JP5076166B2 - 圧電デバイス及びその封止方法 - Google Patents
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Description
本発明は、振動子、共振子、発振器、フィルタ、センサ等の圧電デバイスにおいて、例えば音叉型又は厚みすべり振動モードの圧電振動片をパッケージに気密に封止した圧電デバイス、及びその封止方法に関する。
従来、圧電デバイスは、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が多く使用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミック等の絶縁材料からなるパッケージ内に圧電振動片を封止する構造が採用されている。この従来構造のパッケージは、セラミック材料の薄板を積層した箱型ベースのキャビティ内に圧電振動片を実装し、該ベースにリッドを気密に接合して封止する。
パッケージを気密に封止するために、様々な方法が提案されている。例えば、セラミック容器と金属製蓋とからなる圧電部品のパッケージにおいて、蓋の表面にクラッド化した金属ろう材を設け、これをセラミック容器のメタライズ部と接触するように重ねてシーム溶接することにより、真空チャンバを要することなく短時間で封止し得る方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、セラミック容器に熱的ダメージを与えないように、Ａｕ−Ｓｎ合金の封止部材を用いて３００〜４００℃の温度範囲でシーム溶接する電子部品用パッケージの封止方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
セラミックベースと金属蓋とを接合する際に、従来の抵抗溶接のような金属粉末の飛散を抑圧するために、金と錫との共晶を利用する電子部品用パッケージの封止方法が去られている（例えば、特許文献３を参照）。この方法では、金層と錫層とを対面させてセラミックベースと金属蓋とを密着させ、それらの共晶温度より高温下で両者に圧力を印加することにより、それらを気密に封止する。
また、平均粒径１〜１００ｎｍの金属微粒子を有機溶媒中に分散させた金属微粒子ペースト接合材により、圧電振動デバイスのパッケージとリッドとを気密に接合する方法が知られている（例えば、特許文献４を参照）。金属微粒子ペースト接合材の金属微粒子は、その表面に分散材として被覆された有機系被膜が、約２００℃で加熱すると溶融し、金属微粒子が相互に焼結して合金状態となって、金属間接合が生じる。
金属ペーストを用いた別の圧電素子パッケージの封止方法が知られている（例えば、特許文献５を参照）。この封止用の金属ペーストは、平均粒径が０．１μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉末と有機溶剤とを含み、該金属粉末を８５〜９３重量％、有機溶剤を５〜１５重量％の割合で配合している。金属ペーストは、塗布・乾燥し、８０〜３００℃で焼結させて金属粉末焼結体とし、該金属粉末焼結体を加熱しながらベース部材とキャップ部材とを加圧する。
しかしながら、従来のシーム溶接などの抵抗溶接による圧電デバイスの封止方法では、高温で加熱された金属ろう材が飛散して、圧電振動子の表面に付着し、ＣＩ値が変動するなど、圧電デバイスの特性を劣化させる虞がある。特許文献４記載の方法では、圧電振動デバイスのパッケージとリッドとを接合する際に、金属微粒子の表面に被覆された有機系被膜から発生したガスがパッケージ内に残留し、圧電振動子の電極や配線を腐食させて、圧電デバイスの電気特性を劣化させる虞がある。また、特許文献５記載の方法は、金属サブミクロン粒子を用いた金属ペーストを乾燥後に焼結し、この金属粉末焼結体を接合時で加熱・加圧することにより、接触部が塑性変形しかつ、その変形界面に金属原子間の結合が生じてパッケージの気密性を確保するのに十分な緻密化が生じるとしている。しかし、同文献には、圧電デバイスに必要な高い気密性及び強度をもって接合するための条件、及び接合状態が明確にされていない。
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、金属サブミクロン粒子を用いた金属ペースト封止材を用いて、パッケージを十分に高い気密性をもって確実に封止し得る圧電デバイス及びその封止方法を提供することにある。
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、該圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、該パッケージが互いに気密に接合される複数の構成部品を有し、かつ各構成部品の接合面がそれぞれ金属からなり、構成部品同士が、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を加熱して形成したポーラス構造の１次焼結体を構成部品の接合面間で加圧して再結晶化した接合層により、該接合層と接合面の金属との固相拡散接合で接合される圧電デバイスが提供される。
