JP5090836B2 - 圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片のパッケージ封止において、加熱により容易に気密状態がリークされないようにした圧電デバイスと、その圧電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子も、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、回路基板に表面実装が可能な圧電振動子が要求されている。

従来、圧電振動子はパッケージ内部に圧電振動片を収容し、圧電振動片はパッケージ内の電極部に接合されている。通常パッケージは、セラミックのグリーンシート複数枚を積層して内部に所定の内部空間を形成させて所定の温度で焼成することで作成されている。パッケージ底部には、パッケージ内部と底部とに貫通するスルーホールが形成されており、スルーホールは高温ハンダなどで形成されている。

例えば、セラミックパッケージを使った封止技術には特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１では、パッケージの上端面にロウ材などの接着剤が塗布され、加熱可能なチャンバー内に、トレーに乗せられたリッド上にパッケージを逆さにして載せ、上から荷重をかけながら加熱しロウ材などを溶融し、パッケージを圧着させる。そしてパッケージのスルーホールに、高温ハンダなどの封止材を載せ真空中若しくは不活性ガス中のチャンバー内でレ−ザー光を照射して高温ハンダが溶融されることでパッケージが封止される。

高温ハンダには、金スズ（Ａｕ／Ｓｎ）合金を使用しているが、高温ハンダの融点は、２８０°Ｃである。このため、回路基板の実装工程においてリフロー炉温度を２６０°Ｃ以上にする場合があるので、封止材に金ゲルマニューム（Ａｕ／Ｇｅ）合金が使用されている。
特開２００３−１５８４３９号公報

特許文献１に開示された封止材は、パッケージ底部に形成されたスルーホールに、球形に形成した金ゲルマニューム合金を挿入し、レーザー光を照射して金ゲルマニューム合金を溶融し、スルーホールを封止している。しかし、金ゲルマニューム合金は酸化され易く、表面に酸化膜が形成すると、流れ難くなり、封止が困難になる問題があった。

本発明の目的は、パッケージのスルーホールの封止に共晶合金の封止材を溶融させ密封封止を行う圧電デバイスの製造方法及び共有合金を用いた圧電デバイスを提供することである。

第１の観点の圧電デバイスは、第１電極パターンと第２電極パターンとを有した圧電振動片と、圧電振動片を覆う蓋部と、圧電振動片を支えるとともに、第１面に第１電極パターンに接続する第１接続電極及び第２電極パターンに接続する第２接続電極を有し、第１接続電極から第１面の反対側の第２面に貫通する第１スルーホール及び第２接続電極から第２面に貫通する第２スルーホールを有するベースと、を備え、第１スルーホール及び第２スルーホールには金属膜が形成され、その金属膜に２６０°Ｃ以上で溶融する封止材を溶かすことで第１スルーホール及び第２スルーホールを封止する。
この構成により、第１及び第２スルーホール内の金属膜に封止材を溶かしいれることで封止することができる。

第２の観点の圧電デバイスは、蓋部の材質及びベースの材質は金属イオンを含むガラスであり、圧電振動片はその周囲に金属膜が形成された外枠部を有し、外枠部と蓋部及びベースとは陽極接合される。
圧電振動片の外枠部を蓋部及びベースとで挟むようにして陽極接合されることにより製造できるため、コストが低減された圧電デバイスが提供される。

第３の観点の圧電デバイスは、蓋部の材質及びベースの材質は圧電材料であり、圧電振動片はその周囲に外枠部を有し、外枠部と蓋部及びベースとはシロキサン結合される。
圧電振動片の外枠部を蓋部及びベースとで挟むようにしてシロキサン結合されることにより製造できるため、コストが低減された圧電デバイスが提供される。

第４の観点の圧電デバイスにおいて、金属膜は金（Ａｕ）層を含み、封止材は金ゲルマニューム（ＡｕＧｅ）合金、金スズ（ＡｕＳｎ）合金若しくは金シリコン（ＡｕＳｉ）合金、又は銀ロウ若しくは金ロウの少なくとも１つを含む。
同じ金材料又は金と馴染む銀が使用されるため、金属膜と封止材との密着性が良いため封止状態を長期間にわたって安定して保つことができる。

