WO2004113837A1 - パッケージおよびその製造方法、ならびに振動ジャイロおよびその製造方法 - Google Patents

パッケージおよびその製造方法、ならびに振動ジャイロおよびその製造方法 Download PDF

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sealing
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Inventor
Tsuyoshi Takemoto
Ryuta Araki
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Sumitomo Precision Products Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the present invention relates to a package for sealing electronic components such as a vibrating gyroscope and an acceleration sensor under reduced pressure, and a method for manufacturing the same.
  • Patent Documents 1 and 2 propose the following electronic component manufacturing methods.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method proposed in Patent Document 1.
  • a package 15 having a cavity 12 for housing an electronic component 11 and a getter chamber 14 for housing a getter material 13 is manufactured by anodic bonding.
  • the degree of vacuum in the package 15 is increased by heating and activating the getter material 13 with a laser beam to react with the residual gas generated during anodic bonding.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a method proposed in Patent Document 2.
  • a gas vent hole 23 is provided in a part of a package 22 on which an electronic component 21 is mounted, and after the pressure inside the package 22 is reduced, the gas vent hole 23 is sealed with a sealing material 24.
  • a vibrating gyroscope utilizes the fact that when an angular velocity is applied to a vibrating body that vibrates in one direction (primary vibration), the Coriolis force generates vibration (secondary vibration) in the orthogonal direction.
  • a gyro that detects angular velocity and measures angular velocity.
  • a ring-type vibrating gyroscope that makes it work.
  • Patent Document 1 JP-A-10-206455
  • Patent Document 2 JP-A-11-142430
  • Patent Document 3 JP-A-10-267667
  • the above package is usually manufactured by anodic bonding.
  • a sealing substrate made of NIREX (registered trademark) glass and a supporting substrate made of silicon are heated to about 400 ° C. in a chamber of an anodic bonding apparatus, and the inside of the chamber is maintained at a predetermined pressure and temperature.
  • a voltage of about 600 to 1000 V is applied using Pyrex glass as the cathode and silicon as the anode, and these substrates are brought into contact by electrostatic force and joined by covalent bonding.
  • the pressure inside the package theoretically depends on the pressure inside the chamber.
  • the pressure and temperature inside the chamber are P and T
  • the internal pressure and temperature when using the package are P and T.
  • the pressure inside the package rises due to outgas such as oxygen gas, hydrogen gas, and water vapor generated from the joint surface during anodic bonding.Therefore, a getter material is mounted inside the package to absorb oxygen gas, etc. Is done.
  • the method of mounting the getter material is to reduce the pressure in the package at 25 ° C by 1.0 X This is an effective method to maintain a high vacuum of about 10 " J Pa or less.
  • This method cannot be applied because the getter material absorbs not only the outgas generated at the time of anodic bonding but also gases other than the noble gas originally present in the chamber 1 and the pressure in the package increases the pressure in the chamber 1. This is because the pressure becomes lower than the set value by adjusting the pressure.
  • the present inventors after the chamber one at a high vacuum condition of 1.0 X 10- 2 Pa about or less, a rare gas of Ar gas or the like reaction not with the getter material sealed Then, the pressure inside the package was adjusted to a specific value by maintaining the inside of the chamber at a predetermined pressure and performing anodic bonding in this state.
  • a rare gas atmosphere for example, when the pressure in the chamber is set to 0.0034 XT—0.34 XT Pa (where T is the absolute temperature in the chamber and when the T force is 00 ° C, Adjusting to 2.26 226 Pa) and applying an ordinary voltage of 600 1000 V to perform anodic bonding, discharge occurs and anodic bonding cannot be performed.
  • the voltage at which discharge starts depends on the gas pressure, the distance between the electrodes, the type of gas, the material of the electrodes, and the like. That is, when the conditions such as the type of gas and the electrode material are constant, the voltage at which discharge starts is determined by the product of the gas pressure and the distance between the electrodes, and has a minimum value. For this reason, if the pressure in the package is to be adjusted within a voltage range in which no discharge occurs, the distance between the electrodes must be adjusted, and the design of the device and jig needs to be changed. It is almost impossible in actual operation to change these for each pressure in the chamber. Changing the material of the electrode may also increase the material cost. Also, if the voltage applied to the electrode is reduced, sufficient bonding strength cannot be obtained. Further, the design of the anodic bonding apparatus itself needs to be changed. Therefore, none of them are desirable measures.
  • a first object of the present invention is a package having excellent hermeticity without increasing its size, and a method for manufacturing the same, which can easily adjust the pressure in the package, and
  • An object of the present invention is to provide a package in which no discharge occurs at the time of joining and a method of manufacturing the package.
  • the Q value of the vibrator of the vibrating gyroscope decreases, the power for generating primary vibration in the vibrating gyroscope increases, and the detection sensitivity of Corioliska decreases. Also, electric coupling (capacitive coupling, coupling by electromagnetic induction) from the driving terminal of the primary vibration to the detection terminal increases due to the driving voltage and the like. This problem is remarkable in a vibrating gyroscope in which the size and the distance between the terminals are short. For this reason, the Q value needs to be 2000 or more in order to ensure high reliability, which is desired to be high.
  • the Q value changes with temperature. If the rate of change of the Q value with temperature (hereinafter, referred to as "temperature coefficient") is large, the control circuit for correction becomes complicated and the bias (zero) The point output) and the SF (scale factor) also change greatly, deteriorating the characteristics of the sensor. Therefore, it is desirable that the temperature coefficient of the Q value is small.
