JP2004281545A - 圧電デバイス用パッケージの封止方法並びにパッケージの蓋体及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】リッド封止剤として鉛フリー低融点ガラスを使用し、真空中での１段封止を実現させる圧電デバイス用パッケージ封止方法並びにパッケージの蓋体及び圧電デバイスを提供する。
【解決手段】複数のパッケージ部材を接合して形成されるパッケージ１２の封止において、ガラス等の光透過材からなるリッド２６とコバール等の熱膨張率の小さい合金からなる金属枠２４とを鉛フリー低融点ガラス２８で加熱接合する。この際、前記鉛フリー低融点ガラス２８にボイドが発生することを避けるため、常圧の基で行う。その後、真空中でセラミックス等の絶縁素材からなるベース１４と前記金属枠２４とを金属溶接して封止する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電デバイス用パッケージの封止方法並びにパッケージの蓋体及び圧電デバイスに係り、特に小型化、エコロジー化に好適な圧電デバイス用パッケージの封止方法並びにパッケージの蓋体及び圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子は、様々な電子機器に採用されている。近年では、電子機器の小型化・薄型化に伴い、圧電振動子はより一層の小型化・薄型化が図られている。
圧電振動子の内部に実装される圧電振動片（特に音叉型振動片）は、より小型化が進むと、気体中でもその振動が阻害されてしまい周波数にずれが生じてしまうため、外装であるパッケージの内部空間は真空に保つ必要がある。このことは、小型化・薄型化に伴いＡＴカット振動片の特性を出すためにも、必要不可欠となっている。
【０００３】
上記のようにパッケージ内部を真空にする圧電振動子として特許文献１に挙げる圧電振動子がある。前記振動子は、底部に封止用の貫通孔を有するセラミックス等の絶縁素材から成るベースと、前記ベースに導電性接着剤等で実装される、水晶から成る振動片と、ガラス等の光透過材から成るリッド（蓋体）とから構成されており、前記リッドとベースは、低融点ガラスにより接続される。
このような構成の圧電振動子は、真空中で前記封止用貫通孔を低融点金属等により封止することで振動片を実装する内部空間を真空に保持することができる。
【０００４】
しかし、上記のような構成の圧電振動子のパッケージでは底部に封止用貫通孔を必要とするため、近年の小型化・薄型化に際しては、小型化・薄型化した場合に十分な強度を得ることができなくなってしまう可能性がある。
【０００５】
そこで、パッケージのベースから封止用貫通孔を排除し、リッドをベースへ接合する際に、低融点ガラスを用いて両者を真空中で接合するという１段封止が提案されている。また、その接合剤である低融点ガラスは、鉛を含有するため、ヨーロッパを含め規制が厳しくなってきていることから、鉛フリー低融点ガラスへと変更することが検討されている。前記鉛フリー低融点ガラスとは、鉛含有量が１００ｐｐｍ以下の低融点ガラスをいう。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１０６５１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、真空中でリッドとベースとの接合を低融点ガラスで行おうとした場合、低融点ガラスを加熱溶融させることにより当該低融点ガラスには、ボイドが発生してしまい、真空封止ができない、又は粗悪な接合になってしまう。また、鉛フリー低融点ガラスは通常の低融点ガラスに比べ融点が高いため、封止を行う際には高温条件下で行われることとなり、実装される圧電振動片及びマウント用のペーストに悪影響を及ぼすといった問題が挙げられる。
【０００８】
本発明では、鉛フリー低融点ガラスを使用して封止を行う場合であっても実装部材に悪影響を及ぼさず、かつ封止孔を必要とせず、真空中での１段封止を実現させる圧電デバイス用パッケージの封止方法並びにパッケージの蓋体及び圧電デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る圧電デバイス用パッケージの封止方法は、ガラスリッドの周縁部に鉛フリー低融点ガラスを介して金属枠を接合する工程と、前記ガラスリッドに接合された前記金属枠を、圧電振動片を実装したベースの上端面に接合する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
