JP3398295B2

JP3398295B2 - 圧電部品及びその製造方法

Info

Publication number: JP3398295B2
Application number: JP01725397A
Authority: JP
Inventors: 英臣米村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: JPH10215139A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性収容体に圧
電素子を配置して、該圧電素子を金属製被覆体で被覆す
るとともに、絶縁性収容体と溶接によって気密的に接合
して成る圧電部品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品素子を気密的に封止する容器体
の構造として、例えば電子部品を搭載する側の絶縁性収
容体としてはセラミックなどから成る凹部を有する基体
を用い、被覆体としてセラミックに、ガラス、樹脂をプ
リントした平板状被覆体を用いて、両者をガラスや樹脂
で封止していた。

【０００３】また、電子部品素子を気密的に封止する容
器体の構造として、例えば電子部品を搭載する側の絶縁
性収容体としてはセラミックなどから成る凹部を有する
基体を用い、被覆体としてセラミックやガラスなどから
成る平板状被覆体を用いて、両者の接合部分に半田ぬれ
性の良好な金属層を形成し、その間を半田を介して封止
していた。

【０００４】しかし、電子部品素子として、圧電単結晶
板、圧電セラミック基板などからなる圧電素子を用いた
場合には、ガラス封止のために比較的高い熱を容器体全
体に与える必要があり、これにより、圧電素子が熱によ
る特性変動が発生してしまう。

【０００５】また、比較的低い熱を容器体全体に与えて
接合する半田接合においては、完成した圧電部品（水晶
発振器、弾性表面波発振器、弾性表面波共振器など）を
プリント配線基板に接合する際に半田の溶融温度によっ
て、封止が破れてしまうことがあり、その気密封止性の
信頼性が低かった。

【０００６】そこで、圧電素子を収納した容器体を構成
する収容体と被覆体の接合に溶接を用いることが多用さ
れている。

【０００７】例えば、収容体として概略円板状の金属ス
テムを、被覆体として円筒状の金属キャップを用い、両
者を抵抗溶接をおこなっていた。

【０００８】この構造ような構造において、収容体が金
属材料から成るため、容器体に圧電素子やその他の回路
部品を収納する構造が非常に難しく、部品点数が増加し
てしまう。

【０００９】このため、図６に示すように、容器体の構
成として、凹部１０２に有するセラミックなどの絶縁性
収容体（以下、基体という）１０１と、平板状の金属被
覆体（以下、金属製蓋体という）１０３を用いていた。

【００１０】基体１０１の凹部１０２の周囲に予めコバ
ールなどからなるシームリング１０４を溶接固定し、そ
の表面にＮｉメッキ層を形成しておく。また、金属製蓋
体１０３の接合部分にＮｉメッキ層を形成しておく。

【００１１】そして、基体１０１の凹部１０２に水晶振
動子などの圧電素子１０５を配置し、この凹部１０２の
開口を金属製蓋体１０３で隠蔽するように載置し、金属
製蓋体１０３とシームリング１０４間に例えば８０Ａの
大電流を印加して、両者のＮｉメッキ層を互いに溶融さ
せて、強固に接合層が形成していた。

【００１２】このシームリング１０４を用いて溶接によ
って接合すると、溶接時に発生する熱が圧電素子１０５
にまで到達しないため、圧電素子１０５の変動がなく、
また、プリント配線基板上に他の電子部品とともに半田
リフロー方法によって表面実装が可能となるなど、圧電
部品には非常に適した接合方法と言える。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような接
合方法を施した圧電部品においては、シームリング１０
４を用いる必要があり、また、基体１０１の凹部１０２
の周囲に予めシームリーング１０４を溶接しておく必要
があることから、部材費用が嵩み、接合工程が複雑とな
ってしまう。

【００１４】このため、シームリング１０４の代わり
に、金属層、例えばタングステンメタライズ層などを基
体１０１に形成することも考えられる。

【００１５】しかし、このようにして溶接した場合に
は、Ｎｉの融点が約１０００℃であることから、強固な
接合層を形成するには、８０Ａという大電流の通電によ
って発生する熱をＮｉ融点以上に高める必要がある。し
かも、シームリーグ１０４がないため、この熱が直接基
体１０１に影響してしまう。その結果、基体１０１の凹
部の周囲にこの熱衝撃によるクラックが発生してしま
い、気密封止性を劣化させてしまうという問題があっ
た。

