JP2020077995A - キャップ及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 十分に内部容積を確保できる金属製のキャップを提供する。【解決手段】金属製のキャップ（１１０）は、平面視で矩形の枠形状であり該枠形状の内面から外面までの枠幅が第１厚さ（ｄ２）で形成され金属から成る金属枠体（１１２）と、平面視で矩形であり上面から下面までの厚さが第２厚さ（ｄ１）で形成され、枠体に下面が接合され金属から成る金属天井板（１１３）と、を有している。そして金属枠体と金属平板とは、熱圧着によって接合されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電素子を封止する金属製のキャップに関する。またそのキャップを有する圧電デバイスに関する。

水晶等の圧電材料を使った圧電フィルタ、圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスは、極めて広範囲の分野で利用されている。このような圧電デバイスの一種が、例えば特許文献１に開示されている。この圧電デバイスで使用される金属キャップは、金属板を片面側からハーフエッチングで形成されている。また封止樹脂によって、圧電振動片を載置したベース板と金属キャップとが封止されている。

特開２０１０−２４５９３３号公報

しかしながら、金属キャップが金属板を片面側からハーフエッチングしているため、金属キャップの内壁から金属キャップの内側天井面に至る面が、直角ではなく大きな曲面（Ｒ面）に形成される。圧電デバイスの小型化が進んでいる中、一定の外形寸法でできるだけ内部容積を大きくしたい要望が多い。圧電振動子の場合、振動片が小型になる程、圧電振動子の設計自由度が低下し、また電気的特性が悪化することが多い。そこで、十分に内部容積を確保できる金属製のキャップを提供する。

第１実施形態の金属製のキャップは、平面視で矩形の枠形状であり該枠形状の内面から外面までの枠幅が第１厚さで形成され金属から成る金属枠体と、平面視で矩形であり上面から下面までの厚さが第２厚さで形成され、枠体に下面が接合され金属から成る金属天井板と、を有している。そして金属枠体と金属平板とは、熱圧着によって接合されている。

また金属枠体の内面と金属天井板の下面とのなす角度が直角であることが好ましい。そして第２厚さよりも第１厚さの方が厚いことが好ましい。また枠体は、特に枠体の内側空間は、エッチング又はプレス加工で形成されることが好ましい。枠体の内壁を垂壁にできるからである。また、当該キャップは、枠体と平板とを熱圧着した構造体を当該キャップ形状にエッチング、レーザー加工又はプレスして形成されることが好ましい。

第２実施形態の圧電デバイスは、上述したキャップと、第１面及び第２面を有する平板からなり、第１面に金属製の接合領域及び圧電素子を載置する接続バンプを有するベース板と、接合領域と枠体とを接合する接合金属と、を備える。そして、圧電素子が接続バンプに載置された状態で、接合金属によってキャップとベース板とが接合される。

本発明の実施形態の金属製のキャップは、十分に内部容積を確保できる。

圧電デバイス１００の分解斜視図である。 （ａ）は長辺と短辺とを有する矩形形状の金属キャップの正面図である。（ｂ）その短辺側の側面図であり、（ｃ）は長辺側の側面図である。 （ａ）は圧電素子（圧電振動片）の正面図である。（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は第１例のベース板を使用した圧電デバイスの断面図であり、（ｂ）は第２例のベース板を使用した圧電デバイスの断面図である。 （ａ）は第１の圧電デバイスの製法のフローチャートであり、（ｂ１）から（ｂ３）はその製法におけるキャップのイメージ図である。 （ａ）は第２の圧電デバイスの製法のフローチャートであり、（ｂ１）から（ｂ３）はその製法におけるキャップのイメージ図である。

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。

＜圧電デバイス１００の構成＞
図１は、圧電デバイス１００の分解斜視図である。圧電デバイス１００は、金属製のキャップ１１０と、セラミック製のベース板１２０と、圧電振動片１３０とにより構成されている。圧電振動片１３０には例えばＡＴカット又はＳＣカット等の水晶振動片が用いられる。以下の説明では、水晶振動片を代表的に説明するが、水晶フィルタ用の圧電片、水晶以外の圧電材料を使った圧電デバイスに本実施形態を適用できる。圧電デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、圧電デバイス１００の高さ方向をＹ軸方向、Ｘ及びＹ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。

