JP2019153857A - パッケージ及びその製造方法、並びに圧電デバイス及び圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージを適宜製造できるような技術を提案する。【解決手段】 パッケージ（８０）は、励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片（４０）が載置され、別途用意される外部基板に合金で接合されるパッケージである。そのパッケージ（８０）は、平面視で四角形であり外部基板との接続に使用する外部電極を含む第１面と第１面とは反対側で引出電極と接続する配線電極を含む第２面とを有するセラミック製の下部平板（３０）と、下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板（２０）と、下部平板の第２面と枠板の第３面とを接合する合金の融点温度より高い融点温度を持つ第１共晶金属（Ｅ１）と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、水晶振動子用パッケージ、水晶発振器用パッケージ、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタ用パッケージなどの電子部品を収納するためのパッケージ及びその製造方法に関するものである。

水晶振動子など収容するパッケージとして、特許文献１に示される平面視で矩形形状のパッケージが使用されている。このパッケージは、セラミック製の平板と縁部を有する金属製の蓋部とで構成されている。この蓋部は深絞り加工により下面側が開口した箱型に形成されて下側に全周に亘って外側に突出している。このセラミック製の平板に水晶振動片が載置され、その後蓋部がセラミック製の平板に被せられて封止されて、水晶デバイスが完成する。

特開２０１７−００１０９３号公報

しかしながら、深絞り加工により形成される蓋部は、その矩形形状の角部の半径をある程度までしか小さくすることができない。このため大きめの水晶振動片を配置しようとすると、水晶振動片の外形が箱型の蓋部に当接してしまうことがあった。また水晶振動片の大きさも千差万別であるができるだけパッケージの共有部品を水晶振動子等の販売量に合わせて、うまく活用したい要望があった。

そこで、本発明は、コストが安く製造でき、パッケージを適宜製造できる技術を提案する。

本発明の実施形態のパッケージは、励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片が載置され、別途用意される外部基板に合金で接合されるパッケージである。そのパッケージは、平面視で四角形、例えば長方形又は正方形であり、外部基板との接続に使用する外部電極を含む第１面と第１面とは反対側で引出電極と接続する配線電極を含む第２面とを有するセラミック製の下部平板と、下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板と、下部平板の第２面と枠板の第３面とを接合する合金の融点温度より高い融点温度を持つ第１共晶金属と、を備える。

別の実施形態の圧電デバイスは、励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片と、平面視で四角形であり、外部基板に合金によって接続される外部電極を含む第１面と第１面とは反対側で引出電極と接続する接続バンプを含む第２面とを有するセラミック製の下部平板と、を備える。さらに圧電デバイスは、下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板と、外部電極の接続に使用される合金の融点温度よりも高い第１融点温度で下部平板の第２面と枠板の第３面とを接合する第１共晶金属と、下部平板と同等の四角形であり、第４面に配置される金属製の平蓋部と、外部電極の接続に使用される合金の融点温度よりも高く、第１融点温度より低い第２融点温度で、枠板の第４面と平蓋部とを接合する第２共晶金属と、を備える。

別の実施形態の圧電振動片用のパッケージの製造方法は、励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片を載置する。その方法は、平面視で四角形であり、外部基板に合金によって接続される外部電極を含む第１面と第１面とは反対側で引出電極と接続する接続バンプを含む第２面とを有するセラミック製の下部平板を用意する工程と、下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板を用意する工程と、第１融点温度の第１共晶金属を溶かして下部平板の第２面と枠板の第３面とを接合する接合工程と、を備える。

別の実施形態の圧電デバイスの製造方法は、上記パッケージの製造方法で製造されたパッケージを用意する工程と、圧電振動片を用意する工程と、パッケージに接合される平蓋部を用意する工程と、接続バンプに引出電極を接続する接続工程と、第１融点温度よりも低く外部電極が接合されるハンダ融点温度よりも高い第２融点温度の第２共晶金属を溶かして、枠板の第４面と平蓋部とを接合する工程と、を備える。

