JP3991274B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電デバイスに係り、特に小型化・薄型化を求められるパッケージを真空封止するのに好適な圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電デバイスは様々な電子機器に採用されているが、近年では電子機器の小型化および薄型化に伴い、圧電デバイスはより一層の小型化および薄型化が要求されている。圧電デバイスの内部に実装される圧電振動片は、小型化が進むと気体中でもその振動が阻害されてしまい周波数にずれが生じてしまうため、圧電振動片を外装するパッケージの内部空間を真空に保つ必要がある。このため、圧電振動片を内部に実装するパッケージベース部またはパッケージの蓋体に真空封止用の穴部を設けている。この穴部は、パッケージ中央部または蓋体の中央部、或いは圧電振動片に設けられた励振電極または音叉型圧電振動片の錘部と対向するいずれかの場所に設けられている。
【０００３】
そして、この穴部の封止を行う方法として次の技術がある。穴部の外側に深さ４０μｍ、開口面が直径３５０μｍの円形の凹部を設け、この凹部に直径が２００μｍ程度のボール状の封止材を置く。そして、この封止材にレーザを照射して溶融させ、穴部を塞ぐ技術である。
【０００４】
また、他の方法として特許文献１の技術が挙げられる。この技術は蓋体の一部に貫通穴を設け、その貫通穴の周囲に封止材となる半田を設けた構成としている。そして、パッケージと蓋体とを溶接固定した後、真空容器内に入れてパッケージ内を真空にする。この真空状態で前記封止材に電子ビームまたはレーザ等を照射して半田を溶融すると、前記貫通穴に半田が流入して穴内を封止する。この技術は、溶融した半田のフラックスが水晶振動片に付着しないように、または前記電子ビームが貫通穴を介して水晶振動片に直接照射されないように、蓋体と圧電振動片との間に遮蔽板を設けることもできる構成としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１９３９６７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、封止材にボールを使った場合は、封止材の大きさに比べ凹部の深さが遥かに浅いために、封止材の収まりが悪く動いてしまう問題があった。また、ボール状の封止材は、さらに小さくすることが技術的に困難であるため、圧電デバイスを小型化および薄型化を図るのが困難である。
【０００７】
また、特許文献１の技術では、蓋体に設ける貫通穴の位置を圧電デバイスの中央部とすると、パッケージ内部に遮蔽板を設けない構成とした場合、貫通穴を封止材で塞いでいないので、封止材となる半田を溶融する電子ビームまたはレーザが貫通穴を介して直接圧電振動片に照射される虞がある。このため、圧電振動片を損傷させる虞がある。そして、圧電振動片が損傷すると圧電振動片の発振周波数が変化してしまう問題が生じる。また電子ビーム等が半田のみに照射される場合であっても、半田を溶融する際にガスが発生し、このガスが圧電振動片に付着して発振周波数を変化させる虞がある。そして、発振周波数が変化した場合には、圧電デバイス毎の発振周波数にバラツキが生じ、高精度の圧電デバイスを供給するのは困難となる。さらに、上記の問題点を解決するために、蓋体と圧電振動片との間に遮蔽板を設ける構成とした場合、パッケージが遮蔽板を設けるために厚くなり小型および薄型にならない欠点がある。
【０００８】
また、パッケージ容器に穴部を設ける場合は、パッケージ下面に形成された外部端子の間に設ける必要がある。しかし、パッケージを小型化しても外部端子の大きさを小さくすることができず、外部端子間の隙間は狭くなり、穴部を設ける場所に制約を受ける。また、穴部を半田等の導電性封止材で封止した場合に、パッケージの所定の実装箇所とずれて実装するとショートする虞があった。このため、パッケージ容器に穴部を設けると、小型化するには不向きである。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、パッケージの蓋体に真空封止用の穴部を設けても圧電振動片の発振周波数に周波数シフトさせることなく、さらに小型化および薄型化できる圧電デバイスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電デバイスは、パッケージの内部に圧電振動片を実装して前記パッケージの上部を蓋体で封止した圧電デバイスにおいて、前記蓋体は金属で形成されており、前記圧電振動片に形成された接続電極と対向する位置の前記蓋体に真空封止用の穴部を設けたことを特徴としている。この場合、前記穴部は、封止材を納置する凹部と前記凹部下面から前記蓋体を貫通する貫通穴とを設けてなる構成とできる。また、前記封止材は薄板状のペレットとする構成とできる。
