JP2016058955A - 水晶振動子収納用セラミック基板およびそれを用いた水晶振動子実装パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶振動子を固定するための接合材による絶縁不良の発生を抑制できる水晶振動子収納用セラミック基板とそれを適用した水晶振動子実装パッケージを提供する。【解決手段】 セラミック製の基板７と、該基板７に設けられたセラミック製の枠体９と、基板７と同じ材料からなり、前記枠体の内側に位置する基板７上に、枠体９から離間するように設けられた、水晶振動子１を載置するための基台１１と、を備えている。また、基台１１は、水晶振動子１の載置面１１ａが、水晶振動子１の固定端１ａ側から固定端１ａとは反対の開放端１ｂ側に向けて仰角を成す傾斜面となっている。【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子を収容するための凹部を有する水晶振動子収納用セラミック基板およびそれを用いた水晶振動子実装パッケージに関する。

気密封止を必要とする電子部品の例として、近年、携帯情報機器への需要が益々高まっている水晶振動子が挙げられる。図７（ａ）は、従来の水晶振動子実装パッケージの一例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の水晶振動子実装パッケージから蓋体を除いた平面図である。水晶振動子１０１を搭載するための水晶振動子実装パッケージ１０３は、キャビティ構造をした水晶振動子収納用セラミック基板１０５の上面に蓋体１０７が接合された構成となっている。水晶振動子収納用セラミック基板１０５はセラミック製の基板１０９とその周縁部に一体的に形成され、基板１０９の側面を囲むように配置されたセラミック製の枠体１１１とを基本的構成として備え、枠体１１１の表面に設けられたメタライズ層１１３上にロウ材等を介して蓋体１０７が接合されている。

この場合、水晶振動子１０１は、水晶振動子収納用セラミック基板１０５内において、縦方向に振動したときに搭載面１１９に触れないようにするために、基板１０９上に設けた段差部１１５上に接合材１１７により固定される構造となっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−２７３６９６号公報

上記した従来の水晶振動子実装パッケージ１０３では、水晶振動子１０１を固定するための段差部１１５が、水晶振動子収納用セラミック基板１０５を構成する枠体１１１に接するように設けられているため、水晶振動子１０１を導電性接着剤などの接合材１１７を用いて段差部１１５に接合した際に、接合材１１７が枠体１１３の内壁１１１ａを這い上がり、枠体１１１上のメタライズ層１１３に接触し、水晶振動子１０１が絶縁不良を発生し易くなるという問題がある。

従って、本発明は、絶縁不良の発生を抑制できる水晶振動子収納用セラミック基板とそれを適用した水晶振動子実装パッケージを提供することを目的とする。

本発明の水晶振動子収納用セラミック基板は、セラミック製の基板と、該基板に設けられたセラミック製の枠体と、前記基板と同じ材料からなり、前記枠体の内側に位置する前記基板上に、前記枠体から離間するように設けられた、水晶振動子を載置するための基台と、を備えていることを特徴とする。

本発明の水晶振動子実装パッケージは、上記の水晶振動子収納用セラミック基板の前記基台上に水晶振動子が実装され、前記枠体の上部に蓋体が設けられていることを特徴とする。

本発明の水晶振動子収納用セラミック基板および水晶振動子実装パッケージによれば、水晶振動子を固定するための接合材による絶縁不良の発生を抑制できる。

（ａ）は、本発明の水晶振動子実装パッケージの一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の水晶振動子実装パッケージから蓋体を除いた平面図である。 （ａ）は、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板の他の態様を示すものであり、水晶振動子が実装される基台の載置面が傾斜している形態を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）における一点鎖線の円内における基台の部分を拡大した模式図である。 基台の他の態様を示すものであり、（ａ）は、断面が台形状の例、（ｂ）は、底面側が裾広がり状となった台形状の例である。 水晶振動子収納用セラミック基板の他の態様を示すものであり、基台が枠体側の側面に導体膜を有していることを示す断面図である。 水晶振動子収納用セラミック基板のさらに他の態様を示すものであり、基台に厚み方向に貫く貫通導体が設けられていることを示す断面図である。 本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。 （ａ）は、従来の水晶振動子実装パッケージの一例を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の水晶振動子実装パッケージから蓋体を除いた平面図である。