本発明は、コストが安く製造でき、また比較的大きな圧電振動片を載置できるパッケージ及びその製造方法を提供することができる。またこのパッケージを使った圧電デバイス及びその製造方法を提供できる

圧電デバイス及びパッケージを構成する構成部材を、複数の層に分けて描いた斜視図である。 （ａ）は法線方向から見た下部セラミック板の平面図である。 （ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ断面における圧電デバイスの断面図である。 （ａ）は圧電振動片４０の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 パッケージ及び圧電デバイスの製造方法のフローチャートである。 （ａ）は第２実施形態のパッケージの説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。

［第１実施形態］
＜パッケージの構成＞
まず、第１実施形態のパッケージについて説明する。図１はパッケージ８０を理解のため、複数の層に分けて描いた図である。図１に示されるように、本実施形態のパッケージ８０は、例えば水晶等の圧電振動子の容器（パッケージ）として用いられるものであり、この圧電振動子は、パッケージ８０の凹部（キャビティ）内に、圧電振動片を収容し、金属製の蓋部１０にて密閉するものである。なお図１では圧電振動子が描かれていない。

パッケージ８０は、図１に示されるように、パッケージ８０の底部を構成する長方形のセラミック製の下部平板３０と、セラミック製の下部平板３０上に配置された枠状の金属製の枠板２０と、金属製の枠板２０上に配置された平板の金属製の蓋部１０とが積層されて構成される。枠状の金属製の枠板２０は、キャビティの周囲を囲む壁となる。

蓋部１０は、コバール等の金属からなり短辺と長辺とからなる長方形の平板であり上面１１とその反対の下面１２とを有する。また長方形の金属製の蓋部１０の角部は、面取りされている。上面１１は、パッケージ８０の上表面となる。

枠板２０は、コバール等の金属からなり、短辺と長辺とからなる長方形の枠体であり上面２１とその反対の下面２２とを有する。また長方形の金属製の枠板２０の外側の角部は、外周から内側に凹んだキャスタレーション２３が形成されている。なお、キャスタレーションは無くても良い。金属製の枠板２０の内側の角部は、できるだけ直角になるように形成されている。枠板２０の内側がパッケージ８０の内壁２６となり、枠板２０の厚さ（Ｚ軸方向）が、パッケージ８０のキャビティの高さとなる。

下部セラミック板３０は、短辺と長辺とからなる長方形の平板であり上面３１とその反対の下面３２とを有する。また長方形の下部セラミック板３０の角部には、外周から内側に凹んだ下部キャスタレーション３３が形成されている。下部セラミック板３０の上面３１には、接続バンプ３５が形成されている。この接続バンプ３５は、表面側（Ｚ軸方向）から見た場合、金属製の枠板２０の内壁２６より内側に形成される。接続バンプ３５は、例えばタングステン（Ｗ）からなるメタライズ層の上に、ニッケルメッキ層が形成され、更にニッケルメッキ層の上に金メッキ層が形成されたものである。接続バンプ３５にはビア配線３６が形成されている。

下部セラミック板３０の下面３２の外周部には、外部電極３４が複数個設けられている。これらの外部電極３４は、パッケージ８０を図示しない外部の基板上に実装する際に対して接合される。また、このメタライズ層は下部キャスタレーション３３にもキャスタレーション電極３８として形成される。ビア配線３６は外部電極３４に接続して、接続バンプ３５と外部電極３４とを導通させている。

本実施形態では説明しないが、最終製品が圧電発振器の場合には、ＩＣチップ等が、下部セラミック板３０の表面３１に配置される。

第１実施形態では、金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０とが第２共晶金属Ｅ２で接合され、金属製の枠板２０と下部セラミック板３０とが第１共晶金属Ｅ１で接合される。図１では、枠形状の第１共晶金属Ｅ１及び第２共晶金属Ｅ２が独立体として描かれているが、金属製の蓋部１０の下面１２又は金属製の枠板２０の上面２１の少なくとも一方に第２共晶金属Ｅ１がスクリーン印刷の手法によって印刷され、また金属製の枠板２０の下面２２又は下部セラミック板３０の金属層３７の少なくとも一方に第１共晶金属Ｅ１がスクリーン印刷の手法によって印刷されて形成される。