第５の観点の圧電デバイスの製造方法は、第１面に第１接続電極及び第２接続電極を有し、金属膜が形成され第１接続電極から第１面の反対側の第２面に貫通する第１スルーホール及び第２接続電極から第２面に貫通する第２スルーホールを有するベースを用意する工程と、第１スルーホール及び第２スルーホールの金属膜を２６０°Ｃ以上で溶融する封止材で封止する封止工程と、ベースの第１接続電極及び第２接続電極に第１電極パターン及び第２電極パターンを有した圧電振動片を載置する工程と、圧電振動片を覆う蓋部を載置し、蓋部、圧電振動片及びベースを合体する合体工程と、を備える。
この構成により、第１及び第２スルーホール内の金属膜に封止材を溶かしいれることで封止することができる。なお、圧電デバイスが電子基板などにリフロー炉で搭載される際にも封止材が溶け出すことがない。

第６の観点の圧電デバイスの製造方法において、封止工程と合体工程とが真空中又は不活性ガス中の高温槽で同時に行われる。
一度に封止工程と合体工程とが行われるため製造コストを下げることができる。

第７の観点の圧電デバイスの製造方法において、封止工程が行われた後、合体工程が真空中又は不活性ガス中の高温槽で行われる。
封止材が共晶合金である場合には溶融温度が３５０°Ｃ前後であっても、封止工程により金属膜と封止材とが溶け合うために共晶合金の組成が変化し溶融温度が上がる。このため、その後に３５０°前後で合体工程を行っても封止材が溶け出すことがない。また、封止工程において合体工程よりもかなり高い溶融温度の封止材を使用することができる。

第８の観点の圧電デバイスの製造方法において、合体工程が行われた後、封止工程が真空中又は不活性ガス中で行われる。
この構成により、合体工程の後に封止工程が行われるため、合体工程より低い溶融温度の封止材を使用することができる。

第９の観点の圧電デバイスの製造方法において、金属膜は金（Ａｕ）層を含み、封止材は、金ゲルマニューム（ＡｕＧｅ）合金、金スズ（ＡｕＳｎ）合金若しくは金シリコン（ＡｕＳｉ）合金、又は銀ロウ若しくは金ロウの少なくとも１つを含む。
同じ金材料又は金と馴染む銀が使用されるため、金属膜と封止材との密着性が良いため封止状態を長期間にわたって安定して保つことができる。

第１０の観点の圧電デバイスの製造方法において、蓋部の材質及びベースの材質は金属イオンを含むガラスであり、圧電振動片はその周囲に金属膜が形成された外枠部を有し、合体工程は外枠部と蓋部及びベースとを陽極接合する。
圧電振動片の外枠部を蓋部及びベースとで挟むようにして陽極接合されることにより製造できるため、コストが低減された圧電デバイスが提供される。

第１１の観点の圧電デバイスの製造方法において、蓋部の材質及びベースの材質は圧電材料であり、圧電振動片はその周囲に外枠部を有し、合体工程は外枠部と蓋部及びベースとをシロキサン結合する。
圧電振動片の外枠部を蓋部及びベースとで挟むようにしてシロキサン結合されることにより製造できるため、コストが低減された圧電デバイスが提供される。

＜第１実施形態：水晶振動子１００の構成＞
以下、本発明の各実施形態にかかる第１水晶振動子１００について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる第１水晶振動子１００の概略図を示している。
図１（ａ）は、第１水晶振動子１００の構成を示す（ｃ）のＸ−Ｘ全体断面図であり、（ｂ）は、第１リッド２０の内面図であり、（ｃ）は、水晶フレーム５０の上面図であり、（ｄ）は、第１ベース４０の上面図である。

図１（ａ）において、第１水晶振動子１００は、音叉型水晶振動片３０を備えた水晶フレーム５０を中心として、その水晶フレーム５０の下に第１ベース４０が接合され、水晶フレーム５０の上に第１リッド２０が接合されている。第１リッド２０および第１ベース４０はガラスで形成され、第１リッド２０は、リッド用凹部２７を水晶フレーム５０側の片面に有している。第１ベース４０は、ベース用凹部４７を水晶フレーム５０側の片面に有している。水晶フレーム５０は、水晶ウエハ１０から形成され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。

図１（ｂ）に示すように、第１リッド２０は、エッチングにより形成されたリッド用凹部２７を備えている。

図１（ｃ）に示すように、水晶フレーム５０はその中央部にいわゆる音叉型水晶振動片３０と外側に外枠部５１とを有しており、音叉型水晶振動片３０と外枠部５１との間には空間部５２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５２は水晶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、基部３２と基部から伸びる一対の振動腕３１とを有している。基部３２と外枠部５１とは一体に形成されている。基部３２及び外枠部５１の第１主面に第１基部電極３３と第２基部電極３４とが形成され、第２主面にも同様に第１基部電極３３と第２基部電極３４とが形成されている。