図１（ａ）は、本発明の水晶振動子実装パッケージの一実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の水晶振動子実装パッケージから蓋体を除いた平面図である。以下、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板について、水晶振動子実装パッケージＡの構成を基に説明する。

本実施形態の水晶振動子実装パッケージＡは、水晶振動子１が実装された水晶振動子収納用セラミック基板３と、この水晶振動子収納用セラミック基板３を気密封止するための蓋体５とを備えた構成となっている。

本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３は、セラミック製の基板７と、その基板７に設けたセラミック製の枠体９とで構成されている。ここで、基板７は平面視したときの形状が矩形状である。枠体９は基板７の周縁部に一体的に形成され、基板７の側面を囲むように配置されている。枠体９の上面には、蓋体５を接合するためのメタライズ層１３が設けられている。

また、この水晶振動子収納用セラミック基板３は、基板７の表面７ａに、水晶振動子１を載置するための基台１１を有している。この基台１１は、基板７上で枠体９から離間するように設けられている。ここで、基台１１が枠体９から離間した状態については、図１（ｂ）において、枠体９の内壁９ａと基台１１の側面１１ａとの間隔ｗ_１およびｗ_２で表している。

すなわち、基台１１は、枠体９の角部付近において、直交する２つの側面９ａからそれぞれ離間するように配置されている。このとき、基台１１が矩形状をした水晶振動子１を片持ちで固定するタイプの場合には、基台１１は、通常、図１（ｂ）に示すように、枠体９の１つの内壁９ａに沿って、角部付近に２箇所設けられる。水晶振動子１は、その一端部が基台１１の載置面１１ｂに接合材１５により接合されている。

本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３は、水晶振動子１の一端を当該水晶振動子収納用セラミック基板３に設けた基台１１に載置し、固定するタイプであることから、水晶振動子１が縦方向に振動したときにも、水晶振動子１が基板７の表面７ａに触れ難く、これにより安定した発振を行うことができる。

また、この水晶振動子収納用セラミック基板３では、基台１１が枠体９から離間された位置に配置されていることから、水晶振動子１が固定される基台１１の上面である載置面１１ｂから枠体９上のメタライズ層１３までは、基台１１の側面１１ａ、基板７の表面７ａおよび枠体９の内壁９ａを順次経る経路となる。このため、水晶振動子１を基台１１の上面に電気的に接続するために、基台１１の上面である載置面１１ｂを含む表面に導電性接着剤などの接合材１５を塗布した際にも、接合材１５が枠体９の内壁９ａを這い上がってメタライズ層１３まで達し難くなる。これにより基台１１の載置面１１ｂに塗布した接合材１５が枠体９上のメタライズ層１３に接触することによる水晶振動子７の絶縁不良の発生を抑制することができる。この場合、枠体９の内壁９ａと基台１１の側面１１ａとの間隔ｗ_１およびｗ_２としては、接合材１５が枠体９の内壁９ａに移ることを防止するとともに、枠体９内の容積を小さくできるという点で５０〜２００μｍであることが望ましい。

また、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３では、基台１１の水晶振動子１の載置面１１ｂが平坦であることが望ましい。基台１１の載置面１１ｂが平坦であると、水晶振動子１を基台１１の載置面１１ｂ上で基板７および蓋体５に対して平行な状態で固定しやくなることから、水晶振動子１を基台１１上により安定に固定することができ、これによりバラツキの小さい発振特性を得ることができる。

図２（ａ）は、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３の他の態様を示すものであり、水晶振動子１が実装される基台１１の載置面１１ｂが傾斜している形態を示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）における一点鎖線の円内における基台の部分を拡大した模式図である。ここでは、説明のために、図２（ａ）に示すように、水晶振動子収納用セラミック基板３の基台１１に水晶振動子１が実装された状態を示している。

