
<第1実施形態;第一水晶振動デバイス100の構成>
図1は、音叉型水晶振動片30を備えた第一水晶振動デバイス100の概略図を示している。図1(a)は、分割した状態の第一水晶振動デバイス100を、第一リッド10のリッド部側からみた斜視図である。図1(b)は、第一水晶振動デバイス100を構成する第一リッド10の内面図であり、(c)は音叉型水晶振動片30を有する第一水晶フレーム20の上面図であり、(d)は第一ベース40の上面図である。
図1(a)に示されるように、第一水晶振動デバイス100は、最上部の第一リッド10及び第一水晶フレーム20並びに第一ベース40から構成される。第一水晶フレーム20は、エッチングにより形成された音叉型水晶振動片30を有している。第一水晶フレーム20は、中央部に音叉型水晶振動片30とその外側に外枠部29とを有しており、音叉型水晶振動片30と外枠部29との間には空間部22が形成されている。音叉型水晶振動片30の外形を規定する空間部22はウェットエッチングにより形成されている。音叉型水晶振動片30は、外枠部29と同じ厚さである。
第一リッド10及び第一ベース40はガラス、セラミックまたは水晶材料のいずれか一つから形成される。しかし、以下の理由により第一リッド10及び第一ベース40には水晶材料を使用することが好ましい。
工業材料の硬さを表わす指標の一つにヌープ硬度がある。ヌープ硬度は数値が高ければ硬く、低ければ柔らかい。リッド及びベースに使用される代表的なガラスであるホウケイ酸ガラスは、ヌープ硬度が590kg/mmである。また、水晶のヌープ硬度は710〜790kg/mmである。そのため第一水晶振動デバイス100では、第一リッド10及び第一ベース40にガラスの代わりに水晶を使用する方が第一水晶振動デバイス100の硬度を高くすることができる。また、第一水晶振動デバイス100を所定の硬度にする場合には、第一リッド10及び第一ベース40に使われるガラスの厚みを厚くする必要があるが、水晶であれば厚みが薄くてもよい。つまり、同じ硬度の水晶振動デバイスであればリッド及びベースに水晶を使用すると、小型化・低背化が可能となる。
また、第一水晶振動デバイス100の作製時、または第一水晶振動デバイス100のプリント基板への取り付け時には水晶デバイスに熱が加えられる。その時に、第一リッド10及び第一ベース40に水晶材料とは異なる種類の材料を使用する場合、第一水晶振動デバイス100内には熱膨張係数の差による応力が加わる。熱膨張係数の差が大きいとこの応力も大きくなり、特に第一水晶フレーム20では強度の弱い外枠部29の角等が破損することがある。そのため、第一リッド10及び第一ベース40と第一水晶フレーム20との熱膨張係数の差を小さくすることが望まれる。第一リッド10及び第一ベース40に水晶を使用することは、第一リッド10及び第一ベース40にガラスを使用した場合に比べて第一水晶フレーム20との熱膨張係数の差を小さくし、第一水晶振動デバイス100内の応力を小さくすることができるため好ましい。さらに上記の通り、ガラスを使用した場合に比べて、第一水晶振動デバイス100の小型化・低背化が可能となるため好ましい。
第一水晶振動デバイス100は、音叉型水晶振動片30を備えた第一水晶フレーム20を中心に、その第一水晶フレーム20の上に第一リッド10が接合され、第一水晶フレーム20の下に第一ベース40が接合されてパッケージ80が形成されている。
図1(b)に示されるように第一リッド10は、リッド側凹部17を第一水晶フレーム20側の片面に有している。第一リッド10は、第一水晶フレーム20側の最外周の内側に第2接合膜15が形成されている。第2接合膜15は四辺からなる矩形の枠形状である。
図1(c)に示されるように第一水晶フレーム20は、音叉型水晶振動片30と、外枠部29と、支持腕26と、接続部27とから構成され、同じ厚さの水晶ウエハに一体に形成されている。音叉型水晶振動片30は一対の振動腕21と基部23とからなる。第一水晶フレーム20は、外枠部29の最外周の内側に第1接合膜25が形成されている。第1接合膜25も四辺からなる矩形の枠形状である。なお、第1接合膜25は外枠部29の両面に形成されている。
第一水晶フレーム20は、外枠部29と、基部23と、支持腕26と、接続部27とに第1基部電極31及び第2基部電極32を備える。一対の振動腕21は、表面、裏面及び側面に第1励振電極33及び第2励振電極34が形成されており、第1励振電極33は第1基部電極31につながっており、第2励振電極34は第2基部電極32につながっている。音叉型水晶振動片30は、たとえば32.768kHzで発振する振動片で、極めて小型の振動片となっている。
第1基部電極31と第2基部電極32及び第1励振電極33と第2励振電極34は、ともに、150Å〜700Åのクロム(Cr)層の上に400Å〜2000Åの金(Au)層が形成された構成である。クロム(Cr)層の代わりに、チタン(Ti)層を使用してもよく、また金(Au)層の代わりに、銀(Ag)層を使用してもよい。
