JP5577671B2 - 圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は圧電振動子に関し、より詳細にはパッケージ内に圧電振動板を片持ちで水平に支持する技術に関するものである。

情報機器等のクロックの発生には、水晶やチタン酸バリウムなどの圧電材料を用いた圧電振動子が多く用いられている。圧電振動子の構造は、所定の長さと板厚の圧電基板の両面に励振用の電極パターンとその電極からの引き出し線とを形成して圧電振動板とし、パッケージ内に設けた金属パッドに導電性接着剤を塗布してこの圧電振動板の引き出し線に対して電気的接続を行うと共に機械的に支持することが行われている。

圧電振動板の機械的支持の方法として、圧電振動板の一端を自由端として機械的に拘束しない片持ち支持の方法が知られている。

図６は片持ち支持の構造の例を示すもので、上記で説明した内容をより詳細に説明する。図６の上の図は上方からリッド（蓋）を外して見た構造を示し、下の図は上の図に示したＡ−Ａ’から見た構造を示すものである。図６に示すように、圧電振動子１０は圧電振動板２０とパッケージ３０とで構成し、圧電振動板２０は電極パターン２１とその電極パターン２１からの引き出し線パターン２２が水晶等の基板の表面に、図示しない電極パターン２３とその電極パターン２３からの引き出し線パターン２４が裏面に金属蒸着等の薄膜生成技術で形成されている。セラミック等の素材で作られたパッケージ３０は、内部に段差３１を備え、段差３１にはメタライズ処理による金属パッド３２、３４を形成している。金属パッド３２、３４に導電性接着剤３３、３５を塗布し、この状態で圧電振動板２０の引き出し線パターン２２、２４が形成された端部を塗布された導電性接着剤３３、３５上に載置し、導電性接着剤３３、３５を硬化させる。導電性接着剤３３、３５の硬化により、圧電振動板２０は略水平の状態で段差３１上に片持ち支持されることになる。

段差３１に形成した金属パッド３２、３４は図示しない内部導体でパッケージ３０の底部にメタライズ処理によって形成した図示しない外部電極と接続している。回路基板に搭載され圧電振動子１０はこの外部電極から電圧が印可され、圧電振動板２０が電圧効果により変形を生じて固有の周波数において共振し、その周波数の電圧を得ることができる。

上記はパッケージ内に圧電振動板のみを収納した例を示したが、パッケージ内に圧電振動板と共に発振回路の半導体素子を収容する場合もある。図７はその例を示したものであり、回路基板における実装密度を高めることができる。圧電振動板２０に加え半導体素子５０を収容するため、パッケージ３０のスペースは狭まり、圧電振動板２０がリッド４０や半導体素子５０に触れないように注意が必要である。

圧電振動子のパッケージには一般的にＡｌ２Ｏ３（アルミナ）を素材としたセラミックパッケージが用いられる。このアルミナセラミックは不透明であるが、透明セラミックとしてＹ２Ｏ３（酸化イットリウム）やＹ３ＡＬ５Ｏ１２（アルミン酸イットリウム）に添加物をドープしたものも知られている（例えば、非特許文献１）。

また、硬質ガラスを素材としたパッケージも知られている（例えば、特許文献１）。

片持ち支持する方法として、自由端となる圧電振動板をパッケージの床面に配置した熱収縮性または熱変形を有する樹脂の仮支持部材(枕部材)に載せ、支持端をパッケージの段差に塗布した導電性接着剤に置き、導電性接着剤を硬化させた後に仮支持部材を加熱により熱変形させて圧電振動板と仮支持部材との間に隙間を形成させる方法が知られている。支持端の固定後に仮支持部材を外すことで圧電振動板を略水平の状態で片持ち支持を実現し、自由端とパッケージとの接触を抑制するものである（例えば、特許文献２）。

http//www.covalent.co.jp/jpn/rd/developments/transparent.html

特開２００８−４２５１２号公報 特許第４２１４７５３号

片持ち支持の圧電振動子は、圧電振動板の一端を自由端とするため機械的に拘束されず支持部分に対する振動のストレスの影響を受け難いことから多く用いられている。しかしながら、電子機器の小型化が進み、電子部品においても低背化が求められる状況において、パッケージ内に圧電振動板を配置するスペースは少なくなり、圧電振動板が傾いた状態で固定されるとパッケージに触れる恐れがあり、片持ちの状態で正確に水平の状態に固定することが求められている。パッケージ内に圧電振動板と共に発振回路の半導体素子を収納する場合も低背化と同様である。

