JP5129284B2 - 圧電振動子及び圧電振動子の製造方法 - Google Patents

圧電振動子及び圧電振動子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電振動子及び圧電振動子の製造方法に係り、安価でデバイス特性のバラツキの少ない圧電振動子の技術に関する。
SMD(表面実装)構造の圧電振動子例えば水晶振動子(以下「SMD型水晶振動子」という)は小型・軽量であることから、例えば携帯電話で代表される携帯型の電子機器に周波数や時間の基準源として内蔵される。このSMD型水晶振動子の一例について、図9を用いて説明すると、図中11は、上面が開口しているセラミックスからなるベース体、12は金属製の蓋体であり、これらベース体11と蓋体12とは、例えば溶接材からなるシール材13によりシーム溶接され、その内部が真空状態となっている。
図中10は水晶振動片であり、この水晶振動片10としては音叉型の水晶振動片や矩形状の水晶振動片等を用いることができる。音叉型の水晶振動片10について図10を用いて説明すると、基部2に一対の振動腕部21a及び21bが設けられ、各振動腕部21a,21bにおける両主面には溝部23,24が夫々設けられている。これら溝部23,24及び各振動腕部21a,21bには、屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための図示しない励振電極が形成されている。また水晶振動片10のベース体11側には、前記励振電極と夫々電気的に接続される第1及び第2の電極端子(図示せず)が励振電極からベース体11側に引き出されて左右に分かれて設けられている。
この水晶振動片10は、ベース体11と蓋体12とにより形成される内部空間に振動腕部21a,21bが伸び出した横向きの姿勢で、基部2の電極端子がベース体11の台座部14に導電性接着剤15により固定され、こうして水晶振動片10がベース体11に略水平に取り付けられている。一方台座部14における水晶振動片10の一端側が取り付けられる領域には導電路16,17(17は紙面奥側の導電路である)が形成されている。このようにして構成された水晶振動片10の発振動作は、ベース体11の外部底面の長手方向に対向するように設けられた電極18,19、導電路16,17及び導電性接着剤15を通って水晶振動片10に電圧を印加させることで起こる。
しかしながらこのようなSMD型水晶振動子では、台座部14における水晶振動片10の一端側が取り付けられる領域は、その他の領域と高さがほぼ同じである。このため導電性接着剤15が外方へ流れていきやすく、導電性接着剤が必要以上の面積に広がってしまう。これにより導電性接着剤15が広がる領域が素子毎に変化してしまい、デバイス特性上のバラツキが発生しやすいという課題がある。
この課題を解決するために、ベース体11における水晶振動片10の電極端子が取り付けられる領域の高さを他の領域よりも高くして、導電性接着剤を広がりにくくすることが検討されている。例えばベース体11側に導電性材料よりなる突起状電極を設け、この突起状電極と水晶振動子10の電極端子とを導電性接着剤により電気的に接続する構成が考えられている。
このような突起状電極は、一般的には、例えばベース体11にタングステン(W)等からなる下地金属を10μm〜15μm程度の膜厚により形成した後、この上にニッケル(Ni)/金(Au)メッキを行なうことにより形成されている。ここで下地金属の厚さは10μm〜15μm程度であることから、突起状電極の高さを確保するためにはAuの厚さを10μm〜30μm程度にしなければならず、Auは高価であることからコスト的に問題がある。
この際、Auよりも安価な金属を用いて突起状電極の高さを確保し、次いでその表面にNi/Auメッキを行うことも考えられる。しかしながらこの手法では、突起状電極を高くするための金属の成膜と、Auの成膜とを行わなければならず、工程数が増加するため、結局コストアップを招いてしまう。
ところで、特許文献1には、絶縁性ベースの上面の電極形成位置に、独立した凸部を設ける構成が記載されている。この例は、絶縁性ベースを形成するための材料を低減させてコストダウンを図るものであるが、実際には、どのような手法で凸部を作成するのかについては記載されておらず、この文献1によっても本発明の課題を解決することはできない。