【００１６】本発明は上述の問題に鑑みて案出されたも
のであり、その目的は、基体と金属製蓋体とをシームリ
ングを用いずに溶接接合でき、しかも、気密性信頼性、
特性の変動、表面実装性に優れた圧電部品及びその製造
方法を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、表面に凹
部を有する絶縁性収容体と、前記凹部の開口を覆う平板
状の金属製被覆体とからなる容器の内部に圧電素子を気
密に収容して成る圧電部品であって、前記金属製被覆体
は、その下面が平坦で、且つ周囲部の厚みが中央部に比
し薄く形成されており、この周囲部を前記凹部の周囲
で、Ａｕと低融点金属材料との共晶層を介して、前記絶
縁性収容体の表面に被着させた金属層に溶接接合したこ
とを特徴とする圧電部品である。

【００１８】第２の発明は、上述の低融点金属材料がＣ
ｕ−Ｓｎであることを特徴とする圧電部品である。

【００１９】

【００２０】

【作用】第１の発明によれば、圧電素子を収納する絶縁
性収容体と金属製被覆体との接合、即ち、絶縁性収容体
の金属層と金属製被覆体との接合が、溶接によるＡｕと
該Ａｕと共晶しえる低融点金属材料との共晶層で達成さ
れている。

【００２１】従って、従来のようにシームリングを用い
る必要がなく、また、比較的低い温度で形成される共晶
層であるため、溶接時の電流を小さくでき、絶縁性収容
体側に発生するクラックを有効に抑えることがてきる。

【００２２】第２の発明によれば、Ａｕと共晶層を作成
する低融点金属材料がＳｎ、Ｃｕ−Ｓｎであるため、強
固な溶接接合が可能となる。

【００２３】第３の発明によれば、金属製被覆体の表面
または絶縁性収容体に被着した金属層の表面に、一方の
表面にはＡｕ層を、他方の表面にはＡｕと共晶を形成し
得る上述の低融点金属材料を含む導体層が予め形成さ
れ、このような絶縁性収容体と金属製被覆体とを、絶縁
性収容体の内部に圧電素子を配置した状態で、互いに当
接して、溶接接合している。

【００２４】これにより、上述の圧電部品が簡単に形成
されることになる。

【００２５】結局、この共晶層が溶接時に発生する３０
０〜５００℃程度の熱で形成されるため、従来のように
Ｎｉどうしのせ都合に比較して、熱衝撃が低下して、絶
縁性収容体の接合部分にクラックなどが発生することが
なく、溶接であるために、絶縁性収容体の内部に配置し
た圧電素子に直接熱が印加されることがないため、圧電
素子の特性の変動がなく、プリント配線板上にリフロー
半田処理によって実装しても、共晶層は強固に維持でき
るため、封止破れが発生することがなく、表面実装性に
優れた圧電部品となる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る圧電部品を図
面を基づいて詳説する。尚、圧電部品としては、水晶振
動子を用いた表面実装型水晶発振器を用いて説明する。

【００２７】図１は、表面実装型水晶発振器の外観斜視
図であり、図２は断面構造であり、図３は絶縁性収容体
（基体）側の接合部分の層構成を説明する断面図であ
り、図４は金属製蓋体（金属製被覆体）側の接合部分の
層を説明する断面図であり、図５は接合した状態の断面
図である。

【００２８】図において、１０は表面実装型水晶発振器
であり、１は基体であり、２は金属製蓋体、３は水晶振
動子、４はＩＣチップ、１１は凹部、１２は基体に形成
された配線、１３は端子電極である。

【００２９】基体１は、例えばセラミックなどから成
り、全体としては絶縁層１ａ〜１ｄから成る多層構造と
なっている。この基体の表面に段差を有する凹部１１が
形成されている。

【００３０】また、基体１の凹部１１の内表面や絶縁層
１ａ〜１ｄの層間には、所定配線１２が、またその外面
には、所定配線１２と接続し、外部回路と接続するため
の端子電極１３が形成されている。

【００３１】具体的には、表面側の絶縁体層１ａは、矩
形上のリング体を成し、そのリングの開口が、凹部１１
の開口となる。そして、その絶縁体層１ａの表面の開口
の周囲には溶接接合する金属層５が周設されている。

【００３２】また、絶縁体層１ｂは、絶縁体層１ａに比
較して若干開口が小さいリング体となっている。この絶
縁体層１ａと絶縁体層１ｂとの層間及び開口部の周囲に
は、水晶振動子３と接続する配線１２が形成されてい
る。

【００３３】また、絶縁体層１ｃは、絶縁体層１ｂに比
較して若干開口が小さいリング体となっている。この絶
縁体層１ｂと絶縁体層１ｃとの層間及び開口部の周囲に
は、ＩＣチップ４と接続する配線１２が形成されてい
る。

