JP2008060991A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】従来の圧電デバイスでは、高周波モジュール等の基準信号として用いられ、高周波モジュールに搭載後、モールド方法により、絶縁性樹脂を塗布し、固着することによって搭載部品を保護しているが、絶縁性樹脂より蓋体に応力が加わり、蓋体が歪んでしまうといった課題があった。
【解決手段】素子搭載パッドが上主面に形成された絶縁性基体と、この素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子と、この圧電振動素子を内包できるように、所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間を形成し、この収納空間開口部に開口部を囲繞し且つ開口部から延設した鍔部を有する蓋体から成り、この蓋体の鍔部に形成した封止材と、鍔部と対向する形態で絶縁性基体の上主面設けた環状の封止用導体パターンとを固着し、絶縁性基体上に搭載された圧電振動素子を収納空間内に内包され気密封止した構成の圧電デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に用いられる電子部品の１つである圧電デバイスに関するものである。

従来、携帯用通信機器等の電子機器には、その電子機器内に搭載される各種電子部品の１つとして圧電デバイスが使用されている。圧電デバイスとしては、圧電振動子や、圧電振動子と発振回路を組み合わせて一体化した圧電発振器或いは圧電フィルタ等があり、電子機器或いは電子機器に搭載される電子部品の基準信号やクロック信号等の発生源、又は種々の周波数成分の中から所望する新合成分のみを取り出し、その他の不要な成分を減衰させるフィルタとして用いられる。

かかる従来の圧電デバイスの一例としては、部品内部に搭載する圧電振動素子の主素材となる圧電材として水晶を使用した圧電振動子（水晶振動子）がある。即ち、容器体に形成された凹部空間内底面には、一対の素子搭載パッドに設けられている。この素子搭載パッド上には、導電性接着材を介して電気的に接続される一対の励振用電極を表裏主面に有した水晶材による圧電振動素子が搭載されており、この圧電振動素子内包した凹部空間を囲繞する容器体の側壁部の開口側頂面には全周にわたってシールリングが取着されている。このシールリング上に平板状の金属製蓋体を被せ、シーム溶接等でシールリングと蓋体縁部とを溶接接合することにより、圧電振動素子の搭載空間（凹部空間）を気密封止した圧電振動子である。（例えば、下記特許文献１を参照。）

このような圧電振動子において、容器体の実装側主面に設けられる入出力端子並びにグランド端子等の外部接続用電極端子を介して、容器体内部に搭載された水晶振動素子の励振用電極間に外部からの交番電圧が印加されると、水晶振動素子の形態等に応じた所定の振動モード及び周波数で振動を起こすようになっており、その周波数に基づいて外部の発振回路で所定周波数の基準信号が発振・出力される。このような基準信号は携帯用通信機器等の電子機器におけるクロック信号として利用されることとなる。

尚、上述した圧電振動子以外の他の圧電デバイスとしては、上述したような容器体内の凹部空間内に、圧電振動素子と、この圧電振動素子と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に搭載した形態の圧電発振器や、内部に搭載する圧電振動素子をフィルタとして機能させた圧電フィルタ等がある。

前述のような圧電振動子等を含む圧電デバイスについては、以下のような先行技術が開示されている。
特開２００２―１１１４３５号公報（第５−６頁、図２） 特開平９−３３１２２８号公報 特開２００１−１８５９８６号公報

尚、出願人は、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに到らなかった。

しかしながら、従来の圧電デバイスは、容器体部分に比べ蓋体部分は非常に薄く外部からの応力による影響を受けやすい構造となっている。このような圧電デバイスは他の電子部品と組み合わせて一体化した高周波モジュールに用いられ場合があり、この高周波モジュールを構成する際に、高周波モジュールの配線基板に圧電デバイスを搭載後、モールド方法により絶縁性樹脂を塗布し、他の電子部品共々固着することによって高周波モジュールとしての一体化と保護しているが、絶縁性樹脂が圧電デバイスに付着することより蓋体に絶縁性樹脂の質量に起因する応力が加わり、特に蓋体の中央部が大きく変形してしまうといった問題があった。又、蓋体が変形してしまう程度の応力が加わった場合、その応力による歪みが蓋体と容器体との接合部分に集中してしまい、蓋体と容器体との間の接合面に亀裂が生じ、圧電デバイス内部の気密性を維持することができない虞がある問題があった。更に、蓋体が外部からの応力により容器体の凹部空間内側に窪んでしまうことにより、蓋体と容器体の凹部空間内に収容されている圧電振動素子の励振用電極との距離が変わることにより、浮遊容量値が変化してしまい周波数が変動してしまう場合がある問題もあった。

