JP2004179555A

JP2004179555A - 封止用セラミックス蓋体及びその製造方法

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Publication number: JP2004179555A
Application number: JP2002346539A
Authority: JP
Inventors: Toshio Uedahira; 利夫上田平
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: JP4081361B2

Abstract

【課題】天井部と側壁を一体化したセラミックス蓋体において天井部と側壁部の厚みを０．３ｍｍ以下にすることが出来なかった。金属蓋体では、接着材との接着強度が低いという問題があった。
【解決手段】天井部と側壁を一体化したセラミックス蓋体において天井部と側壁部の厚みを０．１〜０．２ｍｍとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品素子をパッケージ化する蓋体、特に表面実装型の圧電部品パッケージ用蓋体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表面実装型の圧電発振子は、従来、図３に示すように、電極２３，２４を形成したアルミナ基板２６上に発振素子２２を搭載した後、その上から蓋体２１を被せ、接着剤２５で封止している。表面実装型圧電発振子は、実装時に洗浄処理を行うため、製品に液密性が必要であり蓋体２１と接着材２５との密着性、液密性が重要となる。また、部品小型化のため蓋体２１と基体２６との接合箇所の面積を少なくする必要がある。蓋体の素材としては、アルミナ等のセラミックスあるいは金属が使用されている。
【０００３】
特許文献１では、図４に示すようなキャップ基体２６との封止における蓋体２１外周への封止材の張り出し部２７を皆無とし部品サイズを最小にするため図５に示すようなテーパＳを付けている。このような形状のアルミナ蓋体は図６に示す乾式プレス成型機で形成される。図６のプレス成型機はセラミック基板の所望の型を有する基台３１、並びに上下間のプレスを行う上部パンチ３０及び下部パンチ３３から構成されており、これらに囲繞したセラミック粉体３２を所望形状の蓋体にとするがプレス圧力が７〜８ｔｏｎ／ｃｍ^２にもなるため突出部３３ａには矢印ρ１に圧力にも力が加わる。突出部３３ａは先細りに厚みが非常に小さいため長期間このプレス成形機を使用すると粉体３２を押し固める圧力に負けて折れてしまうという問題が生じた。そのため特許文献２では図７に示すように蓋体の基体との接合面において側端面角部に深さを０．１ｍｍ以上とし且つ奥行きを０．２ｍｍ以上となるように切り欠いて段部を形成している。この形状では、プレス成型時のプレス圧力が７〜８ｔｏｎ／ｃｍ^２となり図８に示すρ２方向にも圧力が加わるが、突出部の厚みｔが比較的大きいためプレス圧に負けることなく破損が防止できる。
【０００４】
一方、図１０（ａ）に示すような金属性蓋体については、封止性と密着性を確保するためフランジＸ１が全周に形成されるが、実際に加工されたフランジ形状３５ａは均一な平坦面が形成されておらず図１１のようなしわが発生しやすい。また、フランジ部Ｘ１の幅も、図１２のように不均一になりやすいためフランジ部Ｘ１に接着剤などを塗布しアルミナ基板に接着すると、均一な接着力が得られず、部分的に封止不良となることがある。また、平坦部で均一幅のフランジ部Ｘ１を形成した場合であっても、実際に封止性および密着強度に寄与しているのは、フランジ部Ｘ１と基板２６との接着面ではなく、図１０（ｂ）のようなフィレットと呼ばれる接着剤の溜り部３６である。しかし、蓋体３４の板厚が薄くなると、それにつれてフィレット高さＨ１も低くなるため充分な接着強度が得られなかった。また、ハーメチックシールや半田封止に使われている金属製蓋体３４には、一般に０．５ｍｍ以上の幅のフランジが形成されているが、その分だけ製品寸法が大型化する問題があった。例えば、近年使用されている表面実装型圧電発振子の場合、外形寸法が６ｍｍ×２ｍｍ程度と非常に小型のものもあり、上記のようなフランジ部の存在は小型化の大きな障害となった。
