JP3731391B2 - 電子部品の封止方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器内に圧電振動素子等の電子部品を収容して密封するための電子部品の封止方法の改良と、その封止方法により封止された圧電振動子及び圧電発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、電子部品の封止構造の一例として、一般的な圧電振動子の一例を示す一部切断斜視図である。
【０００３】
この圧電振動子１は、板状の圧電振動素子２を収納する空間部３ａが形成された箱状の収容容器３と、空間部３ａを密封するように収容容器３に接合された板状の蓋体４を備えている。
【０００４】
収容容器３には、電極５が設けられており、圧電振動素子２は、一端部２ａが空間部３ａ内に配設されている電極５上に導電性接着剤５ａ，５ａを介して接続固定されていて、他端部２ｂは自由端とされている。圧電振動素子２の表面には励振電極等（図示せず）が設けられて、前記電極５と接続されている。
【０００５】
これにより、電極５から印加される駆動電圧によって、所定の振動数で振動できるようになっている。
【０００６】
図９の右側に拡大して示すように、収容容器３には、蓋体４が載置され、この収容容器３と蓋体４とは封止材であるロウ材６を介して封止されている。この場合、封止材としては低融点ガラスや、銀ロウ、半田等が用いられる。
【０００７】
ここで、収容容器３の上端面である接合面上には、封止材との接合を良好とするために、金属被覆層７が設けられている。この金属被覆層７は複数種類の金属を層状に積層して形成されている。
【０００８】
このような構成において、従来は、次のようにして蓋体４と収容容器３とを封止している。
【０００９】
▲１▼蓋体４と収容容器３との接合面に上記封止材６として半田をクラッドまたはメッキし、収容容器３を加熱することにより、封止材６を溶融させて、封止固定する。
【００１０】
▲２▼あるいは、蓋体４と収容容器３との間に上記封止材６をはさみこみ、シーム溶接により封止材６を溶融して封止固定する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した封止方法によると、いずれの方法においても、封止材６の融点を越える温度にて加熱しないと、封止することができない。
【００１２】
例えば封止材６として高温半田を用いた場合には、その融点は２７０℃程度である。そして、蓋体４と収容容器３との接合面にて、このような温度に達するように雰囲気加熱するには、圧電振動子１の周囲を２７０℃位まで昇温する必要がある。ここで、このような高温半田を用いているのは、圧電振動子１の完成品を各種機器や基板等へ実装する際のリフロー工程において、リフロー炉の熱で蓋体４と収容容器３との接合面がはがれないようにする必要があるためである。
【００１３】
しかしながら、このような高温で加熱すると、封止材６からガスが発生し、このガスの成分が収容容器３内で圧電振動素子２に付着してしまって、振動特性等を劣化させてしまうという問題がある。
【００１４】
また、このような封止時の高温により導電性接着剤５ａ，５ａから特性上有害なガスが発生し、圧電振動素子２に付着してしまって、振動特性等を劣化させてしまったり、封止温度によっては、さらに圧電振動素子２に対して、直接悪影響を及ぼす場合があった。
【００１５】
本発明は、上記課題を解消して、電子部品の性能を劣化を生じることなく、この電子部品を容器内に封止する電子部品の封止方法とこれを利用した圧電振動子及び圧電発振器を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１の発明によれば、電子部品を所定の容器に収容し、この容器に対して蓋体を配置し、前記蓋体または前記容器に対して軟質金属を介してホーンを当接させて超音波を与えることにより、前記容器と前記蓋体とを接合して封止することを特徴とする、電子部品の封止方法により、達成される。
【００１７】
請求項１の構成によれば、前記容器または前記蓋体に対して超音波を作用させることにより、超音波が作用した箇所が振動し、容器との接合面で熱を発生する。これにより、この接合面だけに熱を発生させ、蓋体もしくは容器の接合面の一部またはそこに介在させた封止材を溶融させて、固定することができる。
また、ホーンは、蓋体または容器に直接当接しないで済むから、振動するホーンにより、蓋体表面を傷つけることがない。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、前記容器または蓋体に対して、横方向の振動を与えることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の構成によれば、蓋体に対して「横方法」すなわち、蓋体の下面に沿った方向に振動させることで、効率的に接合面に摩擦を生じさせ、熱を発生させることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、前記超音波による封止は、真空雰囲気中で行われることを特徴とする。