本発明は上記課題に鑑みて考案されたものであり、その目的は、圧電デバイスに外部から応力が加わった場合でも、特に蓋体に加わる応力により発生する不具合を解消すると共に、圧電デバイス内の気密性を維持し、周波数の変動を防止することができる圧電デバイスを提供することにある。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その発明に係る圧電デバイスとしては、少なくとも一対の素子搭載パッドが上主面に形成された絶縁性基体と、
この素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子と、
この圧電振動素子を内包できるように、所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間を形成し、この収納空間開口部に開口部を囲繞し且つ開口部から延設した鍔部を有する蓋体から成り、
この蓋体の鍔部に形成した封止材と、鍔部と対向する形態で絶縁性基体の上主面設けた環状の封止用導体パターンとを固着し、絶縁性基体上に搭載された圧電振動素子を収納空間内に内包され気密封止した構成を特徴とするものである。

又、前述した絶縁性基体の上主面に設けられた封止用導体パターンの外周に壁部が形成されていることを特徴とする圧電デバイスでもある。

更に、前述した絶縁性基体の上主面の外周縁部に環状の溝部を形成し、この溝部内の少なくとも底面に封止用導体パターンが設けられていることを特徴とする圧電デバイスでもある。

蓋体が所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間を形成した形状であるために、外部から圧電デバイスの特に蓋体加わる応力を上記蓋体構造により吸収することができるので、蓋体が局所的に変形してしまう現象を防止することが可能となる。又、蓋体に加わる応力をドーム状部分で吸収することができることから、蓋体と絶縁性基体との接合部分に応力に起因する歪みが生じる事が無く亀裂の発生を防止できるので、圧電デバイス内の気密性を維持することが可能となる。

又、絶縁性基体に設けられた封止用導体パターンの外周に壁部が形成されていることにより、圧電デバイスへの横方向から加わる応力を更に緩和することができるので、接合面に生じる亀裂を防止し、気密性をさらに向上させることが可能となる。更に、壁部側面と蓋体の鍔部先端とを接触させて配置することが可能となり、蓋体の絶縁性基体上における配置位置合わせも容易となる。

さらに、絶縁性基体の外周に溝部を形成し、該溝部に封止用導体パターンが設けられていることによって、蓋体の横方向から加わる応力を更に緩和することができるので、接合面に生じる亀裂を防止し、気密性をさらに向上させることが可能となる。更に、溝部内に蓋体の鍔部先端を挿入して配置することが可能となり、蓋体の絶縁性基体上における配置位置合わせも容易となる。

因って、本発明により外部から応力が加わっても、内部気密性を保持でき、又周波数特性も変動しない圧電デバイスを提供できる効果を奏する。

以下、本発明の実施添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の圧電デバイスの一形態を、圧電デバイスの１つである圧電振動子を例に示した概略断面図である。図２は、高周波モジュールを構成する配線基板に搭載した際の圧電振動子の概略断面図である。尚、各図では、同じ符号は同じ部品を示し、又説明を明りょうにするため構造体の一部は、図示していない。更に図示した寸法も一部誇張している。これら各図に示す圧電振動子は、大略的に、主面形状が矩形状の絶縁性基体１０の主面に圧電振動素子２０を搭載し、蓋体３０と絶縁性基体１０との間の収容空間３２を気密封止した構造である。

絶縁性基体１０は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数層、積層することによって形成されており、絶縁性基体１０の上主面には、その上主面外周縁部全周にわたる環状の封止用導体パターン１１が形成され、実装側主面（下主面）の表面には入力端子、出力端子及びグランド端子を含む複数個の外部接続用電極端子１２が設けられている。
かかる絶縁性基体１０の上主面には一対の素子搭載パッド１３が形成されており、その素子搭載パッド１３上には圧電振動素子２０が配置されている。圧電材の一つである水晶を素材とする平板状の圧電振動素子２０の表裏両主面に形成された励振用電極２１と各個電気的に接続される一対の素子搭載パッド１３は、その上面側で後述する水晶振動素子２０の励振用電極２１に導電性接着材４０を介して電気的に接続され、下面側で絶縁性基体１０上の配線パターンや絶縁性基体１０内部のビア導体を介して絶縁性基体１０実装側主面の外部接続用電極端子１２うちの入出力端子（入力端子・出力端子）に電気的に接続される。

