(57)【要約】【課題】圧電デバイスのパッケージを十分な接合強度で気密に封止する。【解決手段】Ａｕからなる平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粉末と有機溶剤とセルロース系樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を、水晶振動片５を一体に形成した中間水晶板２の外枠６上下面の導電金属薄膜９，１０に塗布し、比較的低温で加熱し、１次焼結処理を行う。これによりヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造の１次焼結体２４を形成した後、中間水晶板の上下に上側及び下側基板３、４を重ね合わせ、それら基板の金属薄膜１４，１５，１７と外枠上下面の１次焼結体とを接触させて加熱加圧し、２次焼結処理を行う。これにより１次焼結体の金属粒子を緻密に再結晶化させて接合膜２５〜２７を形成し、パッケージを気密に接合封止する。【選択図】図１
2008271491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動片と、複数の構成部品からなるパッケージとを備え、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を用いて前記構成部品を接合し、前記パッケージ内に前記水晶振動片を気密に封止したことを特徴とする水晶デバイス。
【請求項２】
前記金属ペースト封止剤の前記金属粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項３】
前記複数の構成部品が、前記水晶振動片と外枠とを一体に結合した中間水晶板と、前記金属ペースト封止材により前記中間水晶板の上下各面にそれぞれ接合された上側基板及び下側基板とからなり、前記上側基板が前記水晶振動片を駆動するための集積回路を形成したシリコン材料からなりかつその下面に前記集積回路に接続された端子を有し、前記中間水晶板が前記外枠上面に前記上側基板の前記端子に対応する位置に設けた端子を有し、前記上側基板の前記端子と前記中間水晶板の前記端子とが導電接続材料により直接接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶デバイス。
【請求項４】
前記複数の構成部品が、上部を開放した箱形をなしかつその内部に前記水晶振動片を実装したベースと、前記金属ペースト封止材により前記ベースの上端面に気密に接合されたリッドとからなり、前記リッドが前記水晶振動片を駆動するための集積回路を形成したシリコン材料からなりかつその下面に前記集積回路に接続された端子を有し、前記ベースがその前記上端面に前記リッドの前記端子に対応する位置に設けた端子を有し、前記リッドの前記端子と前記ベースの前記端子とが導電接続材料により直接接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶デバイス。
【請求項５】
水晶振動片と外枠とを一体に結合した中間水晶板の上下各面に上側基板及び下側基板をそれぞれ接合し、それらの間に画定されるキャビティ内に前記水晶振動片を気密に封止するために、
前記中間水晶板が前記外枠の上面及び下面に金属薄膜を有し、かつ前記上側基板及び前記下側基板がそれぞれ前記外枠との接合面に金属薄膜を有し、
前記外枠上面の前記金属薄膜又は前記上側基板の前記金属薄膜の少なくとも一方に請求項１又は２に記載の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する第１の１次焼結処理工程と、
前記外枠下面の前記金属薄膜又は前記下側基板の前記金属薄膜の少なくとも一方に前記金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する第２の１次焼結処理工程と、
前記中間水晶板と前記上側基板とを、それらの前記１次焼結体を形成した一方の前記金属薄膜と他方の前記金属薄膜とを接触させて重ね合わせ、前記１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、前記外枠において気密に接合する第１の２次焼結処理工程と、
前記中間水晶板と前記下側基板とを、それらの前記１次焼結体を形成した一方の前記金属薄膜と他方の前記金属薄膜とを接触させて重ね合わせ、前記１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、前記外枠において気密に接合する第２の２次焼結処理工程とを含むことを特徴とする水晶デバイスの封止方法。
【請求項６】
上部を開放した箱形をなしかつその内部に水晶振動片を実装したベースの上端面にリッドを接合して気密に封止するために、
前記ベースがその前記上端面に金属面を有し、かつ前記リッドが前記上端面との接合面に金属面を有し、
前記ベース上端面の前記金属面又は前記リッドの前記金属面の少なくとも一方に請求項１又は２に記載の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する１次焼結処理工程と、
前記ベースの上に前記リッドを、それらの前記１次焼結体を形成した一方の前記金属面と他方の前記金属面とを接触させて重ね合わせ、前記１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、気密に接合する２次焼結処理工程とを含むことを特徴とする水晶デバイスの封止方法。
【請求項７】
前記上側基板及び前記下側基板が水晶からなることを特徴とする請求項５に記載の水晶デバイスの封止方法。
【請求項８】
前記上側基板がシリコン材料からなりかつ前記水晶振動片を駆動するための集積回路と前記集積回路に接続された端子とを備え、前記中間水晶板が前記外枠上面に前記上側基板の前記端子に接続される端子を有し、前記第１の２次焼結処理工程において前記中間水晶板と前記上側基板とを重ね合わせる際に、前記上側基板の前記端子と前記中間水晶板の前記端子とを導電接続材料により直接接続することを特徴とする請求項５に記載の水晶デバイスの封止方法。
【請求項９】
前記リッドがガラス板からなり、かつその一方の面に金属膜を形成することにより前記金属面を設けたことを特徴とする請求項６に記載の水晶デバイスの封止方法。
【請求項１０】
前記リッドが金属板からなり、かつその一方の面に前記金属面を有することを特徴とする請求項６に記載の水晶デバイスの封止方法。
【請求項１１】
前記リッドがシリコン材料からなりかつ前記水晶振動片を駆動するための集積回路と前記集積回路に接続された端子とを備え、前記ベースがその前記上端面に前記リッドの前記端子に接続される端子を有し、前記２次焼結処理工程において前記ベースの上に前記リッドを重ね合わせる際に、前記リッドの前記端子と前記ベースの前記端子とを導電接続材料により直接接続することを特徴とする請求項６に記載の水晶デバイスの封止方法。
【請求項１２】
前記２次焼結処理工程において加圧すると同時に加熱することを特徴とする請求項５乃至１１のいずれかに記載の水晶デバイスの封止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子、共振子、発振器、フィルタ、センサ等の水晶デバイスにおいて、例えば音叉型又は厚みすべり振動モードの水晶振動片をパッケージに気密に封止するための金属ペースト封止材、及び該金属ペースト封止材を用いて封止した水晶デバイス並びにその封止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電デバイスは、より一層の小型化・薄型化が要求されると共に、回路基板等への実装に適した表面実装型が多く使用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミック等の絶縁材料からなるパッケージ内に圧電振動片を封止する構造が採用されている。この従来構造のパッケージは、セラミック材料の薄板を積層した箱型ベースのキャビティ内に圧電振動片を実装し、該ベースにリッドを気密に接合して封止する。
【０００３】
ベースとリッドとの接合は、リッドが金属製の場合、ベースの上端面に金属シールリングを配置してシーム溶接する方法（例えば、特許文献１）や、金属膜を被覆したベースの上端面に金属ろう材を配置して加熱溶融させる方法（例えば、特許文献２を参照）が知られている。リッドがセラミック又はガラス材料の場合には、ベースとリッド間に配置した低融点ガラス又は樹脂を加熱溶融させる方法（例えば、特許文献３を参照）や、リッドの下面にメタライズ層を形成しかつ共晶はんだを溶融させてセラミックケースに接合する方法（例えば、特許文献４を参照）、リッドの接合部に形成した共晶用金属膜層を加熱溶融させる方法（例えば、特許文献５を参照）が知られている。