特許文献２で提案される圧電振動板の支持の方法は、圧電振動板の一端をパッケージの段差部分に塗布された導電性接着剤の上に置き、他端を仮支持部材上に乗せた状態で加熱硬化させるが、導電性接着剤はこの加熱により収縮し仮支持部材上にある圧電振動板の端部を持ち上げた状態で硬化する。このため、圧電振動板がパッケージのリッド等に接触しないようにするため、塗布した導電性接着剤および仮支持部材の高さを厳密に管理することが求められる。例えば、導電性接着剤の粘度や塗布量、塗布時の温度等の管理が必要と考えるが、これらを管理するために多くの時間を要するという問題がある。

また、仮支持部材は導電性接着剤の加熱硬化後により高い温度で加熱して熱変形を起こさせて圧電振動板と仮支持部材との隙間を形成するが、隙間を形成した後の仮支持部材をそのままパッケージ内に残してリッドの封止が行われる。仮支持部材がパッケージ内の床面に固定された状態にあれば問題がないが、輸送中や実装のハンドリング中に仮支持部材が床面から外れた場合にパッケージ内を動き回り圧電振動板に付着するような場合が考えられる。このような場合に圧電振動子としての振動は不安定なものとなり、問題となる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、導電性接着剤の厳しい管理を不要にしながら正確に圧電振動板をパッケージに水平に保った状態で固定する片持ち構造の圧電振動子の製造方法を提供することを目的とする。

また本発明の他の目的は、熱変形後の仮支持部材がパッケージ内を動き回ることのないよう仮支持部材を床面に固定する片持ち構造の圧電振動子の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために本発明の圧電振動子の製造方法は、接着剤塗布工程と仮支持部材配置工程、圧電振動板載置工程、高さ調整工程および片持ち支持工程とから構成する。

接着剤塗布工程は、透明の素材よりなるパッケージの内部に形成した段差に導電性接着剤を塗布するものである。

仮支持部材配置工程は、熱変形を有する樹脂からなり、パッケージ内部の床面からの高さが段差に塗布された導電性接着剤より高い形状の仮支持部材を床面に配置する。

圧電振動板載置工程は、圧電振動板の支持端となる一端を導電性接着剤を塗布した段差に載置し、圧電振動板の自由端となる他端を仮支持部材上に載置する。

高さ調整工程は、レーザをパッケージの側壁を介して仮支持部材に照射して熱変形させ、圧電振動板の自由端が支持端より低い所定の傾きとなるように圧電振動板の自由端側の高さを調整する。

片持ち支持工程は、第１の温度で加熱して導電性接着剤を硬化し、続いて第２の温度で加熱して仮支持部材を変形させて圧電振動板と仮支持部材との間に空間を形成する。

レーザの照射により仮支持部材は軟化するので、載置している圧電振動板の重量で自由端が低下し、高さの調整ができる。

導電性接着剤を硬化する前に圧電振動板の高さ調整を行うので、硬化後の圧電振動板を精度よく水平に片持ち支持でき、低背パッケージを使用した圧電振動子の製造方法の提供ができる。

本発明の圧電振動子を構成する部材である。 圧電振動子の製造工程例（その１）である。 圧電振動子の製造工程例（その２）である。 圧電振動子の製造工程例（その３）である。 圧電振動子の完成例（リッドを外した状態）である。 片持ち支持の圧電振動子の構造例である。 圧電振動板と半導体素子とをパッケージ内に収容した例である。

本発明の圧電振動子の製造方法を図１〜図５を用いて説明する。

製造方法の説明の前に図１を用いて圧電振動子１００を構成する部材について説明する。図１（ａ）は透明セラミックのパッケージ２００を示したもので、パッケージ２００内には段差２１０を設けられ、段差２１０にはメタライズ処理により金属パッド２３０、２４０を形成している。また、パッケージ２００の床面には凹部２２０を生成しており、この凹部は床面の開口部の寸法（０．５ｍｍ角）より大きな寸法の空洞を形成している。即ち、開口部が括れた形状を成している。

図１（ａ）のパッケージ２００のセラミックは、例えばＹ２Ｏ３（酸化イットリウム）に添加物を加えて焼結されたもので透明であるが、ここでは見易くするために不透明のように描いている。また、パッケージ２００の底面には圧電振動子１００としての外部電極（図示せず）を形成しており、金属パッド２３０、２４０と内部配線により電気的に接続されているものとする。