【００１１】
これにより、圧電振動片の接続電極はパッケージに固定されているので、圧電振動片が発振するときの振動には寄与しない。この接続電極と対向する位置の蓋体に穴部が設けられ、この穴部を構成する凹部に納置される薄板状のペレットにレーザを照射すると、前記ペレットが溶融して穴部を封止する。このとき、穴部は接続電極の上部に設けられているので、ペレットを溶融したときにガスが発生しても、接続電極にガスの粒子が付着するのみであり、圧電振動片の発振周波数に悪影響を与えることなく封止ができる。また、貫通穴の開口部はペレットにより塞がれるので、レーザにより圧電振動片、接続電極およびパッケージが直接照射されて損傷させることなく封止できる。このため、レーザによる損傷およびガスの付着により圧電振動片の発振周波数に悪影響を及ぼさないので、圧電振動片の発振周波数が周波数シフトすることのない、高精度の圧電デバイスを供給できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る圧電デバイスの実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は圧電デバイスを示し、図１（ａ）は圧電デバイスの平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における側面断面図である。また、図２はパッケージの蓋体に形成された穴部を拡大した側面断面図である。圧電デバイス１０のパッケージ１２は矩形のセラミック絶縁基板１４上に枠型の封止リング１６を積層させ、この封止リング１６上にパッケージ１２の蓋体となるリッド１８を設けた箱型の構造である。前記封止リング１６の材質にはコバールを用い、このコバール表面にニッケルメッキおよび金メッキが施されている。
【００１３】
パッケージ１２の内部には片持ち梁型の圧電振動片２０がセラミック絶縁基板１４上に実装されている。この圧電振動片２０の上下両面の中央部には励振電極２２がスパッタリングやメッキ等により形成されている（下面の励振電極は図示せず）。また、圧電振動片２０の片側短辺の両角部に接続電極２４が上下面に連続して設けられている。そして、上面側の励振電極２２が一方の接続電極２４ａに接続してあり、下面側の励振電極２２が他方の接続電極２４ｂに接続している。圧電振動片２０の上下面に形成される各電極は、上面と下面とで対称な形状となっている。
【００１４】
パッケージ１２には圧電振動片２０を実装する一対のマウント電極（図示せず）が、圧電振動片２０の接続電極２４に対応して、厚膜印刷やメッキ等により形成されている。そして、前記マウント電極と接続電極２４とが導電性接着剤２６により接合されることにより、パッケージ１２に実装される。
【００１５】
また、リッド１８はコバール表面にニッケルメッキを施した金属により形成されている。そして、リッド１８には圧電デバイス１０の形成時に、圧電振動片２０の上面に設けられた励振電極２２に接続する接続電極２４ａと対向する上部に穴部２８が設けられている。この穴部２８はパッケージ１２内部を真空にして、図２に示されるペレット３０で封止するために設けられている。またリッド１８に形成される穴部２８は、圧電振動片２０の下面に設けられた励振電極（図示せず）から引き出され、上面に回り込んだ接続電極２４ｂと対向する上部、または接続電極２４ａと接続電極２４ｂとの間の上部に設けてもよいが、好ましくは圧電振動片２０の上面に形成された励振電極２２と接続する接続電極２４ａの上部がよい。
【００１６】
そして、穴部２８は凹部３２および貫通穴３４から構成されている。凹部３２はパッケージ１２の外側に面して設けられ、封止材となるペレット３０を納置する。貫通穴３４は前記凹部３２の下面からパッケージ１２の内側へ貫通し、凹部３２よりも開口面積が小さく形成されている。この貫通穴３４は凹部３２にペレット３０を納置すると、ペレット３０に貫通穴３４の開口部が確実に塞がれる位置、例えば凹部３２の中心部付近に設けられている。
【００１７】
また、ペレット３０は金−錫の合金または金−ゲルマニウムの合金等の金属で薄板状をなし、リッド１８に設けられた凹部３２よりも小さい形状、すなわち、ペレット３０が溶融しても凹部３２より流れ出さない大きさで形成されている。
【００１８】