【０００４】
ところが、低融点ガラスから発生するガスやシーム溶接の高熱は、水晶振動片の周波数特性を低下させたり劣化させる虞がある。また、低融点ガラスは鉛を含む場合が多く、環境に影響を及ぼす虞がある点において好ましくない場合がある。そこで、水晶振動片と外枠とを一体化した水晶板を形成し、その上下にそれぞれベース及び蓋として基板を接合することにより小型化及び薄型化した構造の水晶振動子が提案されている。
【０００５】
かかる構造を気密封止するために、例えば水晶振動子と一体をなす外枠の上下面に設けた金属層とガラスからなる蓋及びケースとを陽極接合した方法が知られている（例えば、特許文献６を参照）。また、圧電板及び基板の鏡面研磨した相互接合面を紫外線照射又は酸素プラズマにより清浄化し、水分の吸着による−ＯＨ基の水素結合で接合する方法が知られている（例えば、特許文献７を参照）。また、圧電基板のＡｕ膜を形成した接合表面と保護基板のＡｇ膜を形成した接合表面とを、プラズマ処理後に重ね合わせかつ加圧加熱して拡散接合する方法が知られている（例えば、特許文献８を参照）。
【０００６】
更に、ＩＤＴを形成した圧電基板の主面に形成した金属膜とベース基板の主面に形成した金属膜とを、イオンビームやプラズマ照射による表面活性化後に加圧して直接接合する弾性表面波デバイスが知られている（例えば、特許文献９を参照）。
【０００７】
最近は、圧電振動子等の電子部品を収容する容器において、平均粒径１〜１００ｎｍの金属微粒子とアミン等の分散材とからなるペースト状の封止部材を、セラミック材料で形成された箱型の容器部と金属製のフタとの接合部に用いて気密封止する方法が提案されている（例えば、特許文献１０，１１を参照）。特許文献１０記載の方法は、封止部材をスクリーン印刷又はインクジェット法により容器部又はフタに塗布し、両者を合わせて２５０℃以下の雰囲気で加熱することにより接合する。特許文献１１記載の方法は、ペースト状の封止部材をシート状にし、これをフタとして容器部に接合することにより気密に封止する。
【０００８】
また、水晶振動板と上板及び下板とを、表面に有機系被膜を被覆した平均粒径１〜１００ｎｍの金属微粒子を有機溶媒中に分散させた金属微粒子ペースト接合材により接合した水晶振動子等の圧電デバイスが知られている（例えば、特許文献１２を参照）。ペースト接合材は、約２００℃での加熱により有機系被膜を溶融させて金属微粒子同士を相互融着即ち焼結させる、金属微粒子間及び金属膜間での金属間結合により、圧電デバイスを気密に封止する。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２２３６０６号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７６６１号公報
【特許文献３】特開２００１−２４４７７２号公報
【特許文献４】特開平９−３６６９０号公報
【特許文献５】特開昭５４−７８６９４号公報
【特許文献６】特開２０００−６８７８０号公報
【特許文献７】特開平７−１５４１７７号公報
【特許文献８】国際公開番号ＷＯ００／７６０６６号パンフレット
【特許文献９】特開昭５４−７８６９４号公報
【特許文献１０】特開２００５−３１７７９３号公報
【特許文献１１】特開２００５−３１７７９４号公報
【特許文献１２】特開２００６−１８６７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した金属微粒子からなるペースト状の封止部材又は接合材は、金属微粒子に平均粒径１００ｎｍ以下のナノ粒子を用いているので、それらの凝集を防止するために、比較的多量の有機溶剤が分散剤として必要である。そのため、封止時に有機溶剤からガスが発生してパッケージ内部に残留したり、封止後に接合部に残留した有機溶剤から経時的にガスが発生して、圧電振動片の品質や周波数特性を劣化させる虞が生じる。また、一般に有機溶剤は取り扱いが困難であり、有機溶剤を多量に含む封止部材は大量生産に適しておらず、また保管、運搬上の取り扱いにも注意を要するという問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合時及び封止後に有機溶剤からガスが発生して圧電振動片に悪影響を与える虞が無く、かつ十分な接合強度及び高い信頼性をもってパッケージを気密に封止できる圧電デバイスの封止方法を提供することにある。
【００１２】
更に本発明の目的は、かかる圧電デバイスの封止方法に使用され、かつ取り扱いが比較的容易で大量生産に適した金属ペースト封止材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、上記目的を達成するために、水晶振動片と、複数の構成部品からなるパッケージとを備え、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなる平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を用いて前記構成部品を接合し、パッケージ内に水晶振動片を気密に封止した水晶デバイスが提供される。
【００１４】
本発明の水晶デバイスに使用する金属ペースト封止材は、従来技術のナノミクロン粒子を用いた金属ペーストよりも、金属粒子の粒径が大きくかつ有機溶剤の割合が大幅に少ないので、例えば約２００〜３００℃の比較的低温で焼結しても、金属粒子を緻密化したポーラス構造の焼結体を形成し、かつ有機溶剤及び樹脂材料を焼結体に実質的に残存しないように十分に蒸発させることが容易にできる。このポーラス構造の焼結体は、特にヤング率が９〜１６ＧＰａかつ密度が１０〜１７ｇ／ｃｍ３の場合に、比較的低い圧力で加圧しても、金属粒子をより緻密に再結晶化することができる。この再結晶化によって、水晶デバイスのパッケージは高い気密性を確保できる。
【００１５】
更に、微量の樹脂材料を含むことにより適度な粘性を発揮し、スクリーン印刷やディスペンサ、インクジェット等の公知技術を用いて微細なパターンに塗布でき、かつ塗布後も流れ出すことなくそのパターンを維持することができる。この形状性の良さは、低温での焼結後も同様に発揮され、塗布したままのパターンが焼結体を加圧して再結晶化したときもに維持される。従って、水晶デバイスは、パッケージを封止する際にその封止幅をより狭く設定できるから、それだけパッケージ寸法を小さくしてデバイス全体を小型化し、又は外形寸法を維持しつつパッケージの内部容量を大きくすることができる。
【００１６】
或る実施例では、前記複数の構成部品が、水晶振動片と外枠とを一体に結合した中間水晶板と、金属ペースト封止材により中間水晶板の上下各面にそれぞれ接合された上側基板及び下側基板とからなるパッケージ構造の水晶デバイスにおいて、上側基板が水晶振動片を駆動するための集積回路を形成したシリコン材料からなりかつその下面に集積回路に接続された端子を有し、中間水晶板がその外枠上面に上側基板の端子に対応する位置に設けた端子を有し、上側基板の端子と中間水晶板の端子とを導電接続材料により直接接続することにより、より小型化かつ低背化した水晶発振器が実現される。
【００１７】
別の実施例では、前記複数の構成部品が、上部を開放した箱形をなしかつその内部に水晶振動片を実装したベースと、金属ペースト封止材によりベース上端面に気密に接合されたリッドとからなるパッケージ構造の水晶デバイスにおいて、リッドが水晶振動片を駆動するための集積回路を形成したシリコン材料からなりかつその下面に集積回路に接続された端子を有し、ベースがその上端面にリッドの端子に対応する位置に設けた端子を有し、リッドの端子とベースの端子とを導電接続材料により直接接続することにより、同様に、より小型化かつ低背化した水晶発振器が実現される。
【００１８】
従って、本発明の金属ペースト封止材を利用して、様々なパッケージ構造を有する水晶等の圧電デバイスを気密に封止する方法が提供される。
【００１９】
本発明のある側面によれば、水晶振動片と外枠とを一体に結合した中間水晶板の上下各面に上側基板及び下側基板をそれぞれ接合し、それらの間に画定されるキャビティ内に水晶振動片を気密に封止するために、中間水晶板が外枠の上面及び下面に金属薄膜を有し、かつ上側基板及び前記下側基板がそれぞれ前記外枠との接合面に金属薄膜を有し、