特開2000−164747号公報(段落0017、図5)
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、導電性接着剤の広がりを抑えると共に、安価な圧電振動子及び圧電振動子の製造方法を提供することにある。
このため本発明は、
ガラス又は水晶により構成されたベース体と、
前記ベース体と同じ材料により構成され、ベース体の一面側を密封して気密な空間を形成する蓋体と、
前記気密な空間において、ベース体上に載置され、表面に励振電極が形成されると共に、前記励振電極と電気的に接続される第1及び第2の電極端子がベース体側に設けられた圧電振動片と、
前記圧電振動片における第1及び第2の電極端子と夫々対応する位置に、ベース体をエッチングすることにより構成され、その上面が平坦な第1及び第2の突起部と、
これら突起部の表面に形成されると共に、外部端子に電気的に接続された金属膜と、
前記金属膜と、前記圧電振動片の電極端子とを夫々電気的に接続するために、各突起部の上面全体に塗布された導電性接着剤と、を備え
前記第1及び第2の突起部は、各々島状に配置されると共に全周に亘って上面から下方に向うに連れて広がる形状であることを特徴とする。
また前記突起部の上面と底部との距離は、10μm以上50μm以下であることが好ましい。さらに前記電極膜の厚さは、0.2μm以上0.5μm以下であることが好ましい。
他の発明の圧電振動子を製造する方法は、
ガラス基板又は水晶基板の表面をマスクを用いてエッチングすることにより、圧電振動片を収納する凹部と前記第1及び第2の突起部とを備えたベース体を形成する工程と、
このベース体の表面に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜をエッチングすることにより、前記突起部の表面に金属膜を形成する工程と、
次いで前記第1及び第2の突起部の上面に導電性接着剤を塗布すると共に、励振電極と当該励振電極と電気的に接続されるようにその一面側に設けられた第1及び第2の電極端子とを備えた圧電振動片を、前記第1及び第2の電極端子が前記第1及び第2の突起部の金属膜上に載置されるように配置する工程と、
を含むことを特徴とする。



本発明においては、ベース体における圧電振動片の電極端子に対応する位置にベース体をエッチングすることにより突起部を設け、この突起部の表面に金属膜を成膜し、この金属膜と前記圧電振動片の電極端子とを導電性接着剤により電気的に接続している。このため突起部の側面では導電性接着剤が表面張力により盛り上がり、外側へ流れ出にくい状態となるので、導電性接着剤の広がりを抑えることができる。また突起部の表面に成膜する金属膜の膜厚を薄くできるので、圧電振動子が安価となる。
本発明の実施の形態に係る水晶振動子を示す概略縦断面図及び平面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の一部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の表面側及び裏面側の平面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。 水晶ウエハの表面に複数の水晶振動片が搭載された様子と、水晶ウエハの表面に複数の蓋体が形成された様子を示す平面図である。 水晶ウエハと水晶振動子との接着部を示す断面図である。 水晶振動子の一例を示す概略縦断面図及び裏面図である。 音叉型水晶振動片の一例を示す概略平面図である。
本発明の実施の形態に係る圧電振動子である水晶振動子の構造について図1を参照しながら説明する。図1中3はガラスにより構成された矩形状のベース体であり、このベース体3の表面には、第1及び第2の突起部41,42と、枕部31と、後述する外部端子との接続用突部32と、周縁部30とが形成されると共に、これら突起部41,42、枕部31、突部32、周縁部30以外の領域は、凹部33として構成されている。図1(a)は前記水晶振動子のA−A断面図、図1(b)は前記ベース体3を表面側(一面側)から見た平面図、図1(c)は前記水晶振動子のB−B断面図である。