【００３４】また、絶縁体層１ｄは、凹部１１の底面と
なる平板状となっている。この絶縁体層１ｃと絶縁体層
１ｄとの層間及び凹部１１の底面部分に、ＩＣチップ４
を機械的に固定するための配線１２が形成されている。
尚、各絶縁体層１ａ〜１ｄには、各配線１２を接続して
所定発振回路を達成するためにビアホール導体が形成さ
れている。

【００３５】また、絶縁体層１ａと絶縁体層１ｂとの層
間に形成された配線１２は、基体１３の外部に延出し、
絶縁体層１ｂ、１ｃ、１ｄの下方に延びる半円形状の端
子電極１３に接続している。また、絶縁体層１ｂと絶縁
体層１ｃとの層間に形成された配線１２は、基体１３の
外部に延出し、絶縁体層１ｃ、１ｄの下方に延びる半円
形状の端子電極１３に接続している。

【００３６】上述の配線１２、端子電極１３は、基体１
表面側からタングステンメタライズ層、Ｎｉメッキ層な
どからなり、必要に応じてＡｕメッキ層が被着して構成
されている。

【００３７】また、絶縁体層１ａの開口周囲に形成した
金属層５は、図３に示すように、基体１表面側から、厚
み７〜１５μｍのタングステンメタライズ層５１、２〜
６μｍのＮｉメッキ層５２、０．１μｍのＡｕメッキ層
５３の３層構造である。この金属層５の中で表面のＡｕ
メッキ層５３が金属蓋体４との溶接接合するにあたり非
常に重要なＡｕ層であり、溶接接合による共晶層を形成
する金属層であり、Ｎｉメッキ層５２は、表面Ａｕメッ
キ層５３を安定的に形成する上で必要な層である。タン
グステンメタライズ層５１は、周知のメッキ法でＮｉメ
ッキ層５２を形成するための下地層であり、このタング
ステンメタライズ層５１、Ｎｉメッキ層５２とは、接合
に寄与する共晶層と基体１とを接合するための金属層と
なる。尚、基体１に直接接合する層は、タングステンに
限ることはなく、基体の材料、融点を考慮して種々の金
属、例えばＡｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ合金）が用いられ
る。

【００３８】このような構造の基体は、多層回路基板の
技術に基づいて形成される。即ち、各絶縁体体層１ａ〜
１ｄとなるグリーンシートを用意し、各グリーンシート
の開口や端子電極の形状に応じて打ち抜き加工を施し、
その表面にタングステンなどの導電性ペーストを所定形
状に印刷する。

【００３９】この状態のグリーンシートを絶縁体層１ａ
〜１ｄに応じて積層し、熱圧着を行い、１３００℃の雰
囲気で一体的に焼成処理を行う。

【００４０】その後、メッキ処理により、基体１から露
出する配線となる部分又は端子電極部分の表面にＮｉメ
ッキ層、Ａｕメッキ層を形成する。上述の基体表面の金
属層５を構成するＡｕメッキ層５３は溶接接合上で重要
となるが、配線１２及び端子電極１３のＡｕメッキ層
は、ＩＣチップ４を機械的に接合する際、またワイヤに
よってボンディングを行う際、また、半田ぬれ性を長期
に渡り安定化させる上で好ましいものである。

【００４１】金属製蓋体２は、例えばコバールなどの金
属からなり、その形状は概略凹部１１の開口の金属層５
を完全に覆う大きさとなっている。特に、金属製蓋体２
は、その下面が平坦になしてあり、周囲の厚みが中央部
分に比較して若干薄くなっている。この薄くなっている
部分を周囲部２１という。

【００４２】また、少なくとも周囲部２１には、下地で
あるコバールの表面にＡｕと共晶を形成する低融点金属
材料の導体層を含む金属層６が形成されている。尚、図
では、金属製蓋体２の全表面に金属層６が形成されてい
る。

【００４３】金属層６は、図４に示すように、コバール
などの下地金属より２〜６μｍのＡｕと共晶反応を行う
低融点金属材料の導体層、例えばＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ
のメッキ層６１、０．１μｍの表面Ａｕメッキ層６２と
から構成されている。

【００４４】特に、低融点金属材料の導体層６１は、基
体１との溶接接合に重要な層である。尚、表面のＡｕメ
ッキ層６２は、低融点金属材料の導体層６１の表面酸化
を防止し、また、基体１のＡｕメッキ層５３との共晶を
形成する際になじみを良くするための作用するものであ
り、Ａｕメッキ層６２は実際には省略できる。

