JP2007300265A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた圧電デバイスを提供する。
【解決手段】セラミック基板１０と、セラミック基板１０に固着された金属シールリング１２と、セラミック基板１０と金属シールリング１２によって画定された収容凹部１５に収容された水晶振動片１６と、金属シールリング１２と接合され収容凹部１５内を気密に封止する金属蓋体２０と、を備えた水晶振動子１であって、金属蓋体２０が金属シールリング１２の外形より大きな外形を有し、金属蓋体２０の外周縁が金属シールリング１２の側壁面に向かって曲折され、金属シールリング１２上面の外周縁にて金属蓋体２０とシーム溶接されており、この溶接状態は金属シールリング１２上面および側壁面と金属蓋体２０との間に形成されたＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器などに用いられる圧電デバイスに関し、特に気密封止を必要とする圧電デバイスの構造に関する。

従来より水晶振動片などの圧電素子がパッケージに収納された圧電デバイスにおいて、圧電素子の特性および信頼性を確保するために、パッケージ内部を気密に封止する構造がとられている。
パッケージ内部を気密封止する方法として様々な方法が検討され、その一つにパッケージに固着された金属シールリングと金属蓋体とをシーム溶接する方法が知られている。

図７は金属シールリングと金属蓋体とをシーム溶接する圧電デバイスとしての水晶振動子の構成を示す模式断面図である。凹部が形成されたセラミック基板６０に、この凹部を取り囲むように金属シールリング６２が固着されている。セラミック基板６０と金属シールリング６２によって画定される収容凹部６５の底面に、水晶振動片６６が導電性接着剤６８にて固定されている。そして、金属シールリング６２と金属蓋体７０とをシーム溶接することで、収容凹部６５内を気密に封止し水晶振動子５が構成されている。なお、金属シールリング６２の表面にはＮｉ、Ａｕの順にメッキが施され、金属蓋体７０の表面にはＮｉメッキが施されている。シーム溶接において、両側よりローラ電極７８が金属蓋体７０の外周縁に当接し、一定の圧力の下で通電を行うことで接合部７５に熱が発生し、ＡｕとＮｉとの共晶合金が形成されて接合がなされている。
また、金属蓋体７０は、その搭載位置が金属シールリング６２に対してずれた場合にも接合領域を確保できるように、金属シールリング６２の外形よりも小さいサイズのものが用いられている。
上記のシーム溶接の構成は他の方法に比べて溶接時のガスの発生が少なく、また、溶融した接合金属の一部が金属屑となって内部に飛散すること（スプラッシュ）が少ないことから、圧電デバイスの信頼性および特性を確保するための良好な方法として知られている。

また、特許文献１に示すように、金属シールリングの外形以上のサイズを有する金属蓋体にクラッド化した銀ろう層を形成し、金属シールリングと金属蓋体をシーム溶接にて銀ろう層を溶融させて気密接合した圧電デバイスが知られている。この構成ではシーム溶接時の溶接温度の低減が図られ、金属蓋体の搭載位置がずれた場合でも接合領域の確保がなされている。

特許第３４３８２２４号公報

上記前者に示す構造の圧電デバイスでは、図８に示すように、金属蓋体７０の搭載位置が金属シールリング６２に対してずれた場合、接合位置の片側では金属シールリング６２の外周縁付近で接合がなされ、もう一方では金属シールリング６２の内周縁付近で接合がなされる。
このように、金属蓋体７０の内周縁付近で接合がなされた部分では、接合の際、スプラッシュが発生して容易に収容凹部６５内に多くの屑が飛散することになる。このため、水晶振動片６６に飛散した屑が付着することや、また、収容凹部６５内に一度飛散した屑が振動などにより移動して水晶振動片６６に付着するなど、水晶振動子の特性および信頼性に悪影響を与えることがある。
特許文献１に示す圧電デバイスの構成では、接合材料としてＡｕとＮｉの共晶合金に比べて、銀ろう層が溶融するときのガス放出が多く、また、溶接温度が低いことから銀ろう層が溶けすぎてスプラッシュが発生しやすく、圧電デバイスの信頼性および特性に悪い影響を与えることが予想される。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた圧電デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明はセラミック基板と、前記セラミック基板に固着された金属シールリングと、前記セラミック基板と前記金属シールリングによって画定された収容凹部に収容された圧電素子と、前記金属シールリングと接合され前記収容凹部内を気密に封止する金属蓋体と、を備えた圧電デバイスであって、前記金属蓋体が前記金属シールリングの外形より大きな外形を有し、前記金属蓋体の外周縁が前記金属シールリングの側壁面に向かって曲折され、前記金属シールリング上面の外周縁にて前記金属蓋体とシーム溶接されており、この溶接状態は前記金属シールリング上面および側壁面と前記金属蓋体との間に形成されたＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合されていることを特徴とする。

