JP2006287423A - Piezoelectric device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に用いられる圧電振動子又は圧電発振器等の圧電デバイス及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric device such as a piezoelectric vibrator or a piezoelectric oscillator used in an electronic device such as a portable communication device or an electronic computer, and a manufacturing method thereof.
従来、圧電素板の両主面に電極を形成した圧電振動素子を気密パッケージ内部に搭載した、例えば、圧電振動子や、圧電振動子と発振回路とを同一のパッケージ内に搭載した圧電発振器、あるいは、特定の周波数帯を分離する圧電フィルタ等の圧電デバイスが、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に多用されている。そして近年、表面実装に対応した形状の圧電デバイスが開発され、電子機器の小型化薄型化に伴って、電子機器内に搭載する圧電デバイスも小型化薄型化が進められている。 Conventionally, piezoelectric vibration elements in which electrodes are formed on both main surfaces of a piezoelectric element plate are mounted in an airtight package. For example, a piezoelectric vibrator, a piezoelectric oscillator in which a piezoelectric vibrator and an oscillation circuit are mounted in the same package, Alternatively, piezoelectric devices such as a piezoelectric filter that separates a specific frequency band are frequently used in electronic devices such as portable communication devices and electronic computers. In recent years, piezoelectric devices having a shape corresponding to surface mounting have been developed, and along with downsizing and thinning of electronic devices, piezoelectric devices mounted in electronic devices are also being downsized and thinned.
かかる従来の圧電デバイスの一例としては、図5に圧電材として水晶を使用した水晶振動子を示す。容器体21のキャビティ部空間内底面には、一対の素子接続用電極パッドが設けられている。この素子接続用電極パッド上には、導電性接着材を介して電気的に接続される一対の励振電極を表裏主面に有した水晶振動素子22が搭載されており、この水晶振動素子22を囲繞する容器体21の側壁頂部には導体パターン層23が形成されている。
As an example of such a conventional piezoelectric device, FIG. 5 shows a crystal resonator using quartz as a piezoelectric material. A pair of element connection electrode pads are provided on the bottom surface of the
この導体パターン層23の上に金属製の蓋体24を被せ、熱圧着等で導体パターン層23と蓋体24とを接合することにより、水晶振動素子22の搭載空間(キャビティ部空間)を気密封止した水晶振動子である。(例えば、下記特許文献1を参照。)
By covering the
また、前記蓋体24は、従来周知の金属加工法を採用し、42アロイ等の金属を所定形状に成形することによって製作される。前記蓋体24の上面には、ニッケル(Ni)層が形成され、更にニッケル(Ni)層の上面に金(Au)層が形成され、封止材であるクラッド化された金錫(Au−Sn)層が形成される。
The
かかる水晶振動子は、容器体21の下面に設けられる入出力端子並びにグランド端子等の外部端子25を介して水晶振動素子22の励振電極間に外部からの変動電圧が印加されると、水晶振動素子22の特性に応じた所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっており、その共振周波数に基づいて外部の発振回路で所定周波数の基準信号が発振・出力される。このような基準信号は携帯用通信機器等の電子機器におけるクロック信号として利用されることとなる。
When such a crystal resonator is applied with a variable voltage from the outside between the excitation electrodes of the
前述のような水晶振動子等を含む圧電デバイスについては、以下のような文献が開示されている。
尚、出願人は、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに到らなかった。 In addition, the applicant did not come to discover prior art documents related to the present invention by the time of filing of the present application other than the prior art documents specified by the above prior art document information.
しかしながら、従来の圧電デバイスでは、パッケージを構成する蓋体に形成されていた封止材が熱圧着等によって溶融し、蓋体本体のパッケージ内部側の表面に形成されている金属層上に濡れ広がり、高温加熱時に濡れ広がった封止材からガスが発生する場合がある。このガス成分がパッケージ内部に搭載されている圧電振動素子に付着したり、圧電振動素子に形成されている励振電極に悪影響を与えたりすることにより、圧電デバイスとしての発振周波数や周波数温度特性が変動してしまう可能性がある欠点があった。 However, in the conventional piezoelectric device, the sealing material formed on the lid constituting the package is melted by thermocompression bonding or the like, and wets and spreads on the metal layer formed on the surface inside the package of the lid body. In some cases, gas is generated from the encapsulating material that spreads wet during high-temperature heating. Oscillation frequency and frequency temperature characteristics of the piezoelectric device fluctuate when this gas component adheres to the piezoelectric vibration element mounted inside the package or adversely affects the excitation electrode formed on the piezoelectric vibration element. There was a drawback that could end up.
また、圧電デバイスの小型化薄型化が進むことにより、前記蓋体のパッケージ内部側表面の金属層に濡れ広がった封止材と圧電振動素子の空間が著しく狭くなり、この封止材と圧電振動素子の間で浮遊容量が発生し発振周波数が変動してしまう恐れがある。 In addition, as the size and thickness of the piezoelectric device progresses, the space between the sealing material and the piezoelectric vibration element wetted and spread on the metal layer on the inner surface of the package of the lid body is remarkably narrowed. There is a possibility that the stray capacitance is generated between the elements and the oscillation frequency fluctuates.
