JP6383138B2

JP6383138B2 - 電子デバイス

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Publication number: JP6383138B2
Application number: JP2013035060A
Authority: JP
Inventors: 清貴佐山; 吉田　宜史; 宜史吉田; 良久田家
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: JP2014165341A

Description

本発明は、電子デバイスに関する。

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。例えばベー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（例えば特許文献１）。

従来の電子デバイスは、ベースと、ベースに搭載される電子部品と、電子部品を収容してベースに接合されるキャップとを備える。ベースには板厚方向に貫通する貫通電極と、ベースの下面に形成され、貫通電極に電気的に接続される第一の金属膜と、ベースの上面に形成され、貫通電極と電子部品とを電気的に接続する第二の金属膜が形成される。第一の金属膜の外部には金属膜からなる外部電極が形成される。

ここで、貫通電極は鉄−ニッケル系合金が使用される。第一の金属膜として無電解メッキ法により形成される金が使用される。また、貫通電極とベースとの間には図示しない低融点ガラスが使用され、熱溶着により気密性を向上させている。低融点ガラスを使用して熱溶着し貫通電極とベースとの間の気密性を向上させようとすると、貫通電極の端面に酸化膜が形成され、他の金属との間の導電性が低下する。そこで、貫通電極の熱溶着時に形成される酸化膜を取り除いた後に、貫通電極の端面に第一の金属膜や第二の金属膜を形成して貫通電極の酸化を防止している。

特開２０１２−４４１０５号公報

第一の金属膜は、貫通電極の端面だけを介して貫通電極と電気的に接続している。この場合、貫通電極の端面だけでは、電気的に接続できる領域が少ないため、電気的に接続できない可能性がある。また、貫通電極及びベース基板の表面を同時に研磨して、一面で構成しようとすると、貫通電極とベース基板との境界部が多く削れ、段差ができる可能性がある。この場合、貫通電極とベース基板との間の境界部が露出し腐食が一層進行しやすい。

本発明に係る電子デバイスは、複数の貫通電極が形成される絶縁性のベース基板と、前記ベース基板の一方の表面に実装される電子素子と、前記電子素子を収納し前記ベース基板に接合される蓋体と、を備える電子デバイスであって、前記貫通電極は、金属ピンで構成され、前記ベース基板の他方の表面から突出する突出部を有し、前記突出部は、前記貫通電極の前記ベース基板の他方の表面側の端面の全体を含み、前記突出部の表面の全体と、前記突出部近傍の前記ベース基板の他方の表面と、を覆う金属膜で形成される外部電極を有することを特徴とする。

本発明によれば、外部電極は、突出部の表面全体と接触するため、電気的に接続できる領域を増加し、外部電極と貫通電極とを確実に電気的に接続することができる。また、貫通電極とベース基板との境界部においても、貫通電極が突出しているため、この境界部に段差が生じにくい。そのため、この境界部からの腐食を抑制することができる。

また、前記貫通電極の前記端面は、周縁から中央に向かって傾斜する傾斜面で構成されることを特徴とする。これにより、外部電極が傾斜面を利用して形成されるため、外部電極を傾斜面に沿って形成され、外部電極と貫通電極との電気的接続を確実にすることができる。

また、前記突出部は、前記貫通電極の前記端面のみで構成され、前記端面の周縁が前記ベース基板の他方の表面との境界であることを特徴とする。これにより、貫通電極と外部電極との境界で段差が生じないため、外部電極が段差で分断することを防止できる。

また、前記貫通電極の前記端面は、曲面で構成されることを特徴とする。これにより、貫通電極の端面に段差が生じないため、外部電極が段差で分離することを防止できる。

また、前記外部電極は、メッキ膜で構成されることを特徴とする。これにより、貫通電極と外部電極との境界で密着しやすくなり、この境界での腐食を防止することができる。

本発明の実施の形態による電子デバイスの一例を示す外観斜視図である。図１に示す電子デバイスの断面図である。図１に示す電子デバイスの貫通電極の一例を示す断面図である。図１に示す電子デバイスの貫通電極の他の一例を示す断面図である。図１に示す電子デバイスの貫通電極の他の一例を示す断面図である。図１に示す電子デバイスの貫通電極の他の一例を示す断面図である。図１に示す電子デバイスを製造する流れを示す工程図である。図１に示す電子デバイスを製造する流れを示す工程図である。