図中10は、従来の技術の項で図10を用いて説明した水晶振動片であり、前記突起部41,42は、この水晶振動片10における基部2の第1及び第2の電極端子(図示せず)と対応する位置に設けられている。これら突起部41,42は、図2に突起部41を例にして示すように、その上面43は水平面として構成され、上面43から突起部41,42の底部44に向って広がるように構成されている。これら突起部41,42は、ベース体3をエッチングすることにより形成されている。またこれら突起部41,42の表面には金属膜47が被覆されており、バンプ電極を構成している。
この例では、突起部41にはスルーホール(電極貫通孔)41aが形成されており、その内部には例えばAuSi、AuSn、AuGe等からなるAu共晶金属45が溶融している。また前記突起部41,42における前記上面43、側面46、及び突起部41のスルーホール41aの内面は金属膜47により被覆されている。この金属膜47としては、例えばクロム(Cr)よりなる下層膜と、NiW(ニッケルタングステン)よりなる中層膜と、金(Au)よりなる上層膜とを積層したものが用いられる。このようにCrを下地金属として成膜するのは、Au膜の密着性を高めるためである。なお図1(b)では、図示の便宜上金属膜47は省略している。
この例では図1(c)に示すように、突起部42にはスルーホールが形成されていない。また前記ベース体3の表面側には、図3(a)に示すように、突起部42の金属膜47に接続される所定形状の電極パターン48が形成されており、これら電極パターン48と金属膜47とは、実際には一体に形成されている。
前記突起部41,42の上面43の高さは例えばベース体3の周縁部30の高さと揃えられており、突起部41,42の高さL1(上面43と底部44との間の距離)は10μm〜50μm程度であることが好ましい。高さL1が高すぎると水晶片10と蓋体5との間隔が小さくなって振動特性が悪化したり、パッケージの低背化に対応できなくなるからであり、高さL1が低すぎると後述するように導電性接着剤の広がりが大きくなってしまうからである。また前記金属膜47において、Crの厚さは例えば0.05μm〜0.15μm、より好ましくは0.08μm〜0.15μm、程度、NiWの厚さは0.05μm〜0.1μm程度、Auの厚さは例えば0.2μm〜0.5μm程度であることが好ましい。Auの厚さが例えば0.2μmより小さいと導電性が得られなくおそれがあり、0.5μmより大きいと製造コストが高くなってしまうからである。
また前記上面43の形状はこの例ではだ円状であり、その長さ(図1(b)中X方向の長さ)L2は例えば150μm〜300μm程度、その面積は0.01mm〜0.2mm程度であることが好ましい。前記長さL2(面積)が小さ過ぎると、水晶振動片10がベース体3に十分に固定されずに動作が不安定になるおそれがあり、また前記長さL2(面積)が大き過ぎると、結局後述するように導電性接着剤の広がりが大きくなってしまうからである。なお上面43の形状は、必ずしもだ円状に限られず、円形状であっても、多角形状であってよい。
これら突起部41,42の上面43には、対応する水晶振動片10の電極端子が導電性接着剤34を介して接続され、これにより水晶振動片10が水平な状態で突起部41,42の上面43に固定されることになる。
前記枕部31もベース体3と同じ材質により構成され、突起部41,42に水晶振動片10が取り付けられたときに、水晶振動片10の長さ方向(図1(b)中X方向)の中央よりも先端側に寄った位置に設けられている。この枕部31の上面は水平面として構成され、その高さは例えばベース体3の周縁部30の高さと揃えられている。水晶振動片10が突起部41,42に固定されたときの水晶振動片10の裏面は突起部41,42の上面から僅かに浮上しているため、当該枕部31の上面からも僅かに浮上することになる。
枕部31の上面は、この例では、水晶振動片10の幅方向(図1(b)中Y方向)に伸びる四角形状に構成されており、その面積は0.25mm〜0.05mm程度であることが好ましい。このように枕部31を設ける理由は、水晶振動子に上下方向に力が加わったときに、水晶振動片10が割れないようにするためである。この枕部31を設けることにより、水晶振動片10の振れが小さくなるため、水晶振動子が衝突しても水晶振動片の割れを防ぐことができる。
