JP2009100213A - 圧電振動装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲振動モードを抑制でき、輪郭振動モードを利用する圧電振動装置の製造方法を提供する。
【解決手段】圧電振動装置１００の製造方法は、高圧雰囲気下熱接着工程を含む。高圧雰囲気下熱接着工程は、基体部１０１と蓋体部１０２とを熱接着する工程である。基体部１０１は、一対の電極間に圧電薄膜が設けられた圧電体素子５０を配設したものである。蓋体部１０２は、圧電体素子５０を封入するように基体部１０１上に配置されたものである。この高圧雰囲気下熱接着工程によって、圧電体素子５０を封入する気密空間を基体部１０１と蓋体部１０２との間に構成する。また、高圧雰囲気下熱接着工程は、加圧雰囲気下で実施する。
【選択図】図６

Description

この発明は、圧電薄膜を有する圧電体素子をパッケージ内に封入した圧電振動装置の製造方法に関する。

従来、ＦＢＡＲフィルタやＭＥＭＳなどの素子をパッケージ内に封入した素子装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、従来の素子装置の断面図である。
素子装置１６０は、素子構造部１６１とキャップ部１６２とを備える。素子構造部１６１は、基板１６３と素子部１６４と電極１６５，１６６と素子側金属封止部１６７とを備える。素子部１６４は、ＦＢＡＲフィルタやＭＥＭＳを構成する。電極１６５，１６６は素子部１６４に接続される。素子側金属封止部１６７は、素子部１６４と電極１６５，１６６を囲むように基板１６３の上面に形成される。キャップ部１６２は、キャップ用基板１６８と接続パッド１７１と接続プラグ１６９，１７０とキャップ側金属封止部１７７とを備える。接続パッド１７１は、素子構造部１６１の電極１６５，１６６に接続される。接続プラグ１６９，１７０は接続パッド１７１に導通し、キャップ用基板１６８の上面に外部接続用の電極を設ける。キャップ側金属封止部１７７は、接続パッド１７１を囲み、素子側金属封止部１６７と対向するように、キャップ用基板１６８の下面に形成される。キャップ部１６２を素子構造部１６１にかぶせ、キャップ側金属封止部１７７と素子側金属封止部１６７とが接続され、素子装置１６０が構成される。

このように素子をパッケージ内に封入する構成では、一般に、真空雰囲気や大気圧の不活性ガス雰囲気下での熱圧着により、部材の接続がおこなわれていた。

また、輪郭振動モードを利用する圧電体素子が素子として利用されることがある。このような圧電体素子をパッケージ内に封入した圧電振動装置でも、従来、上述のように真空雰囲気や大気圧の不活性ガス雰囲気下での熱圧着により、部材の接続がおこなわれていた。
特開２００６−１７３５５７号公報

図２は、圧電体素子の振動モードを説明する図である。
この圧電体素子２００は同図（Ａ）に示す輪郭振動モードを主モードとして利用するものである。輪郭振動モードでは、圧電体素子２００は輪郭振動し、圧電体素子２００の奥行き寸法と長さ寸法とに応じた共振周波数で振幅が最大になる。また、圧電体素子２００には同図（Ｂ）に示す屈曲振動モードも副次的に生じる。屈曲振動モードでは、圧電体素子２００は屈曲振動する。圧電体素子２００を輪郭振動モードの共振周波数付近で利用した場合、圧電体素子２００には微小な屈曲振動も生じ、厳密には輪郭振動モードに屈曲振動モードが結合して本来の輪郭振動による変形に屈曲振動の変形が重畳されたモードで立体振動する。この立体振動は、圧電体素子２００にとって問題となることがある。

図３は、従来の圧電体素子におけるインピーダンスの周波数特性を例示する図である。同図のグラフの横軸は交番電圧の周波数であり、縦軸はインピーダンスである。図中に示す実線は実効電圧が０．１Vrmsの例を、図中に示す点線は実効電圧が１．０Vrmsの例を示す。実効電圧が０．１Vrmsの場合、輪郭振動モードの共振周波数（約１８．３２MHz）から反共振周波数（約１８．４３MHz）にかけて、インピーダンスが連続的に変化する。一方、実効電圧が１．０Vrmsの場合、輪郭振動モードの共振周波数から反共振周波数の間でインピーダンスが不連続に変化する。