外枠上面の金属薄膜又は上側基板の金属薄膜の少なくとも一方に、上述した本発明の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する第１の１次焼結処理工程と、
外枠下面の金属薄膜又は下側基板の金属薄膜の少なくとも一方に、同様に上述した本発明の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する第２の１次焼結処理工程と、
前記中間水晶板と前記上側基板とを、それらの前記１次焼結体を形成した一方の前記金属薄膜と他方の前記金属薄膜とを接触させて重ね合わせ、前記１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、前記外枠において気密に接合する第１の２次焼結処理工程と、
中間水晶板と下側基板とを、それらの１次焼結体を形成した一方の金属薄膜と他方の金属薄膜とを接触させて重ね合わせ、該１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、外枠において気密に接合する第２の２次焼結処理工程とを含む水晶デバイスの封止方法が提供される。
【００２０】
上述したように、本発明の金属ペースト封止材は、塗布時だけでなく、１次及び２次焼結処理後も十分かつ良好な形状性を維持し、かつ２次焼結処理後の再結晶化により高い気密性を発揮するので、中間水晶板の外枠における封止幅を従来よりも大幅に狭くすることが可能になる。そのため、中間水晶板の外枠寸法を小さくして水晶デバイス全体を小型化し、又は外枠の外郭寸法を維持しつつその内形寸法を大きくし、その分だけ実装可能な水晶振動片の外形寸法を大きくして、水晶デバイスの特性向上を図ることができる。
【００２１】
上述したヤング率及び密度の１次焼結体は、元のペースト状態でなく、かつ或る程度の軟らかさを有するので、２次焼結処理で中間水晶板と上側及び下側基板とを重ね合わせて加圧する際に、その材料が飛散して水晶振動片に付着したり、デバイス内部に残存する虞がない。そのため、水晶デバイスの振動特性が劣化することなく、維持される。
【００２２】
また、１次焼結体の前記ポーラス構造は、１次焼結処理を比較的低温で行うことにより形成することができる。そのため、中間水晶板に金属ペースト封止材を塗布して１次焼結処理する場合にも、水晶振動片に及ぼす熱ストレスを抑制することができる。
【００２３】
更に、１次焼結体には、金属ペースト封止材の有機溶剤及び樹脂材料が実質的に残存していないから、２次焼結処理において１次焼結体から有機溶剤又は樹脂からのアウタガスが発生したり、それが圧電デバイスの内部に残留することはない。更に、接合後も経時的に有機溶剤又は樹脂のアウタガスが発生する虞がないから、水晶デバイスの品質及び周波数特性を長期間に亘って良好に維持することができる。
【００２４】
このパッケージ構造の水晶デバイスにおいて、或る実施例では、上側基板及び下側基板が、中間水晶板と同じ水晶で形成されることにより、パッケージ全体が同じ熱膨張率になるので、環境温度の変化等による歪みが抑制され、信頼性が向上する。
【００２５】
別の実施例では、上側基板がシリコン材料からなりかつ水晶振動片を駆動するための集積回路と該集積回路に接続された端子とを備え、中間水晶板がその外枠上面に上側基板の端子に接続される端子を有し、第１の２次焼結処理工程において中間水晶板と上側基板とを重ね合わせる際に、上側基板の端子と中間水晶板の端子とを導電接続材料により直接接続することにより、発振器として機能する水晶デバイスを比較的少ない工数で製造することができる。
【００２６】
本発明の別の側面によれば、上部を開放した箱形をなしかつその内部に水晶振動片を実装したベースの上端面にリッドを接合して気密に封止するために、ベースがその上端面に金属面を有し、かつリッドがベース上端面との接合面に金属面を有し、
ベース上端面の金属面又はリッドの金属面の少なくとも一方に、同様に本発明の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する１次焼結処理工程と、
ベースの上にリッドを、それらの１次焼結体を形成した一方の金属面と他方の金属面とを接触させて重ね合わせ、該１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、気密に接合する２次焼結処理工程とを含む水晶デバイスの封止方法が提供される。
【００２７】
かかるパッケージ構造の水晶デバイスにおいても、同様に上述した本発明による封止方法の優れた作用効果が得られる。特に、従来のろう材やシーム溶接でベースとリッドとを接合する方法と異なり、ベースに実装した圧電振動片に与える熱ストレスの影響を抑制できる。また、従来のシーム溶接のように封止材が飛散して水晶振動片に付着する虞がないから、水晶デバイスの振動特性を劣化させることなく、維持することができる。更に、２次焼結処理により前記金属粒子を再結晶化させた接合部は、従来のろう材による接合のように高温環境下で再溶融する虞がないから、経時的に高い気密性が確保される。従って、水晶デバイスを回路基板等に実装した後に、不良部品のリペアプロセスで加熱されても、気密性を損なう虞がなく、高い信頼性を維持することができる。
【００２８】
また、このパッケージ構造を有する水晶等の圧電デバイスにおいて、或る実施例では、前記リッドがガラス板からなり、かつその一方の面に金属膜を形成することにより、ベース上端面の１次焼結体と接合し又は金属ペースト封止材を塗布するための金属面を設けることができる。この場合、リッド下面の一部の領域に金属膜を形成しないことにより、封止後に外側からリッドを透過して照射されるレーザ光で水晶振動片の周波数を調整することができる。
【００２９】
別の実施例では、前記リッドが金属板からなり、かつその一方の面をそのまま、ベース上端面の１次焼結体と接合し又は金属ペースト封止材を塗布するための金属面として利用することができ、金属膜を形成する必要がないので、有利である。
【００３０】
更に、別の実施例では、リッドがシリコン材料からなりかつ水晶振動片を駆動するための集積回路と該集積回路に接続された端子とを備え、ベースがその上端面にリッドの端子に接続される端子を有し、２次焼結処理工程においてベースの上にリッドを重ね合わせる際に、リッドの端子とベースの端子とを導電接続材料により直接接続することにより、発振器として機能する水晶デバイスを比較的少ない工数で製造することができる。
【００３１】
また、或る実施例では、２次焼結処理工程において加圧すると同時に加熱することにより、１次焼結体の金属粒子をより良好にかつ効果的に再結晶化させて接合することができる。
【００３２】
更に本発明の別の側面によれば、第１構成部品と第２構成部品とからなるパッケージを有する電子部品において、第１構成部品と第２構成部品とを接合してそれらの間に画定されるキャビティ内に電子素子等を気密に封止するために、第１構成部品及び第２構成部品が相互の接合面にそれぞれ金属面を有し、
第１構成部品の金属面又は第２構成部品の金属面の少なくとも一方に、本発明の金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ヤング率９〜１６ＧＰａ及び密度１０〜１７ｇ／ｃｍ３のポーラス構造を有する１次焼結体を形成する１次焼結処理工程と、
第１構成部品と第２構成部品とを、それらの１次焼結体を形成した一方の金属面と他方の金属面とを接触させて重ね合わせ、該１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、気密に接合する２次焼結処理工程とを含む電子部品の封止方法が提供される。
【００３３】
これにより、本発明の金属ペースト封止材を用いて、圧電デバイス以外の様々な電子部品をパッケージ内に気密に封止することができ、同様に本発明による水晶デバイスの封止方法について上述した優れた作用効果が得られる。この場合にも、２次焼結処理工程において加圧すると同時に加熱することにより、１次焼結体の金属粒子をより良好にかつ効果的に再結晶化させて接合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