前記接続用突部32は、水晶振動片10の電極端子と、後述する外部端子とを電気的に接続させるために設けられている。その内部にはスルーホール32aが形成され、突部32の表面及びスルーホール32aの内面は金属膜35により被覆されると共に、スルーホール32a内には、例えばAuSi、AuSn、AuGe等からなるAu共晶金属35aが溶融している。また前記金属膜35は、図3(a)に示すように、突起部42の金属膜47と電極パターン48により電気的に接続されており、これら金属膜35,47、電極パターン48は一体に形成されている。
またベース体3の上方側には水晶振動片10の上方側に凹部51が形成された矩形状の蓋体5が、水晶振動片10を収納した状態でベース体3に対して気密に接続されている。この蓋体5はベース体3と同様の材質により構成されている。このように、ベース体3と蓋体5とを同様の材質により構成すると、熱膨張係数が同じになるので、熱処理時の歪みが抑えられ、デバイス特性への悪影響を抑制することができる。この蓋体5はベース体3の上面に、蓋体5の周縁部52とベース体3の周縁部30とが対応するように、AuSi、AuSn、AuGe等の共晶金属によって接合される。またベース体3と蓋体5とは、低融点ガラス接合により接合するようにしてよい。
さらにベース体3の裏面には、スルーホール41aの共晶金属45と接続されるように外部端子53が設けられると共に、スルーホール32aの共晶金属35aと接続されるように外部端子54が設けられている。このようにして構成された水晶振動子1の発振動作は、外部端子53、突起部41の共晶金属45、突起部41の金属膜47及び導電性接着剤34を介して水晶振動片10の基部2の一方の電極端子に電圧が印加され、外部端子54、突部32の共晶金属35a、電極パターン48、突起部42の金属膜47及び導電性接着剤34を介して水晶振動片10の基部2の他方の電極端子に電圧が印加されることで起こる。
次に、図1に示す水晶振動子の製造方法について図4〜図6を参照しながら説明する。なお、図4〜図6は、一枚のガラス基板のある一部分に作成される一個の水晶振動子について説明したものである。先ず、切り出された一枚のガラス基板6を研磨加工して洗浄した後に(図4(a))、図4(b)に示すように、ガラス基板6にウェットエッチングによりスルーホール41a(32a)を形成する。具体的には、Crの上にAuを積層した金属膜を両面に形成し、更にこの金属膜の上に、スルーホール41a(32a)の位置及び形状に応じたレジストパターンを形成する。次いでガラス基板6をKI(ヨウ化カリウム)溶液に浸漬して金属膜が露出した部分をエッチングし、金属膜パターンを得る。その後、フッ酸溶液にガラス基板6を浸漬して、金属膜パターンをマスクとしてエッチングすることにより、スルーホール41a(32a)が形成される。この図の例では、ガラス基板6の裏面側(他面側)に金属膜パターンが形成され、当該裏面側からエッチングが進行する。なおスルーホール41a(32a)の形成はサンドブラスト加工により行なうようにしてもよい。
次いで前記金属パターンを除去した後、ガラス基板6をウェットエッチングして既述の図1に記載した突起部41,42、枕部31、突部32を形成する。なおこのエッチングにおいては、後の工程において、ガラス基板6を個片に分断するときに、この分断作業が円滑に行われるようにスクライブラインに対応する位置に溝部61を形成しておく。このエッチング工程についても、上記のようにレジストパターンを介して金属膜のパターンを形成し、フッ酸溶液を用いてエッチングが行われる。その後、金属膜パターンを除去する(図4(c))。
しかる後に、ガラス基板6の全面にCr、NiW、Auを下からこの順番で積層した金属膜を形成する。ここでCr膜やAr膜の成膜は、スパッタリングや真空蒸着法により行われ、例えばCr膜は0.05μm〜0.1μmの厚さ、NiWは0.05μm〜0.1μmの厚さ、Au膜は0.2μmの厚さで成膜される。これによりガラス基板6の表面側及びスルーホール41a(32a)の内面に金属膜が形成される。次いで、この金属膜の上にレジストパターンを形成した後、KI溶液に浸漬して、図3(a),(b)に示すような、金属膜47,35、電極パターン48に対応する金属膜パターンを形成する(図4(d))。