このようにポーラス構造の１次焼結体を再結晶化させて形成され、かつパッケージの構成部品の接合面と固相拡散接合される接合層は、構成部品同士を気密にかつ高強度に接合することができる。従って、圧電デバイスを高い気密性をもって封止することができ、その信頼性及び耐久性を維持確保することができる。また、このような接合層は、従来の接合手段に比して薄く形成できるので、パッケージをより低背化することができ、圧電デバイスの小型化の要求に対応することができる。
或る実施例では、金属ペースト封止材の金属粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなると、約２００℃の比較的低温で焼結させることができるので、その際にパッケージや圧電振動子が受ける熱応力又は熱歪みの影響を低く抑制することができる。
別の実施例では、各構成部品の接合面の金属が、使用する金属ペースト封止材の金属粒子と共晶組成を形成し得る金属から選択されることにより、接合層を形成する際に比較的低温で、かつより良好に固相拡散を生じさせることができ、パッケージをより高い気密性及び強度をもって接合封止することができる。
或る実施例では、複数の構成部品が、上部を開放した箱形をなしかつその内部に前記圧電振動片を実装したベースと、該ベースの上端面に気密に接合されたリッドとからなることにより、表面実装に適したパッケージ構造の圧電デバイスについて適用することができる。
別の実施例では、ベースが該ベース上端面に設けた金属膜を有し、かつリッドがベースとの接合面に設けた金属膜を有する。これら金属膜を、ベース又はリッドの材質に拘わらず、接合膜を形成する金属ペースト封止材の金属粒子との組合せに適した金属から選択することができ、パッケージの設計上高い自由度が得られる。
本発明の別の側面によれば、金属からなる接合面を有する複数の構成部品を互いに気密に接合したパッケージの内部に圧電振動片を封止するために、第１の構成部品の接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する第１の１次焼結体を形成する第１の１次焼結処理工程と、第１の構成部品と接合される第２の構成部品の接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する第２の１次焼結体を形成する第２の１次焼結処理工程と、第１の構成部品と第２の構成部品とを、第１の１次焼結体と第２の１次焼結体とを接触させて重ね合わせ、加圧して第１及び第２の１次焼結体の金属粒子を再結晶化させて接合層を形成すると共に、該接合層と第１及び第２の構成部品の各接合面の金属とを固相拡散接合することにより、気密に接合する２次焼結処理工程とを含む圧電デバイスの封止方法が提供される。
このようにポーラス構造の１次焼結体同士を加圧して２次焼結処理することにより、それら１次焼結体を形成する金属の融点よりも低い温度で再結晶化させて接合膜を形成し、かつ該接合膜と各接合面の金属とを固相拡散接合することができる。従って、圧電デバイスのパッケージを高い気密性及び強度をもって封止することができる。更に、パッケージの封止時に圧電振動子が受ける熱応力及び熱歪みの影響を従来よりも大幅に抑制できる。また、接合材料がパッケージ内部に飛散して圧電振動子に付着する虞がないので、圧電デバイスの電気的特性及び性能を劣化させることが無い。その結果、圧電デバイスの信頼性及び耐久性を向上させることができる。
この場合に、第１の構成部品に塗布する金属ペースト封止材の金属粒子と、第２の構成部品に塗布する金属ペースト封止材の金属粒子とが、互いに共晶組成を形成し得る金属から選択されることにより、２次焼結処理において、第１及び第２の１次焼結体を低い温度でかつより良好に再結晶化して、接合層を形成することができる。
また、本発明によれば、金属からなる接合面を有する複数の構成部品を互いに気密に接合したパッケージの内部に圧電振動片を封止するために、第１の構成部品の接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する１次焼結体を形成する１次焼結処理工程と、第１の構成部品と第２の構成部品とを、１次焼結体と第２の構成部品の接合面とを接触させて重ね合わせ、加圧して１次焼結体の金属粒子を再結晶化させて接合層を形成すると共に、該接合層と第１及び第２の構成部品の各接合面の金属とを固相拡散接合することにより、気密に接合する２次焼結処理工程とを含む圧電デバイスの封止方法が提供される。