圧電デバイス１００では、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に圧電振動片１３０が載置される。さらに圧電振動片１３０を密封するように金属製のキャップ１１０がセラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に載置される。セラミック製のベース板１２０と金属製のキャップ１１０とが、接合剤である共晶合金ＥＡを介して接合される。圧電デバイス１００は、プリント基板等に実装される表面実装型の圧電デバイスである。図１では接合剤である共晶合金ＥＡが平板の枠形状で描かれているが、共晶金属ＥＡは、後述する接合面又は接合金属膜の少なくとも一方に設けられるものである。

金属製のキャップ１１０は、平面視で矩形形状であり、＋Ｙ軸方向に凹んだ凹部１１１を有する箱型形状に形成されている。また、金属製のキャップ１１０は、凹部１１１を囲む４枚の壁板１１２（平面視で矩形の枠体）と、各壁板１１２の＋Ｙ軸側の辺に接合されている天井板１１３と、により構成されている。４枚の壁板１１２の下側（−Ｙ軸側）には接合面１１４が形成される。

セラミック製のベース板１２０は、平面視で矩形形状であり、上下の主面を有する平板１２６を有する。＋Ｙ軸側の面に一対の接続パッド１２１が、セラミック製の平板１２６に形成されている。各接続パッド１２１は、導電性接着剤ＣＡ（図４参照）を介して圧電振動片１３０に電気的に接続される。また、４つの外部電極１２４が、セラミック製のベース板１２０の−Ｙ軸側の面に形成される。Ｙ軸方向に貫通する一対の貫通電極９０（図４参照）がセラミック製の平板１２６に形成されている。接続パッド１２１と実装端子１２４とは、それぞれ貫通電極９０を介して、又は配線電極１２２及び貫通電極９０を介して電気的に接続される。実装端子１２４は、本実施形態では４つ形成されている。４つのうちの１つの実装端子１２４はアース端子であってもよい。圧電デバイス１００は、実装端子１２４にハンダなどで、プリント基板などに実装される。

また、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に形成される電極の全体を囲むように、外周側に枠状の接合金属膜１２５が、平板１２６の＋Ｙ軸側の面に形成されている。この枠状の接合金属膜１２５は接合面１１４と対向し、共晶金属ＥＡで金属膜１２５と接合面１１４とが接合する。枠状の接合金属膜１２５の外周端は板１２６の外周端１２６ｅの位置と一致してもよい。接続パッド１２１、配線電極１２２及び枠状の接合金属膜１２５は、スクリーン印刷等で形成される。接合時の接合金属膜１２５の厚み（Ｙ軸方向）は１０μｍ前後である。なお第１実施形態では、セラミック製のベース板で説明したがガラス製や水晶製のベース板でも良い。

圧電振動片１３０は、＋Ｙ軸側及び−Ｙ軸側の面に励振電極１３１が形成されており、それぞれ引出電極１３２が各励振電極１３１から引き出されている。圧電振動片１３０の＋Ｙ軸側の面に形成されている励振電極１３１からは引出電極１３２がＸ軸側に引き出され、さらに引出電極１３２が圧電振動片１３０の−Ｚ軸側の側面を介して−Ｙ軸側の面に引き出されている。また、圧電振動片１３０の−Ｙ軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３１から−Ｘ軸側に伸び、さらに圧電振動片１３０の＋Ｚ軸側の側面を介して＋Ｙ軸側の面にまで引き出されている。

＜金属キャップの構成＞
図２（ａ）は、図１の金属製のキャップ１１０の正面図である。図２（ｂ）は短辺側の側面図であり、（ｃ）は長辺側の側面図である。金属製のキャップ１１０は、共晶金属ＥＡによりベース板１２０の上面と接合されて、ベース板１２０の上面に搭載されている圧電振動片１３０を気密封止するためのものである。

金属製のキャップ１１０は、例えば、ステンレス、４２アロイ、またはコバール等の合金からなる。金属製のキャップ１１０は、真空状態もしくは窒素ガスなどが充填された凹部１１１を気密封止する。天井板１１３は、平面視で矩形形状の平板状となっており、その主面の大きさが矩形形状の圧電振動片１３０の主面より大きく、かつ、ベース板１２０の上面の大きさより小さくなっている。具体的には天井板１１３の長辺が例えば０．７〜０．８ｍｍであり、短辺が例えば０．５〜０．６ｍｍである。天井板１１３の厚さｄ１は例えば０．０４〜０．０６ｍｍである。

