JP2004135001A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックから成る容器を用いた圧電振動子において、容器の大型化を招くことなく容器を構成するセラミック材料の熱伝導性を低下させることにより、マザーボードへの実装時等に加わる熱が容器内の圧電振動素子に対してストレスを与えることを防止することができる圧電振動子を提供する。
【解決手段】上面に設けた凹陥部４内に内部電極５を備えると共に外底部に表面実装用の外部電極６を備えたセラミック容器本体３と、セラミック容器本体の凹陥部を気密閉止する蓋部材１０と、を備えたセラミック容器２と、凹陥部内の内部電極に電気的機械的に接続される圧電振動素子１５と、を備えた圧電振動子１において、セラミック容器本体、或いは蓋部材の少なくとも一部は、１層又は複数層の熱伝導遅延層３０を、剛性及び熱伝導性が高いセラミック層３１にて包囲した多層構造を備えている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶振動子等の圧電振動子のセラミック容器の改良に関し、特にセラミック容器の熱伝導性を部分的に低減させて内蔵した圧電振動素子に対する熱による悪影響を可能な限り低減するようにした圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種電子機器、通信機器において、基準周波数源、周波数制御手段として用いられている水晶振動子、水晶フィルタ等の圧電デバイスに対して、小型化、高信頼性化が強く求められている。この要請に応じるために、圧電デバイスにおいても表面実装化が進行しており、水晶等の圧電基板の主面に励振電極を形成した圧電振動素子を表面実装型のセラミック容器内に気密封止したタイプが一般的になっている。
【０００３】
図４は従来のセラミック容器を用いた表面実装型圧電振動子の実装状態を示す断面図であり、マザーボード１２０上に実装された圧電振動子１０１は、上面に設けた凹陥部１０４内に内部電極１０５を備えると共に外底部に表面実装用の外部電極１０６を備えたセラミック容器本体１０３と、セラミック容器本体の凹陥部１０４を気密封止するために外壁上面にガラス封止等によって固定された蓋部材１１０と、を備えた容器１０２と、凹陥部１０４内の内部電極１０５に導電性接着剤１１６によって電気的機械的に接続される圧電振動素子１１５と、を備えている。
セラミック容器本体１０３は、アルミナ（ＡＬ_２０_３）の一体成形品、或いはアルミナシートを多層化して一体化した構成を備えている。蓋部材１１０は、金属、或いは容器本体１０３と同一材料にて構成されている。この例では、容器本体１０３の底板部は３枚のアルミナシートを積層して焼き固めた構成を有し、凹陥部１０４を構成する外壁１０４‘は底板部上に厚肉の環状のセラミックシートを積層して焼き固めた構成を有する。更に、この例の蓋部材１１０は複数枚のアルミナシートにて構成されている。
【０００４】
このような圧電振動子１０１をマザーボード１２０上に実装する際には、フロー法、或いはリフロー法によってマザーボード１２０上のランド１２１と外部電極１０６とを半田１２２を用いて接続する。この際、炉内にて加熱を受ける容器１０２に対して上下左右全方位から高熱が加わるため、容器本体１０３，及び蓋部材１１０を介して伝導した熱が容器内部の圧電振動素子１１５に対して急激に加わり、圧電振動素子１１５に熱的ストレスを与え、共振周波数の変動等の特性の不安定化、寿命の低下等の不具合をもたらす原因となる。
特に、容器本体１０３、或いは蓋部材１１０の材料として使用されるアルミナは、密実構造（非多孔質構造）であるため、熱吸収性、熱伝導性が良好であり、内部の圧電振動素子１１５は外部温度の変化に敏感に影響を受けることとなる。このような熱による悪影響は、容器の小型化、アルミナ壁の薄型化によって、更に増進される。
また、リフロー時に鉛フリー実装が行われると、リフロー温度が上昇するため、熱によるストレスの悪影響がさらに懸念されることとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、セラミックから成る容器を用いた圧電振動子において、容器の大型化を招くことなく容器を構成するセラミック材料の熱伝導性を低下させることにより、マザーボードへの実装時等に加わる熱が容器内の圧電振動素子に対してストレスを与えることを防止することができる圧電振動子を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、上面に設けた凹陥部内に内部電極を備えると共に外底部に表面実装用の外部電極を備えたセラミック容器本体と、該セラミック容器本体の凹陥部を気密閉止する蓋部材と、を備えたセラミック容器と、前記凹陥部内の内部電極に電気的機械的に接続される圧電振動素子と、を備えた圧電振動子において、前記セラミック容器本体、或いは前記蓋部材の少なくとも一部は、１層又は複数層の熱伝導遅延層を、剛性及び熱伝導性が高いセラミック層にて包囲した多層構造を備えていることを特徴とする。
