圧電振動子、発振器及び発振器パッケージ
【課題】特性を劣化させることなく、シリコン基板上に圧電振動片を実装した圧電振動子を提供する。
【解決手段】シリコン基板２と、シリコン基板２の表面に形成された金属膜３と、金属膜３上に形成された一対の振動片実装電極５，６と、一対の振動片実装電極５，６にバンプ接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片７と、を備え、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である。
【解決手段】シリコン基板２と、シリコン基板２の表面に形成された金属膜３と、金属膜３上に形成された一対の振動片実装電極５，６と、一対の振動片実装電極５，６にバンプ接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片７と、を備え、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面実装型（ＳＭＤ）の圧電振動子、特に大きさが３．２ｍｍ×２．５ｍｍ以下の小型パッケージ用の圧電振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や携帯情報端末機器には、時刻源、制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等として水晶等を利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子は、様々なものが知られているが、その１つとして、表面実装型の圧電振動子が知られている。この種の圧電振動子は、内部電極が形成されたベース基板上に圧電振動片が導電性接着剤で固定され、リッド基板で封止されたものが一般的に知られている。特に、近年はＬＳＩの貫通電極技術が開発され、ＬＳＩ上に受動部品を実装し、スタック構造にする実装形態が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、シリコン基板上に圧電振動片が固定された圧電振動子について簡単に説明する。即ち、図９に示すように、圧電振動子２００は、圧電振動片２０３と、シリコン基板２０１と、凹型に形成されてベース基板２０１の接合面２０８に接合されたリッド基板２０２とから構成されている。
【０００４】
圧電振動片２０３は、圧電材料である水晶から形成されたＡＴカット振動片であり、圧電振動片２０３を挟んで、該圧電振動片２０３を振動させるための励振電極２０５ａ、２０５ｂがパターニングされている。圧電振動片２０３は、シリコン基板２０１上に形成された内部電極２０７ａ上に励振電極２０５ａ、２０５ｂ、導電性接着剤２０４を介して接合される。
【０００５】
リッド基板２０２には凹部が形成され、シリコン基板２０１で封止することでキャビティ２０９が構成される。該圧電振動片２０３は前記キャビティ２０９内に収納される。
【０００６】
シリコン基板２０１の裏面には、外部電極２０６ａ、２０６ｂが形成されている。このうち一方の外部電極２０６ａが、貫通電極２１０ａ、内部電極２０７ａ、導電性接着剤２０４を介して圧電振動片２０３の一方の励振電極２０５ｂに電気的に接続されており、図示されていないが、他方の外部電極２０６ｂが、貫通電極（図示せず）、内部電極（図示せず）、導電性接着剤（図示せず）を介して圧電振動片２０３の他方の励振電極２０５ａに電気的に接続されている。
【０００７】
リッド基板２０２は、ガラス基板あるいは金属基板で構成され、シリコン基板２０１上の接合面２０８で陽極接合あるいはＡｕ−Ｓｎ溶接されて、キャビティ２０９を封止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９３９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の圧電振動子２００には、以下の課題が残されている。
【００１０】
シリコン基板２０１は線膨張係数が約２．８ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、圧電振動片２０３としてのＡＴカット振動片の線膨張係数は、文献等により多少数値は異なるが、Ｘ軸方向１３．７×１０-6／℃、Ｙ軸方向９．６×１０-6／℃、Ｚ’軸方向１１．６×１０-6／℃である。このため、シリコン基板２０１上に圧電振動片２０３を実装した場合、シリコン基板２０１と圧電振動片２０３との線膨張係数差が大きく、圧電振動片２０３に大きな応力がかかってしまう。圧電振動片２０３に応力がかかると温度特性が大きく変化し、性能を悪くしてしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、特性を劣化させることなく、シリコン基板上に圧電振動片を実装した圧電振動子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１３】
本発明による圧電振動子は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に形成された線膨張係数調整膜と、前記線膨張係数調整膜上に形成された一対の振動片実装電極と、前記一対の振動片実装電極に接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片と、を備え、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である。このとき、前記圧電振動片は、前記一対の振動片実装電極にバンプ接合されて保持されていることが好ましい。また、前記線膨張係数調整膜は金属膜であり、前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えていてもよい。例えば前記線膨張係数調整膜はＮｉあるいはＣｕからなる。また、前記線膨張係数調整膜は水晶板であり、前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えていてもよい。
【００１４】
本発明による発振器は、本発明の圧電振動子と、前記シリコン基板の表面に形成された発振回路と、を備えている。このとき、前記線膨張係数調整膜と前記シリコン基板との間に形成された保護膜をさらに備えていてもよい。また、本発明による発振器は、本発明の圧電振動子と、前記シリコン基板の裏面に形成された発振回路と、を備えている。このとき、前記振動片実装電極と前記発振回路とを接続するために前記シリコン基板を厚み方向に貫通するシリコン貫通電極をさらに備えていてもよい。
【００１５】
本発明による発振器パッケージは、本発明の発振器と、前記発振器が実装されるパッケージベース基板と、前記パッケージベース基板の表面に接合され、前記パッケージベース基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、を備えている。また、本発明による発振器パッケージは、本発明の発振器と、前記シリコン基板の表面に接合され、前記シリコン基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、を備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である線膨張係数調整膜がシリコン基板の表面に形成されているため、圧電振動片の線膨張係数と、シリコン基板及び線膨張係数調整膜からなる多層構造体の線膨張係数とを近づけることができる。そのため、環境温度変化によって生じる基板と圧電振動片との熱膨張差による応力が小さくなる、つまり、温度特性による特性の劣化が小さくなり、周波数のとびや周波数温度特性の理論カーブからのズレが抑えられるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施例１の圧電振動子を上方から見た図である。
【図２】実施例１の圧電振動子のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明に係る実施例２の発振器を上方から見た図である。
【図４】実施例２の発振器のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施例２の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施例３の発振器の断面図である。
【図７】実施例３の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る実施例４の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図９】従来の圧電振動子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る圧電振動子、発振器及び発振器パッケージの実施例１から実施例４について、図１から図８を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
圧電振動子１は、図１から図２に示すように、シリコン基板２上に金属膜（線膨張係数調整膜）３、絶縁膜４を介して圧電振動片７が実装された圧電振動子である。なお、図１は図面を見やすくするために絶縁膜４を省略している。
【００２０】