【００４５】上述の金属製蓋体２は、コバールなど金属
平板の打ち抜き加工後、研削加工又は部分プレス加工、
さらにメッキ処理を行い形成される。

【００４６】水晶振動子３は、所定切断方位にカットさ
れた水晶基板の両主面に振動電極が形成されて構成さ
れ、基体１の凹部１１の例えば第２の絶縁体層１ｂの表
面に導電性接着剤を介して配線に接合されている。

【００４７】ＩＣチップ４は、半導体作成技術でもっ
て、複数のインバーター、帰還抵抗などが集積化されて
いる。そして、凹部１１の底面に配置され、チップ４の
表面の入出力パッドと第３の絶縁体層１Ｃの表面の配線
との間にワイヤでボンディング接合されている。尚、図
には記載していなが、凹部１１内にコンデンサなどの電
子部品を配置しても構わない。

【００４８】このような基体の凹部１１の内部にＩＣチ
ップ４及び水晶振動子３を配置した後には、凹部１１の
空間の雰囲気を調整して、凹部１１の開口が金属製蓋体
２によって気密的に封止される。

【００４９】次に、その封止について説明する。

【００５０】まず、上述したように、基体１の凹部１１
の開口に形成された金属層５上に、金属製蓋体２を、そ
の周囲部２１の金属層６が当接するように配置する。

【００５１】次に、リング状のプローブを有する溶接治
具を、金属製蓋体２の周囲に一定圧力を与えながら、押
し当て、同時に基体１の金属層５をアース電位に接地す
る。

【００５２】次に、リング状のプローブから金属製蓋体
２の金属層６、基体１の金属層５に５０〜５５Ａの電流
を印加して、溶接をおこなう。

【００５３】この時、５０Ａの電流の通電によって、両
金属層５、６の接触部分を中心に熱が発生し、その熱が
３００〜５００℃程度にまで上昇する。

【００５４】この時、熱が発生する金属製蓋体２の周囲
部２１が比較的厚みが薄いため、発生した熱が、金属層
５と金属層６との接合部分に効率的に伝わることにな
り、熱の無駄な伝達が抑制されることになる。

【００５５】上述の熱によって、図５に示すように、基
体１側の金属層５の表面Ａｕメッキ層５３、金属製蓋体
側の金属層６の表面Ａｕメッキ層６２、低融点金属導体
層６１とが共晶反応を起こし、その接合部分にＡｕと低
融点金属の共晶層、例えば、Ａｕ−Ｓｎの共晶層または
Ａｕ−Ｓｎ−Ｃｕの共晶層Ｓが形成される。この共晶層
によって強固な接合が達成できる。尚、基体１側の金属
層５のタングステンメタライズ層５１、Ｎｉメッキ層５
２は実質的にその状態を維持したままとなる。

【００５６】上述のように、従来の溶接は、コバールな
どのシームリングを予め基体側に溶接しておき、このシ
ームリングを介して基体１と金属製蓋体２とを溶接接合
していたが、本発明では、シームリングを用いる必要が
なく、基体１と金属製蓋体２とを互いに直接接合できる
ため、部品点数、接合の工程数を省略できる。

【００５７】また、本発明の接合がＡｕ−Ｓｎ又はＡｕ
−Ｓｎ−Ｃｕの共晶層によって接合されるが、この共晶
層が３００〜５００℃の比較的低温で形成されることか
ら、従来のＮｉどうしの接合のように１０００℃程度ま
で熱を上げるための溶接が不要である。従って、溶接に
かかる条件が大きく緩和され、また、基体１にかかる熱
応力が非常に小さくなり、基体１の凹部１１の周囲のク
ラックが皆無となり、気密性信頼性が大きく向上する。

【００５８】また、上述の封止方法が基体１と金属製蓋
体２との接合部分に局部的な溶接であるため、その熱が
水晶振動子３に直接加わらないため、従来のように発振
器全体の加熱による封止方法に比較して、水晶振動子３
の熱による特性の変動が起こらないものとなる。

【００５９】さらに、上述のように、基体１と金属製蓋
体２とはＡｕ−ＳｎまたはＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕの共晶層に
よって強固に接合されている。この共晶層は、プリント
配線基板に電子部品を表面実装する際のリフロー半田処
理時の熱、例えば２００℃前後に対しても安定して維持
できるため、表面実装時の気密封止破れが発生すること
がなく、表面実装性に適した発振器となる。