  • the gyro used has a strict temperature specification, so the T force can be as high as 50 ° C. Then, in order to maintain accuracy in the circuit design of the sensor, it is preferable to limit the rate of change with respect to the Q value at room temperature to about 60% or less in the temperature range in which the vibrating gyroscope is used. Therefore, the target value of the above-mentioned “Q / Q” at which the rate of change is the largest is 1.6 or less.
  • the Q value is determined by a gas damping effect and a mechanical damping effect.
  • the gas damping effect means a damping effect depending on the operating environment (gas type and pressure) of the vibrator
  • the mechanical damping effect means a mechanical factor of the vibrator itself (depending on the structure and material of the vibrator). (Due to internal friction).
  • the mechanical damping effect does not depend on the pressure, but the gas damping effect decreases as the pressure in the package decreases. Therefore, in order to increase the Q value, it is desirable to reduce the pressure in the package as much as possible.
  • the temperature coefficient of the Q value is governed by the rate of change of the gas damping effect due to temperature in the region where the pressure inside the package is high, and in the region where the pressure is low, the temperature of the mechanical damping effect is high. Is governed by the rate of change.
  • the rate of change of the gas damping effect with temperature is smaller than the rate of change of the mechanical damping effect with temperature. Therefore, the temperature coefficient of the Q value becomes smaller in a region where the pressure governed by the rate of change of the gas damping effect with temperature is high. For this reason, it is desirable to increase the pressure inside the package to reduce the temperature coefficient of the Q value.
  • a second object of the present invention is to provide a vibrating gyroscope having a good balance between the Q value and its temperature coefficient, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention has been made to solve the above-described object, and has the following package (a), a package manufacturing method (b), a vibrating gyroscope (c) and ( The method of manufacturing the vibrating gyroscope shown in d) is the gist.
  • (A) A package characterized by having an internal pressure of 1.0 ⁇ 10 2 Pa at 25 ° C.
  • (C) A vibrating gyroscope characterized by being sealed in a package with an internal pressure of S 1.0 1.0 ⁇ 10 2 Pa at 25 ° C.
  • the manufacturing method of the present invention it is possible to easily adjust the pressure in the package, and to provide a method of manufacturing a package in which discharge does not occur during anodic bonding.
  • the package manufactured in this way is small in size and excellent in hermeticity.
  • the vibrating gyroscope is sealed with this package, the Q value and its temperature coefficient are well balanced, and a vibrating gyroscope can be provided.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining the package manufacturing method of the present invention. Hereinafter, the package manufacturing method of the present invention will be described for each process.
  • an electronic component for example, a vibrating gyroscope 3 and a getter material 4 are mounted on a supporting substrate 1, and a gap is formed between a joining portion of the supporting substrate 1 and a joining portion of the sealing substrate 2.
  • the spacer 5 is inserted, and the unbonded package 6 is prepared.
  • a non-evaporable getter such as a mixture of ⁇ and a Zr-Al-based alloy or a Zr-V-Fe-based alloy can be used.
  • the supporting substrate and the sealing substrate if one is made of Pyrex glass and the other is made of a silicon wafer, both are made of silicon wafer, and a thin film of Pyrex glass is sputter-deposited on one of them. I'm sorry.
  • a glass generally used for anodic bonding such as soda lime, potassium 'soda' lead, and anolemino silicate, may be used.
  • Pyrex glass is used as the supporting substrate and silicon is used as the sealing substrate will be described.
  • the unbonded package 6 is held on a hot stage 9 in one chamber 8 of the anodic bonding apparatus 7.
  • This hot stage 9 is used to heat each substrate at the time of temporary bonding at the subsequent stage and at the time of main bonding.
  • Internal pressure at 25 ° C (298K) In order to produce a package with a force of Sl.O—1.0 ⁇ 10 2 Pa, the pressure inside the chamber needs to be 0.0034 XT—0.34 XT Pa.
  • the rare gas to be filled is not limited, but Ar gas, which has been used as a filling gas for electric bulbs and fluorescent lamps, and is easily available and inexpensive, is most desirable. However, He gas cannot be used because it passes through the lettuce glass.
  • a spacer 5 is inserted between the supporting substrate 1 and the sealing substrate 2, and a certain gap exists.
  • the pressure is the same as inside 8. With this pressure maintained, the spacer 5 is removed, and the joint of the sealing substrate 2 and the joint of the support substrate 1 are brought into contact.
  • one of the support substrate 1 and the sealing substrate 2 (the support substrate 1 in FIG. 3) is used as an anode, and the other (the sealing substrate 2 in FIG. 3) is used as a cathode.
  • the joint of the support substrate 1 and the joint of the sealing substrate 2 are temporarily joined. This step is the most important step in the method of the present invention.
  • the inside of the chamber is set to a rare gas atmosphere, and the pressure is set to 0.0034 X T-0.34 X T
  • the heating temperature during the temporary bonding is in the range of 300 to 450 ° C. This is because when the temperature is lower than 300 ° C, the movement of Na ions becomes insufficient and the bonding proceeds.When the temperature exceeds 450 ° C, the supporting substrate (for example, silicon wafer) and the sealing substrate (for example, This is because the difference in the thermal expansion coefficient between the glass and the glass is too large to join.
  • the supporting substrate for example, silicon wafer
  • the sealing substrate for example, This is because the difference in the thermal expansion coefficient between the glass and the glass is too large to join.
