JP4868836B2 - 圧電振動子収納用パッケージおよび圧電振動装置 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子等の圧電振動子が絶縁基体の凹部に収容される圧電振動子収納用パッケージおよび圧電振動装置に関するものである。

携帯電話や自動車電話等の通信機器、コンピュータ、ＩＣカード等の情報機器等の電子機器において、周波数や時間の基準となる発振器として、水晶振動子等の圧電振動子が圧電振動子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）内に気密に収容されて成る圧電振動装置が広く使用されている。

このような圧電振動装置は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料から成っている。この圧電振動装置において、圧電振動子は、凹部の内側面に、凹部の中央側に向けて形成された一対の接続パッドに端部が接続される構造が一般的である。

図２（ａ）は、従来の圧電振動子収納用パッケージの構成を概略的に示した平面図であり、図２（ｂ）は、そのｂ−ｂ´における断面図である。同図において、２０１は絶縁基体、２０５は圧電振動子である。

所定周波数で発振する圧電振動子２０５は、絶縁基体２０１の凹部２０２の内側面に沿って形成される一対の接続パッド２０７に接合材２０８により電気的・機械的に接合され、絶縁基体２０１の上面に凹部２０２を取り囲むように形成された封止用メタライズ層（
図示せず）に金属枠体２１０を銀ろう等のろう材で接合し、さらにこの金属枠体２１０の上面に蓋体２１１をシーム溶接することにより圧電振動子２０５が気密に封止され、圧電振動装置が構成されている。この際、接続パッド２０７は、通常、圧電振動子２０５の電極が形成されている部分の寸法等に応じた大きさ、位置で形成されている。

このような圧電振動装置は、例えば、携帯電話等の電子機器を構成する外部回路基板（図示せず）の所定位置に配線導体２０９を半田等を介して接続することにより実装され、圧電振動子２０５から電子機器の電気回路に通信周波数等の基準信号が送信される。

特開２００５−７３０００号公報

しかしながら、近年、圧電振動装置の小型化が進んできており、これに応じて圧電振動子収納用パッケージはさらに薄型化が進んでいる。

このように、圧電振動子収納用パッケージの薄型化が進むと、圧電振動子の下面と凹部の底面との間隔は非常に狭いものとなり、その結果、圧電振動装置の落下衝撃等により圧電振動子の下面と凹部の底面とが接触してしまい、圧電振動子が破損する可能性があった。

本発明は、かかる従来の技術における問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、圧電振動子収納用パッケージの薄型化が進み、圧電振動子の下面と凹部の底面との間隔が非常に狭いものとなっても、落下衝撃等による破損の可能性を低減させた圧電振動子収納用パッケージおよび圧電振動装置を提供することにある。

本発明の圧電振動子収納用パッケージは、圧電振動子が収容される凹部を有し、該凹部の底面における前記圧電振動子の中央部に対応する部分が、前記凹部の底面における前記圧電振動子の先端部に対応する部分より高く形成された絶縁基体と、該絶縁基体の前記凹部底面に設けられ、前記圧電振動子の電極に電気的に接続される接続パッドと、前記絶縁基体の前記凹部底面における前記圧電振動子の中央部に対応する部位に形成されたコーティング層とを備え、前記コーティング層は、平面視において前記圧電振動子の長さ方向に直交する方向の幅よりも大きく形成されており、前記接続パッドおよび前記コーティング層は、金属粉末が焼結されて成るとともに、前記コーティング層に使用される前記金属粉末は、前記接続パッドに使用される前記金属粉末よりも粒径が大きいことを特徴とするものである。

また、本発明の圧電振動子収納用パッケージは、前記コーティング層の表面が凸曲面状であることを特徴とするものである。

本発明の圧電振動装置は、本発明の圧電振動子収納用パッケージと、該圧電振動子収納用パッケージの前記凹部に収容され、前記圧電振動子収納用パッケージの前記接続パッドに電気的に接続された電極を有する圧電振動子と、前記圧電振動子収納用パッケージの前記凹部を覆うように、前記絶縁基体に接合された蓋体とを備え、前記圧電振動子の中央部が、前記絶縁基体の前記凹部の前記コーティング層が形成された部位に対応するように配置されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電振動子収納用パッケージは、凹部の底面における圧電振動子の中央部に対応する部分が、凹部の底面における圧電振動子の先端部に対応する部分より高く形成されていることにより、落下衝撃が加わったとしても、圧電振動子が破損する可能性を低減させることができる。