一対の支持腕26は、基部23の一端から振動腕21が伸びる方向(Y方向)に伸びて接続部27と外枠部29とに接続している。一対の支持腕26は、振動腕21の振動を第一水晶振動デバイス100の外部へ振動漏れとして伝えづらくさせ、またパッケージ外部の温度変化、または衝撃の影響を受けづらくさせる効果を持つ。
図1(d)に示されるように、第一ベース40は、ベース側凹部47を第一水晶フレーム20側の片面に有している。第一ベース40は、エッチングによりベース側凹部47を設ける際、同時に第1スルーホール41と第2スルーホール43とを形成する。ベース40の表面には、接続電極用段差49が形成され、接続電極用段差49に第1接続電極42及び第2接続電極44を形成する。第一ベース40の底部には、メタライジングされた第1外部電極55及び第2外部電極56が形成されている。第一ベース40は、第一水晶フレーム20側の最外周の内側に第3接合膜45が形成されている。第3接合膜45も四辺からなる矩形の枠形状である。
第1スルーホール41及び第2スルーホール43は、その内面に金属膜(図3を参照)が形成され、その内面の金属膜は、第1接続電極42及び第2接続電極44と同時にフォトリソグラフィ工程で作成されている。第1接続電極42は、第1スルーホール41の金属膜を通じてベース40の底面に設けた第1外部電極55に接続する。第2接続電極44は、第2スルーホール43の金属膜を通じてベース40の底面に設けた第2外部電極56に接続する。
外枠部29の裏面に形成された第1基部電極31と第2基部電極32とは、それぞれ第一ベース40の表面の第1接続電極42及び第2接続電極44に接続する。つまり、第1基部電極31は第1外部電極55と電気的に接続し、第2基部電極32は第2外部電極56と電気的に接続している。
第一水晶フレーム20に形成される第1接合膜25は、150Å〜700Åのクロム(Cr)層の上に400Å〜1500Åの金(Au)層が形成された構成である。第一水晶フレーム20及び第一ベース40が水晶材料で形成される場合には、第2接合膜15及び第3接合膜45は同じようにクロム層の上に金層が形成された構成である。第2接合膜15及び第3接合膜45は、リッド及びベースがガラス又はセラミック材料であれば金層のみが形成される。
図1(c)、(d)に示されるように、第一水晶フレーム20及び第一ベース40は、第1接合膜25及び第3接合膜45を備え、夫々の接合膜の4辺のほぼ中央付近に凹部66を有している。第1接合膜25と凹部66とが区別しやすいように凹部66は白地で示されているが、凹部66にも接合膜が形成されている(図3を参照)。凹部66は、パッケージ接合の際、接合を行うために接合材ボール75を配置することができる。
図2は、リッド用ウエハ10W側から見たパッケージウエハ80Wの上面図である。また、図2は特にリッド用ウエハ10Wが透明の状態で、水晶ウエハ20Wの音叉型水晶振動片30が主体的に描かれている。パッケージウエハ80Wは、説明の都合上、1つの第一水晶振動デバイス100の外形(XY平面の大きさ)に相当する領域を仮想線(二点鎖線)で表示している。また、音叉型水晶振動片30と外枠部29とが区別し易いように空間部22が網目で示されている。
図2に示されるように、リッド用ウエハ10Wには切断溝60が形成されている。ベース用ウエハ40W(図3を参照)にも、リッド用ウエハ10Wの切断溝60と同じ位置(XY平面)で同様な切断溝60が形成される。パッケージウエハ80Wは不図示のダイシングフィルムに固定されて、ダイシングソーで切断される。リッド用ウエハ10W及びベース用ウエハ40Wの切断溝60は、ダイシングソーで切断される際に、第一水晶振動デバイス100に割れなどが生じないように設けられている。ダイシングソーは直線状に移動するため、リッド用ウエハ10W及びベース用ウエハ40Wの切断溝60はそれらウエハの周縁部にまで伸びている。切断溝60の深さは、20μmから40μmである。切断溝60は、リッド用ウエハ10Wとベース用ウエハ40Wとの両面にあれば、切断負荷が軽減され作業効率が高くなる。パッケージウエハ80Wは、ダイシングによるチッピング及びクラックなどの発生が解消される。
また、図2に示されるように、リッド用ウエハ10Wに形成された第2接合膜15、水晶ウエハ20Wに形成された第1接合膜25及びベース用ウエハ40Wに形成された第3接合膜45は、XY平面において重なり合うように形成されている。また、第2接合膜15、第1接合膜25及び第3接合膜45は、切断溝60に接することがないように、第一水晶振動デバイス100の外形の内側に形成されている。ダイシングソーの歯先に各接合膜の金属が付着してしまうことを防ぐためである。