輪郭振動モードの共振周波数付近では本来の輪郭振動の振幅が大きくなるが、実効電圧１．０Vrmsの場合のように実効電圧が高いと立体振動が大きくなり過ぎてインピーダンスの周波数特性に悪影響を与える。すなわち、輪郭振動モードと屈曲振動モードの共振が結合する関係にあると、印加電圧を或る電圧より高くした状態では立体振動が、メカニカルな振動の振幅と電圧の振幅との関係が非線形に変化する領域にまで達し、図３に示したようなインピーダンスの周波数特性に不連続な部分が生じる。

そこで、本発明は、印加電圧を比較的高くしても、屈曲振動を抑制して、輪郭振動本来の特性を利用できるようにした圧電体振動装置の製造方法の提供を目的とする。

本発明の圧電振動装置の製造方法は、熱接着工程を含む。熱接着工程は、基体と蓋体とを熱接着する工程である。基体は、一対の電極間に圧電薄膜が設けられた圧電体素子を配設したものである。蓋体は、圧電体素子を封入するように基体上に配置されたものである。この熱接着工程によって、圧電体素子を封入する気密空間を基体と蓋体との間に構成する。また、熱接着工程は、加圧雰囲気下で実施する。

加熱環境下では気体が膨張するため、従来のように真空雰囲気や大気圧の不活性ガス雰囲気下で熱接着工程を行った場合、圧電振動装置の冷却後の気密空間の内部気圧が低下してしまう。そこで、本発明のように加圧雰囲気下で熱接着工程を実施することにより、圧電振動装置の冷却後の気密空間内の気圧を高められる。

これにより、気密空間に封入される圧電体素子に従来よりも大きな気圧がかかり、圧電体素子の屈曲振動モードでの振幅は抑制されたものになる。一方、圧電体素子の輪郭振動モードでの振幅は、気圧による影響が屈曲振動モードよりも小さく、ほとんど変化しない。したがって、気密空間を高気圧に維持することで屈曲振動が小さくなり、圧電体素子はほぼ輪郭振動モードと見なせるモードで振動する。

このため、実効電圧が大きい場合でも、圧電体素子の変形をインピーダンスが線形に変化する範囲に留めることができ、インピーダンスの周波数特性において共振周波数から反共振周波数までの間でのインピーダンスの不連続な変化を無くすことができる。

熱接着工程は、以下の条件式を満たす加圧雰囲気下で実施すると好適である。
式：Ｐ′＞＝Ｐ×（Ｔ′／Ｔ）
ただし、式中の記号Ｔ′は熱接着工程中の制御温度であり、式中の記号Ｔは圧電振動装置の使用時の標準温度であり、式中の記号Ｐ′は熱接着工程中の制御気圧であり、式中の記号Ｐは前記標準温度での標準気圧である。

このような制御温度と制御気圧の環境下で熱接着工程を実施することにより、標準温度への冷却後の圧電振動装置の気密空間の気圧が標準気圧と等しいか、それよりも高圧になる。なお、熱接着工程は、大気圧よりも加圧した雰囲気下で実施すると好適である。

基体および蓋体は、それぞれリジッドな基板を備えると好適である。圧電振動装置の気密空間の気圧が標準気圧よりも高圧でも、基体と蓋体との変形を抑制でき、パッケージの強度と封止の信頼性とが高まるためである。

この発明によれば、圧電振動装置の冷却後の気密空間内の気圧が、従来よりも高くなるので、気密空間に封入される圧電体素子に従来よりも高い気圧がかかる。これにより、圧電体素子の屈曲振動は抑制されたものになる。一方、圧電体素子の輪郭振動モードでの振幅は、気圧による影響が屈曲振動モードよりも小さく、ほとんど変化しない。したがって、屈曲振動が小さくなり、圧電体素子は、ほぼ輪郭振動モードと見なせるモードで振動する。したがって、圧電体素子への印加電圧を比較的高くしても、輪郭振動モード本来の特性を利用できる。