水晶振動片３０は、第１主面及び第２主面に第１励振電極３５及び第２励振電極３６が形成されており、第１励振電極３５は、基部３２及び外枠部５１に形成された第１基部電極３３につながっており、第２励振電極３６は、基部３２及び外枠部５１に形成された第２基部電極３４につながっている。また、音叉型水晶振動片３０の振動腕３１の先端には、錘部３７及び錘部３８が形成されている。第１基部電極３３及び第２基部電極３４、第１励振電極３５及び第２励振電極３６並びに錘部３７及び錘部３８は、同時にフォトリソグラフィ工程で作成される。これらに電圧が加えられると音叉型水晶振動片３０は所定の周波数で振動する。錘部３７及び錘部３８は音叉型水晶振動片３０の振動腕３１が振動し易くなるため錘であり且つ周波数調整のために設けられる。

外枠部５１の表面及び裏面に金属膜５３を備える。金属膜５３は、スパッタリング若しくは真空蒸着などの手法により形成する。金属膜５３はアルミニュウム（Ａｌ）層から構成され、アルミニュウム層の厚みは１０００Å〜１５００Å程度とする。

図１（ｄ）に示すように、第１ベース４０は、ガラスからなり、エッチングによりベース用凹部４７を設ける際、同時に第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３が形成され、また段差部４９が形成される。第１ベース４０の表面には、第１接続電極４２並びに第２接続電極４４を備えている。この第１接続電極４２及び第２接続電極４４は、段差部４９に形成されている。

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る。内面の金属膜は金（Ａｕ）層又は銀（Ａｇ）層が形成される。第１ベース４０は、底面にメタライジングされた第１外部電極４５及び第２外部電極４６を備える。第１接続電極４２は、第１スルーホール４１を通じて第１ベース４０の底面に設けた第１外部電極４５に接続する。第２接続電極４４は、第２スルーホール４３を通じて第１ベース４０の底面に設けた第２外部電極４６に接続する。

外枠部５１の第２主面に形成された第１基部電極３３と第２基部電極３４とは、それぞれ第１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。

図２は、パッケージ接合に陽極接合を行う概略断面図を示す。第１リッド２０及び第１ベース４０は、パイレックス（登録商標）ガラス、ホウ珪酸ガラス及びソーダガラスなどを材料としており、これらはナトリウムイオンなどの金属イオンを含有するガラスである。水晶フレーム５０の外枠部５１は、表面及び裏面に金属膜５３を備え、金属膜はアルミニュウムで形成されている。音叉型水晶振動片３０を備えた水晶フレーム５０を中心として、リッド用凹部２７を備えた第１リッド２０及びベース用凹部４７を備えた第１ベース４０を重ねる。なお、金属膜５３はアルミニュウム以外に、下地のクロム層に金層を重ねた金属膜であってもよい。

そして、真空中あるいは不活性ガス中で、２００°Ｃから４００°Ｃに加熱しながら加圧し、第１リッド２０の上面をマイナス電位に、外枠部５１の表面及び裏面の金属膜５３をプラス電位にして、直流電源９０を用いて４００Ｖの直流電圧を１０分間印加して陽極接合技術により接合し、パッケージ８０が形成される。

ところで、陽極接合は、接合界面にある金属が酸化されるという化学反応により成立する。例えば、水晶フレーム５０と第１リッド２０及び第１ベース４０との陽極接合では、水晶フレーム５０の接合面にアルミニュウムなどの金属膜をスパッタなどにより形成し、形成した金属膜の表面にガラス部材の接合面を当接させ、陽極接合を行っている。

陽極接合させるときには、金属膜を陽極としガラス部材の接合面に対向する面に陰極を配置し、これらの間に電界を印加する。このことにより、ガラスに含まれているナトリウムなどの金属イオンが陰極側に移動し、この結果接合界面においてガラス部材に接触している金属膜が酸化され、両者が接続した状態が得られる。なお、本実施形態では、アルミニュウムなどの所定の金属と所定の誘電体を接触させて加熱（２００°Ｃ〜４００°Ｃ程度）し、５００Ｖ〜１ｋＶ程度の電圧を印加すると、金属とガラスが界面で化学結合する性質を利用した接合方法である。

＜第２実施形態：水晶振動子１１０の構成＞
以下、本発明の第２実施形態にかかる水晶振動子１１０について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の第２実施形態にかかる水晶振動子１１０の概略図を示している。
図３（ａ）は水晶振動子１１０の構成を示す（ｂ）の“Ｘ−Ｘ”全体断面図であり、この全体断面図は、理解を助けるため接合を行う前の各部材の断面図を示している。図１（ｂ）は水晶フレーム５０の上面図であり、（ｃ）は第２ベース４０’の上面図である。