続いて、図5(e)、(f)に示すように、突起部41,42の上面に導電性接着剤34例えば藤倉化成製商品名「XA−5463」を塗布する。そして、その上から前記水晶振動片10の基部2の電極端子を、対応する突起部41,42の上に搭載し、加熱することで、前記導電性接着剤34を硬化させる。この時の硬化条件は、加熱温度が例えば280度、加熱時間が例えば90分間である。こうして水晶振動片10の電極端子と、突起部41,42の上面43とが導電性接着剤34を介して電気的に接合される。この工程により、図7(a)に示すように、一枚のガラス基板6の表面に複数形成された凹部33内に水晶振動片10が各々搭載される。
一方蓋体5についても、図7(b)に示すように、一枚のガラス基板7を研磨加工して洗浄した後に、ベース体3と同様の手法によりエッチングすることで、ガラス基板7の表面に、凹部51と、ダイシングライン用の溝部71を形成し、蓋体5の周縁部52に相当する領域に金属膜を形成する。この金属膜は、例えばCrとNiWとAuの積層膜よりなる。なおベース体3の周縁部30に相当する領域にも上述の工程により金属膜が形成されている。このようにベース体3の周縁部30に相当する領域及び蓋体5の周縁部52に相当する領域に金属膜を形成するのは、後述する共晶金属ボール72の密着性を向上させるためである。
そして、図5(f)に示すように、ガラス基板6の溝部61部分に、AuSn共晶金属ボール72を置く。しかる後、真空雰囲気中でベース体3側のガラス基板6の表面に、蓋体5側のガラス基板7を、ベース体3側の凹部33と蓋体5側の凹部51との間に水平に水晶振動片10を収納するように張り合わせる。次いで共晶金属ボール72部分を真空中で加熱して溶融させることで、ベース体3側のガラス基板6の表面に、蓋体5側のガラス基板7を固着させる(図5(g))。なお共晶金属ボール72の材料としては、AuSi,AuGe等も用いることができる。またベース体3側のガラス基板6と蓋体5側のガラス基板7との接合を低融点ガラスにより行うようにしてもよく、この場合には接合面に金属膜を形成する必要はない。
続いて、図6(h)に示すように、スルーホール41a(32a)部分に、AuSn共晶金属ボール73を置き、当該共晶金属ボール73部分を真空中で加熱して溶融させることで、スルーホール41a(32a)部分を共晶金属45、35aで充填し、真空密閉封止を行う(図6(i))。なお共晶金属ボール73の材料としては、AuSi,AuGe等も用いることができる。
しかる後、図6(j)に示すように、外部端子53,54を所定のパターンで形成する。外部端子53,54は、例えば下層膜であるCrと中層膜であるNiWと上層膜であるAuとを積層して構成され、例えばCrの膜厚は0.05μm〜0.1μm程度、NiWの膜厚は0.05μm〜0.1μm程度、Auの膜厚は0.4μm程度である。その後、ダイシングソーを用いてダイシングラインに沿って切ることで、ガラス基板6,7から水晶振動子が1個ずつ分断され、図1に示す水晶振動子が完成する(図6(k))。
上述の実施の形態によれば、ベース体3における水晶振動片10の電極端子に対応する位置に、ベース体3をエッチングすることにより突起部41,42を設け、この突起部41,42の表面に金属膜47を形成し、この金属膜47と、前記水晶振動片10の電極端子とを導電性接着剤34により電気的に接続している。このため、図8(a)に示すように、導電性接着剤34が突起部41,42の側面46のスロープ部分で表面張力により盛り上がり、外側へ流れることを抑制する。この結果、水晶振動片10の電極端子とベース体3側は、突起部41,42の上面43に依存した形状で接着を行うことができる。これにより予め突起部41、42の上面の形状を電極端子に合わせることにより、必要以上に導電性接着剤34が広がることが抑えられる。このように、導電性接着剤34の広がり領域が水晶振動子毎に揃えられるので、デバイス特性上のバラツキの発生が抑えられる。
一方図8(b)に示すように、ベース体3における、水晶振動片10の電極端子と導電性接着剤34により接続される領域の高さが、他の領域と同じである場合には、導電性接着剤34がベース体3の表面を外方に流れてしまう。これにより水晶振動片10では電極端子側や、導電路47,48側に必要以上に接着剤が広がってしまい、この導電性接着剤34の広がりが水晶振動子毎に異なることにより、デバイス特性上にバラツキが発生してしまう。