本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３では、また、基台１１は水晶振動子１の載置面１１ｂが、水晶振動子１の固定端１ａ側から該固定端１ａとは反対の開放端１ｂ側に向けて仰角を成す傾斜面となっていることが望ましい。ここで、水晶振動子１が仰角を成す状態は、図２（ｂ）において、角度θとして表示している。

基台１１における水晶振動子１の載置面１１ｂが、図２（ａ）（ｂ）に示すように、水晶振動子１の固定端１ａ側から、これとは反対の開放端１ｂ側に向けて、角度θだけ仰角を成す傾斜面となっていると、水晶振動子１の開放端１ｂの基板７の表面７ａからの高さｈを高くすることができることから、振幅の大きい水晶振動子１や中央部の径が大きい、いわゆる断面が楕円形状の水晶振動子１などに対して好適なものとなる。なお、基台１１の載置面１１ｂが図２（ａ）（ｂ）に示すように傾斜している場合であっても、基台１１の載置面１１ｂが平坦である場合には、水晶振動子１をより安定に固定できることから、この場合にもより水晶振動子１の発振を安定化させることができる。

また、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３では、基台１１は、基板７と同じ材料からなり、基板７と一体的に形成されていることが望ましい。この場合、一体的とは基板７と基台１１とが同時焼成されて焼結した状態にあることを言う。

つまり、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３を構成する基台１１としては、基板７と同じ磁器組織を有し、基板７や枠体９に匹敵する剛性を有していることが望ま
しい。基台１１が基板７や枠体９と同じ磁器組織を有するものであると、水晶振動子１を実装する土台である基台１１も強固なものになることから、より安定した振動を発生させることが可能になる。この場合、基板７および基台１１の気孔率が５％以下であり、また、基板７と基台１１との間の気孔率の差が２％以内であることが好ましい。基板７および基台１１の気孔率は、断面研磨した試料についての電子顕微鏡観察による写真から試料表面に見られる開気孔の面積を求め、単位面積当たりの割合として求める。

図３は、基台１１の他の態様を示すものであり、（ａ）は、断面が台形状の例、（ｂ）は、底面側が裾広がり状となった台形状の例である。

本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３では、基台１１の安定性をさらに高められるという点で、基台１１は基板７の厚み方向における断面形状が台形状であることが好ましく、さらには、基台１１の側面１１ａが基板７側に向けて裾拡がり状となっていることがより好ましい。これにより、基台１１は安定性がさらに高いものとなる。

図４は、基台１１が枠体９側の側面１１ａに導体膜１７を有していることを示す断面図である。基台１１の載置面１１ｂに実装される水晶振動子１には、通常、外部電源などの電子機器との電気的な接続が必要となる。このとき基台１１に設けられる導体膜１７は水晶振動子１との干渉をできるだけ低減できる位置である方が良い。このため、導体膜１７を基台１１の側面１１ａに設ける場合には、図４に示すように、水晶振動子１の先端が大きく触れる開放端１ｂ側の側面１１ｃではなく、枠体９側の側面１１ａにのみ設けるのが良い。この場合、基板７側に設けられる導体としては、基板７の表面７ａに露出する面積をより小さくできるという点でビア導体１９が好ましい。導体膜１７とビア導体１９とは厚み方向に繋がるように配置される。

図５は、基台１１に厚み方向に貫く貫通導体２１が設けられていることを示す断面図である。基台１１の載置面１１ｂに実装される水晶振動子１との電気的な接続を取るための図４の導体膜１７の代わりに、図５に示すように、基台１１の内部に設ける貫通導体２１の形態にすると、水晶振動子１との干渉をさらに低減することができる。

また、上述した図１〜図５の例の水晶振動子収納用セラミック基板３では、基台１１の側面１１ａや内部だけでなく、載置面１１ｂにも導体膜１８が設けられていても良い。このような構成にすると、水晶振動子１を導体膜１８に接触させた上で導電性接着剤などの接合材１５により覆った状態で固定できることから、水晶振動子１の電気的な接触面積が大きくなり、これにより水晶振動子１の発振特性をより安定化させることができる。

