JP6230285B2

JP6230285B2 - 電子デバイス、ｍｅｍｓセンサ及び電子デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP6230285B2
Application number: JP2013125673A
Authority: JP
Inventors: 吉田　宜史; 宜史吉田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: JP2014060698A

Description

本発明は、パッケージにＭＥＭＳセンサ等の電子素子を収納する電子デバイス、これを用いたＭＥＭＳセンサ及び電子デバイスの製造方法に関する。

従来から、携帯電話や携帯情報端末機には表面実装型の電子デバイスが多く用いられている。このうち、水晶振動子やＭＥＭＳ、ジャイロ、加速度センサ等は、パッケージの内部に中空のキャビティが形成され、このキャビティに水晶振動子やＭＥＭＳ等の電子素子が封入されている。パッケージとしてガラス材料が用いられる。例えばガラス基板に電子素子が実装され、その上にガラス蓋が陽極接合により接合されて電子素子が密封される。ガラスどうしの陽極接合は気密性が高くしかも安価であるという利点がある。

図６は、この種の電子デバイスの断面図である（特許文献１の図５）。圧電振動子１００は、ガラスからなる基板体１１０と、ガラスからなる蓋体１３０と、基板体１１０と蓋体１３０の凹部１３３との間に形成されるキャビティに収納される圧電振動素子１２０から構成される。基板体１１０には水晶片からなる圧電振動素子１２０が片持ち状に実装される。蓋体１３０には凹部１３３が形成され、この凹部１３３の周囲の枠部の上端面及び凹部１３３の内表面にはアルミニウムからなる接合用金属膜１３４が全面に形成される。基板体１１０には貫通電極が形成され、キャビティ側の表面に形成される配線とキャビティ側とは反対側に形成される外部端子１１２とを電気的に接続する。蓋体１３０は基板体１１０に陽極接合により接合される。

接合用金属膜１３４を蓋体１３０に設けるので基板体１１０のキャビティ側の配線とショートすることがなく、また、接合用金属膜１３４を蓋体１３０の凹部１３３の側の全面に、つまり凹部１３３の周囲の枠部の上端面及び凹部１３３の内表面に設けるので接合用金属膜１３４のパターニングが必要なく、容易に製造することができる。

特開２００９−１１１９３０号公報

上記従来構造では、蓋体１３０に形成した接合用金属膜１３４の断面が外部に露出している。接合用金属膜１３４の露出部は外気の水分等が付着することにより腐食する。腐食が進行すると接合用金属膜１３４は負に帯電する。すると、凹部１３３の内表面に形成される接合用金属膜１３４に負電荷が伝達され、ガラス内部からナトリウムイオンを引き寄せる。内表面の接合用金属膜１３４は、この引き寄せられたナトリウムイオンや表面に付着する水分と反応して腐食する。この腐食に伴ってガスが発生し、キャビティ内に実装される電子素子の特性劣化を引き起こす原因となる。特に凹部１３３の内表面はサンドブラスト法やエッチング処理により、或いは軟化点以上での型成形により形成されるので表面が粗く、水分が付着しやすい。

例えば、電子素子として音叉型の水晶片を用いる場合は、水晶片の振動が空気抵抗によって影響を受ける。これを避けるために、キャビティ内を真空に維持する。しかし、外気に露出する接合用金属膜１３４の腐食が進行すると、凹部１３３の内表面側の接合用金属膜１３４が腐食し、表面に付着する水分が分解して水素ガスが発生し、キャビティ内圧が変動する。この内圧変動により水晶片の振動周期が変動して特性が劣化する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、キャビティ内の金属の腐食に伴って発生するガスにより内部に収納される電子素子の特性が劣化することを防止した電子デバイス、発振器及び電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電子デバイスは、基体と、前記基体との間にキャビティが形成され、前記基体に陽極接合される蓋体と、前記キャビティに収納される電子素子と、前記蓋体と前記基体との接合面に設置される接合導電膜と、前記蓋体の前記キャビティ側の表面に設置され、前記接合導電膜と電気的に分離される内部導電膜と、を備えることとした。

また、前記接合導電膜と前記内部導電膜とは組成が同一であることとした。

また、前記蓋体は中央に凹部を有し、前記凹部の周囲の上端面に前記接合導電膜が形成され、前記凹部の底面に前記内部導電膜が形成されることとした。

また、前記接合導電膜はアルミニウムからなることとした。

また、前記電子素子は水晶振動子であることとした。

本発明の発振器は、前記電子デバイスと、前記電子デバイスに駆動信号を供給する駆動回路と、を備えることとした。

本発明の電子デバイスの製造方法は、基体に電子素子を実装する実装工程と、
蓋体に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記蓋体の前記凹部が形成される側の表面に導電膜を堆積する導電膜堆積工程と、
前記凹部に前記電子素子を収納し、前記蓋体を前記基体に陽極接合する接合工程と、
前記凹部の周囲の上端面に堆積した前記導電膜と前記凹部の底面に堆積した導電膜とを電気的に分離する導電膜分離工程と、を備えることとした。