この方法により、ガラスリッドは、予め金属枠へ鉛フリー低融点ガラスにより接合されることとなるので、ベースに実装された圧電振動片や他のパッケージ構成部材が高温にさらされることがなく、それらの部材に悪影響を及ぼすことがない。
【００１１】
前記金属枠と前記ベースとの接合は、両者の接合面の少なくともいずれか一方に予め設けた、前記鉛フリー低融点ガラスより融点の低い低融点金属を溶融して行うようにすると良い。
鉛フリー低融点ガラスよりも融点が低い金属による封止であれば、封止作業中に前記鉛フリー低融点ガラスが溶融してしまうことがない。また、パッケージ構成部材に高温による悪影響を及ぼす虞もない。
【００１２】
また、前記金属枠と前記ベースとの接合は、真空中で行うようにすると良い。金属枠とベースとの接合を真空中で行うようにすることによってパッケージ内を真空にすることができるため、内部に実装する音叉型振動片等の振動周波数を妨げることがない。また、１段封止が実現できる。さらに、真空中での封止は、ベースと金属枠との金属溶接であるため、従来の封止と同等の温度で封止を行うことができる。さらにまた、前記接合を行う際の接合剤に前記鉛フリー低融点ガラスよりも低融点の金属を用いる場合であれば、真空中で前記鉛フリー低融点ガラスを溶融させることがないので、当該鉛フリー低融点ガラスにボイドを発生させる虞が無い。
【００１３】
上記パッケージの封止方法をふまえた圧電デバイス用パッケージの蓋体は、ガラスリッドの周縁部に鉛フリー低融点ガラスを介して金属枠が接合してあることを特徴とする。
【００１４】
このようにガラスリッドに金属枠を接合させることにより、ガラスリッドを金属メッキしたものと同様にベースへ接合させることができ、かつ安価に作成することができる。また、ガラスリッド自体は、光透過性を維持することができるため、パッケージ封止後に圧電振動片にレーザビーム等を照射することにより、実装された圧電振動片の周波数調整等も行うことができる。
また、前記金属枠は、外形寸法が前記ガラスリッドより大きく形成してあるようにすると良い。これにより、金属枠とガラスリッドとの接合を確保しつつ、金属枠と絶縁素材のベースとの溶接に、シーム溶接を採用することができる。
【００１５】
さらに、前記ガラスリッドは、前記金属枠を接合するベースに形成される凹部の内側寸法より小さく形成されるようにすると良い。これにより、金属枠をベースへ接合する際に溶接を行ったとしても前記鉛フリー低融点ガラスに熱の影響がおよぶ率が低くなる。
【００１６】
さらにまた、前記金属枠は、熱膨張率がガラスに近似している金属からなると良い。ガラスリッド及びベースは、一般的に熱膨張率が非常に小さい素材で形成されている。このため、熱膨張率の小さい合金を使用することで、加熱・冷却時における金属枠の膨張・収縮によって接合面に剥離が生ずるという虞を低減できる。よって、安定した封止が可能となる。
【００１７】
上記のような条件を満たすものとして、前記金属枠は、コバールまたはインバーからなるようにすれば良い。前記コバール及びインバーは熱膨張率が他の金属に比べ、非常に小さいため、これらを金属枠として使用することで、加熱・冷却時における金属枠の膨張・収縮によって接合面に剥離が生ずるという虞を低減できる。よって、安定した封止が可能となる。
【００１８】
また、本発明に係る圧電デバイスは、請求項４乃至請求項７に記載の蓋体を有するパッケージ内に圧電振動片が実装してあることを特徴とする。このような圧電デバイスでは、そのパッケージにおいて上記したような作用が得られるほか、規制が厳しい市場に対応した圧電デバイスとすることができる。
さらに、前記パッケージ内は、真空にしてあることが望ましい。パッケージ内が真空であることにより、内部に実装される圧電振動片が音叉型振動片であったとしても空気抵抗等によって振動周波数を妨げられる虞がない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電デバイス用パッケージの実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる圧電デバイス用パッケージの蓋体を有する圧電パッケージの内部に、圧電振動片１６を実装した圧電振動子１０の側断面図である。
