JP2010171536A

JP2010171536A - 圧電振動子

Info

Publication number: JP2010171536A
Application number: JP2009010184A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Sugama; 一義須釜; Satoshi Numata; 理志沼田; Shuji Yamane; 修二山根
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05
Also published as: TW201041197A; CN101783659A; US20100181872A1; US8207654B2

Abstract

【課題】加熱後の冷却時や実装後のベース基板の変形時において大きな応力が発生しにくく、かつキャビティの気密を保持して圧電振動片と外部電極とを確実に導通できる貫通電極を有する圧電振動子を提供する。
【解決手段】互いに接合されたベース基板２とリッド基板３との間に形成されたキャビティＣ内に圧電振動片４が封止された圧電振動子１は、ベース基板２を厚さ方向に貫通するスルーホール３０，３１に設けられた貫通電極３２，３３を備え、貫通電極３２，３３は、スルーホール内に充填されて焼成されるガラスフリットと、金属として鉄及びニッケルのみを含む材料で形成されてガラスフリットとともにスルーホール内に配置され、キャビティ外部と圧電振動片とを導通させる芯材部７とを有し、ベース基板２、ガラスフリット、及び芯材部７の熱膨張係数の値が、ベース基板≧ガラスフリット＞芯材部となる様に設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電振動子、より詳しくは、接合された２枚の基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された表面実装型の圧電振動子に関する。

近年、携帯電話や携帯情報端末には、時刻源や制御信号などのタイミング源、リファレンス信号源などとして水晶などを利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子は、様々なものが知られているが、その一つとして、表面実装型（ＳＭＤ）の圧電振動子がある。

一般的な表面実装型圧電振動子としては、一般的に圧電振動片が形成された圧電基板をベース基板とリッド基板とで上下から挟み込むように接合した３層構造タイプのものが知られている。この場合、圧電振動子はベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ（密閉室）内に収納されている。また、近年では、上述した３層構造タイプのものではなく、２層構造タイプのものも開発されている。

２層構造タイプの圧電振動子は、ベース基板とリッド基板とが直接接合されることで２層構造になっており、両基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が収納されている。２層構造タイプの圧電振動子は、３層構造のものに比べて薄型化を図ることができるなどの点において優れており、好適に使用されている。このような２層構造タイプの圧電振動子の一つとして、ベース基板を貫通するように形成された導電部材を利用して、圧電振動片とベース基板に形成された外部電極とを導通させた圧電振動子が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許文献１や特許文献２に記載の圧電振動子においては、セラミックやガラスなどからなる絶縁性のベース基板にスルーホールが形成されている。そして、当該スルーホールを塞ぐように、導電部材がスルーホール内に埋め込まれている。導電部材は、ベース基板の下面に形成された外部電極に電気的に接続されているとともに、キャビティ内にマウントされている圧電振動片と電気的に接続されている。

上述の圧電振動子において、導電部材は、スルーホールを塞いでキャビティ内の気密を維持すること、圧電振動片と外部電極とを導通させること、という２つの大きな役割を担っている。スルーホールと導電部材との密着が不十分であると、キャビティ内の気密が損なわれてしまうことがあり、また、圧電振動片または外部電極と導電部材との電気的接続が不十分であると圧電振動片の作動不良の原因となる。したがって、このような不具合を無くすためにも、スルーホールの内面に強固に密着した状態でスルーホールを完全に塞ぎ、しかも、表面に凹みなどがない状態で導電部材を形成することが重要である。

導電部材として導電ペーストを使用する場合には、スルーホール内に導電ペーストを埋め込んだ後、焼成を行って硬化させる必要がある。ところが、焼成を行うと、導電ペーストに含まれる有機物が蒸発により消失してしまうため、通常、焼成後の体積が焼成前に比べて減少してしまう（例えば、導電ペーストとしてＡｇペーストを用いた場合には、体積が略２０％程度減少してしまう）。そのため、導電ペーストを利用して導電部材を形成したとしても、表面に凹みが発生してしまったり、ひどい場合には貫通孔が中心に開いてしまったりすることがある。その結果、キャビティ内の気密が損なわれたり、圧電振動片と外部電極との導通性が損なわれたりすることがあるという問題がある。