このように一方の構成部品の接合面から１次焼結体を省略しても、２次焼結処理において比較的低温で接合膜を再結晶化しかつ該接合膜と各接合面の金属とを固相拡散接合することができる。従って、圧電デバイスのパッケージを高い気密性及び強度をもって封止でき、パッケージの封止時にパッケージや圧電振動子が受ける熱応力又は熱歪みの影響を抑制でき、接合材料がパッケージ内部に飛散する虞を解消して圧電デバイスの電気的特性及び性能の劣化を防止し、圧電デバイスの信頼性及び耐久性を向上させることに加えて、製造上工数を少なくして、製造コストを低減することができる。
この場合に、第１の構成部品に塗布する金属ペースト封止材の金属粒子と、第２の構成部品の接合面の金属とが、互いに共晶組成を形成し得る金属から選択されることにより、それらを比較的低温で良好に固相拡散接合することができる。
或る実施例では、金属ペースト封止材の金属粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなることにより、１次及び２次焼結処理を約２００℃の比較的低温で行うことができるので、その際にパッケージや圧電振動子が受ける熱応力又は熱歪みの影響を低く抑制することができる。
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用した圧電振動子の第１実施例を概略的に示している。本実施例の圧電振動子１は、絶縁材料からなる矩形箱状のベース２と矩形平板状のリッド３とからなるパッケージを有する。ベース２は、複数のセラミック材料薄板２ａ〜２ｃを積層して、上部を開放した箱形に形成される。ベース２内部に画定されるキャビティ４には、音叉型水晶振動片５が実装されている。前記ベースのキャビティ４底面には、長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド６，６が形成され、水晶振動片５が、基端部５ａにおいて前記電極パッドに導電性接着剤７で固定して電気的に接続され、かつ片持ちで概ね水平に支持されている。
図１（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用した圧電振動子の第１実施例を概略的に示している。本実施例の圧電振動子１は、絶縁材料からなる矩形箱状のベース２と矩形平板状のリッド３とからなるパッケージを有する。ベース２は、複数のセラミック材料薄板２ａ〜２ｃを積層して、上部を開放した箱形に形成される。ベース２内部に画定されるキャビティ４には、音叉型水晶振動片５が実装されている。前記ベースのキャビティ４底面には、長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド６，６が形成され、水晶振動片５が、基端部５ａにおいて前記電極パッドに導電性接着剤７で固定して電気的に接続され、かつ片持ちで概ね水平に支持されている。
ベース２は、その上端面に設けたＷ、Ｍｏ等からなるメタライズ層８の上に、下地膜として金属薄膜９が積層されている。金属薄膜９は、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなり、スパッタリング、蒸着又はめっき等の方法で形成される。また、金属薄膜９は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｎ等で形成することもできる。
リッド３は、コバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料からなる平坦な矩形の薄板１０で形成される。リッド３の下面には、金属薄膜１１がスパッタリング、蒸着又はめっき等により全面に被覆されている。金属薄膜１１は、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなり、又はＡｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｎ等で形成することもできる。また、金属薄膜１１は、リッド３下面の周辺に沿って、ベース２上端面と接合される領域にのみ形成しても良い。リッド３が金属材料からなる場合、その材質に応じて金属薄膜１１を省略し、その金属面をそのまま接合面として使用することもできる。
ベース２とリッド３とは、金属薄膜９と金属薄膜１１との間で接合膜１２によって気密に接合されている。接合膜１２は、後述するように、サブミクロン粒子の金属ペーストを加熱して形成したポーラス構造の１次焼結体を、前記両金属薄膜間で加圧して再結晶化したものである。接合膜１２と金属薄膜９、１１とは固相拡散接合し、それらの界面に沿って相互拡散層１３，１４が形成されている。
また、ベース２には、キャビティ４の略中央に開口しかつ外部に連通する封止孔１５が設けられている。封止孔１５は、Ａｕ−Ｓｎ等の適当なシール材１６で気密に閉塞されている。これにより、圧電振動子１のキャビティ４を真空に封止することができる。