まず、本発明の実施により製造される圧電振動装置の形態を説明する。

図４はこの圧電振動装置の構成を説明する図である。同図（Ａ）は圧電振動装置の平面図、同図（Ｂ）は圧電振動装置の断面図であり、同図（Ｃ）は圧電体素子の構造を説明する図である。

圧電振動装置１００は、基体部１０１と蓋体部１０２とを備える。基体部１０１は本発明の基体に相当し、蓋体部１０２は本発明の蓋体に相当する。基体部１０１は、基体側基板６０と圧電体素子５０と基体側封止部材８１と基体側導電部材９１とを備える。蓋体部１０２は蓋体側基板７０と蓋体側封止部材８２と蓋体側導電部材９２と外部接続端子７１と接地端子７３とを備える。基体側封止部材８１と蓋体側封止部材８２とは封止部８０を構成する。基体側導電部材９１と蓋体側導電部材９２とは導電部９０を構成する。基体側封止部材８１と蓋体側封止部材８２とは熱接着され、基体部１０１と蓋体部１０２との間に気密空間を構成する。この気密空間に、圧電体素子５０と導電部９０とが封入される。基体側導電部材９１と蓋体側導電部材９２とは接触していて、圧電体素子５０の電極と外部接続端子７１とを導通させる。

基体側基板６０と蓋体側基板７０とはＳiを主成分とする。なお、基板６０，７０は素子との間で絶縁されることが望ましく、他の材料からなる基板にＳiＯ_２層を形成したり、絶縁性の高い他の材料の基板、例えばガラス基板、水晶基板、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃などのセラミック基板を採用したりしても良い。

封止部材８１および導電部材９１は、Ｃｕ等の金属材料からなり、封止部材８２および導電部材９２は、ＣｕやＳｎ等の金属材料からなる。好ましくは、封止部材８１，８２および導電部材９１，９２の接触部分でＣｕとＳｎとが接触した積層構造とし、ＣｕとＳｎとを合金化して接着させるとよい。封止部材８１，８２および導電部材９１，９２は、蓋体側基板７０に形成したコンタクトホールを介して外部接続端子７１や接地端子７３に導通する。封止部８０は、基体側基板６０と蓋体側基板７０との外周から所定間隔へだてた内側に外周に沿って設けられ、気密空間を囲む。

圧電体素子５０は、両端間でアーチ状に構成されていて、基体側基板６０との間、および蓋体側基板７０との間に空隙を介して中央部が保持される。また圧電体素子５０は積層構造を有し、基体側から蓋体側にかけて順に下部温度特性補償膜５１、下部電極膜５２、圧電薄膜５３、上部電極膜５４、および上部温度特性補償膜５５を備えている。下部温度特性補償膜５１および上部温度特性補償膜５５は、ＳｉＯ_２を主成分とし、圧電体素子５０の絶縁と温度特性補償とを担う。下部電極膜５２および上部電極膜５４は、Ｐｔを主成分とする。圧電薄膜５３は、ＡｌＮを主成分とする。外部接続端子７１に、輪郭振動モードの共振周波数の交番電圧が入力されることで、圧電体素子５０は、輪郭振動モードを主モードとして振動する。

次に圧電振動装置１００の製造方法を図５および図６に基づいて説明する。ここでは、圧電振動装置１００の基体側基板６０と蓋体側基板７０とが、それぞれウェハから予め分断されている例を説明するが、以下に説明する各工程をウェハに施し、その後にウェハから個別の圧電振動装置１００を分断するようにしてもよい。