この問題を解決するために、スルーホールに金属製のピンを配置し、スルーホールとピンとの隙間にガラスフリット等のペースト材を充填して焼成することで貫通電極を形成する方法が提案されている。このように貫通電極を形成することで、ペースト材の部分のみ体積が減少するため、その後の研磨工程の時間を削減することができ、効率的に貫通電極を形成することができる。

特開２００１−２６７１９０号公報特開２００７−３２８９４１号公報

ところで、ペースト材を焼成する際には、ピン及びペースト材が配置された状態でベース基板が高温に加熱される。そのため、ベース基板、ピン、及びペースト材の体積は、それぞれの熱膨張係数にしたがって膨張する。
ここで、一般的には、ペースト材の熱膨張係数はピンの熱膨張係数よりも大きく設定されるのが好ましい。このようにすると、加熱時にペースト材の膨張がピンの膨張を上回ることによってピンに圧縮力が加わるので、スルーホールの気密維持に好都合だからである。

しかしながら、ピンの熱膨張係数が小さすぎると、加熱後の冷却時や実装後のベース基板の変形時において焼成後のペースト材の変形幅が大きくなり、大きな応力が焼成後のペースト材やベース基板に作用することがある。その結果、圧電振動子が破損することがあるという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、加熱後の冷却時や実装後のベース基板の変形時において大きな応力が発生しにくく、かつキャビティの気密を保持して圧電振動片と外部電極とを確実に導通できる貫通電極を有する圧電振動子を提供することを目的とする。

本発明は、互いに接合されたベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された圧電振動子であって、前記ベース基板を厚さ方向に貫通するスルーホールに設けられた貫通電極を備え、前記貫通電極は、前記スルーホール内に充填されて焼成されるガラスフリットと、金属として鉄及びニッケルのみを含む材料で形成されて前記ガラスフリットとともに前記スルーホール内に配置され、前記キャビティの外部と前記圧電振動片とを導通させる芯材部と、を有し、前記ベース基板、前記ガラスフリット、及び前記芯材部の熱膨張係数の値が、前記ベース基板≧前記ガラスフリット＞前記芯材部となるように設定されていることを特徴とする。

本発明の圧電振動子によれば、ガラスフリットとベース基板との熱膨張係数における差が小さいため、両者の界面に大きな応力が発生しにくい。また、芯材部の熱膨張係数がガラスフリットの熱膨張係数よりも小さいため、キャビティの気密性が好適に保持される。

前記芯材部は、鉄を５８重量パーセント、ニッケルを４２重量パーセント含有する合金で形成されてもよい。この場合、広く用いられている合金である４２アロイで芯材部を形成することができ、容易かつ安価に本発明の圧電振動子を製造することができる。

本発明の圧電振動子によれば、加熱後の冷却時や実装後のベース基板の変形時において大きな応力が発生しにくく、かつキャビティの気密を保持して圧電振動片と外部電極とを確実に導通できる貫通電極を有する圧電振動子を提供することができる。

本発明に係る圧電振動子の一実施形態を示す外観斜視図である。同圧電振動子のリッド基板を取り外した状態を示す平面図である。図２のＡ−Ａ線における断面図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。同貫通電極の形成に用いられる鋲体を示す図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。同圧電振動子の貫通電極を形成する一過程を示す図である。標準的な表面実装部品の耐基板曲げ性試験方法を示す模式図である。本実施形態における耐基板曲げ性試験のシミュレーションモデルを示す模式図である。同圧電振動子におけるベース基板、ガラスフリット、及び芯材部の構成と発生する応力との関係についてのシミュレーション結果を示す表である。

以下、本発明に係る実施形態を、図１〜図１３を参照して説明する。
図１〜図３に示すように、本実施形態の圧電振動子１は、ベース基板２とリッド基板３とで２層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティＣ内に圧電振動片４が収納された表面実装型の圧電振動子である。

圧電振動片４は、水晶、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の圧電材料から形成された公知の音叉型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動するものである。
図２に示すように、圧電振動片４は、平行に配置された一対の振動腕部１０、１１と、振動腕部１０、１１の基端側を一体的に固定する基部１２と、振動腕部１０、１１の外表面上に形成されて一対の振動腕部１０、１１を振動させる第１励振電極１３と第２励振電極１４とからなる励振電極１５と、第１励振電極１３及び第２励振電極１４に電気的に接続されたマウント電極１６、１７とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片４は、一対の振動腕部１０、１１の両主面上に、各振動腕部１０、１１の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部１８を備えている。この溝部１８は、各振動腕部１０、１１の基端側から略中間付近まで形成されている。