図３（ａ）において、水晶振動子１１０は、最上部の第２リッド２０’、最下部の第２ベース４０’及び中央の水晶フレーム５０から構成される。第２リッド２０’、第２ベース４０’及び中央の水晶フレーム５０は水晶材料から形成される。第２リッド２０’はエッチングにより形成されたリッド用凹部２７’を水晶フレーム５０側の片面に有している。第２ベース４０’は、エッチングにより形成されたベース用凹部４７’を水晶フレーム５０側の片面に有している。水晶フレーム５０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。

水晶振動子１１０は、音叉型水晶振動片３０を備えた水晶フレーム５０を中心として、その水晶フレーム５０の下に第２ベース４０’が接合され、水晶フレーム５０の上に第２リッド２０’が接合されている。つまり、第２リッド２０’は水晶フレーム５０に、第２ベース４０’は水晶フレーム５０にシロキサン接合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）技術により接合した構成になっている。第２リッド２０’及び水晶フレーム５０並びに第２ベース４０’はシロキサン接合技術により接合するため、接合のための金属膜は不要である。

図３（ｂ）に示すように、水晶フレーム５０は、その中央部に音叉型水晶振動片３０と外側に外枠部５１とを有しており、音叉型水晶振動片３０と外枠部５１との間には空間部５２が形成されている。水晶フレーム５０は、第１実施形態と構造符号は同一である。

図３（ｃ）に示すように、第２ベース４０’は、エッチングによりベース用凹部４７’を設ける際、同時に第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’が形成され、また段差部４９’が形成される。第２ベース４０’は、第１接続電極４２’及び第２接続電極４４’を備えている。この第１接続電極４２’及び第２接続電極４４’は、段差部４９’に形成されている。

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る。内面の金属膜は下地にニッケル又はクロム層が形成されその上に金（Ａｕ）層又は銀（Ａｇ）層が形成されている。ベース４０’は、底面にメタライジングされた第１外部電極４５’及び第２外部電極４６’を備える。第１接続電極４２’は、第１スルーホール４１’を通じてベース４０’の底面に設けた第１外部電極４５’に接続する。第２接続電極４４’は、第２スルーホール４３’を通じてベース４０’の底面に設けた第２外部電極４６’に接続する。

上記のような第２リッド２０’、第２ベース４０’及び水晶フレーム５０がシロキサン結合によって結合する。シロキサン結合は、水晶振動片３０’を備えた水晶フレーム５０を中心として、ベース用凹部４７’が設けられた第２ベース４０’及びリッド用凹部２７’を設けた第２リッド２０’の接面を清浄な状態にして重ね合わせ、４００°Ｃから４５０°Ｃに保持された高温槽で加圧しながら加熱されることによって結合が行われ圧電振動子パッケージングが終了する。

段差部４９’を設けない状態で、水晶フレーム５０の底面とベース４０’の上面とを結合しようとすると、水晶フレーム５０に形成された基部電極とベース４０’に形成された接続電極との合計厚さが３０００Åから４０００Åもあり、水晶フレーム５０の底面とベース４０’の上面とが結合しないことが多い。その一方で、基部電極と接続電極との合計厚さ（３０００Åから４０００Å）と同等深さの段差部４９’を設けると、水晶フレーム５０と水晶ベース４０’とはシロキサン結合することができるが、第１基部電極３３及び第２基部電極３４と第１接続電極４２’及び第２接続電極４４’とが結合せず、両者が導通していない場合があるので、ベース４０’の上面に段差部４９’を設けている。

＜封止工程＞
図４（ａ）は、第１実施形態の水晶振動子１００を上下逆にして設置した部分拡大断面図を示す。パッケージング終了後、第１ベース４０の第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３を封止する。
この封止材６０として、共晶合金の金シリコン（Ａｕ３．１５Ｓｉ）合金、金ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金、又は金スズ（Ａｕ２０Ｓｎ）合金の１つを充填し、真空中若しくは不活性ガス中の高温槽に保持して封止する。金シリコン合金の融点が３６３°Ｃであり、金ゲルマニューム合金の融点が３５６°Ｃであり、金スズ（Ａｕ２０Ｓｎ）合金の融点が２８０°Ｃである。

