JP5230330B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、携帯用通信機器やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の電子機器に用いる圧電デバイスに関するものである。

従来より、外部接続電極やマウント電極、内部配線を有するパッケージ内に圧電振動素子を実装し気密封止した圧電デバイスが知られている。図５は、従来の電極構造を備えた圧電デバイスの一例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は下面図である。

図５に示すように、従来の電子デバイス１００においては、シリコン基板などから成る半導体基板１１０の一主面側に箱型の凹部１１１が設けられ、その凹部１１１底面上に圧電振動素子１３０を実装するための二つの実装用端子１１２が形成され、それら二つの実装用端子１１２上に互いに電気的極性の異なる二つの励振電極を備えた圧電振動素子１３０が導電性接着剤を介して実装されている。（特許文献１参照）

凹部１１１底面上に形成された二つの実装用端子１１２のうち一方の実装用端子の直下には、凹部１１１底面からそれと対向する半導体基板１１０の下面へ向かって貫通する貫通電極１１５が設けられ、一方で他方の実装用端子には、凹部１１１底面の長手方向へ延びる一筋の引き回し配線１１４が形成され、その引き回し配線１１４の先端部直下に凹部１１１底面からそれと対向する半導体基板１１０の下面へ向かって貫通する貫通電極１１５が設けられている。貫通電極１１５は、半導体基板１１０の凹部１１１底面とそれと対向する下面との間の肉厚部に設けられた円柱状の貫通孔に金属などの導電材料が充填、又はその内面全体に薄膜状に堆積されることで形成されている。

半導体基板１１０の下面には、圧電振動素子１３０の励振電極を外部と電気的に接続するための二つの外部接続端子１１３が絶縁層を介して形成され、それら二つの外部接続端子１１３のうち一方の外部接続端子１１３は、貫通電極１１５を介して一方の実装用端子１１２と接続され、他方の外部接続端子１１３は、貫通電極１１５を介して他方の実装用端子１１２と接続されており、これにより圧電振動素子１３０の二つの励振電極がそれぞれ対応する外部接続端子１１３と電気的に接続されている。

半導体基板１１０に設けられた凹部１１１の周囲を取り囲む壁部の上端部には、平板状の蓋部材１２０が接合されており、これにより凹部１１１空間内が気密封止された状態となっている。

尚、以上の圧電デバイス１００においては、半導体基板１１０と実装用端子１１２、引き回し配線１１４、及び貫通電極１１５との間にも図示しない絶縁層が介在しており、半導体基板とそれらとは互いに電気的に絶縁されている。

又、圧電デバイス１００を構成する基板として、上述した半導体基板のほかに、セラミックやガラスなどの絶縁性材料や、アルミなどの金属材料を用いることも知られている。

また、特許文献２では、圧電発振器を低背化する手段として、多層の誘電体基板からなるパッケージ２１０と、パッケージ２１０の蓋代わりの集積回路２２０と、圧電振動子２３０とで構成される圧電発振器２００が開示されている。図６は、従来の保護膜を有する圧電発振器の略断面図であり、圧電発振器２００の一部を、金属性、あるいは絶縁性の保護膜２４０で覆い、電磁界シールド効果を得ることで、出力周波数を一定に保持することを可能としている。
特開２００７−２６７１０１号公報 特開２００３−１７９４１号公報

圧電デバイスの小型化・薄型化が進むに伴い、圧電デバイスのパッケージを構成する基板も薄肉化するため、パッケージに形成した保護膜の応力や、基板自身の応力により、パッケージの変形が発生しやすい。