【０００５】
そのため特許文献３では、図１３に示すように蓋体に基板の表面にほぼ線接触する開口部３７ａを形成した。蓋体開口部には殆どフランジ部が形成されていないので絶縁性基板２６上に金属製蓋体３７を接着した場合蓋体を抱え込むように大きなフィレット３８が形成され、フィレット高さＨ２も高くなり接着力が増大した。また、フランジ部を有しない分だけ蓋体を小型化でき、それにより製品の外形の小型化も可能となった。
【０００６】
【特許文献１】
実開昭５８−１４０６４１号公報
【特許文献２】
特開昭６１−４２１５６号公報
【特許文献３】
特開平８−１１１６２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電発振子はＩＣと合わせて使用することが多く、製品高さをＩＣの高さ以下にすることが望ましいが近年、部品小型化のためＩＣの高さが非常に低くなり、そのため圧電発振子における低背化が進み蓋体自体の薄型化が必要となっている。特許文献１におけるセラミック製蓋体においては、厚みが０．２ｍｍ以下になると乾式プレスにおける天井部成型密度が均一にならず図１４に示すように焼成後ソリＹが発生するという問題、また側壁部においては成型時の粉体充填が不充分となり成型体強度が得られず、成型体を金型から離型する際、図１５のように欠落するという問題があった。
【０００８】
また、特許文献３における金属製蓋体では、外形寸法が６ｍｍ×２ｍｍ、厚み０．１ｍｍと小型化が図れるものの蓋体底面の平坦性が悪いため接着材をディプし基体２６と接合する際、図１６のように部分的に隙間Ｚが発生し気密化出来ない場合があった。また金属と接着材との接着強度自体が不充分であるという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために、本発明では、天井部と側壁を一体的に形成した封止用セラミックス蓋体において、上記天井部の長辺が６ｍｍ以下、側壁の高さが１ｍｍ以下、天井部及び側壁部の厚みがいずれも０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする。
【００１０】
また、上記側壁の内面が、端面側よりストレート部とこれに連続するテーパ部を有し、該テーパ部と上記天井部との境界に曲面部を備え、かつ上記ストレート部の長さが０．３ｍｍ以下、上記テーパ部の角度が１０゜以下、上記曲面部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記側壁の端面における平坦度が０〜３０μｍ、かつ天井部と側壁の間に形成される稜辺の直線度が凸側に０〜３０μｍとすることにより接着材封止における基材上での蓋体の安定性を向上し封止性ならびに密着強度を向上することを可能とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１（ａ）に斜視図を示すように、本発明の封止用セラミックス蓋体は天井部１ａと側壁１ｅを有する箱状体であり、幅Ｗは５ｍｍ以下、長さＬは６ｍｍ以下、高さＨは１ｍｍ以下となっている。
【００１４】
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の拡大図である。ここで側壁部１ｅは、側壁底部より垂直にストレート部１ｂを有し、角度θで天井部に至るまでテーパ部１ｃを有している。また、天井部と側壁部の内壁境界部には曲線部１ｄを有している。天井部１ａの厚みＴ１および側壁１ｅの厚みＴ２は０．１〜０．２ｍｍ、ストレート部１ｂの高さＳ１は０．３ｍｍ以下、テーパ部１ｃの角度θは１０°以下、曲線部１ｄの曲率半径は０．２ｍｍ以上となっている。
【００１５】
図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、側壁底面より高さＳ１が０．３ｍｍ以下でストレート形状となっており天井部までに１０°以下のテーパ１Ｃが付いた形状となっている。
