JP5213614B2 - 圧電デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電デバイスおよびその製造方法に関するものである。

近年、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスは、携帯電話、モバイルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ・Ｄｉｇｉｔａｌ・Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の小型情報端末に広く使用されている。この圧電デバイスの構造は、例えば、箱型のパッケージ内に圧電振動片を収容し、このパッケージに蓋部材を接合してパッケージ内を気密に封止した構成となっている。（例えば、特許文献１参照）

図５は、従来技術による圧電デバイスを示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は、蓋部材を除いた平面図である。この図に示す圧電デバイス３０は、パッケージ３１と、このパッケージ３１の底部表面にマウント固定された圧電振動片３２と、パッケージ３１を気密に封止する蓋部材３３とを有した圧電振動子の例である。

圧電振動片３２は、例えば水晶からなり、矩形状に加工したＡＴカット振動片である。圧電振動片としては他に音叉型振動片等も用いられる。図３（ｂ）に示したように、圧電振動片３２には、その表裏面に励振電極３２ａが形成されており、該励振電極３２ａからは、引出しパターンが一端部に延長されており、引出し電極３２ｂを構成している。

パッケージ３１は平坦な底部３１ａと、該底部３１ａの周縁に立設された壁部３１ｂとを有しており、その内側に圧電振動片３２の収容空間となるキャビティーＣが形成されている。このパッケージ３１は、底部３１ａと、壁部３１ｂとが一体に形成されている。

パッケージ３１の内側の底部には電極パッド３５が形成されている。電極パッド３５は例えば、ニッケルの下地上に金や銀のメッキを施すことにより形成されている。
また、パッケージ３１の底面には両端部にそれぞれ外部接続端子３４が形成されている。

パッケージ３１の内側の底部表面に形成された電極パッド３５は、貫通電極３６により外部接続端子３４と接続されている。貫通電極３６は、貫通孔内に導電性部材、例えば、電解メッキ等によってＡｕ（金）メッキ等を施すことで貫通孔内を充填して構成されている。そして、電極パッド３５の上には導電部材３７を介して、圧電振動片３２が支持固定されている。ここで、導電部材３７は、導電性接着剤を用いることができる。

パッケージ３１のキャビティーＣ側の上方には、蓋部材３３が種々の手段によって接合される。パッケージ３１及び蓋部材３３は、ガラスや水晶、あるいはシリコンなどによって形成される。尚、パッケージ３１を半導体基板であるシリコン基板で形成する場合は、シリコン基板面を電気的に絶縁するための絶縁膜３８を被覆する必要がある。したがって、キャビティーＣの底部３１ａ表面、壁部３１ｂ内面にも絶縁膜３８を形成した構成となっている。

パッケージ３１と蓋部材３３の接合方法は、例えば、接合面に金属膜を形成することにより、陽極接合の手法を用いて行うことができる。また、表面活性化接合の手法を用いることもできる。表面活性化接合は、接合面どうしの表面を活性化して、部材どうしを何も介さずに直接接合するものである。

圧電デバイスは前記したように構成されており、圧電振動片３２がパッケージ３１の底部に搭載されるとともに、パッケージ３１が有するキャビティーＣ内に収容されて、蓋部材３３により気密に封止されている。

前記圧電デバイスの製造方法は、ガラスやシリコンからなる１枚のパッケージ基板に複数個の収納部品に対応するキャビティーを形成する。このキャビティー内には、圧電振動片をマウント固定するための電極パッド等を形成する。また、パッケージ基板材料にシリコンを選択した場合には、キャビティー内面等のシリコン基板面に絶縁膜等を形成する。そして複数個のキャビティーの一つ一つに圧電振動片をマウント固定し、前記パッケージ基板サイズに対応する蓋基板を接合する。最後に個々の製品（部品）単位に切断、分離して圧電デバイスが完成する。

特開２００７−２６７１０１号公報

ところで、前記した従来技術の構成では、圧電デバイスの小型化がさらに進められると、パッケージ内の圧電振動片搭載部等の形成が困難になり、精度良くパッケージを形成することが困難になる。