本発明は、パッケージの変形を抑制することが可能な圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の圧電デバイスは、第一基板と第二基板からなるパッケージ内に、圧電振動素子を収納した圧電デバイスであって、前記パッケージの互いに異なる表面に前記パッケージの反りを相殺する、引張応力材料及び／又は圧縮応力材料からなる応力膜が形成され、前記互いに異なる表面の少なくとも一方の前記応力膜は積層されていることを特徴とする。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第一基板に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板に前記圧電振動素子を収納するキャビティを形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第一基板のキャビティ内面に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第一基板のキャビティ外面に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板を導電性材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板を金属材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板を半導体材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板を絶縁性材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板をセラミックからなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第一基板をガラスからなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第二基板に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板に前記圧電振動素子を収納するキャビティを形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第二基板のキャビティ内面に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を前記第二基板のキャビティ外面に形成することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板を導電性材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板を金属材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板を半導体材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板を絶縁性材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板をセラミックからなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記第二基板をガラスからなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜を絶縁性材料からなすことができる。

本発明の圧電デバイスは、前記応力膜をポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳｉＯ_２、ＳｉＮのうちの何れか一つ又は二つ以上から選択することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記パッケージには前記圧電振動素子と電気的に接続された配線が設けられ、前記応力膜を当該配線と前記パッケージとの間に配置することができる。

本発明の圧電デバイスは、前記圧電振動素子を水晶とすることができる。

引張応力材料及び／又は圧縮応力材料からなる応力膜を、圧電デバイスのパッケージ表面に設けることで、パッケージの残留応力を低減させ、パッケージの変形を防止し、圧電デバイスの信頼性を向上させることができる。

本発明の圧電デバイスについて、基板の材料として半導体材料であるシリコンを用いた例として説明する。また、本発明の圧電デバイスにおける圧電振動素子は音叉型水晶振動片とする。以下、本発明の実施形態について、図を用いて詳細に説明する。

図１は、実施例１における圧電デバイスを示す図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｂ）は第二基板（蓋部材）を除いた概略上面図、（ｃ）は概略下面図である。

本実施例における圧電振動素子３０は、水晶母材から切り出された水晶ウェハにフォトリソグラフィー工程等により励振電極や接続電極（不図示）を形成し、エッチングにて個片化された音叉型水晶振動子である。

第一基板１０、第二基板２０は共に半導体材料であるシリコン基材からなり、第一基板１０には圧電振動素子３０を収容するための凹部（キャビティ）１１が設けられている。図１に示すように、その凹部１１底面には、引き回し配線１４や貫通電極１５を介して外部電極１３と接続された電気的極性が異なる二つのマウント電極１２が形成されており、このマウント電極１２と圧電振動素子３０の接続電極とが導電性接着剤を介して接続固定されている。外部電極１３は、圧電デバイス１と外部回路との接続を行うためのものである。

第一基板１０の凹部１１底面上に形成された二つのマウント電極１２のうち一方のマウント電極の直下には、凹部１１底面からそれと対向する第一基板１０の下面へ向かって貫通する貫通電極１５が設けられ、一方で他方のマウント電極１２には、凹部１１底面の長手方向へ延びる一筋の引き回し配線１４が形成され、その引き回し配線１４の先端部直下に凹部１１底面からそれと対向する第一基板１０の下面へ向かって貫通する貫通電極１５が設けられている。貫通電極１５は、第一基板１０の凹部１１底面とそれと対向する下面との間の肉厚部に設けられた円柱状の貫通孔に金属などの導電材料が充填、又はその内面全体に薄膜状に堆積されることで形成されている。尚、ここでは貫通電極１５を円柱状としているが、機械的特性を向上させるためには、断面二次モーメントが大きい四角柱状にするのが良い。

尚、パッケージを構成する基板の表面に形成されるマウント電極、引き回し配線、外部接続電極などの各導電層の相互間で、静電容量（以下パッケージ静電容量（Ｃｐ）とする）が発生し、圧電デバイスの電気的特性、特に励振状態に悪影響を及ぼすという問題があり、基板に絶縁膜を厚く成膜することによりパッケージ静電容量（Ｃｐ）を小さくすることができるが、絶縁膜の残留応力が発生し、基板の反りが発生し、基板から絶縁膜が剥離するなどの虞がある。

第一基板１０において、マウント電極１２および引き回し配線１４と第一基板１０との間に第一の絶縁膜１６ａ、貫通電極１５と第一基板１０との間に第二の絶縁膜１６ｂ、外部電極１３と第一基板１０との間に第三の絶縁膜１６ｃが成膜され、第一基板１０と各導電層は互いに絶縁されている。

