JP2009039843A - 電気部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い電気部品およびその製造方法を提供する。
【解決手段】機能素子１１を有する基板１２と、機能素子１１よりサイズの大きい凹部１３ａを有する蓋体１３と、凹部１３ａと機能素子１１が対向し、基板１２に蓋体１３を固着する接着層１４と、接着層１４の外側を被覆し、且つ接着層１４よりガス透過率の小さい封止層１５と、を具備する。基板１２と凹部１３ａで囲まれた空洞内の雰囲気を、接着層１４を介して調整した後に、接着層１４の外側を封止層１５で被覆する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気部品およびその製造方法に関する。

可動部を有する機能素子は、動作空間を確保するとともに外気の浸入を遮断して機能素子を保護するために、キャビティ内に気密封止されている。

従来、気密封止は金属封止法、ハンダ封止法、ガラス封止法など、ガスが透過しない封止材を用いて行われている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に開示された電子デバイスは、デバイス本体と蓋体とを超音波接合して、気密封止構造を形成した後に、超音波接合部の強度を高めるとともに、気密封止の効果も高めるとして、その超音波接合部の外側に、それを取り囲んでエポキシ、ポリイミドなどの封止樹脂を更に有している。

然しながら、金属封止法やハンダ封止法は、機能素子や電気配線と封止金属との間に寄生容量が生じるので、機能素子の特性に影響を与える問題がある。また、樹脂は本来気密性が低いので、補助的な封止効果しか期待でないという問題がある。
ガラス封止法は、封止温度が３００〜４００℃と高いので、耐熱性の低い機能素子の気密封止には適さないという問題がある。
特開２００４−２０９５８５号公報

本発明は、信頼性の高い電気部品およびその製造方法を提供する。

本発明の一態様の電気部品は、機能素子を有する基板と、前記機能素子よりサイズの大きい凹部を有する蓋体と、前記凹部と前記機能素子が対向し、前記基板に前記蓋体を固着する接着層と、前記接着層の外側を被覆し、且つ前記接着層よりガス透過率の小さい封止層と、を具備することを特徴としている。

本発明の一態様の電気部品の製造方法は、機能素子を有する基板に、前記機能素子よりサイズの大きい凹部を有する蓋体を、前記機能素子と前記凹部を対向させて、接着層で固定する工程と、前記基板と前記凹部で囲まれた空洞内の雰囲気を、前記接着層を介して調整する工程と、前記接着層の外側を、前記接着層よりガス透過率の小さい封止層で被覆する工程と、を具備することを特徴としている。

本発明によれば、信頼性の高い電気部品およびその製造方法が得られる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例に係る電気部品およびその製造方法について図１および図２を用いて説明する。図１は電気部品を示す断面図、図２は電気部品の製造工程を順に示す断面図である。

図１に示すように、本実施例の電気部品１０は、機能素子１１を有する基板１２と、機能素子１１よりサイズの大きい凹部１３ａを有する蓋体１３と、凹部１３ａと機能素子１１が対向し、基板１２に蓋体１３を固定する接着層１４と、接着層１４の外側を被覆し、且つ接着層１４よりガス透過率の小さい封止層１５と、を具備している。

基板１２は、例えばシリコン基板である。機能素子１１は、例えば基板１２に作り込まれた静電駆動型のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）可変キャパシタである。

ＭＥＭＳ可変キャパシタは、例えば対向したアルミニウム電極に電圧を印加すると、静電引力によってアルミニウム電極間の距離が変化することを利用した可変キャパシタである。

蓋体１３は、例えば基板１２と同じ材質で、機能素子１１を外部から保護するためのキャップである。蓋体１３に形成された凹部１３ａは、機能素子１１の動作空間を確保するためのキャビティである。

キャビティ内は、有害ガス、例えば水分によりアルミニウム電極の清浄性が損なわれ、ＭＥＭＳ可変キャパシタの特性に影響を及ぼさないように、乾燥雰囲気、または真空雰囲気に保たれている。

接着層１４は、例えばシリコーン系樹脂または無機接着材である。後述するように、接着層１４で、基板１２に蓋体１３を固着した後に、キャビティ内は乾燥雰囲気、または真空雰囲気に保たれる。

水分や有害ガスが接着層１４を透過して、キャビティ内から短時間で排気されるように、接着層１４のガス透過率は、キャビティの内容積に応じて大きいほど好ましい。
ＭＥＭＳに代表される機能素子を収納するキャビティのサイズは、例えば２×２×０．０４ｍｍ程度なので、ガス透過率は１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａより大きいことが実用上望ましい。