金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０との接合に用いられる第２共晶金属Ｅ２は、外部電極３４を外部電子機器等の外部基板に接続する際に用いる合金（具体的には鉛フリーハンダ等）の融点より高い融点を持ち、具体的には例えば銅−錫系（融点３００℃。合金化後は融点が４００℃を越えるもの）合金等が使用される。

金属製の枠板２０と下部セラミック板３０との接合に用いられる第１共晶合金Ｅ１は、金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０とを接合する第２共晶合金Ｅ２の融点より高い融点を持つものである。この第１共晶合金Ｅ１は、上記条件を満たすものであれば特に限定されない。例えば、亜鉛−アルミニウム系ハンダ（例えばソルダーコート社製商品名ＬＬＳ３８５．融点３８５°）等を挙げることができる。圧電デバイス１００（図２（ｂ）を参照）を得るための封止工程で金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０との接合用合金を溶融させる温度、高くても３００℃程度であり、また、完成した圧電デバイス１００の外部電極３４を外部電子機器等の外部基板に接続するためのハンダリフロー炉の温度は、一般に２５０℃〜２８０℃程度である。このため、第１共晶金属Ｅ１として上記条件を満たすものを用いておけば、圧電デバイス１００を外部基板に接続する際に、金属製の枠板２０及び下部セラミック板３０の接合が溶けることはない。

次に図２を使って下部セラミック板３０及び圧電デバイス１００をさらに詳述する。図２（ａ）は上方（Ｚ軸方向）からキャビティを見た下部セラミック板３０の平面図であり、下部セラミック板３０の上面３１に枠形状の第１共晶金属Ｅ１がスクリーン印刷で印刷されている。図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面における圧電デバイス１００の断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に描かれているように、接続バンプ３５が形成されているが、接続バンプ３５は、金属製の枠板２０の枠体の短辺から距離Ｗ１離れており、また金属製の枠板２０の枠体の長辺から距離Ｗ２離れている。これは、金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０とを結合する第１共晶金属Ｅ１が漏れ出たりスクリーン印刷等でずれて印刷されたりして、第１共晶金属Ｅ１と接続バンプ３５とがショート（短絡）しないためである。図示しないが、接続バンプ３５の短辺側（＋Ｙ軸側）及び長辺側（−Ｘ軸側）に絶縁層を形成して、さらに第１共晶金属Ｅ１と接続バンプ３５とがショートしないように構成してもよい。

次に、接続パンプ３５及びキャスタレーション電極３８について図２（ｂ）を使って詳述する。接続バンプ３５の下方（Ｚ軸方向）にはタングステン等からなるメタライズ層３９がスクリーン印刷されて接続バンプ３５を＋Ｚ軸方向に高くしている。また、キャスタレーション電極３８はタングステン等のメタライズによって外部電極３４とともに形成される。また、Ｚ軸方向に高くなった接続パンプ３５に導電性接着剤４９が塗布されて、その導電性接着剤４９に圧電振動片４０の引出電極４３（図３参照）を配置する。

＜圧電振動片の構成＞
図３（ａ）は、第１実施形態の圧電振動片４０の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。圧電振動片４０は励振電極４１と引出電極４３とを有している。圧電振動片４０は長辺がＹ軸方向に伸び、短辺がＸ軸方向に伸びる長方形の平板状に形成されている。

圧電振動片４０の主面表裏（＋Ｚ軸側の各面）にはそれぞれ励振電極４１が形成されている。各励振電極４１は同形状でありＺ軸方向に互いに重なるように形成されている。励振電極４１は長軸がＹ軸方向に伸び、短軸がＸ軸方向に伸びる四角形状又は図示しない楕円形状に形成されており、各励振電極４１からは、圧電振動片４０のＹ軸側の辺の両端にそれぞれ引出電極４３が引き出されている。引出電極４３は接続バンプ３５に導電性接着剤などで接着される。