図１から図２を元に説明をする。圧電振動片７は、圧電材料である水晶から矩形状の薄板に形成されたＡＴカット型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動するものである。圧電振動片７の表裏面の中央部には、矩形状の励振電極１０、１１がそれぞれ対向する位置に形成されている。圧電振動片７の表面に形成された励振電極１０は、その一方の短辺（図１における左側の短辺）における一方の片側端部（図１における下方側端部）で引出し電極８に接続されている。引出し電極８は、圧電振動片７の表面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における一方の片側領域（図１における下方側領域）に形成され、励振電極１０に接続されている。また、この引出し電極８は、圧電振動片７の一方の短辺側の側面に形成された側面電極を介して、圧電振動片７の裏面に形成されたマウント電極１２に電気的に接続されている。マウント電極１２は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における一方の片側領域（図１における下方側領域）に形成されている。圧電振動片７の裏面に形成された励振電極１１は、その一方の短辺（図１における左側の短辺）における他方の片側端部（図１における上方側端部）で引出し電極９に接続されている。引出し電極９は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における他方の片側領域（図１における上方側領域）に形成され、励振電極１１に接続されている。また、この引出し電極９は、圧電振動片７の裏面に形成されたマウント電極１３に電気的に接続されている。マウント電極１３は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における他方の片側領域（図１における上方側領域）に形成されている。マウント電極１２、１３は、圧電振動片７の裏面において一方の短辺側領域における一方及び他方の片側領域にそれぞれ形成され、圧電振動片７をその一方の短辺側領域で２点保持するためのバンプ１４、１５へそれぞれ接続されている。バンプ１４、１５は、シリコン基板２上に後述する金属膜３及び絶縁膜４を介して設けられた振動片実装電極５、６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
ここで、励振電極１０、１１、マウント電極１２、１３、引出し電極８、９、及び側面電極は、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の導電性膜の被膜、あるいは、これら導電性膜のいくつかを組み合わせた積層膜より形成されたものである。
【００２２】
シリコン基板２上には、圧電振動片７の線膨張係数とシリコン基板２の線膨張係数との差を小さくするための金属膜（線膨張係数調整膜）３が形成されている。金属膜３は、バンプ１４、１５が接続された振動片実装電極５、６の真下にあたる位置に配置されている。金属膜３は、平面視において２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさで形成されている。つまり、２つの振動片実装電極５、６は１つの金属膜３上に形成されている。なお、金属膜３は、２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさ以上で形成されていればよく、シリコン基板２の表面のほぼ全体に亘って形成されていてもよい。金属膜３上には、この金属膜３と振動片実装電極５、６が導通しないように金属膜３全体を覆う絶縁膜４が形成されている。図２ではシリコン基板２の表面全体に絶縁膜４が形成されているが、必ずしもシリコン基板２の表面全体に絶縁膜４が必要なわけではない。金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しない状態を保持できれば、絶縁膜４を金属膜３の周辺だけに形成してもよい。しかし、工程数を考えると、シリコン基板２の表面全体に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００２３】
圧電振動片７は、図１及び図２に示すように、金等の金属からなるバンプ１４、１５を介して、振動片実装電極５、６の表面にバンプ接合されている。より具体的には、振動片実装電極５、６上に形成された２つのバンプ１４、１５上に、一対のマウント電極１２、１３がそれぞれ接触した状態で、圧電振動片７がバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７は、振動片実装電極５、６の表面からバンプ１４、１５の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、１３と振動片実装電極５、６とがそれぞれ電気的に接続された状態となっている。以上のような構成を総じて圧電振動子１と呼ぶ。
【００２４】
次に金属膜３の線膨張係数及びヤング率について説明する。本実施例では、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上となっている。これは本実施例の圧電振動片７に用いられるＡＴカット振動片の線膨張係数とベース基板であるシリコン基板２の線膨張係数との差を吸収するために必要な特性値である。ＡＴカット振動片の線膨張係数は、文献等により多少数値は異なるが、Ｘ軸方向１３．７×１０-6／℃、Ｙ軸方向９．６×１０-6／℃、Ｚ’軸方向１１．６×１０-6／℃である。一方、シリコンの線膨張係数は約２．８×１０-6／℃である。このため、シリコン基板２に直接圧電振動片７をバンプ接合してしまうと、線膨張係数の差が大きいために圧電振動片７に大きな応力が印加されてしまう。圧電振動片７に応力が印加されると、周波数が大きく変化してしまうという不具合がある。なお、これを回避する方法として、圧電振動片７をバンプ接合する基板を、圧電振動片７と同じような材料にする方法や、圧電振動片７と基板とを導電性接着剤のような軟らかい物質で接合する方法が考えられる。しかし後述する発振器などの場合、上述した基板を圧電振動片７と同じような材料にする方法を採用することは難しい。回路などを形成した基板には大半がシリコンを用いており、圧電振動片７と同じような線膨張係数を持つ半導体材料はあまりない。また圧電振動片７と基板との接合に導電性接着剤を用いた場合、接合面積が非常に小さいため、導電性接着剤の塗布が非常に困難である。さらに接着剤は経時的にガスを放出するため、振動子の信頼性を損なう恐れがある。このため、本実施例では、圧電振動片７をシリコン基板２上にバンプ接合することとし、圧電振動片７をシリコン基板２に実装するための振動片実装電極５、６の下に金属膜３を配置してシリコン基板２と圧電振動片７の線膨張係数の差を調整する。
【００２５】
ここで２種類の材料が貼り合わさったときの線膨張係数について計算する。２つの材料が貼り合わさることにより材料の長さがΔＬ変化したときの力の関係式（１）は、
【数１】
で与えられる。Ｆは材料にかかる力、Ｅは材料のヤング率、Ｌは材料単体での長さ、ΔＬは材料が貼り合わさったときの材料の長さの変化量である。また、材料の線膨張係数をαとしたときのある温度での材料の長さＬtは
【数２】
Δｔは温度の変化量、となる。よって材料Ａと材料Ｂとが貼り合わさり、温度がΔｔ変化したときの貼り合わせた材料の長さがＬxになったとすると、
【数３】
【数４】
材料Ａと材料Ｂが貼り合わさって力がつりあうのだから、
【数５】
式（３）、式（４）、式（５）より、材料Ａの断面積をＳA、材料Ｂの断面積をＳBとして材料の長さＬxを求めると、
【数６】
となる。式（６）より２つの材料が貼り合わさったときの線膨張係数は
【数７】
となる。
【００２６】
この式（７）にシリコン基板２の線膨張率、ヤング率をあてはめ、さらに金属膜３の膜厚をメッキなどで一般的に使われる５μｍ、シリコン基板２の厚みを５０μｍ、目標とする線膨張係数を水晶振動片のＺ’軸方向の線膨張係数の１／３にあたる３．８×１０-6／℃として金属膜３の線膨張係数、ヤング率を求めると、金属膜３の線膨張係数は１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上の値を満たすとき、線膨張係数３．８×１０-6／℃を満足する。ここでシリコン基板２の線膨張係数は２．８×１０-6／℃、ヤング率は１３０ＧＰａである。上記数値を満たす一般的な金属として、ＮｉやＣｕが挙げられる。
【００２７】
以上より、シリコン基板２上に形成した金属膜３の特性値は、線膨張係数は１３×１０-6／℃以上で、且つ、線膨張係数とヤング率の積が１．９５ＭＰａ／℃以上の条件を満たす材料であることがわかる。また、その条件を満たす一般的な金属材料はＮｉとＣｕである。本実施例では、金属膜３の厚みを５μｍ、シリコン基板２の厚みを５０μｍとしたが、仮に金属膜３の厚みを５μｍ以上にした場合や、シリコン基板２の厚みを５０μｍ以下にした場合であれば、金属膜３の線膨張係数やヤング率の限定範囲は広がる。しかし実施可能な条件を考えると、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上を満たすことが妥当だろう。なお、金属膜３については、その線膨張係数が３０×１０-6／℃以下、その線膨張係数とヤング率との積が２．５ＭＰａ／℃以下であることが好ましい。
【００２８】
上述したような線膨張係数調整膜としての金属膜３が形成されていることにより、圧電振動片７の線膨張係数と、シリコン基板２、金属膜３および絶縁膜４の多層構造体の線膨張係数とを近づけることができる。そのため、環境温度変化によって生じるシリコン基板２と圧電振動片７との熱膨張差による応力が小さくなる、つまり、温度特性による特性の劣化が小さくなり、周波数のとびや周波数温度特性の理論カーブからのズレが抑えられるという効果がある。
【００２９】
