JP2011108862A - パッケージおよびその封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通孔を塞ぐときに発生する割れを防止できるパッケージの提供。
【解決手段】本発明は、水晶振動子２が収容される空間を有するパッケージ本体４と、パッケージ本体４の開口部を塞ぐ蓋体５と、を備えている。そして、パッケージ本体４の開口部は、蓋体５により塞がれている。パッケージ本体４の底部の厚さ方向には、貫通孔７が設けられている。貫通孔７は、金属ガラス８が充填されて塞がれ、これによりパッケージ３内が気密状態で封止される。貫通孔７の金属ガラス８の充填は、貫通孔７内において溶融させた金属ガラス８を非晶質状態で再凝固させることにより行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子などの電子部品が収容されるパッケージ、およびこのパッケージの封止方法に関する。

従来、この種のパッケージとしては、例えば特許文献１に記載のように圧電デバイスに適用されるものが知られている。
この従来の圧電デバイスは、圧電振動片と、この圧電振動片を収容するパッケージと、を備えている。パッケージは、圧電振動片が収容されセラミックなどからなる容器本体と、容器本体の開口部を塞ぐ蓋体とを備え、容器本体に蓋体が接合される。容器本体の一部には、製造工程において、ガスを排気するための貫通孔が設けられている。そして、その貫通孔は、結晶合金などを充填することによって塞がれている。

ところで、貫通孔の充填材としては、例えばＡｕ（金）などを主成分とする結晶合金が使用されている。そして、貫通孔を塞ぐときには、結晶合金を加熱、溶融させて貫通孔内で凝固させるようにしている。
しかし、結晶合金を使用する場合には、結晶合金の凝固時に発生する収縮応力と高いヤング率によって、貫通孔を塞ぐときに、容器本体（パッケージ）に割れが発生するという不具合がある。また、結晶合金としてＡｕを主成分とする場合には、充填部材として高価であり、低減化が望まれていた。

特開２００６−３１１０９０号公報

そこで、本発明の幾つかの態様の目的は、貫通孔を塞ぐときに発生する割れを防止できるパッケージの提供、およびそのパッケージの封止方法を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明は、以下のように構成される。
本発明の態様の１つは、電子部品が収容されるパッケージであって、前記パッケージの一部に貫通孔が形成され、前記貫通孔は、金属ガラスが充填されて塞がれている。
このような構成によれば、貫通孔を塞ぐときに発生するパッケージの割れを防止することが可能となる。
前記貫通孔の内周面には、金属ガラスの再凝固時に冷却を行うヒートシンクが形成されている。
このような構成によれば、貫通孔内において金属ガラスを再凝固させるときに、金属ガラスの冷却を促進させて、急速な冷却に寄与できる。

また、ヒートシンクの材料は金属であるので、金属ガラスの凝固後は、金属ガラスとヒートシンクとは金属同士の接合となり、両者の接着性が向上する。
前記貫通孔は、前記パッケージの外側の開口部が前記パッケージの内側の開口部よりも広くなっている。
このような構成によれば、貫通孔内において金属ガラスを溶融させて再凝固させるときに、金属ガラスが貫通孔内の開口からパッケージ内に落下するのを防止できる。

さらに、本発明の他の態様は、貫通孔を有し、電子部品が収容されるパッケージの封止方法であって、金属ガラスを加熱、溶融させて、前記貫通孔内において非晶質状態で再凝固させ、前記貫通孔内に金属ガラスを充填させる充填工程を、有する。
この方法によれば、凝固時の収縮量が小さく、かつ、ヤング率が小さい金属ガラスを貫通孔の充填材として使用するようにしたので、パッケージの封止時に、その封止部にかかる応力を小さくでき、パッケージの割れの発生を防止できる。
前記充填工程に先立って行う前処理工程をさらに有し、前記前処理工程では、前記金属ガラスの再凝固時に冷却を行うヒートシンクを、前記貫通孔の内周面に形成させる。

