JP3876474B2 - 表面実装型圧電デバイスのパッケージ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装型の圧電デバイスのパッケージ構造の改良に関し、特に圧電共振子（振動子、フィルタ）として用いられる圧電デバイスにおいて、パッケージ内の内部端子に対して電気的機械的に接続される圧電素子の接続構造をボンディングワイヤを使用せずに実現できるようにした圧電デバイスのパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機等の移動体通信機器に使用する圧電デバイスをプリント基板上に搭載する場合には、取付け作業性向上等の理由から、これを表面実装型にすることが求められており、また高密度実装化のためには圧電デバイスの小型化と、併せて高性能化や低価格化の要求が強くなってきている。以下、ＡＴカット水晶基板を用いた表面実装型２重モードフィルタを例に従来の圧電デバイスの構造を説明する。
図６（ａ）、及び（ｂ）は表裏両面に電極を形成したＡＴカット水晶基板の平面図及び底面図である。水晶基板１は（ａ）の如く一方の主面に入出力用の分割電極１１、１２を有し、（ｂ）の如く他方の主面にアース用の共通電極１３を有している。
図７は表面実装型の２重モードフィルタのパッケージ構造を示す縦断面図であり、図６で示した水晶基板１をセラミックパッケージ２内に収納してから、パッケージの上面開口を金属の上蓋３で気密封止した構造を備える。
セラミックパッケージ２は、セラミック基板２１と、セラミック基板２１の上面外周に一体化されたセラミック製の環状の棚２２と、棚２２上に一体化されたセラミック製の環状の枠体２３と、枠体２３上に環状に固定されたシーム溶接用のシームリング２４とからなり、全体として中央に水晶を収容するための凹所を有し、外周に環状突部を有した箱形状になっている。基板２１の上面には入出力用ランド２５、２６が露出し、また棚２２上にはアース用ランド２７がそれぞれＡｕメタライズで外部端子（図示しない）と導通するように形成されている。
【０００３】
水晶基板１をパッケージ２内に収納する場合は、水晶基板１の分割電極１１、１２が形成された面が基板２１の上面に対向するように水晶基板１を配置した上で、一方の分割電極１１の外側端部と入出力用ランド２５とを導電性接着剤４によって電気的機械的に接続し、同様に分割電極１２と入出力用ランド２６との間も導電性接着剤４によって接続する。パッケージ２の上面開口側に向いた水晶基板１の共通電極１３は、これとほぼ同じ高さの棚２２上のアース用ランド２７に対して、金属製のワイヤ５をボンディングすることにより接続する。
しかし、このようにワイヤボンディングによってアース用の共通電極１３とパッケージ側のアース用ランドとの接続を行う場合には、ワイヤボンディング用のスペースとして水晶基板１の側面と棚２２との間のスペースＳ１と、水晶基板１の上面と上蓋４の下面に相当するスペースＳ２を予め確保する必要がある為に、これらのスペース分だけパッケージが大型化するという問題があった。即ち、ボンディングのための幅方向の空間Ｓ１を確保するために棚２２を、さらに高さ方向の空間Ｓ２を確保するために枠体２３を付加する必要があり、パッケージを小型化できないという欠点があった。
【０００４】
また、気密封止後の仕上げとしてパッケージ外面を超音波洗浄器で洗浄する際に、超音波洗浄器の超音波と共振しやすいワイヤ５が断線し導通不能になる不具合があった。さらに、水晶基板１はボンディング時にその上面に加わる垂直方向への衝撃に耐え得るように、導電性接着剤４として例えばイミド系の硬度の高いものを使用することにより基板２１上に強固に固定されているが、環境温度が変化した場合、図８(a) に示す如く水晶基板１の外周部は２箇所の導電性接着剤４で拘束されているため自由に膨張収縮することができず、水晶基板１内部に熱歪みが発生する。ＡＴカット水晶基板は３次曲線の良好な周波数温度特性を有するが、この熱歪みのために特性が変化してしまい製品の性能を著しく損ねてしまうという問題があった。併せて、図８(b) に示す如く水晶基板１と基板２１との熱膨張係数の違いにより導電性接着剤４内部には熱応力が発生するが、接着剤の硬度が高いと弾性変形による応力緩和ができず破断しやすいため接合信頼性が劣るという欠点があった。
このような不具合をなくする為に案出されたのが図９に示した如きワイヤボンディングを用いないタイプの表面実装型の２重モードフィルタであり、この従来例では共通電極１３の一端縁を水晶基板１の側面から反対側面まで延在せしめた折り返し部１３ａを形成するとともに、基板２１の上面に形成したアース用ランド２７と折り返し部１３ａとを導電性接着剤４により接続している。なお、この図中ではランド２６はランド２５の奥に位置しているので図示していない。
【０００５】
