JP2009089215A - 圧電デバイス及び圧電デバイスのパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シーム溶接時にパッケージの貫通穴にクラックが発生するのを防止してパッケージ内の気密不良を防止できる圧電デバイスを提供する。
【解決手段】水晶振動素子１１と、複数の絶縁材料を積層した積層基板２０により形成され、積層基板２０の上面側に水晶振動素子１１を搭載するための素子搭載用の接続パット３を有するパッケージ２と、このパッケージ２の上下面を貫通する貫通穴７と、接続パット３に電気的に接続した水晶振動素子１１を含むパッケージ２の上面側の空間Ｓを気密封止するリッド６と、を備えた圧電デバイスであって、積層基板２０の最下面側に位置する絶縁基板２１の貫通穴７の内壁に所定の膜厚以上のメタライズ２４を形成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電デバイス及び圧電デバイスのパッケージの製造方法に関するものである。

従来、圧電振動子などの圧電デバイスの製造工程では、パッケージ内に圧電振動片を実装した後、パッケージの開口部にリッドを固着するようにしていた。しかしながら、シーム溶接等によるリッドの固着は、パッケージの温度上昇を伴うものであるため、この温度上昇により、圧電振動片をパッケージ内に実装する際に使用した導電性接着剤からガスが発生する。この結果、リッドの固着により密閉されたパッケージ内には、発生したガスが残留し、この残留したガスが徐々に圧電振動片に付着し、時間の経過と共に圧電振動子の発振周波数を変化させることが知られている。
このため、従来の圧電デバイス１００においては、パッケージ１０１の底面に、パッケージの内部と外部とを貫通する貫通穴を形成するようにしている。圧電デバイスの製造工程では、パッケージ内に圧電振動片を収容し、パッケージ内の気体をこの貫通穴を介して外部に排出した後、貫通穴を封止する。これにより、貫通穴を封止する以前の製造工程においてパッケージ内で発生した有害なガスを排出してパッケージ内を気密封止するようにしていた。

図６は、従来の圧電デバイスの構成を示した図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は底面図である。
この図６に示すように、従来の圧電デバイス１００は、パッケージ１０１の上面側に圧電振動素子１１を搭載するパット１０２を有し、このパット１０２上に導電性接着剤１０３により水晶振動素子１１が電気的、機械的に固定されている。パッケージ１０１の略中央には、製造工程においてパッケージ１０１内に発生したガスを排出するために、パッケージ１０１の上下面を貫通する貫通穴１０４を形成するようにしている。貫通穴１０４の内壁には数μｍ程度の膜厚のメタライズ１０５が形成されている。

なお、特許文献１には、圧電振動片等のパッケージ内の構造に損傷を与えることなく、確実に穴封止を行うことができる圧電デバイスとその製造方法が開示されている。
特許文献２には、ベース実装面にパッケージの外部に通ずるガス抜き穴を開設し、アンダーフィル材の充填時にＩＣチップ下面とベース実装面とのギャップから空気その他のガスを排出することでアンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止するようにした圧電デバイスが開示されている。
特許文献３には、より低い溶接電流で効率よく気密封止が可能で、絶縁基体にクラックが発生しないように、パッケージの封止面にＮｉ−Ｐｄの厚付けメッキを施すようにした電子部品収納用パッケージが開示されている。
特開２００４−５６７６０公報 特開２００２−２３２２５２公報 特開２００４−２４７６５０公報

しかしながら、上記したような従来の圧電デバイス１００では、パッケージの開口部にシーム溶接によりリッドを固着する際に、シーム溶接による歪がパッケージ１０１の貫通穴１０４に集中する。この結果、貫通穴１０４の周囲にクラックが発生し、貫通穴１０４を封止した後もパッケージ内の気密性を確保することができず、気密不良が発生するおそれがあった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、シーム溶接時にパッケージの貫通穴にクラックが発生するのを防止してパッケージ内の気密不良を防止できる圧電デバイス及び圧電デバイスのパッケージ製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、圧電振動素子と、基板の上面側に前記圧電振動素子を搭載するパットを有するパッケージと、該パッケージの上下面を貫通する貫通穴と、前記パッケージの上面側の空間を気密封止する蓋部材と、を備えた圧電デバイスであって、前記基板の前記貫通穴の内壁に所定の膜厚以上の金属膜を形成した。
このような本発明によれば、基板の貫通穴の内壁に所定の膜厚以上の金属膜を形成したことで、熱や機械的衝撃に強いパッケージを構成することができる。これにより、例えばシーム溶接を行った際にパッケージに加わる熱応力が貫通穴に集中するのを緩和させることができるので、シーム溶接時の熱応力によってパッケージにクラックが発生するのを防止することができる。