次に、上記リッド１８およびペレット３０の具体的実施例について説明する。本実施例におけるリッド１８はコバール表面にニッケルメッキを施した金属製で、リッド１８の厚さは７０μｍである。このリッド１８に設けられた穴部２８の凹部３２および貫通穴３４はプレス加工により形成され、凹部３２が深さ４０μｍ、直径２００μｍの円形状であり、貫通穴３４が直径１００μｍの円形の穴である。そして、穴部２８は圧電振動片２０の上面の形成された励振電極２２と接続する接続電極２４ａと対向する位置に設けられている。また、ペレット３０は厚さ３０μｍ、直径１５０μｍの円盤状で、プレス加工により形成される。
【００１９】
このように構成される圧電デバイス１０の形成方法は、まずセラミック絶縁基板１４上に封止リング１６を積層し、セラミック絶縁基板１４上の前記マウント電極に導電性接着剤２６を用いて圧電振動片２０を実装する。次に、リッド１８をシーム溶接によりパッケージ１２の上面に固着する。具体的には、パッケージ１２の上面に接合されたリッド１８の対向する両辺の周縁部に、テーパ状に形成された側面を持つローラ電極を当接させる。前記ローラ電極からリッド１８に高電流を印加すると、リッド１８と封止リング１６との間など電気抵抗の高い部分が発熱し、リッド１８の温度が上昇する。なお、ニッケルメッキの融点である１４５０℃程度にまでリッド１８の温度が上昇するように、前記ローラ電極の電流を調整する。この温度上昇によりリッド１８の表面のニッケルメッキが溶融し、これが封止材料となってリッド１８と封止リング１６との間が気密封止される。なお、前記ローラ電極を回転させつつ、リッド１８の周縁部に沿って移動させることにより、リッド１８の全周を封止リング１６に固着する。
【００２０】
次に、パッケージ１２を真空容器等に入れて前記容器内を真空にする。このとき、パッケージ１２の穴部２８が開口しているので、前記容器内が真空になるとともに、パッケージ１２の内部も真空になる。次に、リッド１８に設けられた凹部３２に納置されたペレット３０にレーザを照射し、ペレット３０を溶融して穴部２８を塞ぐ。このとき、穴部２８の貫通穴３４はペレット３０に塞がれる位置、例えば凹部３２の中央付近に設けられているので、レーザにより圧電振動片２０および接続電極２４が損傷することはない。なお、貫通穴３４の位置は、凹部３２の最大誤差、ペレット３０の最小誤差および貫通穴３４の最大誤差を考慮して決定すればよい。また、ペレット３０の溶融時にガスが発生する場合は、穴部２８の下にある接続電極２４にガスの粒子が付着する。しかし、圧電デバイス１０の圧電振動片２０が発振するときは、圧電振動片２０の中心部の振動エネルギが一番高くなり、端部へ向けて振動エネルギが減衰していき、端部の振動エネルギが一番低くなる。また、圧電振動片２０の接続電極２４部分はパッケージ１２に固定されているので、発振の振動に寄与しない。すなわち、ガスが付着する位置は発振の振動に影響しない部分である。
【００２１】
このような実施の形態によれば、リッド１８に設けられた穴部２８は、圧電振動片２０の発振周波数が周波数シフトを起こし易い励振電極２２の中央部付近でなく、発振の振動に寄与しない接続電極２４に対向する上部に設けられている。このため、ペレット３０の溶融時にガスが発生して穴部２８の下に前記ガスが付着しても、穴部２８の下は圧電振動片２０の発振する振動に寄与しない接続電極２４なので、圧電振動片２０の振動に悪影響を与えることがない。また穴部２８の下部は接続電極２４のみが形成されているので、他の電極同士との短絡を生じることがない。すなわち、パッケージ１２の封止時に圧電振動片２０の発振周波数に周波数シフトを生じさせることがなく、パッケージ１２を封止できる。よって、発振周波数にバラツキのない高精度の圧電デバイス１０を供給できる。
【００２２】
なお、穴部２８を封止するペレット３０にレーザを照射するときは、真空容器の中を真空に保った状態で行っているので、ペレット３０から発生するガスをパッケージ１２の外部に引き出すことができ、接続電極２４に付着するガスの粒子を少なくすることができる。
【００２３】
