JP5123041B2

JP5123041B2 - 圧電デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP5123041B2
Application number: JP2008116374A
Authority: JP
Inventors: 裕横山
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: JP2009267867A

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスの製造方法に関する。

ここで圧電デバイスを水晶振動子として説明する。図６に示すように、従来の圧電デバイスは、例えば、圧電材として水晶が用いられている。図６は、従来の圧電デバイスを示す断面図である。
この水晶振動子２００は、容器体２０１と水晶振動素子２０５と蓋体２０６により主に構成されており、容器体２０１に形成された凹部空間２０２内底面には、一対の水晶振動素子搭載用パッド２０３が設けられている。この水晶振動素子搭載パッド２０３上には、導電性接着剤２０４を介して電気的に接続される一対の励振電極を表裏主面に有した平板状で平面視が四角形の水晶振動素子２０５が搭載されている。
この水晶振動素子２０５を囲繞する容器体２０１の側壁頂面に金属製の蓋体２０６を被せ、接合することにより、凹部空間２０２を気密封止した水晶振動子２００が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、このような水晶振動素子２０５は、表裏主面にそれぞれ設けられた励振用電極から一辺に延設された引き出し電極を水晶振動素子搭載パッド２０３に導電性接着剤２０４で固着することで片持ち固定されている。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を水晶振動素子２０５の先端部とする。
この先端部が容器体の凹部空間内底面に接触すると、周波数が変動してしまうため、従来の圧電デバイスでは、前記容器体２０１の凹部空間２０２内底面の水晶振動素子の先端部と対向する面に枕材が形成されている構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。

図７（ａ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、図７（ｂ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、図７（ｃ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。
図７に示すように、従来の圧電デバイスの製造方法は、前記容器体２０１の凹部空間２０２内底面に設けられた水晶振動素子搭載パッド２０３上に導電性接着剤２０４を塗布し、前記導電性接着剤２０４上に水晶振動素子２０５を搭載する工程と、前記導電性接着剤２０４を加熱硬化させ、前記水晶振動素子搭載パッド２０３と水晶振動素子２０５とを導通固着する工程と、蓋体２０６と前記容器体２０１とを接合するための工程とを含む製造方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００４−７０９２号公報特許第３９６５６８５号公報特開２００７−２３５３４０号公報

しかしながら、従来の圧電デバイスの製造方法の導通固着工程の際に、圧電振動素子２０５の先端部が前記容器体２０１の凹部空間２０２内底面に接触してしまうことで、圧電デバイス２００の発振周波数が変動してしまうといった課題があった。
また、圧電振動素子２０５の先端部が、凹部空間２０２内底面に接触することを防止するため枕材を設けた場合でも、圧電振動素子２０５の先端部の一部は枕材に接触してしまうため、発振周波数が変動するといった課題もあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、圧電振動素子が容器体や他の構成物に常に接触するのを防ぎ、周波数が安定する圧電デバイスを得ることができる圧電デバイスの製造方法を提供することを課題とする。

本発明の圧電デバイスの製造方法は、凹部空間を有し、その凹部空間内に圧電振動素子搭載パッドが設けられた容器体に、圧電振動素子を搭載して、凹部空間内を気密封止した圧電デバイスの製造方法であって、導電性接着剤によって、容器体に圧電振動素子を搭載する圧電振動素子搭載工程と、噴出ノズルを、容器体の凹部空間内底面と噴出ノズルとのなす角度が０度から４５度となるように、噴出ノズルが圧電振動素子の先端部側に傾けて容器体に近付け、容器体の凹部空間内にエアを噴出しながら、導電性接着剤を加熱硬化させ、圧電振動素子搭載パッドと圧電振動素子とを導通固着する圧電振動素子固着工程と、蓋体と容器体とを接合するための蓋体接合工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスの製造方法によれば、噴出ノズルを容器体に近付け、容器体の凹部空間内にエアを噴出しながら、導電性接着剤を加熱硬化させることによって、噴出されたエアにより容器体の凹部空間底面の圧電振動素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子の先端部が容器体の開口側に押し上げられながら固着することになるので、圧電振動素子の先端部が凹部空間内底面や枕材に接触した状態となることがない。
よって、圧電振動素子が凹部空間内底面や枕材に接触することにより生じる圧電デバイスの発振周波数の変動を防止することができ、安定した発振周波数を出力することが可能となる。

