特開 2024-157791 振動デバイス及び振動デバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157791

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】振動デバイス及び振動デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20241031BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 H

H03B5/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072369

(22)【出願日】2023-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】近藤 学

【テーマコード（参考）】

5J079

【Ｆターム（参考）】

5J079AA04

5J079BA02

5J079BA43

5J079CA04

5J079HA03

5J079HA07

5J079HA25

5J079HA29

(57)【要約】

【課題】周波数安定性に優れた振動デバイス及び振動デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】振動デバイス１は、振動素子４３が収容された容器３０と、容器３０が搭載される第１面１４及び第１面１４と表裏関係にある第２面１５を有するベース基板１１と、容器３０とベース基板１１との間に設けられ、第１面１４の接合部２１に接合されたバンプ２３と、第１面１４とバンプ２３との間に設けられたコーティング部材２２と、を備え、バンプ２３と第１面１４とがなす接触角θ１は、鈍角である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動素子が収容された容器と、
前記容器が搭載される第１面及び前記第１面と表裏関係にある第２面を有するベース基板と、
前記容器と前記ベース基板との間に設けられ、前記第１面の接合部に接合されたバンプと、
前記第１面と前記バンプとの間に設けられたコーティング部材と、を備え、
前記バンプと前記第１面とがなす接触角は、鈍角である、
振動デバイス。

【請求項2】

前記コーティング部材は、フッ素コーティング処理により形成されている、
請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項3】

前記容器は、接着剤を介して前記バンプに接着されている、
請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項4】

前記容器に収容され、前記振動素子の温度を制御する温度制御回路を備える、
請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項5】

前記ベース基板を含み、前記容器を収容する外側容器をさらに備える、
請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項6】

振動素子が収容された容器と、前記容器が搭載される第１面及び前記第１面と表裏関係にある第２面を有するベース基板と、前記容器と前記ベース基板との間に設けられ、前記第１面の接合部に接合されたバンプと、を備えた振動デバイスの製造方法であって、
前記接合部の表面エネルギーを低減する表面処理工程を含む、
振動デバイスの製造方法。

【請求項7】

前記表面処理工程において、前記接合部にフッ素コーティング処理が施される、
請求項６に記載の振動デバイスの製造方法。

【請求項8】

前記表面処理工程において、前記接合部に塗布材が塗布される、
請求項６に記載の振動デバイスの製造方法。

【請求項9】

前記表面処理工程において、前記接合部の表面を荒らす処理が施される、
請求項６に記載の振動デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動デバイス及び振動デバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

温度補償型発振器は、振動片と、振動片を発振させるための発振回路と温度補償回路を有する集積回路と、を備え、集積回路が所定の温度範囲で振動片の発振周波数の所望する周波数からのずれを温度補償することにより、高い周波数精度が得られる。このような温度補償型発振器として、例えば、特許文献１には、振動片を収容した第１容器と集積回路とを積層して第２容器に収容することで、振動片と集積回路との温度差を小さくし、より高い周波数精度を得ようとする温度補償型発振器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－３６４７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載された温度補償型発振器は、振動片と集積回路との温度差を小さくするために、振動片を収容した第１容器のベースに集積回路を積層し、第１容器のリッドの全面を第２容器のベースの凹部底面に固定している。そのため、第１容器と第２容器のベースとの熱の授受が増大し、第２容器のベースを介して外部の温度変化の影響を受け易くなり、出力される発振周波数の周波数安定性が劣化する虞があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

振動デバイスは、振動素子が収容された容器と、前記容器が搭載される第１面及び前記第１面と表裏関係にある第２面を有するベース基板と、前記容器と前記ベース基板との間に設けられ、前記第１面の接合部に接合されたバンプと、前記第１面と前記バンプとの間に設けられたコーティング部材と、を備え、前記バンプと前記第１面とがなす接触角は、鈍角である。