また、絶縁性基体１０に形成された封止用導体パターン１１は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等から成る基層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次、絶縁性基体１０の外周を囲繞する形態で被着させることによって１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されている。この封止用導体パターン１１は、後述する蓋体３０を、蓋体３０の鍔部３３に形成した封止部材３１を介して絶縁性基体１０の上面に接合させるためのものであり、かかる封止用導体パターン１１を、上述したようにタングステン（Ｗ）若しくはモリブデン（Ｍｏ）から成る基層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次被着させた構成となしておくことにより、前記封止用導体パターン１１に対する封止部材３１の濡れ性を良好とし、圧電デバイスの気密信頼性及び生産性を向上させることができる。

また、絶縁性基体１０の内部には、一方の終端を絶縁性基体１０の封止用導体パターン１１に、他方の終端を絶縁性基体１０の実装側主面に導出させたビア導体（図示せず）が埋設されており、絶縁性基体１０の主面外周に被着させた封止用導体パターン１１上に、封止部材３１を介して蓋体３０を接合することによって、蓋体３０がビア導体を介して、絶縁性基体１０実装側主面に形成されている外部接続用電極端子１２のうちのグランド端子と電気的に接続させておくことにより、圧電振動子の使用の際には、蓋体３０がグランド電位となるため、蓋体３０の電磁シールド作用によって、圧電振動素子２０を外部から不要な電気的作用により良好に保護することができる。このようなグランド端子を含む絶縁性基体１０実装側主面の外部接続用電極端子１２に半田や金属バンプ等の導電性を有する接合材を介して電気的に接続するための電極端子として機能する。

尚、上述した絶縁性基体１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に外部接続用電極端子１２、素子搭載パッド１３及び封止用導体パターン１１等となる導体ペーストを、またセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設貫通孔内に導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

一方、絶縁性基体１０の上主面に搭載される圧電振動素子２０は、例えば、圧電振動素子２０を構成する圧電材料の素材に水晶を用いた場合、その水晶素板は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施した、概略平板状で主面形状が四角形であり、その水晶素板の表裏両主面に一対の励振用電極２１を被着・形成してなり、外部からの交番電圧が励振用電極２１を介して水晶素板に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。このような圧電振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２１と絶縁性基体１０の上主面の対応する素子搭載パッド１３とを、導電性接着材４０を介して電気的且つ機械的に接続することによって絶縁性基体１０の上主面に搭載される。

導電性接着材４０は、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂等から成る樹脂材料中に導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、またはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

また、絶縁性基体１０上に配置される蓋体３０は、圧電振動素子２０を内包できるように、所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間３２を形成し、この収納空間３２開口部に開口部を囲繞し且つ開口部から延設した鍔部３３を有する形状であり、従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属板を上記形状に加工することにより得られる。蓋体３０の表面にはニッケル（Ｎｉ）層が形成され、更に、鍔部３３のＮｉ層表面の少なくとも封止用導体パターン１１に相対する面上には、封止部材３１である金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層が形成される。金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が８０％、錫が２０％のものが使用されている。また、このような封止部材３１は、封止用導体パターン１１表面の凹凸を緩和し、気密性の低下を防ぐことが可能となる。このような形状の蓋体３０を圧電振動素子２０が搭載されている領域を囲繞するように形成された封止用導体パターン１１上に圧電振動素子２０を覆う形態で配置され、封止部材３１と封止用導体パターン１１とを溶融接合することにより、収納空間３２内を気密に封止し、圧電振動子を構成している。尚、本発明の圧電デバイスでは、この封止部材３１と封止用導体パターン１１とを溶融接合工程を、真空中又は不活性ガス中で行っているので、収納空間３２内は真空又は不活性ガスとなっている。

尚、図２に示すように、所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間３２を形成し、この収納空間３２開口部に開口部を囲繞し且つ開口部から延設した鍔部３３を有する形状の蓋体３０により構成された圧電デバイスを、高周波モジュールを構成する配線基板に搭載し、絶縁性樹脂５０をモールドした際に、絶縁性樹脂５０から応力が蓋体３０に加わることになるが、ドーム状の蓋体３０には絶縁性樹脂５０から加わる応力が均等にかかることになるので、その応力に対し蓋体３０全体で対抗することができ、蓋体３０が局所的に変形するというような現象を防止することが可能となる。尚、高周波モジュールは圧電デバイスの他に複数の電子部品を組み合わせて搭載したものが一般的であるが、説明を明確にするために図２には他の電子部品は記載していない。又、絶縁性樹脂５０は、例えば略矩形状をなすようにして形成され、エポキシ樹脂及び硬化剤等を混合したものを真空印刷することによって形成される。