以下、本発明の実施の形態による電子デバイスについて、図１、図２を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態による電子デバイスの一例を示す外観斜視図である。図２は、図１に示す電子デバイスの断面図である。

本実施形態の電子デバイス１は、図１及び図２に示すように、ベース基板２と蓋基板３とが２層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティ５内に電子デバイス４が収納された表面実装型パッケージである。そして、電子素子４とベース基板２の外側に設置された外部電極１１とが、ベース基板２を貫通する一対の貫通電極１０によって電気的に接続されている。電子素子５として、圧電振動片、例えば水晶振動片、発光素子、受光素子、加速度センサ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｓｙｓｔｅｍｓ）、その他の素子を使用することができる。

ベース基板２は、ガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明な絶縁性の基板で板状に形成されている。ベース基板２は例えば数百μｍの厚さである。蓋基板３は絶縁物、半導体、金属、あるいはその複合材料からなり、本実施形態では例えばソーダガラスからなる絶縁性の基板である。図１及び図２に示す例では、蓋基板３におけるベース基板２が接合される接合面（一方の面）側に、電子素子４が収納されるキャビティ５となる矩形状の凹部が形成される。また、ベース基板２は平板状に形成されている。凹部は、両基板２、３が重ね合わされたときに、電子デバイス４を収納するキャビティ５となる凹部である。そして、蓋基板３は、この凹部５をベース基板２側に対向させた状態でベース基板２に対して接合膜７を介して接合されている。接合膜７を用いて陽極接合や金属間接合を行うことができる。また、接合膜７として接着剤を用いて蓋基板３とベース基板２を接合することができる。

図２に示すように電子素子４と外部電極１１とを電気的に接続するために複数の貫通電極１０がベース基板２に形成されている。貫通電極１０を通すための貫通孔は、キャビティ５内に開口するように形成されている。図２では、貫通孔は略一定の径を維持しながらベース基板２を真っ直ぐに貫通した貫通孔を例に挙げて説明するが、この場合に限られず、例えばベース基板２の下面に向かって漸次径が縮径あるいは拡径するテーパー状に形成しても構わない。いずれにしても、ベース基板２を貫通していれば良い。

貫通電極１０は、貫通孔を完全に塞いでキャビティ５内の気密を維持していると共に、外部電極１１と電子素子４とを電気的に導通させる役割を担っている。また、貫通電極１０は、内部電極９を介して、電子素子４と電気的に接合している。内部電極９と電子素子５とをワイヤーボンディングにより電気的に接続する他に、内部電極９と電子素子５とを金属バンプ１０を介して表面実装してもよい。

さらに貫通電極１０について、図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示す電子デバイスの貫通電極の一例を示す断面図である。なお、ベース基板２の一方の面側に配置されている内部電極、蓋基板等は省略している。

貫通電極１０は、導電性の金属材料からなる金属ピンで形成されている。金属ピンは、例えば鉄−ニッケル合金からなる。本実施形態において、貫通電極１０は、ベース基板の一方の表面側の端面（一方の端面）からベース基板の他方の表面側の端面（他方の端面）まで一定の径の円柱で構成されている。

また、貫通電極１０は、ベース基板２の他方の表面から突出する突出部を有している。この突出部は、貫通電極１０の他方の端面の全体を含んでいる。すなわち、貫通電極１０の他方の端面の全体が、ベース基板２の他方の表面より突出している。また、本実施形態においては、貫通電極１０の側面は、ベース基板２に埋め込まれる部分と、ベース基板２の他方の表面から突出する部分とを有している。この突出部は、１μｍ以下の高さで構成され、例えば０．１〜１μｍの高さである。ただし、突出部は他方の端面がベース基板の他方の面より突出する高さであればよい。また、突出部の高さが１μｍより大きくすると、ベース基板２の他方の表面の平坦度に影響を及ぼし、電子デバイスの実装時に影響がでる可能性がある。

外部電極１１は突出部の表面の全体を覆う金属膜で形成されている。外部電極１１は、無電解メッキ法により形成されるメッキ膜を有する。このメッキ膜は、例えば、ニッケル膜で形成され、膜厚が１μｍ〜５μｍに形成される。メッキ膜の膜厚は１μｍよりも薄くすると貫通電極１０の他方の端面を水分等から隔離するキャップ効果が低下しやすくなり、膜厚を５μｍよりも厚くすると、メッキ膜の内部応力が大きくなって膜下部のベース基板２の欠けや割れが発生しやすくなる。なお、外部電極１１は、電解メッキ法により形成されるメッキ膜でもよい。