図１（ｂ）は仮支持部材３００を示したもので、例えば熱可塑性のフッ素樹脂を０．８ｍｍの球状に成形したものであり、熱変形温度は２００℃〜４００℃である。

図１（ｃ）は圧電振動板４００を示し、この例では４．５ｍｍ×２ｍｍの水晶片の平板を用いている。水晶片の表面に金属蒸着膜を電極パターン４１０として形成し、電極パターン４１０から左端に向かって引き出し線パターン４２０を形成している。図１（ｃ）の水晶片の裏面にも図示しない電極パターン４３０を表面と同様に形成し、左端に向かって引き出し線パターン４４０を形成している。圧電振動板４００が、パッケージ２００に取り付けれたとき、圧電振動板４００の左端が導電性接着剤により支持される支持端となり、右端が自由端となる。金属パッド２３０、２４０に塗布した導電性接着剤は、圧電振動板４００の引き出し線パターン４２０、４４０と金属パッド２３０、２４０とを電気的に接続すると共に、圧電振動板４００を段差２１０に機械的に固定する。

図１（ｄ）はリッド５００を示し、アルミナセラミックからなりパッケージ２００の上面にガラス封止する。

上記の他に導電性接着剤がある。導電性接着剤はバインダーとしてエポキシ系やウレタン系、シリコン系があるが、ここでは硬度が高いエポキシ系を用いている。

次に図１で説明した部材を用いた圧電振動子１００の製造方法について、図２〜図４を用いて工程順に説明する。図２〜図４では平面図と側面図とを基に説明する。

図２（ａ）は透明セラミックのパッケージ２００を示し、図に示すように段差には前述した金属パッド２３０、２４０を形成し、床面には凹部２２０を形成している。側面図から判るように、凹部２２０の上部（パッケージ２００の床面となる）の開口部が括れた空洞の形状を成している。

図２（ｂ）は、金属パッド２３０、２４０に対しディスペンサ２５０を用いて導電性接着剤を吐出し塗布した状態を示している。金属パッド２３０、２４０に吐出された導電性接着剤２５１、２５２は、金属パッド２３０、２４０上に盛り上がった状態となる。

次に、仮支持部材３００を透明パッケージ２００の床面の凹部２２０の開口位置に配置する（図２（ｃ））。ハンドラー３１０の真空チャックによって吸いつけられた仮支持部材３００は、凹部２２０上で真空が解除され、球状の仮支持部材３００の底部がこの凹部２２０の開口に嵌合して仮支持部材３００の位置が定まる。凹部２２０上に置かれた仮支持部材３００の頂点の高さは導電性接着剤２５１、２５２の頂点の高さと同程度、または若干高い状態にある。逆の言い方をすれば、仮支持部材３００の球の大きさがこのようになるように定め、作られている。

続いて、圧電振動板４００を金属パッド２３０、２４０に塗布された導電性接着剤２５１、２５２と仮支持部材３００とに跨がるように載置する。載置された圧電振動板４００は、図３（ｄ）に示すように自由端が支持端より高い状態（右上がりの状態）になる。導電性接着剤２５１、２５２の高さが仮支持部材３００の高さに等しかった場合でも、導電性接着剤２５１、２５２が硬化前であるため圧電振動板４００の重量により支持端側が僅か沈み、右上がりとなる。圧電振動板４００の配置は、ハンドラー３１０と同様の図示しないハンドラーにより、圧電振動板４００に形成した引き出し線パターン４２０、４３０を金属パッド２３０、２４０上の導電性接着剤２５１、２５２に位置合わせして配置される。例えば、圧電振動板４００の端部、または端部角部が金属パッド２３０、２４０の１／２〜１／４にかかるように配置する。

次に、右上がりとなった圧電振動板４００の高さ調整を行う。パッケージ２００の側面の外側から側壁を介してレーザを仮支持部材３００に照射して仮支持部材３００を熱により軟化させ、圧電振動板４００の重量により仮支持部材３００を変形せて高さを低くする。自由端が支持端に較べて所定の高さ低くなった（即ち、所定の傾斜の右下がりとなる）時点でレーザの照射を停止する。照射するレーザは、ここではＹＡＧレーザ装置６００を用い、仮支持部材３００の上部（圧電振動板４００と接する部分）を照射する。また高さの制御は、Ｎｄ−Ｈｅレーザを用いたレーザ測長器６１０により圧電振動板４００の両端の位置を計測し、その結果を用いてＹＡＧレーザ装置６００の照射時間等を制御し、所定の高さとなるよう調整する。レーザはパッケージが透明であるのでパッケージ側面の壁を通して照射できる（図３（ｅ））。