従来のセラミック容器は、剛性及び熱伝導性が高いアルミナ等から成るセラミックシートを積層して焼成することによって製造されるが、容器内に圧電振動素子を気密封止することによって完成した圧電振動子を、マザーボード上にリフロー等の加熱を伴う方法により実装する場合には、熱伝導性の高いセラミック容器を介して圧電振動子に対して急激な加熱が行われて過熱状態となり、特性劣化、耐久性の低下等の不具合をもたらす。
本発明では、剛性の点では劣るものの、熱伝導遅延特性を備えた多孔質セラミック等の熱伝導遅延層を通常のセラミック内に配置したので、機械的強度は外側に位置する通常のセラミック層により確保する一方で、熱の伝達については熱伝導遅延層によって遅延、或いは遮断するようにしたので、機械的強度と断熱特性を兼ね備えた容器を得ることができる。
【０００７】
請求項２の発明は、前記多層構造のセラミック容器本体、或いは前記蓋部材において、前記熱伝導遅延層はその一部が容器外面から露出していることを特徴とする。
熱伝導遅延層を内蔵したセラミック容器から成る圧電振動子をマザーボード上に実装する際に高温加熱されると、容器を介して内部の圧電振動素子に熱が伝わる途中に位置する熱伝導遅延層により遮断されるが、熱伝導遅延層の一部を容器外面に露出させることにより、熱伝導遅延層に蓄熱しようとする熱を外部へ放熱することができる。従って、加熱中、或いは加熱直後に放熱することにより、内部空間の圧電振動素子に対する熱伝達量を減少することが可能となる。
請求項３の発明は、前記多層構造のセラミック容器本体、或いは前記蓋部材において、前記熱伝導遅延層は、容器外面に露出した部分が存在しないことを特徴とする。
これによれば、外部からの熱を熱伝導遅延層によって確実に遮断し、内部の圧電振動素子に対する熱の伝達を遅延させることができる。
請求項４の発明は、前記熱伝導遅延層は、多孔質セラミック材、珪素系材、或いは耐熱材の何れか一つから構成されていることを特徴とする。
熱伝導遅延層を構成する材料としては、多孔質セラミック材のみならず、熱伝導遅延機能、蓄熱機能、耐熱機能を備えた材質であれば何であってもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電振動子の外観斜視図、及び縦断面図であり、（ｃ）はその変形例の縦断面図である。
圧電振動子１は、セラミック容器本体３の凹陥部４内に圧電振動素子１５を搭載した状態で凹陥部４を蓋部材１０によって気密封止した構成を備えている。即ち、この圧電振動子１は、上面に設けた凹陥部４内に複数の内部電極５を備えると共に外底部に複数の表面実装用の外部電極６を備えたセラミック容器本体３と、セラミック容器本体の凹陥部４を気密封止するために外壁８の上面にガラス封止等によって固定されたセラミック製の蓋部材１０と、を備えた容器２と、凹陥部４内の内部電極５に導電性接着剤１６によって電気的機械的に接続される圧電振動素子１５と、を備えている。各内部電極５と外部電極６とは、図示しない接続導体を介して導通されている。圧電振動素子１５は、水晶基板等の圧電基板の主面に励振電極を形成した構成を備えており、各内部電極５を各励振電極から延びるリード端子に対して電気的に接続した構成を備えている。
【０００９】
本実施形態の特徴的な構成は、セラミック容器本体３、或いは蓋部材１０の少なくとも一部が、１層又は複数層の多孔質セラミック層（熱伝導遅延層）３０を非多孔質セラミック層（通常の剛性及び熱伝導性を備えたセラミック層）３１にて包囲（サンドイッチを含む）した多層構造を備えている点にある。多孔質セラミック層は、例えば多孔質のアルミナ（ＡＬ_２０_３）から成り、非多孔質セラミックに比して剛性が低い一方で断熱効果が高いために容器外部から凹陥部内の圧電振動素子に対する熱伝導速度を遅延させる効果を有している。
即ち、図１（ｂ）（ｃ）の各実施形態に係る容器２を構成するセラミック容器３とセラミック製の蓋部材１０は、いずれもその肉厚内部に均一厚を有した多孔質セラミック層３０を内蔵一体化した構成を備えている。まず、（ｂ）の実施形態に係る容器２は、容器本体３の底板と蓋部材１０の夫々の肉厚内に外周縁を側壁から露出させた構造の多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂを内蔵一体化するとともに、底板７内の多孔質セラミック横層３０ａから上向きに延びて外壁８の肉厚内部を貫通して外壁８の上面に露出する多孔質セラミック縦層３０ｃと、蓋部材１０内の多孔質セラミック横層３０ｂから下方に延びてその下端部にて多孔質セラミック縦層３０ｃの上端部と接触する多孔質セラミック縦層３０ｄとを備えている。このように蓋部材１０によって凹陥部４を気密空間化した状態で、凹陥部４は全方位にわたって多孔質セラミック層３０によって完全に包囲された状態となる。このため、凹陥部４内の圧電振動素子１５は、多孔質セラミック層３０による断熱効果を確実に受けることとなる。