また本発明の圧電デバイスは、パッケージの絶縁材料がセラミック、パッケージの外形が３．２ｍｍ×１．５ｍｍ、絶縁基板の貫通穴の穴径がφ０．５０ｍｍであるときに、金属膜の膜厚が３０μｍ以上とした。
このような本発明によれば、超小型サイズの圧電デバイスにおいて、熱や機械的衝撃に強いパッケージを構成することができ、例えばシーム溶接を行った際にパッケージに加わる熱応力が貫通穴に集中するのを緩和させることができるので、シーム溶接時の熱応力によってパッケージにクラックが発生するのを防止することができる。

また本発明の圧電デバイスのパッケージの製造方法は、第１のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成する工程と、第１のグリーンシートに形成したスルーホール及び貫通穴の内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、貫通穴に充填した金属材料を前記工程の穴径より小さい穴径でパンチングする工程と、第１のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程と、を含むことを特徴とする。
このような本発明によれば、パッケージ２の最下面に位置する絶縁基板の貫通穴の内壁に形成するメタライズの厚さを所望の厚さにできるので、熱的・機械的衝撃に強いパッケージを容易に作製することができる。

また本発明の圧電デバイスのパッケージの製造方法は、パッケージの絶縁材料がセラミック、パッケージの外形が３．２ｍｍ×１．５ｍｍ、絶縁基板の貫通穴の穴径がφ０．５０ｍｍであるときに、金属膜の膜厚が３０μｍ以上とした。
このような本発明によれば、超小型サイズの圧電デバイスにおいて、熱や機械的衝撃に強いパッケージを構成することができ、例えばシーム溶接を行った際にパッケージに加わる熱応力が貫通穴に集中するのを緩和させることができるので、シーム溶接時の熱応力によってパッケージにクラックが発生するのを防止することができる。

また本発明の圧電デバイスのパッケージの製造方法は、第２のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成する工程と、第２のグリーンシートに形成したスルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、第２のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程、及び、第３のグリーンシートに所定の穴径のスルーホールをパンチングにより形成する工程と、第３のグリーンシートに形成したスルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、第３のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程を、並行して行うようにした。
このような本発明によれば、第１のグリーンシートの製造工程と並行して第２及び第３のグリーンシートの製造工程を行うことができるので、短時間で圧電デバイスのパッケージを製造することが可能になる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電デバイスの構成を示した図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。なお、図１（ａ）ではリッドの図示は省略する。
図１に示す圧電デバイス１は、セラミック等の絶縁材料からなる凹状のパッケージ２を備える。パッケージ２の上面には素子搭載用の接続パット３が設けられており、この接続パット３上に導電性接着剤１０により水晶振動素子１１が電気的、機械的に固定されている。導電性接着剤１０は、例えばシリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系の樹脂に銀フィラーを混在させた接着剤である。

パッケージ２は、例えば下面側から第１の絶縁基板２１、第２の絶縁基板２２、第３の絶縁基板２３を積層した積層基板２０により形成されており、その外形サイズは、例えば３．２ｍｍ×１．５ｍｍとされる。
第１の絶縁基板２１はパッケージ２の外側底面、第２の絶縁基板２２はパッケージ２の内側底面をそれぞれ形成する。第１及び第２の絶縁基板２１、２２の厚みは、例えば第１の絶縁基板２１が０．１５ｍｍ、第２の絶縁基板２２が０．２０ｍｍとされる。
また第３の絶縁基板２３はパッケージ２の壁面を形成する。パッケージ２の壁面上にはシームリング４が取り付けられており、このシームリング４に金属製のリッド（蓋部材）６をシーム溶接などにより接合したときに形成される空間Ｓに水晶振動素子１１を収容するようにしている。
また、パッケージ２の外側底面には、図１（ｃ）に示すように外部電極５が形成されている。外部電極５は、図示しないスルーホールや内部配線を介してそれぞれ接続パット３に接続されている。
また、パッケージ２の底面の略中央には、パッケージ２の上下面を貫通する貫通穴７が形成されている。この貫通穴７は、例えば、製造工程においてパッケージ２内に発生したガスを排出するために設けられている。

水晶振動素子１１は、基部１２と、この基部１２を基端として平行に延出する一対の振動腕１３ａ、１３ｂを備えた音叉型水晶振動素子であり、導電性接着剤１０により基部１２がパッケージ２の接続パット３に電気的、機械的に接続されている。なお、本実施の形態では、圧電振動素子の一例として音叉型水晶振動子を例に挙げて説明したがＡＴカット水晶振動子なども適用可能である。また、圧電材料として水晶を用いた水晶振動素子を例に挙げたが、水晶以外のタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を用いた圧電振動素子であってもよい。