また、本実施例では圧電振動片７のバンプ接合を採用しているため、従来の小型化に伴い生じる課題を解決することができる。詳しく説明すると、圧電振動子の小型化が進んでいくと、圧電振動片７のマウント電極１２、１３が小さくなり、一般に用いられる導電性接着剤の接着領域も小さくする必要がある。ところが、導電性接着剤は流動性があり一定の領域に留められず、全体に広がってしまう。そのため接着領域（＝マウント電極１２、１３の大きさ）を小さくすることは困難を伴う。一方、接着領域を確保するためにマウント電極１２、１３のサイズを大きくする方法も考えられるが、励振電極１０、１１が小さくなってしまい、圧電振動片７の振動する部分の領域が小さくなって特性を劣化させてしまう。これに対し、本実施例ではバンプ接合を採用することにより、接合領域の面積を非常に小さくできる。圧電振動片７の励振領域を大きくとることが可能となり、インピーダンス特性の向上や圧電振動片７の設計容易さを得ることができる。バンプ接合は金属の超音波接合のため、接合領域の面積を非常に小さくできるのにも関わらず、圧電振動片７とシリコン基板２とが強固に接合され、耐衝撃性に非常に強いという効果がある。このように強固に接着してしまうが故に、シリコン基板２１の線膨張係数と圧電振動片７の線膨張係数との差に起因する大きな応力が圧電振動片７にかかるおそれがあるが、上述した金属膜３の存在により、この課題は解決できる。
【００３０】
また、導電性接着剤は凝固するまでに時間がかかるので、組立製造中、圧電振動片７を保持している、あるいは、導電性接着剤が凝固する時、圧電振動片７の自重でシリコン基板２に平行になるようにあらかじめ圧電振動片７を斜めに傾けて接着する方法を取らなければならなかった。しかしながら、本実施例のようにバンプ接合を採用することにより、このような手間のかかる接着方法は必要がなくなる。また、圧電振動片７はバンプ接合によってシリコン基板２から浮いた状態で支持されているので、振動に必要に最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。よって、シリコン基板２の厚みをできるだけ薄くすることができる。この点において、実施例１は圧電振動子１の薄型化を図ることができる。さらに、バンプボールでは長期使用時もアウトガスの発生がないため、圧電振動子１の安定した特性を長期に渡り維持することができるという効果がある。さらに、バンプボールは熱環境によって経時変化することはないので、圧電振動子１の安定した特性を長期に渡り維持することができる。
【実施例２】
【００３１】
実施例２の構成と効果は実施例１で書かれているものとほぼ同様であるが、実施例２は発振器に関する実施例であり、シリコン基板２上に発振回路が形成されていることが大きな相違点である。よって実施例１と同様の構成の説明は省略し、相違点について説明する。
【００３２】
上記実施例１の圧電振動子１を利用した発振器２０を図３、図４に示す。シリコン基板２１の表面には、発振回路２１Ａが形成されるとともに、圧電振動子接続用端子２５、２６と発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０とが形成されている。また、シリコン基板２１の表面には、圧電振動子接続用端子２５、２６及び発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０の部分は開口した形で、酸化膜やチッ化膜で構成される保護膜２２が形成されている。保護膜２２上に金属膜３が形成され、金属膜３を覆う形で絶縁膜４が形成されている。金属膜３は振動片実装電極５、６の真下にあたる位置に配置され、大きさは２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさ以上で形成される。絶縁膜４は、金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しないように金属膜３全体を覆う形である。図３、図４では金属膜３の周囲だけに絶縁膜４が形成されているが、必ずしもこの構造にこだわることはなく、金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しない状態が保持できれば、基板全体に絶縁膜４を形成し、圧電振動子接続用端子２５、２６及び発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０の部分だけ開口した形でも良い。プロセス方法にもよるが、シリコン基板２１全面に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００３３】
金属膜３上で、且つ、絶縁膜４上に振動片実装電極５、６を形成するときに、シリコン基板２１上の圧電振動子接続用端子２５、２６と振動片実装電極５、６とを接続する接続電極２３、２４を同時に形成する。圧電振動片７は、図３及び図４に示すように、金等の金属からなるバンプ１４、１５を利用して、振動片実装電極５、６上にバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７が振動片実装電極５、６の表面からバンプ１４、１５の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、１３、振動片実装電極５、６、接続電極２３、２４、圧電振動子接続用端子２５、２６がそれぞれ電気的に接続された状態となっている。発振回路用電極端子に電圧が印加されると、発振回路２１Ａは、圧電振動子接続用端子２５を通して励振電流を圧電振動片７に印加し、共振信号を圧電振動子接続用端子２６から受けて発振を継続する。そして、振動を利用して制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【００３４】
また、実施例２の発振器２０を用いてパッケージに実装した形態を図５に示す。パッケージベース基板３１は、セラミックなどから凹型に形成されている。パッケージベース基板３１の凹部の底面に、実施例２で示した発振器２０を実装する。パッケージベース基板３１の表面において凹部以外の領域にはボンディングパッド３３、３４が形成され、パッケージベース基板３１の裏面にはパッケージ外部電極３７、３８が形成されている。また、パッケージベース基板３１には、ボンディングパッド３３、３４とパッケージ外部電極３７、３８とをそれぞれ接続するための内部電極パターンも形成されている。その後、パッケージベース基板３１上に設けられたボンディングパッド３３、３４とシリコン基板２１上の発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０とをワイヤ３５、３６でボンディングする（発振回路用電極端子２８、３０は図示されていない）。これにより発振回路２１Ａに電圧が印加され、圧電振動片７に励振電流が流れて圧電振動片７が発振する。圧電振動片７から返ってきた励振電流は発振回路２１Ａで整流され、発振回路用電極端子２７、２９、ワイヤ３５、３６、ボンディングパッド３３、３４、パッケージ外部電極３７、３８を通してパッケージ外部に信号が出力される。
【００３５】
発振器２０が実装されたパッケージベース基板３１の表面には、窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中で凹型のリッド基板３２が接合され、パッケージのキャビティ３９内が気密封止される。
【００３６】
このように本実施例では、発振回路２１Ａが形成されたシリコン基板２１と圧電振動７とが一体となる構成のため、従来の発振器パッケージのように発振回路２１Ａが形成されたシリコン基板２１の実装空間と圧電振動片７の実装空間とをそれぞれ設ける必要がなくなり、発振器パッケージの薄型化が図れ、低コスト化も実現することができる。さらに、圧電振動片７とシリコン基板２１とが非常に近い距離にあるため、例えば温度補償型発振回路の場合、温度センサが圧電振動片７の温度をより正確に測定することができ、精密な温度補償をすることが可能となる。
【実施例３】
【００３７】
実施例３の構成と効果は実施例１、実施例２で書かれているものとほぼ同様であるが、実施例３は発振回路がシリコン基板の裏面に形成されるとともにシリコン基板の表面に圧電振動片子７が実装されていることが大きな相違点である。よって実施例１、実施例２と同様の構成の説明は省略し、相違点について説明する。図６は断面図のため、圧電振動子接続用端子や発振回路用電極端子は一部しか図示していないが、実際の形態では実施例２同様の構造である。
【００３８】
図６に示す発振器４０では、シリコン基板４１の裏面に、発振回路４１Ａが形成されるとともに、圧電振動子接続用端子４３と発振回路用電極端子４４、４５とが形成されている。シリコン基板４１の裏面には、発振回路用電極端子４４、４５の部分は開口した形で酸化膜やチッ化膜で構成された保護膜４２が形成されている。圧電振動子接続用端子４３が形成された部分のシリコン基板４１にはシリコン貫通電極４７が形成され、圧電振動子接続用端子４３とシリコン貫通電極４７とがそれぞれ電気的に接続され、かつ、シリコン基板４１の表面に形成された接続電極４６とシリコン貫通電極４７とがそれぞれ電気的に接続されている。シリコン基板４１の表面には金属膜３が形成される。金属膜３は振動片実装電極５の真下にあたる位置に配置され、大きさは２つの振動片実装電極を同時に含む大きさ以上で形成される。絶縁膜４は金属膜３と振動片実装電極５とが導通しないように金属膜３全体を覆う形である。図６ではシリコン基板４１の表面全体に絶縁膜４が形成されているが、必ずしも基板全体に絶縁膜４が必要なわけではなく、金属膜３と２つの振動片実装電極５とが導通しない状態が保持できれば、金属膜３の周辺だけでも良い。しかし、工程数を考えると、シリコン基板４１の表面全面に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００３９】