また、前記接合工程の前に前記導電膜分離工程を行うこととした。

本発明の電子デバイスは、基体と、基体との間にキャビティを構成し、基体に陽極接合される蓋体と、キャビティに収納される電子素子と、蓋体と基体との接合面に設置される接合導電膜と、蓋体のキャビティ側の表面に設置され、接合導電膜と電気的に分離される内部導電膜と、を備える。この構成により、外部に露出する接合導電膜が腐食し接合導電膜に負電荷が帯電した場合でも、この負電荷は内部導電膜に伝達されない。そのため、内部導電膜の腐食が抑制され、内部導電膜の腐食に伴って発生するガスが低減し、キャビティ内に収納される電子素子の特性劣化を防止することができる。

本発明の第一実施形態に係る電子デバイスの断面模式図である。本発明の第二実施形態に係る電子デバイスの製造方法を表す工程図である。本発明の第二実施形態に係る電子デバイスの製造方法における各工程の説明図である。本発明の第三実施形態に係る電子デバイスの製造方法を表す工程図である。本発明の第四実施形態に係る発振器の上面模式図である。従来公知の電子デバイスの断面図である。

（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る電子デバイス１の断面模式図である。電子デバイス１は、基体２と、基体２の上に接合される蓋体３と、基体２と蓋体３の間に形成されるキャビティ４に収納される電子素子５と、基体２と蓋体３との間の接合面に設置される接合導電膜６と、蓋体３のキャビティ４側の表面に設置され、接合導電膜６と電気的に分離される内部導電膜７とを備える。

基体２及び蓋体３はソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、その他のガラスからなる板を使用することができる。蓋体３は、基体２に陽極接合され、基体２との間にキャビティ４が構成される。電子素子５は、水晶振動子、ＭＥＭＳ、発光ダイオード、受光素子、その他を使用することができる。接合導電膜６はアルミニウム、クロム、その他の金属を使用することができる。内部導電膜７は、接合導電膜６と同時に形成する同じ材料を使用することができる。

内部導電膜７を蓋体３のキャビティ４側の表面に設置したので内部ガスを吸着するゲッタリング効果を利用することができる。蓋体３に設置した接合導電膜６を陽極とし基体２を陰極として高電圧を印加して陽極接合すると酸素ガスが発生するが、内部導電膜７はこの酸素ガスを吸着し、電子素子５に与える酸素ガスの影響を低減させる。また、内部導電膜７が接合導電膜６から電気的に分離されるので、外部に露出する接合導電膜６の端部が腐食し接合導電膜６が負に帯電した場合でも、内部導電膜７にはこの負電荷が伝達されない。そのため、内部導電膜７は、蓋体３内に含まれるナトリウムイオンを引き付けることがなく、また、内部導電膜７の表面に付着する水分によって内部導電膜７の腐食が促進されず、腐食に伴って発生するガスが低減し、電子素子５の特性劣化が防止される。

本実施形態においては、蓋体３は中央部に凹部８を有する。凹部８の周囲の上端面ＴＳに接合導電膜６が形成される。凹部８の底面ＢＳに内部導電膜７が形成される。基体２は、板厚方向に貫通する２つの貫通電極１３を有し、キャビティ４側の表面には２つの配線１１が形成され、キャビティ４とは反対側の表面には２つの外部電極１４が形成される。各配線１１は貫通電極１３を介して外部電極１４にそれぞれ電気的に接続される。基体２のキャビティ４側の表面には電子素子５が実装される。電子素子５はその上面に図示しない電極が形成され、ワイヤー１２を介して配線１１に電気的に接続される。これにより、２つの外部電極１４から駆動電力や駆動信号をキャビティ４内の電子素子５に供給することができる。

なお、本実施形態において電子素子５と配線１１との間をワイヤー１２により電気的に接続したが、これに代えて電子素子５を基体２に面実装することができる。例えば電子素子５として音叉型の水晶振動子を使用する場合には、音叉型の基部を配線１１に片持ち状に接合し、キャビティ４内を真空に引いて基体２と蓋体３とを陽極接合する。このとき、内部導電膜７と接合導電膜６とが電気的に分離しているので内部導電膜７は腐食し難く、ガスの発生がないのでキャビティ４を所定圧の真空に長期間維持することができる。