圧電振動子１は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す工程に従ってベース２とリッド３とを接合する。本発明の方法によれば、平均粒径０．１〜１．０μｍのサブミクロン粒子である金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とから構成される金属ペースト封止材を用いて、図３に示すように、ベース２上端面にポーラス構造を有する前記金属粒子の１次焼結体１７を形成する。同様に、前記金属ペースト封止材を用いて、図４に示すように、リッド３下面にポーラス構造を有する前記金属粒子の１次焼結体１８を形成する。
本実施例では、ベース２の１次焼結体１７を形成する前記金属粒子が、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの１種又は２種以上から選択される。リッド３の１次焼結体１８を形成する前記金属粒子は、１次焼結体１７に使用する金属と共晶組成を形成し得る金属から選択する。例えば、ベース２の１次焼結体１７がＡｕである場合、リッド３の１次焼結体１８にはＳｎを用いることができる。また、１次焼結体１７がＡｇである場合、リッド３の１次焼結体１８にはＣｕを用いることができる。別の実施例では、１次焼結体１８の金属粒子を、ベース２の１次焼結体１７と同種の金属にすることもできる。当然ながら、１次焼結体１８の金属粒子をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの１種又は２種以上から選択し、それと共晶組成を形成し得る金属から１次焼結体１７の金属粒子を選択することもできる。
前記金属ペースト封止材に用いる前記有機溶剤は、約２００℃の比較的低温で蒸発し得るエステルアルコール等である。前記樹脂材料は例えばセルロース系樹脂材料で、前記金属ペースト封止材に或る程度の粘度を与えるために添加される。前記金属ペースト封止材の配合は、金属粉末８８〜９３重量％、有機溶剤５〜１５重量％、樹脂材料０．０１〜４．０重量％の割合で設定するのが好ましい。
ベース２上端面の金属薄膜９上に、前記金属ペースト封止材を全周に亘って所定の幅で塗布する。前記金属ペースト封止材の塗布は、スクリーン印刷、ディスペンサ、又はインクジェット等の方法により行う。図５（Ａ）は、金属薄膜９上に塗布した金属ペースト封止材１９の状態を例示している。同図に示すように、金属ペースト封止材１９は、金属粒子２０が有機溶剤２１中に略一様に分散している。更に、有機溶剤２１中には樹脂２２が一様に分散し、前記金属ペースト封止材に或る程度の粘性を与えている。従って、前記金属ペースト封止材は、十分な形状性を発揮し、圧電振動子の小型化に対応して所望の微細なパターンに容易に塗布することができ、かつ塗布後も流れ出すことなくそのパターンを維持することができる。
次に、ベース２を、例えばホットプレート、クリーンオーブン、ベルト炉等の公知手段を用いて約２００℃の比較的低温で短時間、例えば約１０分加熱することにより、１次焼結処理を行う。この１次焼結処理により、前記金属ペースト封止材の金属粒子２０が焼結して、１次焼結体１７が形成される。図５（Ｂ）に例示するように、１次焼結体１７は、前記金属ペースト封止材から有機溶剤２１及び樹脂２２が蒸発し、隣接する金属粒子２０同士がその間に僅かな隙間を残しつつ融着して緻密に接するポーラス構造を構成する。
この後、ベース２に水晶振動片５を実装し、その特性試験及び周波数の測定を行い、更に必要に応じて、レーザ光の照射等により励振電極を部分的に削除して周波数を調整することができる。また、前記金属ペースト封止材の塗布及び１次焼結処理は、水晶振動片５をベース２に実装した後に行うことができる。その場合でも、１次焼結処理の加熱は比較的低温であるので、それが水晶振動片５に及ぼす熱ストレスは抑制される。
同様にして、リッド３下面には、金属薄膜１１上に前記金属ペースト封止材を全周に沿って所定の幅で塗布する。次にリッド３を約２００℃の比較的低温で短時間、例えば約１０分加熱することにより、１次焼結処理を行い、１次焼結体１８を形成する。本実施例では、リッド３の１次焼結体１８をベース２の１次焼結体１７に対応するリッド３下面の部分に、１次焼結体１７よりも幾分狭幅に形成する。
図２（Ａ）に示すように、ベース２の上にリッド３を、ベース上端面の１次焼結体１７とリッド下面の１次焼結体１８とを重ねるように位置合わせして配置する。このように１次焼結体１７、１８を接触させ、図２（Ｂ）に示すように、リッド３を上方から一様に加圧することにより、２次焼結処理を行う。２次焼結処理の加圧条件は、中間水晶板や基板の寸法、接合面の大きさ、使用する前記金属ペースト封止材の量や厚さによって異なる。本実施例では、例えば約３９〜１７６Ｎ／ｍｍ２の圧力を約１０分間印加する。更に、例えば約２００〜３５０℃の温度で加熱しながら加圧することによって、前記２次焼結処理をより良好に行うことができる。この加熱も比較的低温であるので、中間水晶板２の水晶振動片５に及ぼす熱ストレスは抑制される。