  • the time for applying the voltage at the time of the temporary bonding is preferably 3 minutes or more, because if the time is too short, the bonding may be insufficient. Although there is no particular upper limit on the time during which the voltage is applied, it is desirable that the time be 20 minutes or less, since a problem may occur in the enclosed device.
  • the package temporarily bonded by the method shown in the above step (5) does not leak the enclosed rare gas even if it is as it is, but the bonding strength is not sufficient considering the actual use of the device. is there. For this reason, in the package manufacturing method of the present invention, after the packages are temporarily bonded, the pressure in the chamber 18 is reduced to 1.0 ⁇ 10 -1 Pa or less, and then a voltage of 500 to 1000 V is applied to perform the final bonding.
  • the voltage in the actual bonding is less than 500V, the bonding strength is insufficient and the device reliability is reduced. If the voltage exceeds 1000V, the supporting substrate (for example, silicon wafer) and the sealing substrate (for example, Pyrex glass) In some cases, dielectric breakdown occurs between them, and joining cannot be performed. Therefore, the voltage of this junction was set to 500-1000V. Note that the heating temperature at the time of the main bonding is desirably in the range of 300 to 450 ° C for the same reason as that at the time of the temporary bonding.
  • the time for applying the voltage at the time of the main bonding is desirably 3 minutes or more because if the time is too short, the bonding strength may be insufficient and the reliability of the device may be reduced. There is no particular upper limit on the time during which the voltage is applied, but it is preferable to set the time to 20 minutes or less, since malfunctions may occur in the enclosed device.
  • the pressure in the cage can be easily set.
  • the actual bonding at a high voltage is performed under a high vacuum, even if the pressure inside the package is such that discharge is likely to occur (0.0034 XT-0.34 XT Pa), discharge will not occur during manufacturing. Absent.
  • a vibrating gyroscope sealed in a package with an internal pressure of 1.0 X 10 2 Pa at 25 ° C can satisfy the required Q value and its temperature coefficient.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pressure at 25 ° C. and the temperature coefficient of the Q value in the package in which the vibrating gyroscope is sealed
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship in the package in which the vibrating gyroscope is sealed.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a pressure at 25 ° C. and a Q value.
  • T-chassis at 10 ° C is a typical use environment of a vibrating gyroscope.
  • the example of 50 ° C T is based on the use environment of a vibrating gyroscope with strict temperature specifications.
  • the target value of "Q / Q" is 1.6 or less.
  • the horizontal axis of the drawing indicates the present invention.
  • the pressure force inside the package at 25 ° C is Sl.O Pa, it is about 1.5, and it hardly decreases at lOOPa or more. That is, the temperature coefficient of the Q value is 1.0 when the pressure in the package at 25 ° C is 1.0.
  • the Q value decreases with increasing pressure inside the package at 25 ° C, and becomes less than 2000 in the range exceeding 100 Pa. If the Q value is less than 2000, the energy loss increases and the Coriolis force detection sensitivity decreases. Therefore, the pressure in the package for sealing the vibrating gyroscope was set to 1.0—1.0 ⁇ 10 2 Pa.
  • the pressure inside the package is 10
  • the manufacturing method of the present invention it is possible to easily adjust the pressure in the knock, and to provide a method of manufacturing a package in which no discharge occurs during anodic bonding.
  • the package manufactured in this way is small in size and excellent in hermeticity.
  • the vibrating gyroscope is sealed with this package, the Q value and its temperature coefficient are well balanced, and a vibrating gyroscope can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of step (1) in the manufacturing method of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of steps (2) and (3) in the manufacturing method of the present invention.
  • FIG. 3 is a sectional view showing an example of steps (4)-(6) in the manufacturing method of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a pressure at 25 ° C. and a temperature coefficient of a Q value in a package in which a vibrating gyroscope is sealed.
  • FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a pressure at 25 ° C. and a Q value in a package in which a vibrating gyroscope is sealed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an electronic component proposed in Patent Document 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an electronic component proposed in Patent Document 2.