凹部66は、矩形の枠状に第1接合膜25にそれぞれ設けられている。そして各四辺の中央に凹部66が形成されている。すなわち、隣り合う凹部66までの距離はほぼ均等である。このため、接合材ボール75が溶けると、溶けた接合材ボール75は毛細管現象により第1接合膜25に沿って流れて、第1接合膜25の表面を濡らす。隣り合う凹部66までの距離はほぼ均等であるため、第1接合膜25の表面を十分に濡らすことができる。なお、図示されない第3接合膜45も同様である。
図3(a)は、図2に示されたパッケージウエハ80WのA−A断面線で切った拡大断面図である。理解を助けるため、各ウエハが分離された状態を示している。(b)は、図3(a)の水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40WのX部拡大断面図である。パッケージウエハ80Wは、説明の都合上第一水晶振動デバイス100の大きさに相当する領域を仮想線(二点鎖線)で表示している。
図3(a)に示されるように、パッケージウエハ80Wは、第一リッド10を備えたリッド用ウエハ10Wと第一水晶フレーム20を備えた水晶ウエハ20Wと第一ベース40を備えたベース用ウエハ40Wとから構成されている。リッド用ウエハ10W及びベース用ウエハ40Wは、第一水晶振動デバイス100の大きさに相当する領域に切断溝60が形成されている。第一水晶振動デバイス100は、パッケージの形成に金属材料の接合材ボール75を介して接合が行われる。
リッド用ウエハ10Wは、ウェットエッチングによりリッド側凹部17とリッド側凹部17の反対面に切断溝60とを形成する。ベース用ウエハ40Wは、ウェットエッチングによりベース側凹部47及び凹部66とベース側凹部47の反対面に切断溝60とを形成する。水晶ウエハ20Wもリッド用ウエハ10W側に凹部66を形成する。
リッド用ウエハ10Wは、第一水晶フレーム20側の第一水晶振動デバイス100の大きさに相当する領域の最外周の内側に第2接合膜15が形成されている。水晶ウエハ20Wは、第一水晶振動デバイス100の大きさに相当する領域の最外周の内側の両面に第1接合膜25が形成されている。ベース用ウエハ40Wは、第一水晶フレーム20側の第一水晶振動デバイス100の大きさに相当する領域の最外周の内側に第3接合膜45が形成されている。第1接合膜25及び第3接合膜45は、水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40Wに形成された凹部66にも形成される。
図3(b)は、図3(a)の水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40WのX部の拡大断面図である。図3(b)に示されるように、凹部66は水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40Wに形成され第1接合膜25及び第3接合膜45が形成されている。凹部66は、パッケージ接合の際に接合材ボール75を容易に配置することができる。例えば凹部66の溝幅は50μmから200μmであり、接合材ボール75の直径は80μmφから300μmφである。
<第2実施形態;第二水晶振動デバイス110の構成>
図4(a)は、第二リッド用ウエハ10WA側から見たパッケージウエハ80WAの上面図である。水晶ウエハ20WAの音叉型水晶振動片30が主体的に描かれている。図4(b)は、図4(a)に示されるB−B断面線で切断したパッケージウエハ80WAの断面図である。図4(b)は、理解を助けるため、各ウエハが分離された状態を示している。
第二水晶振動デバイス110と第一水晶振動デバイス100との違いは、第二リッド用ウエハ10WA、第二水晶ウエハ20WA及び第二ベース用ウエハ40WAの接合面に備えられた第2接合膜15、第1接合膜25及び第3接合膜45の全面に、凹部66Aが形成されている点である。以下、第一水晶振動デバイス100と異なる部分について説明し、同一符号の説明は省略する。
図4(a)、(b)に示されるように、パッケージウエハ80WAは、第二リッド10Aを備えた第二リッド用ウエハ10WAと第二水晶フレーム20Aを備えた第二水晶ウエハ20WAと第二ベース40Aを備えた第二ベース用ウエハ40WAとから構成されている。第二リッド用ウエハ10WA及び第二ベース用ウエハ40WAは、第二水晶振動デバイス110の大きさに相当する領域に切断溝60が形成されている。
第二リッド用ウエハ10WA、第二水晶ウエハ20WA及び第二ベースウエハ40WAは、第2接合膜15,第1接合膜25及び第3接合膜45を備え、接合膜の全面に凹部66Aを有している。凹部66Aは、第二リッド用ウエハ10WAの接合面及び第二水晶ウエハ20WAの第二ベース用ウエハ40WA側の接合面に設けなくてもよい。すなわち凹部のない平坦な第2接合膜15及び第1接合膜25が設けられてもよい。凹部66Aは、矩形の枠の四辺全てに形成されているため、パッケージ接合の際、接合材ボール75を容易に配置することができる。また接合材ボール75を任意の数だけ配置することもできる。