図５は、圧電振動装置１００の製造工程のフローであり、図６は、製造工程での圧電振動装置１００の断面図である。

ステップＳ１およびステップＳ２では、蓋体部形成工程と基体部形成工程とが実施され、基体部１０１と蓋体部１０２とのそれぞれが形成される。具体的には、基板６０，７０上に、圧電体素子５０が形成され、且つ、封止部材８１，８２や導電部材９１，９２となる金属層が印刷され、基体部１０１と蓋体部１０２とのそれぞれが形成される。なお、ステップＳ１，Ｓ２は並列して実施しても、逆順に実施しても良い。

ステップＳ３では、配置工程が実施される。図６（Ａ）に示す同工程では、ハンドル装置により基体部１０１上に蓋体部１０２が配置される。これにより、封止部材８１に封止部材８２が接触し、導電部材９１に導電部材９２が接触する。

ステップＳ４では、高圧雰囲気下熱接着工程が実施される。図６（Ｂ）に示す同工程では、基体部１０１と蓋体部１０２とが高圧加熱炉内に配置される。高圧加熱炉は、まず炉内に所定気圧の不活性ガスが注入され、その後、所定温度に加熱される。加熱条件は、ＳｎとＣｕとの合金が得られるように設定する。これにより、封止部材８１と封止部材８２とが熱接着し、導電部材９１と導電部材９２とが熱接着する。その後、圧電振動装置１００は冷却される。

ステップＳ５では、コンタクトホール形成工程が実施される。図６（Ｃ）に示す同工程では、蓋体部１０２にコンタクトホールとなる孔が形成される。

ステップＳ６では、電極形成工程が実施される。図６（Ｄ）に示す同工程では、蓋体部１０２の孔に電極材が充填され、且つ、外部接続端子７１および接地端子７３となる電極が成膜される。

以上の製造工程を経て圧電振動装置１００は製造される。

高圧雰囲気下熱接着工程では、高圧加熱炉内に所定気圧の不活性ガスが注入される。そしてこの雰囲気下で、圧電振動装置１００の加熱が行われる。圧電振動装置１００の気密空間の内部気体は、加熱環境下では膨張し、その後の冷却により収縮する。したがって、冷却後の気密空間の内部気圧は、加熱環境下の気圧よりも大きく低下する。

そこで、冷却後の気密空間の内部気圧を標準気圧（例えば、大気圧）より大きくするため、高圧雰囲気下熱接着工程では、以下の条件式を満たす気圧まで、不活性ガスを加圧しておく。ただし、式中の記号Ｔ′は高圧雰囲気下熱接着工程中の制御温度であり、式中の記号Ｔは冷却後の圧電振動装置１００使用時の標準温度であり、式中の記号Ｐ′は高圧雰囲気下熱接着工程中の制御気圧であり、式中の記号Ｐは標準温度Ｔでの標準気圧である。
式：Ｐ′＞＝Ｐ×（Ｔ′／Ｔ）
この条件式を満足する制御気圧Ｐ′下で高圧雰囲気下熱接着工程を実施することにより、冷却後の気密空間の内部気圧を標準気圧Ｐよりも高圧にできる。

例えば、ＳｎとＣｕとの合金を得るために高圧加熱炉内を制御温度Ｔ′＝５６８Ｋ（＝２９５℃）に加熱する場合、制御気圧を約１．９３気圧に加圧した不活性ガス環境下で、約１時間、制御温度Ｔ′＝５６８Ｋの加熱を行うと、気密空間の内部気圧が標準温度Ｔ＝２９３Ｋ（＝２０℃）において標準気圧Ｐ＝１気圧になる。

したがって、圧電振動装置１００の気密空間に封入される圧電体素子５０に従来よりも大きな気圧がかかり、圧電体素子５０の屈曲振動モードでの振幅は抑制されたものになる。一方、圧電体素子５０の輪郭振動モードでの振幅は、気圧による影響が屈曲振動モードよりも小さく、ほとんど変化しない。したがって、気密空間を高気圧に維持することで屈曲振動が小さくなり、圧電体素子はほぼ輪郭振動モードと見なせるモードで振動する。このため、実効電圧が大きい場合でも圧電体素子５０の変形を、インピーダンスが線形に変化する範囲に留めることができ、インピーダンスの周波数特性において共振周波数から反共振周波数までの間でのインピーダンスの不連続な変化を無くすことができる。