封止材６０として金シリコン合金又は金ゲルマニューム合金を使用する場合には、高温槽の温度は約３８０〜４２０°Ｃとする。封止材６０として金スズ合金を使用する場合には、高温槽の温度は約３００〜３２０°Ｃとする。これにより、パッケージ８０内が真空になった又は不活性ガスで満たされた水晶振動子１００が完成する。また、第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３に、銀ロウワイヤー又は金ロウワイヤーをバーナー等で熱して溶融滴下して封止材６０としてもよい。銀ロウワイヤー又は金ロウワイヤーの溶融温度は約６００°Ｃ以上又は８００°Ｃ以上である。

回路基板の実装工程において水晶デバイスその他の表面実装デバイスをハンダペーストでハンダ付けするリフロー炉内の温度が２６０°Ｃ以上になる場合があっても、封止材６０が溶融し気密を損なうことは起こらない。

図４（ｂ）は、第２実施形態の水晶振動子１１０を上下逆にして設置した部分拡大断面図を示す。第２リッド２０’、水晶フレーム５０及び最下部の第２ベース４０’のシロキサン結合終了後、第２ベース４０’の第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’に封止材６０として上述した金シリコン（Ａｕ３．１５Ｓｉ）合金、金ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金、又は金スズ（Ａｕ２０Ｓｎ）合金の１つを充填する。そして、４００°Ｃ前後の温度の真空中若しくは不活性ガス中の高温槽にて封止する。これにより、パッケージ８０内が真空になった又は不活性ガスで満たされた水晶振動子１１０が完成する。銀ロウワイヤー又は金ロウワイヤーをバーナー等で熱して溶融滴下して封止してもよい。

図４（ｂ）に於いて、第２リッド２０’、水晶フレーム５０及び最下部の第２ベース４０’のシロキサン結合終了後に封止工程を行う工程を説明したが、金シリコン（Ａｕ３．１５Ｓｉ）合金又は金ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金を封止材６０として使用するときは、シロキサン結合を行うときに接合と封止とを同時に行うことができる。

まず、水晶フレーム５０を中心として、第２ベース４０’及び第２リッド２０’の接面を清浄な状態にして重ね合わせ、第２リッド２０’を最下位になるよう上下逆にセットする。次に、第２ベース４０’の第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’に封止材６０を充填し、真空中若しくは不活性ガス中の高温槽で４００°Ｃから４５０°Ｃに加熱しながら加圧する。これにより、シロキサン結合によるパッケージの接合を行うことができるとともに、４００°Ｃから４５０°Ｃの加熱により金シリコン合金又は金ゲルマニューム合金が溶融することによって封止を行うことができる。この方法を採ることによって工数が少なくなりコストを削減することが可能である。

第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’の封止を行った後に、第２リッド２０’、水晶フレーム５０及び最下部の第２ベース４０’のシロキサン結合を行うこともできる。例えば金シリコン合金の融点が３６３°Ｃであり、金ゲルマニューム合金の融点が３５６°Ｃであるが、これらを第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’内で溶かして封止すると、第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’の金属膜の金などが溶けて、金シリコン合金又は金ゲルマニューム合金のバランスが崩れる。つまり共晶の状態が崩れて金シリコン合金の融点又は金ゲルマニューム合金の融点は４００°Ｃ以上に上がる。また第２ベース４０’及び第２リッド２０’の接面を清浄な状態にすると３５０°Ｃ程度でもシロキサン接合を行うことができるので、第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’の封止を行った後に、第２リッド２０’、水晶フレーム５０及び最下部の第２ベース４０’のシロキサン結合を行うこともできる。

＜水晶フレーム５０及び音叉型水晶振動片３０の製造工程＞
図５Ａは、音叉型水晶振動片３０を形成した水晶ウエハ１０を示した概略斜視図である。図５Ａに示す状態は、円形の水晶ウエハ１０から音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０をエッチングで同時に形成した状態を示した図である。円形の水晶ウエハ１０から斜線部で示した開口領域１２及び空間部５２がエッチングされることにより音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０が所定の大きさに形成されている。音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０を３個１ブロックとして、１１ブロック配置した状況を示している。円形の水晶ウエハ１０は、軸方向が特定できるように、水晶ウエハ１０の周辺部１０ｅの一部には、水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットと１０ｃが形成されている。なお、説明の都合上水晶ウエハ１０には３３個の音叉型水晶振動片３０が描かれているが、実際には水晶ウエハ１０に数百数千もの音叉型水晶振動片３０が形成される。

図５Ａにおいて、音叉型水晶振動片３０及び、水晶フレーム５０は、完全に水晶ウエハ１０から切り離されず、水晶フレーム５０の一部が円形の水晶ウエハ１０と接続されている。このため、一つ一つの水晶フレーム５０を処理することなく、１枚の水晶ウエハ１０単位で取り扱うことができる。