水晶基板１をパッケージ２に収納した後の気密封止は、シームリング２４に上蓋３を載置した上でシーム溶接等によって行われる。なお、上蓋３はシールド効果をもたらすべく、シームリング２４と枠体２３および棚２２の内部リード（図示しない）を介してアース用外部端子と導通するように構成してもよい。
なお、上記例とは逆に水晶基板１の共通電極１３を基板２１に対向するように配置したタイプのフィルタにおいても同様のアース方法を採用する。
【０００６】
図９に示す如く水晶基板１の共通電極１３を分割電極１１、１２側に折り返して導電性接着剤４で接続する構成を採用した場合、ボンディングを必要としないため導電性接着剤４として例えばシリコン系の硬度の低いものを使用することができ、水晶基板１の熱歪みを緩和することができる。しかし、共通電極１３を分割電極１１、１２側に折り返した折り返し部１３ａを形成するためには、水晶基板１側面の電極部分を形成するために斜め蒸着の工程が必要となる。特に、大面積のウェハ上に水晶基板複数個分の電極をフォトリソグラフィにより一括形成した後で、各素子ごとに切り分けて製造するいわゆるバッチ処理を実施する場合、上記の斜め蒸着は水晶基板を小片に分割した後からしか行えず、バッチ処理の効果を著しく損ね低価格化できないという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題を解消し、水晶基板等の圧電素子上の電極とパッケージ内電極との間の導通をワイヤボンディングを用いずに確保することによりパッケージの小型化を達成し、しかも水晶基板の接着手段として硬度の低いシコン系接着剤を用いることにより水晶基板の外周部の自由な膨張収縮を許容して水晶基板内部の熱歪みの発生を防止して品質を維持することを可能にし、また水晶基板と基板との熱膨張係数の違いにより導電性接着剤内部に発生する熱応力を緩和して接合信頼性を維持することを可能にして、良好な温度周波数特性を有する低価格の表面実装型圧電共振子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、表裏両面に電極を有した圧電素子の片面上の電極をパッケージ内底面上の内部端子に対向させつつ導電性接着剤により接続した表面実装型圧電デバイスにおいて、圧電素子の他面に形成した電極をパッケージの内側壁に位置するシームリングと導電性接着剤を用いて接続したことを特徴とする。この発明によれば、圧電素子上面の電極を直近位置にあるシームリングに接続するので、軟質の接着剤を用いた場合の種々の不具合を防止できる。
請求項２の発明は、上記圧電素子として、超薄肉の振動部と、該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部と、表裏両面に夫々電極を形成した圧電素子を用いたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をＡＴカット水晶基板を用いた圧電デバイスの一形態例としての表面実装型２重モードフィルタに基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一形態例の表面実装型２重モードフィルタの構成を示す縦断面図、図２はこの表面実装型２重モードフィルタに用いられている圧電素子の一例としての超薄肉の振動部を有するＡＴカット水晶基板の斜視平面図である。
このパッケージは、水晶基板１をセラミックパッケージ２内に収納してから、パッケージの上面開口を金属の上蓋３で気密封止した構造を備える。
水晶基板１は図２の如く一方の主面に入出力用の分割電極１１、１２と、各分割電極１１、１２から延出するリード電極１６、１７およびパッド電極１８、１９とを有するとともに、図１に示す如く他方の主面にアース用の共通電極１３を有している。他方の主面は平坦面ではなくその適所にエッチング等の手法によって例えば矩形の凹陥部１４を形成することにより、凹陥部１４の底面に残った水晶部分を超薄肉の振動部１４ａとしている。この例では、上記共通電極１３は凹陥部１４の内壁、内底面を含む他の主面の全面に蒸着された全面電極である。
セラミックパッケージ２は、セラミック基板２１と、セラミック基板２１の上面外周に一体化されたセラミック製の環状の枠体２３と、枠体２３上に環状に固定されたシーム溶接用のシームリング２４とからなり、全体として中央に水晶基板等を収容する凹所を有し、外周に環状突部を有した箱形状になっている。基板２１の上面には入出力用ランド（内部端子）２５、２６と、アース用ランド（内部端子）２７がそれぞれＡｕメタライズで外部端子（図示しない）と導通するように露出形成されている。
【００１０】