すなわち、圧電振動装置に大きな落下衝撃が加わった場合でも、圧電振動子は、まずその中央部が凹部の底面の中央部に接して、不用意な衝撃等に起因する振動が止められる。この場合、圧電振動子は、その中央部における振動の速度が先端部に比べて小さいので、凹部底面に圧電振動子が接するときの衝撃を効果的に低く抑えることができる。

また、絶縁基体の凹部底面における圧電振動子の中央部に対応する部位に形成されたコーティング層とを備えていることにより、電子製品（圧電振動装置）が落下して内部に収容されている圧電振動子に落下衝撃時の不用意な振動が発生したとしても、その衝撃による圧電振動子のたわみを圧電振動子の中央部に対応する部位に形成されたコーティング層で受けて、圧電振動子の下面と凹部の底面との接触による衝撃を緩和して、圧電振動子が破損したり接続パッドから外れたりすることを防止することができる。

また、本発明の圧電振動子収納用パッケージは、コーティング層が金属からなることにより、凹部の角部を金属のコーティング層により覆うことができ、圧電振動装置への衝撃による圧電振動子のたわみをセラミック層よりも弾性率が低い金属層の変形により効果的に緩和することができる。そのため、より効果的に圧電振動子の下面と凹部の底面との接触による衝撃を緩和して、圧電振動子が破損したり接続パッドから外れたりすることを防止することができる。また、凹部の角部に発生するセラミックのカケを防止できる。

また、本発明の圧電振動子収納用パッケージは、コーティング層の表面が凸曲面状であることにより、衝撃による圧電振動子のたわみを、まず圧電振動子の中央部に対応する部位に形成された凸曲面状のコーティング層の表面で受けるとともに、さらに大きな衝撃による圧電振動子のたわみをコーティング層の角部で２重に受けることができる。よって、圧電振動子の耐衝撃性をさらに高い構造とすることができる。

本発明の圧電振動装置は、上記のいずれかに記載された圧電振動子収納用パッケージと、圧電振動子収納用パッケージの凹部に収容され、圧電振動子収納用パッケージの接続パッドに電気的に接続された電極を有する圧電振動子と、圧電振動子収納用パッケージの凹部を覆うように、絶縁基体に接合された蓋体とを備え、圧電振動子の中央部が、絶縁基体の凹部のコーティング層が形成された部位に対応するように配置されていることにより、圧電振動子の下面と凹部の底面との間隔が非常に狭いものとなっても、落下衝撃等の不用意な外部応力により圧電振動子が破損したり、接続パッドから外れたりすることを防止でき、耐衝撃性に優れた圧電発振装置を提供できる。

以下、本発明の圧電振動子収納用パッケージ、および圧電振動装置について添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の圧電振動子収納用パッケージ、および圧電振動装置の実施の形態を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のａ−ａ´線における断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）において、１０１は絶縁基体、１０２は凹部、１０５は圧電振動子、１０６はコーティング層、１０７は接続パッドである。

この形態の圧電振動子収納用パッケージにおいて、絶縁基体１０１は、上面に圧電振動子１０５の収容部を有する平板部分の上面に、収容部を取り囲むように枠体１１０が取着
されて凹部１０２が形成されている。絶縁基体１０１は、圧電振動子１０５を収容するための容器であり、凹部１０２に圧電振動子１０５が収容されるとともに、凹部が蓋体１１１で塞がれることにより、蓋体および凹部の底面との平板部分と絶縁基体１０１の内側面とにより形成される容器内に圧電振動子１０５が収容される。凹部１０２の底面には、収容される圧電振動子の電極が接続される接続パッド１０７が形成されている。また、凹部１０２の底面に形成された接続パッド１０７から絶縁基体１０１の下面にかけて、配線導体１０９が形成されている。

このような絶縁基体１０１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料から成る複数の絶縁層が積層されて形成されている。