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Abstract

　密閉性に優れるパッケージおよびその製造方法、Ｑ値およびその温度係数のバランスがよい振動ジャイロおよびその製造方法を提供する。 　スペーサー５を挿入した未接合パッケージ６を陽極接合装置７のチャンバー８内で保持し、チャンバー８内の圧力を1.0×10−２ Pa以下とした後、希ガスを封入してチャンバー８内の圧力を0.0034×T０～0.34×T０ Pa （但し、T０はチャンバー内の絶対温度）に調整し、この圧力を維持した状態でスペーサー５を抜き取り、封止基板２または支持基板１のいずれか一方を陽極、他方を陰極として150～230Ｖの電圧を負荷して仮接合し、チャンバー８内の圧力を1.0×10−１ Pa以下とした後、500～1000Ｖの電圧を負荷してパッケージを製造する。  

Description

明 細 書
パッケージおよびその製造方法、ならびに振動ジャイロおよびその製造方 法
技術分野
[0001] 本発明は、振動ジャイロ、加速度センサー等の電子部品を減圧下で封止するパッ ケージおよびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 振動ジャイロ等の電子部品は、温度に依存して各種特性が不安定になるのを防止 するため、パッケージにより真空下または減圧下で封止される。例えば、特許文献 1 および 2には下記のような電子部品の製造方法が提案されている。
[0003] 図 6は、特許文献 1において提案されている方法を説明する断面図である。特許文 献 1の方法では、電子部品 11を収容するキヤビティ 12と、ゲッター材 13を収容するゲ ッタ一室 14とを有するパッケージ 15が陽極接合により製造される。パッケージ 15内の 真空度は、ゲッター材 13をレーザー光線で加熱、活性化させることにより、陽極接合 時に発生した残留ガスと反応させて高められる。
[0004] この方法は、パッケージ内の真空度を単に高める場合には有効であるといえる。し かし、この方法でパッケージ内の圧力を特定の値にするためには、ゲッターの面積を 調整する必要があるが、このような調整は難しい。また、この方法では、キヤビティとは とは別にゲッター室を設ける必要があるため、パッケージ全体が大きなものになって、 近年の電子部品の小型化の要請に対応できない。
[0005] 図 7は、特許文献 2において提案されている方法を説明する断面図である。特許文 献 2の方法では、電子部品 21を搭載したパッケージ 22の一部にガス抜き孔 23を設け 、パッケージ 22内を減圧した後に、ガス抜き孔 23が封止材 24で封止される。
[0006] しかし、この方法では、予めパッケージの一部にガス抜き孔を設ける必要がある。こ のため、製造コストの増大を招くのみならず、封止した部分の密閉性に不安が残る。 また、この方法では、封止材を溶融させて密閉する必要がある。この溶融時に発生し たガスがパッケージ内に侵入してパッケージ内の圧力を所定の範囲に維持できない 場合がある。
[0007] 電子部品の一つに振動ジャイロがある。振動ジャイロとは、ある一方向に振動（一次 振動）する振動体に角速度がつくとコリオリの力によりその直交方向にも振動（二次振 動）が発生することを利用し、このコリオリの力を検出して角速度を測定する方式のジ ャイロを意味する。例えば、一次励振に圧電素子を用いた圧電式ジャイロ、音叉ゃビ ーム形状の棒を振動させるジャイロ、特許文献 3に記載されるような振動子リングを宙 吊りにしてリングを楕円状に振動させるリング型振動ジャイロがある。
特許文献 1：特開平 10-206455号公報
特許文献 2：特開平 11-142430号公報
特許文献 3：特開平 10-267667号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 上記のパッケージは、通常、陽極接合により作製される。例えば、ノ ィレックス（登録 商標)ガラス製の封止基板とシリコン製の支持基板とを陽極接合装置のチャンバ一内 で 400°C程度まで加熱し、チャンバ一内を所定の圧力、温度に維持した状態で、パイ レックスガラスを陰極、シリコンを陽極として 600— 1000V程度の電圧を負荷し、これら の基板を静電力によって接触させて共有結合により接合する。
[0009] このとき、パッケージ内の圧力は、理論的にはチャンバ一内の圧力に依存する。即 ち、チャンバ一内の圧力、温度を P、 T、パッケージの使用時の内圧、使用温度を P
0 0 1
、 Tとするとき、 P =Ρ · Τ /Ύとなる。このため、パッケージ内の圧力は、チャンバ
1 1 0 1 0 一 内の圧力を調整することにより変更できる。例えば、チャンバ一内の温度を 400°Cとし て、使用温度（室温、 25°C)で内圧 1.0— 1.0 X 102 Paのパッケージを作製するために は、チャンバ一内の圧力を 2.26— 226Pa ( = 673K X 1.0Pa/298K— 673K X 1·0 Χ 102 Pa/298K)とすればよいことになる。しかし、実際には、陽極接合時に接合面から発 生する酸素ガス、水素ガス、水蒸気等のアウトガスによりパッケージ内の圧力が上昇 するため、パッケージ内にゲッター材を搭載し、酸素ガス等を吸収させることが行わ れる。
[0010] このようにゲッター材を搭載する方法は、 25°Cにおけるパッケージ内の圧力を 1.0 X 10"J Pa程度またはそれ以下の高真空状態に維持する場合には有効な方法といえる 。しかし、パッケージ内を単に高真空状態とするのではなぐこれより高い特定の圧力 に調整したい場合にはこの方法を適用できない。これは、ゲッター材によって陽極接 合時に生成したアウトガスだけでなぐもともとチャンバ一内に存在していた希ガス以 外のガスが吸収され、パッケージ内の圧力がチャンバ一内の圧力の調整により設定 した値より低くなるからである。