容器体の凹部空間内底面に対しての前記噴出ノズルの角度が０度から４５度であることによって、容器体の凹部空間底面の圧電振動素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子の先端部がエアで上方向に押し上げながら固着することになるので、凹部空間内の基板部の主面に圧電振動素子の先端部が接触することがなくなる。
また、噴出ノズルと容器体の凹部空間底面とのなす角度が０度、つまり、噴出ノズルから噴出されるエアの向きを容器体の凹部空間底面と平行になるようにすることによって、ベルヌーイの定理により、圧電振動素子の先端部が上方向に吸い上げられながら固着することになるので、凹部空間内の基板部の主面に圧電振動素子の先端部が接触することがなくなる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電デバイスに用いる圧電振動素子の圧電材に水晶を用いた場合について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。以下、圧電デバイスの一例である水晶振動子について説明する。

図１及び図２に示す圧電デバイスは、水晶振動子１００であり、容器体１０と水晶振動素子２０と蓋体３０とで主に構成されている。この水晶振動子１００は、前記容器体１０の一方の主面に形成されている凹部空間１１内に、水晶振動素子２０が搭載された構造となっている。

水晶振動素子２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板２１に励振用電極２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極２２を介して水晶素板２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極２２は、前記水晶素板２１の表裏両主面に被着・形成したものである。このような水晶振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２２と凹部空間１１内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３とを、導電性接着剤４０を介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間１１に搭載される。
また、このような水晶振動素子２０は、表裏主面にそれぞれ設けられた励振用電極から一辺に延設された引き出し電極を圧電振動素子搭載パッド１３に導電性接着剤４０で固着することで片持ち固定されている。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を圧電振動素子２０の先端部２３とする。

容器体１０は、基板部１０ａと前記基板部１０ａの一方の主面に設けられた枠部１０ｂによって構成されている。
この基板部１０ａ及び枠部１０ｂは、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料によって形成されている。
図１及び図２に示すように、基板部１０ａの一方の主面と枠部１０ｂによって凹部空間１１が形成されている。
この容器体１０の凹部空間１１を囲繞する枠部１０ｂの開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターン１２が形成されている。凹部空間１１内底面、つまり凹部空間１１内に露出した基板部１０ａの一方の主面には、圧電振動素子搭載パッド１３が設けられている。
容器体１０の基板部１０ａの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子１４が設けられている。
圧電振動素子搭載パッド１３と外部接続用電極端子１４は、前記容器体１０の凹部空間１１内の基板部１０ａ内部に形成された配線パターン（図示せず）と基板部１０ａの内部に形成されたビア導体（図示せず）により接続されている。

尚、封止用導体パターン１２は、凹部空間１１を形成する枠部１０ｂの凹部空間１１側の側面及び外側の側面にかかるように、枠部１０ｂの頂面側の端部で止められて設けられていても良い。
この封止用導体パターン１２は、後述する蓋体３０を、容器体１０に接合する際に用いられ、蓋体３０に形成された封止部材３１の濡れ性を良好にして接合し、凹部空間１１の気密信頼性及び生産性を向上させることができる。

圧電振動素子搭載パッド１３は、前記容器体１０の凹部空間１１内の基板部１０ａに設けられた配線パターン（図示せず）と、前記容器体１０の内部の配線導体（図示せず）やビアホール導体（図示せず）等を介して、外部接続用電極端子１４に電気的に接続される。

蓋体３０は、容器体１０の枠部１０ｂの開口側頂面上に凹部空間１１の開口部を覆うように配置接合される。この蓋体３０は、前記封止用導体パターン１２に対応する箇所に封止部材３１が設けられている。
また、このような封止部材３１は、前記封止用導体パターン１２表面の凹凸を緩和し、凹部空間１１内の気密性の低下を防ぐことが可能となる。

また、蓋体３０は、従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定形状に整形することによって製作される。蓋体３０の表面には、ニッケル（Ｎｉ）層が形成され、更にニッケル（Ｎｉ）層の上の少なくとも封止用導体パターン１２に相対する箇所に封止部材３１である金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層が形成される。金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が８０％、錫が２０％のものが使用されている。

前記導電性接着剤４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１０は、例えば、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、封止用導体パターン１２、圧電振動素子搭載パッド１３、外部接続用電極端子１４等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

また、前記封止用導体パターン１２は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、等から成る基層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次、凹部空間１１を環状に囲繞する形態で枠部１０ｂに被着させることによって、１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されている。

次に本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について図３を用いて説明する。
ここで、図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、図３（ｃ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。
図４は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程での噴出ノズルと容器体の凹部空間内底面とのなす角を示す断面図である。
図５は、本発明の他の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図である。

（圧電振動素子搭載工程）
図３（ａ）に示すように、容器体１０の凹部空間１１内の基板部１０ａには一対の圧電振動素子搭載パッド１３が設けられており、前記圧電振動素子搭載パッド１３上に導電性接着剤４０を塗布し、この圧電振動素子搭載パッド１３に塗布された導電性接着剤４０に圧電振動素子２０の表面に形成した励振用電極２２から延設した引き出し電極を付着させる形態で圧電振動素子２０を搭載する。