本実施形態では、外部電極１１は、突出部の表面全体と接触するため、電気的に接続できる領域を増加し、外部電極１１と貫通電極１０とを確実に導通することができる。また、貫通電極１０とベース基板２との境界部においても、貫通電極１０が突出しているため、この境界部に段差が生じにくい。そのため、この境界部からの腐食を抑制することができる。

図１に示す電子デバイスの貫通電極の他の例を、図４〜６を参照して説明する。図４〜６は、それぞれ図１に示す電子デバイスの貫通電極の他の一例を示す断面図である。なお、図３と同様の構成については、その説明を省略する。

図４において、貫通電極１０において、他方の端面が、周縁から中央に向かって傾斜する傾斜面で構成される。本実施形態において、貫通電極１０は、円柱で構成され、端面の形状は、円で構成される。この場合、貫通電極１０の他方の端面は、円の外周縁から中心部に向かって傾斜し、中心部を頂点とする針状に形成される。また、貫通電極１０の他方の端面は、側面に対しても傾斜している。
また、貫通電極１０の側面は、図３と同様に、ベースの他方の表面から突出している。

図４の例により、外部電極１１が貫通電極１０の傾斜面を利用して形成されるため、外部電極１１を傾斜面に沿って傾斜しやすくなる。そのため、外部電極１１と貫通電極１０との電気的接続を確実にすることができる。

さらに、外部電極１１をメッキ膜で形成する場合、貫通電極１０の他方の端面と側面とが垂直の場合よりも、他方の端面と側面との境界で形成しやすい。また、外部電極１１をスパッタ等の金属膜で形成する場合、貫通電極１０の他方の端面と側面との境界で金属膜が分断されにくい。そのため、外部電極と貫通電極との間で確実に導通させることができる。

図５において、貫通電極１０の突出部は、貫通電極１０の他方の端面のみで構成されている。また、他方の端面の周縁が、突出部とベース基板２の他方の表面との境界になっている。すなわち、貫通電極１０の他方の端面は、周縁から中央に向かって傾斜する傾斜面からなり、この傾斜面が突出部を構成している。また、貫通電極１０の側面は、ベース基板２の他方の表面側に完全に埋め込まれている。

この場合、突出部とベース基板２の他方の表面との境界は、傾斜角を有している。すなわち、貫通電極１０と外部電極１１との境界で段差が生じない。そのため、外部電極１１は、この傾斜を利用して形成することができる。この場合、外部電極１１は、突出部とベース基板２の他方の表面との境界部分で、分断されにくい。よって、外部電極１１と貫通電極１０との間を確実に導通させることができる。

図６において、貫通電極１０の他方の端面は、曲面で構成されている。この場合、貫通電極１０の端面が滑らかに変化する。そのため、外部電極１１が貫通電極１０の表面で分断されにくい。

図６においては、図５と同様に突出部が貫通電極１０の他方の端面のみで構成される。なお、本例の場合、他方の端面の一部が曲面で構成されてもよい。この場合においても、曲面部分で、外部電極の分断が発生しにくい。また、本例の場合、突出部が貫通電極１０の側面を含んでもよい。

また、貫通電極１０の形状は各例に限定されない。例えば、貫通電極１０が、角柱でもよい。また、図３において、貫通電極の他方の端面の中央の頂点が形成されず、中央に面が形成されてもよい。この場合、他方の端面は例えば、断面視で台形形状になる。

また、貫通電極１０の他方の端面において、径の一方の端から他方の端まで一定の傾斜角で傾斜して、端面が一面の傾斜面で構成されてもよい。
また、外部電極１１は、メッキ膜と、メッキ膜及びベース基板１１の上面に形成される金属膜とで構成されてもよい。この金属膜は、スパッタ等で形成される。