【００２０】
本実施形態のパッケージ１２の基本構成は、圧電振動片１６を実装する器となるベース１４と、前記ベース１４の蓋となるリッド２６とから構成される。
前記ベース１４は、２層構造となっており、セラミックス等の絶縁材料からなる矩形薄板状の底部２０と、同材料からなり前記底部２０の外縁上に積層される矩形枠状の側壁部２２とから形成され、箱型となる。
【００２１】
前記リッド２６は、透明なガラス薄板等の光透過素材で矩形に形成される。通常リッド２６は、ベース１４の側壁部２２上端面へ、封止ガラス等の封止材で直接接合されるが、本実施形態においては、熱膨張率の小さい金属・合金であって、例えば鉄・ニッケル・コバルトの合金であるコバールや、鉄・ニッケルの合金であるインバー等によって形成される矩形枠状の金属枠２４に接合される。前記接合は、近年の鉛製品に対する規制を踏まえ、鉛フリー低融点ガラス２８によって行うことが好ましい。このとき、リッド２６は、後述するシーム溶接による発熱の影響を避けるため、金属枠２４の外縁よりも小さく、内縁よりも大きく形成されるようにすると良い。
【００２２】
シーム溶接とは、抵抗溶接の一種であり、図２（Ｄ）に示すような断面形状を有する一対のローラ電極３２を用いて連続的に溶接を行うもので、防水を目的としたシール方法としても用いられることから、気密性の高い溶接方法であると言える。
【００２３】
前記リッド２６を接合した金属枠２４に金、錫や銀ろう等の合金である低融点金属をろう材として使用してシーム溶接を行う。又、矩形の枠状の側壁部２２をセラミックでなくコバールの金属で作成し、ニッケルメッキ、金メッキをする。そして、金属枠２４にはニッケルメッキをし、シーム溶接により金とニッケルの合金層で封止をすることもできる。
【００２４】
また、上記のように構成されるパッケージ１２の内部には、シリコン系Ａｇペースト等の導電性接着剤１８を介して音叉型振動片等の圧電振動片１６が、ベース１４を構成する底部２０の内側表面に実装されている。
【００２５】
上記実施形態では、金属枠２４としてコバール、インバーを例に挙げたが他の金属を使用しても良い。その場合、加熱・冷却時に各部材の熱膨張率の差異による接合面の剥離を防止するために、リッド２６、鉛フリー低融点ガラス２８、金属枠２４及びベース１４のそれぞれの熱膨張率は、なるべく小さいもの、又は熱膨張率が近似しているものが良いため、それに応じた選択をすることが望ましい。
【００２６】
上記構成の圧電デバイス用パッケージは、図２（Ａ）に示すように、リッド２６に金属枠２４を接合させる際、予め金属枠２４の接合面上に鉛フリー低融点ガラス２８を含むペースト又は、鉛フリー低融点ガラス２８の細粒を塗布しておき、その上面に前記リッド２６を載せて加熱する。低融点ガラスは真空下で加熱した場合、ボイドが発生してしまい、封止ができなくなる又は、封止が粗悪なものになってしまうということが起こり得るが、本実施形態はリッド２６と金属枠２４との接合のみであり、真空下での加熱の必要がなく、加熱は常圧下で行うことが可能となり、ボイドを発生させない。加熱温度は使用する鉛フリー低融点ガラス２８によるが、鉛フリー低融点ガラス２８は通常の低融点ガラスに比べ融点が高いため、一般的には約４２０℃程度の融点を持つ。融点の低いものとして、例えばＫＣ−３８０ＮＬ（京セラ株式会社）であれば、比較的温度の低い３８０℃程度で封止可能な温度（融点）に達する。前記鉛フリー低融点ガラス２８を溶融後に冷却することによって、上記リッド２６と金属枠２４とを接合する。
【００２７】
前記リッド２６と金属枠２４とを接合する工程と別途または同時進行して、図２（Ｂ）に示すように側壁部２２と底部２０を図示しない接合剤で接合して、圧電振動片１６を実装するための器となるベース１４を作成する。
上記のようにしてベース１４を作成した後、図２（Ｃ）に示すように、ベース１４の底部２０内側表面に、導電性接着剤１８を介して圧電振動片１６を実装する。
上記のようにして、金属枠２４を含むリッド２６と圧電振動片１６を実装したベース１４とが作成される。
【００２８】