<第3実施形態;第三水晶振動デバイス120の構成>
図5(a)は、リッドウエハ10WB側から見たパッケージウエハ80WBの上面図である。水晶ウエハ20WBの音叉型水晶振動片30が主体的に描かれている。図5(b)は、図5(a)のC−C断面線で切った拡大断面図である。図5(b)は、理解を助けるため、各ウエハが分離された状態を示している。
第三水晶振動デバイス120と第一水晶振動デバイス100との違いは、第三水晶ウエハ20WB及び第三ベースウエハ40WBに備えられた第1接合膜25及び第3接合膜45の四隅に凹部66Bが形成されている点である。また、凹部66BがZ軸方向から見てほぼ正方形又は円形に形成されている点である。以下、第一水晶振動デバイス100と異なる部分について説明し、同一符号の説明は省略する。
パッケージウエハ80WBは、第一リッド10Bを備えた第三リッド用ウエハ10WBと第三水晶フレーム20Bを備えた第三水晶ウエハ20WBと第三ベース40Bを備えた第三ベースウエハ40WBとから構成されている。リッド用ウエハ10WB及び第三ベースウエハ40WBは、圧電デバイスの大きさに相当する領域に切断溝60が形成されている。
図5(a)、(b)に示されるように、リッド用ウエハ10WBは、第三水晶ウエハ20WB側に第2接合膜15を備えている。第三水晶ウエハ20WB及び第三ベースウエハ40WBは、第1接合膜25及び第3接合膜45を備え、各接合膜の四隅に凹部66Bを有している。凹部66Bは、第三水晶ウエハ20WBのリッド用ウエハ10WB側の接合面及び第三ベースウエハ40WBの第三水晶ウエハ20WB側の接合面に設けられる。第2接合膜15と第三水晶ウエハ20WBのベース用ウエハ40WB側の第1接合膜25にも凹部66Bが設けられていてもよい。凹部66Bは、ほぼ正方形又は円形に形成されており、1つの凹部66Bには1つの接合材ボール75しか載置されない。このため、必要以上の接合材ボール75が凹部に載置されることはない。
<第4実施形態;第四水晶振動デバイス130の構成>
図6(a)は、リッドウエハ10WC側から見たパッケージウエハ80WCの上面図である。水晶ウエハ20WCの音叉型水晶振動片30が主体的に描かれている。パッケージウエハ80WCは、説明の都合上、1つの第四水晶振動デバイス130の外形(XY平面の大きさ)に相当する領域を仮想線(二点鎖線)で表示している。図6(b)は、図6(a)のD−D断面線で切った拡大断面図である。図6(b)は、理解を助けるため、各ウエハが分離された状態を示している。
第四水晶振動デバイス130では、第四水晶ウエハ20WC及び第四ベースウエハ40WCに形成された第1接合膜25及び第3接合膜45が、それらの矩形の枠の四隅から放射線状に伸び、その交差点に凹部66Cが形成されている。以下、第一水晶振動デバイス100と異なる部分について説明し、同一符号の説明は省略する。
図6(a)、(b)に示されるように、パッケージウエハ80WCは、第四リッド10Cを備えた第四リッド用ウエハ10WCと第四水晶フレーム20Cを備えた第四水晶ウエハ20WCと第四ベース40Cを備えた第四ベースウエハ40WCとから構成されている。第四水晶ウエハ20WC及び第四ベースウエハ40WCは、矩形の枠の四辺からなる第1接合膜25及び第3接合膜45を有している。
第1接合膜25又は第3接合膜45は、矩形の枠の四隅から切断溝60へ放射線状に伸びている。すなわち、矩形の枠の四隅からX軸に対して45度方向に伸びている。このため、隣り合う第四水晶フレーム20Cから伸びる第1接合膜25が互いに交差し、同様に隣り合う第四ベース40Cから伸びる第3接合膜45が互いに交差している。この交差点に凹部66Cが形成される。図6(b)断面図に示されるように、交差点はちょうど切断溝60の反対面であり、切断溝60の反対面に凹部66Cが形成されている。そのため切断溝60でダイシングされる際に凹部66Cはダイシングされる。凹部66Cは正方形又は円形に形成されており、1つの凹部66Cには1つの接合材ボール75が載置される。凹部66Cは第四水晶振動デバイス130の外形に相当する領域(二点鎖線)より外側に形成されている。このため、第四水晶振動デバイス130の外形に相当する領域(二点鎖線)内の第1接合膜25及び第3接合膜45はすべて平面であり凹部がない。接合材ボール75は、溶けて毛細管現象により第1接合膜25及び第3接合膜45に沿って流れて、それらの接合膜の表面を濡らすことができる。そのため、第四リッド用ウエハ10WCと第四水晶ウエハ20WCと第四ベースウエハ40WCと接合がより確実に行うことができる。