また、本実施形態では蓋体３に凹部８を形成し、この凹部８の底面ＢＳに接合導電膜６と電気的に分離する内部導電膜７を形成したが、これに代えて、基体に凹部を形成し、基体と蓋体の間にキャビティを形成し、蓋体を平坦な板とすることができる。基体の凹部に電子素子を収納し、平坦な板からなる蓋体を凹部の上端面に陽極接合する。この場合も、蓋体のキャビティ側の表面には、基体と蓋体の接合面に設置する接合導電膜と電気的に分離する内部導電膜を設ける。

（第二実施形態）
図２及び図３は本発明の第二実施形態に係る電子デバイス１の製造方法を説明するための図である。図２は製造工程を表し、図３は同時に複数個の電子デバイスを製造する各工程の説明図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。

図３（ａ）は実装工程Ｓ１を表し、基体２に電子素子５を実装した断面模式図である。ここで、基体２はソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はその他のガラスからなるウエハーを使用し、電子素子５として水晶振動子を用いる。まず、基体２の各電子デバイス１に対応する領域に２つの貫通孔を形成する。基体２を軟化点以上の温度に加熱し型に押圧する型成形により複数の貫通孔を同時に形成することができる。また、基体２の表面にマスクを設置し、ガラスエッチング法やサンドブラスト法により複数の貫通孔を同時に形成することができる。次に、貫通孔に電極を埋め込んで貫通電極１３を形成する。例えば貫通孔に金属棒を埋め込み接着剤により固定する、また、貫通孔に印刷法等により導電性接着剤を充填し固化する、或いは、貫通孔に無電解メッキ法により金属材料を堆積し充填する、などの方法により貫通電極１３を形成することができる。次に、基体２の実装側の表面を研磨して平坦面とする。

次に蒸着法やスパッタリング法等により基体２の表面に導電膜を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により配線１１を形成する。導電膜としてアルミニウム、金、クロム等の材料を使用することができる。次に、配線１１の上に導電性接着剤１５を設置し、その上に電子素子５としての水晶振動子を実装する。導電性接着剤１５に代えて金属バンプを設置し、水晶振動子の表面に形成したマウント電極に接合してもよい。水晶振動子が音叉型である場合は音叉型の基部が導電性接着剤１５により固定され、水晶振動子は片持ち状に支持される。

図３（ｂ）は凹部形成工程Ｓ２を表し、蓋体３に凹部８を形成する。蓋体３はソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はその他のガラスからなるウエハーを使用する。凹部８は蓋体３を軟化点以上の温度に加熱し型成形により複数同時に形成することができる。あるいは、ウエハーの表面に凹部形成領域が開口するマスクを設置し、ガラスエッチング法やサンドブラスト法等により凹部形成領域のガラスを除去して凹部８を複数同時に形成することができる。なお、凹部８の内側面ＳＳを傾斜面とし、型成形の際の離型性を向上させている。

図３（ｃ）は導電膜堆積工程Ｓ３を表す。まず、凹部８の周囲の上端面ＴＳを鏡面に研磨する。この場合、凹部８の底面ＢＳは研磨されないので粗面の状態が維持される。次に、蓋体３の凹部８が形成される側の表面に導電膜１６を堆積する。導電膜１６としてアルミニウム膜、クロム膜、シリコン膜、他の導電膜、或いは材料の異なる複数層の膜をスパッタリング法や蒸着法により形成することができる。導電膜１６は各凹部の周囲の上端面ＴＳや底面ＢＳ、及び上端面ＴＳと底面ＢＳの間の内側面ＳＳの全面に堆積する。例えばアルミニウム膜を１００ｎｍ〜１５０ｎｍ形成する。

図３（ｄ）は接合工程Ｓ４を表し、凹部８に電子素子５を収納するように蓋体３を基体２の表面に載置し、真空中において蓋体３を基体２に陽極接合する。陽極接合は、基体２及び蓋体３を２００℃以上の温度に加熱し、蓋体３の導電膜１６を陽極に基体２を陰極にして数百Ｖの電圧を印加し、凹部８の周囲の上端面ＴＳに堆積した導電膜１６、つまり接合導電膜６を介して基体２と蓋体３とを接合する。次に、基体２の蓋体３とは反対側の表面に印刷法により外部電極１４を形成する。外部電極１４は貫通電極１３に電気的に接続する。また、印刷法に代えてメッキ法、蒸着法又はスパッタリング法等により外部電極１４を形成することができる。なお、外部電極１４は、実装工程Ｓ１の前の貫通電極１３を形成した後に形成してもよいし、次の導電膜分離工程Ｓ５の後に形成してもよい。

