JP2005130371A - 圧電デバイス用パッケージおよび圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化、薄型化、強度の向上、さらには低コスト化に対応した圧電デバイス用パッケージを提供する。
【解決手段】 圧電振動片２０が収容されるキャビティ１２ａを有する金属ベース１２と、前記金属ベース１２の底板１２ｃに設けた端子孔２２を挿通し、上端に前記圧電振動片２０を接続する端子部材１４と、前記金属ベース１２の底板１２ｃの下面に凸設した周壁部１２ｂと、少なくとも前記周壁部１２ｂと前記底板１２ｃとに溶着して前記金属ベース１２と前記端子部材１４とを絶縁する絶縁材１６とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電デバイス用パッケージおよび圧電デバイスに係り、特に金属ベースを使用する圧電デバイス用パッケージおよび圧電デバイスに関する。

近年電子機器、特に携帯を目的とする電子機器の小型化に伴い、圧電デバイス：例えば水晶振動子等の小型化、薄型化がより一層求められてきている。このような現状において、圧電デバイス用パッケージの主流となっているのはセラミックパッケージである。しかしながら、セラミックパッケージは、粉末状の素材を加圧焼成して形成するため多孔質となる。よって、厚さを薄くした場合には、パッケージ内部を気密に保持することが困難になる。また、セラミックパッケージは、量産性向上をはかるためにウェハ形成したものから小割して個体を得るようにしているため、個体寸法のばらつきが大きく小型化に伴い問題が大きくなる。さらに、構成素材であるセラミックは、延性、展性が無いため、脆くて割れやすい。

上記背景に基づき、パッケージ本体であるベースを、金属製とするものが提案されてきている。例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている発明がそれである。

特許文献１に記載の発明は図５に示すように、従来のセラミックパッケージと類似形状の金属ベース１と、前記金属ベース１を貫通する端子２と、前記端子２と前記金属ベース１とを絶縁するために前記金属ベース１の下面へ設けられた絶縁材３とからなる構造のものであり、パッケージを構成する部材の肉厚を薄くすることを可能としている。

特許文献２に記載の発明は図６に示すように、特許文献１に記載のパッケージ構造において、金属ベース１の底面を絶縁材３としたものである。本発明においても、各部材の肉厚を薄型化することが可能である。
特開２００２−８４１５９号公報 特開２００３−８６７２３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のパッケージ構造では、金属ベースと絶縁材との溶着面積が狭いため熱膨張等の影響により、金属ベースと絶縁材とが剥離してしまうことがある。また、特許文献２に記載のパッケージ構造では、金属ベースと絶縁材との剥離の他に、脆性材料である前記絶縁材にクラックが発生してしまい、パッケージ内を気密に保持することができなくなるといったこともある。いずれの場合にも、パッケージ内を気密に保持することが困難となるため、当該パッケージには、小型化、薄型化はもとより、強度面の向上という課題が掲げられている。

本発明では、上記課題を解決し、小型化、薄型化、強度の向上、さらには低コスト化に対応した圧電デバイス用パッケージおよび圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の圧電デバイス用パッケージは、圧電振動片が収容されるキャビティを有する金属ベースと、前記金属ベースの底部に設けた端子孔を挿通し、上端に前記圧電振動片を接続する端子部材と、前記金属ベースの底部下面に凸設した周壁部と、少なくとも前記周壁部と前記底部とに溶着して前記金属ベースと前記端子部材とを絶縁する絶縁材とを備えることを特徴とする。

圧電デバイス用パッケージを上記構成にすることにより、絶縁材と金属ベースとの溶着面が、少なくとも絶縁材の上面と側面とになるために、溶着面積が広くなる。よって、熱膨張等の影響があったとしても前記金属ベースと前記絶縁材とが剥離することを抑制することができる。

また、前記周壁部は、前記端子孔の周辺部にのみ設けられるようにしても良い。こうすることにより、使用する絶縁材を必要最低限の量とすることができ、コスト削減に有効であると共に、パッケージにおける専有面積が減ることにより、クラック等の発生率を低減できる。

また、上記構成の圧電デバイス用パッケージでは、前記端子部材に備えられる外部電極は、前記端子孔の開口面積よりも大きく形成され、かつ前記絶縁材が溶着するようにすると良い。

上記構成によれば、絶縁材の上面と側面とは金属ベースに、下面は端子の台座部にそれぞれ溶着面を有する構造となるために、溶着面積が広くなる。よって、熱膨張等の影響によっても前記金属ベースと前記絶縁材との剥離を抑制することができる。また、断面構造において、前記絶縁材の上下面において少なくともどちらか一方の面には金属層を備える構造となるため、絶縁材のみの部分がある場合に比べ、格段にパッケージ強度を向上させることができる。