[0011] このため、本発明者らは、チャンバ一内を 1.0 X 10— 2 Pa程度またはそれ以下の高真 空状態にした後、ゲッター材との反応がない Arガス等の希ガスを封入して、チャンバ 一内を所定の圧力に維持し、この状態で陽極接合を行うことによりパッケージ内の圧 力を特定値に調整することを考えた。しかし、このような希ガス雰囲気下で、例えば、 チャンバ一内の圧力を 0.0034 X T— 0.34 X T Pa (但し、 Tはチャンバ一内の絶対温 度であり、 T 力 00°Cの場合には、 2.26 226Pa)に調整して、 600 1000Vの通常の 電圧を負荷して陽極接合を行うと、放電が発生して陽極接合ができない。
[0012] これはパッシェンの法則によるものと考えられる。この法則によれば、放電が開始す る電圧は、ガス圧力、電極間の距離、ガスの種類、電極の材料等に依存する。即ち、 ガスの種類、電極材料等の条件が一定の場合には、放電が開始する電圧は、ガスの 圧力と電極間の距離との積で決まり、極小値を持つ。このため、放電が発生しない電 圧の範囲内でパッケージ内の圧力を調整しょうとすれば、電極間の距離を調整しな ければならず、装置や治具のデザインの変更が必要となる。これらをチャンバ一内の 圧力ごとに変更することは実操業上不可能に近い。電極の材料を変えることも考えら れる力 材料コストの上昇を招く。また、電極に負荷する電圧を下げると十分な接合 強度が得られなくなる。さらに、陽極接合装置自体の設計変更も必要となる。従って、 いずれも望ましい対策とは言えない。
[0013] 本発明の第 1の目的は、サイズを大きくすることなぐ密閉性に優れるパッケージお よびその製造方法であって、パッケージ内の圧力の調整を容易に行うことができ、ま た、陽極接合時に放電が起きないパッケージおよびその製造方法を提供することに ある。
[0014] 次に、電子部品の 1つである振動ジャイロについては、その振動特性を測る指標と して、各振動サイクルにおいて、システムに付加されるエネルギの大きさに対する振 動システムの全エネルギの大きさの比率を意味する Q値がある。
[0015] 振動ジャイロの振動子（リング型振動ジャイロの場合、リング）の Q値が低下すると、 振動ジャイロに一次振動を発生させるための電力が増加するとともに、コリオリカの検 出感度が低下する。また、駆動電圧等により一次振動の駆動端子から検出端子への 電気的な結合 (容量性結合、電磁誘導による結合)が増加する。この問題は、サイズ 力 、さぐ端子間の距離が短い振動ジャイロで顕著となる。このため、 Q値は高いこと が望ましぐ高い信頼性を確保するためには 2000以上とする必要がある。
[0016] Q値は温度によって変化するが、 Q値の温度による変化率（以下、「温度係数」と呼 ぶ。）が大きいと、補正のための制御回路が複雑化するとともに、バイアス（ゼロ点出 力）、 SF (スケールファクター）なども大きく変化してセンサーとしての特性が低下する 。従って、 Q値の温度係数は小さいことが望ましい。
[0017] Q値の温度係数の大小を評価する指標としては、同一の振動ジャイロについて、 25 °Cにおける Q値 (Q )と、振動ジャイロが使用される最低温度 (T °C)における Q値 (Q
25
)との比「Q /Q 」を用いる。一般的なジャイロでは T力 S-10°Cであり、 自動車等に
TL TL 25 L
用いるジャイロでは温度に関する仕様が厳しいので T力 S— 50°Cにもなる。そして、セ ンサ一の回路設計における精度を保っために、振動ジャイロが使用される温度範囲 において、室温での Q値に対する変化率を 60%程度以下に制限するのが好ましい。 このため、最も変化率が大きくなる上記の「Q /Q 」は 1.6以下を目標値とする。
T 25
[0018] Q値は、ガスダンピング効果と機械的ダンピング効果とにより決定される。ガスダンピ ング効果とは、振動子の動作環境 (ガスの種類および圧力）に依存するダンピング効 果を意味し、機械的ダンピング効果とは、振動子自体の機械的要因（振動子の構造 および材質に起因する内部摩擦）に依存するダンピング効果を意味する。機械的ダ ンビング効果は圧力に左右されなレ、が、ガスダンピング効果はパッケージ内の圧力 が低いほど小さくなるため、 Q値を高くするためにはパッケージ内の圧力をできるだけ 低くすることが望ましい。
[0019] Q値の温度係数は、パッケージ内の圧力が高レ、領域では、ガスダンピング効果の 温度による変化率に支配され、圧力が低い領域では、機械的ダンピング効果の温度 による変化率に支配される。し力も、ガスダンピング効果の温度による変化率は機械 的ダンピング効果の温度による変化率より小さい。従って、 Q値の温度係数は、ガス ダンピング効果の温度による変化率に支配される圧力が高い領域で小さくなる。この ため、 Q値の温度係数を小さくするためには、パッケージ内の圧力を高くすることが望 ましい。
[0020] 以上のように、振動ジャイロのセンサー特性を左右する Q値およびその温度係数の 双方を満足するためには、パッケージ内の圧力をある特定範囲に調整する必要があ る。本発明者らは、この観点から研究を重ねた結果、これらのバランスがよいパッケ一 ジ内の圧力範囲を知見した。
[0021] 従って、本発明の第 2の目的は、 Q値およびその温度係数のバランスがよい振動ジ ャイロおよびその製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0022] 本発明は、上記の目的を解決するためになされたものであり、下記の (a)に示すパッ ケージ、（b)に示すパッケージの製造方法、（c)に示す振動ジャイロおよび (d)に示す振 動ジャイロの製造方法を要旨とする。