以上から、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板３によれば、水晶振動子１を基台１１の上面に接続するために用いる接合材１５による絶縁不良の発生を抑制することができることに加えて、水晶振動子１の発振をより安定させることができる。

次に、本実施形態の水晶振動子収納用セラミック基板および水晶振動子実装パッケージの製造方法について説明する。図６は、図１に示した水晶振動子収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。

まず、シート状成形体２１を形成するための原料粉末を準備する。原料粉末としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を主成分とし、これにＳｉＯ_２粉末およびＭｇＯ粉末を所定量添加した混合粉末を用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダーを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法
を用いて、図６（ａ）に示すようなシート状成形体２１を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、所定の形状に加工された金型２３を用いて、シート状成形体２１を加圧して成形体２５を形成する。この場合、金型２３としては、枠体９を形成する部分が凹んでおり、また、水晶振動子収納用セラミック基板３の基台１１に対応する部分が凹部２３ａとなっているものを用いる。図６（ｃ）に、金型２３を外した成形体２５を示す。

次に、この成形体２５を所定の温度条件で焼成することにより水晶振動子収納用セラミック基板３を得ることができる。

こうして得られた水晶振動子収納用セラミック基板３は、成形体２５に形成されたキャビティ部２５ａに一体的に形成された凸部２５ｂを有する形状となる。

なお、基台１１の形状として、載置面１１ａが傾斜しているもの、基台１１の形状が台形状であるもの、基台１１の裾野が広がっているものもついては、それぞれの形状に対応する金型を用意し成形を行うことによって作製する。

水晶振動子収納用セラミック基板３に、メタライズ層１３、導体膜１７、ビア導体１９および貫通導体２１などを有するものについては、これらの導体の形状に対応する導体パターンをシート状成形体２１の表面に予め形成した後に、金型２３を用いて加圧加熱を行うことによって作製する。

こうして得られる水晶振動子収納用セラミック基板３に形成される基台１１は、上述のように、成形用の金型２３によって基板７や枠体９と同時に形成されるものであるため、基台１１の形状や載置面１１ａの傾斜度および平坦度を高い精度で形成することができる。また、基板７や枠体９と同程度に緻密化した基台１１を一体的に形成することができる。

水晶振動子実装パッケージＡを形成する場合には、水晶振動子収納用セラミック基板３に形成した基台１１の載置面１１ａに水晶振動子１を接合材１５により固定し、この後、水晶振動子収納用セラミック基板３を構成する枠体９のメタライズ層１３上に蓋体５を接合して気密封止を行う。

まず、Ａｌ_２Ｏ_３粉末９３質量％に対して、ＳｉＯ_２粉末を５質量％、ＭｇＯ粉末を２質量％の割合で混合した後、さらに、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量％、ワックスとしてパラフィンワックスを３質量％、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて平均厚みが４００μｍの図６（ａ）に示すシート状成形体を作製した。

次に、形成したシート状成形体に対し、図６（ｂ）に示す構造を基本構造とする金型を用いて、８０℃の温度で加熱プレスを行い成形体を作製した（試料１）。基台が傾斜面を有するもの（試料２）、台形状であるもの（試料３）、および基台が台形状かつ裾拡がりを有するもの（試料４）については、それぞれの基台の形状に対応させた金型を用いた。

次に、得られた成形体を、還元雰囲気中にて、１５００℃、１時間の条件で焼成を行った。

得られた水晶振動子収納用セラミック基板は、平面の面積が２ｍｍ×２ｍｍ、基板の平
均厚みが０．１ｍｍ、枠体の平均厚みが０．１５ｍｍであった。基台の高さは０．０３ｍｍであった。基台は載置面の平面視したときの面積が１００μｍ×１００μｍであった。基台の側面と枠体の内壁との間隔は約５０μｍであった。この場合、上述したように、異なる金型を用いて基台の縦断面の形状の異なる試料を作製した。試料１は長方形状、試料２は載置面が約１０°傾斜したもの、試料３は台形状、試料４は裾拡がりを有するものとした。このとき試料３の基板表面側の面積は１２０μｍ×１２０μｍ、試料４の基板表面側の面積は１４０μｍ×１４０μｍとした。