図３（ｅ）は導電膜分離工程Ｓ４を表し、各凹部８の周囲の上端面ＴＳに堆積した導電膜１６（接合導電膜６）と各凹部８の底面ＢＳに堆積した導電膜１６（内部導電膜７）とを電気的に分離する。具体的には、蓋体３の上方から内側面ＳＳにレーザーＬを照射し、内側面ＳＳに堆積した導電膜１６を飛散させて除去することにより、上端面ＴＳの接合導電膜６と底面ＢＳの内部導電膜７とを電気的に分離する。この際に、飛散した導電膜１６の粒子はゲッタリング効果によりキャビティ４内の水分子、或いはガスを吸着する。そのため、キャビティ４内の雰囲気は一層安定する。なお、内側面ＳＳと電子素子５との間は実際には離間しているので飛散した導電膜の粒子が電子素子５の表面に付着することはなく、電子素子５の振動特性に影響を与えることはない。

図３（ｆ）は切断工程Ｓ６を表し、ダイシングブレードやダイシングソー等を用いて、或いはガラス表面にスクライブ線を刻印し、スクライブ線に沿って割断して個々の電子デバイス１ａ、１ｂに分離することができる。この分離した電子デバイス１ａ、１ｂの接合導電膜６は外部に露出する。外気の水分が接合導電膜６に付着して腐食が始まると、接合導電膜６には負電荷が帯電するが、内部導電膜７は接合導電膜６と電気的に分離される。そのため接合導電膜６が腐食しても内部導電膜７には負電荷が伝達されない。そのため、内部導電膜７は蓋体３内に含まれるナトリウムイオンを引き寄せず、表面に付着する水分によって内部導電膜７の腐食が促進されず、これに伴うガスの発生もない。また、導電膜１６は、ゲッタリング効果を有するので陽極接合の際に発生する酸素ガスや他の要因によりキャビティ４内に放出されるガスを吸着する。そのため、キャビティ４内の雰囲気が一層安定する。

なお、導電膜分離工程Ｓ４は接合工程Ｓ５の前に実施することができる。例えば、導電膜堆積工程Ｓ３の後にレーザーの照射、或いはフォトリソグラフィ及びエッチング法により内側面ＳＳに堆積した導電膜１６を除去することができる。例えば蓋体３が不透明材料の場合や導電膜１６をレーザーで飛散させることができない等の場合にはフォトリソグラフィ及びエッチング法が有効である。

（第三実施形態）
図４は、本発明の第三実施形態に係る電子デバイス１の製造方法を説明するための工程図であり、上記第二実施形態の具体例である。同一の工程には同一の符号を付した。

基体２に実装する電子素子５は水晶振動子などからなる圧電振動片である。蓋体形成工程Ｓ２０を説明する。ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はその他のガラスからなる板状のガラスウエハーを準備する。まず、研磨、洗浄、エッチング工程Ｓ２１においてガラスウエハーを所定の厚さまで研磨し、洗浄した後にエッチング処理を行って最表面の加工変質層を除去する。次に、凹部形成工程Ｓ２において、各電子デバイス１が形成される領域の中央部に加熱プレスの型成形により凹部８を形成する。次に、研磨工程Ｓ２２において、凹部８の上端面を平坦な鏡面に研磨加工する。次に、導電膜堆積工程Ｓ３において、蓋体３の凹部８を形成した表面にスパッタリング法又は蒸着法により例えばアルミニウムからなる導電膜１６を１００ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さで堆積する。このようにガラスウエハーからなる蓋体３を形成する。

圧電振動片作成工程Ｓ３０を説明する。水晶の原石を所定角度でスライスし、水晶ウエハーを形成し、次に、水晶ウエハーを研削及び研磨加工して一定の厚みとする。次に、水晶ウエハーの加工変質層をエッチング除去する。次に、水晶ウエハーの両表面に金属膜を堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により金属膜をパターニングし、所定形状の励振電極、配線電極、マウント電極に加工する。次にフォトリソグラフィ及びエッチング法あるいはダイシングにより水晶ウエハーを圧電振動片の外形形状に加工する。

基体形成工程Ｓ４０を説明する。ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、又はその他のガラスからなる板状のガラスウエハーを準備する。まず、研磨、洗浄、エッチング工程Ｓ４１においてガラスウエハーを所定の厚さまで研磨し、洗浄した後にエッチング処理を行って最表面の加工変質層を除去する。次に、貫通電極形成工程Ｓ４２において加熱プレスの型成形により、或いは表面にマスクを設置後にエッチング処理あるいはサンドブラスにより研削してガラスウエハーの板厚方向に貫通孔を形成する。次に、この貫通孔に導電体を充填して貫通電極１３を形成し、貫通電極１３の両端部及びガラスウエハーの両面を研磨して平坦化する。次に、配線電極形成工程Ｓ４３において、スパッタリング法あるいは蒸着法により基体２の表面に金属膜を堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により配線１１にパターニングする。