金属膜３上で、且つ、絶縁膜４上に振動片実装電極５が形成されるが、このときシリコン基板４１のシリコン貫通電極４７と振動片実装電極５とを接続する接続電極４６を同時に形成する。圧電振動片７は、図６に示すように、金等の金属からなるバンプ１４を利用して、振動片実装電極５の表面にバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７は、振動片実装電極５の表面からバンプ１４の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、振動片実装電極５、接続電極４６、シリコン貫通電極４７、圧電振動子接続用端子４３がそれぞれ電気的に接続された状態となっている。上記構成を総じて発振器４０とする。発振回路用電極端子４４、４５に電圧が印加されると、発振回路４１Ａは圧電振動子接続用端子４３を通して励振電流を圧電振動片７に印加し、共振信号を圧電振動片７から受けて発振を継続する。そして、振動を利用して制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【００４０】
また、実施例３の発振器４０をパッケージに実装した形態を図７に示す。パッケージベース基板５１はセラミックなどから板状に形成されている。パッケージベース基板５１の表面には発振回路用のボンディングパッド５２、５３が形成され、パッケージベース基板５１の裏面にはパッケージ外部電極５４、５５が形成されている。また、パッケージベース基板５１には、ボンディングパッド５２、５３とパッケージ外部電極５４、５５とをそれぞれ接続するための内部電極パターンも形成されている。シリコン基板４１の裏面の発振回路用電極端子４４、４５にバンプ５６、５７を設け、パッケージベース基板５１上のボンディングパッド５２、５３に発振器４０をフリップチップ実装する。これにより発振回路４１Ａに電圧が印加され、圧電振動片７に励振電流が流れて圧電振動片７が発振する。圧電振動片７から返ってきた励振電流は発振回路４１Ａで整流され、発振回路用電極端子４５、バンプ５７、ボンディングパッド５３、パッケージ外部電極５５を通してパッケージ外部に信号が出力される。
【００４１】
発振器４０が実装されたパッケージベース基板５１の表面には、窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中で凹型のリッド基板５８が接合され、パッケージのキャビティ５９内が気密封止される。
【００４２】
このように本実施例では、発振回路４１Ａが形成されたシリコン基板４１と圧電振動片７とが一体となる構成のため、従来の発振器パッケージのように発振回路が形成されたシリコン基板の実装空間と圧電振動子の実装空間とをそれぞれ設ける必要がなくなり、発振器パッケージの薄型化が図れ、低コスト化も実現することができる。また、ワイヤーボンディングのスペースが必要なくなり、より小型のパッケージを作ることができる。さらに、圧電振動片７とシリコン基板４１とが非常に近い距離にあるため、例えば温度補償型発振回路の場合、温度センサが圧電振動片７の温度をより正確に測定することができ、精密な温度補償をすることが可能となる。
【実施例４】
【００４３】
実施例４についても重複した内容は省略し、相違点について説明する。
【００４４】
実施例４は、図８に示すように、実施例３の発振器４０をパッケージに実装した形態である。凹型に形成されたリッド基板６１を発振器４０におけるシリコン基板４１の表面に圧電振動片７を囲む形で接合する。リッド基板６１は窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中でシリコン基板４１の表面に接合され、パッケージのキャビティ６２内が気密封止される。リッド基板６１には金属、半導体、あるいはガラスが用いられる。金属の場合はシリコン基板４１との接合にＡｕ−Ｓｎ接合などが用いられるが、半導体やガラスの場合はＡｕ−Ｓｎ接合の他に陽極接合で接合することもできる。
【００４５】
ここで陽極接合する効果について説明する。シリコン基板４１とリッド基板６１との接合に陽極接合を用いると、複数個アレイ状に発振回路が配置されたシリコン基板４１と複数の圧電振動片７とを同時に接合、気密封止することができる。一般に接合には非常に大きな圧力がシリコン基板４１に印加されるが、上記陽極接合のように複数個同時に接合することができると、接合時に１つ１つのシリコン基板４１、リッド基板６１に印加される圧力は小さくなり、接合面が小さくても割れや欠けを生じることはない。特に、これまでの実験結果よりシリコン基板４１とリッド基板６１の接合面６３の幅を５０μｍ以上にすれば接合することができ、キャビティ６２内の気密も保持できることが確認されている。また、実験によって陽極接合の接合面６３の幅を３００μｍ以上にしても、特性が気密性や耐久性に変化がなかった。そのため、本実施例のシリコン基板４１とリッド基板６１とが接合された接合面６３の幅は５０μｍ〜３００μｍが望ましい範囲であるといえる。
【００４６】
また接合面６３の幅が小さくなると、キャビティ６２の大きさを大きく取ることができ、しいては圧電振動片７の大きさを大きくすることができる。圧電振動片７の大きさが大きくなると、圧電振動片７の性能であるクリスタルインピーダンスが下がり、性能が向上する。さらに、陽極接合の場合、接合時に放出されるガスは少ないので、キャビティ６２内の気密は保たれ、圧電振動片７の特性経時変化は少なくなる。
【００４７】
本実施例による圧電振動子及び発振器の製造では、圧電振動子あるいは発振器を一度に複数製造することができるので、低コスト化を図ることができる。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施例１から実施例４に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施例１〜４では線膨張係数調整膜として金属膜３を採用した場合について説明しているが、これに限定されることはない。例えば、実施例１〜４における金属膜３に代えて、線膨張係数調整膜として、水晶からなる圧電振動片７と同じ材料である水晶板を採用することも可能である。この場合、線膨張係数調整膜としての水晶板は、当然のように水晶からなる圧電振動片７と同じ線膨張係数を有することになる。したがって、圧電振動片７の線膨張係数と、シリコン基板２、水晶板からなる線膨張係数調整膜および絶縁膜４の多層構造体の線膨張係数とを近づけることができ、上記実施例１〜４と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…圧電振動子
２、２１、４１…シリコン基板
２１Ａ、４１Ａ…発振回路
３…金属膜（線膨張係数調整膜）
４…絶縁膜
５、６…振動片実装電極
７…圧電振動片
８、９…引出し電極
１０、１１…励振電極
１２、１３…マウント電極
１４、１５…バンプ
２０、４０…発振器
２２、４２…保護膜
２３、２４、４６…接続電極
２５、２６、４３…圧電振動子接続用端子
２７、２８、２９、３０、４４、４５…発振回路用電極端子
３１、５１…パッケージベース基板
３２、５８、６１…リッド基板
３３、３４、５２、５３…ボンディングパッド
３５、３６…ワイヤ
３７、３８、５４、５５…パッケージ外部電極
３９、５９、６２…キャビティ
４７…シリコン貫通電極
５６、５７…バンプ
６３…接合面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面実装型（ＳＭＤ）の圧電振動子、特に大きさが３．２ｍｍ×２．５ｍｍ以下の小型パッケージ用の圧電振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や携帯情報端末機器には、時刻源、制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等として水晶等を利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子は、様々なものが知られているが、その１つとして、表面実装型の圧電振動子が知られている。この種の圧電振動子は、内部電極が形成されたベース基板上に圧電振動片が導電性接着剤で固定され、リッド基板で封止されたものが一般的に知られている。特に、近年はＬＳＩの貫通電極技術が開発され、ＬＳＩ上に受動部品を実装し、スタック構造にする実装形態が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、シリコン基板上に圧電振動片が固定された圧電振動子について簡単に説明する。即ち、図９に示すように、圧電振動子２００は、圧電振動片２０３と、シリコン基板２０１と、凹型に形成されてベース基板２０１の接合面２０８に接合されたリッド基板２０２とから構成されている。
【０００４】
圧電振動片２０３は、圧電材料である水晶から形成されたＡＴカット振動片であり、圧電振動片２０３を挟んで、該圧電振動片２０３を振動させるための励振電極２０５ａ、２０５ｂがパターニングされている。圧電振動片２０３は、シリコン基板２０１上に形成された内部電極２０７ａ上に励振電極２０５ａ、２０５ｂ、導電性接着剤２０４を介して接合される。
【０００５】
リッド基板２０２には凹部が形成され、シリコン基板２０１で封止することでキャビティ２０９が構成される。該圧電振動片２０３は前記キャビティ２０９内に収納される。
【０００６】
シリコン基板２０１の裏面には、外部電極２０６ａ、２０６ｂが形成されている。このうち一方の外部電極２０６ａが、貫通電極２１０ａ、内部電極２０７ａ、導電性接着剤２０４を介して圧電振動片２０３の一方の励振電極２０５ｂに電気的に接続されており、図示されていないが、他方の外部電極２０６ｂが、貫通電極（図示せず）、内部電極（図示せず）、導電性接着剤（図示せず）を介して圧電振動片２０３の他方の励振電極２０５ａに電気的に接続されている。