各絶縁膜は圧縮応力を有するＳｉＯ_２膜で形成され、第一基板１０が、第一の絶縁膜１６ａと第三の絶縁膜１６ｃとで挟み込まれることで、第一基板１０自身の応力と第一の絶縁膜１６ａの応力と第三の絶縁膜１６ｃの応力が相殺され、第一基板１０全体の残留応力が相殺されている。さらに、第一の絶縁膜１６ａ、第二の絶縁膜１６ｂ、および第三の絶縁膜１６ｃは、パッケージ静電容量（Ｃｐ）を減少させている。

この第一基板１０のマウント電極１２と圧電振動素子３０の接続電極とは、ハンダや導電性接着剤などの導電性材料を介して接続され、第一基板１０の凹部１１に圧電振動素子３０が収納されている。

第一基板１０の凹部１１に圧電振動素子３０を収納した後、レーザーやイオンビームなどを用いて周波数調整用の重りを除去し、周波数調整を行う。

第一基板１０と第二基板２０とは陽極接合や直接接合などの接合手段を用いて接合され、圧電振動素子３０が気密封止されている。

パッケージを構成する第一基板１０および／または第二基板２０の材料として半導体材料を使用することで、量産性に優れた半導体プロセスを使用した生産が可能となり、大量生産による低コスト化が可能となる。また高度加工が可能となる。

また、導電性材料からなる基板と引き回し配線との間に絶縁膜を形成しパッケージ静電容量（Ｃｐ）を小さくするとともに、パッケージの変形を抑制することが可能となる。

この圧電デバイス１は、安定した励振状態を保持し、残留応力による変形を抑制することが可能である。

図２は、実施例２における圧電デバイスを示す図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｂ）は第二基板（蓋体）を除いた概略上面図、（Ｃ）は概略下面図である。

本実施例の圧電デバイス１は、実施例１の圧電デバイスを構成する第一基板１０の外部電極１３側の絶縁膜を厚膜化したものであり、最下層の第三の絶縁膜１６ｃに第四の絶縁膜１６ｄ（ＳｉＯ_２膜）と、第五の絶縁膜１６ｅ（ポリイミド樹脂）とを積層し、外部電極１３側の絶縁膜を多層絶縁膜とし、パッケージ静電容量（Ｃｐ）を更に小さくしたものである。

異なる応力特性を有する材料、すなわち圧縮応力を有するＳｉＯ_２膜と引張応力を有するポリイミド樹脂とを積層することで、絶縁膜を厚膜化しつつ第一基板１０の残留応力を相殺することができる。特に、パッケージ静電容量（Ｃｐ）対策として膜厚は１０μｍ以上が好ましく、３０〜４０μｍ程度に形成するのが最適である。

尚、外部電極１３側の絶縁膜を厚膜化するために、第三の絶縁膜１６ｃに第四の絶縁膜１６ｄ、第五の絶縁膜１６ｅを積層し多層化したが、これに限定するものではなく、更に複数の絶縁層を積層しても良い。

また、外部電極１３側に限らず、凹部１１に設けたマウント電極１２側の絶縁膜の厚膜化も同様に可能である。

更に、積層した絶縁膜間に導電層（引き回し配線等）を形成すれば、導電層の絶縁と保護を同時に行うことができる。

次に、応力膜に関して説明する。図３は、本発明の一実施形態における絶縁膜の厚さと応力との関係を説明する図である。図のＸ軸はＳｉＯ_２膜およびポリイミド樹脂を成膜した際の残留応力を示す。図４は、本発明の一実施形態における積層された絶縁膜の厚さとパッケージ静電容量（Ｃｐ）との関係を説明する図である。図のＸ軸に絶縁膜厚さ、Ｙ軸にパッケージ静電容量（Ｃｐ）を示す。またこのモデルは図２に示した実施例２における、第四の絶縁膜１６ｄ（ＳｉＯ_２膜）および第五の絶縁膜１６ｅ（ポリイミド樹脂）の総厚に対するパッケージ静電容量の変化である。