この方法によれば、貫通孔内において金属ガラスを再凝固させるときに、金属ガラスの冷却を促進させて、急速な冷却に寄与できる。
前記充填工程では、前記貫通孔内に収容させた金属ガラスに対してレーザ光を照射し、当該金属ガラスを加熱、溶融させて、前記貫通孔内において再凝固させるようにした。
この方法によれば、レーザ光の特徴を活かして、局所加熱ができるとともに、その加熱後の急速な冷却が可能である。
前記充填工程では、前記充填工程では、金属ガラスを加熱して流動化しておき、流動化状態の金属ガラスを前記貫通孔内に収容させて再凝固させるようにした。
この方法によれば、充填工程として粘性流動加工が適用できる。

本発明のパッケージの第１実施形態が適用される電子デバイスの構成を示す断面図である。 図１のパッケージの貫通孔の拡大断面図である。 本発明のパッケージの第２実施形態が適用される電子デバイスの構成を示す断面図である。 金属ガラスとして使用される各種の合金の一例を示す図表である。 本発明のパッケージの封止方法の第１実施形態が適用される電子デバイスの製造工程を示す工程図である。 本発明のパッケージの封止方法の第２実施形態が適用される電子デバイスの製造工程を示す工程図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（パッケージの第１実施形態）
図１は、本発明のパッケージの第１実施形態が適用される電子デバイスの構成を示す断面図である。
この電子デバイス１は、図１に示すように、電子部品である水晶振動子２と、この水晶振動子２が収容されるパッケージ３と、を備えている。
第１実施形態に係るパッケージ３は、図１に示すように、例えば矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ３は、水晶振動子２が収容される空間を有するパッケージ本体４と、パッケージ本体４の開口部を塞ぐ蓋体５と、を備えている。そして、パッケージ本体４の開口部は、蓋体５により塞がれている。パッケージ本体４はセラミックス（例えばアルミナ系セラミックス）などで構成され、蓋体５は酸化物透明ガラスなどで構成されている。

水晶振動子２は、パッケージ本体４内の所定位置に収容されている。そして、水晶振動子２の一端側に設けた電極（図示せず）は、パッケージ本体４内に形成される電極（図示せず）と導電性接着剤６により接合されている。
パッケージ本体４の底部の厚さ方向には、製造工程においてガスを排気するために設け、その後に塞がれる貫通孔（封止孔）７が設けられている。貫通孔７は、図２に示すように、パッケージ本体４の底部であってパッケージ本体４の外部側に設けられた第１の孔７１と、この第１の孔７１に連通しパッケージ本体４の内部側に設けられた第２の孔７２とからなる。そして、第１の孔７１の内径ｄ１と第２の孔７２の内径ｄ２は、ｄ１＞ｄ２の関係にある。
貫通孔７は、金属ガラス８が充填されて塞がれ、これによりパッケージ３内が気密状態で封止される。貫通孔７の金属ガラス８の充填は、貫通孔７内において溶融させた金属ガラス８を非晶質状態で再凝固させることにより行う。

次に、金属ガラス８の具体例について説明する。
金属ガラス８としては、Ｍｇ（マグネシウム）を主成分とする合金、Ｐｔ（プラチナ）を主成分とする合金、Ｐｄ（パラジウム）を主成分とする合金、Ｚｒ（ジルコニウム）を主成分とする合金、Ｆｅ（鉄）を主成分とする合金、Ｃｏ（コバルト）を主成分とする合金などがあげられる。
これらを主成分とする各種の合金の一例を示すと、例えば、図４に示す図表のようになる。
以上のように、図１のパッケージ３では、貫通孔７を塞ぐ充填材として、凝固時の収縮量が小さく、かつ、ヤング率が小さい金属ガラス８を使用するようにした。このため、パッケージ３の封止時に、その貫通孔７の近傍にかかる応力を小さくでき、パッケージ３の割れの発生を防止できる。

また、図１のパッケージ３では、貫通孔７を塞ぐ充填材として、Ａｕを含有しない合金を使用するようにしたので、貫通孔７の充填に必要な材料費を節減できる。
さらに、図１のパッケージ３では、貫通孔７を第１の孔７１と第２の孔７２とで形成し、それらの内径ｄ１、ｄ２はｄ１＞ｄ２の関係になるようにした。このため、貫通孔７内において金属ガラス８を充填するときに、溶融状態の金属ガラス８が貫通孔７の開口からパッケージ３内に落下するのを防止できる。