また、上記目的を達成するための、本発明に係る圧電デバイスは、上記圧電デバイス用パッケージを用いたことを特徴とする。これにより、上記圧電デバイス用パッケージの作用を備えた圧電デバイスを提供することができる。よって、より過酷な使用条件下での対応が可能な圧電デバイスとすることができる。

以下本発明の圧電デバイス用パッケージおよび圧電デバイスに係る実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の目的を達成可能な様々な形態を含むものとする。

図１は、本発明の圧電デバイス用パッケージに係る第一の実施形態を示す圧電デバイスである圧電振動子の側面断面図であり、図２は、第一の実施形態の構成部品を示す分解斜視図である。

本実施形態の圧電振動子１０の基本構成は、パッケージ本体である金属ベース１２と、前記金属ベース１２の内部で圧電振動片２０を実装する端子１４ａ、１４ｂと、前記金属ベース１２と前記端子とを絶縁するための絶縁材１６と、前記パッケージ１１の蓋体となるリッド１８とから成る。

上記金属ベース１２は、構成素材としてニッケル−コバルト−鉄の合金であるコバールや、ニッケル−鉄を４２：５８の重量パーセントで混合した合金である４２アロイ等であれば良く、構成素材に好適な条件としては、後述する絶縁材１６と熱膨張係数が近いものであることが挙げられる。

前記金属ベース１２の形状は、矩形箱状体の底部下面に周壁部１２ｂを凸設している。ここで、矩形箱状体の凹陥部をキャビティ１２ａとする。前記箱状体の底部である底板１２ｃには、後述する端子部材１４ａ、１４ｂを貫通させるための端子孔２２（２２ａ、２２ｂ）が設けられる（本実施形態では４つの孔２２を設ける）。なお、キャビティ１２ａと周壁部１２ｂとの間を底板１２ｃにより隔てるようにしたことにより、パッケージ１１全体の強度（特に曲げ強度）を向上させることができる。

加工方法は、プレスによる打抜きによる方法で良い。もちろん切削加工等によって生産することも可能であるが、量産性やコストパフォーマンスの面からみて、プレスによる加工方法を推薦する。

前記端子部材１４は、その構成素材を前記金属ベース１２の構成素材と同一とすることが好ましい。これは、パッケージ１１を構成する各素材の熱膨張係数を近似、若しくは同一にさせることにより、熱膨張によって各構成素材間に生じる歪みを緩和させることが可能となり、素材間の剥離や、応力過多によって脆性素材に生ずるクラック等を抑制することができるからである。

当該端子部材１４の形状は、板面を有する外部電極部と、前記台座部の上面に立設する柱状体の実装電極部とからなる。また、好ましくは、前記外部電極部の板面は前記金属ベース１２の底板１２ｃに設けた端子孔２２の面積よりも広い面積を有するように形成すると良い。こうすることにより、パッケージ１１の側断面における全ての箇所で、後述する絶縁材１６の上下面の少なくともどちらか一方には必ず金属層を有することとなる。よって、当該パッケージ１１の強度を向上させることが可能となる。

端子部材１４の形成方法としては、前記金属ベース１２と同様に、プレスによる打抜きによることが好ましい。
なお、本実施形態では、端子部材１４ａ、１４ｂをそれぞれ一対ずつ、計４つの端子１４を設けているが、当該端子１４は最低一対設けられていれば良く、他の一対は、後述する圧電振動片２０を安定して載置させるための補助部材（ダミー電極）としても良い。

前記絶縁材１６は、前記金属ベース１２及び前記端子部材１４と、熱膨張係数が近似するものであるようにすると良い。本実施形態では、金属ベース１２及び端子部材１４にコバール若しくは４２アロイを用いることとしているため、それらと熱膨張係数が近く、溶着時のなじみが良好な硬質ガラスを使用すると良い。硬質ガラスとしては、例えば、ホウ酸とケイ酸とを主成分として含むガラスであるホウケイ酸ガラスがある。ホウケイ酸ガラスは、ケイ酸ガラスにホウ酸成分を添加することにより、溶融温度が低下すると同時に熱膨張係数が低下するという特性をもつため、使用する金属材料の熱膨張係数に近似する熱膨張係数を備えるものが好ましい。

形状は、前記金属ベース１２の底部下面に凸設された周壁部１２ｂに嵌め込み可能であり、前記端子孔２２を貫通する端子部材１４の実装電極部を挿通する孔を備えており、好ましくは、前記底板１２ｃに設けた端子孔２２に嵌り込む凸部を備えるようにする。