図３（ｂ）は、圧電振動片がＡＴカット又はＳＣカット等の水晶振動片である場合、電位が加えられて振動する振動周波数は水晶片の厚さに反比例するため、その厚さは圧電振動片４０の振動周波数に応じて決められる。主振動を閉じ込めるため、振動片はＹ軸方向の一端側及び他端側は薄く形成されている。圧電振動片４０は、ＡＴカット圧電振動片以外にも、音叉型の圧電振動片等の他の振動モードの振動片であっても良い。

＜パッケージの製造方法＞
次に、第１実施形態のパッケージ８０及び圧電デバイス１００の製造方法について図４を使って説明する。なお、このフローチャートは１つのパッケージ及び電子デバイスを製造する製造方法として説明するが、本来の製造方法は何百ものパッケージを同時に製造する。

まずコバール等の金属板を金型で打ち抜いて蓋部１０を形成する（ステップＳ４１１）。 また、コバール等の金属板を打ち抜いて金属製の枠板２０を形成する（ステップＳ４２１）。

次に下部セラミック板３０の製造について説明する。アルミナを主成分とするスラリーを用いて、下部セラミック板３０となる長方形のグリーンシートを作成する（ステップＳ４３１）。次に、グリーンシートにビア配線３６用のビア孔を空けて、タングステンペーストを充填する（ステップＳ４３２）。次に、このグリーンシートの上面の接続バンプ３５に対応する位置に、タングステンペーストをスクリーン印刷により、接続バンプ用タングステンパターンを形成する。またグリーンシートの下面の外部電極３４に対応する位置に、タングステンペーストをスクリーン印刷により、外部電極用タングステンパターンを形成する（ステップＳ４３３）。図２で説明したように、このタングステンパターンは、枠板２０の内壁から距離Ｗ１及びＷ２離れて印刷されている。

次に、下部グリーンシートを焼成し（ステップＳ４３４）、露出したタングステンに対して、最初に電解ニッケルメッキを施し、更にそのニッケルメッキの上に電解金メッキを施す（ステップ４３５）。これにより、下部セラミック板３０が完成する。

そして、金属製の枠板２０の下面２２又は下部セラミック板３０の上面３１の少なくとも一方に第１共晶金属Ｅ１がスクリーン印刷で印刷される（ステップＳ４４１）。そして金属製の枠板２０と下部セラミック板３０とが積層され、この第１共晶合金Ｅ１の融点以上の温度が加わるリフロー炉に入れられてそれら２枚が第１共晶金属Ｅ１で接合される（ステップＳ４４２）。これにより、パッケージ８０が完成する。

パッケージ８０の接続バンプ３５に導電性接着剤４９が塗布される。そして導電性接着剤４９の塗布が済んだ接続バンプ３５に圧電振動片４０の引出電極４３が重なるように置かれ、導電性接着剤４９が硬化されて、圧電振動片４０はパッケージ８０のキャビティ内に固定される（ステップＳ４４３）。

次に、圧電振動片４０を接着し終えたパッケージ８０の枠板２０の上面２１又は蓋部１０に、銀−錫合金等の第２共晶金属Ｅ２がスクリーン印刷で印刷される（ステップＳ４４４）。その金属製の蓋部１０を載置した状態で、パッケージ８０は窒素ガス雰囲気又は真空中に運ばれて、第１共晶合金Ｅ１の融点以下で第２共晶合金Ｅ２以上の温度が加わるリフロー炉に入れられて金属製の蓋部１０が封止される（ステップＳ４４５）。このようにして、圧電デバイスが製造される。

このように、第１実施形態では、金属製の蓋部１０と金属製の枠板２０と下部セラミック板３０とが別々に形成され、必要に応じてそれぞれの板が使われるため、圧電振動子及び圧電発振器（圧電デバイス）の出荷数量に対して適宜対応できる。

［第２実施形態］
＜セラミックパッケージの構成＞
第２実施形態のパッケージについて説明する。
上記した第１実施形態の下部セラミック板３０は、外部電極３４と接続バンプ３５とをビア配線３６で電気的に接続していた。図５に示される第２実施形態の下部セラミック板１３０は、外部電極３４と接続バンプ３５とをビア配線３６及びキャスタレーション電極３８で電気的に接続する。なお、図５は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面と同じパッケージ断面を示したものである。

