JP3870931B2

JP3870931B2 - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP3870931B2
Application number: JP2003162711A
Authority: JP
Inventors: 卓男桑原; 龍夫池田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004266239A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な電子機器に多用されている圧電振動子、圧電発振器やＳＡＷデバイス等の圧電デバイスに関し、特に水晶等の圧電材料からなる振動片を実装して気密に封止する表面実装型の圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、圧電デバイスは電子機器の小型化、薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されると共に、回路基板等への実装に適した表面実装型のものが多用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、絶縁材料からなる薄い箱型のベースと薄板状の蓋とから構成されるパッケージ内に、圧電振動片及び必要に応じて電子部品を気密に封止する構造のものが知られている。更に、蓋をベースに接合する際に発生するガスを排気し又は封止後のパッケージ内部を所望の雰囲気に維持するために、ベースに封止孔を設けかつこれを蓋の接合後に閉塞するパッケージ構造が知られている。このような圧電デバイスの一例が、本願出願人による下記特許文献１及び２に記載されている。
【０００３】
図１０（Ａ）は、パッケージ１内部に音叉型水晶振動片２を搭載した従来の表面実装型水晶振動子の典型例を示している。パッケージ１は、セラミック材料からなるベース３と、その上に低融点ガラスを用いて気密に接合される薄いガラス板からなる蓋４とを有する。ベース３は、音叉型水晶振動片２を実装する平板状の底板部５の上に、該振動片２を収容するための空所を画定する枠部６を積層した箱型に形成され、その底面略中央には、前記空所に開口する封止孔７が設けられ、例えばＡｕ−Ｓｎ等の低融点金属からなる封止材８で閉塞されている。
【０００４】
封止孔７は、図１０（Ｂ）によく示すように、その底面側の開口を大きくして段差９が設けられ、かつ該段差の表面は適当な金属材料でメタライズされている。段差９は、最終工程で音叉型水晶振動片２を実装したベース３に蓋４を接合した後にパッケージ１内部を真空封止する際に、前記低融点金属からなる金属ボール１０を載せ、これをレーザビーム等で溶融させ、封止孔７内面に溶着させてこれを閉塞するために使用する。段差９を設けることによって、金属ボール１０は封止孔７開口に位置決めされ、かつ封止孔９の底面側開口付近に溶着させて、パッケージ内部に溶出することが防止される。段差９を設けるため、底板部５は、大径孔７ａを設けた底面側のセラミック薄板５ａと小径孔７ｂを設けた空所側のセラミック薄板５ｂとからなる少なくとも２層の積層構造に形成される。
【０００５】
また、別の従来技術によれば、パッケージのベース又は蓋に設けた貫通孔の一部又は近隣個所にはんだ、金属又は光硬化性樹脂等の封止部材を予め設けておき、蓋とベースとを接合した後に、該封止部材を溶融させい貫通孔を塞ぐ構造のパッケージ、及びその封止方法が知られている。このような圧電デバイスの従来例が、以下の特許文献３に記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３３２９５２号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６８１５号公報
【特許文献３】
特開平９−１９３９６７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に関連して上述したように封止孔が圧電振動片の実装面に開口するパッケージは、段差９を設けるためにベースの底板部５を少なくとも２層構造にする必要があり、そのためにパッケージをそれ以上薄型化・低背化することは困難である。また、金属ボールは、その大きさに比して段差が比較的浅いため、レーザビーム等の照射前に封止孔から転がり出る虞があり、しかもレーザビーム等を照射する際には、パッケージ内部にまで溶出して圧電振動片に悪影響を与えないように、その出力を微調整しなければならず、作業が面倒で効率を低下させるという問題があった。更に、金属ボールの大きさにばらつきがあると、溶着させた封止材が封止孔からパッケージの外側にはみ出し、圧電デバイスを表面実装する際に妨げとなる虞がある。