この２次焼結処理によって、１次焼結体１７と１次焼結体１８とは、互いに前記金属粒子がより緻密に融着して、前記ポーラス構造の隙間を完全に圧潰し、図１（Ｂ）に例示するように再結晶化して一体化した接合膜１２を形成する。接合膜１２と各金属薄膜９，１１との界面では、それぞれ固相拡散が生じて相互拡散層１３，１４が形成される。この結果、ベース２とリッド３とは、接合膜１２と金属薄膜９，１１との固有拡散接合によって気密にかつ強固に接合される。また、上述したように、１次焼結体１８の幅を１次焼結体１７の幅よりも狭くしたので、ベース２に対するリッド３の位置が多少ずれても、少なくとも１次焼結体１８の幅と同じ封止幅を確保することができる。
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、ガラス基板２４，２５の表面にそれぞれ金属薄膜２６，２７を形成し、それらの上にそれぞれ前記金属ペースト封止材を塗布して１次焼結処理し、かつ両ガラス基板２４，２５を加熱加圧して２次焼結処理し、接合した断面の組織を示している。金属薄膜２６，２７はＰｄで形成し、一方のガラス基板にはＡｕ粒子の金属ペースト封止材を塗布し、他方のガラス基板にはＳｎ粒子の金属ペースト封止材を塗布した。図６（Ａ）に示すように、接合膜２８は、異種金属であるＡｕ粒子とＳｎ粒子とが再結晶化して緻密に一体化している。
図６（Ｂ）、（Ｃ）は、図６（Ａ）の部分Ａ１，Ａ２をそれぞれ拡大したものである。符号２９、３０は、それぞれガラス基板２４、２５表面に形成したＴｉからなるメタライズ層である。図６（Ｂ）の特に長方形の枠Ｂ１で示す領域では、接合膜２８と金属薄膜２６との界面で明らかに固相拡散が生じている。図６（Ｃ）の特に長方形の枠Ｃ１で示す領域においても、接合膜２８と金属薄膜２７との界面で明らかに固相拡散が生じている。このように、本発明によれば、ガラス基板２４、２５同士を固相拡散接合により接合されることが確認できた。
図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明を適用した圧電振動子の第２実施例を概略的に示している。本実施例の圧電振動子３１は、第１実施例と同様に絶縁材料からなる矩形箱状のベース３２と矩形平板状のリッド３３とからなるパッケージを有する。ベース３２は、複数のセラミック材料薄板３２ａ〜３２ｃを積層して、上部を開放した箱形に形成される。ベース３２内部に画定されるキャビティ３４には、音叉型水晶振動片３５が実装されている。前記ベースのキャビティ３４底面には、長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド３６，３６が形成され、水晶振動片３５が、その基端部において前記電極パッドに導電性接着剤３７で固定して電気的に接続され、かつ片持ちで概ね水平に支持されている。
ベース３２は、その上端面に設けたＷ、Ｍｏ等からなるメタライズ層３８の上に、下地膜として金属薄膜３９が積層されている。金属薄膜３９は、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなり、スパッタリング、蒸着又はめっき等の方法で形成される。また、金属薄膜３９は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｓｎ等で形成することもできる。
リッド３３は、コバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料からなる平坦な矩形の薄板４０で形成される。リッド３３の下面は、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなる金属薄膜４１が全面に被覆されている。金属薄膜４１上には、ベース３２上端面と接合される部分に金属薄膜４２が設けられいる。金属薄膜４２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄから選択した金属で形成される。金属薄膜４１、４２は、例えばスパッタリング、蒸着又はめっき等により形成することができる。
ベース３２とリッド３３とは、金属薄膜３９と金属薄膜４２との間で接合膜４３によって気密に接合されている。接合膜４３は、第１実施例と同様に、サブミクロン粒子の金属ペーストを加熱して形成したポーラス構造の１次焼結体を、前記両金属薄膜間で加圧して再結晶化したものである。接合膜４３と金属薄膜３９、４２とは固相拡散接合し、それらの界面に沿って相互拡散層４４，４５が形成されている。
また、ベース３２には、キャビティ４４の略中央に開口しかつ外部に連通する封止孔４６が設けられている。封止孔４６は、Ａｕ−Ｓｎ等の適当なシール材４７で気密に閉塞され、圧電振動子３１のキャビティ３４を真空に封止している。