この構成によれば、金属蓋体が金属シールリングの外形より大きな外形を有し、金属蓋体の外周縁が金属シールリングの側壁面に向かって曲折されている。このことから、金属シールリング上面の外周縁にてシーム溶接することで、金属シールリング上面と金属蓋体の平面部との間、および金属シールリング側壁面と金属蓋体の外周縁の曲折された部分との間がＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合され、金属シールリングと金属蓋体との接合強度を確保できる。
また、ＡｕとＮｉの共晶合金による接合であることから接合時のガス放出が少なく、さらに金属蓋体の搭載位置がずれても、接合が金属シールリングの外周縁でなされることから、接合部と収容凹部との距離が確保でき、収容凹部内に飛散する金属屑を低減することができる。
このように、本発明の圧電デバイスは、気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた圧電デバイスを提供することができる。

また本発明の圧電デバイスは、前記収容凹部内に前記圧電素子を発振させる発振機能を有する回路素子がさらに収納されていても良い。

この構成によれば、圧電素子およびこの圧電素子を励振させる発振機能を有する回路素子を備えており、気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた圧電デバイスを提供することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。以下の実施形態では、圧電デバイスとして水晶振動子を例示して説明する。
（第１の実施形態）

図１は本実施形態の水晶振動子の構成を示し、図１（ａ）は模式平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
水晶振動子１は、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなるセラミック基板１０と、コバール材（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、４２アロイなどの材料からなる金属シールリング１２と、水晶振動片１６と、コバール材、４２アロイなどの材料からなる金属蓋体２０とを備えている。
平板状のセラミック基板１０には、金属層１１がリング状に形成されている。この金属層１１は、セラミック基板１０上に形成されたタングステンまたはモリブデンなどからなるメタライズ層と、その上に形成されたＮｉなどのメッキ層から構成されている。
金属層１１の上部にはリング状の金属シールリング１２が、銀ろうなどのろう材１９によりセラミック基板１０に接合されている。そして、金属シールリング１２の表面にはＮｉ、Ａｕの順にメッキが施されている。

そして、セラミック基板１０と金属シールリング１２によって画定された収容凹部１５に水晶振動片１６が収容されている。水晶振動片１６の表裏には励振電極１７が形成され、導電性接着剤１８を介してセラミック基板１０に形成された接続パッド１３と導通するように固定されている。また、セラミック基板１０の裏面には外部接続電極１４が形成され、その一部はセラミック基板１０を貫通する配線により接続パッド１３と導通するように構成されている。

金属シールリング１２の上方には、この金属シールリング１２の外形よりも大きな外形を有しＮｉメッキが施された金属蓋体２０が配置され、シーム溶接により金属シールリング１２と金属蓋体２０とが接合部２５にて接合されている。このようにして、水晶振動子１の収容凹部１５内を気密に保つことができる。

ここで、このシーム溶接における金属シールリング１２と金属蓋体２０の溶接状態について詳しく説明する。
図２は、金属蓋体２０を金属シールリング１２上に載置したシーム溶接前の状態を示す模式部分断面図であり、図３はシーム溶接後の状態を示す模式部分断面図である。
図２において、平板状の金属蓋体２０が金属シールリング１２上に載置され、ローラ電極２８が金属蓋体２０の外周縁に当接し、一定の圧力の下で通電を行うことでシーム溶接が行われる。このとき、金属蓋体２０は金属シールリング１２より大きな外形を有していることから、ローラ電極２８の圧力で金属蓋体２０の外周縁が圧接され、金属シールリング１２の側壁面に向かって斜面状に曲折される。そして、ローラ電極２８より通電することで図３に示すように接合部２５に熱が発生し、金属蓋体２０にメッキされたＮｉと金属シールリング１２にメッキされたＡｕ，Ｎｉとが共晶合金を形成し、この共晶合金が溶融して接合がなされる。
この接合は、金属シールリング１２上面の外周縁側で行われており、金属シールリング１２の上面の平面部と金属蓋体２０の平面部および、金属シールリング１２の側壁面と金属蓋体２０の外周縁の曲折部において、ＡｕとＮｉの共晶合金が形成されている。
なお、本実施形態では、金属シールリング１２の最表面にＡｕメッキを施したが、金属シールリング１２にＮｉメッキを施し、金属蓋体２０にＮｉ、Ａｕメッキを順次施して実施しても良い。