前記工程で作成した、パッケージ１２を構成する部材を真空中におくことにより、前記部材内部に存在する空気を排除する。その後、図２（Ｄ）に示すようにして、金属枠２４とベース１４とをシーム溶接する。前記シーム溶接は、ベース１４と金属枠２４との接合面である側壁部２２の上端面に低融点金属３０を含むペースト又は細粒（金属粉）を塗布しておき、電極３２による加熱によって前記低融点金属３０を溶融させて行う。当該溶接では、金属枠２４とベース１４との間に低融点金属３０を肉盛するようにすることもでき、その場合には、双方の部材の開先を取る、又はベース１４に対し金属枠２４の外形を肉盛分だけ小さくするようにすると良い。
【００２９】
前記溶接は、一対のローラ状の電極３２の間に溶接対象物であるパッケージ１２を入れ、電流を流しながら溶接対称辺に沿って連続的に行われる。この溶接作業は２段階で行われ、パッケージ１２の長辺又は短辺のどちらか一方の溶接が終了すると、パッケージ１２を９０°回転させて未溶接の辺の溶接を行う。
【００３０】
このような圧電デバイス用パッケージの蓋体において、リッド２６の周縁部に鉛フリー低融点ガラス２８を介して金属枠２４を接合するようにしたことにより、ガラスリッドを金属メッキしたものと同様に絶縁素材のベース１４へ、金属溶接により接合させることができるようになる。また、前記したガラスリッドを金属メッキした物に比べ安価に作成することができる。さらに、リッド２６自体は、光透過性を維持することができるため、パッケージ１２を封止した後に圧電振動片１６へレーザビームを照射する等して当該圧電振動片１６の周波数を調整することも可能となる。
【００３１】
上記のように構成されるパッケージ１２において、リッド２６と金属枠２４との接合に鉛フリー低融点ガラス２８を用いるようにしたことにより、接合の信頼性が確保されると共に、安価に接合を行うことができる。また、規制が厳しくなってきている鉛を接合剤である低融点ガラスに含まないため、環境に対応した製品を提供することができる。
【００３２】
さらに、前記蓋体の金属枠２４は、外形寸法がリッド２６より大きく形成してあることにより、金属枠２４とリッド２６との接合を確保しつつ、金属枠２４と絶縁素材のベース１４との溶接に、シーム溶接を採用したとしても溶接による熱の影響を受けることが少ない。
【００３３】
また、上記のような圧電デバイス用パッケージの封止方法として、リッド２６の周縁部に鉛フリー低融点ガラス２８を介して金属枠２４を接合する工程と、前記リッド２６に接合された前記金属枠２４を、圧電振動片１６を実装したベース１４の上端面に接合する工程とを有するようにしたことにより、リッド２６は、予め金属枠２４へ鉛フリー低融点ガラス２８により接合されることとなるので、パッケージ１２の封止工程で、ベース１４に実装された圧電振動片１６や他のパッケージ構成部材が高温にさらされることがなく、それらの部材に悪影響を及ぼすことがない。
【００３４】
前記金属枠２４と前記ベース１４との接合は、両者の接合面、実施形態にあってはベース１４の上端面に予め設けた、前記鉛フリー低融点ガラスより融点の低い低融点金属３０を溶融して行うようにしたことにより、封止作業中に前記鉛フリー低融点ガラス２８が溶融してしまうことがない。また、パッケージ構成部材に高温による悪影響を及ぼす虞もない。
【００３５】
また、前記金属枠２４と前記ベース１４との接合を、真空中で行うようにしたことにより、パッケージ１２の内部を真空にすることができるため、内部に実装する音叉型振動片等圧電振動片１６の振動を妨げることがなく、安定した発振を得ることができる。また、１段封止が実現できる。さらに、真空中での封止は、ベース１４と金属枠２４との金属溶接であるため、従来の封止と同等の温度で封止を行うことができる。さらにまた、前記接合を行う際の接合剤に前記鉛フリー低融点ガラス２８よりも低融点の金属を用いる場合であれば、真空中で前記鉛フリー低融点ガラス２８を溶融させることがないので、当該鉛フリー低融点ガラス２８にボイドを発生させる虞が無い。
【００３６】
また、前記金属枠２４は、熱膨張率がガラスに近似している金属、具体的には、熱膨張率が他の金属と比べて小さいコバール・インバーといった合金であるようにしたことにより、加熱・冷却時における当該金属枠２４の膨張・収縮から接合面に剥離が生ずるという虞が少ない。このため、安定した封止が可能となる。また、上記のようなパッケージ１２を有する圧電デバイスを作成することにより、規制が厳しい市場に対応した圧電デバイスを提供することができる。
【００３７】