図２は、パッケージ２に形成されている貫通穴７の拡大図である。
図２に示すように、パッケージ２を形成する積層基板１０の最下面に位置する第１の絶縁基板２１には、穴径がφ０．５０ｍｍの第１の貫通穴７ａが形成され、第１の絶縁基板２１上に積層した第２の絶縁基板２２には、穴径がφ０．１５ｍｍの第２の貫通穴７ｂが形成されている。そして、第１の貫通穴７ａ内壁にはタングステンなどの金属膜（メタライズ）２４が形成されている。そして、本実施の形態では、第１の貫通穴７ａの内壁に形成するメタライズ２４の膜厚を所定の厚み以上、例えば３０μｍ以上とした。
このようにパッケージ２の最下面に位置する第１の絶縁基板２１の第１の貫通穴７の内壁に所定の厚み以上のメタライズ２４を形成した場合は、例えば、シーム溶接によりリッド６を接合したときに、パッケージ２の底面に形成した貫通穴７に集中していた歪、例えば熱的な応力や機械的な応力が第１の貫通穴７ａの内壁に形成したメタライズ２４によって緩和され、パッケージ２の貫通穴７の周辺にクラックが発生するのを防止できることがわかった。つまり、熱や機械的衝撃に強い圧電デバイス１を実現できることがわかった。

また本実施の形態の圧電デバイス１では、外部からの衝撃に強い金属性のリッド６を用いて真空気密性の高いシーム溶接により、パッケージ２を封止しているため、例えば、従来のガラス封止タイプのパッケージに比べて衝撃等に強くなる。従って、本実施の形態の圧電デバイス１は、温度や振動などの使用条件が厳しい車載用の圧電デバイスに非常に好適なものとなる。
また本実施の形態の圧電デバイス１では、ＡｕＧｅボール等を用いて貫通穴７を封止するために、例えばレーザ照射装置からレーザ光をＡｕＧｅボールに照射した場合でも、レーザが照射される側の内壁がメタライズ２４によって覆われているので、貫通穴７を封止する際に貫通穴７の周辺にクラックが発生するといったこともない。

図３は、貫通穴の内壁に形成したメタライズの厚さと応力との関係のシミュレーション結果を示した図である。
シミュレーションは以下の条件により行った。
（１）パッケージサイズ
パッケージ２の外形サイズを３．２ｍｍ×１．５ｍｍ、第１の絶縁基板２１の厚みを０．１５ｍｍ、第２の絶縁基板２２の厚みを０．２０ｍｍとした。また第１の貫通穴７ａの穴径をφ０．５０ｍｍ、第２の貫通穴７ｂの穴径をφ０．１５ｍｍとした。
（２）荷重条件
シーム溶接によって高温膨張したリッド６がパッケージ２上のシールリング４に接合され、その後の冷却で収縮する際にパッケージ２の積層基板２０に加わる歪を荷重条件とした。（詳しくは、リッド６全体が均一に温度下降すると仮定し、その均一な温度差を温度荷重として与えた。）今回は温度差を１００℃（１２５−２５＝１００℃）にした解析を実施した。この際、第１の貫通穴７ａの内壁にメタライズが形成されていないパッケージを基準パッケージとし、この基準パッケージの全辺（長辺方向と短辺方向）に対してシーム溶接を行ったときに生じる最大応力値を１００とした相対値で応力値を表した。
（３）シーム溶接条件
シーム溶接装置（日本アビオニクス製ＮＡＷ−１２６７ＣＰ）において溶接パワーの強さのレベルを示すＭＨＣ値（メインヒートコントロール値）を、センター値「１９」（ＭＨＣ値は１５〜２３で気密封止可能）に設定してパッケージ２の全辺をシーム溶接した。