【００１０】
なお、多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂの外周縁は全周（一部でもよい）にわたって底板側面、及び蓋部材側面から露出しているので、多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂに伝わった熱を加熱中、及び加熱終了後速やかに外周縁から外部へ放熱する効果を期待できる。多孔質セラミック縦層３０ｃ、３０ｄに伝わった熱についても速やかに多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂの外周縁から外部へ放熱することができる。
各多孔質セラミック層３０ａ、３０ｂ、３０ｃの厚さについては、図示のように全て均一厚である必要はなく、より高い温度で加熱される面に相当する多孔質セラミック層を厚肉に構成することが好ましい。従って、例えば底板側からの加熱温度が高い場合には、底板内の多孔質セラミック横層３０ａの肉厚を他よりも厚く設定しておくことが好ましい。
図１（ｃ）の構成例は、多孔質セラミック縦層３０ｃを底板７の下面まで延長して底板７下面で露出させるとともに、多孔質セラミック縦層３０ｄを蓋部材１０の上面にまで延長して蓋部材上面で露出させた構成が図１（ｂ）の例と異なっている。即ち、（ｃ）の容器２においては、加熱中、及び加熱終了後に外部への放熱効果を発揮する多孔質セラミック層の露出部の面積が倍増しているので、放熱効果をよりよく発揮することができる。
多孔質セラミック層３０としては、例えば多孔質アルミナを用いるが、セラミック材に限らず、例えば断熱効果を備えた珪素系材、エコノール樹脂等の耐熱材を用いてもよい。
【００１１】
次に、多孔質セラミック層３０を内蔵したセラミック容器を製造する方法としては、セラミック容器の製造方法として一般的な多層セラミック基板（低温、或いは高温焼成多層セラミック基板）の製造方法を用いる。多層セラミック基板製造方法では、例えば、アルミナ粉９０％に対して１０％のバインダを添加したシート状のセラミックに内部電極５，外部電極６，接続導体等を配置した非多孔質セラミックシート３１を複数枚積層した後、加熱、加圧しながら焼成するが、本実施形態の容器本体３の底板７部や蓋部材１０のように、多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂを非多孔質セラミックシート３１間に配置する手順としては、非多孔質セラミックシート３１間に断熱効果の高いセラミックペーストが配置されるように、印刷等によって一方の非多孔質セラミックシートの面に任意の面積、形状、肉厚となるようにセラミックペーストを塗布してから他の非多孔質セラミックシートを接合し、その後焼成を行う。焼成によってセラミックペーストは、発泡し、多孔質化して硬化する。
【００１２】
また、容器本体３の底板７や外壁８や蓋部材１０の多孔質セラミック縦層３０ｃ、３０ｄをそれらの肉厚内に配置する手順としては、底板７、外壁、蓋部材を構成する各非多孔質セラミック層３１に予め縦穴（円形、或いは楕円形の穴）を形成しておき、この縦穴内にアルミナペーストを注入、充填してから、容器、或いは蓋部材全体を加圧しながら焼成する。
上記製造方法は、以下の全ての実施形態に共通する。
なお、セラミックペーストは、アルミナ粉にホウケイ酸ガラス粉等を添加してバインダにてペースト状に混練したものであり、これらの材料の配合量を調整することによって、多孔質セラミック層３０の収縮率や強度を調整し、焼成後の気孔率を調整して、任意の断熱効果や放熱効果を設定することができる。
この実施形態の容器構造によれば、本来機械的強度が十分でない多孔質セラミック層を、剛性の高い非多孔質セラミック内に配置して熱伝達遅延手段、断熱手段として機能させる一方で、多孔質セラミック層を非多孔質セラミック層により包囲（サンドイッチを含む）して補強しているので、容器全体としての機械的強度を非多孔質セラミックにより十分に従前通り確保することができる。
【００１３】
次に、図２（ａ）（ｂ）は夫々本発明の第２の実施形態に係る圧電振動子の縦断面図であり、この実施形態の特徴的な構成は、多孔質セラミック層３０が非多孔質セラミック層３１によって完全に包囲され、外部に露出した部分が存在しない点にある。即ち、まず図２（ａ）の例では、容器本体３の底板７内部に内蔵される多孔質セラミック横層３０ａ及び蓋部材１０内に内蔵される多孔質セラミック横層３０ｂの外周縁は底板７の側面、及び蓋部材の側面にまで達しない位置で終端しており、各多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂの外周縁同士を多孔質セラミック縦層３０ｃ、３０ｄにて連設することにより、隙間無く凹陥部４を全方位から包囲している。このように多孔質セラミック層３０を非多孔質セラミック層３１内に包摂することにより、外部からの熱を遮断して内部の圧電振動素子１５への熱伝達を遅延させたり、熱伝達量を減少させることができる。