第１励振電極１３と第２励振電極１４とからなる励振電極１５は、一対の振動腕部１０、１１を互いに接近又は離間する方向に所定の共振周波数で振動させる電極であり、各振動腕部１０、１１の外表面に、それぞれ電気的に切り離された状態でパターニングされて形成されている。具体的には、第１励振電極１３が、一方の振動腕部１０の溝部１８上と他方の振動腕部１１の両側面上とに主に形成され、第２励振電極１４が、一方の振動腕部１０の両側面上と他方の振動腕部１１の溝部１８上とに主に形成されている。

また、第１励振電極１３及び第２励振電極１４は、基部１２の両主面上において、それぞれ引き出し電極１９、２０を介してマウント電極１６、１７に電気的に接続されている。そして、このマウント電極１６、１７を介して圧電振動片４に電圧が印加される。
なお、上述した励振電極１５、マウント電極１６、１７及び引き出し電極１９、２０は、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等の導電性膜の被膜により形成されたものである。

また、一対の振動腕部１０、１１の先端には、自身の振動状態を所定の周波数の範囲内で振動するように調整（周波数調整）を行うための重り金属膜２１が被膜されている。なお、この重り金属膜２１は、周波数を粗く調整する際に使用される粗調膜２１ａと、微小に調整する際に使用される微調膜２１ｂとに分かれている。これら粗調膜２１ａ及び微調膜２１ｂを利用して周波数調整を行うことで、一対の振動腕部１０、１１の周波数をデバイスの公称周波数の範囲内に収めることができる。

このように構成された圧電振動片４は、図３に示すように、金等のバンプＢを利用してベース基板２の上面（キャビティＣ側の面）にバンプ接合されている。より具体的には、ベース基板２の上面にパターニングされた後述する引き回し電極３６、３７上に形成された２つのバンプＢ上に、一対のマウント電極１６、１７がそれぞれ接触した状態でバンプ接合されている。これにより、圧電振動片４は、ベース基板２の上面と離間して浮いた状態で支持されると共に、マウント電極１６、１７と引き回し電極３６、３７とがそれぞれ電気的に接続されている。

リッド基板３は、例えばソーダ石灰ガラス等のガラス材料からなる透明の絶縁基板であり、図１及び図３に示すように、板状に形成されている。そして、ベース基板２が接合される接合面側には、圧電振動片４が収まる矩形状の凹部３ａが形成されている。
この凹部３ａは、両基板２、３が重ね合わされたときに、圧電振動片４を収容するキャビティＣとなるキャビティ用の凹部である。そして、リッド基板３は、この凹部３ａをベース基板２の上面に対向させた状態でベース基板２に対して陽極接合されている。

ベース基板２は、リッド基板３と同様のガラス材料からなる透明な絶縁基板であり、図１から図３に示すように、リッド基板３に対して重ね合わせ可能な大きさで板状に形成されている。
ベース基板２には、ベース基板２を厚さ方向に貫通する一対のスルーホール３０、３１が形成されている。一対のスルーホール３０、３１は、キャビティＣ内に開口するように配置されている。より詳しく説明すると、スルーホール３０、３１は、マウントされた圧電振動片４の基部１２側に対応した位置に一方のスルーホール３０が形成され、振動腕部１０、１１の先端側に対応した位置に他方のスルーホール３１が形成されている。

なお、本実施形態では、ベース基板２の下面から上面に向かって漸次径が縮径した断面テーパ状のスルーホールを例に挙げて説明するが、スルーホールの形状はこれに限られず、例えば軸線方向にわたって径が同一の略円筒状のスルーホールでも構わない。いずれにしても、ベース基板２を貫通していればその形状に特に制限はない。

そして、一対のスルーホール３０、３１には、各スルーホール３０、３１を埋めるように形成された一対の貫通電極３２、３３が形成されている。これら貫通電極３２、３３は、図３に示すように、焼成によってスルーホール３０、３１に対して一体的に固定された筒体６及び芯材部７によって形成されたものであり、スルーホール３０、３１を完全に塞いでキャビティＣ内の気密を維持するとともに、後述する外部電極３８、３９と引き回し電極３６、３７とを導通させる役割を担っている。

