JP3438224B2 - 圧電振動デバイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子機器等に用いら
れる圧電振動デバイスに関するものであり、特に気密封
止を必要とする圧電振動デバイスのパッケージ構成に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】気密封止を必要とする圧電振動デバイス
の例として、水晶振動子、水晶フィルタ、水晶発振器等
の水晶応用製品があげられる。これら各製品はいずれも
水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄
膜電極を外気から保護するため、気密封止されている。

【０００３】これら水晶応用製品は部品の表面実装化の
要求から、セラミックパッケージに気密的に収納する構
成が増加している。このようなセラミックパッケージを
用いる場合、パッケージ本体とフタとの接合は多種多様
の接合方法が検討されている。例えばはんだ接合、低融
点ガラス接合、抵抗溶接、電子ビーム溶接等各種の接合
方法であるが、よく用いられている接合方法としてシー
ム溶接による気密封止があり、例えば特開平７−３２６
６８７号の従来例に示されている。これは、セラミック
パッケージの開口部分に形成されたシールリング（金属
リング）と金属フタとを、抵抗溶接の１種であるシーム
溶接により気密封止したもので、表面実装化に対応した
接合方法である。

【０００４】シーム溶接により気密封止を行った構成例
を図４、図５とともに説明する。図４はシールリングを
用いた従来の電子部品用パッケージの内部断面図、図５
は図４の一部拡大断面図である。なお、パッケージ内部
の電子素子は割愛している。セラミックパッケージ７０
の堤部７１上面にはメタライズ層７２が形成され、その
上面にニッケル等の金属メッキ層（図示せず）が形成さ
れている。この金属メッキ層の上面にコバール等からな
る金属リング７３がろう材７４により接合されている。
当該金属リングの表面には、図示していないがニッケル
メッキが施されている。そして金属フタ７５が金属リン
グ７３に接合される。金属フタ７５はコバール等からな
る母材にニッケルメッキ７６が形成されており、シーム
溶接により気密接合される。具体的には一対の通電ロー
ラー７７（他方は図示していない）により金属フタ７５
の外周の稜をトレースしながら通電し、金属フタとシー
ルリングを接合する。金属フタの外周はシールリングの
外周より若干小さく形成され、段差部ｂが形成されてお
り、両者の接合を確実にしている。

【０００５】シーム溶接は電流の流れる領域のみが加熱
され、局所加熱方法としては好適な方法であり、その気
密封止の信頼性も高く評価されている。しかしながら、
図５から明らかなとおり、シーム溶接を行う場合堤部上
面には、ろう材のメニスカス（meniscus）部分ａが必要
となり、また上述した段差部ｂが必要となる。これは気
密封止時の熱歪みに対応するための構成である。すなわ
ちシーム溶接は局所加熱方法であるが故に、ニッケルメ
ッキを溶融させるシーム溶接による加熱がセラミックパ
ッケージの接合部分に大きな熱歪みを生じさせるが、こ
の熱歪みに対応できる接合強度を得るために金属リング
の側面にメニスカスを形成している。従って、金属フタ
とシールリングの実質的な接合部分は接合領域ｃとなっ
てしまう。例えば縦５mm、横３.２mm、高さ０.７mmのパ
ッケージの場合、メタライズ層の引き下がり寸法ａ１が
０.０８mm、メニスカス形成寸法ｂ１が０.１mm、接合領
域の幅ｃ１が０.２５mm程度となる。なお、メタライズ
層の引き下がり寸法ａ１はセラミックパッケージの製造
方法に関連して必要となる。すなわちセラミックパッケ
ージは通常大きなウェハから多数個のパッケージを得る
ようにバッチ処理されるが、堤部の外周端までメタライ
ズ層を形成すると金属リング７３を固定するろう材が外
周端まで流れることがある。この場合、この流出がウェ
ハの状態から各セラミックパッケージに小割切断する際
の障害となることがあるためである。

【０００６】このようなニッケルメッキの形成された金
属リングとニッケルメッキの形成された金属フタとをシ
ーム溶接するセラミックパッケージにおいて、上述の外
形寸法（縦５mm、横３.２mm、高さ０.７ mm）の場合、
上記ａ１，ｂ１、ｃ１の寸法例は、ほぼ技術的限界に近
い値であり、より以上の狭小化をはかる場合、シーム溶
接時にセラミック部分と金属リング部分の境界部分にク
ラックが生じる等セラミックパッケージが破損すること
があった。