【０００７】
リッド基板２０２は、ガラス基板あるいは金属基板で構成され、シリコン基板２０１上の接合面２０８で陽極接合あるいはＡｕ−Ｓｎ溶接されて、キャビティ２０９を封止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１９３９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の圧電振動子２００には、以下の課題が残されている。
【００１０】
シリコン基板２０１は線膨張係数が約２．８ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、圧電振動片２０３としてのＡＴカット振動片の線膨張係数は、文献等により多少数値は異なるが、Ｘ軸方向１３．７×１０-6／℃、Ｙ軸方向９．６×１０-6／℃、Ｚ’軸方向１１．６×１０-6／℃である。このため、シリコン基板２０１上に圧電振動片２０３を実装した場合、シリコン基板２０１と圧電振動片２０３との線膨張係数差が大きく、圧電振動片２０３に大きな応力がかかってしまう。圧電振動片２０３に応力がかかると温度特性が大きく変化し、性能を悪くしてしまうという課題があった。
【００１１】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、特性を劣化させることなく、シリコン基板上に圧電振動片を実装した圧電振動子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【００１３】
本発明による圧電振動子は、シリコン基板と、前記シリコン基板の表面に形成された線膨張係数調整膜と、前記線膨張係数調整膜上に形成された一対の振動片実装電極と、前記一対の振動片実装電極に接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片と、を備え、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である。このとき、前記圧電振動片は、前記一対の振動片実装電極にバンプ接合されて保持されていることが好ましい。また、前記線膨張係数調整膜は金属膜であり、前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えていてもよい。例えば前記線膨張係数調整膜はＮｉあるいはＣｕからなる。また、前記線膨張係数調整膜は水晶板であり、前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えていてもよい。
【００１４】
本発明による発振器は、本発明の圧電振動子と、前記シリコン基板の表面に形成された発振回路と、を備えている。このとき、前記線膨張係数調整膜と前記シリコン基板との間に形成された保護膜をさらに備えていてもよい。また、本発明による発振器は、本発明の圧電振動子と、前記シリコン基板の裏面に形成された発振回路と、を備えている。このとき、前記振動片実装電極と前記発振回路とを接続するために前記シリコン基板を厚み方向に貫通するシリコン貫通電極をさらに備えていてもよい。
【００１５】
本発明による発振器パッケージは、本発明の発振器と、前記発振器が実装されるパッケージベース基板と、前記パッケージベース基板の表面に接合され、前記パッケージベース基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、を備えている。また、本発明による発振器パッケージは、本発明の発振器と、前記シリコン基板の表面に接合され、前記シリコン基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、を備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である線膨張係数調整膜がシリコン基板の表面に形成されているため、圧電振動片の線膨張係数と、シリコン基板及び線膨張係数調整膜からなる多層構造体の線膨張係数とを近づけることができる。そのため、環境温度変化によって生じる基板と圧電振動片との熱膨張差による応力が小さくなる、つまり、温度特性による特性の劣化が小さくなり、周波数のとびや周波数温度特性の理論カーブからのズレが抑えられるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施例１の圧電振動子を上方から見た図である。
【図２】実施例１の圧電振動子のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明に係る実施例２の発振器を上方から見た図である。
【図４】実施例２の発振器のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】実施例２の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施例３の発振器の断面図である。
【図７】実施例３の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る実施例４の発振器のパッケージ実装形態を示す断面図である。
【図９】従来の圧電振動子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る圧電振動子、発振器及び発振器パッケージの実施例１から実施例４について、図１から図８を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
圧電振動子１は、図１から図２に示すように、シリコン基板２上に金属膜（線膨張係数調整膜）３、絶縁膜４を介して圧電振動片７が実装された圧電振動子である。なお、図１は図面を見やすくするために絶縁膜４を省略している。
【００２０】
図１から図２を元に説明をする。圧電振動片７は、圧電材料である水晶から矩形状の薄板に形成されたＡＴカット型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動するものである。圧電振動片７の表裏面の中央部には、矩形状の励振電極１０、１１がそれぞれ対向する位置に形成されている。圧電振動片７の表面に形成された励振電極１０は、その一方の短辺（図１における左側の短辺）における一方の片側端部（図１における下方側端部）で引出し電極８に接続されている。引出し電極８は、圧電振動片７の表面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における一方の片側領域（図１における下方側領域）に形成され、励振電極１０に接続されている。また、この引出し電極８は、圧電振動片７の一方の短辺側の側面に形成された側面電極を介して、圧電振動片７の裏面に形成されたマウント電極１２に電気的に接続されている。マウント電極１２は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における一方の片側領域（図１における下方側領域）に形成されている。圧電振動片７の裏面に形成された励振電極１１は、その一方の短辺（図１における左側の短辺）における他方の片側端部（図１における上方側端部）で引出し電極９に接続されている。引出し電極９は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における他方の片側領域（図１における上方側領域）に形成され、励振電極１１に接続されている。また、この引出し電極９は、圧電振動片７の裏面に形成されたマウント電極１３に電気的に接続されている。マウント電極１３は、圧電振動片７の裏面において、一方の短辺側領域（図１における左側の短辺側領域）における他方の片側領域（図１における上方側領域）に形成されている。マウント電極１２、１３は、圧電振動片７の裏面において一方の短辺側領域における一方及び他方の片側領域にそれぞれ形成され、圧電振動片７をその一方の短辺側領域で２点保持するためのバンプ１４、１５へそれぞれ接続されている。バンプ１４、１５は、シリコン基板２上に後述する金属膜３及び絶縁膜４を介して設けられた振動片実装電極５、６にそれぞれ接続されている。
【００２１】
ここで、励振電極１０、１１、マウント電極１２、１３、引出し電極８、９、及び側面電極は、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の導電性膜の被膜、あるいは、これら導電性膜のいくつかを組み合わせた積層膜より形成されたものである。
【００２２】
シリコン基板２上には、圧電振動片７の線膨張係数とシリコン基板２の線膨張係数との差を小さくするための金属膜（線膨張係数調整膜）３が形成されている。金属膜３は、バンプ１４、１５が接続された振動片実装電極５、６の真下にあたる位置に配置されている。金属膜３は、平面視において２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさで形成されている。つまり、２つの振動片実装電極５、６は１つの金属膜３上に形成されている。なお、金属膜３は、２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさ以上で形成されていればよく、シリコン基板２の表面のほぼ全体に亘って形成されていてもよい。金属膜３上には、この金属膜３と振動片実装電極５、６が導通しないように金属膜３全体を覆う絶縁膜４が形成されている。図２ではシリコン基板２の表面全体に絶縁膜４が形成されているが、必ずしもシリコン基板２の表面全体に絶縁膜４が必要なわけではない。金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しない状態を保持できれば、絶縁膜４を金属膜３の周辺だけに形成してもよい。しかし、工程数を考えると、シリコン基板２の表面全体に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００２３】