筒体６は、ペースト状のガラスフリットが焼成されたものである。筒体６は、両端が略平坦で且つベース基板２と略同じ厚みに形成されており、筒体６の中心には、芯材部７が筒体６を貫通するように配されている。本実施形態ではスルーホール３０、３１の形状に合わせて、筒体６の外形が略円錐台状（断面テーパ状）となるように形成されている。そして、筒体６は、図３に示すように、スルーホール３０、３１内に埋め込まれた状態で焼成されており、各スルーホール３０、３１に対して強固に固着されている。

芯材部７は、後述する４２アロイ合金により円柱状に形成された導電性の芯材であり、筒体６と同様に両端が平坦で且つベース基板２の厚みと略同じ厚さとなるように形成されている。なお、図３に示すように、貫通電極３２、３３の完成時において、芯材部７は、上述のようにベース基板２の厚みと同一（略同一を含む）厚さとなるように形成されているが、製造過程では、芯材部７の長さは、製造過程の当初のベース基板２の厚さよりも所定の長さ、例えば０．０２ｍｍだけ短い長さのものが用いられる（後に製造方法の説明で詳述する。）。そして、芯材部７は、筒体６の中心孔に位置しており、筒体６が焼成されることによって筒体６に対して強固に固着されている。
なお、貫通電極３２、３３は、導電性の芯材部７を通して電気導通性が確保されている。

ベース基板２の上面（リッド基板３が接合される面）側には、図１及び図３に示すように、導電性材料（例えば、アルミニウム）により、陽極接合用の接合膜３５と、一対の引き回し電極３６、３７とがパターニングされている。このうち接合膜３５は、リッド基板３に形成された凹部３ａの周囲を囲むようにベース基板２の上面の周縁に沿って形成されている。

また、各引き回し電極３６、３７は、一対の貫通電極３２、３３のうち、一方の貫通電極３２と圧電振動片４の一方のマウント電極１６とを電気的に接続すると共に、他方の貫通電極３３と圧電振動片４の他方のマウント電極１７とを電気的に接続するようにパターニングされている。
より詳しく説明すると、一方の引き回し電極３６は、圧電振動片４の基部１２の真下に位置するように一方の貫通電極３２の真上に形成されている。また、他方の引き回し電極３７は、一方の引き回し電極３６に隣接した位置から、振動腕部１０、１１に沿って該振動腕部１０、１１の先端側に引き回された後、他方の貫通電極３３の真上に位置するように形成されている。

そして、これら一対の引き回し電極３６、３７上にそれぞれバンプＢが形成されており、バンプＢを利用して圧電振動片４がマウントされている。これにより、圧電振動片４の一方のマウント電極１６が、一方の引き回し電極３６を介して一方の貫通電極３２に導通し、他方のマウント電極１７が、他方の引き回し電極３７を介して他方の貫通電極３３に導通している。

ベース基板２の下面には、図１及び図３に示すように、一対の貫通電極３２、３３に対してそれぞれ電気的に接続される外部電極３８、３９が形成されている。つまり、一方の外部電極３８は、一方の貫通電極３２及び一方の引き回し電極３６を介して圧電振動片４の第１励振電極１３に電気的に接続されている。また、他方の外部電極３９は、他方の貫通電極３３及び他方の引き回し電極３７を介して、圧電振動片４の第２励振電極１４に電気的に接続されている。これにより、外部の基板等に外部電極３８、３９を接触させて圧電振動子を当該基板等に動作可能に実装することができる。

このように構成された圧電振動子１を作動させる場合には、ベース基板２に形成された外部電極３８、３９に対して、所定の駆動電圧を印加する。これにより、圧電振動片４の第１励振電極１３及び第２励振電極１４からなる励振電極１５に電流を流すことができ、一対の振動腕部１０、１１を接近・離間させる方向に所定の周波数で振動させることができる。そして、この一対の振動腕部１０、１１の振動を利用して、時刻源、制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。