以上、本実施形態の水晶振動子１によれば、金属蓋体２０が金属シールリング１２の外形より大きな外形を有し、金属蓋体２０の外周縁が金属シールリング１２の側壁面に向かって曲折されている。このことから、金属シールリング１２上面の外周縁にてシーム溶接がなされ、金属シールリング１２上面と金属蓋体２０の平面部との間、および金属シールリング１２側壁面と金属蓋体２０の外周縁の曲折された部分との間がＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合され、金属シールリング１２と金属蓋体２０との接合強度を確保することができる。
また、金属蓋体２０の搭載位置が金属シールリング１２に対してずれた場合においても、図４の模式断面図に示すように、接合が金属シールリング１２の外周縁でなされることから、接合部２５と収容凹部１５との距離を確保でき、収容凹部１５内に飛散する金属屑を低減することが可能である。
このように、本実施形態の水晶振動子１は、気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた水晶振動子１を提供することができる。
（変形例）

次に、上記第１の実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第１の実施形態とはセラミック基板の構成が異なり、第１の実施形態と同じ構成については同符号を付し説明する。
図５は第１の実施形態における変形例を示す水晶振動子の模式断面図である。
水晶振動子２は、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなるセラミック基板３０と、コバール材、４２アロイなどの材料からなる金属シールリング３２と、水晶振動片１６と、コバール材、４２アロイなどの材料からなる金属蓋体２０とを備えている。

セラミック基板３０には凹部が形成され、この凹部を取り囲むように金属層３１がリング状に形成されている。この金属層３１は、セラミック基板３０上に形成されたタングステンまたはモリブデンなどからなるメタライズ層と、その上に形成されたＮｉなどのメッキ層から構成されている。
金属層３１の上部にはリング状の金属シールリング３２が銀ろうなどのろう材３９により、セラミック基板３０に接合されている。そして、金属シールリング３２の表面にはＮｉ、Ａｕの順にメッキが施されている。

そして、セラミック基板３０と金属シールリング３２によって画定された収容凹部３５に水晶振動片１６が収容されている。水晶振動片１６は収容凹部の接続パッド３３に導電性接着剤１８により固定されている。また、セラミック基板３０の裏面には外部接続電極３４が形成され、その一部はセラミック基板３０を貫通する配線により接続パッド３３と導通するように構成されている。

金属シールリング３２の上方には、この金属シールリング３２の外形よりも大きな外形を有しＮｉメッキが施された金属蓋体２０が配置されている。ローラ電極（図示せず）の圧力で金属蓋体２０の外周縁が圧接され、金属シールリング３２の側壁面に向かって斜面状に曲折され、シーム溶接により金属シールリング３２と金属蓋体２０とが接合部２５にて接合されている。この接合は、金属シールリング３２上面の外周縁側で行われており、金属シールリング３２の上面の平面部と金属蓋体２０の平面部および、金属シールリング３２の側壁面と金属蓋体２０の外周縁の曲折部において、ＡｕとＮｉの共晶合金が形成されている。

このように、セラミック基板３０に凹部を形成した構成においても、接合の構成は同様であり、第１の実施形態と同様な効果を享受することができる。
（第２の実施形態）

次に、第２の実施形態として、収容凹部に回路素子と圧電素子とを収納した圧電デバイスについて説明する。本実施形態では水晶発振器を例示して説明する。
図６は、水晶発振器の構成を示す模式断面図である。
水晶発振器３は、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなるセラミック基板４０と、コバール材、４２アロイなどの材料からなる金属シールリング４２と、水晶振動片１６と、コバール材、４２アロイなどの材料からなる金属蓋体２０とを備えている。

セラミック基板４０には凹部が形成され、この凹部を取り囲むように金属層４１がリング状に形成されている。この金属層４１は、セラミック基板４０上に形成されたタングステンまたはモリブデンなどからなるメタライズ層と、その上に形成されたＮｉなどのメッキ層から構成されている。
金属層４１の上部にはリング状の金属シールリング４２が銀ろうなどのろう材４９により、セラミック基板４０に接合されている。そして、金属シールリング４２の表面にはＮｉ、Ａｕの順にメッキが施されている。

そして、セラミック基板４０と金属シールリング４２によって画定された収容凹部４５に、ＩＣチップ４６と水晶振動片１６が固定され収容されている。ＩＣチップ４６はＡｕ線などの金属ワイヤ４７により収容凹部４５に形成された接続パッド４８に接続され、水晶振動片１６は収容凹部の接続パッド４３に導電性接着剤１８により固定されている。また、セラミック基板４０の裏面には外部接続電極４４が形成され、その一部はセラミック基板４０を貫通する配線により接続パッド４３または接続パッド４８と導通するように構成されている。

金属シールリング４２の上方には、この金属シールリング４２の外形よりも大きな外形を有しＮｉメッキが施された金属蓋体２０が配置されている。ローラ電極（図示せず）の圧力で金属蓋体２０の外周縁が圧接され、金属シールリング４２の側壁面に向かって斜面状に曲折され、シーム溶接により金属シールリング４２と金属蓋体２０とが接合部２５にて接合されている。この接合は、金属シールリング４２上面の外周縁側で行われており、金属シールリング４２の上面の平面部と金属蓋体２０の平面部および、金属シールリング４２の側壁面と金属蓋体２０の外周縁の曲折部において、ＡｕとＮｉの共晶合金が形成されている。