先ず、本発明による金属ペースト封止材は、金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とから構成される。前記金属粒子は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの１種又は２種以上からなる平均粒径０．１〜１．０μｍのサブミクロン粒子である。前記有機溶剤は、約２００℃の比較的低温で蒸発し得るエステルアルコール等を使用する。前記樹脂材料は、前記金属ペースト封止材に或る程度の粘度を与えるために添加され、例えばセルロース系樹脂材料を使用する。前記金属ペースト封止材の配合は、金属粉末８８〜９３重量％、有機溶剤５〜１５重量％、樹脂材料０．０１〜４．０重量％の割合で設定する。
【００３５】
本発明の金属ペースト封止材は、従来技術のナノミクロン粒子を用いた金属ペーストよりも、金属粒子の粒径が大きくかつ有機溶剤の割合が大幅に少ないので、例えば約２００〜３００℃の比較的低温で焼結することにより、後述するように金属粒子を融着させて緻密化したポーラス構造の焼結体を容易に形成することができる。しかも、低温での焼結処理によっても、金属ペースト封止材中の有機溶剤及び樹脂材料を、焼結体に実質的に残存しないように十分に蒸発させることができる。また、このポーラス構造の焼結体は、比較的低い圧力で加圧しても、前記金属粒子をより緻密化して再結晶化することが容易である。この再結晶化によって高い気密性を確保できるので、特に圧電デバイスや電子部品のパッケージを真空封止するのに適している。
【００３６】
更に、本発明の金属ペースト封止材は、微量の樹脂材料を含むことにより、スクリーン印刷やディスペンサ、インクジェット等の公知技術を用いて容易に所望の微細なパターンに塗布でき、かつ塗布後も流れ出すことなくそのパターンを維持し得る適度な粘性を有する。この形状性の良さは、低温での焼結後も同じであり、塗布したときのパターンが焼結体を加圧して再結晶化したときもそのまま維持される。従って、圧電デバイス等のパッケージを封止する際に、その封止幅をより狭く設定することができる。
【００３７】
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の方法により第１実施例の水晶振動子を封止する工程を説明している。本実施例の水晶振動子１は、水晶振動片を有する中間水晶板２、パッケージの蓋となる上側基板３、及びベースとなる下側基板４を有する。中間水晶板２はＡＴカットの水晶板で形成され、その上下に上側及び下側基板３，４を積層して一体に接合される。上側及び下側基板３，４は、同様に水晶薄板で形成するのが好ましく、またはガラス材料やシリコンで形成することもできる。
【００３８】
中間水晶板２は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、全体として一様な厚さの水晶薄板からなり、厚みすべりモードの水晶振動片５と、その基端部５ａで一体に結合された外枠６とを有する。水晶振動片５の上下各面には励振電極７，８が形成され、それぞれ基端部５ａから配線膜７ａ，８ａにより引き出されて、外枠６の上面及び下面の全周に亘って形成された導電金属薄膜９，１０と電気的に接続されている。外枠６の水晶振動片５を結合した側の長手方向端部にはスルーホール１１が設けられ、該長手方向端部の下面には、水晶素面の領域１２で導電金属薄膜１０から分離された導電金属薄膜１３が形成され、スルーホール１１内部の導電膜を介して上面の導電金属薄膜９と電気的に接続されている。
【００３９】
上側基板３は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中間水晶板２との対向面即ち下面に凹部３ａが形成されている。上側基板３下面の凹部３ａを囲繞する周辺部が、中間水晶板２との接合面を構成し、前記外枠の導電金属薄膜９に対応する金属薄膜１４で被覆されている。
【００４０】
下側基板４は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、同様に中間水晶板２との対向面即ち上面に凹部４ａが形成されている。下側基板４上面の凹部４ａを囲繞する周辺部が、中間水晶板２との接合面を構成し、前記外枠の導電金属薄膜１０に対応する金属薄膜１５と、該金属薄膜から水晶素面の領域１６で分離して、前記外枠の導電金属薄膜１３に対応する金属薄膜１７とが形成されている。また、下側基板４の下面には、外部への引出電極（図示せず）が形成されている。
【００４１】
前記中間水晶板の各導電金属薄膜９，１０，１３及び前記上側、下側基板の金属薄膜１４，１５，１７は、例えばＣｒ膜、Ｎｉ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜又はＮｉ−Ｃｒ膜を下地膜として、その上にＡｕ膜を積層して形成するのが好ましい。別の実施例では、これらの金属薄膜をＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ／Ｓｉ、又はＮｉ／Ｃｒで形成することができる。これら金属薄膜は、スパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどの公知方法を用いて又はそれらを組み合せて容易に成膜される。
【００４２】
本発明の方法によれば、図１（Ａ）に示すように、中間水晶板２の外枠６上下面の各導電金属薄膜９，１０，１３上に上述した本発明の金属ペースト封止材１８，１９，２０を塗布する。前記金属ペースト封止材の塗布は、例えばスクリーン印刷、ディスペンサ、又はインクジェット等の公知方法により行う。図５（Ａ）は、導電金属薄膜９上に塗布した金属ペースト封止材１８の状態を例示している。同図に示すように、金属ペースト封止材１８は、金属粒子２１が有機溶剤２２中に略一様に分散している。更に、有機溶剤２２中には樹脂２３が一様に分散し、前記金属ペースト封止材に或る程度の粘性を与えている。この粘性によって、本発明の金属ペースト封止材は十分な形状性を発揮するので、高精度なパターンに塗布しかつそれを維持することができる。例えば、前記金属粒子がＡｕの場合、金属ペースト封止材はスクリーン印刷によって、最小パターン幅０．０５mm、最小厚み１０μｍ程度まで微細に形成できる。
【００４３】
次に、中間水晶板２を例えばホットプレート、クリーンオーブン、ベルト炉等の公知手段を用いて約２００〜３００℃の比較的低温で短時間、例えば約１０〜３０分加熱することにより、１次焼結処理を行う。この１次焼結処理によって、前記金属ペースト封止材の金属粒子を焼結させ、１次焼結体を形成する。図５（Ｂ）に例示するように、１次焼結体２４は、前記金属ペースト封止材から有機溶剤２２及び樹脂２３が蒸発して、隣接する金属粒子２１同士がその間に僅かな隙間を残しつつ融着して緻密に接するポーラス構造を構成する。更に前記１次焼結体は、下側の前記各金属薄膜との界面においても金属粒子２１が緻密化し、該金属薄膜と結合する。樹脂２３は、１次焼結処理によって完全に蒸発せずに、その一部が残存することがある。その場合でも、残存した樹脂は、金属粒子２１の隙間に入り込むので、上述したポーラス構造を構成するのに何ら影響しない。
【００４４】
本発明によれば、前記ポーラス構造は、１次焼結体２４のヤング率が９〜１６ＧＰａ、密度が１０〜１７ｇ／ｃｍ３であると、最も好都合である。金属粒子２１は、１次焼結処理の温度が低いと元の球形を比較的維持するが、高温になるほど、原形を留めない位に表面の焼結が進行して互いに融着することが確認された。また、１次焼結体２４のヤング率及び密度は、１次焼結処理の温度が低いほど低く、高温になるほど高くなる。また、１次焼結処理の加熱は比較的低温であるので、それが中間水晶板２の水晶振動片５に及ぼす熱ストレスを抑制することができる。
【００４５】
次に、中間水晶板２の上面及び下面に上側及び下側基板３、４をそれぞれ互いに位置合わせして重ね合わせ、前記１次焼結体と金属薄膜１４，１５，１７とを接触させて一様に加圧することにより、２次焼結処理を行う。上述したヤング率及び密度を有する１次焼結体２４は、元のペースト状態ではなく、しかも適当な軟らかさを有するので、加圧によってその材料が飛散して水晶振動片５に付着したり、キャビティ２８内部に残存する虞がない。そのため、封止後の水晶振動片１の振動特性が劣化することなく、維持される。
【００４６】
２次焼結処理の加圧条件は、中間水晶板や基板の寸法、接合面の大きさ、使用する前記金属ペースト封止材の量や厚さによって異なるが、本実施例では、例えば約３９〜１７６Ｎ／ｍｍ２の圧力を約１０分間印加する。更に、例えば約２００〜３５０℃の温度で加熱しながら加圧することによって、前記２次焼結処理をより良好に行うことができる。この加熱も比較的低温であるので、中間水晶板２の水晶振動片５に及ぼす熱ストレスは抑制される。