また、図３に示すように、絶縁性基体１０に上主面外周縁部全周にわたり環状に設けられた封止用導体パターン１１の外側縁に沿って、壁部１４が環状に形成されていることにより、外部から圧電デバイスの側面（特に蓋体３０と絶縁性基体１０との接合部）に加わる応力を更に緩和することができるので、接合面に生じる亀裂を防止し、圧電デバイス内の気密性をさらに向上させることが可能となる。更に壁部１４により、蓋体３０がずれることがなく、位置決めをすることができるので、安定して生産をすることができ、特に圧電デバイスの小型化が進んだ場合にその効果は大となる。

さらに、図４に示すように絶縁性基体１０の上主面の外周縁部に環状の溝部１５を形成し、この溝部１５内の少なくとも底面に封止用導体パターン１１が設けられている。この場合、絶縁性基体１０の溝部１５内に蓋体３０の鍔部３３を挿入し、鍔部３３の表面に形成した封止部材３１にて接合されていることにより、外部から圧電デバイスの側面（特に蓋体３０と絶縁性基体１０との接合部）に加わる応力を更に緩和することができるので、接合箇所に生じる亀裂を防止し、圧電デバイス内の気密性をさらに向上させることが可能となる。また、溝部１５内に蓋体３０の鍔部３２を挿入して形成されていることにより、製造の際に蓋体３０が絶縁性基体上の所定の位置からずれることがなく、精確な位置決めを簡易にすることができるので、安定して生産することができる。特に圧電デバイスの小型化が進んだ場合にその効果は大となる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上述した実施形態においては、圧電振動素子を構成する圧電素材として水晶を用いた圧電振動子を説明したが、圧電素材としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを用いたものでも構わない。また、本発明は上記実施形態で開示した圧電振動子の他、圧電発振器、圧電フィルタや弾性表面波（ＳＡＷ）素子を用いた他の圧電デバイスにおいて、本発明は適用可能である。

図１は、本発明における圧電デバイスの一実施形態を、圧電デバイスの一つである圧電振動子（水晶振動子）を例に示した概略断面図である。 図２は、図１記載の圧電振動子（水晶振動子）を高周波モジュールとして樹脂モールドした状態を示した概略断面図である。 図３は、本発明おける圧電デバイスの他の実施形態を、圧電デバイスの一つである圧電振動子（水晶振動子）を例に示した概略断面図である。 図４は、本発明おける圧電デバイスの他の実施形態を、圧電デバイスの一つである圧電振動子（水晶振動子）を例に示した概略断面図である。

符号の説明

１０・・・・絶縁性基体
１１・・・・封止用導体パターン
１２・・・・外部接続用電極端子
１３・・・・素子搭載パッド
１４・・・・壁部
１５・・・・溝部
２０・・・・圧電振動素子（水晶振動素子）
２１・・・・励振用電極
３０・・・・蓋体
３１・・・・封止部材
３２・・・・収容空間
３３・・・・鍔部
４０・・・・導電性接着材
５０・・・・絶縁性樹脂

Claims (3)

1. 少なくとも一対の素子搭載パッドが上主面に形成された絶縁性基体と、
   前記素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子を内包できるように、所定の曲率半径を有するドーム状の外面形状及び内面形状により収納空間を形成し、前記収納空間開口部に前記開口部を囲繞し且つ前記開口部から延設した鍔部を有する蓋体から成り、
   前記蓋体の鍔部に形成した封止材と、前記鍔部と対向する形態で前記絶縁性基体の上主面設けた環状の封止用導体パターンとを固着し、前記絶縁性基体上に搭載された圧電振動素子を前記収納空間内に内包され気密封止した構成を特徴とする圧電デバイス。
2. 前記絶縁性基体の上主面に設けられた前記封止用導体パターンの外周に壁部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 前記絶縁性基体の上主面の外周縁部に環状の溝部を形成し、前記溝部内の少なくとも底面に前記封止用導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。

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