絶縁基体１０１は、平板状や枠状の複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、焼成することにより形成される。平板状のセラミックグリーンシートは、例えば、酸化アルミニウムや酸化ケイ素、酸化カルシウム等の原料粉末を有機溶剤、バインダー等とともにドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート形成技術を用いて長尺のシート状に成形し、これを所定の寸法に切断することにより作製することができる。また、枠状のセラミックグリーンシートは、平板状のセラミックグリーンシートの中央部を金型を用いた打ち抜き加工等を用いて打ち抜き、枠状に成形することにより作製することができる。

接続パッド１０７や配線導体１０９は、タングステン，モリブデン，銅，銀等の金属材料から成り、メタライズ層やめっき層等の形態で形成される。接続パッド１０７および配線導体１０９は、例えば、タングステンのメタライズ層から成る場合であれば、タングステン粉末に有機溶剤、バインダーを添加して作製した金属ペーストを、絶縁基体１０１となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷しておくことにより形成することができる。

また、配線導体１０９のうち凹部１０２内から絶縁基体１０１の下面にかけて形成される配線導体１０９は、例えばビア導体や絶縁基体１０１の外周に形成した切り欠き部（いわゆるキャスタレーション、図示せず）の内面に被着させたメタライズ層により導出するように形成されている。

また、圧電振動子１０５を接続パッド１０７に接続する接合材１０８は、電気的・機械的に接合することが可能な導電性接合材であり、例えば、銀等の金属粉末をエポキシ樹脂等の樹脂中に混合してなる導電性接着剤を用いることができる。なお、圧電振動子１０５は、例えば水晶振動子である。

さらに、配線導体１０９を外部回路基板の実装パッド上（図示せず）に半田等を介して接合することにより、圧電振動子収納用パッケージ（圧電振動装置）と外部回路基板とが電気的、機械的に接続される。また、圧電振動子１０５が、配線導体１０９および接続パッド１０７を介して外部回路基板の電気回路（図示せず）と電気的に接続されることになる。

圧電振動子１０５が収容される凹部１０２は、底面における圧電振動子１０５の中央部に対応する部分が、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分より高く形成されている。

そのため、圧電振動子１０５は、まずその中央部が凹部１０２の底面の中央部に接して、不用意な衝撃等に起因する振動が止められる。

この場合、圧電振動子１０５は、その中央部における振動の速度が先端部に比べて小さいので、凹部１０２底面に圧電振動子１０５が接するときの衝撃を効果的に低く抑えることができる。

また、凹部１０２底面に圧電振動子１０５が接したあとにおいても、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分に圧電振動子１０５の外形よりも大きく開口した凹部１０２に、圧電振動子１０５の先端部がたわむことにより、衝撃を吸収することができる。

ここで、圧電振動子１０５の中央部とは、圧電振動子１０５の先端部と接続パッド１０７片持ち支持される部分との間の部分のことである。

この絶縁基体１０１の凹部１０２底面における圧電振動子１０５の中央部に対応する部位には、コーティング層１０６が形成されている。

このような構造としたことから、電子製品（圧電振動装置）が落下して内部に収容されている圧電振動子１０５に落下衝撃時の不用意な振動が発生したとしても、その衝撃による圧電振動子１０５のたわみを圧電振動子１０５の中央部に対応する部位に形成されたコーティング層１０６で受けることができる。よって、圧電振動子１０５の下面と凹部１０２の底面との接触による衝撃を緩和して、圧電振動子１０５が破損したり接続パッド１０７から外れたりすることを防止することができる。

つまり、衝撃時に圧電振動子１０５の端部に過剰な振動が発生したとしても、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分より高く形成された部分（柱部１０４）により過剰な振動が制限されるとともに凹部１０２底面との接触時の衝撃が緩和される。したがって、圧電振動子１０５が破損したり接続パッド１０７から外れたりすることを防止することができる。このコーティング層１０６が金属からなる場合には、次のような、より良い効果が得られる。すなわち、凹部１０２の角部を金属のコーティング層１０６により覆うことができ、圧電振動装置への衝撃による圧電振動子１０５のたわみをセラミック層よりも弾性率が低い金属層により受けることができ、より効果的に圧電振動子１０５の下面と凹部１０２の底面との接触による衝撃を緩和して、圧電振動子１０５が破損したり接続パッド１０７から外れたりすることをより確実に防止することができる。また、凹部１０２の角部に発生するセラミックのカケを防止できる。