【００４７】
この２次焼結処理によって、前記１次焼結体は、前記金属粒子がより緻密に融着して、図５（Ｂ）に示すポーラス構造の前記隙間を完全に圧潰し、図５（Ｃ）に例示するように再結晶化した接合膜２５を形成する。接合膜２５〜２７は、前記上側及び下側基板の各金属薄膜１４，１５，１７との界面においても、これら金属薄膜と前記金属粒子が緊密に結合して一体化する。これにより、中間水晶板２と上側及び下側基板３、４とがそれぞれ高い気密性をもって接合され、それらの間に画定されるキャビティ２８内に、水晶振動片５が基端部５ａで片持ちに浮いた状態で封止される。
【００４８】
前記２次焼結処理を真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気内で行うと、水晶振動片５を真空封止又はガス封止することができる。接合される中間水晶板２の前記１次焼結体と上側及び下側基板３，４の前記金属薄膜とを、２次焼結処理前に公知のプラズマ処理やイオンビーム処理などで表面活性化、清浄化しておくと、より良好にかつ安定して接合でき、接合信頼性が向上する。
【００４９】
上述したように、本発明の金属ペースト封止材は、塗布時だけでなく、１次及び２次焼結処理後も十分かつ良好な形状性を維持し、かつ２次焼結処理後に金属粒子の再結晶化により高い気密性を発揮するので、外枠６における封止幅を従来よりも大幅に狭くすることが可能になる。その結果、中間水晶板２の外形寸法を小さくして水晶振動子１全体を小型化することができる。また、外枠６の外郭寸法を維持しつつキャビティ２８の寸法を大きくし、その分だけ実装可能な水晶振動片５の外形寸法を大きくして、水晶振動子の特性を向上させることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、前記１次焼結処理で前記金属ペースト封止材の有機溶剤及び樹脂が十分に蒸発しているので、２次焼結処理において１次焼結体から前記有機溶剤又は樹脂のアウタガスが発生したり、水晶振動子１のキャビティ２８内に残留することはない。また、接合後に接合膜２５〜２７から経時的に前記有機溶剤又は樹脂のアウタガスが発生する虞もない。従って、水晶振動子１の品質及び周波数特性を長期間に亘って良好に維持することができる。
【００５１】
別の実施例では、前記上側及び下側基板の金属薄膜１４，１５，１７にも、前記金属ペースト封止材を塗布することができる。これら金属薄膜上の前記金属ペースト封止材は、中間水晶板２の場合と同様に加熱することにより１次焼結処理を行い、前記ポーラス構造の１次焼結体を形成する。次に、上側及び下側基板３、４と中間水晶板２とをそれぞれ位置合わせして重ね合わせ、それらの１次焼結体同士を接触させて、上記実施例と同様に加圧することにより、２次焼結処理を行う。１次焼結体同士の界面では、金属粒子が緊密に融着して再結晶化し、実質的に１つの接合膜を形成する。従って、中間水晶板２と上側及び下側基板３、４とをより強固に接合することができる。
【００５２】
また、別の実施例では、前記金属ペースト封止材を前記中間水晶板ではなく、前記上側及び下側基板の金属薄膜１４，１５，１７にのみ塗布することもできる。前記１次焼結処理は前記上側及び下側基板についてのみ行うので、その加熱温度が中間水晶板２の水晶振動片に影響を与える虞はない。
【００５３】
更に別の実施例では、中間水晶板２と上側基板３又は下側基板４の一方を先に接合し、その後に他方を接合することができる。この後の接合工程では、２次焼結処理を真空又は所定のガス雰囲気内で行うことにより、水晶振動片５を真空封止又はガス封止することができる。更にこの２次焼結処理を行う際に、水晶ウエハを適当な温度で加熱しながら加圧することもできる。
【００５４】
次に、本発明の方法を適用して、多数の水晶振動子１を一括して製造する工程を説明する。先ず、図６（Ａ）に示すように、複数の中間水晶板２を縦及び横方向に連続して配置した大型の中間水晶ウエハ３０を準備する。各中間水晶板２の水晶振動片５及び外枠６の形状は、水晶ウエハを例えばフォトエッチングすることにより形成する。中間水晶ウエハ３０上下両面の水晶振動片５及び外枠６に対応する領域には、導電材料を蒸着、スパッタリングなどで成膜しかつパターニングすることにより、前記励振電極、配線膜及び導電金属薄膜が形成される。
【００５５】
これと並行して、複数の上側基板３及び下側基板４をそれぞれ縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ３１及び下側水晶ウエハ３２を準備する。両水晶ウエハ３１，３２には、それぞれ中間水晶ウエハ３０との対向面に複数の凹部３ａ、４ａが、例えばエッチングまたはサンドブラスト加工などにより形成される。更に両水晶ウエハ３１，３２には、上側基板３下面の金属薄膜１４及び下側基板４上面の金属薄膜１５、１７にそれぞれ対応する金属薄膜（図示せず）が、中間水晶ウエハ３０との対向面に蒸着、スパッタリングなどにより形成される。下側水晶ウエハ３２には、縦及び横方向に直交する下側基板４の外郭線の交点にそれぞれ円形貫通孔３３が形成される。下側水晶ウエハ３２の下面には、各下側基板４下面の外部への引出電極が形成される。
【００５６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、本発明の金属ペースト封止材３４、３５を、中間水晶ウエハ３０上下両面の外枠６に対応する領域の前記導電金属薄膜上に塗布する。金属ペースト封止材３４、３５は、上述した配合により適度な粘性を有するので、スクリーン印刷によって所望の微細なパターンに容易に塗布しかつ該パターンを維持することができる。別の実施例では、図６（Ｂ）に想像線で示すようにディスペンサ３６を用いて連続的に、又はインクジェット法により連続するドット状に塗布することができる。本発明の金属ペースト封止材は、上述した配合によって、直径０．１ｍｍ、厚さ１５μｍのドット状に塗布することが可能である。
【００５７】
更に別の実施例では、前記金属ペースト封止材を塗布すべき領域を画定するようにレジストフレームを形成し、その内側に前記金属ペースト封止材を充填して塗布することができる。このレジストフレームは、フォトリソグラフィ技術を利用してフォトレジストをパターニングすることにより高精度に形成でき、前記金属ペースト封止材の塗布後に又は１次焼成処理後に容易に除去することができる。
【００５８】
次に、中間水晶ウエハ３０を、図１（Ａ）の場合と同様にホットプレート等により約２００〜３００℃の温度で所定の時間加熱して、１次焼結処理を行う。これにより、金属ペースト封止材３４、３５を焼結して、前記ポーラス構造の１次焼結体を形成する。この中間水晶ウエハ３０の上下各面に、図７（Ａ）に示すように上側及び下側水晶ウエハ３１，３２をそれぞれ位置合わせして重ね合わせ、図１（Ｂ）の場合と同様に加圧して、２次焼結処理を行う。
【００５９】
前記２次焼結処理は、前記水晶ウエハを例えば約２００〜３５０℃の温度で加熱しながら行うことができる。また、前記２次焼結処理は、真空又は所定のガス雰囲気内で行うことにより、同様に各水晶振動片５を真空封止又はガス封止することができる。更に、前記中間水晶ウエハの上下両面の１次焼結体と前記上側及び下側水晶ウエハの各金属薄膜を、適当な反応ガスでプラズマ処理し又はイオンビームを照射して一様に表面活性化することによって、より良好かつ安定した接合及び接合信頼性の向上を図ることができる。
【００６０】
このようにして、中間水晶ウエハ３０と上側及び下側水晶ウエハ３１，３２とを気密に接合した図７（Ｂ）の水晶ウエハ積層体３７が得られる。同図に示すように、水晶ウエハ積層体３７を縦横に直交する水晶振動子の外郭線３８に沿って、ダイシングなどにより切断分割して個片化することにより、図１に示す水晶振動子１が完成する。各下側基板４底面の前記引出電極は、ダイシング前の水晶ウエハ積層体３７の状態でスパッタなどにより形成することもできる。
【００６１】
図８に示すように、本発明の金属ペースト封止材を図６（Ａ）の中間水晶ウエハ３０にスクリーン印刷で塗布した。金属ペースト封止材３９は、ダイシングのために外郭線３８の両側に一定幅の領域３０ａを残すように、各外枠６に矩形枠状の微細なパターンに形成した。金属ペースト封止材３９の組成及び物性を次のように設定した。
組成：  金属（Ａｕ）粒子含有量：  ８８ｗｔ％、平均粒子径０．３μｍ
有機溶剤含有量：  １０．４ｗｔ％