壁板１１２は、金属製のキャップ１１０の下側に凹部１１１を形成するためのものであり、天井板１１３の外縁に沿って高さｈ１で設けられている。その高さｈ１は例えば０．１５〜０．２２ｍｍである。また図２（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、壁板１１２の厚さｄ２は天井板１１３の厚さｄ１よりも厚く形成されている。壁板１１２の厚さｄ２は例えば０．０６〜０．１５ｍｍである。接合面１１４は、金属製のキャップ１１０とベース板１２０とを接合する面積を確保するため厚さｄ２は広く形成され、接合強度を上げている。このため壁板１１２の厚さｄ２は天井板１１３の厚さｄ１よりも厚くなっている。ただし、電子部品の設計によっては、ｄ１＞ｄ２の場合や、ｄ１＝ｄ２の場合があっても良い。

図５又は図６を使って後述されるように、４つの壁板１１２は、平面視で矩形の枠形状の枠体１１２であり、天井板１１３と枠体１１２とが熱圧着して形成される。図２（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、天井板１１３の下面と枠体１１２の内面とがなす角度は直角である。

＜圧電振動片の構成＞
図３（ａ）は、第１実施形態の圧電振動片１３０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１３０は励振電極１３１と引出電極１３２とを有している。圧電振動片１３０は長辺がＸ軸方向に伸び、短辺がＺ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１３０の主面表裏（Ｙ軸側の各面）にはそれぞれ励振電極１３１が形成されている。各励振電極１３１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１３１は長軸がＸ軸方向に伸び、短軸がＹ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１３１からは、圧電振動片１３０のＺ軸側の辺の両端にそれぞれ引出電極１３２が−Ｘ軸側に引き出されている。引出電極１３２は接続パッド１２１に導電性接着剤ＣＡ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１３０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１３０は、ＡＴカット圧電振動片以外にも他の振動モードの振動片であっても良い。また圧電振動片１３０の代わりに、圧電フィルタまたは音叉型の加速度センサ等を載置されるようにしても良い。

＜圧電デバイス１００の断面構成＞
図４（ａ）は、図１の圧電デバイス１００の断面図である。圧電振動片１３０が、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に載置されている。圧電振動片１３０の引出電極１３２とセラミック製のベース板１２０の接続パッド１２１とが導電性接着剤ＣＡを介して電気的に接続されている。圧電振動片１３０の励振電極１３１は配線電極１２２及び貫通電極９０を介して実装端子１２４に電気的に接続される。図４（ａ）に描かれているＸ軸方向では、セラミック製のベース板１２０のＸ軸方向の長さが金属製のキャップ１１０のＸ軸方向の長さよりも若干長い。

図４（ａ）の例の場合では、平板１２６と金属製のキャップ１１０とは、共晶合金ＥＡで接合してある。そして、平板１２６の適所にビア配線９０を設けて、このビア配線９０によって、接続パッド１２１と外部電極１２４とを接続してある。

天井板１１３の下面と枠体１１２の内面とがなす角度は直角であるため、凹部１１１の内容積が大きく取れるため、大きな空間が大きくできる。そのため比較的大きな圧電振動片１３０を載置することができる。

共晶合金ＥＡは、実装端子１２４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（例えば鉛フリーハンダ等）の２５０℃〜２８０℃の融点より高い融点を有する。共晶合金ＥＡとして、例えば亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌ）系、金スズ（ＡｕＳｎ）系又は銅スズ（ＣｕＳｎ）系で（融点３００℃）が好ましい。設けられた共晶金属ＥＡの厚さＤ１１は例えば１２〜１５μｍである。

図４（ｂ）の例の場合では、平板１２６を、第１板１２６ａと第２板１２６ｂとの２枚で構成してある。そして、第１板１２６ａと第２板１２６ｂとの互いは異なる位置にそれぞれビア配線９０ａ及び９０ｂを設け、かつ、これらビア配線９０ａと９０ｂと間を接続するための連絡配線９０ｃを、第１板１２６ａと第２板１２６ｂとの間に設けている。そして、接続パッド１２１と外部電極１２４とを接続するビア配線９０が構成されている。第１板１２６ａと金属製のキャップ１１０とは共晶合金ＥＡにより接続している。この図４（ｂ）の構造の場合、図４（ａ）の構造に比べ、ビア配線の箇所での気密性をより高めることができる。