次に、貫通電極３２、３３の製造手順について説明する。
まずベース基板２に、一対のスルーホール３０，３１をベース基板２の厚さ方向に貫通するように形成する。この工程は、ベース基板２の下面側から、例えばサンドブラスト法で行ってもよい。このようにすると、図４に示すように、ベース基板２の下面から上面に向かって漸次径が縮径する断面テーパ状のスルーホール３０及び３１を形成することができる。スルーホール３０及び３１は、後にベース基板２とリッド基板３とを重ね合わせたときに、リッド基板３に形成された凹部３ａ内に開口し、かつ一方のスルーホール３０が圧電振動片４の基部１２側に位置し、他方のスルーホール３１が振動腕部１０、１１の先端側に位置するように形成する。

続いて、スルーホール３０、３１内に、芯材部７となる部分を有する鋲体９を挿入して配置するとともに、ガラス材料からなるペースト状のガラスフリット６ａをスルーホール３０、３１内に充填する。このときに用いる鋲体９としては、図５に示すように、平板状の土台部８と、土台部８上から土台部８の平板状の表面に略直交する方向に沿ってベース基板２の厚さよりも所定の値、例えば０．０２ｍｍだけ短い長さで形成されるとともに、先端が平坦に形成された芯材部７と、を有するものが好ましい。

次に、図６に示すように、鋲体９の土台部８がベース基板２に接触するまで、芯材部７を挿入する。このとき、芯材部７の軸線方向とスルーホール３０、３１の軸線方向とが略一致するように鋲体９を配置する必要がある。しかしながら、土台部８上に芯材部７が形成された鋲体９を利用するため、土台部８をベース基板用ウエハ４０に接触させるまで押し込むだけの簡単な作業で、芯材部７の軸方向とスルーホール３０、３１の軸方向とを略一致させることができる。したがって、セット工程時における作業性を向上することができる。

しかも、土台部８をベース基板２の表面に接触させることで、ペースト状のガラスフリット６ａを確実にスルーホール３０、３１内に充填させることができる。
更に、土台部８は、平板状に形成されているため、スルーホール内に配置した後、後述するガラスフリット６ａの焼成までの間にベース基板２を机上等の平面上に載置したとしても、がたつき等がなく安定する。この点においても、作業性の向上を図ることができる。

ガラスフリット６ａをスルーホール３０、３１内に充填する際には、スルーホール３０、３１内に確実にガラスフリット６ａが充填されるように多めに塗布する。したがって、ベース基板２の表面にもガラスフリット６ａが塗布されている。この状態でガラスフリット６ａを焼成すると、後述する研磨作業に要する時間が多くなるため、焼成前に余分なガラスフリット６ａを除去する。この作業においては、図７に示すように、例えば樹脂製のスキージ４５を用い、スキージ４５の先端４５ａをベース基板２の表面に当接して、当該表面に沿って移動させることによりガラスフリット６ａを除去するのが好ましい。このようにすると、図８に示すように、簡易な作業で確実に余分なガラスフリット６ａを除去することができる。本実施形態では鋲体９の芯材部７の長さをベース基板２の厚さよりも０．０２ｍｍ短くしているため、スキージ４５がスルーホール３０、３１の上部を通過する際に、スキージ４５の先端４５ａと芯材部７の先端とが接触することがなく、芯材部７がスルーホールの軸線に対して傾いてしまうことが抑制される。
なお、スルーホールが本実施形態のような形状である場合、鋲体９は、図６に示すように、スルーホールの径が小さいベース基板２の上面側から挿入されると、ガラスフリット６ａをスルーホール内に充填しやすく、好ましい。

続いて、埋め込んだ充填材を所定の温度で焼成する。これにより、スルーホール３０、３１と、スルーホール３０、３１内に埋め込まれたガラスフリット６ａと、ガラスフリット６ａ内に配置された鋲体９とが互いに固着し合う。焼成を行う際に、土台部８が鋲体９についたまま焼成するため、芯材部７の軸方向とスルーホール３０，３１の軸方向とが略一致した状態を保持しつつ、両者を一体的に固定することができる。ガラスフリット６ａが焼成されると固化して筒体６となる。

焼成後、図９に示すように、鋲体９の土台部８を研磨して除去する。これにより、筒体６と芯材部７とを位置決めする役割を果たしていた土台部８が除去され、芯材部７のみが筒体６の内部に固定して配置される。そして、同時にベース基板２の上面を芯材部７の先端が露出するまで研磨して平坦面に加工する。その結果、図１０に示すように、筒体６と芯材部７とが一体的に固定された一対の貫通電極３２，３３がベース基板２に形成される。
このとき、ベース基板を完成時の厚さよりも若干厚く形成し、研磨後にベース基板が所望の厚さとなり、かつベース基板２の表面と貫通電極３２、３３の表面とが略面一な状態となるようにしてもよい。さらに、ベース基板用ウエハに複数組のスルーホール３０、３１を形成し、上述の手順によって貫通電極を形成した後にベース基板用ウエハを分離切断することによって、貫通電極を有するベース基板２を一度に多数製造してもよい。