【０００７】一方でセラミックパッケージは、パッケー
ジの小型化と容積の確保、すなわち収納される圧電振動
板の外形寸法の確保という二律背反の課題解決を求めら
れており、従来の気密封止構成ではこの要求に対応する
ことができなかった。なお、圧電振動板の外形寸法が小
さくなると所望の電気的特性が得にくくなり、また設計
マージンが小さくなり、信頼性が低下するという問題が
生じる。

【０００８】さらに従来においては、図４に示すよう
に、金属フタは金属リング外周よりも小さいサイズを選
択する必要があった。これは金属フタの搭載位置がずれ
た場合でもシーム溶接による接合性を確保するものであ
る。すなわちシーム溶接時は通電ローラＲと金属フタの
接触部分並びに金属フタと金属リングの接触部分に抵抗
熱が生じるが、発熱量が多いのは前者の通電ローラとの
接触部分であり、これは金属フタ端部に相当する。例え
ば図３に示すように、金属フタが大きい等の理由で金属
リングの外部にはみ出した状態で接合された場合、従来
のようにニッケルメッキを施した金属フタと金属リング
をシーム溶接する構成では、はみ出した領域２２に近い
領域でしか金属フタと金属リングが接合せず、接合領域
が小さくなってしまうことがあった。従って、従来にお
いては金属リングの外形サイズに対して金属フタの外形
サイズを相対的に小さくし、金属フタの端部が金属リン
グの上面に位置するように構成していた。このような構
成は接合面積を確保するために金属リング幅の拡大につ
ながっていた。

【０００９】また金属フタの位置決めにおいても、金属
フタが小さいため画像処理による厳密な位置決めが必要
となり、製造上のコストもかかっていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
解決するためになされたもので、圧電振動板の収納スペ
ースを確保しつつ、より小型化を可能にするとともに、
気密封止の信頼性を向上させ、また製造コストを低下さ
せることのできる圧電振動デバイスを提供すること目的
とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明はシーム溶接時の
溶接温度を低下させ、セラミックパッケージに作用する
熱応力を低下させることにより、上記問題点を解決する
ものであり、次の構成によって解決するものである。

【００１２】請求項１による圧電振動デバイスは、少な
くとも圧電振動板を収納する凹部を有し、外周に堤部を
有するとともに当該堤部上面に金属リングをろう付け
し、金属リング側面にろう材のメニスカスを形成したセ
ラミックパッケージと、前記金属リングと接合され前記
凹部を気密的に封止する金属フタとを具備した圧電振動
デバイスであって、前記金属フタは前記金属リングの外
形以上のサイズを有し、少なくともセラミックパッケー
ジとの接合部分にはクラッド化した銀ろう層が形成さ
れ、当該金属フタと前記金属リングとをシーム溶接によ
り気密接合したことを特徴としている。

【００１３】また請求項２に示すように、上記構成にお
いて、前記凹部には圧電振動板と、当該圧電振動板とと
もに発振回路を構成する回路素子が収納されている構成
としてもよい。

【００１４】上記構成によれば、金属リングと金属フタ
との接合領域に介在する銀ろう層がシーム溶接時に比較
的低い温度（例えば８００°Ｃ）で溶融し、気密封止が
行われる。従って、パッケージに対して作用する熱応力
が小さくなる。また金属フタと金属リングの接合性が良
好であるので、金属フタが金属リングより外側にはみ出
したり、位置ずれして接合された場合でも金属フタと金
属リングが確実に接合される。

【００１５】次に従来品と本発明品についての比較例を
表１に示す。表１において従来品は上記従来例で示した
構成で、金属フタには厚さ約６μｍのニッケルメッキが
形成されており、本発明品は後述の実施の形態で示した
構成で、金属フタには厚さ約１５μｍのクラッド化され
た銀ろうが形成されており、両者とも金属フタと金属リ
ングの外形サイズを等しくした構成である。いずれの構
成においても圧電振動デバイスの外形寸法は縦４mm、横
２.５ mm、高さ０.７mmである。またａ１はメタライズ
層の引き下がり部分の寸法であり、ｂ１はメニスカス形
成部分の寸法、ｃ１は接合領域の幅であり、各々実施可
能な寸法の最小値を記載している。接合時の電流値は従
来品で約８０Ａ、本発明品で約５０Ａである。