次に電子デバイスの製造方法を説明する。図７、図８は、本発明の電子デバイスの製造方法を表す工程図である。図７に示すように、まず、貫通電極形成工程Ｓ１において、ベース基板に鉄−ニッケル系合金からなる貫通電極を形成する。次に、電子素子実装工程Ｓ２において、ベース基板の一方の表面に電子素子を実装する。次に、蓋体設置工程Ｓ３において、ベース基板に電子素子を収納して蓋体を設置する。次に、外部電極形成工程Ｓ４において、ベース基板の他方の表面に露出する貫通電極の突出部に金属膜からなる外部電極を形成する。

図８を用いて、電子デバイスの製造方法を詳細に説明する。
ベース基板としては、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、その他のガラスを使用することができる。貫通電極として、コバール、インバー、パーマロイ、４２アロイ、ステンレス鋼等の鉄−ニッケル系合金を使用することができる。貫通電極の突出部に無電解メッキ法によりメッキ膜を形成することにより、メッキ膜は貫通電極の突出部と端面近傍のベース基板の表面にキャップを被せたように形成され、貫通電極の突出部は密閉される。そのため、周囲に水分等が付着しても貫通電極とは接触せず、貫通電極が電池効果によって腐食することが防止される。メッキ膜の酸化を防止するため、メッキ膜の上面に金等のイオン化傾向の小さな金属材料を形成することができる。

なお、貫通電極形成工程Ｓ１の後であり、電子素子実装工程Ｓ２の前に、外部電極形成工程Ｓ４を行って貫通電極３の突出部に外部電極を形成し、次に電子素子実装工程Ｓ２と蓋体設置工程Ｓ３を行ってもよい。

貫通電極形成工程Ｓ１において、ガラス材を軟化又は溶融し、型成形によりベース基板２に貫通孔を形成する。貫通孔に鉄−ニッケル系合金の金属ピンを充填し、加熱・軟化させて金属ピンとベース基板とを溶着する。ベース基板を冷却後に両面を研磨する。なお、ベース基板２の貫通孔は、サンドブラスト法やエッチング法により形成することもできる。

電子素子実装工程Ｓ２において、ベース基板２に電子素子４を表面実装する。ベース基板２の一方の表面に蒸着法やスパッタリング法等により金属膜を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により金属膜のパターニングを行って内部電極９を形成する。内部電極９は、蒸着法やスパッタリング法に代えて印刷法により形成してもよい。次に、ワイヤーを介して電子素子４を表面実装によりベース基板２に設置する。

蓋体設置工程Ｓ３において、ベース基板２に電子素子５を接合する。蓋基板３として、例えばベース基板２と同じソーダ石灰ガラスを使用することができる。蓋基板３は中央に窪みを備え、窪みの上端面には予め接合膜７を形成しておく。接合膜７として、例えば、蒸着法やスパッタリング法等によりアルミニウム膜、クロム膜、シリコン膜等の導電性膜、又はこれらの複合層を形成する。そして、中央の窪みに電子素子４を収納してベース基板２と蓋基板３を陽極接合により接合する。接合の際に電子素子４が収納されるパッケージ内部を真空にすることができる。例えば、電子素子４として水晶振動片を使用する場合に、パッケージ内部を真空に維持すれば、水晶振動片の物理的な振動に対する空気抵抗を無くすことができる。なお、ベース基板２と蓋基板３との間は、陽極接合の他に用途に応じて金属間接合や接着剤によって接合することもできる。

外部電極形成工程Ｓ４において、ベース基板２の他方の表面に突出する貫通電極１０の突出部に外部電極１１を形成する。さらに外部電極１１の表面に金属膜７を形成することができる。外部電極１１を覆うように、銀ペースト等の導電材料を印刷し、焼成して形成される導電膜を形成することができる。

図８は、本発明に係る電子デバイスの製造方法を表す工程図である。電子素子として圧電振動片を実装した圧電振動子からなる電子デバイスを製造する具体例である。なお、本実施形態は、多数の窪みが形成されるガラスウエハーと、多数の電子素子が実装されるガラスウエハーとを重ね合わせて接合し、多数の電子デバイス１を同時に形成する製造方法である。同一の工程には同一の符号を付している。

ベース基板に実装する電子素子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、窪み形成工程Ｓ２２において、各電子デバイス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窪みを形成する。次に、研磨工程Ｓ２３において、窪みの周囲の上端面を平坦な鏡面に研磨加工する。次に、接合膜堆積工程Ｓ２４において、蓋体の窪み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接合膜を５０ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さで堆積する。次に、パターン形成工程Ｓ２５において、フォトリソグラフィ及びエッチング法により、窪み周囲の上端面以外の表面から接合膜を除去する。このようにしてガラスウエハーからなる蓋体を形成する。