ＳｉＯ_２膜の成膜プロセスとしては、ＴＥＯＳ（珪酸エチル）と酸素の混合ガスを真空中に放出し高周波プラズマにより成膜する技術、即ちＰＣＶＤ（Ｐｒａｚｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により行ったもので、プラズマ発生用電源の電力値とガス流量をそれぞれ３水準変化させたものである。またポリイミド樹脂は市販されているＡ社製、Ｂ社製の２水準ついて行った。成膜方法はスピンコートによりポリイミド樹脂を塗布し、熱硬化させたものである。残留応力の測定は一般的に利用されている片持ち梁法を用い短冊状のＳｉ基板にそれぞれを成膜し、Ｓｉ基板の反り量から残留応力値を求めたものである。また、引張応力はプラス、圧縮応力はマイナスと符合付けした。ＳｉＯ_２膜の残留応力は概ねマイナス２００ＭＰａからマイナス３００ＭＰａ程度であった。ポリイミド樹脂の残留応力は概ねプラス３０ＭＰａからプラス５０ＭＰａ程度であった。

圧電デバイスのパッケージ静電容量を小さくするためには、絶縁層を厚くする必要があるが、同一面上に異なる絶縁材料を積層して応力を相殺するためには、以上の結果より、膜厚比をポリイミド樹脂を１とした場合、ＳｉＯ_２膜を４から１０程度にすることが良い。

ＳｉＯ_２膜の残留応力をマイナス２００ＭＰａ以上にする場合は、高周波プラズマの電力量を下げることにより可能となるが、膜の応力値が不安定になり、規定値を制御できず、膜の密着性が低下し剥離してしまう等の問題があるため、マイナス２００ＭＰａ以上にすることは好ましくない。また残留応力をマイナス３００ＭＰａ以下にした場合は、膜の残留応力により基板の反りが顕著になり安定したプロセスを行うことが困難となる。

尚、実施例２における第四の絶縁層１６ｄはＳｉＯ_２膜、第五の絶縁層１６ｅはポリイミド樹脂であり、応力相殺によりほぼ残留応力をなくすための膜厚比をＳｉＯ_２膜：ポリイミド樹脂＝１：５とした。また図４から、積層された絶縁膜が厚くなるに従い、指数関数的にパッケージ静電容量（Ｃｐ）が減少することがわかる。

以上、実施例では絶縁性を有する応力膜として、ＳｉＯ_２膜とポリイミド樹脂を一例として説明したが、必ずしもこの材料ではなく、その他絶縁材料とされる材料において引張応力材料、圧縮応力材料を選定し、これらを組み合わせて積層することで、残留応力をなくすと同時に、圧電デバイスのパッケージ静電容量を低減することができる。例えば、ＳｉＯ_２膜の代わりにＳｉＮ膜等、ポリイミド樹脂の代わりにエポキシ樹脂等が挙げられる。

また、シリコンを基板の材料として説明したが、基板の材料としては、シリコンに限定するものではなく、ガラスやセラミックなどの絶縁材料や、コバールなどの導電性材料を用いた基板に対しても、本発明は有効である。

また、第一基板に応力膜を成膜しパッケージの変形を抑制することを説明したが、当然、第二基板にも第一基板と同様に応力膜を成膜することで、同様の効果を得ることができる。

実施例１における圧電デバイスを示す図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｂ）は第二基板（蓋部材）を除いた概略上面図、（ｃ）は概略下面図 実施例２における圧電デバイスを示す図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｂ）は第二基板（蓋体）を除いた概略上面図、（Ｃ）は概略下面図 本発明の一実施形態における絶縁膜の厚さと応力との関係を説明する図 本発明の一実施形態における積層された絶縁膜の厚さとパッケージ静電容量（Ｃｐ）との関係を説明する図 従来の電極構造を備えた電子デバイスの一例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は下面図 従来の保護膜を有する圧電発振器の略断面図