また、作製したこれらの試料を研磨した断面の走査電子顕微鏡観察写真から気孔率を求めたが、作製した試料における基板および基台の部分の気孔率はいずれも５％以下であり、基板と基台との気孔率差も２％以下であった。観察領域はおおよそ１００μｍ×１００μｍとした。

比較例の試料も同様に作製した。比較例１は図７に示した水晶振動子収納用セラミック基板、比較例２は基台の無い焼成後の水晶振動子収納用セラミック基板にＡｇを主成分とする導体ペーストを塗布して基台の形に形成したもの、このとき、導体を焼き付ける焼成温度は９００℃とした。

次に、得られた水晶振動子収納用セラミック基板内の基台上に水晶振動子を導電性接着剤により図１に示す構造となるように接合させた。導電性接着剤としては、エポキシ樹脂にＡｇを分散させたものを用い、約１５０℃の温度で硬化させた。

水晶振動子を基台に接合する際に用いたＡｇを主成分とする導電性接着剤の流れを確認したところ、比較例１の試料の場合には、導電性接着剤の一部がメタライズ層に達していることが確認されたが、基台を枠体の内壁から離して形成した本発明の試料は、いずれも比較例１のような不具合は見られなかった。

基台の安定性は、作製した水晶振動子収納用セラミック基板をオートグラフの試料台上に置き、基台の部分を加圧することによって評価した。この場合、加圧に用いた圧子は直径が１００μｍのシリンダ形状のものを用いた。基台の安定性の評価は加圧した時に基台の高さが１０％変化したときの荷重の値とした。

加圧試験の結果、荷重の値は比較例２の試料の荷重を１としたときに、比較例１の試料が２．４、試料１が２．０、試料２が１．９、試料３が２．２、試料４が２．３という結果であり、試料１〜４は、比較例１の試料を除き、基台を図６に示す製法ではなく、焼成した基板上に導体ペーストを塗布する工法によって形成した比較例２に比較して機械的に高い安定性を示すものであった。

Ａ・・・・・・・水晶振動子実装パッケージ
１・・・・・・・水晶振動子
１ａ・・・・・・固定端
１ｂ・・・・・・開放端
３・・・・・・・水晶振動子収納用セラミック基板
５・・・・・・・蓋体
７・・・・・・・基板
７ａ・・・・・・基板の表面
９・・・・・・・枠体
９ａ・・・・・・枠体の内壁
１１・・・・・・基台
１１ａ・・・・・基台の側面
１１ｂ・・・・・基台の載置面
１３・・・・・・メタライズ層
１５・・・・・・接合材
１７、１８・・・導体膜
１９・・・・・・ビア導体
２１・・・・・・貫通導体

Claims (6)

1. セラミック製の基板と、該基板に設けられたセラミック製の枠体と、前記基板と同じ材料からなり、前記枠体の内側に位置する前記基板上に、前記枠体から離間するように設けられた、水晶振動子を載置するための基台と、を備えていることを特徴とする水晶振動子収納用セラミック基板。
2. 前記基台は、前記水晶振動子の載置面が、該水晶振動子の固定端側から該固定端とは反対の開放端側に向けて仰角を成す傾斜面となっていることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子収納用セラミック基板。
3. 前記基板の厚み方向における前記基台の断面形状が台形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の水晶振動子収納用セラミック基板。
4. 前記基台の側面に導体膜を有していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の水晶振動子収納用セラミック基板。
5. 前記基台は、厚み方向に貫く貫通導体を有していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の水晶振動子収納用セラミック基板。
6. 請求項１乃至５のうちいずれかに記載の水晶振動子収納用セラミック基板の前記基台上に水晶振動子が実装され、前記枠体の上部に蓋体が設けられていることを特徴とする水晶振動子実装パッケージ。