前記容器体１０には、整列治具６０に収容された状態で圧電振動素子２０が搭載される。
整列治具６０は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料により形成され、前記容器体１０を確実に固定し、各工程を流す際に用いられるものである。また、各工程は、容器体１０を整列治具６０に収容した状態で行われる。

前記整列治具６０の厚みは、前記容器体１０の厚みよりも厚くなっており、前記容器体１０を収容し固定するための収容部６１が複数形成されている。その収容部６１内に容器体１０を収容している。

（圧電振動素子固着工程）
図３（ｂ）に示すように、噴出ノズル５０を前記容器体１０に近付け、この噴出ノズル５０から前記容器体１０の凹部空間１１内に空気等のエア
K
を噴出しながら、前記導電性接着材４０を加熱硬化させ、前記圧電振動素子搭載パッド１３と圧電振動素子２０とを導通固着する。

噴出ノズル５０は、ＳＵＳ等の金属からなり、円筒状に形成されている。噴出ノズル５０の先端の平面の中心には、貫通孔５１が設けられており、前記貫通孔５１を通ってエアKが噴出される。貫通孔５１の口径は、直径０．５ｍｍ〜２．０ｍｍで設けられている。
噴出ノズル５０の傾き角度、噴出ノズル５０と容器体１０との間隔及びエアKの速度や風量は、噴出ノズル５０が接続されているエア供給制御装置（図示せず）で制御することができる。
例えば、エアKの風量は１５×１０^−３ｍ^３／ｍｉｎ〜２５×１０^−３ｍ^３／ｍｉｎとする。

噴出ノズル５０の本体は、容器体１０に搭載されている圧電振動素子２０の先端部２３が位置する上空に近付けられ、噴出ノズル５０の噴出口を所定の位置に向けて容器体１０の凹部空間１１内にエアKを噴出する。
つまり、噴出ノズル５０の本体は、容器体１０に搭載されている圧電振動素子２０の先端部２３が位置する容器体の開口側方向に離れた位置に近付けられ、容器体１０の凹部空間１１内の所定の場所にエアKを噴出する。つまり、エアＫは圧電振動素子２０が搭載されている容器体１０の圧電振動素子搭載パッド１３側に向かって噴出する。
図３（ｂ）に示すように、噴出ノズル５０から噴出されたエアＫの流れを矢印にて表すと、噴出ノズル５０より噴出されるエアKは、圧電振動素子２０が導電性接着剤４０で搭載されている側の容器体１０の枠部１０ｂにおける凹部空間側の側面にあたる。次に、エアＫは、圧電振動素子２０と容器体の基板部１０ａとの間を通って、圧電振動素子２０の先端部２３側の枠部１０ｂにぶつかり、圧電振動素子２０の先端部２３と枠部１０ｂの凹部空間１１側の側面との間から容器体１０の凹部空間１１の開口側に向かって流れる。
このようにエアＫが流れることで、容器体１０の凹部空間１１底面の圧電振動素子搭載パッド１３に搭載された圧電振動素子２０の先端部２３が、エアKの圧力により、容器体１０の凹部空間１１の開口側に向かって押し上げられる。この状態で導電性接着剤４０を加熱硬化することで固着するので、凹部空間１１内の基板部１０ａの主面に圧電振動素子２０の先端部２３が接触することがなくなる。
よって、圧電振動素子２０の先端部２３が凹部空間１１内の基板部１０ａの主面に接触することにより生じる圧電デバイス１００の発振周波数の変動を防止することができ、安定した発振周波数を出力することが可能となる。

また、噴出ノズル５０から噴出されるエアKの向きを容器体１０の凹部空間１１内底面に対しての前記噴出ノズル５０の角度が０度から４５度となるように、つまり０度よりも大きく４５度以下となるように傾いている。
つまり、図４に示すように、噴出ノズル５０は、噴出ノズル５０の噴出口の中心軸線Ｚと容器体１０の凹部空間１１内底面とのなす角度αが０度より大きく４５度以下になるように、傾いて配置される。
このようにすることで、容器体１０の凹部空間１１底面の圧電振動素子搭載パッド１３に搭載された圧電振動素子２０がエアKの作用で容器体１０の凹部空間１１の開口側に押し上がりながら固着することになるので、凹部空間１１内の基板部１０ａの主面に圧電振動素子２０の先端部２３が接触することがなくなる。
また、噴出ノズル５０の噴出口の中心軸線Ｚと容器体１０の凹部空間１１内底面、つまり容器体の凹部空間内に露出する基板部１０ａの一方の主面とのなす角度αが４５度より大きく、９０度以下になるようにした場合には、噴出するエアKにより、圧電振動素子２０の先端部２３が押し上げられる力に比べ、エアＫが圧電振動素子２０に当たることにより、圧電振動素子２０が容器体１０の凹部空間１１底面側に押し下げられる力の方が強くなるため、圧電振動素子２０の先端部２３が容器体１０の凹部空間１１底面に接触してしまう。
また、噴出ノズル５０の噴出口の中心軸線Ｚと容器体の凹部空間内底面、つまり容器体の凹部空間内に露出する基板部１０ａの一方の主面とのなす角度αが９０度より大きくなると、エアＫを導電性接着剤４０で固着されている側の圧電振動素子２０と枠部１０ｂの凹部空間側側面との間に流入することが難しくなる。
尚、０度を下回るとエアＫが凹部空間内に入らないため、圧電振動素子２０の先端部２３を押し上げることができない。また、４５度を超えると圧電振動素子２０の先端部２３が凹部空間１１内の基板部１０ａに接触してしまう。