圧電振動片７は、図１及び図２に示すように、金等の金属からなるバンプ１４、１５を介して、振動片実装電極５、６の表面にバンプ接合されている。より具体的には、振動片実装電極５、６上に形成された２つのバンプ１４、１５上に、一対のマウント電極１２、１３がそれぞれ接触した状態で、圧電振動片７がバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７は、振動片実装電極５、６の表面からバンプ１４、１５の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、１３と振動片実装電極５、６とがそれぞれ電気的に接続された状態となっている。以上のような構成を総じて圧電振動子１と呼ぶ。
【００２４】
次に金属膜３の線膨張係数及びヤング率について説明する。本実施例では、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上となっている。これは本実施例の圧電振動片７に用いられるＡＴカット振動片の線膨張係数とベース基板であるシリコン基板２の線膨張係数との差を吸収するために必要な特性値である。ＡＴカット振動片の線膨張係数は、文献等により多少数値は異なるが、Ｘ軸方向１３．７×１０-6／℃、Ｙ軸方向９．６×１０-6／℃、Ｚ’軸方向１１．６×１０-6／℃である。一方、シリコンの線膨張係数は約２．８×１０-6／℃である。このため、シリコン基板２に直接圧電振動片７をバンプ接合してしまうと、線膨張係数の差が大きいために圧電振動片７に大きな応力が印加されてしまう。圧電振動片７に応力が印加されると、周波数が大きく変化してしまうという不具合がある。なお、これを回避する方法として、圧電振動片７をバンプ接合する基板を、圧電振動片７と同じような材料にする方法や、圧電振動片７と基板とを導電性接着剤のような軟らかい物質で接合する方法が考えられる。しかし後述する発振器などの場合、上述した基板を圧電振動片７と同じような材料にする方法を採用することは難しい。回路などを形成した基板には大半がシリコンを用いており、圧電振動片７と同じような線膨張係数を持つ半導体材料はあまりない。また圧電振動片７と基板との接合に導電性接着剤を用いた場合、接合面積が非常に小さいため、導電性接着剤の塗布が非常に困難である。さらに接着剤は経時的にガスを放出するため、振動子の信頼性を損なう恐れがある。このため、本実施例では、圧電振動片７をシリコン基板２上にバンプ接合することとし、圧電振動片７をシリコン基板２に実装するための振動片実装電極５、６の下に金属膜３を配置してシリコン基板２と圧電振動片７の線膨張係数の差を調整する。
【００２５】
ここで２種類の材料が貼り合わさったときの線膨張係数について計算する。２つの材料が貼り合わさることにより材料の長さがΔＬ変化したときの力の関係式（１）は、
【数１】
で与えられる。Ｆは材料にかかる力、Ｅは材料のヤング率、Ｌは材料単体での長さ、ΔＬは材料が貼り合わさったときの材料の長さの変化量である。また、材料の線膨張係数をαとしたときのある温度での材料の長さＬtは
【数２】
Δｔは温度の変化量、となる。よって材料Ａと材料Ｂとが貼り合わさり、温度がΔｔ変化したときの貼り合わせた材料の長さがＬxになったとすると、
【数３】
【数４】
材料Ａと材料Ｂが貼り合わさって力がつりあうのだから、
【数５】
式（３）、式（４）、式（５）より、材料Ａの断面積をＳA、材料Ｂの断面積をＳBとして材料の長さＬxを求めると、
【数６】
となる。式（６）より２つの材料が貼り合わさったときの線膨張係数は
【数７】
となる。
【００２６】
この式（７）にシリコン基板２の線膨張率、ヤング率をあてはめ、さらに金属膜３の膜厚をメッキなどで一般的に使われる５μｍ、シリコン基板２の厚みを５０μｍ、目標とする線膨張係数を水晶振動片のＺ’軸方向の線膨張係数の１／３にあたる３．８×１０-6／℃として金属膜３の線膨張係数、ヤング率を求めると、金属膜３の線膨張係数は１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上の値を満たすとき、線膨張係数３．８×１０-6／℃を満足する。ここでシリコン基板２の線膨張係数は２．８×１０-6／℃、ヤング率は１３０ＧＰａである。上記数値を満たす一般的な金属として、ＮｉやＣｕが挙げられる。
【００２７】
以上より、シリコン基板２上に形成した金属膜３の特性値は、線膨張係数は１３×１０-6／℃以上で、且つ、線膨張係数とヤング率の積が１．９５ＭＰａ／℃以上の条件を満たす材料であることがわかる。また、その条件を満たす一般的な金属材料はＮｉとＣｕである。本実施例では、金属膜３の厚みを５μｍ、シリコン基板２の厚みを５０μｍとしたが、仮に金属膜３の厚みを５μｍ以上にした場合や、シリコン基板２の厚みを５０μｍ以下にした場合であれば、金属膜３の線膨張係数やヤング率の限定範囲は広がる。しかし実施可能な条件を考えると、金属膜３の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上で、且つ、金属膜３の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上を満たすことが妥当だろう。なお、金属膜３については、その線膨張係数が３０×１０-6／℃以下、その線膨張係数とヤング率との積が２．５ＭＰａ／℃以下であることが好ましい。
【００２８】
上述したような線膨張係数調整膜としての金属膜３が形成されていることにより、圧電振動片７の線膨張係数と、シリコン基板２、金属膜３および絶縁膜４の多層構造体の線膨張係数とを近づけることができる。そのため、環境温度変化によって生じるシリコン基板２と圧電振動片７との熱膨張差による応力が小さくなる、つまり、温度特性による特性の劣化が小さくなり、周波数のとびや周波数温度特性の理論カーブからのズレが抑えられるという効果がある。
【００２９】
また、本実施例では圧電振動片７のバンプ接合を採用しているため、従来の小型化に伴い生じる課題を解決することができる。詳しく説明すると、圧電振動子の小型化が進んでいくと、圧電振動片７のマウント電極１２、１３が小さくなり、一般に用いられる導電性接着剤の接着領域も小さくする必要がある。ところが、導電性接着剤は流動性があり一定の領域に留められず、全体に広がってしまう。そのため接着領域（＝マウント電極１２、１３の大きさ）を小さくすることは困難を伴う。一方、接着領域を確保するためにマウント電極１２、１３のサイズを大きくする方法も考えられるが、励振電極１０、１１が小さくなってしまい、圧電振動片７の振動する部分の領域が小さくなって特性を劣化させてしまう。これに対し、本実施例ではバンプ接合を採用することにより、接合領域の面積を非常に小さくできる。圧電振動片７の励振領域を大きくとることが可能となり、インピーダンス特性の向上や圧電振動片７の設計容易さを得ることができる。バンプ接合は金属の超音波接合のため、接合領域の面積を非常に小さくできるのにも関わらず、圧電振動片７とシリコン基板２とが強固に接合され、耐衝撃性に非常に強いという効果がある。このように強固に接着してしまうが故に、シリコン基板２１の線膨張係数と圧電振動片７の線膨張係数との差に起因する大きな応力が圧電振動片７にかかるおそれがあるが、上述した金属膜３の存在により、この課題は解決できる。
【００３０】
また、導電性接着剤は凝固するまでに時間がかかるので、組立製造中、圧電振動片７を保持している、あるいは、導電性接着剤が凝固する時、圧電振動片７の自重でシリコン基板２に平行になるようにあらかじめ圧電振動片７を斜めに傾けて接着する方法を取らなければならなかった。しかしながら、本実施例のようにバンプ接合を採用することにより、このような手間のかかる接着方法は必要がなくなる。また、圧電振動片７はバンプ接合によってシリコン基板２から浮いた状態で支持されているので、振動に必要に最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。よって、シリコン基板２の厚みをできるだけ薄くすることができる。この点において、実施例１は圧電振動子１の薄型化を図ることができる。さらに、バンプボールでは長期使用時もアウトガスの発生がないため、圧電振動子１の安定した特性を長期に渡り維持することができるという効果がある。さらに、バンプボールは熱環境によって経時変化することはないので、圧電振動子１の安定した特性を長期に渡り維持することができる。
【実施例２】
【００３１】
実施例２の構成と効果は実施例１で書かれているものとほぼ同様であるが、実施例２は発振器に関する実施例であり、シリコン基板２上に発振回路が形成されていることが大きな相違点である。よって実施例１と同様の構成の説明は省略し、相違点について説明する。
【００３２】