【００２１】
請求項３の構成によれば、従来の加熱の場合と異なり、真空中にて作業を行うことが可能であり、このことは、電子部品を封止したパッケージの真空封止品質を向上させる。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１または２の構成において、前記超音波による封止は、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の構成によれば、従来の加熱の場合と異なり、不活性ガス，例えば窒素ガス雰囲気にて作業を行うことが可能であり、このことは、電子部品を封止したパッケージの不活性ガスによる封止品質を向上させる。さらに、これに加えて、真空雰囲気の場合と比較して、ガスの発生を著しく抑制できる。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの構成において、前記容器と蓋体との間にロウ材を介在させて封止することを特徴とする。
【００２５】
請求項５の構成によれば、発熱は前記蓋体と前記容器との接合部にほぼ限定されるので、ロウ材の選択の幅が広くなる。
【００２８】
また、上記目的は、請求項６の発明によれば、電子部品を所定の容器に収容し、この容器に対して蓋体を配置し、前記蓋体に対して軟質金属を介してホーンを当接させて超音波を与えつつ加熱することにより、前記容器と前記蓋体とを接合して封止することを特徴とする、電子部品の封止方法により、達成される。
【００２９】
請求項６の構成によれば、超音波を作用させながら、加熱することにより、蓋体または容器が振動し、容器との接合面で熱を発生するだけでなく、周囲から熱が伝えられる。これにより、この接合面だけに熱を発生させ、蓋体もしくは容器の接合面の一部またはそこに介在させた封止材を溶融させて、効率よく固定することができる。
また、ホーンは、蓋体または容器に直接当接しないで済むから、振動するホーンにより、蓋体表面を傷つけることがない。
【００３０】
請求項７の発明は、請求項６の構成において、前記容器と蓋体との間にロウ材を介在させて封止することを特徴とする。
【００３１】
請求項８の発明は、請求項７の構成において、前記加熱温度は、前記ロウ材の融点以下の温度に設定されることを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
【００３６】
先ず、本実施形態の封止方法が適用される電子部品の一例として、圧電振動素子の封止構造を説明する。
【００３７】
図１は、このような圧電振動子の一例を示す概略斜視図であり、図２はその概略断面図である。
【００３８】
これらの図において、圧電振動子１０は、電子部品としての板状の圧電振動素子１１を収納する容器として、空間部１２ａが形成された箱状の収容容器１２と、空間部１２ａを密封するように、収容容器１２に接合される板状の蓋体１３を備えている。
【００３９】
この圧電振動素子１１は、一端部１１ａが空間部１２ａ内に一体に設けた段部に配設されている電極１４上に、導電性の接着剤１４ａ，１４ａを介して接続固定され、他端部１１ｂが自由端とされている。収容容器１２と蓋体１３は、好ましくは、封止材（ロウ材）１５を介して接合されている。
【００４０】
ここで、圧電振動素子１１の材料としては、例えば人工水晶が用いられており、その表面に圧電振動素子１１の駆動に必要とされる励振電極等の図示しない電極が形成されている。
【００４１】
収容容器１２の材料としては、例えば、アルミナ等のセラミックが用いられており、例えば、収容容器１２は、グリーンシート等を用いて、下ベース１２ｂの上に上ベース１２ｃを内部に空間１２ａを形成するように積層して、図示のように箱状に成形された後、焼成することにより形成される。
【００４２】
蓋体１３は、収容容器１２の線膨張係数と近い材料が適しており、金属あるいはアルミナ等のセラミックにより、例えば、平板な板状に形成されている。金属の場合には、例えば、コバール，４２アロイ，ステンレス（ＳＵＳ）等が好適である。本例では、例えば０．１ｍｍ程度のコバール板により形成されている。
【００４３】
封止材１５は、例えば、高温半田（溶融温度２７０℃程度），銀ロウ，金ロウ，低融点ガラス等が用いられる。
【００４４】
そして、封止材１５と適切に融着を行うために、セラミック製の収容容器１２の上端１２ｄには、図１の右側に拡大して示すように、例えば金属被覆部１６を形成している。この金属被覆部１６は、例えば、順次下からタングステンメタライズ、ニッケルメッキ、金メッキ等を積層するように被覆してなっている。
【００４５】
また、このような金属被覆部１６を形成しない場合には、セラミック製の収容容器１２の上端１２ｄには、例えばコバールリングもしくは４２アロイがが予めロウ付けされることにより、同等の機能を果たすようにされている。