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処理を行って除去する。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。

ベース基板形成工程Ｓ４０を説明する。ソーダ石灰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Ｓ１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ト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、この貫通孔に鉄−ニッケル系合金からなる貫通電極を埋め込む。

次に、研削工程Ｓ４２において、貫通電極の両端部及びガラスウエハーの両面を研磨する。この工程で、ガラスウエハ―に、ラッピング、ポリッシングを行う。なお、研磨剤１２は貫通電極１０の材質に応じて適宜設定することができる。この工程において、貫通電極１０が、ベース基板の他方の表面から突出する突出部を有し、突出部は、貫通電極１０のベース基板の他方の表面側の端面の全体を含むまで研磨する。また突出部の形成は、例えば、ベース基板と貫通電極との硬さの違いを利用して形成される。すなわち、貫通電極よりベース基板の方が研磨されやすいため、突出部を形成することができる。また、ポリッシングをベース基板の一方の表面のみに行い、他方の表面にポリッシングしないことで、突出部を形成してもよい。ポリッシング工程において、研磨剤１２として、純水、過酸化水素水及びコロイダルシリカの混合液を用い、化学的機械的研磨を行い、突出部の高さを調整してもよい。

次に、内部電極形成工程Ｓ４３において、スパッタリング法あるいは蒸着法によりベース基板の一方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内部電極にパターニングする。

次に、電子素子実装工程Ｓ２において、圧電振動片をベース基板の一方の表面に実装する。実装の際に、ベース基板の内部電極に導電性接着剤又は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ベース基板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ベース基板を形成する。

次に、重ね合わせ工程Ｓ１１において、蓋体の各窪み各圧電振動片が収納されるように蓋体をベース基板の上に載置し、上下方向から押圧する。次に、蓋体設置工程Ｓ３において、ベース基板及び蓋体を２００℃以上の温度に加熱し、蓋体の接合材を陽極にベース基板を陰極にして数百Ｖの電圧を印加し、接合材を介してベース基板と蓋体とを接合する。接合の際には周囲を真空に保持する。

次に、外部電極形成工程Ｓ４において、ベース基板の他方の表面に突出する貫通電極突出部に金属膜からなる外部電極を堆積する。この際、外部電極は、突出部の表面の全体を覆う。

この際、外部電極は、さらに金属膜上に銀ペースト等からなる導電材料を印刷し、焼成して導電膜を形成してもよい。次に、切断工程Ｓ１３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Ｓ１４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。

本発明により、外部電極は、突出部の表面全体と接触するため、電気的に接続できる領域を増加し、外部電極と貫通電極とを確実に電気的に接続することができる。また、貫通電極とベース基板との境界部においても、貫通電極が突出しているため、この境界部に段差が生じにくい。そのため、この境界部からの腐食を抑制することができる。

なお、本発明は実施形態に限定されず、種々の構成を採用することができる。例えば、貫通電極のベース基板の一方の表面においても、突出部を形成してもよい。

１電子デバイス
２ベース基板
３蓋基板
４電子素子
５キャビティ
７接合膜
９内部電極
１０貫通電極
１１外部電極

Claims

複数の貫通電極が形成される絶縁性のベース基板と、前記ベース基板の一方の表面に実装される電子素子と、前記電子素子を収納し前記ベース基板に接合される蓋体と、を備える電子デバイスであって、
前記貫通電極は、前記ベース基板の他方の表面から突出する突出部を有し、
前記突出部は、前記貫通電極の前記ベース基板の他方の表面側の端面の全体を含み、
前記突出部の表面の全体と、前記突出部近傍の前記ベース基板の他方の表面と、を覆う金属膜で形成される外部電極を有し、
前記貫通電極の前記端面は、周縁から中央に向かい傾斜する傾斜面を有することを特徴とする電子デバイス。
前記貫通電極の前記端面は、曲面で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
前記突出部は、前記貫通電極の前記端面のみで構成され、
前記端面の周縁が前記突出部と前記ベース基板の他方の表面との境界であることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
前記外部電極は、メッキ膜で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。