また、図５に示すように、噴出ノズル５０の噴出向きと容器体１０の凹部空間１１内底面、つまり容器体１０の凹部空間１１内に露出する基板部１０ａの一方の主面とがなす角度が０度にする。噴射ノズル５０の噴出口の中心軸線Ｙと容器体１０の凹部空間１１内底面、つまり容器体１０の凹部空間１１内に露出する基板部１０ａの一方の主面とが平行になるようにすることによって、ベルヌーイの定理により、圧電振動素子２０の先端部２３が容器体１０の凹部空間１１の開口側に吸い上げられる。この状態で圧電振動素子２０を固着することによって、凹部空間１１内の基板部１０ａの主面に圧電振動素子２０の先端部２３が接触することがなくなる。

（蓋体接合工程）
図３（ｄ）に示すように、蓋体３０を圧電振動素子２０が搭載された容器体１０の凹部空間１１を覆う形態で搭載し、封止部材３１を加熱溶融することにより、前記蓋体３０と前記容器体１０とを接合する。
加熱手段としては、キセノンランプやハロゲンランプ等を用い、これらの熱源から熱光線を、蓋体３０が配置された容器体１０に照射することによって、蓋体３０の封止部材３１を溶融し、容器体１０の封止用導体パターン１２に接合する。その後、溶融した封止部材３１を冷却固着し、蓋体３０が接合された圧電振動子１００を整列治具６０から取り出す。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
例えば、上述した実施形態においては、圧電デバイスの１つである水晶振動子を例に説明したが、これに代えて、容器体１０内の凹部空間１１内に、圧電振動素子２０と、この圧電振動素子２０と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に、又は、容器体１０に別個の凹部空間１１を形成し、その凹部空間１１内に圧電振動素子２０と集積回路素子を別個搭載した形態の圧電発振器や、内部に搭載する圧電振動素子２０をフィルタとして機能させた圧電フィルタ等の、他の圧電デバイスを製造する方法においても本発明は適用可能である。

更に、上述した実施形態においては、個別に構成された容器体１０を整列治具６０に収容して行う工程を説明したが、整列治具６０を使用せずに容器体１０を複数個隣接集合させてなる容器体１０のシート状集合基板を使用する形態を用いた場合でも、本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。（ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程での噴出ノズルと容器体の凹部空間内底面とのなす角度を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図である。従来の圧電デバイスの断面図である。（ａ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子搭載工程を示す断面図であり、（ｂ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、（ｃ）は、従来の圧電デバイスの製造方法の蓋体接合工程を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・容器体
１０ａ・・・基板部
１０ｂ・・・枠部
１１・・・凹部空間
１２・・・封止用導体パターン
１３・・・圧電振動素子搭載パッド
１４・・・外部接続用電極端子
２０・・・圧電振動素子
２１・・・励振用電極
２２・・・先端部
３０・・・蓋体
３１・・・封止部材
４０・・・導電性接着剤
５０・・・噴出ノズル
５１・・・貫通孔
６０・・・整列治具
K・・・エア

Claims

凹部空間を有し、その凹部空間内に圧電振動素子搭載パッドが設けられた容器体に、圧電振動素子を搭載して、前記凹部空間内を気密封止した圧電デバイスの製造方法であって、
導電性接着剤によって、前記容器体に前記圧電振動素子を搭載する圧電振動素子搭載工程と、
噴出ノズルを、前記容器体の前記凹部空間内底面と前記噴出ノズルとのなす角度が０度から４５度となるように、前記噴出ノズルが前記圧電振動素子の先端部側に傾けて前記容器体に近付け、前記容器体の凹部空間内にエアを噴出しながら、前記導電性接着剤を加熱硬化させ、前記圧電振動素子搭載パッドと前記圧電振動素子とを導通固着する圧電振動素子固着工程と、
蓋体と前記容器体とを接合するための蓋体接合工程とを含むことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。