圧電振動子３１は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す工程に従ってベース３２とリッド３３とを接合する。本実施例によれば、平均粒径０．１〜１．０μｍのサブミクロン粒子である金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とから構成される金属ペースト封止材を用いて、図９に示すように、ベース３２上端面にポーラス構造を有する前記金属粒子の１次焼結体４８を形成する。
本実施例では、ベース３２の１次焼結体４８を形成する前記金属粒子を、リッド３３の金属薄膜４２の金属と共晶組成を形成し得る金属から選択する。例えば、金属薄膜４２がＡｕである場合、１次焼結体４８にはＳｎを用いることができる。金属薄膜４２がＡｇである場合、１次焼結体４８にはＣｕを用いることができる。別の実施例では、１次焼結体４８の金属粒子を、金属薄膜４２と同種の金属にすることもできる。また、１次焼結体４８の金属粒子をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの１種又は２種以上から選択し、それと共晶組成を形成し得る金属で金属薄膜４２を形成することもできる。
第１実施例と同様に、ベース３２上端面の金属薄膜３９上に、前記金属ペースト封止材をスクリーン印刷、ディスペンサ、又はインクジェット等の方法により、全周に亘って所定の幅で塗布する。次に、ベース３２を、例えばホットプレート、クリーンオーブン、ベルト炉等を用いて約２００℃の比較的低温で短時間、例えば約１０分加熱し、１次焼結処理を行うことにより、１次焼結体４８を形成する。ベース３２への水晶振動片３５の実装は、前記金属ペースト封止材の塗布及び１次焼結処理の前後のいずれに行っても良い。
リッド３３下面には、図１０に示すように、ベース２の１次焼結体４８に対応する部分に金属薄膜４２が予め形成されている。本実施例では、金属薄膜４２を１次焼結体４８よりも幾分狭幅に形成する。
図８（Ａ）に示すように、ベース３２の上にリッド３３を、ベース上端面の１次焼結体４８とリッド下面の金属薄膜４２とを重ねるように位置合わせして配置する。このように１次焼結体４８と金属薄膜４２とを接触させ、図８（Ｂ）に示すように、リッド３３を上方から一様に加圧することにより、２次焼結処理を行う。２次焼結処理の加圧条件は、第１実施例と同じであるので、詳細な説明は省略する。
この２次焼結処理によって、１次焼結体４８は、前記金属粒子がより緻密に融着してポーラス構造の隙間を完全に圧潰し、図７（Ｂ）に例示するように再結晶化した接合膜４３を形成する。接合膜４３と各金属薄膜３９，４２との界面では、それぞれ固相拡散が生じて相互拡散層４４，４５が形成される。この結果、ベース３２とリッド３３とは、接合膜４３と金属薄膜３９，４２との固有拡散接合によって気密にかつ強固に接合される。同様に、金属薄膜４２の幅を１次焼結体４８の幅よりも狭くしたので、ベース３２に対するリッド３３の位置が多少ずれても、少なくとも金属薄膜４２の幅と同じ封止幅を確保することができる。
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の変形例を概略的に示している。本実施例の圧電振動子５１は、同様に絶縁材料からなる矩形箱状のベース５２と矩形平板状のリッド５３とからなるパッケージを有する。ベース５２は、複数のセラミック材料薄板５２ａ〜５２ｃを積層して、上部を開放した箱形に形成される。ベース５２内部に画定されるキャビティ５４には、音叉型水晶振動片５５が実装されている。前記ベースのキャビティ５４底面には、長手方向の一方の端部付近に１対の電極パッド５６，５６が形成され、水晶振動片５５が、その基端部において前記電極パッドに導電性接着剤５７で固定して電気的に接続され、かつ片持ちで概ね水平に支持されている。
ベース５２は、その上端面に設けたＷ、Ｍｏ等からなるメタライズ層５８の上に、下地膜として金属薄膜５９が積層されている。金属薄膜５９は、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなり、スパッタリング、蒸着又はめっき等の方法で形成される。
リッド５３は、コバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料からなる平坦な矩形の薄板６０で形成される。リッド５３の下面には、例えばＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉからなる金属薄膜６１がスパッタリング、蒸着又はめっき等により全面に被覆されている。
本実施例では、ベース５２上端面の金属薄膜５９の上に、更に金属薄膜６２が設けられている。金属薄膜６２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄから選択した金属で、同様にスパッタリング、蒸着又はめっき等により形成される。