樹脂含有量：  １．６ｗｔ％
物性：  粘度：  １９０Ｐａ・ｓ
チクソ比：  ４．９
この結果金属ペースト封止材３９は、外寸２．９５ｍｍ（Ｌ1）×１．２５ｍｍ（Ｗ1）、内寸２．８５ｍｍ（Ｌ2）×１．１５ｍｍ（Ｗ2）、線幅０．０５ｍｍの矩形枠状に微細パターンを形成することができた。
【００６２】
別の実施例では、中間水晶ウエハ３０と上側水晶ウエハ３１又は下側水晶ウエハ３２の一方を先に接合し、その後に他方を接合することができる。この場合、３枚目の前記水晶ウエハを接合する後の工程で、２次焼結処理を真空又は所定のガス雰囲気内で行うことにより、各水晶振動片５を真空封止又はガス封止することができる。
【００６３】
また、先に２枚の前記水晶ウエハを接合した状態で、水晶振動片５毎に特性試験及び周波数の測定を行うことができる。更に、例えばレーザ光の照射等により各水晶振動子５の励振電極を部分的に削除して、その周波数を個別に調整することができる。
【００６４】
この場合、中間水晶ウエハ３０は、予め各外枠６の上下各面に前記導電金属薄膜を、水晶振動子の外郭線３８に沿ってダイシングする線幅分だけ除いてパターニングする。同様に上側及び下側水晶ウエハ３１，３２は、予めそれぞれ前記上側及び下側基板の各金属薄膜１４，１５，１７に対応する前記金属薄膜を、水晶振動子の外郭線３８に沿うダイシングの線幅だけ除いてパターニングする。金属ペースト封止材３４、３５は、上述したように形状性が良くかつ前記導電金属薄膜上にのみ塗布される。従って、中間水晶ウエハ３０の各水晶振動片５は、１次及び２次焼結処理の前後においても、ウエハの状態で隣接する他の水晶振動片から電気的に分離独立している。
【００６５】
本発明は、上記第１実施例と異なる様々なパッケージ構造の圧電デバイスについても、同様に適用することができる。図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の方法により第２実施例の水晶振動子を封止する工程を説明している。本実施例の水晶振動子４１は、絶縁材料からなる矩形箱状のベース４２と平板状のリッド４３とからなるパッケージ構成を有する。ベース４２は、図９（Ａ）及び図１０に示すように、複数のセラミック材料薄板４２ａ〜４２ｃを積層して、上部を開放した箱型に形成する。ベース４２内部に画定されるキャビティ４４には、水晶振動片４５が実装されている。
【００６６】
本実施例の水晶振動片４５は、例えばＡＴカット水晶板からなる厚みすべりモードの振動片であり、その上下各面には励振電極４６，４６が形成され、かつ一方の端部即ち基端部４５ａには、左右に前記各励振電極からの引出電極４７，４７が形成されている。ベース４２のキャビティ４４底面には、長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド４８，４８が形成されている。水晶振動片４５は、基端部４５ａにおいて各引出電極４７，４７を対応する電極パッド４８，４８に導電性接着剤４９で固定することにより、電気的に接続されかつ片持ちで概ね水平に支持されている。
【００６７】
本実施例のリッド４３は、図１１に示すように、ガラス材料からなる平坦な矩形の薄板５０で形成される。リッド４３の下面には、金属薄膜５１が全面に被覆されている。金属薄膜５１は、図１１に想像線で示すように、リッド４３下面の周辺部に沿って、ベース４２上端面と接合される領域４３ａにのみ形成しても良い。別の実施例では、リッド４３を水晶やセラミック等の絶縁材料やコバール、ＳＵＳ等の金属材料の薄板で形成することができる。リッド４３が金属材料からなる場合、その材質に応じて金属薄膜５１を省略し、その金属面をそのまま接合面として使用することもできる。
【００６８】
ベース４２の上端面には、金属薄膜５２が被着されている。リッド４３及びベース４２の各金属薄膜５１，５２は、第１実施例の上側及び下側基板３，４と同様に、スパッタリング、蒸着又はめっき等の方法で、例えばＣｒ膜、Ｎｉ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜又はＮｉ−Ｃｒ膜からなる下地膜の上にＡｕ膜を積層して形成するのが好ましく、またはＡｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ａｌ／Ｓｉ、又はＮｉ／Ｃｒで形成することもできる。
【００６９】
本発明の方法によれば、図９（Ａ）に示すように、ベース４２上端面の金属薄膜５２上に上述した本発明の金属ペースト封止材５３を塗布する。前記金属ペースト封止材の塗布は、同様にスクリーン印刷、ディスペンサ、又はインクジェット等の方法により行う。次に、第１実施例の場合と同様に、ベース４２を約２００〜３００℃の比較的低温で加熱することにより、１次焼結処理を行う。これによって、金属ペースト封止材５３は、その金属粒子が焼結して、前記ポーラス構造を有する１次焼結体を形成する。１次焼結処理の加熱は比較的低温であるので、それがベース４２内の水晶振動片４５に及ぼす熱ストレスは抑制される。
【００７０】
この状態で、水晶振動片４５の特性試験及び周波数の測定を行い、更にレーザ光の照射等により励振電極４６を部分的に削除して周波数を調整することができる。金属ペースト封止材５３の塗布及び１次焼結処理は、水晶振動片４５をベース４２に実装する前又は後のいずれに行っても良い。
【００７１】
次に、ベース４２の上端面にリッド４３を位置合わせして配置し、第１実施例の場合と同様の条件で加圧することにより、２次焼結処理を行う。前記１次焼結体は、上述したように適当な軟らかさを有するので、加圧によってその材料が飛散して水晶振動片４５に付着したり、キャビティ４４内部に残存する虞がない。そのため、封止後の水晶振動片４１の振動特性が劣化することなく、維持される。
【００７２】
図９（Ｂ）に示すように、２次焼結処理によって、前記１次焼結体は、前記金属粒子がより緻密に融着して再結晶化した接合膜５４を形成する。接合膜５４は、前記リッドの金属薄膜５１との界面においても、該金属薄膜と前記金属粒子が緊密に結合して一体化し、ベース４２とリッド４３とを高い気密性をもって接合する。前記金属粒子が再結晶化した接合膜５４は、従来のろう材による接合部のように高温環境下で再溶融する虞がないから、経時的に高い気密性が確保される。従って、水晶振動子４１を回路基板等に実装した後に不良部品のリペアプロセスで加熱されても、気密性を損なう虞がなく、高い信頼性を維持することができる。
【００７３】
更に、前記２次焼結処理は、例えば約２００〜３５０℃の温度で加熱しながら加圧すると、より良好に行うことができる。この加熱も比較的低温であるので、水晶振動片４５に及ぼす熱ストレスは抑制される。前記２次焼結処理は、真空又は所望のガス雰囲気内で行い、水晶振動片４５を真空封止又はガス封止することができる。
【００７４】
本実施例においても、本発明の金属ペースト封止材が、塗布時だけでなく１次及び２次焼結処理後も発揮する良好な形状性と、２次焼結処理後の金属粒子の再結晶化による高い気密性とによって、ベース４２上端面における封止幅を従来よりも大幅に狭くすることが可能になる。その結果、ベ−ス４２の外形寸法を小さくして水晶振動子４１全体を小型化することができる。また、ベ−ス４２の外郭寸法を維持しつつキャビティ４４の寸法を大きくし、その分だけ実装可能な水晶振動片４５の外形寸法を大きくして、水晶振動子の特性を向上させることができる。
【００７５】
同様に、本発明の金属ペースト封止材をベース４２上端面だけでなく、リッド４３の金属薄膜５１にも塗布し、１次焼結処理により前記ポーラス構造の１次焼結体を形成し、これをベース４３上端面の前記１次焼結体と接触させて２次焼結処理を行うことができる。また、本発明の金属ペースト封止材をリッド４３の金属薄膜５１にのみ塗布し、１次焼結処理により前記ポーラス構造の１次焼結体を形成し、これをベース４２上端面の金属薄膜５２と直接接触させて２次焼結処理を行うことができる。この場合、前記１次焼結処理はリッド４３についてのみ行うので、その加熱温度がベース４２に実装した水晶振動片４５に影響を与える虞はない。
【００７６】
本発明は、上記第１及び第２実施例と異なるパッケージ構造の圧電デバイスについても同様に適用することができる。図１２は、第２実施例に類似したパッケージ構造の水晶発振器６１を示している。水晶発振器６１は、第２実施例のベース４２と同様に、複数のセラミック材料薄板を積層しかつ上部を開放した箱型に形成され、その内部に画定されるキャビティ６４内に水晶振動片６５が実装されている。