【０００８】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、より一層の薄型化・低背化が可能であり、パッケージ内部を所望の雰囲気で確実にかつ良好に気密封止でき、しかもその作業性が良い表面実装型の圧電デバイスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電振動片と、絶縁材料からなる箱型のベース及び前記ベースの上部に接合される平板状の蓋を有し、その内部に前記圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、前記ベースが、平板状の底板部と、前記圧電振動片を収容するための空所を画定するべく前記底板部の上に積層される枠部とからなり、かつ前記底板部の裏面から前記枠部の上面まで貫通する封止孔を有し、前記封止孔が、その前記枠部上面の開口付近に溶着させた金属材料の封止材により気密に閉塞されていることを特徴とする圧電デバイスが提供される。
【００１０】
圧電振動片は、要求に応じて厚みすべりモードの圧電振動片や音叉型振動片のいずれも搭載することができる。更に、同じパッケージに更にＩＣ素子を搭載することにより、圧電発振器等の圧電デバイスが実現される。
【００１１】
蓋は金属又はガラス、セラミック等の薄板で形成され、その材質によってろう材や低融点ガラス、接着剤等を用いてベース上部に接合される。このとき、ベース上面と蓋との間に必然的に前記ろう材等の厚さだけ僅かな隙間が生じ、この隙間及び封止孔を介してパッケージ内部は、蓋の接合後も外部の雰囲気と連通する。従って、封止孔を封止材で閉塞することによって、パッケージ内部は、所望の真空又は適当なガス雰囲気で気密に封止することができる。
【００１２】
また、封止孔が圧電振動片を収容する前記空所に直接開口していないので、例えば球状又はペレット状の金属材料は封止孔の奥まで入れて溶融させれば良く、従ってレーザビーム照射前に封止孔から転がり出たり、封止材がパーケージの外側にはみ出す虞がない。溶融した金属材料は、封止孔からベース上面と蓋裏面との前記隙間に流れて固化するので、封止孔を確実に閉塞するのに、パッケージ内部の前記空所まで流れるほど多量に必要でなく、しかも金属ボールに照射するレーザビーム等の出力を微調整する必要がない。従って、封止工程が容易で作業効率が大幅に向上するので、製造コストを低減させることができる。
【００１３】
更に、封止孔には、図１０の従来技術に関連して上述した段差を設ける必要がない。従ってパッケージのベースは、底板部を１層だけで、１つのセラミック薄板だけで構成することができ、従来の積層構造に比してパッケージの薄型化・低背化を図ることができる。また、封止孔を設けるために枠部の蓋接合面が従来よりも大きくなり、蓋の接合強度が増すと共に、パッケージ全体の剛性が向上する。
【００１４】
或る実施例では、前記封止孔の枠部上面開口付近が適当な金属材料でメタライズされ、それにより封止材の溶着性が増し、より確実かつ良好に封止孔を閉塞することができるので、好都合である。
【００１５】
また、封止孔の封止工程で前記金属材料を溶融させたとき、該金属材料からガスが発生するが、通常その大部分は封止孔から外部に排出される。しかしながら、ベース上面と蓋との間には、上述したようにそれらを接合するろう材の厚さで生じる僅かな隙間が存在するので、この隙間から前記ガスがパッケージ内部に侵入する可能性がある。このガスがそのまま封止されてパッケージ内部に多量に残ると、搭載した圧電振動片の振動特性に影響を与え、特にＣＩ（クリスタル・インピーダンス）値が高くなるなどの不都合を生じる虞がある。
【００１６】
そこで、或る実施例では、前記蓋が、前記封止孔に対向させて設けられた貫通孔を有し、かつ該貫通孔を前記封止材により気密に閉塞することができる。これにより、溶融した前記金属材料から発生したガスを、封止孔からだけでなく、蓋に設けられた貫通孔からも直接外部に排出させることができる。従って、前記ガスは、たとえパッケージ内部に残ったとしても非常に僅かであり、圧電振動片の振動特性を劣化させる虞を解消することができる。
【００１７】
ここで、前記蓋がガラス薄板の場合には、そのベース上面に対向する内面の前記貫通孔の開口付近をメタライズしておくと、該貫通孔に封止材を良好に溶着させることができ、パッケージをより確実に封止できるので、好都合である。