また、穴部２８を構成する貫通穴３４は、凹部３２に納置されるペレット３０に確実に塞がれる位置に設けられているので、レーザが接続電極２４またはパッケージ１２へ直接照射されることがない。このため、圧電振動片２０、接続電極２４およびパッケージ１２にレーザ照射による損傷を生じさせることがなくパッケージ１２を封止できる。また、穴部２８は圧電振動片２０の発振に影響しない接続電極２４に対向する上部に設けられているので、仮に接続電極にレーザが照射されても発振に影響しない。このため、圧電振動片２０、接続電極２４およびパッケージ１２がレーザに直接照射されることを防止する遮蔽板を設ける必要がなく、圧電デバイス１０を小型化および薄型化を図ることができる。また封止材として、凹部３２への収まりが悪いボール状の封止材を用いるのでなく、薄板状のペレット３０を用いる。薄板状のペレット３０および凹部３２はプレス加工により形成されるので加工精度がよく、ペレット３０を凹部３２に確実に納置できる。このため、ペレット３０を凹部３２へ納置したときに収まりがよく、凹部３２から動くことなく確実にレーザに照射され、圧電振動片２０、接続電極２４およびパッケージ１２を損傷させることがない。
【００２４】
また、リッド１８の材質にはコバール表面にニッケルメッキを施した金属を用いているので、セラミック製のリッドに比べて厚さを薄くすることができる。リッド１８に設けられる穴部２８はプレス加工により形成されるが、金属製のリッド１８はセラミック製のリッドに比べて寸法精度を極めて高くすることができる。また、穴部２８に納置されるペレット３０もプレス加工で形成することにより、小型化および薄型化を図っても寸歩精度の極めて高いペレット３０を供給できる。これにより、穴部２８の寸法を小型化でき、さらにはパッケージ１２も小型化できる。また、穴部２８を構成する凹部３２は、ペレット３０を溶融したときに流れ出さない大きさであればよく、円形状の凹部３２の直径は大きくてもよい。また、凹部３２および貫通穴３４はそれぞれ円形状および円形の穴でなくともよく、凹部３２はペレット３０を確実に納置して、溶融したときに流れ出すことのない形状であれば如何なるものでもよい。この場合、凹部３２の形状に合わせてペレット３０の形状を調整することは言うまでもない。貫通穴３４の開口部は凹部３２にペレット３０を納置したときにペレット３０に確実に塞がれ、リッド１８の下側の開口部が接続電極２４の上部のみに開口した形状であれば如何なるものでもよい。
【００２５】
また、リッド１８に設けられた穴部２８は、圧電振動片２０の上面に形成された励振電極２２に接続する接続電極２４ａと対向する位置に設けられている。すなわち、リッド１８を上面から見ると、リッド１８の一角部に穴部２８が形成されている。このため、穴部２８は圧電振動片２０のマウント部側を認識する等の、圧電デバイス１０の方向認識用のマーカとして利用できる。
【００２６】
本実施の形態では封止リング１６を介してリッド１８を接合するシーム溶接として説明したが、リッド１８を直接セラミック絶縁基板に接合するダイレクトシーム溶接にも適用できる。そして、シーム溶接するとき、およびダイレクトシーム溶接するときに発生する封止歪を穴部で吸収することができる。
【００２７】
また、本実施の形態の圧電デバイス１０はパッケージ１２の内部に圧電振動片２０を実装した圧電振動子であるが、パッケージ１２の内部に半導体集積回路を実装して圧電発振器とすることもできる。また、本実施の形態では圧電振動片２０を用いた圧電デバイス１０としているが、音叉型の圧電振動片や、弾性表面波共振子を用いた圧電デバイスのリッドとしても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態に係る圧電デバイスの説明図である。
【図２】 本実施の形態に係るリッドの穴部を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０………圧電デバイス、１２………パッケージ、１４………セラミック基板、１６………封止リング、１８………リッド、２０………圧電振動片、２４（２４ａ、２４ｂ）………接続電極、２８………穴部、３０………ペレット、３２………凹部、３４………貫通穴。

Claims (3)

1. パッケージの内部に圧電振動片を実装して前記パッケージの上部を蓋体で封止した圧電デバイスにおいて、前記蓋体は金属で形成されており、前記圧電振動片に形成された接続電極と対向する位置の前記蓋体に真空封止用の穴部を設けたことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記穴部は、封止材を納置する凹部と前記凹部下面から前記蓋体を貫通する貫通穴とを設けてなることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記封止材は薄板状のペレットであることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。

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