[0023] (a) 25°Cにおける内圧力 1.0 X 102 Paであることを特徴とするパッケージ。
[0024] (b) 支持基板と封止基板とを有するパッケージを下記 (1)から (6)までの工程により製 造することを特徴とする上記 (a)に記載のパッケージの製造方法。
(1)上記の支持基板に電子部品およびゲッター材を搭載した後、支持基板の接合部 と封止基板の接合部との隙間にスぺーサーを挿入した未接合パッケージを用意する 工程
(2)上記の未接合パッケージを陽極接合装置のチャンバ一内で保持し、 300— 450°C に加熱する工程
(3)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 2 Pa以下とした後、希ガスを封入してチャンバ 一内の圧力を 0.0034 X T— 0.34 X T Pa (但し、 Tはチャンバ
0 0 0 一内の絶対温度）に調 整する工程
(4)上記の圧力を維持した状態でスぺーサーを抜き取り、封止基板の接合部と支持基 板の接合部とを接触させる工程 (5)封止基板および支持基板のいずれか一方を陽極、他方を陰極として 150— 230V の電圧を負荷して仮接合する工程
(6)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 1 Pa以下とした後、 500— 1000Vの電圧を負荷 して本接合する工程。
[0025] (c) 25°Cにおける内圧力 S 1.0 1.0 X 102 Paのパッケージで封止されたことを特徴と する振動ジャイロ。
[0026] (d) 支持基板と封止基板とを有するパッケージで下記 (1)から (6)までの工程により振 動ジャイロを封止することを特徴とする上記 (c)に記載の振動ジャイロの製造方法。
(1)上記の支持基板に振動ジャイロおよびゲッター材を搭載した後、支持基板の接合 部と封止基板の接合部との隙間にスぺーサーを挿入した未接合パッケージを用意す る工程
(2)上記の未接合パッケージを陽極接合装置のチャンバ一内で保持し、 300— 450°C に加熱する工程
(3)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 2 Pa以下とした後、希ガスを封入してチャンバ 一内の圧力を 0.0034 X T— 0.34 X T Pa (但し、 Tはチャンバ
0 0 一内の絶対温度）に調
0
整する工程
(4)上記の圧力を維持した状態でスぺーサーを抜き取り、封止基板の接合部と支持基 板の接合部とを接触させる工程
(5)封止基板および支持基板のいずれか一方を陽極、他方を陰極として 150— 230V の電圧を負荷して仮接合する工程
(6)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 1 Pa以下とした後、 500— 1000Vの電圧を負荷 して本接合する工程。
発明の効果
[0027] 本発明の製造方法によれば、パッケージ内の圧力の調整を容易に行うことができ、 陽極接合時に放電が起きなレ、パッケージの製造方法を提供することができる。このよ うにして製造したパッケージは、そのサイズが小さぐ密閉性に優れる。また、このパッ ケージで振動ジャイロを封止すれば、 Q値およびその温度係数のバランスがよレ、振 動ジャイロを提供することができる。 発明を実施するための最良の形態
[0028] 図 1一 3は、本発明のパッケージの製造方法を説明する断面図である。以下、本発 明のパッケージの製造方法を工程毎に説明する。
[0029] (A) 工程 (1)について
図 1に示すように、まず、支持基板 1に電子部品（例えば、振動ジャイロ） 3およびゲ ッター材 4が搭載され、支持基板 1の接合部と封止基板 2の接合部との隙間にスぺー サー 5が挿入されて、未接合パッケージ 6が用意される。
[0030] ゲッター材としては、 Ήと Zr-Al系合金または Zr-V-Fe系合金との混合物などの非蒸 発型ゲッターを使用することができる。また、支持基板および封止基板としては、一方 をパイレックスガラス、他方をシリコンウェハで作製すればよぐ両方をシリコンウェハ 力 作製し、その一方にパイレックスガラスの薄膜をスパッタ蒸着したものを使用して もよレ、。また、パイレックスガラスに代えて、ソーダライム、カリウム'ソーダ '鉛、ァノレミノ シリケート等の一般に陽極接合に用いられるガラスを用いてもよい。以下、支持基板 としてパイレックスガラスを用い、封止基板としてシリコンを用いた場合について述べ る。
[0031] (B) 工程 (2)および (3)について
図 2に示すように、この未接合パッケージ 6は、陽極接合装置 7のチャンバ一内 8の ホットステージ 9上で保持される。このホットステージ 9は、後段の仮接合時および本 接合時に各基板を加熱するために用いられる。
[0032] この状態で、真空ポンプによりチャンバ一 8内の圧力を減圧して 1.0 X 10— 2 Pa以下と した後、希ガスを封入してチャンバ一 8内の圧力を調整する。このようにチャンバ一内 を予め高真空状態とする理由は、パイレックスガラスの脱ガスを目的とするプリべイク には高真空が有効であること、および、ゲッターの寿命を長くするためには、できる限 り希ガス以外のガスを排除することが必要であることにある。このように高真空状態と した後、封入する希ガスの量を調整してチャンバ一内の圧力を調整することにより、 パッケージ内の圧力を特定値にすることができる。
[0033] チャンバ一内の温度を T、パッケージの使用時の内圧、使用温度を P ると
0 1、 Tとす
1 き、チャンバ一内の圧力 Pは、 P =Ρ ·Τ /Τで表される。 25°C (298K)における内圧 力 Sl.O— 1.0 X 102 Paであるパッケージを製造するためには、チャンバ一内の圧力は 0.0034 X T— 0.34 X T Paとする必要がある。