【0006】

振動デバイスの製造方法は、振動素子が収容された容器と、前記容器が搭載される第１面及び前記第１面と表裏関係にある第２面を有するベース基板と、前記容器と前記ベース基板との間に設けられ、前記第１面の接合部に接合されたバンプと、を備えた振動デバイスの製造方法であって、前記接合部の表面エネルギーを低減する表面処理工程を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図2】図１中のＡ－Ａ線における断面図。

【図3】図２中のＢ部の拡大図。

【図4】従来のバンプの形状を示す断面図。

【図5】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を示すフローチャート図。

【図6】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図7】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図8】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図9】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図10】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図11】第１実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図12】第２実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す断面図。

【図13】第２実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図14】第３実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す断面図。

【図15】第３実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【図16】第３実施形態に係る振動デバイスの製造方法を説明する断面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

１．第１実施形態
１．１．振動デバイス
先ず、第１実施形態に係る振動デバイス１について、ダブルシール構造の温度制御型発振器を一例として挙げ、図１、図２、及び図３を参照して説明する。
尚、図１において、振動デバイス１の内部の構成を説明する便宜上、リッド２７を取り外した状態を図示している。また、図１、図２、及び図３において、外側容器５に設けられた内部端子１９と外部端子２０とを電気的に接続する配線や容器３０内に設けられた端子及び配線は、図示を省略している。

【0009】

また、説明の便宜上、図５を除く以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。

【0010】

本実施形態に係る振動デバイス１は、図１、図２、及び図３に示すように、容器３０に集積回路４１と振動素子４３とを収容した発振器４０と、発振器４０を収容する外側容器５と、を有する。

【0011】

発振器４０は、集積回路４１と、振動素子４３と、集積回路４１及び振動素子４３を収容する容器３０と、を有する。

【0012】

容器３０は、セラミック等からなるベース３１と、金属、セラミック、ガラス等からなるリッド３２と、で構成され、シールリングや低融点ガラス等の接合部材３６を介してベース３１とリッド３２とが接合されている。

【0013】

ベース３１は、図２に示すように、平板状の第１基板３３と、中央部が除去された環状の第２基板３４と、環状の開口部が第２基板３４の開口部より大きい第３基板３５と、を積層して形成されている。また、第１基板３３の第２基板３４とは反対側の面に複数の端子３７が設けられている。環状の第２基板３４と第３基板３５とによって、ベース３１の内部に振動素子４３と集積回路４１とを収容する収容空間Ｓ２が形成される。収容空間Ｓ２は、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されている。尚、収容空間Ｓ２の雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

【0014】

第１基板３３の収容空間Ｓ２側の面に、図２に示すように、金属バンプや半田等の導通性の接合部材４２を介して集積回路４１が接合されている。また、第２基板３４の第３基板３５と重ならない部分の面に、導電性接着剤等の導通性の接合部材４７を介して振動素子４３が接合されている。

【0015】

なお、集積回路４１は、第１基板３３の収容空間Ｓ２側の面に設けられた図示しない配線や図示しない貫通電極等を介して、端子３７と電気的に接続されている。また、振動素子４３は、第２基板３４のリッド３２側の面に設けられた図示しない端子や図示しない貫通電極等を介して、集積回路４１と電気的に接続されている。

【0016】

集積回路４１は、容器３０の収容空間Ｓ２に収容され、振動素子４３を発振させるための発振回路６１と、振動素子４３の温度を制御する温度制御回路６２と、収容空間Ｓ２内の温度を検出する温度センサー６３と、収容空間Ｓ２内を加熱するヒーター６４と、を有する。温度制御回路６２は、温度センサー６３が検出する温度に伴って、収容空間Ｓ２内が所定の温度となるようにヒーター６４を制御するので、振動素子４３が所定の温度に維持される。そのため、発振器４０は、所定の発振周波数を常に出力することができる。