＜圧電デバイスの作成方法 エッチングによる金属キャップの作成＞
ここで、図１もしくは図４で示された圧電デバイス及び図２で示された金属製のキャップ１１０の作成方法について説明する。図５（ａ）は、圧電デバイスの作成方法のフローチャートであり、図５（ｂ１）〜（ｂ３）はエッチングによる金属製のキャップ１１０の製作方法の各工程におけるイメージ図である。

まず図５（ａ）のステップＳ５１１からＳ５１５の圧電デバイスの作成方法のフローチャートを説明する。
ステップＳ５１１でベース板１２０が用意され、Ｓ５１２で圧電振動片１３０が用意される。次にステップＳ５１３でベース板１２０の２か所の接続パッド１２１に導電性接着剤ＣＡが塗布される。その導電性接着剤ＣＡの上に圧電振動片１３０の引出電極１３２が位置する状態で、圧電振動片１３０がベース板１２０上に載置される。導電性接着剤ＣＡの硬化が行われる。

ステップＳ５１４で、ベース板１２０の接合金属膜１２５に金属製のキャップ１１０の接合面が合うように、金属製のキャップ１１０がベース板１２０上に載置される。ステップＳ５１４で、金属製のキャップ１１０が載置されたベース板１２０高温のリフロー炉に入れられる。共晶合金ＥＡが溶けると、溶けた共晶合金ＥＡが接合面１１４及び接合金属膜１２５に沿って流れ、金属製のキャップ１１０と枠状の金属膜１２５とが強固に封止される。

次に図５（ａ）のステップＳ５２１からＳ５２４及び図５（ｂ１）〜（ｂ３）を使って、エッチングによる金属製のキャップの作成方法を説明する。
ステップＳ５２１において、ステンレス、４２アロイまたはコバール等の合金の厚さ０．１２〜０．１６ｍｍの平板１０が用意される。なお、平板１０は、典型的には単層板であるが、クラッド板であっても良い。平板１０の両面が、図２（ａ）で示された４枚の壁板１１２に合致するような枠形状のマスキング（不図示）で覆われる。そしてマスキングされた平板１０が所定時間エッチング液に浸される。すると、図５（ｂ１）に示されるような、枠形状の枠体１１２が形成される。図５（ｂ１）では２０個の枠体１１２が描かれているが、実際にはさらに多数個である。なお、キャップの作成効率を上げるため、枠体１１２がブリッジ１８で接続されている。このブリッジも上述したマスキングで覆われている。

ステップＳ５２２において、ステンレス、４２アロイまたはコバール等の合金の厚さ０．０３〜０．０６ｍｍの平板１３が用意される。そして枠形状の枠体１１２が形成された平板１０と新たな平板１３とが熱圧着される。なお、平板１３は、典型的には、単層板であるが、クラッド板であっても良い。この平板１３の大きさは平板１０と同じか小さくても良い。平板１３は平板１０と同じ金属が好ましいが、平板１０とは異なる金属であってもよい。図５（ｂ２）では、平板１３の大きさがグレーに色付けされた領域で、平板１３と平板１０とが熱圧着された状態を示している。本実施形態における熱圧着とは、加圧しながら熱を加える工法である。接合方法はこれに限られないが、具体的には真空ホットプレスによる熱圧着（拡散接合）が好ましい。

ステップＳ５２３において、上記熱圧着が済んだ構造体の主面両面の、図２（ａ）で示された天井板１１３に相当する領域がマスキング（不図示）で覆われる。そしてマスキングされた平板１３が所定時間エッチング液に浸される。すると、上記構造体の、井板１１３に相当する領域以外の領域がエッチングされて、図５（ｂ３）に示されるような、個片化されたキャップ１１０が形成される。

ステップＳ５２４において、キャップ１１０の接合面１１４（図２を参照）に、共晶金属が溶着され、キャップ１１０が完成する。この完成したキャップ１１０はステップＳ５１４でベース板１２０に載置される。なお、ブリッジ残渣、サイドエッチング残渣等の研磨が必要な場合、また、下地メッキが必要な場合等は、キャップ１１０に対し、バレル研磨やバレルメッキ等の処理をしても良い。

＜圧電デバイスの作成方法 プレスによる金属キャップの作成＞
図６（ａ）は、圧電デバイスの作成方法のフローチャートであり、図６（ｂ１）〜（ｂ３）はプレスによる金属製のキャップ１１０の製作方法の各工程におけるイメージ図である。