また突起部41,42は、ガラス基板6をエッチングすることにより形成され、その上にAu膜を成膜しているので、Au膜の膜厚を薄くでき、安価に製造できる。この際ガラス基板6を用いているので、下地膜であるCr膜やAu膜をスパッタリングや真空蒸着により薄い厚さで成膜でき、製造が容易となる。
さらに水晶ウエハをウェットエッチングして突起部41,42を形成しているので、エッチング条件を選択することにより、水晶の結晶面方位を利用して、上面43から底部44に亘って下側に広がる傾斜のある形状の突起部41,42を形成することができる。この突起部41,42の側面46の傾斜により、既述のように導電性接着剤34の外側への流れが防止されるため、ガラス基板6をエッチングして突起部41,42を形成することは有効である。またベース体3と蓋体5のみをガラス基板6,7により夫々作製して、水晶振動片10は安価な従来品を用いることにより、より安価なデバイスを作成することができる。
本発明においては、ベース体3と蓋体5は同じ材質であればよく、ガラス基板の他、水晶基板により作成するようにしてもよい。また本発明において、突起部41,42の表面に形成される金属膜は、少なくとも突起部41,42における導電性接着剤34と接触する領域に形成されればよい。さらに本発明では、スルーホールを用いて電力供給するタイプの水晶振動子のみならず、図9に示すような電力供給構造を有する水晶振動子にも適用できる。
さらに本発明では、水晶振動片10の一方の電極端子がベース体側に設けられると共に、他方の電極端子が蓋体側に設けられている構成にも適用できるが、水晶振動子10の両方の電極端子をベース体側に設ける構成の方が、導電性接着剤の外方への広がりを抑える効果が大きく、メリットが大きい。
3 ベース体
31 枕部
32 突部
33 凹部
41,42 突起部
43 上面
44 底部
46 側面
47 電極膜
48 導電路
5 蓋体
51 凹部
53,54 外部端子
6,7 ガラス基板

Claims (4)

  1. ガラス又は水晶により構成されたベース体と、
    前記ベース体と同じ材料により構成され、ベース体の一面側を密封して気密な空間を形成する蓋体と、
    前記気密な空間において、ベース体上に載置され、表面に励振電極が形成されると共に、前記励振電極と電気的に接続される第1及び第2の電極端子がベース体側に設けられた圧電振動片と、
    前記圧電振動片における第1及び第2の電極端子と夫々対応する位置に、ベース体をエッチングすることにより構成され、その上面が平坦な第1及び第2の突起部と、
    これら突起部の表面に形成されると共に、外部端子に電気的に接続された金属膜と、
    前記金属膜と、前記圧電振動片の電極端子とを夫々電気的に接続するために、各突起部の上面全体に塗布された導電性接着剤と、を備え、
    前記第1及び第2の突起部は、各々島状に配置されると共に全周に亘って上面から下方に向うに連れて広がる形状であることを特徴とする圧電振動子。
  2. 前記突起部の上面と底部との距離は、10μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1記載の圧電振動子。
  3. 前記金属膜の厚さは、0.2μm以上0.5μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電振動子。
  4. 請求項1ないし3のいずれか一つに記載の圧電振動子を製造する方法であって、
    ガラス基板又は水晶基板の表面をマスクを用いてエッチングすることにより、圧電振動片を収納する凹部と前記第1及び第2の突起部とを備えたベース体を形成する工程と、
    このベース体の表面に金属膜を成膜する工程と、
    前記金属膜をエッチングすることにより、前記突起部の表面に金属膜を形成する工程と、
    次いで前記第1及び第2の突起部の上面に導電性接着剤を塗布すると共に、励振電極と当該励振電極と電気的に接続されるようにその一面側に設けられた第1及び第2の電極端子とを備えた圧電振動片を、前記第1及び第2の電極端子が前記第1及び第2の突起部の金属膜上に載置されるように配置する工程と、
    を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
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