次に、実装工程Ｓ１において、圧電振動片を基体２の表面に実装する。実装の際に、基体２の配線１１に導電性接着剤１５や金属バンプを設置し、その上に圧電振動片のマウント電極を接合して基体２上に圧電振動片を片持ち状に固定する。これにより、貫通電極１３と圧電振動片の励振電極とを電気的に接続する。このように多数の圧電振動片が実装されるガラスウエハーからなる基体２を形成する。

次に、重ね合わせ工程Ｓ１１において、蓋体３の各凹部８に各圧電振動片が収納されるように蓋体３を基体２の上に載置し、上下方向から押圧する。次に、接合工程Ｓ４において、基体２及び蓋体３を２００℃以上の温度に加熱し、蓋体３の接合導電膜６を陽極に基体２を陰極にして数百Ｖの電圧を印加し、接合導電膜６を介して基体２と蓋体３とを接合する。接合の際には周囲を真空に保持する。次に、導電膜分離工程Ｓ５において、蓋体３の上方から内側面ＳＳにレーザーを照射し、内側面ＳＳに堆積した導電膜１６を飛散させて除去することにより、上端面ＴＳの接合導電膜６と底面ＢＳの内部導電膜７とを電気的に分離する。次に、外部電極形成工程Ｓ１２において、基体２の蓋体３とは反対側の表面に印刷法により外部電極１４を形成する。次に、切断工程Ｓ６において、接合体の表面にスクライブ線を設け、切断刃を押し当てて割断する、あるいはダイシングブレードやダイシングソーを用いて分割し、個々の電子デバイス１を得る。次に、電気特性検査工程Ｓ１３において、電子デバイス１の共振周波数や共振抵抗値等を測定して検査する。

（第四実施形態）
図５は、本発明の第四実施形態に係る発振器４０の上面模式図であり、上記第二又は第三実施形態において説明した製造方法により製造した電子デバイス１を組み込んでいる。図５に示すように、発振器４０は、基板４３、この基板上に設置した電子デバイス１、集積回路４１及び電子部品４２を備えている。電子デバイス１は、外部電極１４に与えられる駆動信号に基づいて一定周波数の信号を生成し、集積回路４１及び電子部品４２は、電子デバイス１から供給される一定周波数の信号を処理して、クロック信号等の基準信号を生成する。本発明による電子デバイス１は、高信頼性でかつ小型に形成することができるので、発振器４０の全体をコンパクトに構成することができる。

（第五実施形態）
本発明の第五実施形態に係るＭＥＭＳセンサについて説明する。ＭＥＭＳセンサは、例えば、加速度又は振動を検出する。ＭＥＭＳセンサは、電子素子としてＭＥＭＳを使用し、第四実施形態と同様に上記第二又は第三実施形態において説明した製造方法により製造した電子デバイスを組み込んでいる。ＭＥＭＳセンサは、基板と、この基板上に設置した電子デバイスと、信号処理回路とを備えている。電子デバイスは、加速度を検出し、検出した加速度を電気信号に変換し、電気信号を信号処理回路に送る。信号処理回路は、電気信号を増幅、調整など信号処理して出力する。本発明の電子デバイスは、高信頼性でかつ小型に形成することができるので、ＭＥＭＳセンサの全体をコンパクトに構成することができる。

１、１ａ、１ｂ電子デバイス
２基体
３蓋体
４キャビティ
５電子素子
６接合導電膜
７内部導電膜
８凹部
１０水晶振動子
１１配線
１２ワイヤー
１３貫通電極
１４外部電極
１５導電性接着剤
１６導電膜
ＴＳ上端面
ＢＳ底面
ＳＳ内側面

Claims

基体に電子素子を実装する実装工程と、
蓋体に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記蓋体の前記凹部が形成される側の表面に導電膜を堆積する導電膜堆積工程と、
前記凹部に前記電子素子を収納し、前記蓋体を前記基体に陽極接合する接合工程と、
前記凹部の周囲の上端面に堆積した前記導電膜と前記凹部の底面に堆積した導電膜とを電気的に分離する導電膜分離工程と、を備える電子デバイスの製造方法。
前記接合工程の前に前記導電膜分離工程を行う請求項２に記載の電子デバイスの製造方法。