ここで、コーティング層１０６として形成される金属は、例えば絶縁基体１０１に接続パッド１０７や配線導体１０９として形成されるタングステン，モリブデン，銅，銀等の金属から形成される。さらに、このような金属は、タングステンのメタライズ層から成る場合であれば、タングステン粉末に有機溶剤、バインダーを添加して作製した金属ペーストを、絶縁基体１０１の凹部１０２のうち、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分より高く形成されている部分（柱部１０４）となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷しておくことにより形成することができる。この場合、他の配線導体とは異なり、電気的特性ではなく衝撃吸収性を得る必要があるため、配線導体に使用される金属粉末よりも粒径が粗いものを使用して、金属の焼結性を抑制することが好ましい。

また、コーティング層１０６がセラミックスからなる場合には、次のような、より良い効果を得ることができる。すなわち、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分より高く形成されている部分（柱部１０４）の圧電振動子１０５の長さ方向に直交する角部をセラミックのコーティング層１０６により覆うことにより、角部に丸みを帯びたセラミックのコーティング層１０６となることから、角部と圧電振動子１０５の底面との接触面積を大きくできる。よって、圧電振動子１０５の下面と凹部１０２の底面との接触による衝撃を緩和して、圧電振動子１０５が破損したり接続パッド１０７から外れたりすることを防止することができる。

ここで、コーティング層１０６として形成されるセラミックスは、例えば絶縁基体１０１本体と同様として使用される酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体，ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス材料から形成される。

さらに、このようなセラミックスは、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、セラミックス粉末に有機溶剤、バインダーを添加して作製したセラミックスペーストを、絶縁基体１０１の凹部１０２の底面となるセラミックグリーンシートに所定パターンで印刷しておくことにより形成することができる。この場合、凹部１０２の角部をより効果的に丸みをおびて形成できるように、セラミックスペーストの粘性を高いものとして印刷することが好ましい。

また、本発明の圧電振動子収納用パッケージは、コーティング層１０６の表面が凸曲面状であることが好ましい。

このような構造とした場合には、衝撃による圧電振動子１０５のたわみを、まず圧電振動子１０５の中央部に対応する部位に形成された凸曲面状のコーティング層１０６の表面で受けるとともに、さらに大きな衝撃による圧電振動子１０５のたわみをコーティング層１０６の角部で２重に受けることができる。

よって、圧電発振装置としての耐衝撃性をさらに高い構造とすることができる。

ここで、コーティング層１０６として形成される金属層、またはセラミックスを、凹部１０２の底面となるセラミックグリーンシートに所定パターンで形成するとともに、圧電振動子１０５の中央部に対応する部分が、圧電振動子１０５の先端部に対応する部分より高く形成されており、この高く形成されている部分（柱部１０４）の幅を０．２〜１．０ｍｍ程度に狭く形成することにより、コーティング層１０６となる各種ペーストの粘性により印刷後の金属層、またはセラミックスのコーティング層１０６の表面が効果的に凸曲面状に形成されることとなる。

また、コーティング層１０６の表面を凸曲面状とするために、あらかじめ高く形成されている部分（柱部１０４）となるセラミックグリーンシートの表面に、コーティング層１０６となる各種ペーストを印刷しておき、さらに凸曲面形成用の各種ペーストを印刷することにより、コーティング層１０６を形成してもよい。

本発明の圧電振動装置は、上記のいずれかに記載された圧電振動子収納用パッケージ（絶縁基体１０１）と、圧電振動子収納用パッケージの凹部１０２に収容され、圧電振動子収納用パッケージの接続パッド１０７に電気的に接続された電極（図示せず）を有する圧電振動子１０５と、圧電振動子収納用パッケージの凹部１０２を覆うように、絶縁基体１０１に接合された蓋体１１１とを備え、圧電振動子１０５の中央部が、絶縁基体１０１の凹部１０２のコーティング層１０６が形成された部位に対応するように配置されている。

このような構造としたことから、圧電振動子１０５の下面と凹部１０２の底面との間隔が非常に狭いものとなっても、落下衝撃等の不用意な外部応力により圧電振動子１０５が破損したり、接続パッド１０７から外れたりすることを防止でき、耐衝撃性に優れた圧電発振装置を提供できる。