【００４６】
図３の断面図は、電子部品の封止構造の他の例を示しており、この場合圧電発振器２０の封止構造を示している。
【００４７】
図において、図１及び図２で説明した圧電振動子１０と共通する構成には同一の符号を付して、重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
【００４８】
図において、圧電発振器２０の収容容器２１では、第１のセラミックベース２１ａの上に内側に空間を有する第２のセラミックベース２１ｂを重ね、さらにその上に内側に空間を有する第３のセラミックベース２１ｃを重ねて形成している。これにより、図２と比べると内部空間１２ａの下にさらに段部を設けて、一段低いもうひとつの内部空間２２ａを形成している。
【００４９】
そして、第１のセラミックベース２１ａの上面に形成した導電パターン上に集積回路２３を実装し、上記内部空間２２ａに収容して、電極部２４と接続している。これにより、圧電振動素子１１に所定の駆動電圧を与えて、振動させ、その出力を上記集積回路２３に入力することにより、所定の周波数の信号を取り出すようになっている。
【００５０】
この圧電発振器２０においても、収容容器２１と蓋体１３との接合には、後述する封止方法を適用することができる。
【００５１】
次に、本実施形態の封止方法を説明する。
【００５２】
この封止方法は、上述した圧電振動子１０及び圧電発振器２０について共通に適用することができ、さらには、容器内に電子部品を収容した封止構造に広く適用することができるが、以下では、これらを代表して圧電振動子１０について適用した場合につき説明する。
【００５３】
図４は、本実施形態に係る封止装置の概略構成を示している。
【００５４】
図において、封止装置３０は、所定の内部空間を有する真空チャンバー３１と、この真空チャンバー３１に接続され、内部空間の空気を真空引きするための真空排気手段としての真空ポンプ３５と、真空チャンバー３１内で封止対象に対して超音波を作用させるためのホーン３３を有する発振体３２と、封止対象を載置して支持する支持手段としての支持台３４と、装置全体を制御し、これを操作するための制御部３８を備えている。
【００５５】
上記支持台３４は、真空チャンバー３１内に配置されており、その平らな上面に封止対象としての例えば圧電振動子１０を載置して支持することができるようになっている。そして、好ましくは、この支持台３４内には、好ましくは、ヒータ３７が内蔵されており、圧電振動子１０を下面から加熱できるようになっている。
【００５６】
発振体３２は、圧電材料による圧電体によって構成されている。
【００５７】
ホーン３３は、発振体３２に接続されており、その先端が圧電振動子１０の蓋体１３の上面に当接するように配置されている。また、このホーン３３には、好ましくは、ヒータ３６が設けられていて、このヒータ３６の熱は、ホーン３３を介して蓋体１３に伝えることができるようになっている。さらに、ホーン３３は、発振体３２を上下方向に加圧するシリンダ等の加圧手段４２により、下方に加重をかけることができようになっている。
【００５８】
図５は、封止装置３０を制御する電気的構成を示す概略ブロック図である。
【００５９】
図において、制御部３８は、封止装置３０の外側もしくはこれとは離れて配置されており、例えば所定のＣＰＵ等でなる処理回路を中心としたコンピュータや、これと同等の機能を果たす制御回路等で構成されている。
【００６０】
この制御部３８には、封止装置３０の運転に必要な各種のスイッチング手段等を配置した運転パネル３９が接続されており、使用者は、封止装置３０を動作させるための指示を与えることができるようになっている。
【００６１】
また、制御部３８には、この制御部３８が必要とする作業領域を備え、また、必要により封止のためのプログラムを格納したメモリ等でなる記憶手段４１が接続されており、さらに、発振体３２が接続されている。
【００６２】
さらに、制御部３８には、真空ポンプ３５と、加圧手段４２と、ヒータ３６及びヒータ３７がそれぞれ接続されている。
【００６３】
図４に示すように、制御部３８は、真空ポンプ３５に指示を出し、真空チャンバー３１内を真空排気し、所定の真空度とする。この場合、圧電振動子１０の真空封止に必要な真空度としているが、また、真空にしなくても、別に設ける手段からチャンバー３１内に窒素等の不活性ガスを充填して、封止するようにしてもよい。
【００６４】
そして、圧電振動子１０の蓋体１３の上面には、ホーン３３の先端が当接される。このとき制御部３８の指示により、加圧手段４２は、ホーン３３の先端を蓋体１３に対して１００〜１０００グラムの加重をあたえながら当接させる。また、制御部３８は、発振体３２を駆動して、ホーン３３を振動させる。このとき、発振体３２は、それぞれ図４の垂直なＡ方向（縦振動すなわち上下方向の振動）と水平なＢ方向（横振動）を生じさせる。そして、本実施形態では、蓋体１３の上面に沿った方向であるＢの方向への振動が好ましい。
