JP2005101220A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】平坦な底板上に環状のシールリングを設けた構造の表面実装用パッケージを備えた圧電デバイスにおいて、更なる小型化、低背化によって、圧電振動素子を収容し難くなるという不具合を解消する。
【解決手段】パッケージ本体２が、平板状の絶縁基板１０、外部電極１１、該絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド１２、及び該絶縁基板上面の外周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜１３を備えた実装基板１４と、メタライズ膜上に固定される縦断面形状が矩形の金属製シールリング１５と、を備えたものにおいて、シールリングの縦断面形状の高さＨと幅Ｗとの寸法比（Ｈ／Ｗ）が、１．０１以上であり、メタライズ膜上にシールリングの底面を着座させた際にシールリングよりも外側へ張り出すメタライズ膜部分とシールリング側壁との間を銀ろう１６にて固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電デバイスのパッケージ構造の改良に関し、特にパッケージの外周壁をシールリングにより構成した場合に発生する不具合を解消することができる圧電デバイスに関する。

水晶振動素子等の圧電振動素子は、圧電振動子、圧電発振器、ＳＡＷフィルタ等の圧電デバイスのパッケージ内に組み込まれて使用される。圧電振動素子は、目標とする共振周波数を得る為に好適な肉厚を有した圧電基板の振動部に励振電極やリード端子等を蒸着等により形成した構成を有する。
従来の表面実装型圧電振動子のパッケージは、底部に表面実装用の外部電極を備えたセラミック製の底板の上面外周縁に、セラミック製の環状外周壁を一体的に立設し、環状外周壁の内側の凹陥部内に圧電振動素子を搭載した状態で、外周壁上面に固定された環状のシールリングを介して金属蓋を固定することにより気密封止を行う。
しかし、セラミックシートを積層、焼成することにより底板上に外周壁を形成した複雑な形状のパッケージを形成する従来方法は、製造手数が増大し、生産性が低いという欠点があった。また、底板と外周壁との接合強度を確保する必要から、セラミック製の外周壁の壁厚が厚くなり、その分だけ凹陥部内の容積が狭くなって収容する圧電振動素子の面積が狭くなる、という問題があった。圧電振動素子の面積が狭くなると、励振電極が小さくなってクリスタルインピーダンスの増大による発振不良等の不具合をもたらす。従って、必要十分なサイズの圧電振動素子を収容し得る程度に大きな容積を有した凹陥部を確保するためには、底板面積を大きくしてパッケージの全体的な平面積を大きくするしか方法がなかった。

そこで、本出願人は特開２００２−２６６８０公報において、セラミック製底板の上面周縁に沿って環状に形成したメタライズ膜上に金属シールリングを銀ろうを用いて固定することにより、シールリングにより外周壁を形成したパッケージを提案した。
図５（ａ）は同公報記載の圧電振動子の断面図、（ｂ）はその要部拡大図であり、この圧電振動子は、上面に凹陥部１０１を有したパッケージ本体１００と、パッケージ本体の凹陥部１０１内に配置される圧電振動素子１０２と、凹陥部１０１を気密封止する金属蓋１０３とを備えている。パッケージ本体１００は、セラミック材料から成る底板１０５と、底板上面の周縁に沿って順次積層したセラミック薄膜１０６、及びメタライズ膜１０７と、メタライズ膜１０７上に底面を銀ろう１０９によって固定したシールリング１０８とを、備え、金属蓋１０３をシールリング１０８上面に溶接等によって導通固定している。
この技術によれば、シールリング１０８からなる外周壁の幅（厚さ）を狭くしてメタライズ膜１０７との接触面積を小さくしたとしても、銀ろう１０９を用いて接合することによって十分な接合強度を確保することができる。その結果、底板１０５を大面積化してパッケージの大型化を招くことなく、収容しようとする圧電振動素子１０２の面積に見合った容積の凹陥部を確保することが可能となる。