（パッケージの第２実施形態）
図３は、本発明のパッケージの第２実施形態が適用される、電子デバイスの構成を示す断面図である。
この電子デバイス１ａは、図１に示す電子デバイス１の構成を基本にし、パッケージ３の構成を図３に示すパッケージ３ａに置き換えたものである。このため、第２実施形態に係るパッケージ３ａは、パッケージ本体４ａと、パッケージ本体４ａの開口部に塞ぐ蓋体５と、を備えている。

パッケージ本体４ａは、図１のパッケージ本体４の構成を基本にし、貫通孔７の内周面の一部または全部にヒートシンク９を形成させ、この点の構成を追加した。そして、ヒートシンク９を内周面に形成させた貫通孔７は、金属ガラス８が充填されて塞がれ、これによりパッケージ３ａ内が気密状態で封止される。
ここで、電子デバイス１ａの他の部分の構成は、電子デバイス１の構成と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。

次に、ヒートシンク９の具体的な構成について説明する。
ヒートシンク９は、貫通孔７内において溶解させた金属ガラス８を再凝固させるときに、金属ガラス８の冷却を行い、非晶質状態で再凝固させるために設けるものである。このヒートシンク９は、図３の例では貫通孔７のうちの第１の孔７１の内周面に、メッキにより一定の厚さで形成されている。
ヒートシンク９に使用される材料としては、熱伝導率が高く冷却性能が優れた金属が好適であり、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）などが使用される。

以上のように、図３のパッケージ３ａでは、パッケージ本体４ａに設けた貫通孔７の内周面の一部または全部にヒートシンク９を形成させるようにした。このため、貫通孔７内において金属ガラス８を再凝固させるときに、金属ガラス８の急速な冷却に寄与でき、非晶質状態で再凝固させることができる。
したがって、図３のパッケージ３ａでは、図１のパッケージ３に比較して、より広い範囲の金属ガラスを適用することができる。
さらに、ヒートシンク９の材料は金属であるので、金属ガラス８の凝固後は、金属ガラス８とヒートシンク９とは金属同士の接合となり、両者の接着性が向上する。

（パッケージの封止方法の第１実施形態）
次に、本発明のパッケージの封止方法の第１実施形態が適用される、図１に示す電子デバイス１の製造方法について図５を参照して説明する。
この製造方法では、パッケージ本体４の貫通孔７に充填する金属ガラス８は、Ｐｄを主成分とする合金（Ｐｄ基合金）を使用し、その重量比は図４に示す図表中の上から３番目に示すものとした。

次に、この製造方法について具体的に説明する。
まず、パッケージ３の構成部品として、パッケージ本体４および蓋体５をそれぞれ製造する。
パッケージ本体４は、例えば以下のような手順により製造する。
（１）原料を調整してシートを形成する。
（２）そのシートを例えば３つに分割し、その各シートに対して孔開けや回路印刷などを行う。
（３）３つのシートを積層することにより、パッケージ本体になるべきものが複数（例えば４つ）形成された積層基板を形成させる。
（４）その積層基板からその後に複数のパッケージ本体を分離（切断）できるように、積層基板に切断溝を形成する。
（５）その後、積層基板を焼成させる。
（６）焼成させた積層基板の回路部に対して所定のメッキを施す。
（７）その積層基板を分割すると、パッケージ本体４が完成する。

次いで、その完成したパッケージ本体４内に水晶振動子２を収納し、水晶振動子２の一端側に設けた電極（図示せず）を、パッケージ本体４内に形成される電極（図示せず）と導電性接着剤６により接合させる、そして、パッケージ本体４の開口部を接着剤を用いて蓋体５で塞ぐと、図５（Ａ）に示す状態になる。
そして、図５（Ｂ）に示すように、外部から蓋体５を介してレーザ光を水晶振動子２に対して照射することにより、水晶振動子２の電極などをトリミングして、水晶振動子２の発振周波数を調整する。その際、パッケージ３内に微量のガスが発生するので、そのガスを貫通孔７から外部に真空排気する。