【００６５】
この時の発振体３２による超音波の周波数は、例えば４０Ｋヘルツ程度で、振幅は、１ミクロンないし５ミクロン，より好ましくは１．５ミクロンないし２．５ミクロン程度である。また、超音波を作用させる時間は、０．５秒程度である。
【００６６】
これにより、蓋体１３は、所定の方向に振動し、この振動によって、蓋体１３と収容容器１２の上面１２ｄの上に設けられた金属被覆部等との間に摩擦を生じて、熱が発生する。この熱が、図６に示す封止材１５を溶融させることにより、蓋体１３と収容容器１２とを接合することができる。
【００６７】
この場合、熱が発生するのは、蓋体１３と収容容器１２との接合面だけであり、圧電振動素子１１や導電性接着剤１４ａ等（図１参照）等にはほとんど熱が伝えられることがないので、これらの部分からのアウトガスの発生を有効に防止でき、圧電振動素子１１の振動特性に悪影響を与えることはない。また、このために、圧電振動子１０を構成する各種部品に関しては、耐熱性を考慮するこなく作成できる利点がある。
【００６８】
さらに、従来のように圧電振動子１０を周囲から雰囲気を介して加熱することなく封止作業ができるので、真空雰囲気中や不活性ガス中での封止が可能となり、内部と外界とでリークが発生しにくく、このため圧電振動子１０の劣化が防止され、パッケージの封止品質が向上する。
【００６９】
ここで、封止作業中に上述した超音波を作用させながら、さらに加熱してもよい。
【００７０】
つまり、制御部３８は、ヒータ３６及び３７に指示を出して、各ヒータを駆動することにより、この熱は、圧電振動子１０の周囲の雰囲気でなく、ホーン３３と支持台３４とから、それぞれ蓋体１３と収容容器１２とに伝えられる。これにより、真空チャンバー３１内を真空にしたまま、蓋体１３と収容容器１２との接合面に熱を加えることができる。
【００７１】
ここで、例えば半田を使用した封止の場合には、加熱時間は１分から５分が好ましく、加熱温度は半田の融点以下とするのが好ましい。この場合、作業効率を高めるためには、予備室を設け、この予備室内で蓋体１３と収容容器１２とを予備加熱し、図示しない移動機を用いて、蓋体１３と収容容器１２とを、支持台３４上に載置するようにしてもよい。また、融点が摂氏２７０度の高温半田である場合には、加熱温度は摂氏２００度程度が好ましい。
【００７２】
そして、このような加熱を行う場合にも、従来のように、封止材１５や導電性接着材１４ａの熱分解温度よりも低い温度による加熱ですむことから、これらの部分からのアウトガスの発生を有効に防止でき、圧電振動素子１１の振動特性に悪影響を与えることはない。また、このために、圧電振動子１０を構成する各種部品に関しては、加熱温度が低いことから、その分耐熱性を考慮するこなく作成できる利点がある。
【００７３】
さらに、従来のように圧電振動子１０を周囲から雰囲気を介して加熱することなく封止作業ができるので、真空雰囲気中や不活性ガス中での封止が可能となり、内部と外界とでリークが発生しにくく、このため圧電振動子１０の劣化が防止され、パッケージの封止品質が向上する。
【００７４】
図７は、本発明の封止方法の第２の実施形態を示している。
【００７５】
図において、図６と異なるのは、ホーン３３と蓋体１３との間に、軟質金属の板状部材４３を介在させた点だけである。
【００７６】
すなわち、この場合には、ホーン３３の振動により、軟質金属の板状部材４３が介在しても蓋体１３と容器１２との間で摩擦熱が発生する。この熱により封止材１５が溶融されて、接合される。
【００７７】
したがって、この方法によると、第１の実施形態の作用効果に加えて、ホーン３３は蓋体１３に対して直接接触しないことから、蓋体１３の上面に振動による傷等を与える心配がなく、その分品質が向上する。
【００７８】
この場合、板状部材４３の材料としては、銅やアルミニウム，ベリリウム銅等が好ましく、その厚みは、０．０５ｍｍないし１ｍｍ程度が好ましい。
【００７９】
図８は、本発明の封止方法の第３の実施形態を示している。
【００８０】
図において、図６と異なるのは、ホーン３３を蓋体１３ではなく、収容容器１２に当接させている点である。
【００８１】
つまり、圧電振動子１０の構成は図６の場合と同じであり、収容容器１２内に圧電振動素子１１を収容し、蓋体１３を配置した後、この蓋体１３ではなく、図示の場合、収容容器１２の底部にホーン３３を当接させて、超音波を与えるようにしている。そして、この場合の封止条件は、ホーン３３を蓋体１３ではなく収容容器１２側としている点を除き、図６の場合と同じである。
【００８２】
この場合、収容容器１２が所定の方向に振動し、この振動によって、蓋体１３と収容容器１２の上面１２ｄの上に設けた金属被覆部等との間に摩擦を生じて、熱が発生する。この熱が、図８に示す封止材１５を溶融させることにより、蓋体１３と収容容器１２とを接合することができる。したがって、この実施形態においても、第１の実施形態と同じ作用効果を発揮する。