【００１６】
表面実装タイプの圧電部品においては、現在小型化が進んでおり幅２．５ｍｍ、長さ７．５ｍｍ、１．５ｍｍ以下のサイズが主流となっているが今後更なる小型化が要求され蓋体サイズとしては、幅が２ｍｍ以下、長さが６ｍｍ以下、高さが１ｍｍ以下が必要となる。
【００１７】
また、蓋体天井厚みＴ１については、圧電部品の薄型化要求に対し、内部の圧電素子高さに限界があるためその分天井厚みを薄くする必要がある。０．２ｍｍ以上になるとこの低背化要求を満足できないという問題がある。そのため、天井厚みＴ１は、０．２ｍｍ以下が必要となるが０．１ｍｍ以下になると乾式プレスにおいて成型体が形成されないという問題がある。
【００１８】
また、側壁底面からの高さＳ１が０．３ｍｍ以下で形成しているストレート部１ｂは接着材との密着性を確保しかつ接合後の接着材はみ出しを押さえるため０．１ｍｍ以下とすることが好ましく、高さＳ１は０．３ｍｍ以上になると接合時にストレート部１ｂの強度が維持出来ずカケ等が発生するため０．３ｍｍ以下が必要でありより好ましくは０．２ｍｍ以下である。
【００１９】
またストレート部１ｂより天井に至る内壁側には側壁の強度低下を防ぐため１０°以下のテーパ１Ｃが備えてある。このテーパ１Ｃは、内容積を確保するため１０°以下が好ましく側壁強度低下を防ぐためより好ましくは５〜１０°である。
【００２０】
さらに、側壁と天井との内壁境界部には曲面部１ｄを備え曲率半径０．２ｍｍ以上で形成されている。蓋体天井部表面のエッジ部へはＹＡＧレーザー等によりマーキングが施され蓋体への熱衝撃が加わるが側壁と天井との内壁に曲面部１ｄを形成することによりレーザーマーキング時に熱衝撃で発生するクラックを防止することができ、曲率半径は０．２ｍｍ以上が好ましい。
【００２１】
また、蓋体側壁底面部の平坦度が０〜３０μｍでありかつ各綾辺の直線度ｈは凸状に３０μｍ以下となっており接着材をディップし基体へ固定するとき四隅の点による蓋体の支持安定性を向上させている。平坦性３０μｍ以上の場合、４隅による蓋体の支持が安定せず図１６のように部分的な隙間が発生し密着性ならびに封止性が劣る。また、各綾辺の平坦度は、凸状に０〜３０μｍにすることで蓋体の支持が安定し、凹状あるいは凸状３０μｍ以上になると接着材による基体との密着性が悪くなる。
【００２２】
尚、セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、ステアタイト、フォルステライト等のいずれであってもよい。
【００２３】
次に、本発明の製造方法について説明する。
【００２４】
図２は本発明の封止用セラミック蓋体の成型方法を示したものである。所望のサイズを形成するための基台５、並びに上下間のプレスを行う上部パンチ３及び下部パンチ４，６から構成されており、これらに囲繞したセラミック粉体２を乾式プレスにて所望形状の蓋体を形成する。
【００２５】
まず、図２（ａ）のようにセラミックス粉体を充填する。セラミック粉体はセラミックスとバインダーからなる顆粒となっており、顆粒のサイズは１００μｍ以下となっている。次に、図２（ｂ）のように上部パンチ３が下方に移動すると同時に下部パンチ６も下方へ移動することにより顆粒を加圧して成型体を形成する。尚、上部パンチが二分割、下部パンチが一体化したも、あるいは上部パンチおよび下部パンチともに二分割されたものであってもよい。
【００２６】
特許文献２における成型方式は上部パンチあるいは下部パンチが分割された構造となっていないため、この方式によると図９（ａ）に示すように天井部粉体充填量Ｈ８と側壁部粉体充填量Ｈ７が異なるのに対し、図９（ｂ）のように加圧量Ｈ９は同じであるため加圧後の天井部成型体密度と側壁部成形体密度に差が生じる。また、側壁部に関しては、粉体充填が充分に出来ないため成型体の形成が不完全となる。
【００２７】