上記の条件の下でシミュレーションを行った結果、図３に示すように、パッケージ２の最下面に位置する第１の絶縁基板２１の第１の貫通穴７ａの内壁に形成するメタライズ２４を厚くすれば、パッケージ２の貫通穴７に加わる最大応力値が低減することが確認された。これはシーム溶接により加わる熱応力によってリッド６の収縮による曲げ作用で広げられる貫通穴７が、第１の貫通穴７ａの内壁に形成したメタライズにより補強されることで、パッケージ２の貫通穴７に加わる最大応力値が低減されたと考えられる。メタライズは、パッケージ２の材料であるセラミックよりヤング率比で１．２６倍硬い材質である。
そして、本願発明者らは、上記したシミュレーションを踏まえて検討した結果、パッケージ２の貫通穴７に加わる最大応力相対値が８０％以下となるような厚さのメタライズ２４を第１の貫通穴７ａの内壁に形成すれば、例えば、本実施の形態の圧電デバイス１であればメタライズ２４の膜厚を３０μｍ以上にすれば、パッケージ２の貫通穴７の周辺にクラックが発生するのを防止できることを確認した。

以下、上記した本実施の形態の圧電デバイスのパッケージの製造方法について説明する。
図４は本実施の形態の圧電デバイスのパッケージの製造工程（前工程）を示した図である。
この場合は、パッケージ２の第１の絶縁基板を複数個組み合わせたシート状の基板母材を作製するために、まずシート準備工程Ｓ１−１においてアルミナ材やガラス材を練り上げた第１のグリーンシートを準備する。
次に第１のパンチ工程Ｓ２−１において第１のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成する。
次に、穴埋め印刷工程Ｓ３−１において第１のパンチ工程Ｓ２−１で形成したスルーホール及び貫通穴の内部にペースト状の金属材料、例えばタングステン又はモリブデンなどを充填する穴埋め印刷を行い、乾燥工程Ｓ４−１において第１のグリーンシートを乾燥させる。
次に第２のパンチ工程Ｓ５−１において穴埋め印刷により貫通穴に充填した金属材料にパンチングにより貫通穴を形成する。このときのパンチングの穴径は、上記第１のパンチ工程Ｓ２−１で形成した貫通穴の穴径より小さくすることで、第１のパンチ工程で開けた貫通穴の穴径と第２のパンチ工程で金属材料に開けた貫通穴の穴径の差分だけ金属材料が貫通穴の内壁に残ることになる。
次にパターン印刷工程Ｓ６−１において第１のグリーンシートの表面にタングステン又はモリブデンなどの金属材料を用いて外部電極や配線などのパターン印刷を行う。

また上記した第１の絶縁基板を複数個組み合わせたシート状の基板母材の作製と並行して、第２の絶縁基板を複数個組み合わせたシート状の基板母材を作製するために、シート準備工程Ｓ１−２において第２のグリーンシートを準備する。
次に第１のパンチ工程Ｓ２−２において第２のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成し、次の穴埋め印刷工程Ｓ３−２において第１のパンチ工程Ｓ２−２で形成したスルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する穴埋め印刷を行う。
次にパターン印刷工程Ｓ４−２において第２のグリーンシートの表面に金属材料を用いて外部電極や配線などのパターン印刷を行う。この後、第２のグリーンシートにキャビティを形成する場合は型抜き工程Ｓ５−２においてキャビティの型抜きを行う。

同様に、第１及び第２の絶縁基板を複数個組み合わせたシート状の基板母材の作製と並行して、第３の絶縁基板を複数個組み合わせたシート状の基板母材を作製するために、シート準備工程Ｓ１−３において第３のグリーンシートを準備し、第１のパンチ工程Ｓ２−３においてグリーンシートに所定の穴径のスルーホールをパンチングにより形成し、次の穴埋め印刷工程Ｓ３−３において第１のパンチ工程Ｓ２−３で形成したスルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する穴埋め印刷を行う。
次にパターン印刷工程Ｓ４−３において第３のグリーンシートの表面に金属材料を用いて外部電極や配線などのパターン印刷を行う。この後、型抜き工程Ｓ５−３においてキャビティの型抜きを行う。
上記のようにしてシート状の基板母材を作製したら、次に第１のラミネート工程Ｓ７において第１のグリーンシート上に第２のグリーンシートをラミネート（積層）した後、第２のラミネート工程Ｓ８において第２のグリーンシートの上に第３のグリーンシートをラミネートする。これにより、圧電デバイスのパッケージの前工程が完了する。

図５は本実施の形態の圧電デバイスのパッケージの製造工程（後工程）を示した図である。
図５に示す後工程においては、先ず、焼成工程Ｓ１１において、上記図４に示した前工程で作製した三層構造のシート状基板母材を、例えば１０００℃程度の温度で焼成する。次に、第１のメッキ工程Ｓ１２において外部電極や接続パットなどのメタライズ上にニッケル（Ｎｉ）メッキを施した後、ろう付け工程Ｓ１３において焼成して積層基板母材の所定位置にシームリングをろう付けする。次に、第２のメッキ工程Ｓ１４において再度Ｎｉメッキを施し、続く第３のメッキ工程Ｓ１５においてＮｉメッキの上に金（Ａｕ）メッキを施す。この後、ブレーク工程Ｓ１６において積層基板母材を個片に分割（ブレーク）した後、検査工程Ｓ１７において検査を行い、出荷工程Ｓ１８において出荷する。