しかし、従来のシールリングは、プレス成形による打ち抜き加工によって製造されるため、成形品の高さＨと幅Ｗの寸法比としては、１．０が限界値であった。即ち、シールリングの幅Ｗを狭くすることにより形成される凹陥部の容積を、所要寸法の圧電振動素子を収容し得る程度に大きく確保しようとすれば、必然的に高さＨが低くなり、圧電振動素子と金属蓋が接触し易くなる等、圧電振動素子を収容するに十分な高さ寸法を確保することが困難となる。一方、シールリングの高さＨを大きく確保しようとすれば、幅Ｗが増大して凹陥部の容積が小さくなる。
具体的には、例えばシールリングの幅Ｗが０．２５ｍｍの時にはその高さＨも０．２５ｍｍとなる。一般的なシールリングの高さＨは０．１５〜０．２０ｍｍの範囲であり、高さと幅の寸法比は０．６０〜０．８０が最適とされてきた。
縦又は横の寸法が４．０ｍｍ以上のパッケージに採用するシールリングは、プレス時に変形するため、シールリングの高さと幅の寸法比が１．０１以上のものは製造が困難であった。
しかし、最近では、圧電デバイスに対しては、占有面積の小型化に加えて低背化が求められてきているため、例えば上記公報記載のパッケージ内に低周波数の共振周波数を有する厚肉の圧電振動素子１０２を搭載するためには、周波数に応じてシールリング１０８の高さを大きく確保する必要が生じる。即ち、低周波数の圧電振動素子１０２を搭載するためにシールリング１０８の高さを０．２５ｍｍに設定すると、その幅としては０．２５ｍｍ以上が必要となり、底板１０５の面積を一定にする限りは凹陥部１０１の容積が小さくなって所望サイズの圧電振動素子１０２を搭載できなくなる、という問題を生じる。
また、凹陥部１０１の容積を十分に大きく確保するために、シールリング１０８の外形寸法を大きくすると、底板上面に印刷するメタライズ膜１０７の外周縁とシールリング１０８の外周縁とが近接し過ぎ、或いは一致した状態となって、銀ろう１０９のメニスカスを形成する余地がなくなり、パッケージの製造が不可能となっていた。
特開２００２−２６６８０公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、平坦な底板上に環状のシールリングを直接立設固定した構造の表面実装用パッケージを備えた圧電デバイスにおいて、圧電デバイスの更なる小型化、低背化によって、圧電振動素子を収容する凹陥部の容積が狭くなって、圧電振動素子を収容し難くなるという不具合を解消することができる圧電デバイスを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、該凹陥部内に配置される圧電振動素子と、該凹陥部を気密封止する金属蓋と、を備えた圧電デバイスであって、前記パッケージ本体は、平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、該絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド、及び該絶縁基板上面の外周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に固定されて前記凹陥部の外壁を形成する縦断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えたものにおいて、前記シールリングの縦断面形状の高さＨと幅Ｗとの寸法比（Ｈ／Ｗ）が、１．０１以上であり、前記メタライズ膜上にシールリングの底面を着座させた際にシールリングよりも外側へ張り出すメタライズ膜部分とシールリング側壁との間を銀ろうにて固定したことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、上記凹陥部内底面に露出した電極パッド上に前記圧電振動素子を固定し、該電極パッドは底板内の内部導体を介して底板底部の外部電極と導通接続されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記メタライズ膜は、セラミック膜を介して前記底板上面に形成されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、前記パッケージ本体の縦横寸法は夫々４．０ｍｍ以下であることを特徴とする。

断面形状の高さと幅の比を１．０１以上としたシールリングを用いたパッケージを実現することにより、同じ平面寸法の従来のパッケージでは実現できなかった圧電振動素子を搭載することが可能となった。このため、搭載する圧電振動素子の設計自由度が増し、電気的特性の優れた圧電デバイスを製造することが可能となった。また、圧電デバイスの小型化に対応することが可能となり、製造歩留まりを向上させることができる。