上記実施例１の圧電振動子１を利用した発振器２０を図３、図４に示す。シリコン基板２１の表面には、発振回路２１Ａが形成されるとともに、圧電振動子接続用端子２５、２６と発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０とが形成されている。また、シリコン基板２１の表面には、圧電振動子接続用端子２５、２６及び発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０の部分は開口した形で、酸化膜やチッ化膜で構成される保護膜２２が形成されている。保護膜２２上に金属膜３が形成され、金属膜３を覆う形で絶縁膜４が形成されている。金属膜３は振動片実装電極５、６の真下にあたる位置に配置され、大きさは２つの振動片実装電極５、６を同時に含む大きさ以上で形成される。絶縁膜４は、金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しないように金属膜３全体を覆う形である。図３、図４では金属膜３の周囲だけに絶縁膜４が形成されているが、必ずしもこの構造にこだわることはなく、金属膜３と振動片実装電極５、６とが導通しない状態が保持できれば、基板全体に絶縁膜４を形成し、圧電振動子接続用端子２５、２６及び発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０の部分だけ開口した形でも良い。プロセス方法にもよるが、シリコン基板２１全面に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００３３】
金属膜３上で、且つ、絶縁膜４上に振動片実装電極５、６を形成するときに、シリコン基板２１上の圧電振動子接続用端子２５、２６と振動片実装電極５、６とを接続する接続電極２３、２４を同時に形成する。圧電振動片７は、図３及び図４に示すように、金等の金属からなるバンプ１４、１５を利用して、振動片実装電極５、６上にバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７が振動片実装電極５、６の表面からバンプ１４、１５の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、１３、振動片実装電極５、６、接続電極２３、２４、圧電振動子接続用端子２５、２６がそれぞれ電気的に接続された状態となっている。発振回路用電極端子に電圧が印加されると、発振回路２１Ａは、圧電振動子接続用端子２５を通して励振電流を圧電振動片７に印加し、共振信号を圧電振動子接続用端子２６から受けて発振を継続する。そして、振動を利用して制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【００３４】
また、実施例２の発振器２０を用いてパッケージに実装した形態を図５に示す。パッケージベース基板３１は、セラミックなどから凹型に形成されている。パッケージベース基板３１の凹部の底面に、実施例２で示した発振器２０を実装する。パッケージベース基板３１の表面において凹部以外の領域にはボンディングパッド３３、３４が形成され、パッケージベース基板３１の裏面にはパッケージ外部電極３７、３８が形成されている。また、パッケージベース基板３１には、ボンディングパッド３３、３４とパッケージ外部電極３７、３８とをそれぞれ接続するための内部電極パターンも形成されている。その後、パッケージベース基板３１上に設けられたボンディングパッド３３、３４とシリコン基板２１上の発振回路用電極端子２７、２８、２９、３０とをワイヤ３５、３６でボンディングする（発振回路用電極端子２８、３０は図示されていない）。これにより発振回路２１Ａに電圧が印加され、圧電振動片７に励振電流が流れて圧電振動片７が発振する。圧電振動片７から返ってきた励振電流は発振回路２１Ａで整流され、発振回路用電極端子２７、２９、ワイヤ３５、３６、ボンディングパッド３３、３４、パッケージ外部電極３７、３８を通してパッケージ外部に信号が出力される。
【００３５】
発振器２０が実装されたパッケージベース基板３１の表面には、窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中で凹型のリッド基板３２が接合され、パッケージのキャビティ３９内が気密封止される。
【００３６】
このように本実施例では、発振回路２１Ａが形成されたシリコン基板２１と圧電振動７とが一体となる構成のため、従来の発振器パッケージのように発振回路２１Ａが形成されたシリコン基板２１の実装空間と圧電振動片７の実装空間とをそれぞれ設ける必要がなくなり、発振器パッケージの薄型化が図れ、低コスト化も実現することができる。さらに、圧電振動片７とシリコン基板２１とが非常に近い距離にあるため、例えば温度補償型発振回路の場合、温度センサが圧電振動片７の温度をより正確に測定することができ、精密な温度補償をすることが可能となる。
【実施例３】
【００３７】
実施例３の構成と効果は実施例１、実施例２で書かれているものとほぼ同様であるが、実施例３は発振回路がシリコン基板の裏面に形成されるとともにシリコン基板の表面に圧電振動片子７が実装されていることが大きな相違点である。よって実施例１、実施例２と同様の構成の説明は省略し、相違点について説明する。図６は断面図のため、圧電振動子接続用端子や発振回路用電極端子は一部しか図示していないが、実際の形態では実施例２同様の構造である。
【００３８】
図６に示す発振器４０では、シリコン基板４１の裏面に、発振回路４１Ａが形成されるとともに、圧電振動子接続用端子４３と発振回路用電極端子４４、４５とが形成されている。シリコン基板４１の裏面には、発振回路用電極端子４４、４５の部分は開口した形で酸化膜やチッ化膜で構成された保護膜４２が形成されている。圧電振動子接続用端子４３が形成された部分のシリコン基板４１にはシリコン貫通電極４７が形成され、圧電振動子接続用端子４３とシリコン貫通電極４７とがそれぞれ電気的に接続され、かつ、シリコン基板４１の表面に形成された接続電極４６とシリコン貫通電極４７とがそれぞれ電気的に接続されている。シリコン基板４１の表面には金属膜３が形成される。金属膜３は振動片実装電極５の真下にあたる位置に配置され、大きさは２つの振動片実装電極を同時に含む大きさ以上で形成される。絶縁膜４は金属膜３と振動片実装電極５とが導通しないように金属膜３全体を覆う形である。図６ではシリコン基板４１の表面全体に絶縁膜４が形成されているが、必ずしも基板全体に絶縁膜４が必要なわけではなく、金属膜３と２つの振動片実装電極５とが導通しない状態が保持できれば、金属膜３の周辺だけでも良い。しかし、工程数を考えると、シリコン基板４１の表面全面に絶縁膜４を形成した方が工数は少なくなる。
【００３９】
金属膜３上で、且つ、絶縁膜４上に振動片実装電極５が形成されるが、このときシリコン基板４１のシリコン貫通電極４７と振動片実装電極５とを接続する接続電極４６を同時に形成する。圧電振動片７は、図６に示すように、金等の金属からなるバンプ１４を利用して、振動片実装電極５の表面にバンプ接合されている。これにより、圧電振動片７は、振動片実装電極５の表面からバンプ１４の厚さ分だけ浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１２、振動片実装電極５、接続電極４６、シリコン貫通電極４７、圧電振動子接続用端子４３がそれぞれ電気的に接続された状態となっている。上記構成を総じて発振器４０とする。発振回路用電極端子４４、４５に電圧が印加されると、発振回路４１Ａは圧電振動子接続用端子４３を通して励振電流を圧電振動片７に印加し、共振信号を圧電振動片７から受けて発振を継続する。そして、振動を利用して制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【００４０】
また、実施例３の発振器４０をパッケージに実装した形態を図７に示す。パッケージベース基板５１はセラミックなどから板状に形成されている。パッケージベース基板５１の表面には発振回路用のボンディングパッド５２、５３が形成され、パッケージベース基板５１の裏面にはパッケージ外部電極５４、５５が形成されている。また、パッケージベース基板５１には、ボンディングパッド５２、５３とパッケージ外部電極５４、５５とをそれぞれ接続するための内部電極パターンも形成されている。シリコン基板４１の裏面の発振回路用電極端子４４、４５にバンプ５６、５７を設け、パッケージベース基板５１上のボンディングパッド５２、５３に発振器４０をフリップチップ実装する。これにより発振回路４１Ａに電圧が印加され、圧電振動片７に励振電流が流れて圧電振動片７が発振する。圧電振動片７から返ってきた励振電流は発振回路４１Ａで整流され、発振回路用電極端子４５、バンプ５７、ボンディングパッド５３、パッケージ外部電極５５を通してパッケージ外部に信号が出力される。
【００４１】
発振器４０が実装されたパッケージベース基板５１の表面には、窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中で凹型のリッド基板５８が接合され、パッケージのキャビティ５９内が気密封止される。
【００４２】
このように本実施例では、発振回路４１Ａが形成されたシリコン基板４１と圧電振動片７とが一体となる構成のため、従来の発振器パッケージのように発振回路が形成されたシリコン基板の実装空間と圧電振動子の実装空間とをそれぞれ設ける必要がなくなり、発振器パッケージの薄型化が図れ、低コスト化も実現することができる。また、ワイヤーボンディングのスペースが必要なくなり、より小型のパッケージを作ることができる。さらに、圧電振動片７とシリコン基板４１とが非常に近い距離にあるため、例えば温度補償型発振回路の場合、温度センサが圧電振動片７の温度をより正確に測定することができ、精密な温度補償をすることが可能となる。
【実施例４】
【００４３】
実施例４についても重複した内容は省略し、相違点について説明する。
【００４４】
実施例４は、図８に示すように、実施例３の発振器４０をパッケージに実装した形態である。凹型に形成されたリッド基板６１を発振器４０におけるシリコン基板４１の表面に圧電振動片７を囲む形で接合する。リッド基板６１は窒素雰囲気、あるいは真空雰囲気中でシリコン基板４１の表面に接合され、パッケージのキャビティ６２内が気密封止される。リッド基板６１には金属、半導体、あるいはガラスが用いられる。金属の場合はシリコン基板４１との接合にＡｕ−Ｓｎ接合などが用いられるが、半導体やガラスの場合はＡｕ−Ｓｎ接合の他に陽極接合で接合することもできる。