水晶基板１をパッケージ２内に収納する場合は、水晶基板１の分割電極１１、１２が形成された面が基板２１の上面に対向するように水晶基板１を配置した上で、一方の分割電極１１のパッド電極１８と入出力用ランド２５とを導電性接着剤４によって電気的機械的に接続すると共に、他方の分割電極１２のパッド電極１９と入出力用ランド２６との間も導電性接着剤４によって接続する。水晶基板１の他の主面上の共通電極１３は、その一端縁の直下位置にあるアース用ランド２７との間を導電性接着剤４によって接続されている。即ち、この形態例では、アース用ランド２７を、図示の様に水晶基板１の一端縁の直下位置に所定の幅を有するように形成するとともに、水晶基板の共通電極１３の同じ側の一端縁との間を最短距離で導電接着剤４により接続できるように予め設定する。
【００１１】
以下、本発明の形態例を更に詳述すると、まず、水晶基板１については、ＡＴカット水晶基板の厚みすべり振動を利用した圧電共振子の共振周波数は板厚と反比例するため、機械的強度を保ちつつ高周波化を図るために、水晶基板１の他方の主面をエッチングによって凹陥せしめ、凹陥部１４の底面を超薄肉の振動部１４ａとするとともに振動部１４の周囲を支持する環状囲繞部１５とを一体的に形成する。その後、他方の主面に全面蒸着により共通電極１３を形成する。また、水晶基板１の一方の主面には分割電極１１、１２、これより延出するリード電極１６、１７およびパッド電極１８、１９をフォトリソグラフィにより形成する。以上の水晶基板１の形成は全てバッチ処理で行われる。
【００１２】
次に、本形態例の表面実装型２重モードフィルタのパッケージ構造が上記従来例の構造と異なる点は、水晶基板１の共通電極１３とパッケージ側のアース用電極との間の接続を、ボンディングワイヤを使用せず、しかも共通電極１３を分割電極１１、１２側に折り返すことなく直接導電性接着剤４で行うようにした点にある。その為に、本形態例では、基板１上の適所に配置したアース用ランド２７を共通電極１３の端縁の直下位置に配置することにより、導電性接着剤４による接続を容易にしている。
【００１３】
次に、図３(a) 、(b) 、(c) はこの表面実装型２重モードフィルタの組立工程を示す断面図である。まず、(a) の如くパッケージ２のセラミック基板２１（パッケージ内底面）上の一方の入出力用ランド２５、２６上に夫々導電性接着剤４を塗布する。次に(b) の如く水晶基板１を、ランド２５、２６とパッド電極１８、１９とが夫々導通するように各導電性接着剤４上に接着固定する。続いて(c) の如く水晶基板１の共通電極１３の端部から導電性接着剤４を流入し、水晶基板１の側面を介して基板２１上のアース用ランド２７と接続する。つまり、水晶基板１は図面左側端部３か所を保持する片持ち構造でパッケージ２に収納されている。その後、上蓋３にて気密封止する。
【００１４】
上記のように構成することにより、水晶基板１の共通電極１３の接続にボンディングワイヤを使用する必要がなくなるために、ボンディングのために従来必要とされていたスペースの分だけパッケージを小型化できる一方で、導電性接着剤４として硬度の低いシリコン系接着剤を使用することができる。即ち、本形態例によれば、パッケージ２はボンディング用の棚を必要としないため面積、高さ共に小型化が可能となり、水晶基板１の大きさに見合ったパッケージを構築できる。また、超音波洗浄時にワイヤの断線を恐れる必要もなくなる。さらに、３箇所の導電性接着剤４のうち少なくとも２箇所に例えばシリコーン系の硬度の低いものを使用すれば、ＡＴカット水晶基板の周波数温度特性を維持できる。
【００１５】
一方、共通電極１３を分割電極１１、１２側に折り返して延在させることがないため、斜め蒸着の工程を省くことができる。従って、図２の如き構成の水晶基板１をバッチ処理で形成する場合、バッチ処理後に個々のチップについて斜め蒸着を行う必要がなくなるので、生産性を損ねることがない。また、ワイヤのボンディング工程がなく基本的には従来の導電性接着剤４による水晶基板１の実装工程を応用しつつ接着箇所を一か所増やすだけであるので、全体的な工数増大とそれに伴うコストアップ等の不具合は発生しない。以上のことから、低価格化が可能となるばかりでなく３箇所の導電性接着剤４が水晶基板１を挟み込むように保持しているため耐衝撃性も向上する。
【００１６】
なお、以上の形態例においては、共通電極１３を基板２１上のアース用ランド２７と接続するように構成したが、図４の変形例に示す如く水晶基板１の端縁を枠体２３の内壁へ近接させた上で、導電性接着剤４によりシームリング（設置用内部端子）２４と接続することにより接地してもよい。即ち、図１等に示した形態例において、共通電極用の導電性接着剤４として、硬度が過剰に低過ぎるものを用いると、共通電極１３とアース用ランド２７とを接続する為のこの導電性接着剤の一部が水晶基板１の底面と基板上面との間に過剰に入り込んで水晶基板１を拘束する等の不具合を生じ得るが、この変形例によれば、共通電極１３とリング２４とを接続する導電性接着剤４として、分割電極１１、１２の接続に用いた接着剤よりもさらに硬度の低いものを用いたとしても、水晶基板１と基板２１の間に接着剤が浸入することができる。或は、パッケージの小型化を追求するために基板２１上にアース用ランド２７を形成したくない場合に、図４の接続方法を採用すれば、小型化の目的を達成できる。