以上が本実施形態における貫通電極の形成方法であるが、上述の方法においては、充填材が焼成される際に、ベース基板２、ガラスフリット６ａ、及び鋲体９がいずれも熱によって膨張するため、当該膨張とそれに伴う応力の発生について考慮する必要がある。

ベース基板２、ガラスフリット６ａ、及び鋲体９（特に芯材部７）は、焼成時にそれぞれの熱膨張係数にしたがって膨張する。一般的に、ベース基板２とガラスフリット６ａとの熱膨張係数は概ね同等であるのが好ましいと考えられている。これは、熱膨張の差によってベース基板２とガラスフリット６ａとの界面に応力が発生しにくくなるからである。

一方、鋲体９の熱膨張係数は、ガラスフリット６ａの熱膨張係数よりも小さい方がよいと考えられている。これは、焼成時にガラスフリット６ａが芯材部７を押圧する（図８の矢印参照）力関係となり、冷却された際に、ガラスフリット６ａと芯材部７との間に間隙が発生することによるキャビティＣの気密性の低下が起きにくくなるためである。

しかしながら、ガラスフリット６ａと芯材部７との熱膨張率の差が大きすぎると、ガラスフリット６ａのうち、特に芯材部７周辺の部位に大きな引張応力が発生し、その結果曲げ強度を低下させることがある。したがって、芯材部７の熱膨張係数は、使用されるガラスフリットの熱膨張係数よりも小さい値でありながら、あまり大きな差を有さないものが好ましいと考えられる。

そこで、ベース基板２、ガラスフリット６ａ、及び芯材部７の構成と圧電振動子１に発生する応力との関係を検討するために、シミュレーションによる検討を行った。シミュレーションは加熱後の冷却を想定したものと、製造された圧電振動子１が実装された基板に曲げ応力が加わった状態を想定したものとの２種類行った。以下にその詳細について説明する。

（１）加熱後冷却シミュレーション
貫通電極３２、３３の形成における焼成とその後の冷却に準じた温度設定として、３６５℃から２５℃に冷却される設定とした。ベース基板２の熱膨張係数は一般的なソーダ石灰ガラスの８．３３ｐｐｍとし、芯材部及びガラスフリットの熱膨張係数の値を様々に設定して、温度変化によってベース基板側及びガラスフリット側に生じる応力を検討した。

（２）基板曲げシミュレーション
図１１は、標準的な表面実装部品の耐基板曲げ性試験方法（ＪＩＳＣ５２０６．１．４の（１））を示す模式図である。この方法では、図１１に示すように、長手方向の寸法が９０ミリメートル（ｍｍ）の基板１００の長手方向中央に表面実装部品１０１を実装し、表面実装部品１０１が下方に位置するように、基板１００の長手方向両端を所定の大きさの支点１０２で支持する。そして、所定の圧子で基板１００の長手方向中央に上方から圧力を加え、基板１００の長手方向中央が３ｍｍ下方に移動するように基板１００を撓ませるというものである。
図１２は、上記試験方法の１／２モデルとして本シミュレーションに使用したモデルを示す図である。このモデルでは、長手方向の寸法が４５ｍｍの基板１０３の第一の端部１０３Ａを支点１０２で支持し、第二の端部１０３Ｂの下面に表面実装部品としての圧電振動子１を実装する。そして、第二の端部１０３Ｂの上面から所定の圧子で圧力を加え、第二の端部１０３Ｂが下方に３ｍｍ移動するまで撓ませる。この時点でベース基板２、ガラスフリット６ａ、及びリッド基板３に発生する応力を検討した。