図５Ｂは、音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０の１ブロックを拡大した平面図である。円形の水晶ウエハ１０から斜線部の開口領域１２がエッチングされることにより水晶フレーム５０が所定の大きさに形成されている。水晶フレーム５０の外周の一部分には連結部１１が形成されている。連結部１１は、円形の水晶ウエハ１０と水晶フレーム５０とを連結して、複数の水晶フレーム５０を円形の水晶ウエハ１０単位で同時に扱うことができるようにしている。水晶振動片３０の外形を規定する空間部５２（斜線部）は、開口領域１２と同時にエッチングにより形成されている。

また、水晶ウエハ１０単位で、水晶振動片３０には第１基部電極３３及び第２基部電極３４、第１励振電極３５及び第２励振電極３６並びに錘部３７及び錘部３８が形成される。基部３２から突出した一対の振動腕３１には溝部３９が形成されている。この溝部３９にも第１励振電極３５及び第２励振電極３６が形成され、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が低くなるように形成されている。

音叉型水晶振動片３０の第１基部電極３３及び第２基部電極３４、第１励振電極３５及び第２励振電極３６並びに錘部３７及び錘部３８は、スパッタリング若しくは真空蒸着をして金属膜を形成しフォトリソグラフィ工程を経て作成される。具体的には、基部電極は、下地としてクロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）などをスパッタリングで形成し、その上に金層（Ａｕ）又は銀層（Ａｇ）を重ねた金属膜を使用する。本実施形態では、第１基部電極３３及び第２基部電極３４並びに第１励振電極３５及び第２励振電極３６は、クロム層の厚みが５００Å〜１０００Å、金層の厚みが５００Å〜１０００Å、全体の厚みが１５００Å〜２０００Å程度になるよう作成される。

＜第２実施形態の水晶振動子１１０の製造工程＞
図６は、第２リッド２０’が形成された水晶ウエハ１０と、音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０が形成された水晶ウエハ１０と、第２ベース４０’が形成された水晶ウエハ１０とを重ね合わせる前の図である。第２リッド２０’も第２ベース４０’も連結部１１で水晶ウエハ１０に接続された状態である。

重ね合わせる際には、すでに第２リッド２０’のリッド用凹部２７’は水晶エッチングで形成されている。また、第２ベース４０’のリッド用凹部４７’が水晶エッチングで形成されており、さらに第１接続電極４２’及び第２接続電極４４’も形成されている。また、図５Ａ及び図５Ｂで説明したように、音叉型水晶振動片３０には第１基部電極３３及び第２基部電極３４並びに第１励振電極３５及び第２励振電極３６が形成されている。

それぞれの水晶ウエハ１０の直径は例えば４インチでありオリエンテーションフラット１０ｃが形成されているため、３枚の水晶ウエハ１０を正確に位置合わせして重ね合わせる。重ね合わされた３枚の水晶ウエハ１０はシロキサン結合される。図３で説明したように、水晶ウエハ１０同士のシロキサン結合の際に、第１基部電極３３及び第２基部電極３４と第１接続電極４２’及び第２接続電極４４’ともしっかりと結合する。

３枚の水晶ウエハ１０が重ね合わされた状態で、共通する連結部１１を折ることで水晶振動子１１０が完成する。いわゆるパッケージングと電極の結合とが同時に行うことができ、また水晶ウエハ単位で製造できるため、生産性を向上させることができる。また、図４（ｂ）で説明したように、第２ベース４０’の第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’に金シリコン合金、又は金ゲルマニューム合金を充填し、真空中若しくは不活性ガス中の高温槽に保持することにより、シロキサン結合によるパッケージの接合とパッケージの封止とを同時に行うことができる。これにより更に工数が少なくなりコストの削減が可能である。

水晶ウエハ単位で水晶振動子１１０ができあがったので、ダイシングにより１個１個を切り出すことで、水晶振動子１１０が製品として完成する。
なお、第１実施形態の水晶振動子１００については詳述しないが、水晶振動子１００も水晶ウエハ単位で製造することができる。

＜水晶振動子１００及び水晶振動子１１０製造方法を示すフローチャート＞
図７Ａないし図７Ｂは、本発明の第１実施形態の水晶振動子１００及び第２実施形態の水晶振動子１１０にかかる製造方法を示すフローチャートである。なお、図７Ａ及び図７Ｂで説明するフローチャートは、第１実施形態の水晶振動子１００の第１スルーホール４１及び第２スルーホール４３に対して金シリコン合金又は金ゲルマニューム合金で封止する場合と、第２実施形態の水晶振動子１１０の第１スルーホール４１’及び第２スルーホール４３’に対して金シリコン合金又は金ゲルマニューム合金で封止する場合とについて説明している。