【００１８】
また、或る実施例では、前記ベースの枠部上面又はこれに対向する前記蓋の内面に、前記封止孔の枠部上面開口の外側を囲むように隔壁を設けることができる。この隔壁を設けた部分は、ベース上面と蓋との僅かな隙間がより狭くなるので、溶融した前記金属材料からのガスがパッケージ内部に侵入しようとする流れが妨げられる。従って、パッケージ内部に残存し得る前記ガスの量はより少なくなり、圧電振動片の特性劣化をより有効に防止することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用した表面実装型水晶振動子の好適な第１実施例を概略的に示している。この水晶振動子は、セラミック材料のベース１１と蓋１２とからなるパッケージ１３の内部に、音叉型水晶振動片１４が実装されている。ベース１１は、概ね長方形をなす１枚のセラミック薄板からなる底板部１５の上に、同様にセラミック薄板からなる長方形の枠部１６を一体に接合して、水晶振動片１４を収容する空所１７を画定する薄い箱型に形成されている。水晶振動片１４は、その基端部１４ａにおいて導電性接着剤１８により、空所１７内の振動片実装面に形成された接続電極１９に片持ちで略水平に固着されている。
【００２０】
蓋１２は薄い金属板で形成され、はんだ２０又は他の適当なろう材を用いて枠部１６の上端に気密に接合されている。枠部１６の上面には、その周縁に沿って予め所定幅のメタライズ部２１が形成されているので、はんだ２０又は他のろう材の接着性が増し、蓋１２をベース１１に確実に接合することができる。メタライズ部２１は、公知の技術を用いて、例えば適当な金属材料をスクリーン印刷し更にその上を必要に応じてめっきしたり、蒸着又はスパッタリングなどにより形成することができる。別の実施例において、蓋１２はガラスやセラミックス等の絶縁材料の薄板で形成することができ、その場合には低融点ガラスや接着剤等を用いて枠部１６上端に接合される。
【００２１】
ベース１１は、その幅が水晶振動片１４の一方の側において広く形成され、かつ枠部１６の略中央にベース裏面まで貫通する封止孔２２が設けられている。ベース１１上面と蓋１２内面との間には、蓋１２をベース１１に接合するはんだ２０の厚さだけ、僅かな隙間が画定される。封止孔２２は、その枠部１６上面開口において、前記隙間を塞ぐように溶着させた適当な金属材料からなる封止材２３で閉塞され、パッケージ１３内部を気密に封止している。
【００２２】
封止孔２２は、図２に示すように、パッケージ１３の裏面を上向きにして、例えばはんだ、銀ろう、Ａｕ−ＳｎやＡｕ−Ｇｅ等の低融点金属からなる金属ボール２４を封止孔２２の底まで落とし入れる。金属ボール２４にレーザビーム又はハロゲンランプを照射すると、溶融した金属材料が封止孔２２の断面全体に拡がり、更にベース１１上面と蓋１２内面との前記隙間に流れ込み、図１（Ｂ）に示すように封止孔２２を完全に閉塞して固化する。本実施例では、この隙間が非常に狭いので、毛管現象で溶融金属が入り込み易い利点がある。封止孔２２の枠部１６上面開口全周縁には、或る幅のメタライズ部２５が、メタライズ部２１と同様の公知技術で形成されている。従って、前記隙間に流れ込んだ封止材２３は、金属蓋１２内面との間だけでなく、枠部１６上面との間においても良好な接着性が得られるので、パッケージ内部をより確実に気密封止することができる。
【００２３】
金属ボール２４を溶融させたとき、その金属材料からガスが発生し、ベース１１上面と蓋１２内面間の前記隙間からパッケージ内部の空所１７に侵入する可能性がある。このガスがそのまま封止されてパッケージ内部に多量に残ると、水晶振動片１４のＣＩ（クリスタル・インピーダンス）値が高くなるなど、水晶振動子の特性を劣化させる虞がある。しかしながら、通常前記ガスの大部分は、封止孔２２からパッケージ外部に排出され、たとえパッケージ内部に残ったとしても非常に僅かであり、水晶振動子の特性に影響を及ぼすことはない。
【００２４】
封止材２３は、少なくともベース１１上面と蓋１２内面との前記隙間を完全に閉塞できるだけの量があれば、十分である。図３に示すように、封止材２３が毛管現象で前記隙間に流れてしまい、封止孔２２内に全く残っていなくても、該孔の全周に亘って蓋１２とメタライズ部２５との間が閉塞されれば、パッケージ内部を気密に封止することが可能である。
【００２５】