封止層１５は、水分を含む外気が接着層１４を逆に透過してキャビティ内に浸入しないように、接着層１４の外側を含む基板１２、蓋体１３の全面を被覆している。

従って、封止層１５は、接着層１４よりガス透過率が小さい材料であり、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン酸窒化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜などの無機化合物膜が適している。
これらの無機化合物膜は緻密な膜であり、そのガス透過率は非常に小さく、例えば厚さ１μｍ以下の薄膜でもガスの透過は無視することができる。

次に、電気部品１０の製造方法について説明する。
図２（ａ）に示すように、シリコンウェーハに複数の機能素子１１が形成された基板１２を用意する。シリコンウェーハに複数の凹部１３ａと、隣り合う凹部１３ａの間にストライプ状の溝２１とが形成された蓋体１３を用意する。

次に、シリコンウェーハの凹部１３ａと溝２１側の面に、接着材２２として、例えばシリコーン樹脂を塗布した後、基板１２に対して、機能素子１１と凹部１３ａとが対向するように蓋体１３の位置決めを行い、蓋体１３を基板１２上に載置する。

次に、図２（ｂ）に示すように、加熱、加圧して、接着材２２をキュアさせることにより、接着材２２が接着層１４となり、基板１２と蓋体１３とが固着される。

次に、図２（ｃ）に示すように、グラインダーを用いて、基板１２および蓋体１３がそれぞれ所定の厚さになるように研削する。
蓋体１３は溝２１を越える厚さまで研削され、溝２１が貫通することにより、蓋体１３が個片化される。

このとき、図２（ｂ）の工程終了時点から図２（ｃ）の工程終了までの工程は大気雰囲気で行う工程のため、水分が個片化された蓋体１３の接着層１４を透過して、凹部１３ａのキャビティ内に浸入する。

次に、蓋体１３が個片化された基板１２を容器（図示せず）に収納し、容器内に乾燥ガスを流して、容器内を低湿度雰囲気にする。
これにより、接着層１４を透過して凹部１３ａのキャビティ内に浸入した水分が、分圧の差により接着層１４を透過して外部に拡散し、キャビティ内から除去される。

次に、図２（ｄ）に示すように、水分が再び凹部１３ａのキャビティ内に浸入するのを防止するために、接着層１４の外側を含む基板１２および個片化された蓋体１３の全面に、封止層１５を形成する。

封止層１５として、例えばプロセスガスとしてＳｉＨ_４とＮＨ_３を用い、２５０〜３００℃程度の低温で成膜でき、ステップカバレッジの良いプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、厚さ１μｍ程度のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を形成する。
プラズマＣＶＤ法で形成されたシリコン窒化膜は、膜質が緻密であり、耐湿性、機械的強度に優れているので、封止層として適している。

次に、図３（ｅ）に示すように、ダイヤモンドのブレード２３を用いて、貫通した溝２１に沿って基板１２をダイシングし、基板１２を個片化する。これにより、図１に示す電気部品１０が得られる。

図３は、接着層１４のガス透過率をパラメータとして、凹部１３ａのキャビティ内の湿度の時間変化を計算した結果を示す図である。
計算に用いた初期条件は、温度が３０℃、キャビティ内の初期湿度が８０％、外部湿度が０％、キャビティサイズが２×２×０．０４ｍｍ、接着層１４の長さが２００μｍ、接着層１４の厚さが１０μｍである。

図３に示すように、ガス透過率が５×１０^−１５ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａから１×１０^−１２と大きくなるにつれて、キャビティ内の湿度が急速に低下する。
キャビティ内の湿度が１％以下になる時間は、ガス透過率が１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａのときに、１０分程度であり、電気部品１０の製造工程において１つの工程の処理時間としては、実用的な値である。

一方、ガス透過率が１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａより小さくなると、キャビティ内の湿度が１％以下になる時間は急激に長くなるので、生産性が低下し、実用性が乏しくなる。

これにより、接着材２２による基板１２と蓋体１３との固着および封止層１５の被覆を３００℃以下の低温で行なうことができるので、耐熱性の低い機能素子１１を気密封止することが可能である。

その結果、電気部品１０の製造工程において、耐熱性不足に起因する機能素子１１の特性低下、故障が生じることを防止することができる。
電気部品１０の使用中に、有害ガスに起因する機能素子１１の特性低下、故障が生じることを防止することができる。

以上説明したように、本実施例では、ガス透過率の大きい接着層１４により、基板１２と蓋体１３とを固着した後に、接着層１４を透過して凹部１３ａのキャビティ内の有害ガスを除去している。

その後に、接着層１４の外側をガス透過率の小さい封止層１５で被覆することにより、接着層１４を透過して有害ガスが凹部１３ａのキャビティ内に浸入するのを防止している。

その結果、低温でキユアできる接着材２２を用いて基板１２と蓋体１３とを固着し、低温で形成できる封止層１５を用いて接着層１４の外側を被覆することにより、耐熱性の低い機能素子１１を気密封止することができる。