【００４５】
ここで陽極接合する効果について説明する。シリコン基板４１とリッド基板６１との接合に陽極接合を用いると、複数個アレイ状に発振回路が配置されたシリコン基板４１と複数の圧電振動片７とを同時に接合、気密封止することができる。一般に接合には非常に大きな圧力がシリコン基板４１に印加されるが、上記陽極接合のように複数個同時に接合することができると、接合時に１つ１つのシリコン基板４１、リッド基板６１に印加される圧力は小さくなり、接合面が小さくても割れや欠けを生じることはない。特に、これまでの実験結果よりシリコン基板４１とリッド基板６１の接合面６３の幅を５０μｍ以上にすれば接合することができ、キャビティ６２内の気密も保持できることが確認されている。また、実験によって陽極接合の接合面６３の幅を３００μｍ以上にしても、特性が気密性や耐久性に変化がなかった。そのため、本実施例のシリコン基板４１とリッド基板６１とが接合された接合面６３の幅は５０μｍ〜３００μｍが望ましい範囲であるといえる。
【００４６】
また接合面６３の幅が小さくなると、キャビティ６２の大きさを大きく取ることができ、しいては圧電振動片７の大きさを大きくすることができる。圧電振動片７の大きさが大きくなると、圧電振動片７の性能であるクリスタルインピーダンスが下がり、性能が向上する。さらに、陽極接合の場合、接合時に放出されるガスは少ないので、キャビティ６２内の気密は保たれ、圧電振動片７の特性経時変化は少なくなる。
【００４７】
本実施例による圧電振動子及び発振器の製造では、圧電振動子あるいは発振器を一度に複数製造することができるので、低コスト化を図ることができる。
【００４８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施例１から実施例４に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施例１〜４では線膨張係数調整膜として金属膜３を採用した場合について説明しているが、これに限定されることはない。例えば、実施例１〜４における金属膜３に代えて、線膨張係数調整膜として、水晶からなる圧電振動片７と同じ材料である水晶板を採用することも可能である。この場合、線膨張係数調整膜としての水晶板は、当然のように水晶からなる圧電振動片７と同じ線膨張係数を有することになる。したがって、圧電振動片７の線膨張係数と、シリコン基板２、水晶板からなる線膨張係数調整膜および絶縁膜４の多層構造体の線膨張係数とを近づけることができ、上記実施例１〜４と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…圧電振動子
２、２１、４１…シリコン基板
２１Ａ、４１Ａ…発振回路
３…金属膜（線膨張係数調整膜）
４…絶縁膜
５、６…振動片実装電極
７…圧電振動片
８、９…引出し電極
１０、１１…励振電極
１２、１３…マウント電極
１４、１５…バンプ
２０、４０…発振器
２２、４２…保護膜
２３、２４、４６…接続電極
２５、２６、４３…圧電振動子接続用端子
２７、２８、２９、３０、４４、４５…発振回路用電極端子
３１、５１…パッケージベース基板
３２、５８、６１…リッド基板
３３、３４、５２、５３…ボンディングパッド
３５、３６…ワイヤ
３７、３８、５４、５５…パッケージ外部電極
３９、５９、６２…キャビティ
４７…シリコン貫通電極
５６、５７…バンプ
６３…接合面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板の表面に形成された線膨張係数調整膜と、
前記線膨張係数調整膜上に形成された一対の振動片実装電極と、
前記一対の振動片実装電極に接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片と、
を備え、
前記線膨張係数調整膜の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である圧電振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片は、前記一対の振動片実装電極にバンプ接合されて保持されている圧電振動子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜は金属膜であり、
前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えている圧電振動子。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜はＮｉあるいはＣｕからなる圧電振動子。
【請求項５】
請求項１または２に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜は水晶板であり、
前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えている圧電振動子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動子と、
前記シリコン基板の表面に形成された発振回路と、
を備えている発振器。
【請求項７】
請求項６に記載の発振器において、
前記線膨張係数調整膜と前記シリコン基板との間に形成された保護膜をさらに備えている発振器。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動子と、
前記シリコン基板の裏面に形成された発振回路と、
を備えている発振器。
【請求項９】
請求項８に記載の発振器において、
前記振動片実装電極と前記発振回路とを接続するために前記シリコン基板を厚み方向に貫通するシリコン貫通電極をさらに備えている発振器。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の発振器と、
前記発振器が実装されるパッケージベース基板と、
前記パッケージベース基板の表面に接合され、前記パッケージベース基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、
を備えている発振器パッケージ。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の発振器と、
前記シリコン基板の表面に接合され、前記シリコン基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、
を備えている発振器パッケージ。
【請求項１】
シリコン基板と、
前記シリコン基板の表面に形成された線膨張係数調整膜と、
前記線膨張係数調整膜上に形成された一対の振動片実装電極と、
前記一対の振動片実装電極に接合されて保持されたＡＴカット型の圧電振動片と、
を備え、
前記線膨張係数調整膜の線膨張係数が１３×１０-6／℃以上であり、且つ、前記線膨張係数調整膜の線膨張係数とヤング率との積が１．９５ＭＰａ／℃以上である圧電振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片は、前記一対の振動片実装電極にバンプ接合されて保持されている圧電振動子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜は金属膜であり、
前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えている圧電振動子。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜はＮｉあるいはＣｕからなる圧電振動子。
【請求項５】
請求項１または２に記載の圧電振動子において、
前記線膨張係数調整膜は水晶板であり、
前記線膨張係数調整膜と前記振動片実装電極との間に形成された絶縁膜をさらに備えている圧電振動子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動子と、
前記シリコン基板の表面に形成された発振回路と、
を備えている発振器。
【請求項７】
請求項６に記載の発振器において、
前記線膨張係数調整膜と前記シリコン基板との間に形成された保護膜をさらに備えている発振器。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動子と、
前記シリコン基板の裏面に形成された発振回路と、
を備えている発振器。
【請求項９】
請求項８に記載の発振器において、
前記振動片実装電極と前記発振回路とを接続するために前記シリコン基板を厚み方向に貫通するシリコン貫通電極をさらに備えている発振器。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の発振器と、
前記発振器が実装されるパッケージベース基板と、
前記パッケージベース基板の表面に接合され、前記パッケージベース基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、
を備えている発振器パッケージ。
【請求項１１】
請求項８または９に記載の発振器と、
前記シリコン基板の表面に接合され、前記シリコン基板との間に前記圧電振動片を収容するためのキャビティを形成するリッド基板と、
を備えている発振器パッケージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−９７５５３（Ｐ２０１１−９７５５３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４９８８３（Ｐ２０１０−４９８８３）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]