【００７７】
水晶振動片６５は、ＡＴカット水晶板からなる厚みすべりモードの振動片であり、その上下各面に励振電極６６，６６が形成され、かつ一方の端部即ち基端部６５ａに前記各励振電極からの引出電極６７，６７が形成されている。ベース６２のキャビティ６４底面には、その長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド６８，６８が形成されている。水晶振動片６５は、基端部６５ａにおいて前記各引出電極を対応する電極パッド６８，６８に導電性接着剤６９で固定することにより、電気的に接続されかつ片持ちで概ね水平に支持されている。
【００７８】
図１３に示すように、ベース６２の上端面には、その外周に沿って所定幅の金属薄膜７０が被着されている。更に、ベース６２の長手方向両端部の上端面には、金属薄膜７０の内側にかつ該金属薄膜から離隔して、それぞれボンディングパッド７１，７２が形成されている。前記各ボンディングパッドは、図示しない配線により水晶振動片６５の前記励振電極又は外部の電源、回路等に接続される端子として使用される。
【００７９】
本実施例のリッド６３は、シリコン材料の平坦な矩形薄板で形成される。図１４に示すように、リッド６３の下面には、その外周に沿ってベース６２上端面と接合される部分に所定幅の金属被膜７３が被着されている。金属被膜７３の内側には、リッド６３の長手方向両端部にボンディングパッド７４，７５が、それぞれベース６２上端面のボンディングパッド７１，７２に直接接続する端子として、それらに対応する位置に設けられている。更に、リッド６３の金属被膜７３の内側領域には、水晶振動片６５の駆動を制御するための集積回路及びそれとボンディングパッド７４，７５とを接続する配線が形成されている（図示せず）。
【００８０】
ベース６２とリッド６３とは、本発明の方法を利用して、図１５（Ａ）（Ｂ）に示すように接合される。第２実施例の場合と同様に、ベース６２上端面の金属薄膜７０上に本発明の金属ペースト封止材７６を、上述したスクリーン印刷等の方法で塗布する。ベース６２を約２００〜３００℃の比較的低温で加熱して１次焼結処理を行い、金属ペースト封止材７６をポーラス構造の１次焼結体にする。他方、ベース６２の前記各ボンディングパッド上には、図１５（Ａ）に示すように、例えばＡｕボール７８を溶着させてバンプを形成する。前記バンプには、Ａｕ以外にはんだ等の様々な公知の導電材料を用いることができる。また前記バンプは、ベース６２のボンディングパッドではなく、リッド６３の各ボンディングパッド上に形成しても良い。
【００８１】
次に、図１５（Ｂ）に示すように、ベース６２の上端面にリッド６３を位置合わせして配置し、上記各実施例と同様に加熱しつつ加圧して２次焼結処理を行う。これにより、金属ペースト封止材７６の前記１次焼結体は、それに含まれる金属粒子が緻密に融着して再結晶化し、ベース６２の金属薄膜７０及びリッド６３の金属被膜７３と一体化して接合膜７７を形成する。これと同時に、２次焼結処理の加熱加圧作用によって、各バンプ７９がリッド６３の前記各ボンディングパッドに溶着する。これにより、ベース６２の各ボンディングパッド７１，７２とリッド６３の対応するボンディングパッド７４，７５とを電気的に接続される。
【００８２】
ベース６２の前記ボンディングパッドとリッド６３の前記ボンディングパッドとは、Ａｕ等の金属バンプ以外に、公知の様々な導電接続材料により電気的に接続することができる。例えば、導電性接着剤や導電ペースト、金属ペースト等を用いることができる。
【００８３】
接合膜７７によって、ベース６２とリッド６３とは高い気密性をもって接合され、水晶振動片６５をパッケージ内部に真空封止又はガス封止する。更に本実施例によれば、水晶振動片６５を実装したベース６２に該水晶振動片の駆動用ＩＣチップとして機能するリッド６３を気密に接合することによって、より小型化かつ低背化した表面実装型の水晶発振器を実現することができる。
【００８４】
このように水晶振動片を駆動するＩＣチップを一体化した水晶発振器は、第１実施例のパッケージ構造についても適用することができる。図１６は、そのような第１実施例に類似するパッケージ構造の水晶発振器８１を示している。水晶発振器８１は、第１実施例の水晶振動子１と同様に、水晶振動片を有する中間水晶板８２の上下に、パッケージの蓋となる上側基板８３及びベースとなる下側基板８４を積層して一体に接合される。本実施例は、中間水晶板８２が一様な厚さのＡＴカット水晶板で形成され、下側基板８４が水晶薄板やガラス材料又はシリコン等で形成されるのに対し、上側基板８３はシリコン材料で形成される。
【００８５】
中間水晶板８２は、図１７に示すように、厚みすべりモードの水晶振動片８５と、その基端部８５ａで一体に結合された外枠８６とを有する。水晶振動片８５の上下各面には励振電極８７，８７が形成され、それぞれ基端部８５ａからそれを結合した側の外枠８６の長手方向端部に配線膜８７ａが引き出される。外枠８６上面には、その外周に沿って所定幅の導電金属薄膜８８が形成されている。図示するように、本実施例では、導電金属薄膜８８と配線膜８７ａとを分離させたが、電気的に接続させても良い。
【００８６】
中間水晶板８２の下面は、図２の中間水晶板２と同様に形成される。外枠８６の下面には全周に亘って導電金属薄膜が形成され、水晶振動片８５下面の励振電極から引き出された前記配線膜と電気的に接続されている。外枠８６下面の水晶振動片８５を結合した側の長手方向端部には、前記配線膜から分離した導電金属薄膜が形成され、スルーホール８９を介して外枠８６上面の配線膜８７ａと電気的に接続されている。更に外枠８６の長手方向両端部の上面には、導電金属薄膜８８の内側にかつ該金属薄膜から離隔して、それぞれボンディングパッド９０，９１が形成されている。ボンディングパッド９０，９１は、図示しない配線により水晶振動片８５の前記励振電極又は外部の電源、回路等に接続される端子として使用される。
【００８７】
上側基板８３は、図１８に示すように、中間水晶板８２との対向面即ち下面に凹部８３ａが形成されている。上側基板８３下面の凹部８３ａを囲繞する周辺部が、中間水晶板８２との接合面を構成し、前記外枠の導電金属薄膜８８に対応する金属薄膜９２で被覆されている。金属被膜９２の内側には、上側基板８３の長手方向両端部にボンディングパッド９３，９４が、それぞれ中間水晶板８２の外枠８６上面のボンディングパッド９０，９１に直接接続する端子として、それらに対応する位置に設けられている。更に上側基板８３の金属被膜９２の内側領域には、水晶振動片８５の駆動を制御するための集積回路及びそれとボンディングパッド９３，９４とを接続する配線が形成されている（図示せず）。
【００８８】
中間水晶板８２と上側及び下側基板８３，８４とは、本発明の方法を利用して接合される。第１実施例の場合と同様に、中間水晶板８２の外枠８６上下面の前記導電金属薄膜に本発明の金属ペースト封止材を塗布する。この中間水晶板８２を約２００〜３００℃の比較的低温で加熱して１次焼結処理を行い、前記金属ペースト封止材をポーラス構造の１次焼結体にする。中間水晶板８２の外枠８６上面の前記各ボンディングパッド上には、図１５（Ａ）と同様に、Ａｕボール等の様々な公知の導電材料からなるバンプを形成する。前記バンプは、中間水晶板８２ではなく、上側基板８３の前記各ボンディングパッド上に形成しても良い。
【００８９】
次に、中間水晶板８２の上面及び下面に上側及び下側基板８３、８４をそれぞれ位置合わせして重ね合わせ、第１実施例と同様に加熱しつつ加圧して２次焼結処理を行う。これにより、中間水晶板８２の上下面と上側及び下側基板８３、８４との間で、前記金属ペースト封止材の１次焼結体は、それに含まれる金属粒子が緻密に融着して再結晶化し、接合膜９５，９６を形成する。これと同時に、２次焼結処理の加熱加圧作用によって、バンプ９７、９８が溶着することにより、中間水晶板８２の各ボンディングパッド９０，９１と上側基板８３の対応するボンディングパッド９３，９４とを電気的に接続される。
【００９０】
更に本発明は、音叉型水晶振動片を有する水晶振動子や水晶発振器等の水晶デバイスについても適用することができる。図１９は、図１の第１実施例のパッケージ構造を有する音叉型水晶振動子１０１を示している。水晶振動子１０１は、第１実施例の水晶振動子１と同様に、水晶振動片を有する平板状の中間水晶板１０２の上下に、パッケージの蓋となる上側基板１０３及びベースとなる下側基板１０４を積層して一体に接合される。中間水晶板１０２は一様な厚さのＡＴカット水晶板で形成され、上側及び下側基板１０３、１０４は好ましくは水晶薄板で、又はガラス材料やシリコン等で形成される。