【表１】

【００１６】表１から明らかなとおり、本発明品は従来
品に較べてメニスカス形成部分の寸法ｂ１、接合領域の
幅ｃ１ともそれぞれ半分あるいは半分以上小さくするこ
とが可能となっており、具体値では断面で見て片方の堤
部で０．２mm、両側で０．４mm分の容積を拡大させるこ
とができる。なお、上記最小値は外形寸法が多少増減し
てもほぼ同じであり、例えば縦５mm、横３.２mm、高さ
０.７mmの場合でも同様の最小値を採ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を表面
実装型の水晶振動子を例にとり図１、図２とともに説明
する。図１は本実施の形態を示す内部断面図、図２は図
１の要部拡大図である。表面実装型水晶振動子は、上部
が開口した凹部を有するセラミックパッケージ１と、当
該パッケージの中に収納される圧電素子である水晶振動
板３と、パッケージの開口部に接合される金属フタ２と
からなる。

【００１８】断面でみて凹形のセラミックパッケージ１
は、セラミック基体１０と、凹形周囲の堤部１０ａ上に
形成される周状の金属層１１とからなる。金属層１１
は、タングステンあるいはモリブデン等からなるメタラ
イズ層１１ａと、当該メタライズ層１１ａの上部に形成
されるニッケル等からなるメッキ層１１ｂとからなる。
当該金属層１１の上部には周状の金属リング１２が銀ろ
う等のろう材１２ａにより接合され、当該金属リング１
２には図示していないが、少なくともその上面にニッケ
ル、金の順にメッキ処理が施されている。図２に示すよ
うに、堤部上部にはメタライズ層の引き下がり部分の寸
法ａ１、メニスカス形成部分の寸法ｂ１、接合領域の幅
ｃ１が形成されている。それぞれメタライズ層の引き下
がり部分の寸法ａ１はメタライズ層形成時の製造誤差を
許容するためであり、メニスカス形成部分の寸法ｂ１は
メニスカス１３のおよぶ領域で、金属リングの接合強度
はこの領域の大きさに一部関連する。また接合領域すな
わち金属リングの幅ｃ１は金属フタとの接合面積に関連
し、気密封止の信頼性に関連する。

【００１９】また、セラミックパッケージ１の内部底面
には電極パッド１３、１４（１４は図示せず）が形成さ
れており、これら電極パッドは連結電極１５，１６（１
６は図示せず）を介して、パッケージ外部の底面に引出
電極１７，１８として電気的に引き出されている。前記
電極パッド１３，１４間には圧電振動板である矩形の水
晶振動板３が搭載されている。水晶振動板３の表裏面に
は一対の励振電極（図示せず）が形成され、各励振電極
は各々電極パッド１３，１４に引き出されており、導電
性接合材Ｓ１により導電接合されている。

【００２０】気密封止する金属フタ２はコバール等の金
属母材２０からなり、その外形サイズは金属リングの外
周サイズと等しく設定している。当該金属フタの下面す
なわち前記金属リング１２側には銀ろう層２１が形成さ
れ、その厚さは約１５μｍである。当該銀ろう層の形成
は、例えば圧延の手法を用いて形成されて、クラッド化
した銀ろう層を形成している。クラッド化することによ
り溶融時のガスの放出が少なく、ガスによるパッケージ
内部への悪影響を回避することができるという利点を有
している。

【００２１】金属フタ２と前記セラミックパッケージ１
の各金属膜層の接合は、シーム溶接と同じ手法を用い
る。すなわち金属リング１２と金属フタの銀ろう層２１
を重ね合わせ位置決めした状態で、パラレルシーム溶接
機の通電ローラーＲを金属フタの稜部分を押圧しながら
走行させる。これにより主に金属フタの銀ろうが溶融
し、気密接合が行われる。なお、本溶接となるシーム溶
接の前にセラミックパッケージと金属フタとをスポット
溶接により仮溶接を行い、位置決めを確実にしてもよ
い。