図７Ａは、各種材料から部品を作成するパターンを示すフローチャートである。
パート１では、本実施形態に使用する材料を示している。使用材料は水晶ウエハ及びガラスから成る。詳細説明はすでになされているので要点のみ説明する。
パート２では、材料から作成される部品名を示している。水晶ウエハからは、第２実施形態の第２リッド２０’、第２ベース４０’及び水晶フレーム５０が形成される。パイレックス（登録商標）ガラス、ホウ珪酸ガラス及びソーダガラスなどのガラス類からは、第１実施形態の第１リッド２０と第１ベース４０が形成される。水晶フレーム５０は、第１実施形態及び第２実施形態の両方に用いられる。第１実施形態に用いる際には、パート４において水晶フレーム５０の外枠部５１に接合用の金属膜５３を形成する。

パート３では、各部材を作成するエッチング工程で行う作業内容を示す。エッチングで第１リッド２０に第１リッド用凹部２７及び第２リッド２０’に第２リッド用凹部２７’を形成し、第１ベース４０に第１ベース用凹部４７及びスルーホール４１，４３並びに段差部４９を形成する。第２ベース４０’に第２ベース用凹部４７’を形成し、第２ベース４０’に第２ベース用凹部４７’及びスルーホール４１’，４３’並びに段差部４９’を形成する。

パート４では、フォトリソグラフィ工程で、真空蒸着あるいはスパッタリングなどで各電極部を形成する作業内容を示す。フォトリソグラフィ工程により、第１ベース４０のスルーホール４１，４３の内面に金属膜を形成する。第１ベース４０の底面にメタライジングで外部電極４５，４６を形成する。フォトリソグラフィ工程により、第２ベース４０’のスルーホール４１’，４３’の内面に金属膜を形成する。第２ベース４０’の底面にメタライジングで外部電極４５’，外部電極４６’を形成する。

水晶振動片３０には、第１基部電極３３及び第２基部電極３４、第１励振電極３５及び第２励振電極３６並びに錘部３７及び錘部３８が、同時にフォトリソグラフィ工程で作成される。第１実施形態に用いる水晶フレーム５０は、外枠部５１にスパッタリングで接合用の金属膜５３が形成される。

パート５では、第２リッド２０及び第２ベース４０並びに水晶フレーム５０の接合面の洗浄、浄化作業を示している。浄化作業が不十分の場合は、シロキサン結合温度が高くなり５００°Ｃ以上を必要とする。通常のシロキサン結合温度は、３５０°Ｃから４５０°Ｃである。

図７Ｂは、パッケージングとスルーホールの封止パターンを示すフローチャートである。
パート６（ａ）では、パッケージングとスルーホールの封止をパート７で同時に行うので該当する作業はない。（ｂ）では、水晶フレーム５０を中心として、第２ベース４０’及び第２リッド２０’を重ね３５０°Ｃのチャンバー内で加熱しながら加圧しシロキサン結合を行うことでパッケージ８０が形成される。

パート６（ｃ）では、Ａｌの金属膜５３を備えた水晶フレーム５０を中心として、第１ベース４０及び第１リッド２０を重ね、２５０°Ｃから４００°Ｃのチャンバー内で加熱しながら加圧し陽極接合を行うことで、パッケージ８０が形成される。

パート７（ａ）は、第２実施形態のパッケージ８０の接合と同時に、スルーホールの封止を行う工程を示す。真空中あるいは不活性ガス中の高温槽に、まず、水晶フレームを中心として、第２ベース４０’及び第２リッド２０’の接面を重ね合わせ、次に、上下逆にして、第２リッド２０’を最下位になるように設置する。第２ベース４０’のスルーホール４１’，４３’に封止材６０を充填し、４００°Ｃに加熱しながら加圧することによりシロキサン結合が行われ、接合と同時に封止材６０が溶融し封止する。これによりパッケージ８０内が真空になった又は不活性ガスで満たされた水晶振動子１１０が完成する。

パート７（ｂ）では、シロキサン結合で形成されたパッケージ８０を上下逆に設置して、第２ベース４０’のスルーホール４１’，４３’ に封止材６０を充填し、４００°Ｃに加熱しながら加圧することにより封止材６０が溶融し封止する。これによりパッケージ８０内が真空になった又は不活性ガスで満たされた水晶振動子１１０が完成する。