【００９１】
中間水晶板１０２は、図２０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片１０５と、その基端部１０５ａで一体に結合された外枠１０６とを有する。前記振動腕の表面に形成した一方の励振電極１０７は、基端部１０５ａから引き出されて外枠１０６上面の導電金属薄膜１０８と電気的に接続されている。前記振動腕表面の他方の励振電極１０９は、同様に前記基端部から引き出されて外枠１０６下面の導電金属薄膜１１０と電気的に接続されている。外枠１０６の水晶振動片１０５を結合した側の長手方向端部は、スルーホール１１１内部の導電膜を介して、外枠１０６下面に導電金属薄膜１１０から分離した導電金属薄膜１１２が、外枠１０６上面の導電金属薄膜１０８と電気的に接続されている。
【００９２】
上側基板１０３は、図２１に示すように、中間水晶板１０２との対向面に凹部１０３ａが形成され、該凹部を取り囲む周辺部分即ち中間水晶板１０２との接合面に金属薄膜１１３が形成されている。下側基板１０４は、図２２に示すように、中間水晶板１０２との対向面に凹部１０４ａが形成され、該凹部を取り囲む周辺部分即ち中間水晶板１０２との接合面に、該中間水晶板下面の導電金属薄膜１１０，１１２に対応する金属薄膜１１４，１１５が形成されている。それら凹部により画定されるキャビティ内に、水晶振動片１０５はその基端部１０５ａで片持ちに保持収容される。更に下側基板１０４には、その略中央に封止孔１１６が貫設されている。
【００９３】
中間水晶板１０２と上側及び下側基板１０３，１０４とは、本発明の方法を利用して接合される。第１実施例の場合と同様に、中間水晶板１０２の外枠１０６上下面の導電金属薄膜１０８，１１０，１１２に本発明の金属ペースト封止材を塗布する。この中間水晶板１０２を約２００〜３００℃の比較的低温で加熱して１次焼結処理を行い、前記金属ペースト封止材をポーラス構造の１次焼結体にする。次に、中間水晶板１０２の上面及び下面に上側及び下側基板１０３、１０４をそれぞれ位置合わせして重ね合わせ、加圧して２次焼結処理を行う。これにより、前記金属ペースト封止材の１次焼結体は、それに含まれる金属粒子が緻密に融着して再結晶化し、中間水晶板１０２の上下面と上側及び下側基板１０３、１０４との間に接合膜１１７〜１１９が形成され、水晶振動片１０５がパッケージ内に封止される。
【００９４】
次に、このパッケージを真空雰囲気に配置し、封止孔１１６をシール材１２０で気密に閉塞する。シール材１２０には、例えばＡｕ−Ｓｎ等の低融点金属材料を用いることができ、該金属材料を封止孔内に配置しかつ外部からレーザ光等を照射して溶着させる。前記封止孔は、その内面を予め金属膜で被覆しておくと、金属材料をより良好に溶着できるので好ましい。本実施例では、このように前記封止孔を用いることにより、パッケージの気密封止時に前記金属ペースト封止材から発生する虞がある不要なガスをパッケージ内部から排除でき、水晶振動子１０１をより高い真空度で封止することができる。
【００９５】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、前記中間水晶板は、水晶以外に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの他の様々な公知の圧電材料で形成することができる。また本発明は、振動子又は発振器以外に、共振子、フィルタ、センサ等の圧電デバイスについても適用できる。第２実施例と同様の構造では、パッケージ内にＩＣ素子等を搭載することができる。また、水晶振動片の代わりに圧電振動ジャイロ素子を搭載して圧電ジャイロセンサを構成することができる。
【００９６】
更に、本発明は、圧電デバイス以外の様々な電子部品をパッケージ内に気密に封止するために適用することができる。この場合、パッケージを構成する各部品は相互の接合面にそれぞれ金属面を有し、その少なくとも一方の金属面に本発明の金属ペースト封止材を塗布し、上記各実施例と同様に加熱することにより、１次焼結処理を行う。これにより前記ポーラス構造を有する１次焼結体を形成した後、両構成部品を、それらの１次焼結体を形成した一方の金属面と他方の金属面とを接触させて重ね合わせ、任意により加熱しつつ、１次焼結体を加圧してその金属粒子を緻密に再結晶化させることにより、２次焼結処理を行う。これにより、パッケージを気密に接合してその内部に電子部品を気密に封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】（Ａ）図及び（Ｂ）図は、本発明の方法に従って第１実施例の水晶振動子を封止する工程を示す断面図。
【図２】（Ａ）図は第１実施例の水晶振動子を構成する中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図、（Ｃ）図はその断面図。
【図３】（Ａ）図は第１実施例の水晶振動子を構成する上側基板の下面図、（Ｂ）図はその断面図。
【図４】（Ａ）図は第１実施例の水晶振動子を構成する下側基板の上面図、（Ｂ）図はその断面図。
【図５】（Ａ）図〜（Ｃ）図は、図１の封止工程において金属ペースト封止材がペースト状態から再結晶化する過程を模式的に示す部分拡大断面図。
【図６】（Ａ）図は本発明の方法を適用した水晶振動子の製造工程において、一体に貼り合わせる３枚の水晶ウエハを示す概略斜視図、（Ｂ）図は金属ペースト封止材を塗布した中間水晶ウエハを示す部分拡大断面図。
【図７】（Ａ）図は３枚の水晶ウエハを接合する要領を示す説明図、（Ｂ）図は３枚の水晶ウエハの接合体を示す概略斜視図。
【図８】金属ペースト材を塗布した図６の中間水晶ウエハを示す部分拡大平面図。
【図９】（Ａ）図は本発明の方法により第２実施例の水晶振動子を封止する工程を示す断面図、（Ｂ）図は封止した第２実施例の水晶振動子を示す断面図。
【図１０】第２実施例の水晶振動子のベースの平面図。
【図１１】第２実施例の水晶振動子のリッドの下面図。
【図１２】本発明を適用した水晶発振器の断面図。
【図１３】図１２の水晶発振器のベースの平面図。
【図１４】図１２の水晶発振器のリッドの下面図。
【図１５】（Ａ）、（Ｂ）図は図１２の水晶発振器の封止工程を示す部分拡大断面図。
【図１６】本発明を適用した別の水晶発振器の断面図。
【図１７】図１６の水晶発振器の中間水晶板の上面図。
【図１８】図１６の水晶発振器の上側基板の下面図。
【図１９】本発明を適用した音叉型水晶振動子の断面図。
【図２０】（Ａ）図は図１９の水晶振動子の中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図。
【図２１】図１９の水晶振動子の上側基板の下面図。
【図２２】図１９の水晶振動子の下側基板の上面図。
【符号の説明】
【００９８】
１，４１，６１，８１，１０１…水晶振動子、２，８２，１０２…中間水晶板、３，８３，１０３…上側基板、３ａ，４ａ，８３ａ，１０３ａ，１０４ａ…凹部、４，８３，１０４…下側基板、５，４５，６５，８５，１０５…水晶振動片、５ａ，４５ａ，６５ａ，８５ａ，１０５ａ…基端部、６，８６，１０６…外枠、７，８，４６，６６，８７，１０７，１０９…励振電極、７ａ，８ａ，８７ａ…配線膜、９，１０，１３，８８，１０８，１１０，１１２…導電金属薄膜、１１，８９，１１１…スルーホール、１２，１６，３０ａ…領域、１４，１５，１７，５１，５２，７０，７３，９２，１１３〜１１５…金属薄膜、１８〜２０，３４，３５，３９，５３，７６…金属ペースト封止材、２１…金属粒子、２２…欠け、２３…樹脂、２４…１次焼結体、２５〜２７，５４，７７，９５，９６，１１７〜１１９…接合膜、２８，４４…キャビティ、３０…中間水晶ウエハ、３１…上側水晶ウエハ、３２…下側水晶ウエハ、３３…貫通孔、３６…ディスペンサ、３７…ウエハ積層体、３８…外郭線、４２，６２…ベース、４２ａ〜４２ｃ…セラミック材料薄板、４３，６３…リッド、４７，６７…引出電極、４８，６８…電極パッド、４９，６９…導電性接着剤、５０…薄板、７１，７２，７４，７５，９０，９１，９３，９４…ボンディングパッド、７８…Ａｕボール、７９，９７，９８…バンプ、１１６…封止孔、１２０…シール材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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