図６（ａ）のステップＳ５１１からＳ５１５の圧電デバイスの作成方法のフローチャートは、図５（ａ）と同じであるので説明を割愛する。

図６（ａ）のステップＳ６２１からＳ６２５及び図６（ｂ１）〜（ｂ３）を使って、プレス金型による金属製のキャップの作成方法を説明する。
ステップＳ６２１において、ステンレス、４２アロイまたはコバール等の合金の厚さ０．１２〜０．１６ｍｍの平板１０が用意される。そして平板１０が、図２（ａ）で示された４枚の壁板１１２の内側の大きさ（点線）で打ち抜かれる。すると、図６（ｂ１）に示されるような、矩形状の孔１９が形成される。

ステップＳ６２２において、ステンレス、４２アロイまたはコバール等の合金の厚さ０．０３〜０．０６ｍｍの平板１３が用意される。そして枠形状の孔１９が形成された平板１０と新たな平板１３とが熱圧着される。この平板１３の大きさは平板１０と同じか小さくても良い。平板１３は平板１０と異なる金属であってもよい。図６（ｂ２）では、平板１３の大きさがグレーに色付けされた領域で、平板１３と平板１０とが熱圧着された状態を示している。

ステップＳ６２３において、熱圧着された平板１０及び平板１３がプレス金型で打ち抜かれる。図２（ａ）で示された天井板１１３の外周に沿ったプレス金型で打ち抜かれることで、個片化されたキャップ１１０が形成される。

ステップＳ６２４において、プレスにおいてバリが生じた場合のその除去が必要な場合、また、下地メッキが必要な場合等は、キャップ１１０に対し、バレル研磨やバレルメッキ等の処理をしても良い。

ステップＳ６２５において、キャップ１１０の接合面１１４（図２を参照）に、共晶金属が溶着され、キャップ１１０が完成する。この完成したキャップ１１０はステップＳ５１４でベース板１２０に載置される。なお、実施形態として説明しないが、ステップＳ６２１からＳ６２５において、プレス金型で打ち抜く代わりにレーザー加工で抜いても良い。

本実施形態に係るキャップは、天井板と枠体とを別々に作成し熱圧着するため、枠体の内側と天井板の下面との角度を直角にすることができる。このためキャップ１１０内の凹部１１１の内容積を大きく取れる。また共晶金属による封止に際しても、枠体の厚みが比較的厚いため、封止も確実にできる。

１００ … 圧電デバイス
１１０ … 金属製のキャップ
１１１ … 凹部
１１２ … 壁板 （金属枠体）
１１３ … 天井板
１１４ … 接合面
１２０ … ベース板
１２１ … 接続パッド、 １２２ … 配線電極
９０（９０ａ、９０ｂ、９０ｃ） … 貫通電極、 １２４ … 実装端子
１２５ … 枠状の金属膜 １２６ … 平板
１３０ … 圧電振動片、 １３１ … 励振電極、 １３２ … 引出電極
ＣＡ … 導電性接着剤
ＥＡ … 共晶合金

Claims (6)

1. 圧電素子を覆うキャップであって、
   平面視で矩形の枠形状であり該枠形状の内面から外面までの枠幅が第１厚さで形成され金属から成る金属枠体と、
   平面視で前記矩形であり、上面から下面までの厚さが第２厚さで形成され、前記枠体に前記下面が接合され金属から成る金属天井板と、を有し、
   前記金属枠体と前記金属平板とは、熱圧着によって接合されているキャップ。
2. 前記金属枠体の前記内面と前記金属天井板の下面とのなす角度が直角である請求項１に記載のキャップ。
3. 前記第２厚さよりも前記第１厚さの方が厚い請求項１又は請求項２に記載のキャップ。
4. 前記枠体は、エッチング、レーザー加工又はプレス加工で形成される請求項１又は請求項２に記載のキャップ。
5. 当該キャップは、前記枠体と前記平板とを熱圧着した構造体を当該キャップ形状にエッチング又はプレスして形成される請求項１又は請求項２に記載のキャップ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のキャップと、
   第１面及び第２面を有する平板からなり、前記第１面に金属製の接合領域及び前記圧電素子を載置する接続バンプを有するベース板と、
   前記接合領域と前記枠体とを接合する接合金属と、を備え、
   前記圧電素子が前記接続バンプに載置された状態で、前記接合金属によって前記キャップと前記ベース板とが接合される圧電デバイス。