このように本実施の形態では、第１の絶縁基板のシート状基板母材を作製する工程において、第１のパンチ工程において第１のグリーンシートに所定の穴径の貫通穴を形成し、形成した貫通穴の内部にペースト状の金属材料を充填した後、第２のパンチ工程において貫通穴に充填した金属材料をパンチングにより貫通させるようにした。
このようすると、例えば真空吸引により貫通穴の内部に充填した金属材料を吸引して貫通穴を貫通させると共に、その内壁に金属材料を残存させるようにする場合に比べて、貫通穴の内壁に残存させる金属材料の厚みを精度よく調整することが可能になる。
従って、本実施の形態の製造方法により、圧電デバイス１のパッケージを作製すれば、パッケージ２の最下面に位置する第１の絶縁基板２１の貫通穴７ａの内壁に形成するメタライズの厚さを所望の厚さにできるので本実施の形態の圧電デバイス１のパッケージを容易に作製することができる。

なお、本実施の形態では圧電デバイスの一例として水晶振動子を例に挙げて説明したが、これがあくまでも一例であり、パッケージに排気用の貫通穴を形成した圧電デバイスであれば圧電発振器などにも適用可能である。
また本実施の形態において説明した製造工程は一例であり、貫通穴に充填した金属材料をパンチングにより貫通させる工程を含む圧電デバイスの製造方法であれば、工程順序に関わらず本発明の圧電デバイスのパッケージ製造方法に含まれるものである。

本発明の実施の形態に係る圧電デバイスの構成を示した図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。 パッケージ２に形成されている貫通穴の拡大図である。 第１の絶縁基板の貫通穴の内壁に形成したメタライズの厚さと最大応力相対値との関係のシミュレーション結果を示した図である。 本実施の形態の圧電デバイスのパッケージの製造工程（前工程）を示した図である。 本実施の形態の圧電デバイスのパッケージの製造工程（後工程）を示した図である。 従来の圧電デバイスの構成を示した図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）は底面図である。

符号の説明

１ 圧電デバイス、２ パッケージ、３ 接続パット、４ シームリング、５ 外部電極、６ リッド、７ ７ａ ７ｂ 貫通穴、８ スルーホール、１０ 導電性接着剤、１１ 水晶振動素子、２０ 積層基板、２１ 第１の絶縁基板、２２ 第２の絶縁基板、２３ 第３の絶縁基板、２４ メタライズ

Claims (5)

1. 圧電振動素子と、
   基板の上面側に前記圧電振動素子を搭載するパットを有するパッケージと、
   該パッケージの上下面を貫通する貫通穴と、前記パッケージの上面側の空間を気密封止する蓋部材と、を備えた圧電デバイスであって、
   前記基板の前記貫通穴の内壁に所定の膜厚以上の金属膜を形成したことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記パッケージの絶縁材料がセラミック、前記パッケージの外形が３．２ｍｍ×１．５ｍｍ、前記絶縁基板の貫通穴の穴径がφ０．５０ｍｍであるときに、前記金属膜の膜厚が３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 請求項１又は２に記載の圧電デバイスのパッケージの製造方法であって、
   第１のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成する工程と、前記第１のグリーンシートに形成したスルーホール及び貫通穴の内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、前記貫通穴に充填した金属材料を前記工程の穴径より小さい穴径でパンチングする工程と、前記第１のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程と、を含むことを特徴とする圧電デバイスのパッケージの製造方法。
4. 前記パッケージの絶縁材料がセラミック、前記パッケージの外形が３．２ｍｍ×１．５ｍｍ、前記絶縁基板の貫通穴の穴径がφ０．５０ｍｍであるときに、前記金属膜の膜厚が３０μｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイスのパッケージの製造方法。
5. 第２のグリーンシートに所定の穴径のスルーホール及び貫通穴をパンチングにより形成する工程と、前記第２のグリーンシートに形成したスルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、前記第２のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程、及び、第３のグリーンシートに所定の穴径のスルーホールをパンチングにより形成する工程と、前記第３のグリーンシートに形成した前記スルーホールの内部にペースト状の金属材料を充填する工程と、前記第３のグリーンシートの表面にパターン印刷を行う工程を、並行して行うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の圧電デバイスのパッケージの製造方法。

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