【0017】

振動素子４３は、容器３０の収容空間Ｓ２に収容され、平板状の基板４４と、基板４４の表裏の関係にある２つの面に設けられている励振電極４５及びパッド電極４６と、を有する。振動素子４３は、Ｘ方向の一方の端部を接合部材４７で容器３０に固定された片持ち梁構造である。励振電極４５は、２つの面に設けられた図示しないリード電極を介してパッド電極４６と電気的に接続されている。従って、励振電極４５は、パッド電極４６や導通性の接合部材４７を介して、集積回路４１と電気的に接続されている。振動素子４３は、励振電極４５を含む基板４４の質量に応じた周波数で発振する。尚、振動素子４３としては、例えば、水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子、その他の圧電振動子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems） 振動子等を用いることができる。基板４４の材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。

【0018】

外側容器５は、セラミック等からなるベース１０と、金属、セラミック、ガラス等からなるリッド２７と、で構成され、シールリングや低融点ガラス等の接合部材２８を介してベース１０とリッド２７とが接合されている。

【0019】

ベース１０は、図２に示すように、平板状のベース基板１１と、中央部が除去された環状の第２基板１２と、環状の開口部が第２基板１２の開口部より大きい第３基板１３と、を積層して形成されている。また、平面視で、第２基板１２の第３基板１３と重ならない部分の面に、図１に示すように、複数の内部端子１９が設けられている。更に、ベース基板１１の第２面１５に複数の外部端子２０が設けられている。尚、内部端子１９と外部端子２０とは、図示しない貫通電極等を介して電気的に接続されている。環状の第２基板１２と第３基板１３とによって、ベース１０の内部に発振器４０を収容する収容空間Ｓ１が形成される。収容空間Ｓ１は、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されている。なお、収容空間Ｓ１の雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

【0020】

ベース基板１１は、Ｘ方向及びＹ方向に広がる第１面１４及び第１面１４と表裏関係にある第２面１５を有し、Ｚ方向を厚さとする。ベース基板１１の第１面１４に振動素子４３が収容された容器３０が搭載されている。また、第１面１４には、平面視で、容器３０と重なる位置、つまり、容器３０の外周より内側の位置に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性のバンプ２３が複数設けられている。

【0021】

バンプ２３は、図２及び図３に示すように、容器３０とベース基板１１との間に設けられ、第１面１４の接合部２１に接合されている。また、第１面１４とバンプ２３との間にコーティング部材２２が設けられており、コーティング部材２２は、接合部２１の表面の表面エネルギーを低減させる表面処理であるフッ素コーティング処理により形成されている。バンプ２３上には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性の接着剤２４を介して容器３０が接着されている。従って、容器３０は、第１面１４の接合部２１上にコーティング部材２２、バンプ２３、接着剤２４の順で積層された上に搭載されている。

【0022】

尚、コーティング部材２２の構成材料としては、フッ素樹脂であり、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカンポリマー、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー、エチレン-テトラフルオロエチレンコポリマー等である。

【0023】

また、バンプ２３は、フッ素コーティング処理で形成されたコーティング部材２２上に配置されている。そのため、コーティング部材２２上にバンプ材料を塗布してバンプ２３を形成する際、コーティング部材２２により接合部２１の表面エネルギーが低減しているので、バンプ材料のコーティング部材２２と接触する側の表面張力が大きくなり、バンプ２３は、完全な球体に近い球状となるので、バンプ２３と第１面１４とがなす接触角θ１が鈍角となる。尚、「接触角」とは、断面図において、バンプ２３の外縁が第１面１４に接する点におけるバンプ２３外縁の接線と、第１面１４と、がなすバンプ２３側の角度である。

【0024】

従って、従来のコーティング部材２２が設けられていない接合部２１上にバンプ材料を塗布しバンプ２３を形成する方法では、図４に示すように、バンプ２３ａは、接合部２１の表面エネルギーが大きいので、接合部２１上に広がり半球状となるので、バンプ２３ａと第１面１４とがなす接触角θ２が鋭角となる。そのため、図４に示すバンプ２３ａの高さＨ２に比べ、本実施形態の図３に示すバンプ２３の高さＨ１を高くすることができ、容器３０とベース基板１１との間を広くすることができる。よって、容器３０の熱がベース基板１１を介して外部に伝達するのを抑制し、容器３０の断熱性を高めることができ、出力される発振周波数の周波数安定性を図ることができる。