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は本発明の一実施形態に係る圧電デバイスの一例としてのＳＡＷフィルタの縦断面図であり、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）はパッケージ本体の平面図、正面半断面図、側部半断面図、及び底面図である。
この表面実装型のＳＡＷフィルタ１は、上面に凹陥部３を備えたパッケージ本体２と、パッケージ本体の凹陥部３内に配置されるＳＡＷチップ（圧電振動素子）４と、凹陥部３を気密封止するために外周壁上面に溶接等によって固定される金属蓋５と、を備えている。
ＳＡＷチップ４は、水晶基板等の圧電基板上にＳＡＷ電極や入出力端子、グランド端子をパターン配線した構成を備えている。
パッケージ本体２は、平板状の絶縁基板１０、絶縁基板１０の底部に形成された表面実装用の外部電極１１、絶縁基板の上面に形成されたＳＡＷチップ搭載用の電極パッド１２（入力、出力、及びグラウンド用）、及び絶縁基板上面の外周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜１３を備えた実装基板１４と、メタライズ膜１３上に固定されて凹陥部３の外壁を形成する縦断面形状が矩形の金属製シールリング１５と、を備えている。
メタライズ膜１３は、タングステン粉を有機溶剤中に混ぜてペースト状にしたものを、実装基板１４の上面にスクリーン印刷した上で、焼き固めることによって形成される。なお、メタライズ膜１３の下層に、アルミナを硬化させたセラミック膜を配置しても良い。
シールリング１５は、例えばコバールからなり、プレス加工によって製造される。
シールリング１５の固定は、メタライズ膜１３上にシールリングの底面を着座させた際にシールリングよりも外側へ張り出すメタライズ膜部分とシールリング側壁との間を銀ろう１６にて固定することにより行われる。
凹陥部３の内底面に露出した電極パッド１２上に圧電振動素子４を固定する。電極パッド１２は絶縁基板１０内の内部導体１０ａを介して底板底部の外部電極１１と導通接続されている。

本発明の特徴的な構造は、断面が矩形となるようにプレス成形されたシールリング１５の縦断面形状の高さＨと幅Ｗとの比（Ｈ／Ｗ）を、１．０１以上とした点にある。
従来はプレス加工時の変形によって高さと幅との比を１．０以上にすることは困難であったが、昨今の技術改良によって上記の比を１．０１以上とすることが可能となったため、このような高さと幅との比を備えたシールリング１５を使用することができる。
本発明のＳＡＷフィルタ１は、パッケージ本体２の縦横寸法が夫々４．０ｍｍ以下であっても、凹陥部３の容積を十分に確保することができる。従って、十分に大きな面積を有したＳＡＷチップ４を収容することができ、しかもＳＡＷチップの直上に位置する金属蓋５との間のギャップも十分に確保することができる。
この実施形態のＳＡＷフィルタ１では、パッケージ本体２の外形寸法（横×縦×高さ）が２．５０×２．００×０．４９ｍｍである。一方、シールリング１５の縦断面形状の高さＨが０．２０ｍｍで、幅Ｗが０．１５ｍｍであり、高さと幅の比（Ｈ／Ｗ）は１．３３である。
このパッケージ本体２内に共振周波数が１６ＭＨｚのＳＡＷチップ４（水晶基板の厚さは０．１０ｍｍ）を搭載する場合、パッケージ本体側の電極パッド１２にシリコン系の導電性接着剤を塗布し、マウンターを用いてＳＡＷチップ４を搭載してから接着剤を硬化させる。その後、必要な熱処理を加えてから、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金にＮｉメッキを施した金属蓋５をシーム溶接によりシールリング１５上に固定して凹陥部を気密封止する。
ここで、パッケージ本体２に形成された電極パッド１２の厚さ（０．０１５ｍｍ）、硬化後の接着剤の厚さ（０．０３ｍｍ）、ＳＡＷチップ４の厚さ（０．１０ｍｍ）を合計すると、０．１４５ｍｍとなる。
これに対してシールリング１５の高さは０．２０ｍｍなので、仮に製造工程中に高さ方向のばらつきが発生したとしても、従来のようにＳＡＷチップ４が金属蓋５に接触する虞は皆無となる。