本発明の方法によると図２（ａ）に示すように、セラミック粉体を天井部粉体充填量Ｈ３と側壁部粉体充填量Ｈ４へ所定量充填し、図２（ｂ）のように上部パンチの加圧において下部パンチ６が下方へ移動し所定の天井部成型体厚みＨ４および側壁部成形体厚みＨ６を形成する。このとき天井部充填量Ｈ３と加圧後の天井部成形体厚みＨ５の比率と、側壁部充填量Ｈ４と加圧後の側壁部成形体厚みＨ６の比率には同様関係が成り立つことにより、天井ならびに側壁の成型体密度が均一となる。
【００２８】
一方、セラミックス粉体の粒径は１００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以上になると側壁部への粉体充填が悪くなり成型体密度が部分的に低下するため焼成後の焼結体において強度が低下するという問題がある。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
ボールミル内にアルミナ（平均粒径１ミクロン）９２部、焼結助剤８部を配合投入した後、アクリル系水溶性高分子バインダー、分散材ならびに水を加え４８時間回転混合しスラリーを調整した。スラリーは目開き３５μｍのフィルターを通過させた後、回転ディスクによりスラリーを噴霧し２５０度の熱風下でのスプレードライ装置にて水分を乾燥させ顆粒を形成した。形成された顆粒を１００メッシュ、１５０メッシュ、２００メッシュ、３３０メッシュの篩いで分粒し４５〜７５μｍ、７５〜１０６μｍ、１０６〜１５０μｍの顆粒を調整した。それぞれの顆粒を図２に示す金型に充填後、８ｔｏｎで加圧し成型体を形成した。成型体の外形は長辺寸法Ｌを３〜１０ｍｍならびに短辺寸法Ｗを１．５〜４ｍｍ、高さＨを１ｍｍの範囲で天井厚みＴ１ならびに側壁厚みＴ２を０．１あるいは０．２ｍｍとし側壁角度θを０°、５°、１０°の条件で成型し成型体の確認をした。成型体は大気中１４００℃で焼成し焼結体とした後、形状の観察を行いさらにマークテック（株）製、探傷液ＰＬＫに１０分間浸積した後、水で洗浄し、乾燥させ倍率３０倍の形状顕微鏡にてクラック発生有無の検査を行った。
【００３０】
各条件における結果を表１に示す。表１中成型体ならびに焼結体の観察において部分的な欠落等がなく完全な形状を維持しているものを◎、使用上欠陥とならない微少な欠落はあり形状を維持しているもの○とし、使用上欠陥となる欠落あるいはクラック等があるものを×とした。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１より顆粒径が１０６μｍ以下の場合、長辺サイズＬが６ｍｍ以下、短辺サイズＷが２ｍｍ以下且つ高さＨが１ｍｍにおいて角度θが５度以上のとき天井厚みＴ１ならびに側壁厚みＴ２が０．１ｍｍの成型体ならびに焼結体を形成することが可能となる。顆粒径が１０６μｍ以上となると天井厚みＴ１ならびに側壁厚みＴ２が０．１ｍｍの成型体ならびに焼結体を得ることが出来ない。
（実施例２）
実施例１で使用した粒径７５〜１０６μｍの顆粒を用い、長辺Ｗが６ｍｍ、短辺Ｗが２ｍｍ、高さＨが１ｍｍ天井壁厚みＴ１ならびに側壁厚みＴ２が０．１ｍｍ、側壁面の角度θが１０°の蓋体を作成した。尚、顆粒充填量ならびに加圧条件を変えることにより、蓋体底面の平坦度ならびに綾辺の直線度ｈを０〜５０μｍ内で変化させた。その後エポキシ系接着剤を均一に延ばした槽にサンプルの底辺部を漬けた後、アルミナ製基板に貼り付け１５０℃／１時間で接着材を硬化させ基板からのサンプルの剥離力を測定した。比較例として特許文献３における金属製蓋体での評価も同時に行った。尚、表２中直線度ｈは凹状を−，凸状を＋として表している。
【００３３】
【表２】

【００３４】
表２より本発明によるセラミックス蓋体の剥離力は平坦度３０μｍ以下、直線度３０μｍ以下において金属性蓋体より高くなることが判る。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のセラミックス蓋体は、天井部と側壁を一体的に形成した封止用セラミックス蓋体であって、上記天井部の長辺が６ｍｍ以下、側壁の高さが１ｍｍ以下、そして天井部及び側壁部の厚みがいずれも０．１〜０．２ｍｍであることによって、電子部品素子パッケージ蓋体、特に表面実装型の圧電部品パッケージ蓋体において小型化、薄型化の実現が可能となる。