【0025】

接着剤２４を介してバンプ２３に接着された容器３０は、ベース３１に設けられた端子３７がベース１０に設けられた内部端子１９とボンディングワイヤー５２を介して電気的に接続されている。従って、ベース３１に設けられた端子３７とベース基板１１に設けられた外部端子２０とは、ボンディングワイヤー５２、内部端子１９、及び図示しない貫通電極等を介して電気的に接続されているので、発振器４０から出力される発振周波数を外部端子２０から出力することができる。

【0026】

本実施形態の振動デバイス１は、ベース基板１１の第１面１４とバンプ２３との間に接合部２１の表面の表面エネルギーを低減させるコーティング部材２２が設けられている。そのため、バンプ２３と第１面１４とがなす接触角θ１が鈍角となり、バンプ２３を高くすることができる。従って、容器３０とベース基板１１との間を広くすることができるので、容器３０の熱がベース基板１１を介して外部に伝達するのを抑制することができる。また、断熱性能が向上したことで、消費電力の低減化も図ることができる。よって、容器３０の断熱性を高めることができ、低消費電力で、出力される発振周波数の周波数安定性に優れた振動デバイス１を得ることができる。

【0027】

１．２．振動デバイスの製造方法
次に、振動デバイス１の製造方法について、図５～図１１を参照して説明する。
尚、図６～図１１は、図３に相当する位置の断面図である。
本実施形態の振動デバイス１の製造方法は、図５に示すように、表面処理工程、バンプ形成工程、容器搭載工程、及び封止工程を含む。

【0028】

１．２．１．表面処理工程
ステップＳ１において、ベース基板１１の第１面１４の接合部２１の表面エネルギーを低減する表面処理であるフッ素コーティング処理を施し、フッ素樹脂で構成されるコーティング部材２２を形成する。具体的には、図６に示すように、スプレー塗布装置等のスプレーノズル７１先端からコーティング部材２２を接合部２１に噴霧し、その後、焼成することで、図７に示すように、接合部２１上にコーティング部材２２が形成される。

【0029】

１．２．２．バンプ形成工程
ステップＳ２において、図８に示すように、接合部２１上に形成されたコーティング部材２２上に、ディスペンサー７２でエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性のバンプ部材２３ｂを塗布する。その後、加熱してバンプ部材２３ｂを硬化することで、図９に示すように、コーティング部材２２上に球状のバンプ２３が形成される。

【0030】

１．２．３．容器搭載工程
ステップＳ３において、図１０に示すように、バンプ２３上に、ディスペンサー７２でエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性の接着剤２４を塗布する。その後、平面視で、バンプ２３及び接着剤２４と重なる位置に、振動素子４３が収容された容器３０を配置し、加熱して接着剤２４を硬化することで、図１１に示すように、バンプ２３上に接着剤２４を介して、容器３０が接着される。

【0031】

１．２．４．封止工程
ステップＳ４において、ベース１０の容器３０が収容された収容空間Ｓ１を塞ぐように、ベース１０に設けられた接合部材２８上にリッド２７を配置する。その後、接合部材２８を溶融又は加熱し、ベース１０とリッド２７とを接合する。

【0032】

本実施形態の振動デバイス１の製造方法は、第１面１４の接合部２１に接合部２１の表面の表面エネルギーを低減させるコーティング部材２２を形成する表面処理工程を含んでいる。そのため、接合部２１上に形成されたコーティング部材２２によって、バンプ２３をバンプ２３と第１面１４とがなす接触角θ１が鈍角となる球状とすることができ、バンプ２３を高くすることができる。従って、容器３０とベース基板１１との間を広くすることができ、容器３０の熱がベース基板１１を介して外部に伝達するのを抑制することができる。よって、容器３０の断熱性を高めることができ、出力される発振周波数の周波数安定性に優れた振動デバイス１を製造することができる。