因みに、図３（ａ）及び（ｂ）は縦横高さが０．２５×２．００×０．３８ｍｍの従来のパッケージ本体２０の平面図、及び側面図であり、このパッケージ本体を構成するシールリング２１の断面形状の高さは０．１５ｍｍ、幅は０．２３ｍｍである。このパッケージ本体２０に上記寸法のＳＡＷチップ４を搭載して金属蓋にて封止した場合、電極パッドと接着剤とＳＡＷチップの合計厚さである０．１４５ｍｍは、シールリング２１の高さである０．１５ｍｍとほぼ同等となり、ＳＡＷチップが金属蓋に接触して電気的特性を満足しないＳＡＷフィルタが製造される危険がある。
また、図３に示した従来のパッケージと、図２に示した本発明のパッケージでは、シールリングの外形寸法が同一であるため、本発明のシールリング１５の幅が狭くなった分（片側で０．０８，両側で０．１６ｍｍ）だけ、凹陥部の寸法が大きくなり、接着剤の塗布作業やＳＡＷチップの実装工程での作業性が向上することが明らかである。
更に、電極パッド１２とシールリング１５までのギャップが広くなり、接着剤の過剰塗布が発生した場合にも電気的短絡の発生を防止できる。

なお、シールリング１５の幅Ｗが狭くなることによるデメリットとして考えられる封止性の低下という問題について評価したところ、図３に示した従来のパッケージと同一の金属蓋を用いた封止が可能であり、しかも低レベルの封止条件であっても十分な気密封止を行い得ることが判明した。シールリングの断面形状の幅寸法が格段に薄くなっているにも拘わらず、低レベルの条件で封止することができたのは、シールリング１５をメタライズ膜１３上にろう付けする際に使用する銀ろう（銀と銅との合金）の量が支配的であり、従来パッケージよりも多い量の銀ろうを使用できたことに起因するものと推定される。即ち、図４に示すように本発明ではシールリングが薄くなった分だけ、シールリングの外周縁よりも外側に張り出したメタライズ膜１３の面積を広く確保できるため、この張出し部分を利用して多くの銀ろうを使用できるからである。
なお、上記実施形態では、圧電デバイスの一例としてＳＡＷフィルタを例示したが、本発明は圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイス一般に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る圧電デバイスの一例としてのＳＡＷフィルタの縦断面図。 （ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）はパッケージ本体の平面図、正面半断面図、側部半断面図、及び底面図。 （ａ）及び（ｂ）は従来例のパッケージ本体の平面図、及び側部断面図。 本発明の要部構成図。 （ａ）及び（ｂ）は従来例の説明図。

符号の説明

１ ＳＡＷフィルタ（圧電デバイス）、２ パッケージ本体、３ 凹陥部、４ ＳＡＷチップ（圧電振動素子）、５ 金属蓋、１０ 絶縁基板、１１ 外部電極、１２ 電極パッド、１３ メタライズ膜、１４ 実装基板、１５ シールリング、１６ 銀ろう、２０ パッケージ本体、２１ シールリング。

Claims (4)

1. 上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、該凹陥部内に配置される圧電振動素子と、該凹陥部を気密封止する金属蓋と、を備えた圧電デバイスであって、
   前記パッケージ本体は、平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、該絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド、及び該絶縁基板上面の外周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、
   前記メタライズ膜上に固定されて前記凹陥部の外壁を形成する縦断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えたものにおいて、
   前記シールリングの縦断面形状の高さＨと幅Ｗとの寸法比（Ｈ／Ｗ）が、１．０１以上であり、
   前記メタライズ膜上にシールリングの底面を着座させた際にシールリングよりも外側へ張り出すメタライズ膜部分とシールリング側壁との間を銀ろうにて固定したことを特徴とする圧電デバイス。
2. 上記凹陥部内底面に露出した電極パッド上に前記圧電振動素子を固定し、該電極パッドは底板内の内部導体を介して底板底部の外部電極と導通接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記メタライズ膜は、セラミック膜を介して前記底板上面に形成されている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。
4. 前記パッケージ本体の縦横寸法は夫々４．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の圧電デバイス。

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