符号の説明

１ 圧電デバイス
１０ 第一基板
１１ 凹部（キャビティ）
１２ マウント電極
１３ 外部電極
１４ 引き回し配線
１５ 貫通電極
１６ａ 第一の絶縁層
１６ｂ 第二の絶縁層
１６ｃ 第三の絶縁層
１６ｄ 第四の絶縁層
１６ｅ 第五の絶縁層
２０ 第二基板
３０ 圧電振動素子
１００ 圧電デバイス
１１０ 半導体基板
１１１ 凹部
１１２ 実装用端子
１１３ 外部接続端子
１１４ 引き回し配線
１１５ 貫通電極
１２０ 蓋部材
１３０ 圧電振動素子
２００ 圧電発振器
２１０ パッケージ
２２０ 集積回路
２３０ 圧電振動子

Claims (26)

1. 第一基板と第二基板からなるパッケージ内に、圧電振動素子を収納した圧電デバイスであって、前記パッケージの互いに異なる表面にそれぞれ前記パッケージの反りを相殺する、引張応力材料及び／又は圧縮応力材料からなる応力膜が形成され、前記互いに異なる表面の少なくとも一方の前記応力膜は積層されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記応力膜が前記第一基板に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. 前記第一基板に前記圧電振動素子を収納するキャビティが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記応力膜が前記第一基板のキャビティ内面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイス。
5. 前記応力膜が前記第一基板のキャビティ外面に形成されてい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。
6. 前記第一基板が導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の圧電デバイス。
7. 前記第一基板が金属材料からなることを特徴とする請求項６に記載の圧電デバイス。
8. 前記第一基板が半導体材料からなることを特徴とする請求項６に記載の圧電デバイス。
9. 前記第一基板が絶縁性材料からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の圧電デバイス。
10. 前記第一基板がセラミックからなることを特徴とする請求項９に記載の圧電デバイス。
11. 前記第一基板がガラスからなることを特徴とする請求項９に記載の圧電デバイス。
12. 前記応力膜がポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳｉＯ_２、ＳｉＮのうちの何れか一つ又は二つ以上から選択されるものであることを特徴とする請求項１１に記載の圧電デバイス。
13. 前記応力膜が前記第二基板に形成されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一つに記載の圧電デバイス。
14. 前記第二基板に前記圧電振動素子を収納するキャビティが形成されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一つに記載の圧電デバイス。
15. 前記応力膜が前記第二基板のキャビティ内面に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の圧電デバイス。
16. 前記応力膜が前記第二基板のキャビティ外面に形成されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の圧電デバイス。
17. 前記第二基板が導電性材料からなることを特徴とする請求項１〜１６の何れか一つに記載の圧電デバイス。
18. 前記第二基板が金属材料からなることを特徴とする請求項１７に記載の圧電デバイス。
19. 前記第二基板が半導体材料からなることを特徴とする請求項１７に記載の圧電デバイス。
20. 前記第二基板が絶縁性材料からなることを特徴とする請求項１〜１６の何れか一つに記載の圧電デバイス。
21. 前記第二基板がセラミックからなることを特徴とする請求項２０に記載の圧電デバイス。
22. 前記第二基板がガラスからなることを特徴とする請求項２０に記載の圧電デバイス。
23. 前記応力膜が絶縁性材料からなることを特徴とする請求項１〜２２の何れか一つに記載の圧電デバイス。
24. 前記応力膜がポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ＳｉＯ_２、ＳｉＮのうちの何れか一つ又は二つ以上から選択されるものであることを特徴とする請求項２３に記載の圧電デバイス。
25. 前記パッケージには前記圧電振動素子と電気的に接続された配線が設けられ、前記応力膜が当該配線と前記パッケージとの間に配置されていることを特徴とする請求項２３又は２４に記載の圧電デバイス。
26. 前記圧電振動素子が水晶からなることを特徴とする請求項１〜２５の何れか一つに記載の圧電デバイス。
    

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