次に、本発明の実施により製造される圧電振動装置の他の形態を説明する。

図７は、圧電振動装置３００の構成を説明する図である。圧電振動装置３００は、圧電体素子３５０が蓋体部３０２側に設けられている点で圧電振動装置１００と相違する。このような構成の圧電振動装置３００は、その製造工程において、基体部３０１と蓋体部３０２とを高圧加熱炉内に配置し、高圧加熱炉の炉内に所定気圧の不活性ガスを注入し、その後、所定温度に加熱される。これにより、基体部３０１と蓋体部３０２とが熱接着される。

これにより、圧電振動装置３００の気密空間に封入される圧電体素子３５０に従来よりも大きな気圧がかかり、圧電体素子３５０の屈曲振動モードでの振幅は抑制されたものになる。

図８は、圧電振動装置４００の製造工程を説明する図である。圧電振動装置４００は、封止部４８０にコンタクトホールを設けて、外部接続端子４７１と圧電体素子４５０の電極とを導通させる点で圧電振動装置１００と相違する。このような構成の圧電振動装置４００は、その製造工程において、基体部４０１と蓋体部４０２とを高圧加熱炉内に配置し、高圧加熱炉の炉内に所定気圧の不活性ガスを注入し、その後、所定温度に加熱される。これにより、基体部４０１と蓋体部４０２とが熱接着される。

これにより、圧電振動装置４００の気密空間に封入される圧電体素子４５０に従来よりも大きな気圧がかかり、圧電体素子４５０の屈曲振動モードでの振幅は抑制されたものになる。

従来の素子装置の断面図である。 圧電体素子の振動モードを説明する図である。 従来の圧電体素子のインピーダンスの周波数特性を説明する図である。 本発明の実施により製造される圧電振動装置の構成を説明する図である。 同圧電振動装置の製造フローを示す図である。 同圧電振動装置の製造工程での断面図である。 本発明の実施により製造される圧電振動装置の他の構成を説明する図である。 本発明の実施により製造される圧電振動装置の他の構成を説明する図である。

符号の説明

５０…圧電体素子
５１…下部温度特性補償膜
５２…下部電極膜
５３…圧電薄膜
５４…上部電極膜
５５…上部温度特性補償膜
６０…基体側基板
７０…蓋体側基板
７１，…外部接続端子
７３，…接地端子
８０…封止部
８１，８２…封止部材
９０…導電部
９１，９２…導電部材
１００，３００，４００…圧電振動装置
１０１…基体部
１０２…蓋体部

Claims (4)

1. 輪郭振動する圧電体素子を配設した基体と、前記圧電体素子を封入するように前記基体上に配置された蓋体と、を熱接着して、前記圧電体素子を封入する気密空間を前記基体と前記蓋体との間に構成する熱接着工程を含む、圧電振動装置の製造方法であって、
   前記熱接着工程は、加圧雰囲気下で実施することを特徴とする圧電振動装置の製造方法。
2. 前記熱接着工程は、以下の条件式を満たす加圧雰囲気下で実施する請求項１に記載の圧電振動装置の製造方法。
   式：Ｐ′＞＝Ｐ×（Ｔ′／Ｔ）
   ただし、式中の記号Ｐ′は熱接着工程中の制御気圧であり、式中の記号Ｔ′は熱接着工程中の制御温度であり、式中の記号Ｔは圧電振動装置の使用時の標準温度であり、式中の記号Ｐは前記標準温度での標準気圧である。
3. 前記熱接着工程は、大気圧よりも加圧した雰囲気下で実施する請求項２に記載の圧電振動装置の製造方法。
4. 前記基体および前記蓋体は、それぞれリジッドな基板を備える請求項１〜３のいずれかに記載の圧電振動装置の製造方法。

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