次に、図２（ｂ）に示す容器本体３は、底板７内部と外壁８内部に多孔質セラミック層３０（３０ａ、３０ｃ）が完全に包摂されるように構成され、蓋部材１０の内部にも多孔質セラミック層３０ｂが完全に包摂されているため、凹陥部４内に気密封止された圧電振動素子１５を熱によるストレスから十分に保護することができる。
【００１４】
次に、図３（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の第３の実施形態に係る圧電振動子の縦断面図である。図３（ａ）の実施形態に係る圧電振動子１の容器２と図２（ａ）の容器２との相違点は、非多孔質セラミック層３１間に完全包囲された多孔質セラミック層３０を多層構造にして熱伝達遅延効果、断熱効果を更に高めた点にある。
この実施形態によれば、単層構造の図２の容器に比して、更に高い熱伝達遅延効果、断熱効果を発揮し得ることは明らかである。
なお、何れかの多孔質セラミック層３０の外周縁の少なくとも一部を容器外壁から露出させてもよい。
次に、図３（ｂ）の圧電振動子１の容器２と図２（ｂ）の容器２との相違点は、容器本体３の底板７内、及び蓋部材１０内に包囲された多孔質セラミック横層３０ａ、３０ｂを夫々多層構造にして、より高い熱伝達遅延効果、断熱効果を発揮し得るようにした点にある。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、セラミックから成る容器内に圧電振動素子を気密収容した圧電振動子において、容器の大型化を招くことなく容器を構成するセラミック材料の熱伝導性を部分的に低下させることにより、マザーボードへの実装時等に加わる熱が容器内の圧電振動素子に対してストレスを与えることを防止することができる。
即ち、請求項１の発明は、セラミック容器本体、或いは蓋部材の少なくとも一部は、１層又は複数層の熱伝導遅延層を、剛性及び熱伝導性が高いセラミック層にて包囲した多層構造を備えているので、機械的強度と断熱特性を兼ね備えた容器を得ることができる。
請求項２の発明によれば、熱伝導遅延層の一部を容器外面に露出させたので、熱伝導遅延層に蓄熱しようとする熱を外部へ放熱することができる。
請求項３の発明によれば、外部からの熱を熱伝導遅延層によって確実に遮断し、内部の圧電振動素子に対する熱の伝達を遅延させることができる。
請求項４の発明によれば、熱伝導遅延層を構成する材料としては、多孔質セラミック材のみならず、熱伝導遅延機能、蓄熱機能、耐熱機能を備えた材質であれば何であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電振動子の外観斜視図及び縦断面図、（ｃ）はその変形例の縦断面図。
【図２】（ａ）（ｂ）は夫々本発明の第２の実施形態に係る圧電振動子の縦断面図。
【図３】（ａ）（ｂ）は夫々本発明の第３の実施形態に係る圧電振動子の縦断面図。
【図４】従来例に係るセラミック容器を備えた圧電振動子の断面図。
【符号の説明】
１　圧電振動子、２　容器、３　セラミック容器本体、４　凹陥ぶ、５　内部電極、６　外部電極、７　底板、８　外壁、１０　蓋部材、１５　圧電振動素子、１６　導電性接着剤、３０　多孔質セラミック層（熱伝導遅延層）、３０ａ、３０ｂ　多孔質セラミック横層（多孔質セラミック横シート）、３０ｃ、３０ｄ多孔質セラミック縦層、３１　非多孔質セラミック層（非多孔質セラミックシート）。

Claims (4)

1. 上面に設けた凹陥部内に内部電極を備えると共に外底部に表面実装用の外部電極を備えたセラミック容器本体と、該セラミック容器本体の凹陥部を気密閉止する蓋部材と、を備えたセラミック容器と、
   前記凹陥部内の内部電極に電気的機械的に接続される圧電振動素子と、
   を備えた圧電振動子において、
   前記セラミック容器本体、或いは前記蓋部材の少なくとも一部は、１層又は複数層の熱伝導遅延層を、剛性及び熱伝導性が高いセラミック層にて包囲した多層構造を備えていることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記多層構造のセラミック容器本体、或いは前記蓋部材において、前記熱伝導遅延層はその一部が容器外面から露出していることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記多層構造のセラミック容器本体、或いは前記蓋部材において、前記熱伝導遅延層は、容器外面に露出した部分が存在しないことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
4. 前記熱伝導遅延層は、多孔質セラミック材、珪素系材、或いは耐熱材の何れか一つから構成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の圧電振動子。

Images