以上、本実施形態の水晶発振器３によれば、金属蓋体２０が金属シールリング４２の外形より大きな外形を有し、金属蓋体２０の外周縁が金属シールリング４２の側壁面に向かって曲折されている。このことから、金属シールリング４２上面の外周縁にてシーム溶接がなされ、金属シールリング４２上面と金属蓋体２０の平面部との間、および金属シールリング４２側壁面と金属蓋体２０の外周縁の曲折された部分との間がＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合され、金属シールリング４２と金属蓋体２０との接合強度を確保している。
また、金属蓋体２０の搭載位置が金属シールリング４２に対してずれた場合においても、接合が金属シールリング４２の外周縁でなされることから、接合部２５と収容凹部４５との距離が確保でき、収容凹部４５内に飛散する金属屑を低減することが可能である。
このように、本実施形態の水晶発振器３は、気密封止におけるシーム溶接の接合強度が確保され、特性および信頼性に優れた水晶発振器３を提供することができる。

なお、本実施形態では、シーム溶接時のローラ電極による圧接により金属蓋体を金属シールリングの側壁に向かって曲折させたが、予め金属蓋体の外周縁を曲げておき、外周縁が曲げられた金属蓋体を搭載してシーム溶接を行っても良い。このようにすれば、金属蓋体の搭載位置決めを容易にし、シーム溶接時の金属蓋体のずれを少なくすることが可能である。
また、本発明の圧電デバイスは金属シールリングの外周縁側でシーム溶接されることから、従来の構造のように金属蓋体がずれることを考えて金属シールリングの幅を広く形成することなく、金属シールリングの幅を必要最低限に形成することができる。特にスペースの限られた小型化された圧電デバイスにおいて本発明の構成を採用すれば、金属シールリング内側のスペースを大きく確保することが可能である。このことから、金属シールリング内側に収納される圧電素子のサイズを大きく採ることができ、小型化され特性および信頼性に優れた圧電デバイスを提供することが可能となる。

さらに、本実施形態では圧電素子として水晶振動片を用いた水晶振動子、水晶発振器を例示して説明したが、本発明は、水晶振動片に代えてタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどを用いた圧電振動片を利用しても良い。また、本発明は、圧電素子としてＳＡＷ素子を用いたＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ共振子、ＳＡＷ発振器、また、振動ジャイロ素子を用いたジャイロセンサなどの圧電デバイスに利用が可能である。

第１の実施形態の水晶振動子の構成を示し、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図。 第１の実施形態における水晶振動子のシーム溶接前の状態を説明する模式部分断面図。 第１の実施形態における水晶振動子のシーム溶接後の状態を説明する模式部分断面図。 第１の実施形態における金属蓋体がずれた状態でシーム溶接された場合を説明する模式部分断面図。 第１の実施形態における変形例を示す水晶振動子の模式断面図。 第２の実施形態における水晶発振器の構成を示す模式断面図。 従来の水晶振動子のシーム溶接による気密封止の構成を説明する模式断面図。 従来の水晶振動子における金属蓋体がずれた状態でシーム溶接された場合を説明する模式部分断面図。

符号の説明

１，２…圧電デバイスとしての水晶振動子、３…圧電デバイスとしての水晶発振器、１０…セラミック基板、１１…金属層、１２…金属シールリング、１５…収容凹部、１６…圧電素子としての水晶振動片、１７…励振電極、１８…導電性接着剤、１９…ろう材、２０…金属蓋体、２５…接合部、２８…ローラ電極、３０…セラミック基板、３１…金属層、３２…金属シールリング、３５…収容凹部、４０…セラミック基板、４１…金属層、４２…金属シールリング、４５…収容凹部、４６…回路素子としてのＩＣチップ、４７…金属ワイヤ。

Claims (2)

1. セラミック基板と、
   前記セラミック基板に固着された金属シールリングと、
   前記セラミック基板と前記金属シールリングによって画定された収容凹部に収容された圧電素子と、
   前記金属シールリングと接合され前記収容凹部内を気密に封止する金属蓋体と、を備えた圧電デバイスであって、
   前記金属蓋体が前記金属シールリングの外形より大きな外形を有し、前記金属蓋体の外周縁が前記金属シールリングの側壁面に向かって曲折され、前記金属シールリング上面の外周縁にて前記金属蓋体とシーム溶接されており、この溶接状態は前記金属シールリング上面および側壁面と前記金属蓋体との間に形成されたＡｕとＮｉとを含む共晶合金にて接合されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、
   前記収容凹部内に前記圧電素子を発振させる発振機能を有する回路素子がさらに収納されていることを特徴とする圧電デバイス。
   

Images