ベース５２とリッド５３とは、金属薄膜５９と金属薄膜６１との間で接合膜６３によって気密に接合されている。接合膜６３は、上記各実施例と同様に、サブミクロン粒子の金属ペーストを加熱して形成したポーラス構造の１次焼結体を、前記両金属薄膜間で加圧して再結晶化したものである。接合膜６３と金属薄膜５９、６１とは固相拡散接合し、それらの界面に沿って相互拡散層６４，６５が形成されている。
また、ベース５２には、キャビティ５４の略中央に開口しかつ外部に連通する封止孔６６が設けられている。封止孔６６は、Ａｕ−Ｓｎ等の適当なシール材６７で気密に閉塞され、圧電振動子５１のキャビティ５４を真空に封止している。
圧電振動子５１は、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す工程に従ってベース５２とリッド５３とを接合する。本実施例によれば、図１３に示すように、ベース５２上端面は、金属薄膜６２が予め形成されている。従って、上記実施例のように水晶振動片５５が１次焼結処理による加熱の影響を受ける虞がない。リッド５３下面には、図１０に示すように、ベース５２の金属薄膜６２に対応するリッド下面の部分に、平均粒径０．１〜１．０μｍのサブミクロン粒子である金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とから構成される金属ペースト封止材を用いて、ポーラス構造を有する前記金属粒子の１次焼結体６８を形成する。
本実施例では、リッド５３の１次焼結体６８を形成する前記金属粒子を、ベース５２の金属薄膜６２の金属と共晶組成を形成し得る金属から選択する。例えば、金属薄膜６２がＡｕである場合、１次焼結体６８にはＳｎを用いることができる。金属薄膜６２がＡｇである場合、１次焼結体６８にはＣｕを用いることができる。別の実施例では、１次焼結体６８の金属粒子を、金属薄膜６２と同種の金属にすることもできる。また、１次焼結体６８の金属粒子をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの１種又は２種以上から選択し、それと共晶組成を形成し得る金属で金属薄膜６２を形成することもできる。
第１実施例と同様に、リッド５３下面の金属薄膜６１に、前記金属ペースト封止材をスクリーン印刷、ディスペンサ、又はインクジェット等の方法により、全周に亘って所定の幅で塗布する。次にリッド５３を、例えばホットプレート、クリーンオーブン、ベルト炉等を用いて約２００℃の比較的低温で短時間、例えば約１０分加熱することにより、１次焼結処理を行い、１次焼結体６８を形成する。本実施例では、１次焼結体６８を金属薄膜６２よりも幾分狭幅に形成する。
図１２（Ａ）に示すように、ベース５２の上にリッド５３を、ベース上端面の金属薄膜６２とリッド下面の１次焼結体６８とを重ねるように位置合わせして配置する。このように金属薄膜６２と１次焼結体６８とを接触させ、図１２（Ｂ）に示すように、リッド５３を上方から一様に加圧することにより、２次焼結処理を行う。２次焼結処理の加圧条件は、第１実施例と同じであるので、詳細な説明は省略する。
この２次焼結処理によって、１次焼結体６８は、前記金属粒子がより緻密に融着してポーラス構造の隙間を完全に圧潰し、図１１（Ｂ）に例示するように再結晶化した接合膜６３を形成する。接合膜６３と各金属薄膜６１，６２との界面では、それぞれ固相拡散が生じて相互拡散層６４，６５が形成される。この結果、ベース５２とリッド５３とは、接合膜６３と金属薄膜６１，６２との固有拡散接合によって気密にかつ強固に接合される。同様に、１次焼結体６８の幅を金属薄膜６２の幅よりも狭くしたので、ベース５２に対するリッド５３の位置が多少ずれても、少なくとも１次焼結体６８の幅と同じ封止幅を確保することができる。
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。本発明は、上記実施例と異なる様々なパッケージ構造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。例えば、水晶振動片と外枠とを一体に結合した中間水晶板の上下各面に上側基板及び下側基板をそれぞれ接合し、それらの間に画定されるキャビティ内に前記水晶振動片を気密に封止する構造の圧電デバイスも、同様に気密に接合することができる。また、上記実施例は圧電振動子について説明したが、共振子、発振器、フィルタ、センサ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。