【００６０】尚、上述の実施例では、基体１側にＡｕ−
Ｓｎ共晶層又はＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕ共晶層を構成するＡｕ
メッキ層を含む金属層５が形成され、金属製蓋体２側に
Ａｕ−Ｓｎ共晶層又はＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕ共晶層を構成す
るＳｎメッキ層（Ｓｎ−Ｃｕメッキ層）を含む金属層６
が形成されているが、その逆に金属蓋体２側にＡｕ−Ｓ
ｎ共晶層又はＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕ共晶層を構成するＡｕメ
ッキ層を含む金属層を形成し、基体１側にＡｕ−Ｓｎ共
晶層又はＡｕ−Ｓｎ−Ｃｕ共晶層を構成する低融点金属
材料（Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ）の導体層を含む金属層を形成
してもよい。

【００６１】また、上述の実施例のように、Ｓｎメッキ
層（Ｓｎ−Ｃｕメッキ層）を含む金属層６にＡｕメッキ
層を表面に形成しておくことが可能である。このＡｕメ
ッキ層は、下地のＳｎメッキ層（Ｓｎ−Ｃｕメッキ層）
の酸化を防止すること、Ａｕ−Ｓｎメッキ層（Ｓｎ−Ｃ
ｕメッキ層）のＡｕとＳｎ（Ｓｎ−Ｃｕ）との比率を適
正化して共晶層の強度を向上するものである。

【００６２】また、上述の低融点金属材料は、Ａｕ層と
３００〜５００℃の範囲で共晶層を形成し得る材料であ
れば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ｃｕ以外の材料を用いる必要があ
る。尚、３００℃は、リフロー半田処理を想定して、リ
フロー半田処理時を施しても安定な共晶層が維持でき、
接合強度を向上させるためであり、５００℃は、溶接条
件の緩和と、基体１側に熱衝撃によるクラックの発生を
防止するために設定されたものである。

【００６３】また、基体１の形成方法に関して、グリー
ンシート多層によって形成する以外に、例えばアルミ粉
末のプレス成型、所定によって基体を形成しても構わな
い。

【００６４】この場合には、配線や端子電極は、焼成さ
れた基板の表面や端面、裏面に形成されることになる。
また、その基体の材料も低温焼成可能なガラス−セラミ
ック材料を用いもよい。

【００６５】

【００６６】また、容器体の内部に収納される圧電素子
は、水晶振動子に限らず、圧電共振子、圧電フィルタ素
子、表面弾性波素子であってもよい。また、ＩＣチップ
を省略して、圧電素子のみを配置しても構わないし、逆
に、ＩＣチップ以外に、抵抗、コンデンサなどを配置し
ても構わない。

【００６７】

【発明の効果】以上のように、容器体を構成する絶縁性
収容体と金属製被覆体とがＡｕと該Ａｕと共晶反応され
る低融点金属材料による共晶層によって強固に接合され
る。これは、シームリングを用いず、溶接によって簡単
に接合できる。

【００６８】しかも、熱の無駄な伝達を抑制することで
絶縁性収容体と金属製蓋体とを効率的に溶接接合するこ
とができ、また、圧電素子の熱による特性の変動がな
く、絶縁性収容体に過度の熱衝撃を与えることがなく、
プリント配線基板への実装時に封止部分の封止破れがな
い圧電部品となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電部品である水晶発振器の外観斜視
図である。

【図２】本発明の圧電部品である水晶発振器の断面構造
図である。

【図３】本発明の圧電部品に用いる絶縁性収容体側の金
属層の構造を示す部分断面図である。

【図４】本発明の圧電部品に用いる金属製被覆体側の金
属層の構造を示す部分断面図である。

【図５】本発明の圧電部品の接合部分の部分断面図であ
る。

【図６】従来の圧電部品の断面構造図である。

【符号の説明】

１０・・・表面実装型水晶発振器１・・・・基体（絶縁性収容体）２・・・・金属製蓋体（金属製被覆体）３・・・・水晶振動子（圧電素子）５、６・・・・金属層５３・・・Ａｕ層６１・・・低融点金属の導体層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹部を有する絶縁性収容体と、前記
凹部の開口を覆う平板状の金属製被覆体とからなる容器
の内部に圧電素子を気密に収容して成る圧電部品であっ
て、前記金属製被覆体は、その下面が平坦で、且つ周囲部の
厚みが中央部に比し薄く形成されており、この周囲部を
前記凹部の周囲で、Ａｕと低融点金属材料との共晶層を
介して、前記絶縁性収容体の表面に被着させた金属層に
溶接接合したことを特徴とする圧電部品。
【請求項２】前記低融点金属材料がＣｕ−Ｓｎであるこ
とを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。