その後、パッケージ本体４の貫通孔７の第１の孔７１内に所定の大きさの金属ガラス８を収容（配置）させ、その金属ガラス８に対してレーザ光を照射させる。これにより、金属ガラス８は、加熱されて第１の孔７１内で溶融され、非晶質状態で再凝固される。これにより、金属ガラス８は、その再凝固により金第１の孔７１内に充填され、貫通孔７を塞いた状態になる（図５（Ｃ）参照）。
ここで、金属ガラス８は凝固時の収縮量が小さく、かつ、ヤング率が小さいので、その凝固時に、貫通孔７の近傍にかかる応力を小さくでき、パッケージ３の割れの発生を防止できる。

このような方法によれば、貫通孔７を封止する充填材として、凝固時の収縮量が小さく、かつ、ヤング率が小さい金属ガラスを使用するようにした。このため、パッケージ３の封止時に、その封止部にかかる応力を小さくでき、パッケージ３の割れの発生を防止できる。
なお、以上述べた方法では、金属ガラスとしてＰｄ基合金を使用したが、これ以外に図４に示すようなＭｇ基合金、Ｐｔ基合金、Ｚｒ基合金、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金などを使用することができる。

（パッケージの封止方法の第２実施形態）
次に、本発明のパッケージの封止方法の第２実施形態が適用される、図３に示す電子デバイス１ａの製造方法について図６を参照して説明する。
この製造方法では、パッケージ本体４ａの貫通孔７に充填する金属ガラス８は、Ｐｄ基合金を使用し、その重量比は図４に示す図表中の上から３番目に示すものとした。
また、この製造方法は、図５に示す製造方法を基本にし、図６（Ａ）に示すような前処理工程を追加した点に特徴がある。

次に、この製造方法について具体的に説明する。
まず、パッケージ３ａの構成部品として、パッケージ本体４ａおよび蓋体５をそれぞれ製造する。
パッケージ本体４ａの製造は、上述したパッケージ本体４と同様に製造するが、図６（Ａ）に示すように、パッケージ本体４ａでは貫通孔７の内周面にヒートシンク９を予め形成させる必要がある。
そこで、そのヒートシンク９を形成する工程を、上記のパッケージ本体４の製造で説明した工程中の（６）の段階に含ませるようにした。すなわち、焼成させた積層基板の回路部に対して所定のメッキを施すときに、貫通孔７の内周面に相当する部分にもメッキを施してヒートシンク９を形成するようにした。
このような前処理により、ヒートシンク９が追加されたパッケージ本体４ａを製造することができる（図６（Ａ）参照）。

次いで、その完成したパッケージ本体４ａ内に水晶振動子２を収納し、水晶振動子２の一端側に設けた電極（図示せず）を、パッケージ本体４ａ内に形成される電極（図示せず）と導電性接着剤６により接合させる、そして、パッケージ本体４の開口部を接着剤を用いて蓋体５で塞ぐと、図６（Ｂ）に示す状態になる。
そして、図６（Ｃ）に示すように、外部から蓋体５を介してレーザ光を水晶振動子２に対して照射することにより、水晶振動子２の電極などをトリミングして、水晶振動子２の発振周波数を調整する。その際、パッケージ３ａ内に微量はガスが発生するので、そのガスを貫通孔７から外部に真空排気する。

その後、パッケージ本体４ａの貫通孔７の第１の孔７１内に所定の大きさの金属ガラス８を収容（配置）させ、その金属ガラス８に対してレーザ光を照射させる。これにより、金属ガラス８は、加熱されて第１の孔７１内で溶融され、再凝固される。
このとき、ヒートシンク９は、金属ガラス８の冷却を促進させ、非晶質状態で金属ガラス８を再凝固させる。これにより、金属ガラス８は、その再凝固により金第１の孔７１内に充填され、貫通孔７を塞いた状態になる（図６（Ｄ）参照）。

このような方法によれば、パッケージ本体４ａに設けた貫通孔７の内周面にヒートシンク９を形成させるようにした。このため、貫通孔７内において金属ガラス８を再凝固させるときに、金属ガラス８の冷却を促進させて非晶質状態で再凝固させることができる。したがって、パッケージ３ａの封止時に、その封止部にかかる応力を小さくでき、パッケージ３ａの割れの発生を防止できる。