また、圧電振動片とキャビティー内側面には、ある程度のクリアランスが必要であるが、クリアランスを確保しようとすれば圧電デバイスのパッケージ外形サイズは大きくせざるを得ない。また、箱型パッケージの壁部を薄く形成することで、パッケージ外形サイズの小型化が狙えるが、この場合パッケージ全体の強度や蓋基板の接合精度に支障をきたす。蓋基板の接合強度を得るためには接合面積をなるべく広く確保する必要があるので、壁部を薄く形成することは現実的でない。

また、パッケージの形成手法として用いられる結晶異方性エッチング（ウェット）による加工は低コストであるが、キャビティー側面がテーパー状に加工されてしまうのでキャビティー内が狭くなり圧電振動片を正確な位置に搭載できなくなってしまうという問題もある。

そこで、本発明は前記問題点に鑑み、圧電デバイスのパッケージのキャビティー内に搭載される圧電振動片とキャビティー内側面との間のクリアランスを確保すると共に、蓋基板との接合面積をも充分に確保した圧電デバイス及びその製造方法を提供しようとするものである。

少なくとも、底部とこの底部の周縁部に立設する壁部によって内側にキャビティーを形成するパッケージと、当該パッケージ内に収容される圧電振動片と、当該圧電振動片を前記パッケージ内に気密に封止するために前記壁部上面に接合される蓋部材とを有する圧電デバイスであって、前記壁部上面から前記底部にかけて前記パッケージを切断した断面において前記壁部の内側面にあたる箇所が凹形状を有するよう、前記壁部の内側面の少なくとも一部に凹部が形成されている圧電デバイスとする。前記壁部には、断面くの字形状の凹部を形成することができる。

少なくとも、複数の圧電振動片を個別に収容するキャビティーを形成するためのパッケージ基板を準備する工程と、前記パッケージ基板の一面に蓋基板との接合面部を除く基板面の一部をドライエッチングして所望の深さの凹部を形成する第一エッチング工程と、前記凹部内を更にエッチングして一部に凹部を有する壁部とキャビティー底面部を形成する第二エッチング工程と、前記第一エッチング工程と第二エッチング工程によってキャビティーが形成されたパッケージ内に圧電振動片をマウント固定する工程と、前記パッケージの開放端部に蓋基板を接合する工程と、を有有し、前記第二エッチング工程において、前記接合面部からキャビティー底面部にかけて前記パッケージ基板を切断した断面における前記壁部の内側面にあたる箇所が凹形状を有するよう、前記壁部の内側面の少なくとも一部に凹部が形成される圧電デバイスの製造方法とする。前記パッケージ基板はシリコン材料とすることができる。また、前記パッケージ基板と前記蓋基板の接合は、表面活性化接合によって行うことができる。

以下、本発明の一実施形態による圧電デバイスについて、図面を用いて説明する。
図１は本実施例による圧電デバイスの断面図である。この図に示す圧電デバイス１は、パッケージ２と、このパッケージ２の底部表面に接合された圧電振動片３と、パッケージ２を気密に封止する蓋部材４とを有するものであり、これらの部材により圧電振動子を構成するものである。尚、パッケージ及び蓋部材としては、ガラスやシリコンを用いることができる。図１は圧電振動子を構成した圧電デバイスとして例示しているが、例えばパッケージ材にシリコン基板を用い、このシリコン基板面に発振回路等を形成すれば、より小型の発振器を構成することもできる。

圧電振動片３は、例えば水晶からなるもので、矩形状に加工したＡＴカット振動片や音叉型振動片等を用いることができる。図示してないが圧電振動片３には、その表裏面に励振電極が形成されており、該励振電極から引出されたパターンが一端部に延長されており、この引出しパターンが底面に配された電極パッド５と接続されている。

パッケージ２は平坦な底部２ａと、該底部２ａの周縁に立設された壁部２ｂとを有しており、その内側に圧電振動片３の収容空間となるキャビティーＣが形成されている。パッケージ２の内側の底部２ａには電極パッド５が形成されている。電極パッド５は例えば、ニッケルの下地上に金や銀のメッキを施すことにより形成されている。
また、パッケージ２の底面には両端部にそれぞれ外部接続端子６が形成されている。