【００２２】なお、上記実施の形態において金属フタの
外形サイズは前記金属リング外周に合致するサイズを用
いているが、図３に示すように金属フタが金属リングの
外形サイズより大きく、金属リングの外部にはみ出した
状態で接合してもよい。金属フタを大きくすることによ
り、金属リングとの接合領域が増加させることができ
る。前述のとおり従来においてはこのような状態で接合
された場合、図３に示すはみ出した領域２２に近い領域
でしか金属フタと金属リングが接合せず、接合領域が小
さくなってしまうことがあった。しかしながら比較的融
点の低い銀ろうにより接合することにより、シーム溶接
時の銀ろうの溶融が比較的早く、溶融したろう材が金属
フタと金属リング間に介在する状態となるため接合領域
が増加し気密封止の信頼性が向上する。

【００２３】なお、銀ろうを溶融させるシーム溶接の溶
接電流あるいは通電時間は、ろう材の融点、適用するパ
ッケージのサイズ等によって決定されるが、前述の比較
例からも理解できるように、従来のようにニッケルを溶
融する構成に較べて小さな最適値に設定する必要があ
る。

【００２４】またセラミックパッケージ内に圧電振動板
と、当該圧電振動板と発振回路を構成するＩＣや抵抗等
の回路素子を一体的に収納した構成としてもよい。この
場合、セラミックパッケージ側に各回路素子を電気的に
接合する金属膜配線を設ける必要がある。

【００２５】

【発明の効果】上記構成によれば、金属リングと金属フ
タとの接合領域に介在する銀ろうがシーム溶接時に比較
的低い温度で溶融し、気密封止が行われる。従って、パ
ッケージに対して作用する熱応力が小さくなり、パッケ
ージの肉厚を小さくすることができるとともに、金属リ
ングとパッケージとの接合についても、従来のように強
度を上げるため金属リング側面に大きくメニスカスを形
成する必要もなく、小さなメニスカスかあるいはメニス
カスを形成しなくても強度を保つことができる。従っ
て、必要な強度を保ったままパッケージ全体のサイズを
小さくできたり、またはパッケージの容積を増加させる
ことができ、収納される圧電振動板の設計を容易にする
圧電振動デバイスを得ることができる。

【００２６】また金属フタと金属リングの接合性が良好
であるので、気密信頼性の高い外形サイズの大きい金属
フタを用いることができるとともに、画像処理を用いた
精度の高い位置決め技術を用いなくても、多少の位置ず
れを許容する構成であるので、製造コストを低下させ、
安価な圧電振動デバイスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態による内部断面図。

【図２】図１の部分拡大図。

【図３】金属フタの搭載位置ずれを示す図。

【図４】従来例を示す図。

【図５】図４の部分拡大図。

【符号の説明】

１、７０ セラミックパッケージ １０ セラミック基体 １１、７２ メタライズ層 １２ 金属リング ２、７５ 金属フタ ２１ 銀ろう層 ３ 水晶振動板（圧電振動板）

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−312748（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−46075（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−140866（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−242319（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−302708（ＪＰ，Ａ) 特開2000−58687（ＪＰ，Ａ) 特開2000−13170（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−246415（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/02 H03B 5/32 H03H 9/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも圧電振動板を収納する凹部を
   有し、外周に堤部を有するとともに当該堤部上面に金属
   リングをろう付けし、金属リング側面にろう材のメニス
   カスを形成したセラミックパッケージと、前記金属リン
   グと接合され前記凹部を気密的に封止する金属フタとを
   具備した圧電振動デバイスであって、 前記金属フタは前記金属リングの外形以上のサイズを有
   し、少なくともセラミックパッケージとの接合部分には
   クラッド化した銀ろう層が形成され、当該金属フタと前
   記金属リングとをシーム溶接により気密接合したことを
   特徴とする圧電振動デバイス。
2. 【請求項２】 前記凹部には圧電振動板と当該圧電振動
   板と発振回路を構成する回路素子が収納されていること
   を特徴とする請求項１記載の圧電振動デバイス。