0 0
[0034] なお、封入する希ガスは、限定しないが、電球、蛍光灯の封入ガスとして実績があり 、また、入手が容易で安価である Arガスが最も望ましい。ただし、 Heガスは、ノ ィレツ タスガラスを透過するので、使用できない。
[0035] (C) 工程 (4)および (5)について
図 1(b)に示すように、支持基板 1と封止基板 2との間には、スぺーサー 5が揷入され 、一定の隙間が存在するため、未接合パッケージ 6内は、チャンバ一 8内と同じ圧力 となる。この圧力を維持した状態で、スぺーサー 5を抜き取り、封止基板 2の接合部と 支持基板 1の接合部とを接触させる。
[0036] 続いて、図 3に示すように、支持基板 1および封止基板 2のいずれか一方（図 3では 支持基板 1)を陽極、他方（図 3では封止基板 2)を陰極として、電源 10で 150 230V の電圧を負荷することにより、支持基板 1の接合部と封止基板 2の接合部とを仮接合 する。この工程が本発明の方法において最も重要な工程である。
[0037] 前述のように、チャンバ一内を希ガス雰囲気下とし、圧力を 0.0034 X T— 0.34 X T
0 0
Paに調整した状態で電子部品のパッケージを封止する際に、 230Vを超える電圧を負 荷すると放電が発生する。一方で、仮接合時に負荷する電圧が 150V未満では接合 できない。このため、仮接合の工程において負荷する電圧を 150— 230Vとした。
[0038] 仮接合時の加熱温度は、 300— 450°Cの範囲とする。これは、 300°C未満の場合に は、 Naイオンの移動が不十分となって接合が進みにくぐ 450°Cを超えると、支持基板 (例えば、シリコンウェハ）と封止基板 (例えば、ノ ィレックスガラス）との熱膨張係数の 違レ、が大きくなつて接合ができなレ、からである。
[0039] 仮接合時の電圧を負荷する時間は、短すぎると接合が不十分となる場合があるの で、 3分以上が望ましい。また、電圧を負荷する時間の上限は特に定めないが、内封 するデバイスに不具合が生じる場合があるので、 20分以下が望ましレ、。
[0040] (D) 工程 (6)について
上記工程 (5)に示す方法で仮接合したパッケージは、そのままの状態でも内封した 希ガスが漏れることはないが、デバイスの実使用を考慮すると接合強度が不十分で ある。このため、本発明のパッケージの製造方法では、パッケージを仮接合した後、 チャンバ一 8内の圧力を 1.0 X 10— 1 Pa以下とした後、 500— 1000Vの電圧を負荷して 本接合する。
[0041] ここで、チャンバ一内の圧力力 S1.0 X 10— 1 Paを超える状態で 500 1000Vの電圧を 負荷すると、放電が発生する。従って、本接合におけるチャンバ一 8内の圧力を 1.0 X 10— 1 Pa以下とした。
[0042] 本接合における電圧が 500V未満では、接合強度が不十分でデバイスの信頼性が 低下し、 1000Vを超えると、支持基板 (例えば、シリコンウェハ）と封止基板（例えば、 パイレックスガラス）の間で絶縁破壊が生じ、接合ができなくなることがある。従って、 本接合の電圧を 500— 1000Vとした。なお、本接合時の加熱温度は、仮接合時のそ れと同様の理由から、 300 450°Cの範囲にあるのが望ましい。
[0043] 本接合時の電圧を負荷する時間は、短すぎると接合強度が不十分となってデバイ スの信頼性が低下することがあるので、 3分以上が望ましい。また、電圧を負荷する時 間の上限は特に定めないが、内封するデバイスに不具合が生じる場合があるので、 20分以下が望ましい。
[0044] 前述のように、仮接合時および本接合時には接合部で酸素ガス等が発生するので 、パッケージ内の圧力は上昇する。しかし、パッケージ内にはゲッター材が搭載され ているので、酸素ガス等は吸収される。一方、ノ ッケージ内に封入された希ガスはゲ ッター材に吸収されないため、パッケージ内の圧力は、仮接合前に設定したチャンバ 一内の圧力に依存した特定圧力になる。
[0045] 従って、本発明の製造方法において仮接合前のチャンバ一内の圧力を調整するこ とで、ノ^ケージ内の圧力を容易に設定することができる。しかも、高電圧で行う本接 合は高真空下で行われるので、パッケージ内の圧力が放電の発生しやすい圧力（ 0.0034 X T一 0.34 X T Pa)であっても、製造時に放電が発生することはない。
0 0
[0046] (E)振動ジャイロについて
25°Cにおける内圧力 1.0 X 102 Paのパッケージにより封止された振動ジャイロ は、要求される Q値およびその温度係数を満足させることができる。
[0047] 従来、上記のダンピング効果を低減させて Q値を向上させるため、振動ジャイロの 作動環境は 1.0 X 10— 1 Pa程度またはそれ以下の高真空状態が望ましいと考えられて きた。しかし、本発明者らの研究により、内圧を 1.0— 1.0 X 102 Paの範囲に調整したパ ッケージで振動ジャイロの Q値およびその温度係数のバランスが最もよいことが判明 した。
[0048] 図 4は、振動ジャイロを封止したパッケージ内の 25°Cにおける圧力と Q値の温度係 数との関係を示す図であり、図 5は、振動ジャイロを封止したパッケージ内の 25°Cに おける圧力と Q値との関係を示す図である。
[0049] なお、図 4には、 Q値の温度係数の指標として、同一の振動ジャイロについて、 25°C における Q値（Q )と、これよりも低い温度（T :-10°Cまたは— 50°C)における Q値（Q
25
)との比「Q /Q 」を示す。 Tカ 10°Cの例は、一般的な振動ジャイロの使用環境
TL TL 25 L
Tカ 50°Cの例は、温度に関する仕様が厳しい振動ジャイロの使用環境を想定し たものである。 「Q /Q 」は 1.6以下を目標値とする。また、図の横軸には本発明の