上記実施形態では、パッケージ１２の中に実装する圧電振動片１６として音叉型振動片を例に挙げたが、ＡＴカット振動片等としても良い。また、リッド２６と金属枠２４とを接合させる際、金属枠２４側に鉛フリー低融点ガラス２８を含むペースト等を塗布するようにしたが、リッド２６側に塗布するようにしても良く、双方の部材に塗布するようにしても支障はない。同様に、ベース１４と金属枠２４の溶接を行う際も、金属枠２４側に低融点金属３０を塗布するようにしても良いし、双方に塗布しても良い。さらに、ベース１４の構造として底部２０と側壁部２２とからなる２層構造としたが、これに限らず内部に圧電振動片１６を実装可能な構造であれば、矩形板に凹部を設ける加工を施したものであっても良く、さらに多くの多層構造であっても良い。
【００３８】
溶接手段において、実施形態ではシーム溶接を採用したが、真空中で密閉溶接（封止）が可能であれば、パルスヒート、電子ビーム等の溶接手段を採用しても良い。
また、他の実施形態として図３に示すように、リッド２６をベース１４が、側壁部２２を積層することにより形成する凹部の内側寸法よりも小さく形成するようにしても良い。
【００３９】
上記構成により、リッド２６と金属枠２４との接合剤である鉛フリー低融点ガラス２８が、金属枠２４とベース１４との溶接時の熱の影響を受けにくい構造とすることができる。このため、鉛フリー低融点ガラス２８にボイドが発生する可能性を低減できると共に、溶接方法の選択幅を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蓋体を有するパッケージに圧電振動片を実装した圧電振動子を示す側断面図である。
【図２】本発明に係るパッケージを封止する工程を示す図である。
【図３】本発明に係る蓋体を有するパッケージに圧電振動片を実装した圧電振動子の他の実施形態を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０………圧電振動子、１２………パッケージ、１４………ベース、１６………圧電振動片、１８………導電性接着剤、２０………底部、２２………側壁部、２４………金属枠、２６………リッド、２８………鉛フリー低融点ガラス、３０………低融点金属、３２………電極。

Claims (10)

1. ガラスリッドの周縁部に鉛フリー低融点ガラスを介して金属枠を接合する工程と、前記ガラスリッドに接合された前記金属枠を、圧電振動片を実装したベースの上端面に接合する工程とを有することを特徴とする圧電デバイス用パッケージの封止方法。
2. 前記金属枠と前記ベースとの接合は、両者の接合面の少なくともいずれか一方に予め設けた、前記鉛フリー低融点ガラスより融点の低い低融点金属を溶融して行うことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス用パッケージの封止方法。
3. 前記金属枠と前記ベースとの接合は、真空中で行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス用パッケージの封止方法。
4. ガラスリッドの周縁部に鉛フリー低融点ガラスを介して金属枠が接合してあることを特徴とする圧電デバイス用パッケージの蓋体。
5. 前記金属枠は、外形寸法が前記ガラスリッドより大きく形成してあることを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス用パッケージの蓋体。
6. 前記ガラスリッドは、前記金属枠を接合するベースに形成される凹部の内側寸法より小さく形成してあることを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電デバイス用パッケージの蓋体。
7. 前記金属枠は、熱膨張率がガラスに近似している金属からなることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１に記載の圧電デバイス用パッケージの蓋体。
8. 前記金属枠は、コバールまたはインバーからなることを特徴とする請求項７に記載の圧電デバイス用パッケージの蓋体。
9. 請求項４乃至請求項８に記載の蓋体を有するパッケージ内に圧電振動片が実装してあることを特徴とする圧電デバイス。
10. 前記パッケージ内は、真空にしてあることを特徴とする請求項９に記載の圧電デバイス。

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