【００１７】
また、水晶基板１の配置方法として上記各形態例では、分割電極１１、１２側が基板２１に対向するように配置したが、これとは逆に共通電極１３を基板２１に対向するように配置してもよい。この場合には、共通電極１３は、基板１上面のアース用ランド２７と対向しているので、そのまま導電性接着剤を用いて接続すればよい。また、分割電極１１、１２は基板の上面に位置しているので、図１のパッケージにおける共通電極１３とアース用ランド２７との接続方法と同様に導電性接着剤を基板上の分割電極１１、１２から夫々入出力用ランド２５、２６上に垂れ下げる手法により接続を図る。
この形態例による効果は、上記形態例の効果と同等である。
【００１８】
なお、上記各形態例では、本発明をバッチ処理にて形成した超薄肉の振動部を有するＡＴカット水晶基板を用いた表面実装型２重モードフィルタに適用したものを例として説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、水晶基板１に形成する電極が両面共通電極の振動子であってもよいことは明白である。この場合、従来品の大部分は図９に示したように一方の共通電極を他方に折り返して用いており、水晶基板は片側外周部の２箇所を導電性接着剤によって拘束されることとなるが、本発明を適用すれば図５に示す如く水晶基板１の片側外周部の中央を硬度の低い導電性接着剤で拘束するのみであり、自由に膨張収縮を行うことができるためＡＴカット水晶基板本来の周波数温度特性の維持が可能となり著しい効果を発揮する。また、バッチ処理で製作しない水晶基板、超薄肉の振動部を持たない両主面が平坦な水晶基板、カットアングルがＡＴカット以外の水晶あるいは水晶以外の圧電素子を用いた共振子に対しても本発明のパッケージ構造を適用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成するものであるから、圧電素子とパッケージ内電極との間をボンディングワイヤにより接続する必要がなく、パッケージの小型化、超音波洗浄による導通不良防止、周波数温度特性の維持が可能となる。また、斜め蒸着を必要としないためバッチ処理の効果を損ねることがなく、しかも組立工程が単純である。したがって、小型で高性能かつ低価格の表面実装型圧電共振子を構成する上で著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態例の表面実装型２重モードフィルタのパッケージ構造の断面図である。
【図２】本発明の形態例に使用する水晶基板を説明する図である。
【図３】 (a) (b) 及び(c) は本発明の形態例の組立工程を説明する図である。
【図４】本発明の他の形態例であり、水晶基板の共通電極をリングと接続した例の構造を説明する断面図である。
【図５】本発明の水晶振動子への適用例を説明する図である。
【図６】従来例に使用する水晶基板の平面図であり、(a) は一方の主面、(b) は他方の主面を示す図である。
【図７】従来例を説明する表面実装型２重モードフィルタのパッケージの断面図である。
【図８】 (a) は水晶基板と基板の熱膨張係数の違いによる導電性接着剤内部の熱応力発生を説明する図、(b) は水晶基板の膨張収縮を妨げることによる水晶基板内部の熱歪み発生を説明する図である。
【図９】従来例において水晶基板の共通電極を分割電極側に折り返して接続した場合の構造を説明する断面図である。
【符号の説明】
１ 水晶基板、２ セラミックパッケージ、３ 上蓋、４ 導電性接着剤、
５ ワイヤ、１１、１２ 分割電極、１３ 共通電極、１４ 振動部、
１５ 環状囲繞部、１６、１７ リード電極、１８、１９ パッド電極
２１ 基板、２２ 棚、２３ 枠体、２４ リング（内部端子）、２５、２６入出力用ランド（内部端子）、２７ アース用ランド（内部端子）

Claims (2)

1. 表裏両面に電極を有した圧電素子の片面上の電極をパッケージ内底面上の内部端子に対向させつつ導電性接着剤により接続した表面実装型圧電デバイスにおいて、圧電素子の他面に形成した電極をパッケージの内側壁に位置するシームリングと導電性接着剤を用いて接続したことを特徴とする表面実装型圧電デバイスのパッケージ。
2. 上記圧電素子として、超薄肉の振動部と、該振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部と、表裏両面に夫々電極を形成した圧電素子を用いたことを特徴とする請求項１記載の表面実装型圧電デバイスのパッケージ。

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