また、この方法ではヒートシンク９を使用するようにしたので、金属ガラス８の再凝固時の冷却速度が調整でき、図５の方法に比べて、貫通孔７の充填材としてより広い範囲の金属ガラスを適用することができる。
さらに、この方法によれば、ヒートシンク９の材料は金属であるので、金属ガラス８の凝固後は、金属ガラス８とヒートシンク９とは金属同士の接合となり、両者の接着性が向上する。

（その他の実施形態など）
（１）図１および図３パッケージ４、４ａのそれぞれでは、貫通孔７を内径が異なる第１の孔７１と第２の孔７２とに分割するようにした。しかし、封止孔７は、パッケージ本体４、４ａの外部側の開口部が一番広く、その開口面積がパッケージ本体４の内部側に向けて徐々に小さくなっていくようにしても良い。このようにすれば、図１、図３パッケージ４、４ａと同様の作用効果を実現できる。

（２）図４に示すように、金属ガラスは、その組成により図４に示すようにガラス転移点Ｔｇに違いがある。そして、金属ガラスは、ガラス転移点Ｔｇ以上の温度で結晶化が始まり、結晶化することで大きく収縮するという性質がある。このため、金属ガラスは再結晶時に非結晶化の状態であっても、その使用環境においてガラス転移点Ｔｇを越えると、結晶化する。
このため、図１および図３パッケージ４、４ａの貫通孔７の充填に使用する金属ガラス８は、その特性の違いを考慮して使用環境に適したものを選択する必要がある。

（３）上記の方法では、レーザ光により金属ガラスを加熱、溶融させ、再凝固化させることにより、貫通孔７に金属ガラス８を充填するようにした。
しかし、金属ガラスがＰｄ基合金、Ｐｔ基合金、Ｚｒ基合金などであって、その最大ガラス化径（棒形状）が１５ｍｍを越える場合には、レーザ光に代えてリフロー方式（ヒータにより金属ガラスを溶融させ、再凝固化させる方式）が適用可能である。

（４）金属ガラスには、過冷却液体領域ΔＴｘ（ΔＴｘ＝結晶化温度Ｔｘ−ガラス転移点Ｔｇ）がある。そして、その過冷却液体領域ΔＴｘが５０Ｋを越える金属ガラスの場合には、上記のようにレーザ光による加熱、溶融などを行わなくても、ガラス遷移現象を応用した粘性流動加工を使用して貫通孔７に金属ガラスを充填し、その貫通孔７を封止することができる。
この場合には、金属ガラスを加熱して流動化しておき、流動化状態の金属ガラスを貫通孔７内に収容させて再凝固させる。

１、１ａ・・・電子デバイス、２・・・水晶振動子、３、３ａ・・・パッケージ、４、４ａ・・・パッケージ本体、５・・・蓋体、６・・・導電性接着材、７・・・貫通孔、８・・・金属ガラス、９・・・ヒートシンク、７１・・・第１の孔、７２・・・第２の孔

Claims (7)

1. 電子部品が収容されるパッケージであって、
   前記パッケージの一部に貫通孔が形成され、
   前記貫通孔は、金属ガラスが充填されて塞がれていることを特徴とするパッケージ。
2. 前記貫通孔の内周面には、金属ガラスの再凝固時に冷却を行うヒートシンクが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記貫通孔は、前記パッケージの外側の開口部が前記パッケージの内側の開口部よりも広くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパッケージ。
4. 貫通孔を有し、電子部品が収容されるパッケージの封止方法であって、
   金属ガラスを加熱、溶融させて、前記貫通孔内において非晶質状態で再凝固させ、前記貫通孔内に金属ガラスを充填させる充填工程を、
   有することを特徴とするパッケージの封止方法。
5. 前記充填工程に先立って行う前処理工程をさらに有し、
   前記前処理工程では、前記金属ガラスの再凝固時に冷却を行うヒートシンクを、前記貫通孔の内周面に形成させることを特徴とする請求項４に記載のパッケージの封止方法。
6. 前記充填工程では、前記貫通孔内に収容させた金属ガラスに対してレーザ光を照射し、当該金属ガラスを加熱、溶融させて、前記貫通孔内において再凝固させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のパッケージの封止方法。
7. 前記充填工程では、金属ガラスを加熱して流動化しておき、流動化状態の金属ガラスを前記貫通孔内に収容させて再凝固させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のパッケージの封止方法。

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