図４は、蓋１２がガラス薄板である場合に、封止孔２２を閉塞する好適な構成を示している。この場合、封止材２３はガラスからなる蓋１２の内面に溶着し難いので、封止孔２２の枠部１６上面開口付近には、その開口全周縁と該開口から内側に或る深さまで、図２のメタライズ部２５と同様のメタライズ部２６が形成されている。レーザビーム又はハロゲンランプ等の照射により溶融した封止材２３は、封止孔２２の断面全体に拡がり、メタライズ部２６に溶着して枠部１６上面の開口を完全に閉塞するので、上記実施例と同様にパッケージ内部を気密に封止することができる。
【００２６】
図５（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用した表面実装型水晶振動子の第２実施例を概略的に示している。第２実施例の水晶振動子は、薄い金属板からなる蓋１２に排気用の貫通孔２７が設けられている点において、第１実施例と相異する。貫通孔２７は、枠部１６上面に開口する封止孔２２に対向する位置に、本実施例では該封止孔と同心に配置され、かつ同じ封止材２３で気密に閉塞されている。
【００２７】
貫通孔２７の閉塞は、図５（Ｂ）に示すように、第１実施例の場合と同様にして、蓋１２とベース１１とを接合した後、ベース裏面側から金属ボール２４を封止孔２２の中に落とし込む。このとき金属ボール２４が貫通孔２７から外に落ちないように、貫通孔２７の寸法は金属ボールより小径にする。金属ボール２４にレーザビーム等を照射すると、溶融した金属材料が封止孔２２及び貫通孔２７の断面全体に広がり、かつ蓋１２内面と枠部１６上面間の前記隙間に流れ込み、図５（Ａ）に示すように両孔２２、２７を完全に閉塞して固化する。
【００２８】
溶融する金属ボール２４から発生するガスは、封止孔２２及び貫通孔２７の双方からパッケージ１３の外部に排気される。従って、このガスが蓋１２内面と枠部１６上面間の隙間からパッケージ内部に流入する可能性は第１実施例のの場合よりも低く、そのまま封止されて水晶振動子の特性に影響を及ぼす虞を解消することができる。
【００２９】
蓋１２の貫通孔２７は、本実施例では金属ボール２４より小径の円形孔で形成したが、金属ボール２４が封止孔２２の底から落下せずかつ前記ガスを十分に排気できる限り、他の様々な形状及び寸法にすることができる。またその位置は、封止孔２２と同心である必要はなく、封止材２３で閉塞できるように封止孔に対向させて配置すれば良い。
【００３０】
図６（Ａ）（Ｂ）は、このような貫通孔の変形例を示しており、蓋１２には、多数の円形小孔２８ａからなる貫通孔２８が設けられている。各小孔２８ａは、図６（Ｂ）に良く示すように、封止孔２２の範囲内に形成されている。これにより、金属ボール２４を封止孔２２の底から落下させることなく、全小孔２８ａを合計した貫通孔全体として開口面積をより大きくし、前記ガスを排気し易くすることができる。
【００３１】
図７は、図５の第２実施例において、蓋１２がガラス薄板である場合に、封止孔２２を閉塞する好適な構成を示している。図４に関連して上述したように、封止材２３はガラス材に溶着し難いので、蓋１２内面の貫通孔２７開口付近には、第１実施例のメタライズ部２５、２６と同様にして、メタライズ部２９が形成されている。これにより、封止材２３の良好な溶着性が得られるので、図５（Ｂ）と同様にして、封止孔２２内に入れた金属ボールを溶融させることによって、封止材２３がメタライズ部２９に溶着して貫通孔２７の開口全体に拡がり、図７に示すように封止孔２２及び貫通孔２７双方を確実に気密に封止することができる。
【００３２】
図８（Ａ）（Ｂ）は、図５に示す第２実施例の変形例を示している。この変形例では、封止孔２２が、枠部１６を貫通する大径部２２ａと、これと同心に底板部１５を貫通する小径部２２ｂとからなる段差３０を有する。貫通孔２７は、封止孔大径部２２ａと同じ寸法・形状で同心位置に形成されている。封止孔大径部２２ａは、その枠部１６上面開口付近及び内周面がメタライズされている。
【００３３】
本実施例では、封止孔２２及び貫通孔２７を閉塞するのに十分な量の封止材２３を確保するために、上記各実施例の金属ボールに代えて、それと同じ金属材料のペレット３１を使用する。ペレット３１は、蓋１２側から貫通孔２７を通して封止孔２２の段差３０に配置し、蓋１２側から照射するレーザビーム等で溶融させて、図８（Ａ）に示すように封止孔２２及び貫通孔２７を気密に封止する。このときペレット３１から発生するガスは、貫通孔２７及び封止孔小径部２２ｂを介してパッケージ外部に排気される。
【００３４】