形成方法は、プレス機等により、上記成分を含む粉末ガラスを加圧焼成することによって形成することができる。型によりモールド形成すること等も可能であるが、量産性を考慮した場合、前者の形成方法が効率的である。ガラスの場合、加圧焼成であっても、材料自体に溶融性があるため、セラミックのように多孔質になるという可能性が低い。また、多孔質となった場合であっても、後述するように溶着を目的として再度加熱することにより脱気することが可能である。よって、部材の肉厚を薄くした場合であっても、パッケージ内を気密に保持することが可能となる。

上記リッド１８は、上述のパッケージ構成部材と同一の金属若しくはガラスで形成すれば良い。形状は、前記金属ベース１２の表側のキャビティ１２ａを覆い、キャビティ側壁部の上端に密接可能な板部材であれば良い。形成方法は上述の金属若しくはガラスの成型方法に倣うようにすれば良い。

また、上記構成部材から成るパッケージ１１の内部、つまりキャビティ１２ａに凸設する端子１４の実装電極部に実装する圧電振動片２０は、ＡＴカット振動片等の水晶振動片であれば良い。もちろん他の構成要素、例えば弾性表面波素子等を実装することも考慮して良い。また、２点支持の場合は音叉型振動片等も実装可能である。

なお、金属とガラスとを溶着するには、金属の融点がガラスの融点（作業温度）よりも高い、双方の部材に濡れ性がある（なじむ）、金属とガラスとの除冷以下の熱膨張係数が一致しているといった条件を満たす必要がある。よって、これらを満たすものであれば、他の組み合わせであっても良い。

上記構成部材から成る圧電デバイス用パッケージは以下のようにして組立てられる。組立工程のフローチャートを図３に示す。
まず、金属ベース１２、絶縁材１６、端子部材１４をそれぞれプレス成型する（ステップ１００、１１０、１２０）。金属ベース１２と、端子部材１４とは板状材を打抜き加工することにより形成し、絶縁材１６は粉末ガラスを加圧することにより形成する。

続いて、金属ベース１２と、端子部材１４とは、成型された部材の洗浄を行い、金属表面の脱脂をする（ステップ１０２、１２２）。同時に絶縁材１６は、加圧形成した部材を焼結（焼成）して粉状体から成る絶縁材１６を固体に形成する（ステップ１１２）。

さらに続いて、前記金属ベース１２は、前記絶縁材１６を溶着させた際の密着性を良好にさせるために、少なくとも溶着面の表面酸化（予備酸化）を行って部材の金属表面に均一な酸化膜を形成する（ステップ１０４）。
上記のようにして金属ベース１２、絶縁材１６、端子部材１４は、仮組みされる（ステップ１５０）。

各部材を組立てた後に、全体を加熱して、前記絶縁材１６を半溶解させて、前記金属ベース１２および端子部材１４に溶着させる。こうすることにより、金属ベース１２と、絶縁材１６と、端子部材１４との間は、ハーメチックシールされることとなる（ステップ１５２）。

上記のようにして組立てた部材に電解ニッケル（Ｎｉ）メッキを施す。メッキ箇所は金属ベース１２の凹陥部１２ａの開口端部であって、リッド１８を溶着させる箇所と、端子部材１４とで良いが、工程の簡略化を図るために通電部分全体をメッキすれば良い（ステップ１５４）。
電解ニッケルメッキを施した後、導電性を高めるために電解金（Ａｕ）メッキを施す。メッキ施工箇所は、上記と同様とする（ステップ１５６）。

以上のようにして組立てた部材に、圧電振動片２０を前記端子部材１４ａに実装し、リッド１８により前記キャビティ１２ａを気密封止することにより、圧電振動子１０が完成する。

次に、本発明の圧電デバイス用パッケージに係る第二の実施形態について、図４を参照しつつ説明する。
本実施形態は第一の実施形態と類似する構成を含むため、同一作用を成す部材については、同一符号を付して説明を省略する。なお、相違点は、金属ベース１２の底面構造および、絶縁材１６の構造にある。また、本実施形態の圧電デバイス用パッケージを構成する部品の構成材料および加工方法は、第一の実施形態と同様とする。

本実施形態の金属ベース１２は、キャビティ１２ａを有する箱状態の底部下面であって、底板１２ｃに設けた端子孔２２の周辺部に凸設した周壁部１２ｂを有する。なお、底板１２ｃは金属ベース１２の裏側面において、実質的に底面部となっている。

また、前記キャビティ１２ａと、前記周壁部１２ｂとは、端子部材１４（１４ａ、１４ｂ）の実装電極部を挿通するための貫通孔である端子孔２２（２２ａ、２２ｂ）によって連通する部分を有する。