【００３６】
また、上記側壁の内面が、端面側よりストレート部とこれに連続するテーパ部を有し、該テーパ部と上記天井部との境界に曲面部を備えかつ上記ストレート部の長さが０．３ｍｍ以下、上記テーパ部の角度が１０゜以下、上記曲面部の曲率半径が０．２ｍｍ以上とすることによって、基体との接着における接着材の張り出しを抑え、蓋体強度を向上することができる。
【００３７】
さらに、上記側壁の端面における平坦度が０〜３０μｍ、かつ天井部と側壁の間に形成される稜辺の直線度が凸側に０〜３０μｍとなっているため、接着材封止における基材上での蓋体の安定性の向上と封止性ならびに密着強度を向上することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の製造方法によれば、セラミックス粉末と有機バインダーからなる粒径１００μｍ以下の顆粒を、少なくとも一方が二段に分割した上下パンチとダイスで形成された空間に充填し、加圧成型することにより上記セラミックス蓋体を欠陥なく成型することが可能となり、かつ成型体の密度バラツキを小さくすることができるため焼成後のセラミックス蓋体のソリを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のセラミックス蓋体の斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ｂ）の拡大図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明のセラミックス蓋体の製造方法を示す図である。
【図３】表面実装型圧電振動子の構造を示す図である。
【図４】従来の蓋体を示す図である。
【図５】従来の蓋体を示す図である。
【図６】従来の蓋体の製造方法を示す図である。
【図７】従来の蓋体を示す図である。
【図８】従来の蓋体の製造方法を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は従来の蓋体の製造方法を示す図である。
【図１０】（ａ）は従来の蓋体を示す図、（ｂ）はその拡大図である。
【図１１】従来の蓋体を示す図である。
【図１２】従来の蓋体の下面図である。
【図１３】（ａ）は従来の蓋体を示す図、（ｂ）はその拡大図である。
【図１４】従来の蓋体を示す図である。
【図１５】従来の蓋体を示す図である。
【図１６】従来の蓋体を示す図である。
【符号の説明】
１：セラミックス蓋体
１ａ：蓋体天井部
１ｂ：ストレート部
１ｃ：テーパ部
１ｄ：曲面部
２：セラミックス粉体
３：上部パンチ
４：下部パンチ
５：基台
６：下部パンチ

Claims

天井部と側壁を一体的に形成した封止用セラミックス蓋体において、上記天井部の長辺が６ｍｍ以下、側壁の高さが１ｍｍ以下であり、天井部及び側壁の厚みがいずれも０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする封止用セラミック蓋体。
上記側壁の内面が、端面側よりストレート部とこれに連続するテーパ部を有し、該テーパ部と上記天井部との境界に曲面部を備えたことを特徴とする請求項１記載のセラミックス蓋体。
上記ストレート部の長さが３ｍｍ以下であり、上記テーパ部の角度が１０゜以下であり、上記曲面部の曲率半径が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２記載のセラミックス蓋体。
上記側壁の端面における平坦度が０〜３０μｍであり、かつ側壁端面部稜辺の直線度が凸側に０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス蓋体。
請求項１〜４のいずれかに記載された封止用セラミックス蓋体の製造方法であって、少なくとも一方が二段に分割した上下パンチとダイスで形成された空間に、セラミックス粉末と有機バインダーからなる粒径１００μｍ以下の顆粒を充填し、上下パンチで加圧成形する工程を含むことを特徴とするセラミックス蓋体の製造方法。