凹部66Cは切断溝60と重なっているため、ダイシングソーで切断する際にブレードに金属が詰まるおそれがある。そのため、凹部66C付近の第1接合膜25又は第3接合膜45はできるだけ細く且つ薄い膜であることが好ましい。
<第5実施形態;第五水晶振動デバイス140の構成>
図7(a)は、リッドウエハ10WD側から見たパッケージウエハ80WDの上面図である。水晶ウエハ20WDの音叉型水晶振動片30が主体的に描かれている。パッケージウエハ80WDは、説明の都合上、1つの第五水晶振動デバイス140の外形(XY平面の大きさ)に相当する領域を仮想線(二点鎖線)で表示している。図7(b)は、図7(a)のE−E断面線で切った拡大断面図である。図7(b)は、理解を助けるため、各ウエハが分離された状態を示している。
パッケージウエハ80WDは、第五リッド10Eを備えた第五リッド用ウエハ10WDと第五水晶フレーム20Dを備えた第五水晶ウエハ20WDと第五ベース40Dを備えた第五ベースウエハ40WDとから構成されている。
図7(a)、(b)に示されるように、第五リッド用ウエハ10WDは、第五水晶ウエハ20WD側に第2接合膜15を備えている。第五水晶ウエハ20WD及び第五ベースウエハ40WDは、第1接合膜25及び第3接合膜45を備える。第五水晶ウエハ20WD及び第五ベースウエハ40WDは、矩形の枠の四辺からなる第1接合膜25及び第3接合膜45を有している。
第1接合膜25又は第3接合膜45は、矩形の枠の各辺のほぼ中央から切断溝60方向へ伸びている。このため、隣り合う第五水晶フレーム20Dから伸びる第1接合膜25が互いに交差し、同様に隣り合う第五ベース40Dから伸びる第3接合膜45が互いに交差する。この交差点に凹部66Dが形成される。図7(b)断面図に示されるように、交差点はちょうど切断溝60の反対面であり、切断溝60の反対面に凹部66Dが形成されている。凹部66Dは正方形又は円形に形成されており、1つの凹部66Dには1つの接合材ボール75が載置される。凹部66Dは第五水晶振動デバイス140の外形に相当する領域(二点鎖線)より外側に形成されている。このため、第五水晶振動デバイス140の外形に相当する領域(二点鎖線)内の第1接合膜25及び第3接合膜45はすべて平面であり凹部がない。そのため、第五リッド用ウエハ10WDと第五水晶ウエハ20WDと第五ベースウエハ40WDと接合がより確実に行うことができる。さらに、接合材ボール75が溶けて毛細管現象により第1接合膜25及び第3接合膜45に沿って流れて、それらの接合膜の表面を濡らす。隣り合う凹部66Dまでの距離はほぼ均等であるため、第1接合膜25及び第3接合膜45の表面を十分に濡らすことができる。
<第6実施形態;第六水晶振動デバイス150の構成>
図8は、第六水晶振動デバイス150示す拡大断面図である。第六水晶振動デバイス150は第一水晶振動デバイス100の変形例である。図8は、音叉型水晶振動片30を備えた第六水晶ウエハ20WEを中心に、その第六水晶ウエハ20WEの上に第六リッドウエハ10WEが接合され、第六水晶ウエハ20WEの下に第六ベースウエハ40WEが接合されパッケージウエハ80WEを形成する前の状態が示されている。
第六リッドウエハ10WEは、リッド側凹部17の周囲にサンドブラストなどで表面を粗くした面67を有している。同様に、第六水晶ウエハ20WEの外枠部29に表面を粗くした面67を有している。第六ベースウエハ40WEは、ベース側凹部47の周囲に表面を粗くした面67を有している。粗い面67は表面粗さRaが例えば5〜12μmである。粗い面67に第1接合膜25C、第2接合膜15C及び第3接合膜45Cが形成されることにより、第1接合膜25C、第2接合膜15C及び第3接合膜45Cの表面にも粗くなっている。このような表面が粗くなった第1接合膜25C及び第3接合膜45Cに接合材ボール75を載置することができる。また、第1接合膜25C、第2接合膜15C及び第3接合膜45Cは、第六水晶ウエハ20WE、第六リッドウエハ10WE及び第六ベースウエハ40WEへの密着性も高い。
第6実施形態のように、リッド側凹部17の周囲、外枠部29又はベース側凹部47の周囲を粗い面67を形成することは、特に図示しないが、第2実施形態から第5実施形態の水晶振動デバイスにも適用できる。
<第7実施形態;第七水晶振動デバイス160の構成>
図9は、第一水晶振動デバイス100の図3(a)の接合面に段差を設けた第七水晶振動デバイス160を示す拡大断面図である。第七水晶振動デバイス160は第一水晶振動デバイス100の変形例である。図9は、音叉型水晶振動片30を備えた第七水晶ウエハ20WFを中心に、その第七水晶ウエハ20WFの上に第七リッドウエハ10WFが接合され、第七水晶ウエハ20WFの下に第七ベースウエハ40WFが接合されパッケージウエハ80WFを形成する前の状態が示されている。