本実施形態の絶縁材１６は前記金属ベース１２の周壁部１２ｂと、前記端子孔２２に嵌り込む形状とする。このため、金属ベース１２における周壁部１２ｂを有する箇所以外の底部は、金属の底板１２ｃのみとなる構造である。このような構成により、絶縁材１６を使用する箇所を必要最低限とすることができ、絶縁材１６の加圧焼成にかかるコストを削減することができる。

上記構成の圧電デバイス用パッケージにおいて、圧電振動片２０が収容されるキャビティ１２ａを有する金属ベース１２と、前記金属ベース１２の底板１２ｃに設けた端子孔２２を挿通し、上端に前記圧電振動片２０を接続する端子部材１４と、前記金属ベース１２の底板１２ｃの下面に凸設した周壁部１２ｂと、少なくとも前記周壁部１２ｂと前記底板１２ｃとに溶着して前記金属ベース１２と前記端子部材１４とを絶縁する絶縁材１６とを備えることを特徴とすることにより、絶縁材１６と金属ベース１２との溶着面が、少なくとも絶縁材１６の上面と側面とになるために、溶着面積が広くなる。よって、熱膨張等の影響があったとしても前記金属ベース１２と前記絶縁材１６とが剥離することを抑制することができる。

また、前記周壁部１２ｂは、前記端子孔２２の周辺部にのみ設けられるようしたことにより、使用する絶縁材１６を必要最低限の量とすることができ、コスト削減に有効であると共に、パッケージ１１における当該絶縁材１６の専有面積が減ることにより、クラック等の発生率を低減できる。

また、上記構成の圧電デバイス用パッケージでは、前記端子部材１４に備えられる外部電極は、前記端子孔２２の開口面積よりも大きく形成され、かつ前記絶縁材１６が溶着するようにすることで、絶縁材１６の上面と側面とは金属ベース１２に、下面は端子部材１４の台座部にそれぞれ溶着面を有する構造となるために、溶着面積が広くなる。よって、熱膨張等の影響によっても前記金属ベース１２と前記絶縁材１６との剥離を抑制することができる。また、断面構造において、前記絶縁材１６の上下面において少なくともどちらか一方の面には金属層を備える構造となるため、絶縁材１６のみの部分がある場合に比べ、格段にパッケージ強度を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、金属ベース１２の周壁部１２ｂを底部全面に設けたものと、４つの端子孔２２の周辺に設けたものについて記載したが、金属ベース１２にキャビティ１２ａと周壁部１２ｂとを隔てる底板１２ｃを設け、絶縁材１６が前記底板１２ｃと周壁部１２ｂに溶着する形態を備える圧電デバイス用パッケージであれば全て本発明の実施形態に係るものとする。

次に本発明に係る圧電デバイスについて説明する。本発明の圧電デバイスは、上記圧電デバイス用パッケージを用いた圧電デバイスであり、より小型、薄型化が要求される携帯機器等に使用する場合に好適である。

本発明の圧電デバイス用パッケージに係る第一の実施形態を示す側断面図である。 本発明の圧電デバイス用パッケージに係る第一の実施形態の部品構成を示す分解斜視図である。 本発明の圧電デバイス用パッケージを作成するためのフローチャートである。 本発明の圧電デバイス用パッケージに係る第二の実施形態を示す側断面図である。 従来の圧電デバイス用パッケージを示す側断面図である。 従来の圧電デバイス用パッケージを示す側断面図である。

符号の説明

１０………圧電振動子、１１………パッケージ、１２………金属ベース、１２ａ………キャビティ、１２ｂ………周壁部、１２ｃ………底板、１４ａ、１４ｂ………端子部材、１６………絶縁材、１８………リッド、２０………圧電振動片、２２ａ、２２ｂ………端子孔。

Claims (4)

1. 圧電振動片が収容されるキャビティを有する金属ベースと、前記金属ベースの底部に設けた端子孔を挿通し、上端に前記圧電振動片を接続する端子部材と、前記金属ベースの底部下面に凸設した周壁部と、少なくとも前記周壁部と前記底部とに溶着して前記金属ベースと前記端子部材とを絶縁する絶縁材とを備えることを特徴とする圧電デバイス用パッケージ。
2. 前記周壁部は、前記端子孔の周辺部にのみ設けられる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。
3. 前記端子部材に備えられる外部電極は、前記端子孔の開口面積よりも大きく形成され、かつ前記絶縁材が溶着することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電デバイス用パッケージ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の圧電デバイス用パッケージを用いたことを特徴とする圧電デバイス。
   
   

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