図５に示されるように、下部セラミック板１３０は、第１板３０ａと第２板３０ｂとの２枚で構成されている。そして、第１板３０ａの上面３１には接続バンプ３５が形成され、第１板３０ａを貫通するビア配線３６ａが形成されている。また第２板３０ｂの下面３２の外周部には、外部電極３４が設けられ、この外部電極３４に電気的につながるキャスタレーション電極３８及び連絡配線３６ｂが形成されている。連絡配線３６ｂは、外部電極３４及びキャスタレーション電極３８とともに同時に形成されている。そして、第１板３０ａと第２板３０ｂとの間、第１板３０ａと金属製の枠板２０との間が第１共晶合金Ｅ１により結合している。そして金属製の枠板２０と蓋部１０とが第２共晶合金Ｅ２によって接続されている。

１０：金属製の蓋部
１１：上面 １２：下面
２０：枠板
２１：上面 ２２：下面 ２３：キャスタレーション
３０：下部セラミック板
３１：上面 ３２：下面 ３３：キャスタレーション ３４：外部電極
３５：接続バンプ ３６：ビア配線、 ３８：キャスタレーション電極
４０：圧電振動片 ４１：励振電極 ４３：引出電極
８０：セラミックパッケージ
Ｅ１：第１共晶金属 Ｅ２：第２共晶金属

Claims (4)

1. 励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片が載置され、別途用意される外部基板に合金で接合されるパッケージであって、
   平面視で四角形であり、前記外部基板との接続に使用する外部電極を含む第１面と前記第１面とは反対側で前記引出電極と接続する配線電極を含む第２面とを有するセラミック製の下部平板と、
   前記下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、前記第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板と、
   前記下部平板の前記第２面と前記枠板の前記第３面とを接合する前記合金の融点温度より高い融点温度を持つ第１共晶金属と、
   を備えるパッケージ。
2. 励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片と、
   平面視で長方形であり、外部基板に合金によって接続される外部電極を含む第１面と前記第１面とは反対側で前記引出電極と接続する接続バンプを含む第２面とを有するセラミック製の下部平板と、
   前記下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、前記第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板と、
   前記外部電極の接続に使用される合金の融点温度よりも高い第１融点温度で前記下部平板の前記第２面と前記枠板の前記第３面とを接合する第１共晶金属と、
   前記下部平板と同等の四角形であり、前記第４面に配置される金属製の平蓋部と、
   前記外部電極の接続に使用される合金の融点温度よりも高く、前記第１融点温度より低い第２融点温度で、前記枠板の前記第４面と前記平蓋部とを接合する第２共晶金属と、
   を備える圧電デバイス。
3. 励振電極と該励振電極から引き出される引出電極とを有する圧電振動片を載置する圧電振動片用のパッケージの製造方法であって、
   平面視で四角形であり、外部基板に合金によって接続される外部電極を含む第１面と前記第１面とは反対側で前記引出電極と接続する接続バンプを含む第２面とを有するセラミック製の下部平板を用意する工程と、
   前記下部平板の四角形の縁領域に対応する枠形状で、前記第２面に配置される第３面と該第３面の反対側の第４面とを有する金属製の枠板を用意する工程と、
   第１融点温度の第１共晶金属を溶かして前記下部平板の前記第２面と前記枠板の前記第３面とを接合する接合工程と、
   を備える圧電振動片用のパッケージの製造方法。
4. 圧電デバイスの製造方法であって、
   請求項３のパッケージの製造方法で製造されたパッケージを用意する工程と、
   前記圧電振動片を用意する工程と、
   前記パッケージに接合される平蓋部を用意する工程と、
   前記接続バンプに前記引出電極を接続する接続工程と、
   前記第１融点温度よりも低く前記外部電極が接合されるハンダ融点温度よりも高い第２融点温度の第２共晶金属を溶かして、前記枠板の前記第４面と前記平蓋部とを接合する工程と、
   を備える圧電デバイスの製造方法。