１，３１，５１…圧電振動子、２，３２，５２…ベース、２ａ〜２ｃ，３２ａ〜３２ｃ，５２ａ〜５２ｃ…セラミック材料薄板、３，３３，５３…リッド、４，３４，５４…キャビティ、５，３５，５５…水晶振動片、５ａ…基端部、６，３６，５６…電極パッド、７，３７，５７…導電性接着剤、８，２９，３０，３８，５８…メタライズ層、９，１１，２６，２７，３９，４１，４２，５９，６１，６２…金属薄膜、１０，４０，６０…薄板、１２，２８，４３，６３…接合膜、１３，１４，４４，４５，６４，６５…相互拡散層、１５，４６，６６…封止孔、１６，４７，６７…シール材、１７，１８，４８，６８…１次焼結体、１９…金属ペースト封止材、２０…金属粒子、２１…有機溶剤、２２…樹脂、２４，２５…ガラス基板。
Claims (10)
- 圧電振動片と、前記圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、
前記パッケージが互いに気密に接合される複数の構成部品を有し、かつ前記各構成部品の接合面がそれぞれ金属からなり、
前記構成部品同士が、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を加熱して形成したポーラス構造の１次焼結体を前記構成部品の接合面間で加圧して再結晶化した接合層により、前記接合層と前記接合面の前記金属との固相拡散接合で接合されていることを特徴とする圧電デバイス。 - 前記金属ペースト封止材の前記金属粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
- 前記各構成部品の前記接合面の前記金属が、前記金属ペースト封止材の前記金属粒子と共晶組成を形成し得る金属から選択されることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
- 前記複数の構成部品が、上部を開放した箱形をなしかつその内部に前記圧電振動片を実装したベースと、前記ベースの上端面に気密に接合されたリッドとからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の圧電デバイス。
- 前記ベースが前記ベース上端面に設けた金属膜を有し、かつ前記リッドが前記ベースとの接合面に設けた金属膜を有することを特徴とする請求項４記載の圧電デバイス。
- 金属からなる接合面を有する複数の構成部品を互いに気密に接合したパッケージの内部に圧電振動片を封止するために、
第１の前記構成部品の前記接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する第１の１次焼結体を形成する第１の１次焼結処理工程と、
前記第１の構成部品と接合される第２の前記構成部品の前記接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する第２の１次焼結体を形成する第２の１次焼結処理工程と、
前記第１の構成部品と前記第２の構成部品とを、前記第１の１次焼結体と前記第２の１次焼結体とを接触させて重ね合わせ、加圧して前記第１及び第２の１次焼結体の前記金属粒子を再結晶化させて接合層を形成すると共に、前記接合層と前記第１及び第２の構成部品の各接合面の前記金属との固相拡散接合により、気密に接合する２次焼結処理工程とを含むことを特徴とする圧電デバイスの封止方法。 - 金属からなる接合面を有する複数の構成部品を互いに気密に接合したパッケージの内部に圧電振動片を封止するために、
第１の前記構成部品の前記接合面に、平均粒径０．１〜１．０μｍの金属粒子と有機溶剤と樹脂材料とを８８〜９３重量％、５〜１５重量％、０．０１〜４．０重量％の割合で配合した金属ペースト封止材を塗布し、加熱することにより、ポーラス構造を有する１次焼結体を形成する１次焼結処理工程と、
前記第１の構成部品と第２の前記構成部品とを、前記１次焼結体と前記第２の構成部品の前記接合面とを接触させて重ね合わせ、加圧して前記１次焼結体の前記金属粒子を再結晶化させて接合層を形成すると共に、前記接合層と前記第１及び第２の構成部品の各接合面の前記金属との固相拡散接合により、気密に接合する２次焼結処理工程とを含むことを特徴とする圧電デバイスの封止方法。 - 前記金属ペースト封止材の前記金属粒子がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、又はＰｄの１種又は２種以上からなることを特徴とする請求項６又は７記載の圧電デバイスの封止方法。
- 前記第１の構成部品に塗布する前記金属ペースト封止材の前記金属粒子と、前記第２の構成部品に塗布する前記金属ペースト封止材の前記金属粒子とが、互いに共晶組成を形成し得る金属から選択されることを特徴とする請求項６記載の圧電デバイスの封止方法。
- 前記第１の構成部品に塗布する前記金属ペースト封止材の前記金属粒子と、前記第２の構成部品の接合面の前記金属とが、互いに共晶組成を形成し得る金属から選択されることを特徴とする請求項７記載の圧電デバイスの封止方法。
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