第七リッドウエハ10WFには、第七水晶ウエハ20WF側に段差凸部69が形成されている。その段差凸部69に第2接合膜15が形成されている。第七水晶ウエハ20WFには、第七リッドウエハ10WF側に段差凹部68が形成され、第七ベースウエハ40WF側に段差凸部69が形成されている。それら段差凸部69と段差凹部68の内側とに第1接合膜25が形成されている。第七ベースウエハ40WFには、第七水晶ウエハ20WF側に段差凹部68が形成され、段差凹部68の内側に第3接合膜45が形成されている。
段差凹部68と段差凸部69とが嵌め合わされ、且つ第1接合膜25、第2接合膜15及び第3接合膜45が接合材ボール75で接合される。段差凹部68には接合材ボール75を載置することも容易である。第七実施形態のように、段差凹部68と段差凸部69とを形成することは、特に図示しないが、第2実施形態から第6実施形態の水晶振動デバイスにも適用できる。
<水晶振動デバイスの製造方法>
次に水晶振動デバイスの製造方法について説明する。基本的に、第1実施形態から第7実施形態の水晶振動デバイスの製造方法は同じである。そこで、図1から図3で説明した第1水晶振動デバイス100を代表して説明する。
図10Aは、第一水晶振動デバイス100の第1製造方法のフローチャートである。
ステップS102及びS104はリッド用ウエハ10Wの工程であり、ステップS112及びS114は水晶ウエハ20Wの工程であり、ステップS122からS126はベース用ウエハ40Wの工程である。ステップS152以降は3枚のウエハを重ね合わせた工程である。
ステップS102において、リッド用ウエハ10Wにリッド側凹部17と切断溝60とを有する第1リッド10が数百から数千個形成される。例えばリッド用ウエハ10Wがガラス材でできていれば、エッチング又は機械加工によりリッド側凹部17と切断溝60とが形成される。
ステップS104において、リッド用ウエハ10Wに、例えば4辺からなる金(Au)層の第2接合膜15が形成される。
ステップS112において、ウェットエッチングにより水晶ウエハ20Wに水晶振動片30および凹部66を有する第一水晶フレーム20が形成される。第一水晶フレーム20は1枚の水晶ウエハ20Wに数百から数千個形成される。
ステップS114において、水晶ウエハ20Wの各水晶振動片30に励振電極33,34、基部電極31,32及び第1接合膜25が形成される。これら励振電極33,34、基部電極31,32及び第1接合膜25は、例えばクロム層の下地に金層が形成された金属膜である。なお、第1接合膜25は凹部66上にも形成される。
ステップS122において、ベース用ウエハ40Wにベース側凹部47、切断溝60、凹部66および第1スルーホール41,第2スルーホール43を有する第1ベース40を形成する。例えばベース用ウエハ40Wがガラス材でできていれば、エッチング又は機械加工によりベース側凹部47、凹部66などが形成される。1枚のベース用ウエハ40Wに第1ベース40は数百から数千個形成される。
ステップS124において、ベース用ウエハ40Wに、第3接合膜45、第1接続電極42及び第2接続電極44が形成する。例えば4辺からなる金(Au)層の第3接合膜45が形成される。
ステップS126において、封止材70を溶かして第1スルーホール41,第2スルーホール43を封止する。そして、封止材70で封止した第1スルーホール41および第2スルーホール43に第1外部電極55および第2外部電極56が形成される。封止材70は共晶金属ボールであり、金シリコン(Au3.15Si)合金又は金ゲルマニューム(Au12Ge)合金が使用される。金シリコン合金は溶融温度が363°Cであり、金ゲルマニューム合金は溶融温度が356°Cである。
ステップS152において、第1接合膜25の凹部66、第3接合膜45の凹部66に接合材ボール75を載置して、リッド用ウエハ10W、水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40Wが重ね合わされる。例えば図11に示されるように、オリエンテーションフラット10fで位置決めされる。
ステップS154において、真空中又は不活性雰囲気中で接合材ボール75を溶かして、パッケージウエハ80Wを作成する。接合材ボール75は共晶金属ボールであり、たとえば金スズ(Au20Sn)合金が使用される。金スズ合金の溶融温度は280°Cである。ステップS126で使用された封止材70の共晶金属よりも溶融温度が低い。このため、ステップS154において、接合材ボール75を溶かす際に、封止材70が溶けることはない。
ステップS156において、パッケージウエハ80Wを切断溝60に沿ってダイシングソーで切断する。これにより第一水晶振動デバイス100が完成する。第一水晶振動デバイス100のパッケージ内部は真空中又は不活性ガスで満たされており、第一水晶振動デバイス100は安定した振動が可能となる。