TL 25
方法でコントロールしょうとする 25°Cにおけるパッケージ内の圧力を示した。
[0050] 図 4の「口」に示すように、「Q /Q 」は、パッケージ内の圧力を上昇させると減少
-10 25
する傾向にあり、 25°Cにおけるパッケージ内の圧力力 Sl.O Paのときには 1.5程度であり lOOPa以上ではほとんど減少しなくなる。即ち、 Q値の温度係数は 25°Cにおけるパッ ケージ内の圧力が 1.0
Pa以上で良好である。また、図 5に示すように、 25°Cにおけるパッケージ内の圧力の 上昇とともに Q値が減少し、 100 Paを超える範囲では 2000未満となる。 Q値が 2000未 満ではエネルギ損失が大きくなつて、コリオリの力の検出感度が低下する。従って、 振動ジャイロを封止するパッケージ内の圧力を 1.0— 1.0 X 102 Paとした。
[0051] 一方、図 4の「〇」に示すように、「Q もパッケージ内の圧力を上昇させると
-50 ZQ 」
25
減少する傾向にある。 「Q /Q 」は、 25°Cにおけるパッケージ内の圧力が 1.0
-50 25
Paのときには 2.3程度である力 更に圧力を上昇させて lOPaとすると 1.6程度となり、良 好な値となる。従って、高い精度が要求される振動ジャイロの場合には、パッケージ 内の圧力は 10
Pa以上とするのが望ましい。
産業上の利用可能性 [0052] 本発明の製造方法によれば、ノ ッケージ内の圧力の調整を容易に行うことができ、 陽極接合時に放電が起きなレ、パッケージの製造方法を提供することができる。このよ うにして製造したパッケージは、そのサイズが小さぐ密閉性に優れる。また、このパッ ケージで振動ジャイロを封止すれば、 Q値およびその温度係数のバランスがよレ、振 動ジャイロを提供することができる。
図面の簡単な説明
[0053] [図 1]本発明の製造方法における工程 (1)の例を示す断面図である。
[図 2]本発明の製造方法における工程 (2)および (3)の例を示す断面図である。
[図 3]本発明の製造方法における工程 (4)一 (6)の例を示す断面図である。
[図 4]振動ジャイロを封止したパッケージ内の 25°Cにおける圧力と Q値の温度係数と の関係を示す図である。
[図 5]振動ジャイロを封止したパッケージ内の 25°Cにおける圧力と Q値との関係を示 す図である。
[図 6]特許文献 1において提案されている電子部品の製造方法を説明する断面図で ある。
[図 7]特許文献 2において提案されている電子部品の製造方法を説明する断面図で ある。
符号の説明
[0054] 1.支持基板
2.封止基板
3.電子部品
4.ゲッター材
5.スぺーサー
6.未封止パッケージ
7.陽極接合装置
8.チャンバ一
9.ホットステージ
10.電源 11.電子部品
12.キヤビティ
13.ゲッター材
14.ゲッター室
15.パッケージ
21. 卞 p|iロロ
22.パッケージ
23.ガス抜き孔
24.封止材

Claims

請求の範囲 [1] 25°Cにおける内圧力 Sl.O 1.0 X 102 Paであることを特徴とするパッケージ。 [2] 支持基板と封止基板とを有するパッケージを下記 (1)から (6)までの工程により製造 することを特徴とする請求項 1に記載のパッケージの製造方法。 (1)上記の支持基板に電子部品およびゲッター材を搭載した後、支持基板の接合部 と封止基板の接合部との隙間にスぺーサーを挿入した未接合パッケージを用意する 工程 (2)上記の未接合パッケージを陽極接合装置のチャンバ一内で保持し、 300— 450°C に加熱する工程 (3)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 2 Pa以下とした後、希ガスを封入してチャンバ 一内の圧力を 0.0034 X T— 0.34 X T 0 0 Pa (但し、 Tはチャンバ一内の絶対温度）に調整する工程 0 (4)上記の圧力を維持した状態でスぺーサーを抜き取り、封止基板の接合部と支持基 板の接合部とを接触させる工程 (5)封止基板および支持基板のいずれか一方を陽極、他方を陰極として 150— 230V の電圧を負荷して仮接合する工程 (6)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 1 Pa以下とした後、 500 1000Vの電圧を負荷 して本接合する工程。 [3] 25°Cにおける内圧力 1.0 X 102 Paのパッケージで封止されたことを特徴とする 振動ジャイロ。 [4] 支持基板と封止基板とを有するパッケージで下記 (1)から (6)までの工程により振動 ジャイロを封止することを特徴とする請求項 3に記載の振動ジャイロの製造方法。
(1)上記の支持基板に振動ジャイロおよびゲッター材を搭載した後、支持基板の接合 部と封止基板の接合部との隙間にスぺーサーを挿入した未接合パッケージを用意す る工程
(2)上記の未接合パッケージを陽極接合装置のチャンバ一内で保持し、 300— 450°C に加熱する工程
(3)上記チャンバ一内の圧力を 1.0 X 10— 2 Pa以下とした後、希ガスを封入してチャンバ 一内の圧力を 0.0034XT— 0.34XT
0 0
Pa (但し、 Tはチャンバ一内の絶対温度）に調整する工程
0
(4)上記の圧力を維持した状態でスぺーサーを抜き取り、封止基板の接合部と支持基 板の接合部とを接触させる工程
(5)封止基板および支持基板のいずれか一方を陽極、他方を陰極として 150— 230V の電圧を負荷して仮接合する工程
(6)上記チャンバ一内の圧力を 1.0X10— 1 Pa以下とした後、 500 1000Vの電圧を負荷 して本接合する工程。
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