前記壁部２ｂにはその内側面側に凹部２ｃが形成されている。この凹部２ｃは、壁部２ｂの蓋部材４と接合される上部と底部２ａに接続される部位との間のほぼ中央に形成されており、圧電振動片３の端部と対応する位置関係となるように形成されている。このような構成とすることによって、パッケージ２の外形が小さくなっても、圧電振動片３とキャビティーＣの内側面との間のクリアランスを確保することができる。さらに、壁部２ｂの上面部と蓋部材４との接合面積は、従来構成と同等に保てるので接合面積の減少による接合不具合の問題もなく、高信頼性の圧電デバイスを得ることができる。

本実施例の圧電デバイスは前述のように構成されており、圧電振動片３がパッケージ２の底部２ａに接合されるとともに、パッケージ２が有するキャビティーＣ内に収容されて、蓋部材４により気密に封止されている。

図２は、他の実施例による圧電デバイスの断面図である。図１に示す圧電デバイスと相違する点は、パッケージ２のキャビティーＣの底面に形成される電極パッド５の端部と壁部２ｂとの間に凹部２ｄを形成した点である。このような構成にすれば、電極パッド５のみがパッケージ２内の底面より突出した構成になるので、圧電振動片３を搭載するための接着剤の塗布位置が電極パッド５上に限定できる。よって接着剤の塗布面積にバラツキが生じづらく、接着剤の塗布管理がし易くなる。

図３も他の実施例による圧電デバイスの断面図である。図１及び図２に示す圧電デバイスと相違する点は、圧電振動片３が電極パッド５と接続される搭載部（マウント部）の高さがキャビティーＣの他の底面部と同一高さに構成されている点である。このような構成によれば、段差部を有する圧電振動片搭載部を形成しないのでパッケージ構成はより簡略化され、その製造も容易なものとなる。

続いて、本発明の一実施形態による圧電デバイスの製造方法について図面を用いて説明する。図４は本実施例の圧電デバイスの製造方法を示す図で、特にパッケージ形成に係わる工程を（ａ）〜（ｉ）に示している。また、実際のパッケージ形成は複数個が一括形成されるものであるが、図４においては１つのパッケージのみ示すこととする。

工程（ａ）：まず、パッケージ基板２０を準備する。このパッケージ基板は、例えば、シリコン材料からなる基板である。

工程（ｂ）：続いて、パッケージ基板２０表面にレジストを塗布し、露光・現像してパターニングする。こうして蓋部材との接合面に該当する部位にのみレジストマスク２１を形成する。

工程（ｃ）：前記工程（ｂ）にて形成されたレジストマスク２１のレジスト開口部に露出したシリコンをドライエッチングにより垂直形状に加工して凹部を形成する。

工程（ｄ）：前記工程（ｂ）で形成したレジストマスク２１をそのまま用いて、前記工程（ｃ）で形成した凹部に、例えば水酸化カリウム等のエッチング液を用いて結晶異方性エッチングする。これにより、凹部底面と側面は結晶方位にしたがって削れ、側面は断面くの字形状になり、図１に示す如き凹部２ｃを有する壁部２ｂを形成することができる。例えば、面方位（１．０．０）のシリコン基板を用いて結晶異方性エッチングした場合、（１．０．０）面に対して５４．７°の角度に位置する（１．１．１）面は、（１．０．０）面に対してエッチング速度が非常に遅いため、見かけ上エッチングされずに５４．７°の角度のテーパー形状になる。工程（Ｃ）で形成した垂直形状の凹部に対して結晶異方性エッチングを施した場合は、凹部底面を基点に下方向及び側面方向に５４．７°の角度でテーパーが形成されるため、結果として断面くの字形状になり、くの字の角度は１０９．４°になる。そして所望の深さまでエッチングを進めてキャビティーを形成する。その後レジストマスク２１を除去する。

工程（ｅ）：工程（ｄ）で形成した凹部底面の圧電振動片搭載部に該当する部位と、圧電振動片搭載部に近い側の凹部側面と、蓋部材との接合面にのみレジストマスク２２を形成する。図において右側の凹部側面にはレジストマスクは形成しない。

工程（ｆ）：前記工程（ｅ）にて形成したレジストマスク２２のレジスト開口部に露出するシリコンをエッチングして段差部を有した圧電振動片搭載部２３を形成し、その後レジストマスク２２を除去する。