パート７（ｃ）では、パート６（ｃ）で陽極接合により形成したパッケージ８０を、パート７（ｂ）と同一工程で封止材６０を溶融しパッケージ内が、真空になった又は不活性ガスで満たされた水晶振動子１００を完成する。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、本発明の水晶振動片１０は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
また、上記説明では音叉型水晶振動片３０を説明したが、ＡＴ振動片にもＳＡＷ振動片であっても本発明は適用できる。

（ａ）は、第１実施形態にかかる水晶振動子１００の概略断面図である。（ａ）は（ｃ）のＸ−Ｘ断面図である。（ｂ）は、リッド２０の内面図である。（ｃ）は、水晶フレーム５０の上面図である。（ｄ）は、ベース４０の上面図である。 第１実施形態にかかる水晶振動子１００の形成方法を示す断面図である。 （ａ）は、第２実施形態にかかる水晶振動子１１０の概略断面図である。（ａ）は（ｂ）の“Ｘ−Ｘ”断面図である。（ｂ）は、水晶フレーム５０の上面図である。（ｄ）は、ベース４０’の上面図である。 （ａ）は、第１実施形態にかかる水晶振動子１００のスルーホールを封止材で封止する部分拡大断面図である。（ｂ）は、第２実施形態にかかる水晶振動子１１０のスルーホールを封止材で封止する部分拡大断面図である。 音叉型水晶振動片３０を備える水晶フレーム５０を形成した水晶ウエハ１０を示す概略斜視図である。 水晶ウエハ１０における水晶フレーム５０の一部を拡大した概略平面図である。 第２リッド２０’の水晶ウエハ１０と、音叉型水晶振動片３０及び水晶フレーム５０の水晶ウエハ１０と、第２ベース４０’の水晶ウエハ１０とを重ね合わせる斜視図である。 水晶振動子の部品を作成するパターンを示すフローチャートである。 水晶振動子のパッケージングと封止パターンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ …… 水晶ウエハ
１１ …… 連結部
１２ …… 開口部
２０，２０’ …… リッド（第１リッド、第２リッド）
２７，２７’ …… リッド用凹部
３０ …… 音叉型水晶振動片
３１ …… 振動腕
３２ …… 基部
３３，３４ …… 基部電極
３５，３６ …… 励振電極
３７，３８ …… 錘部
４０，４０’ …… ベース（第１ベース、第２ベース）
４１，４３ …… スルーホール
４２，４４ …… 接続電極
４５，４６ …… 外部電極
４７，４７’ …… ベース用凹部
４９，４９’ …… 段差部
５０ …… 水晶フレーム
５１ …… 外枠部
５２ …… 開口部
５３ …… 金属膜
６０ …… 封止材
８０ …… パッケージ
９０ …… 直流電源
１００，１１０ …… 水晶振動子

Claims (6)

1. 圧電デバイスの製造方法において、
   第１面に第１接続電極及び第２接続電極を有し、金属膜が形成され前記第１接続電極から前記第１面の反対側の第２面に貫通する第１スルーホール及び前記第２接続電極から前記第２面に貫通する第２スルーホールを有するベースを用意する工程と、
   前記第１スルーホール及び第２スルーホールの金（Ａｕ）層又は銀（Ａｇ）層の金属膜を金ロウワイヤー又は銀ロウワイヤーの封止材をバーナーで熱して封止する封止工程と、
   前記ベースの第１接続電極及び第２接続電極に第１電極パターン及び第２電極パターンを有した圧電振動片を載置する工程と、
   前記圧電振動片を覆う蓋部を載置し、前記蓋部、前記圧電振動片及び前記ベースを合体する合体工程と、
   を備えることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 前記封止工程と前記合体工程とは、真空中又は不活性ガス中の高温槽で同時に行われることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
3. 前記封止工程が行われた後、前記合体工程が真空中又は不活性ガス中の高温槽で行われることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
4. 前記合体工程が行われた後、前記封止工程が真空中又は不活性ガス中で行われることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
5. 前記蓋部の材質及び前記ベースの材質は金属イオンを含むガラスであり、
   前記圧電振動片はその周囲に金属膜が形成された外枠部を有し、
   前記合体工程は前記外枠部と前記蓋部及び前記ベースとを陽極接合することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電デバイスの製造方法。
6. 前記蓋部の材質及び前記ベースの材質は圧電材料であり、
   前記圧電振動片はその周囲に外枠部を有し、
   前記合体工程は前記外枠部と前記蓋部及び前記ベースとをシロキサン結合することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電デバイスの製造方法。