図10Bは、第一水晶振動デバイス100の第2製造方法のフローチャートである。
ステップS202及びS204はリッド用ウエハ10Wの工程であり、ステップS212及びS214は水晶ウエハ20Wの工程であり、ステップS222からS224はベース用ウエハ40Wの工程である。ステップS252以降は3枚のウエハを重ね合わせた工程である。
ステップS202において、リッド用ウエハ10Wにリッド側凹部17と切断溝60とを有する第1リッド10が数百から数千個形成される。
ステップS204において、リッド用ウエハ10Wに、例えば4辺からなる金(Au)層の第2接合膜15が形成される。
ステップS212において、ウェットエッチングにより水晶ウエハ20Wに水晶振動片30および凹部66を有する第一水晶フレーム20数百から数千個形成される。
ステップS214において、水晶ウエハ20Wの各水晶振動片30に励振電極33,34など及び第1接合膜25が形成される。これら励振電極33,34及び第1接合膜25は、例えばクロム層の下地に金層が形成された金属膜である。なお、第1接合膜25は凹部66上にも形成される。
ステップS222において、ベース用ウエハ40Wにベース側凹部47、切断溝60、凹部66および第1スルーホール41,第2スルーホール43を形成する。例えばベース用ウエハ40Wがガラス材でできていれば、エッチング又は機械加工によりベース側凹部47、凹部66などが形成される。
ステップS224において、ベース用ウエハ40Wに、第3接合膜45、第1接続電極42及び第2接続電極44が形成する。例えば4辺からなる金(Au)層の第3接合膜45が形成される。
ステップS252において、第1接合膜25の凹部66、第3接合膜45の凹部66に接合材ボール75を載置して、リッド用ウエハ10W、水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40Wが重ね合わされる。例えば図11に示されるように、オリエンテーションフラット10fで位置決めされる。
ステップS254において、接合材ボール75を溶かして、パッケージウエハ80Wを作成する。接合材ボール75は共晶金属ボールであり、たとえば金シリコン(Au3.15Si)合金又は金ゲルマニューム(Au12Ge)合金が使用される。金シリコン合金は溶融温度が363°Cであり、金ゲルマニューム合金は溶融温度が356°Cである。
ステップS256において、真空中又は不活性雰囲気中で封止材70を溶かして第1スルーホール41,第2スルーホール43を封止する。そして、封止材70で封止した第1スルーホール41および第2スルーホール43に第1外部電極55および第2外部電極56が形成される。封止材70は共晶金属ボールであり、金スズ(Au20Sn)合金が使用される。金スズ合金の溶融温度は280°Cである。封止材70はステップS254で使用された接合材ボール75の共晶金属よりも溶融温度が低い。このため、ステップS256において、封止材70を溶かす際に、接合材ボール75が溶けることはない。
ステップS258において、パッケージウエハ80Wを切断溝60に沿ってダイシングソーで切断する。これにより第一水晶振動デバイス100が完成する。
図11は、第一リッド10が形成されたリッド用ウエハ10Wと、音叉型水晶振動片30を有する第一水晶フレーム20が形成された水晶ウエハ20Wと、第一ベース40が形成されたベース用ウエハ40Wとを重ね合わせる前の斜視図である。リッド用ウエハ10Wに、切断溝60が形成されている。なお、水晶ウエハ20Wに対しては、水晶フレーム20と音叉型水晶振動片30とが区別し易いように空間部22が斜線で示されている。
リッド用ウエハ10W、振動片用の水晶ウエハ20W及びベース用ウエハ40Wの大きさは例えば4インチ角である。また夫々のウエハにはオリエンテーションフラット10fが形成されているため、3枚のウエハが正確に位置合わせして重ね合わされる。
以上の実施形態において、リッド用ウエハ10Wの第2接合膜15、水晶ウエハ20Wのベースウエハ側の第1接合膜25には凹部66Aが形成されていなかった。しかし、凹部66Aが形成されると、接合材ボール75が3枚のウエハが正確に位置合わせの役目をする。そのためオリエンテーションフラット10fを設ける必要がない。
以上、本発明の好適実施形態である複数の種類の水晶振動デバイスについて説明したが、リッド、圧電フレーム及びベースに形成された接合膜と接合材でパッケージを形成することにより、圧電デバイスの気密性を向上することができる。
また以上の説明では、音叉型水晶振動子を用いて実施例を述べたが、厚み滑り振動を用いたATカット水晶板を用いた水晶振動子でも同様の効果が得られる。また、接合面及び接合材の形状などの組合せを変えることが可能である。
10、10A〜10D … リッド
10f …オリエンテーションフラット
10W、10WA〜10WF … リッド用ウエハ