図９は、図５に示す第２実施例の別の変形例を示している。この変形例では、蓋１２の内面に、枠部１６上面の封止孔２７開口より外側にそれを囲むように隔壁３２が突設されている。蓋１２内面と枠部１６上面間の隙間は、隔壁３２を設けた部分が更に狭くなっているので、金属ボール２４の溶融により発生したガスのパッケージ内部への流れが抑制される。従って、前記ガスがパッケージ内部に残存し、水晶振動片の特性を劣化させる虞をより有効に解消することができる。隔壁３２は、例えば蓋１２の外形及び／又は貫通孔２７の成形加工と同時に、簡単にプレス加工することができる。更に、隔壁３２は、様々な形態及び／又は配置で形成でき、またベース１１の枠部１６上面に形成することもできる。
【００３５】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、本発明は水晶以外のタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの様々な圧電材料からなる振動片や、音叉型以外の、厚みすべり振動モードの振動片を有する圧電デバイスや、更に同じパッケージ内にＩＣチップを搭載した圧電発振器等の圧電デバイスについても同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）図は本発明による水晶振動子の第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における断面図。
【図２】封止孔を閉塞する要領を示す部分拡大断面図。
【図３】封止孔の異なる閉塞状態を示す図２と同様の部分拡大断面図。
【図４】蓋がガラスの場合に封止孔を閉塞する好適な構成を示す図３と同様の部分拡大断面図。
【図５】（Ａ）図は本発明による水晶振動子の第２実施例の要部を示す図３と同様の部分拡大断面図、（Ｂ）図はその封止要領を示す図２と同様の部分拡大断面図。
【図６】（Ａ）図は蓋の貫通孔の変形例を示す部分拡大断面図、（Ｂ）図は蓋を部分的に示す上面図。
【図７】第２実施例の蓋がガラスの場合に封止孔を閉塞する好適な構成を示す図４と同様の部分拡大断面図。
【図８】（Ａ）図は第２実施例の変形例を示す部分拡大断面図、（Ｂ）図はその封止要領を示す部分拡大断面図。
【図９】第２実施例の別の変形例を示す部分拡大断面図。
【図１０】（Ａ）図は従来の水晶振動子の実施例を示す縦断面図、（Ｂ）図は封止孔を閉塞する要領を示す部分拡大横断面図。
【符号の説明】
１，１３…パッケージ、２，１４…水晶振動片、３，１１…ベース、４，１２…蓋、５，１５…底板部、６，１６…枠部、７，２２…封止孔、８，２３…封止材、９…段差、１０，２４…金属ボール、２０…はんだ、２１，２５，２６，２９…メタライズ部、２２ａ…大径部、２２ｂ…小径部、２７，２８…貫通孔、２８ａ…小孔、３０…段差、３１…ペレット、３２…隔壁。

Claims

圧電振動片と、絶縁材料からなる箱型のベース及び前記ベースの上部に接合される平板状の蓋を有し、その内部に前記圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、
前記ベースが、平板状の底板部と、前記圧電振動片を収容するための空所を画定するべく前記底板部の上に積層される枠部とからなり、かつ前記底板部の裏面から前記枠部の上面まで貫通する封止孔を有し、
前記封止孔が、その前記枠部上面の開口付近に溶着させた金属材料の封止材により気密に閉塞されていることを特徴とする圧電デバイス。
前記封止孔の前記枠部上面の開口付近がメタライズされていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
前記蓋が、前記封止孔に対向させて設けられた貫通孔を有し、かつ前記貫通孔が、前記封止材により気密に閉塞されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
前記蓋が金属薄板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイス。
前記蓋がガラス薄板であり、かつその内面の前記貫通孔の開口付近がメタライズされていることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイス。
前記ベースの前記枠部上面又はこれに対向する前記蓋の内面に、前記封止孔の前記枠部上面開口の外側を囲むように隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電デバイス。
前記パッケージに搭載されたＩＣ素子を更に有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電デバイス。