いずれのシミュレーションにおいても、芯材部７は、鉄、ニッケル、及びコバルトからなる合金（コバール）製のもの、及び金属として鉄及びコバルトのみを含む合金（４２アロイ：鉄５８重量％（ｗｔ％）、ニッケル４２ｗｔ％、５０アロイ：鉄５０ｗｔ％、ニッケル５０ｗｔ％の２種類）製のものの計３種類を用いた。熱膨張係数はそれぞれ、コバール４．８１ｐｐｍ、４２アロイ６．７ｐｐｍ、５０アロイ９．７ｐｐｍとした。ガラスフリット６ａの熱膨張係数は組成を変更することによって細かく設定できるため、様々な値に設定して検討した。上記２種類のシミュレーションの結果を図１３に示す。

図１３に示すように、コバール製の芯材部を用いた条件下においては、加熱後冷却シミュレーション、基板曲げシミュレーションのいずれにおいても、ベース基板及びガラスフリットの少なくとも一方に１００メガパスカル（ＭＰａ）以上の大きな応力が発生する結果となった。これは鉄、ニッケル、及びコバルトからなるコバールの熱膨張係数とフリットガラスとの熱膨張係数の差が大きすぎることによるものと推測された。

これに対し、金属として鉄及びコバルトのみを含む４２アロイ及び５０アロイ製の芯材部を用いた条件下においては、概ね発生する応力が１００ＭＰａ以下に収まっていたが、ガラスフリットの熱膨張係数がベース基板よりも大きく、かつその差が大きくなるにつれて発生する応力が高くなる傾向が見られ、ガラスフリットの熱膨張係数が最も大きい９．７である条件下では、基板曲げシミュレーションにおいて、ガラスフリット側に１００ＭＰａ以上の応力が発生した。したがって、ガラスフリットの熱膨張係数は、ベース基板の熱膨張係数以下に設定されるのが好ましいと思われた。

また、上記シミュレーションとは離れるが、４２アロイと５０アロイを比較した場合は、４２アロイのほうがガラスフリットよりも熱膨張係数を低く設定しやすく、上述したキャビティＣの気密性保持の観点からは好ましいと考えられる。
したがって、これと上記シミュレーションの結果とをあわせ考えると、ガラスフリット６ａの熱膨張係数をベース基板２の熱膨張係数以下に設定し、かつ金属として鉄及びコバルトのみを含む合金、例えば４２アロイ等を用いて鋲体９を形成し、芯材部７の熱膨張係数をガラスフリット６ａより小さくするのが最も好適であると考えられた。この場合、熱膨張係数の大小関係は、ベース基板２≧ガラスフリット６ａ＞芯材部７となる。

以上の結果を踏まえ、本実施形態の圧電振動子１においては、芯材部７として４２アロイ製のものを使用し、熱膨張係数の大小関係が、ベース基板２≧ガラスフリット６ａ＞芯材部７となるように設定されている。
このような構成の圧電振動子１によれば、好適にキャビティＣの気密性が保持されるとともに、表面実装時に大きな応力が生じることによる破損等を好適に抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の各実施形態においては、芯材部７を含む鋲体９が４２アロイで形成される例を説明したが、熱膨張係数において、ベース基板２≧ガラスフリット６ａ＞芯材部７の関係が確保できれば、金属として鉄及びコバルトのみを含む他の合金を用いて芯材部７が形成されてもよい。ただし、上述の４２アロイは広く用いられており安価に入手できる合金であるため、４２アロイを用いて芯材部７を形成すると、本発明の圧電振動子を容易かつ安価に製造することが可能である。

１圧電振動子
２ベース基板
３リッド基板
４圧電振動片
６ａガラスフリット
７芯材部
３０、３１スルーホール
３２、３３貫通電極
Ｃキャビティ

Claims

互いに接合されたベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された圧電振動子であって、
前記ベース基板を厚さ方向に貫通するスルーホールに設けられた貫通電極を備え、
前記貫通電極は、
前記スルーホール内に充填されて焼成されるガラスフリットと、
金属として鉄及びニッケルのみを含む材料で形成されて前記ガラスフリットとともに前記スルーホール内に配置され、前記キャビティの外部と前記圧電振動片とを導通させる芯材部と、を有し、
前記ベース基板、前記ガラスフリット、及び前記芯材部の熱膨張係数の値が、前記ベース基板≧前記ガラスフリット＞前記芯材部となるように設定されていることを特徴とする圧電振動子。
前記芯材部は、鉄を５８重量パーセント、ニッケルを４２重量パーセント含有する合金で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。