蓋体１１１は、ろう材や樹脂、ガラス等の接合材を介した接合や溶接法等の接合手段により絶縁基体１０１にされる。

圧電振動子１０５の中央部を、絶縁基体１０１の凹部１０２のコーティング層１０６が形成された部位に対応するように配置させるには、例えばあらかじめ搭載される圧電振動子１０５の寸法に合わせて、接続パッド１０７からコーティング層１０６までの距離が、圧電振動子１０５の電極から中央部までの距離に相当するように、コーティング層１０６の形成位置を調節する等の方法が採用されている。

なお、圧電振動子１０５の中央部は、例えば長方形状の水晶振動子であれば、その中央部周辺であり、音叉型の水晶振動子であれば、水晶振動子を取り囲む矩形状領域の中央部周辺等の部位である。

ここで、例えば３．２ｍｍ×２．５ｍｍの従来の圧電振動装置であれば、通常、絶縁基体（圧電振動子収納用パッケージ）の厚みは０．８ｍｍ程度であり、絶縁基体１０１の枠部を形成する絶縁層は、０．３〜０．５ｍｍ程度で構成されている。そして、圧電振動子１０５の下面と凹部１０２の上面との隙間は０．１ｍｍ程度に確保されている。外部からの衝撃による圧電振動子１０５のたわみを、圧電振動子１０５の中央部に対応する部位に形成された凸曲面状のコーティング層１０６の表面で受けるとともに、さらに大きな衝撃による圧電振動子１０６のたわみをコーティング層１０６の角部で２重に受けることができ、落下衝撃等の不用意な外部応力に対する耐衝撃性に優れた圧電発振装置を提供できる。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態に変形できる。

例えば、上述の例では絶縁基体１０１を構成する枠体を３層の絶縁層で構成したが、その他の絶縁層としてもよいことは言うまでもない。

また、上述の例では絶縁基体１０１の上面に金属製の枠体１１０を接合した形態としたが、絶縁基体１０１の上面に形成されたメタライズ層に半田等のろう材により直接蓋体１１１を接合してもよいことは言うまでもない。

（ａ）は本発明の圧電振動子収納用パッケージ、および圧電振動装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。 （ａ）は従来の圧電振動子収納用パッケージ、および圧電振動装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）はその断面図である。

符号の説明

１０１・・・・・絶縁基体
１０２・・・・・凹部
１０４・・・・・柱部
１０５・・・・・圧電振動子
１０６・・・・・コーティング層
１０７・・・・・接続パッド
１０８・・・・・接合材
１０９・・・・・配線導体
１１０・・・・・枠体
１１１・・・・・蓋体

Claims (3)

1. 圧電振動子が収容される凹部を有し、該凹部の底面における前記圧電振動子の中央部に対応する部分が、前記凹部の前記底面における前記圧電振動子の先端部に対応する部分より高く形成された絶縁基体と、
   該絶縁基体の前記凹部底面に設けられ、前記圧電振動子の電極に電気的に接続される接続パッドと、
   前記絶縁基体の前記凹部底面における前記圧電振動子の中央部に対応する部位に形成されたコーティング層とを備え、
   前記コーティング層は、平面視において前記圧電振動子の長さ方向に直交する方向の幅よりも大きく形成されており、
   前記接続パッドおよび前記コーティング層は、金属粉末が焼結されて成るとともに、前記コーティング層に使用される前記金属粉末は、前記接続パッドに使用される前記金属粉末よりも粒径が大きいことを特徴とする圧電振動子収納用パッケージ。
2. 前記コーティング層の表面が凸曲面状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子収納用パッケージ。
3. 請求項１または請求項２に記載された圧電振動子収納用パッケージと、
   該圧電振動子収納用パッケージの前記凹部に収容され、前記圧電振動子収納用パッケージの前記接続パッドに電気的に接続された電極を有する圧電振動子と、
   前記圧電振動子収納用パッケージの前記凹部を覆うように、前記絶縁基体に接合された蓋体とを備え、
   前記圧電振動子の中央部が、前記絶縁基体の前記凹部の前記コーティング層が形成された部位に対応するように配置されていることを特徴とする圧電振動装置。

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