従って、製造工程において耐熱性不足による機能素子１１の特性低下や、使用中に有害ガスによる機能素子１１の故障を招く恐れが皆無であり、信頼性の高い電気部品およびその製造方法が得られる。

ここでは、凹部１３ａのキャビティ内を脱湿して乾燥雰囲気に保持する場合について説明したが、真空雰囲気に保持しても構わない。
真空雰囲気であれば、水分以外の有害ガス、例えば酸化性ガスや、腐食性ガスなども除去することができる利点がある。

図４は、接着層１４のガス透過率をパラメータとして、凹部１３ａのキャビティ内の真空度の時間変化を計算した結果を示す図である。
計算に用いた初期条件は、温度が３０℃、キャビティ内初期圧力が１０１３ｈＰａ、外部圧力が１ｈＰａ、キャビティサイズが２×２×０．０４ｍｍ、接着層１４の長さが２００μｍ、接着層１４の厚さが１０μｍである。

図４に示すように、ガス透過率が１×１０^−１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａから１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａと大きくなるにつれて、キャビティ内の圧力が急速に低下する。
キャビティ内の圧力が１ｈＰａに到達するまでの時間は、ガス透過率が１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａでは、３０分程度である。
一方、ガス透過率が１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａより小さくなると、キャビティ内の湿度が１ｈＰａになる時間は急激に長くなる。

接着層１４となる接着材２２がシリーコン系樹脂である場合について説明したが、無機接着材でも同様の効果を得ることができる。

封止層１５が、プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜である場合について説明したが、シリコン酸化膜、シリコン炭化膜、シリコン酸窒化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム窒化膜でも構わない。

封止層１５がシリコン酸化膜の場合は、例えばプロセスガスとしてＳｉＨ_４とＮ_２Ｏを用いたプラズマＣＶＤ法により、２５０〜３００℃程度の低温で形成することができる。シリコン酸窒化膜の場合も同様である。
封止層１５がシリコン炭化膜の場合は、例えばプロセスガスとしてＳｉＨ_４とＣＨ_４を用いたプラズマＣＶＤ法により、２５０〜３００℃程度の低温で形成することができる。

封止層１５をプラズマＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、スパッタリング法や、真空蒸着法により形成しても構わない。
スパッタリング法や、真空蒸着法では、陰になる部分のステップカバレッジが悪いので、基板１２をプラネタリ方式で満遍なく回転させながら形成する必要がある。
スパッタ法や真空蒸着法では、基板１２を過熱する必要がないので、プラズマＣＶＤ法より更に低温で封止層１５が形成できる利点がある。

機能素子１１が、静電駆動型のＭＥＭＳ可変キャパシタである場合について説明したが、圧電駆動型のＭＥＭＳ可変キャパシタであっても構わない。
また、その他のＭＥＭＳ、例えば、下部電極と上部電極とで圧電性薄膜を挟持し、機械的振動を阻害しないように圧電性薄膜の下側に凹部を有する基板に形成された薄膜圧電共振子（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）であっても同様である。

本発明の実施例に係る電気部品を示す断面図。 本発明の実施例に係る電気部品の製造工程を順に示す断面図。 本発明の実施例に係る電気部品のキャビティ内の湿度の変化を示す図。 本発明の実施例に係る電気部品のキャビティ内の真空度の変化を示す図。

符号の説明

１０ 電気部品
１１ 機能素子
１２ 基板
１３ 蓋体
１３ａ 凹部
１４ 接着層
１５ 封止層
２１ 溝
２２ 接着材
２３ ブレード

Claims (5)

1. 機能素子を有する基板と、
   前記機能素子よりサイズの大きい凹部を有する蓋体と、
   前記凹部と前記機能素子が対向し、前記基板に前記蓋体を固着する接着層と、
   前記接着層の外側を被覆し、且つ前記接着層よりガス透過率の小さい封止層と、
   を具備することを特徴とする電気部品。
2. 前記接着層が、シリコーン系樹脂、または無機接着材であることを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
3. 前記接着層のガス透過率が、１×１０^−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓ・Ｐａより大きいことを特徴とする請求項１に記載の電気部品。
4. 機能素子を有する基板に、前記機能素子よりサイズの大きい凹部を有する蓋体を、前記機能素子と前記凹部を対向させて、接着層で固定する工程と、
   前記基板と前記凹部で囲まれた空洞内の雰囲気を、前記接着層を介して調整する工程と、前記接着層の外側を、前記接着層よりガス透過率の小さい封止層で被覆する工程と、
   を具備することを特徴とする電気部品の製造方法。
5. 前記接着層が、シリコーン系樹脂、または無機接着材であることを特徴とする請求項４に記載の電気部品の製造方法。

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