工程（ｇ）：前記工程（ｆ）で形成したキャビティー凹部底面の孔部に該当する部位を除いた領域と凹部側面と接合面にレジストマスク２４を形成する。

工程（ｈ）：前記工程（ｇ）で形成したレジストマスク２４のレジスト開口部に露出したシリコンをエッチングして貫通孔２５を形成し、その後レジストマスク２４を除去する。

工程（ｉ）：メッキなどにより、凹部底面に圧電振動片搭載部上の電極パッド２６と、貫通孔２５を介して外部接続端子に繋がる配線を形成する。このようにしてパッケージが完成する。

パッケージ完成後は、洗浄等必要な処置をした上、パッケージ基板に形成された複数個のキャビティー内に圧電振動片を一つ一つマウント固定する。そして、必要に応じて、加熱・ＵＶ照射・乾燥・高温雰囲気下投入等の処置を行う。また、圧電振動片の周波数調整を実施する。

その後、前記パッケージ基板に対応するサイズの１枚の蓋基板パッケージ基板の上方に複数のキャビティーＣを覆うようにして配置し、パッケージ基板と蓋基板の接合面で接合固定する。接合手法は、金属膜を介した陽極接合や、接合面どうしの表面を活性化して各接合面を直接接触させて接合する表面活性化接合の手法によって行われる。前記したパッケージ形成の工程においては、接合面部には何も残らずシリコン面が露出しているので、表面活性化接合に好適である。

パッケージ基板と蓋基板とを接合した後、個々の製品の大きさに分割するため、ダイシングブレードやレーザーダイサー等を用いて所望の切断ラインで切断し分離する。こうして複数個の圧電デバイスが同時に完成する。

本実施例による圧電デバイスの断面図。 他の実施例による圧電振動子デバイスの断面図。 他の実施例による圧電振動子デバイスの断面図。 本実施例の圧電デバイスの製造方法を示す図。 従来の圧電デバイスを示す図。

符号の説明

１ 圧電デバイス
２ パッケージ
２ａ 底部
２ｂ 壁部
２ｃ 凹部
２ｄ 凹部
３ 圧電振動片
４ 蓋部材
５ 電極パッド
６ 外部接続端子
２０ パッケージ基板
２１ レジストマスク
２２ レジストマスク
２３ 圧電振動片搭載部
２４ レジストマスク
２５ 貫通孔
２６ 電極パッド
３０ 圧電デバイス
３１ パッケージ
３１ａ 底部
３１ｂ 壁部
３２ 圧電振動片
３２ａ 励振電極
３２ｂ 引出し電極
３３ 蓋部材
３４ 外部接続端子
３５ 電極パッド
３６ 貫通電極
３７ 導電部材
３８ 絶縁膜

Claims (5)

1. 少なくとも、底部とこの底部の周縁部に立設する壁部によって内側にキャビティーを形成するパッケージと、当該パッケージ内に収容される圧電振動片と、当該圧電振動片を前記パッケージ内に気密に封止するために前記壁部上面に接合される蓋部材とを有する圧電デバイスであって、前記壁部上面から前記底部にかけて前記パッケージを切断した断面において前記壁部の内側面にあたる箇所が凹形状を有するよう、前記壁部の内側面の少なくとも一部に凹部が形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記壁部には、断面くの字形状の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 少なくとも、
   複数の圧電振動片を個別に収容するキャビティーを形成するためのパッケージ基板を準備する工程と、
   前記パッケージ基板の一面に蓋基板との接合面部を除く基板面の一部をドライエッチングして所望の深さの凹部を形成する第一エッチング工程と、
   前記凹部内を更にエッチングして、一部に凹部を有する壁部とキャビティー底面部を形成する第二エッチング工程と、
   前記第一エッチング工程と第二エッチング工程によってキャビティーが形成されたパッケージ内に圧電振動片をマウント固定する工程と、
   前記パッケージの開放端部に蓋基板を接合する工程と、
   を有し、
   前記第二エッチング工程において、前記接合面部からキャビティー底面部にかけて前記パッケージ基板を切断した断面における前記壁部の内側面にあたる箇所が凹形状を有するよう、前記壁部の内側面の少なくとも一部に凹部が形成されることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
4. 前記パッケージ基板はシリコン材料であることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイスの製造方法。
5. 前記パッケージ基板と前記蓋基板の接合は、表面活性化接合によって行われることを特徴とする請求項３又は４に記載の圧電デバイスの製造方法。
   

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