【0033】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る振動デバイス１ａについて、図１２及び図１３を参照して説明する。尚、図１２及び図１３は、図３に相当する位置の断面図である。

【0034】

本実施形態の振動デバイス１ａは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、コーティング部材２２ａを形成する表面処理工程が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

【0035】

振動デバイス１ａは、図１２に示すように、第１面１４とバンプ２３との間に設けられたコーティング部材２２ａが塗布材として塗布されることによって作成されている。従って、容器３０は、第１面１４の接合部２１上にコーティング部材２２ａ、バンプ２３、接着剤２４の順で積層された上に搭載されている。

【0036】

本実施形態の振動デバイス１ａの製造方法は、表面処理工程において、図１３に示すように、接合部２１上に、ディスペンサー７２でエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性のコーティング部材２２ａを塗布材として塗布する。その後、塗布されたコーティング部材２２ａは、自重によって接合部２１上に薄く広がり、その後、焼成することで、接合部２１上にコーティング部材２２ａが形成される。コーティング部材２２ａの塗布量を調整することでコーティング部材２２ａの面積を調整することができる。

【0037】

本実施形態の振動デバイス１ａは、表面処理工程において、コーティング部材２２ａを塗布材として塗布することで、接合部２１上にコーティング部材２２ａを形成している。そのため、コーティング部材２２ａの塗布量を調整することで、コーティング部材２２ａの面積を調整することができる。また、第１面１４とバンプ２３との間にコーティング部材２２ａが設けられているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0038】

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る振動デバイス１ｂについて、図１４、図１５、及び図１６を参照して説明する。尚、図１４、図１５、及び図１６は、図３に相当する位置の断面図である。

【0039】

本実施形態の振動デバイス１ｂは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、接合部２１の表面処理工程が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

【0040】

振動デバイス１ｂは、図１４に示すように、バンプ２３と接する第１面１４の接合部２１の表面に凹凸が設けられている。接合部２１の表面を荒らすことで、接合部２１の表面の表面エネルギーを低減させることができる。そのため、バンプ２３をバンプ２３と第１面１４とがなす接触角θ１が鈍角となる球状とすることができ、バンプ２３を高くすることができる。

【0041】

本実施形態の振動デバイス１ｂの製造方法は、表面処理工程において、図１５に示すように、プラズマエッチング、ケミカルエッチング、サンドブラスト等により接合部２１の表面に凹凸を設ける荒らす処理を施す。次に、バンプ形成工程において、図１６に示すように、凹凸が設けられた接合部２１上に、ディスペンサー７２でエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性のバンプ部材２３ｂを塗布する。その後、加熱してバンプ部材２３ｂを硬化することで、接合部２１上に球状のバンプ２３が形成される。

【0042】

本実施形態の振動デバイス１ｂは、表面処理工程において、接合部２１の表面を荒らす処理を行い、接合部２１の表面の表面エネルギーを低減させているので、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0043】

１，１ａ，１ｂ…振動デバイス、５…外側容器、１０…ベース、１１…ベース基板、１２…第２基板、１３…第３基板、１４…第１面、１５…第２面、１９…内部端子、２０…外部端子、２１…接合部、２２，２２ａ…コーティング部材、２３，２３ａ…バンプ、２３ｂ…バンプ部材、２４…接着剤、２７…リッド、２８…接合部材、３０…容器、３１…ベース、３２…リッド、３３…第１基板、３４…第２基板、３５…第３基板、３６…接合部材、３７…端子、４０…発振器、４１…集積回路、４２…接合部材、４３…振動素子、４４…基板、４５…励振電極、４６…パッド電極、４７…接合部材、５２…ボンディングワイヤー、６１…発振回路、６２…温度制御回路、６３…温度センサー、６４…ヒーター、Ｈ１，Ｈ２…高さ、Ｓ１，Ｓ２…収容空間、θ１，θ２…接触角。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】