所定の傾斜の右下がりとする理由は、次の工程の導電性接着剤の硬化において圧電振動板４００が水平となるようにするためである。即ち、導電性接着剤の硬化の際の加熱により、一旦導電性接着剤は粘度が下がり仮支持部材３００の重量で僅か沈下すること、続いて導電性接着剤に含まれる溶剤が揮散して収縮が起こり、これらは自由端を持ち上げる方向に作用するので、予めその持ち上げ分を見込んで圧電振動板４００の自由端を下げておくのである。

圧電振動板４００の高さ調整を終わった状態で、導電性接着剤の硬化を行うための加熱を行う。この加熱は、１５０℃〜１８０℃の電気炉に所定時間入れる。図３（ｆ）に示すように、右下がりの圧電振動板４００は導電性接着剤の硬化収縮により仮支持部材３００から離れて水平となる。また、導電性接着剤は加熱当初の粘度の低下により圧電振動板４００の上面に回り込み、上面の引き出し線のパターン４２０と接合する。なお、仮支持部材３００はこの導電性接着剤を硬化させる温度（１５０℃〜１８０℃）では変形を起こさない。

導電性接着剤の硬化後、約３００℃の電気炉に入れて仮支持部材３００を変形させる。仮支持部材３００は図４（ｇ）に示すように凹部２２０の空洞内に流れ込み、硬化する。

最後に、リッド５００をパッケージ２００に被せ、ガラス封止をして終了となる。仮支持部材３００は、仮支持部材３００の一部が凹部２２０の空洞内に流れ込んでいるため固定され、パッケージ２００内を動き回ることがない。

このようにして完成した圧電振動子１００を図５に示す。図５は、リッド５００を外し、圧電振動子１００の構造が判るように斜視図で示したものである。圧電振動板４００は段差２１０上の金属パッドに塗布した導電性接着剤２５１、２５２により片持ち支持され、自由端となる下方のパッケージ２００の床面には熱変形した仮支持部材３００が見える。前述のように、この仮支持部材３００は床面に形成した凹部に流れ込んでおり、凹部の上部が括れた空洞となっているため、固定され動き回ることはない。

本実施例では、パッケージに透明セラミックを用いたが、硬質ガラスであってもよい。

１０ 圧電振動子
１１ 圧電振動子
２０ 圧電振動板
２１ （表面の）電極パターン
２２ （表面の）引き出し線パターン
２３ （裏面の）電極パターン
２４ （裏面の）引き出し線パターン
３０ パッケージ
３１ 段差
３２ 金属パッド
３３ 導電性接着剤
３４ 金属パッド
３５ 導電性接着剤
５０ 半導体素子
１００ 圧電振動子
２００ パッケージ
２１０ 段差
２２０ 凹部
２３０ 金属パッド
２４０ 金属パッド
２５０ ディスペンサ
２５１ 導電性接着剤
２５２ 導電性接着剤
３００ 仮支持部材
３１０ ハンドラー
４００ 圧電振動板
４１０ （表面の）電極パターン
４２０ （表面の）引き出し線パターン
４３０ （裏面の）電極パターン
４４０ （裏面の）引き出し線パターン
５００ リッド
６００ ＹＡＧレーザ装置
６１０ レーザ測長器

Claims (3)

1. 透明の素材よりなるパッケージの内部に形成した段差に導電性接着剤を塗布する塗布工程と、
   熱変形を有する樹脂からなり、前記パッケージの内部の床面からの高さが前記段差に塗布された導電性接着剤の高さより高い形状の部材を前記床面に配置する配置工程と、
   圧電振動板の支持端となる一端を前記導電性接着剤を塗布した段差に載置し、前記圧電振動板の自由端となる他端を前記部材上に載置する載置工程と、
   レーザを前記パッケージの側壁を介して前記部材に照射して熱変形させ、前記圧電振動板が、前記圧電振動板の自由端が前記支持端より低くなる所定の傾きとなるように前記圧電振動板の前記自由端側の高さを調整する調整工程と、
   第１の温度で加熱して前記導電性接着剤を硬化し、続いて第２の温度で加熱して前記部材を変形させて前記圧電振動板と前記部材との間に空間を形成する工程と
   を有することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
2. 前記配置工程において、前記床面には所定の寸法の開口で内部の寸法が前記開口の寸法より大きな空洞の凹部が形成され、前記部材は前記凹部の開口上に配置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子の製造方法。
3. 前記パッケージは、透明セラミックまたは透明硬質ガラスからなる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動子の製造方法。

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