【００８３】
そして、上述の実施形態による封止方法によって、製造された製品は、従来の封止方法による製品と比較すると、以下のような点で区別し得る場合がある。
【００８４】
従来の封止方法のうち、雰囲気加熱により容器と蓋体とを封止すると、全体が加熱されることから、蓋体の裏に封止材に溶けた痕跡が残る場合がある。つまり、全体が加熱されることによって、封止材が溶融して流れた痕跡が残る場合がある。
【００８５】
また、電子ビームもしくは、レーザビームにより、封止している場合には、蓋体の表面にビームが照射された痕跡が残ることがある。
【００８６】
これに対して、上述の実施形態による封止が行われた場合には、封止の際に、加圧手段４２を使用していると、加圧対象となった蓋体１３もしくは収容容器１２に加圧痕が残る場合がある。また、上述の実施形態による封止では、接合面のみを加熱できるので、封止材１５の流れ出しが少ない。また、全体加熱をしないことから、圧電振動素子１１のマウントに必要な導電性接着材１４ａ等の接合面に適用されないマウント材等に耐熱性を備えないものを使用することが可能である。さらに、超音波を利用して接合面だけ高温加熱できることから、封止品質等の点で必要があれば、融点の高い封止材１５を用いることができる。
【００８７】
本発明は上述の実施形態に限定されない。蓋体１３に対して、ホーンは、上から超音波を作用させる必要はなく、電子部品の向きを限定する必要はない。また、上述の各実施形態の各要素は、適宜任意に組み合わせることができる。
【００８８】
また、本発明の封止方法は、上述の圧電振動素子だけでなく、例えば、発振器，ＳＡＷ共振子，ＳＡＷフィルター等種々の電子部品の封止に適用することができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電子部品の性能を劣化を生じることなく、この電子部品を容器内に封止する電子部品の封止方法とこれを利用した圧電振動子及び圧電発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る封止方法が適用される圧電振動子の一例を示す概略斜視図。
【図２】図１の圧電振動子の概略断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る封止方法が適用される圧電発振器の一例を示す概略断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る封止方法の封止装置の一例を示す概略構成図。
【図５】図４の封止装置を制御する電気的構成を示す概略ブロック図。
【図６】図４の封止装置による封止方法の例を示す概略説明図。
【図７】図４の封止装置による封止方法の例を示す概略説明図。
【図８】図４の封止装置による封止方法の例を示す概略説明図。
【図９】従来の電子部品の封止構造の一例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１０ 圧電振動子
１１ 圧電振動素子
１２ 収容容器
１３ 蓋体
１５ 封止材
２０ 圧電発振器
３０ 封止装置
３１ 真空チャンバー
３２ 発振体
３３ ホーン
３４ 支持台
３６，３７ ヒータ

Claims (8)

1. 電子部品を所定の容器に収容し、
   この容器に対して蓋体を配置し、
   前記蓋体または前記容器に対して軟質金属を介してホーンを当接させて超音波を与えることにより、前記容器と前記蓋体とを接合して封止する
   ことを特徴とする、電子部品の封止方法。
2. 前記容器または蓋体に対して、横方向の振動を与えることを特徴とする、請求項１に記載の電子部品の封止方法。
3. 前記超音波による封止は、真空雰囲気中で行われることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子部品の封止方法。
4. 前記超音波による封止は、不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の電子部品の封止方法。
5. 前記容器と蓋体との間にロウ材を介在させて封止することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の電子部品の封止方法。
6. 電子部品を所定の容器に収容し、
   この容器に対して蓋体を配置し、
   前記蓋体に対して軟質金属を介してホーンを当接させて超音波を与えつつ加熱することにより、前記容器と前記蓋体とを接合して封止することを特徴とする、電子部品の封止方法。
7. 前記容器と蓋体との間にロウ材を介在させて封止することを
   特徴とする、請求項６に記載の電子部品の封止方法。
8. 前記加熱温度は、前記ロウ材の融点以下の温度に設定される
   ことを特徴とする、請求項７に記載の電子部品の封止方法。

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