15、15C … 第2接合膜、 25、25C … 第1接合膜
45、45C … 第3接合膜
17 … リッド側凹部
20、20A〜20D … 水晶フレーム
20W、20WA〜20WF … 水晶ウエハ
21 … 振動腕、 22 …空間部、 23 … 基部、 26 … 支持腕
27 … 接続部、 29 … 外枠部
30 … 音叉型水晶振動片
31、32 … 基部電極、 33、34 … 励振電極
40、40A〜40D … ベース、
40W、40WA〜40WF … ベース用ウエハ
41 … 第1スルーホール、43 … 第2スルーホール
42 … 第1接続電極、 44 … 第2接続電極
47 … ベース側凹部
49 … 接続電極用段差
55 … 第1外部電極、 56 … 第2外部電極
60 … 切断溝
66,66A〜66D … 凹部
67 … 粗い面(5〜12μm)
68 … 段差凹部、69 … 段差凸部、
70 … 封止材、75 … 接合材ボール
80W,80WA〜80WF … パッケージウエハ
100 … 第一水晶振動デバイス、110 … 第二水晶振動デバイス
120 … 第三水晶振動デバイス、130 … 第四水晶振動デバイス
140 … 第五水晶振動デバイス、150 … 第六水晶振動デバイス
160 … 第七水晶振動デバイス

Claims (4)

  1. 接合されたウエハを切断して圧電振動デバイスを製造する製造方法であって、
    励振電極が形成された圧電振動片と前記圧電振動片の外周に配置される枠体とを有する圧電フレームが複数形成された圧電ウエハを用意する工程と、
    前記枠体とほぼ同じ大きさでリッドが複数形成されたリッドウエハを用意する工程と、
    前記枠体とほぼ同じ大きさで一方の面から他方の面に貫通する貫通孔を有するベースが複数形成されたベースウエハを用意する工程と、
    前記圧電ウエハの両面に前記枠体に沿って第1接合膜を形成する工程と、
    前記リッドウエハの片面に前記第1接合膜に合うように第2接合膜を形成する工程と、
    前記ベースウエハの片面に前記第1接合膜に合うように第3接合膜を形成する工程と、
    前記第1接合膜と前記第2接合膜との間、及び前記第1接合膜と前記第3接合膜との間に接合材を配置する工程と、
    前記圧電ウエハ、前記リッドウエハ及び前記ベースウエハを重ね合わせて接合する工程と、
    前記接合の工程後に、真空中又は不活性雰囲気中で、前記接合材の融点よりも低い融点の封止材で前記貫通孔を封止する工程と、を備え、
    前記圧電振動デバイスの最外周の外側に前記接合材が配置される凹部を形成する圧電振動デバイスの製造方法。
  2. 前記接合材を配置する工程は、前記接合材を前記凹部に配置し、
    前記切断する工程は、前記凹部を切断する請求項1に記載の圧電振動デバイスの製造方法。
  3. 接合されたウエハを切断して圧電振動デバイスを製造する製造方法であって、
    励振電極が形成された圧電振動片と前記圧電振動片の外周に配置される枠体とを有する圧電フレームが複数形成された圧電ウエハを用意する工程と、
    前記枠体とほぼ同じ大きさでリッドが複数形成されたリッドウエハを用意する工程と、
    前記枠体とほぼ同じ大きさで一方の面から他方の面に貫通する貫通孔を有するベースが複数形成されたベースウエハを用意する工程と、
    前記圧電ウエハの両面に前記枠体に沿って第1接合膜を形成する工程と、
    前記リッドウエハの片面に前記第1接合膜に合うように第2接合膜を形成する工程と、
    前記ベースウエハの片面に前記第1接合膜に合うように第3接合膜を形成する工程と、
    前記第1接合膜と前記第2接合膜との間、及び前記第1接合膜と前記第3接合膜との間に接合材を配置する工程と、
    前記圧電ウエハ、前記リッドウエハ及び前記ベースウエハを重ね合わせて接合する工程と、
    前記接合の工程後に、真空中又は不活性雰囲気中で、前記接合材の融点よりも低い融点の封止材で前記貫通孔を封止する工程と、を備え、
    前記第1接合膜は四辺からなる矩形形状で前記枠体の最外周の内側に形成され、
    前記第2接合膜は四辺からなる矩形形状で前記リッドの最外周の内側に形成され、
    前記第3接合膜は四辺からなる矩形形状で前記ベースの最外周の内側に形成される圧電振動デバイスの製造方法。
  4. 前記第1接合膜が形成される枠体の表面は粗い面が形成され、
    前記第2接合膜が形成されるリッドの表面は粗い面が形成され、
    前記第3接合膜が形成されるベースの表面は粗い面が形成されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の圧電振動デバイスの製造方法。
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