本発明は上記欠点に鑑みて考案されたものであり、その目的は、発振周波数や周波数温度特性に生じる不要な変動が著しく少ない圧電デバイスを提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above drawbacks, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric device in which unnecessary fluctuations that occur in the oscillation frequency and frequency temperature characteristics are remarkably small.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、矩形状の容器体の内部空間に圧電振動素子が搭載されており、この容器体の側壁頂部には容器体の開口部を覆う矩形状の蓋体が配置されており、この蓋体と容器体の側壁頂部とに設けた導体パターン層とを封止材を用いて固着し、容器体内の圧電振動素子を気密封止している圧電デバイスにおいて、
蓋体の外周辺縁部に金属層が形成されており、且つ金属層と封止材との濡れ性が、蓋体本体を形成する金属と封止材との濡れ性より良好であることを特徴とする圧電デバイスである。
The present invention has been made in view of the above problems, and a piezoelectric vibration element is mounted in an internal space of a rectangular container body, and a rectangular top covering the opening of the container body is provided at the top of the side wall of the container body. A piezoelectric device in which a lid is arranged and the lid and the conductor pattern layer provided on the top of the side wall of the container are fixed using a sealing material, and the piezoelectric vibration element in the container is hermetically sealed In
The metal layer is formed on the outer peripheral edge of the lid, and the wettability between the metal layer and the sealing material is better than the wettability between the metal forming the lid body and the sealing material. The piezoelectric device is characterized.
また、矩形状の容器体の内部空間に圧電振動素子を搭載し、この容器体の側壁頂部に容器体の開口部を覆う矩形状の蓋体を配置し、この蓋体と容器体の側壁頂部に設けた導体パターンとを封止材を用いて固着し、容器体内の圧電振動素子を気密封止する圧電デバイスの製造方法において、
複数個の蓋体の形成領域を有している金属基板を準備し、この金属基板の表面に金属層をメッキ処理により形成するとともに、各々の蓋体形成領域内の外周辺縁部以外の箇所に形成した金属層をエッチング処理により除去する工程Aと、金属基板の各蓋体形成領域内の外周辺縁部に残した金属層の上に封止材を被着し、金属基板及び金属層をダイシングにより各蓋体形成領域外周に沿って切断し、個々の蓋体に分割する工程Bと、容器体内部に圧電振動素子を搭載し、上記工程A及び上記工程Bにより形成された蓋体を、圧電振動素子が気密封止されるように容器体の開口部に載置し、封止材と導体パターン層とを接合する工程Cとを具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法である。
In addition, a piezoelectric vibration element is mounted in the internal space of the rectangular container body, and a rectangular lid body that covers the opening of the container body is disposed on the side wall top portion of the container body. In the method of manufacturing a piezoelectric device that adheres the conductive pattern provided on the substrate using a sealing material and hermetically seals the piezoelectric vibration element in the container body,
A metal substrate having a plurality of lid formation areas is prepared, a metal layer is formed on the surface of the metal substrate by plating, and locations other than the outer peripheral edge in each lid formation area And removing the metal layer formed on the metal substrate by etching, and applying a sealing material on the metal layer left on the outer peripheral edge in each lid forming region of the metal substrate. Is cut along the outer periphery of each lid body formation region by dicing, and divided into individual lid bodies, and a piezoelectric vibration element is mounted inside the container body, and the lid body formed by the above-described process A and the above-mentioned process B Is mounted on the opening of the container body so that the piezoelectric vibration element is hermetically sealed, and a process C for joining the sealing material and the conductor pattern layer is provided. It is.
本発明の圧電デバイス及びその製造方法によれば、蓋体の容器体との封止面側の外周辺縁部にのみ、蓋体本体を形成する金属よりも、蓋体表面に形成された金属層との濡れ性が良好な封止材が形成されていることにより、パッケージ内部の蓋体本体の金属が露出した部分に封止材が濡れ広がることを防止するので、パッケージ内部の封止材表面から発生するガスを極めて微量することができる。また、パッケージ内部の蓋体本体の金属が露出した部分に封止材が濡れ広がることを防止できるので、蓋体と圧電振動素子の励振電極間の空間を設計値通りに確保でき、不要な浮遊容量が生じない。 According to the piezoelectric device and the method of manufacturing the same of the present invention, the metal formed on the surface of the lid body rather than the metal forming the lid body only on the outer peripheral edge of the lid body on the sealing surface side with the container body. Since the sealing material with good wettability with the layer is formed, the sealing material prevents the sealing material from spreading on the exposed portion of the metal inside the lid body inside the package. A very small amount of gas generated from the surface can be obtained. In addition, since the sealing material can be prevented from getting wet and spread on the exposed parts of the lid body inside the package, the space between the lid and the excitation electrode of the piezoelectric vibration element can be secured as designed, and unnecessary floating There is no capacity.
因って、本発明により、発振周波数や周波数温度特性等の不要な変動が著しく少ない圧電デバイスを提供できる効果を奏する。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric device in which unnecessary fluctuations such as oscillation frequency and frequency temperature characteristics are extremely small.
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明おける圧電デバイスを圧電デバイスの一つである水晶振動子を例に、その水晶振動子を蓋体側斜め上方より図示した分解斜視図である。図2において、(a)は図1に記載の水晶振動子を組み立てた場合を示した側面断面図であり、(b)は(a)に記載の点線円A部分を拡大して図示した部分断面図である。図3において、(a)は図1及び図2に記載の蓋体の一形態を容器体接合面側から図示した斜視図であり、(b)は図1及び図2に記載の蓋体の他の形態を容器体接合面側から図示した斜視図である。尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示していない。又、各寸法も一部誇張して図示しており、特に各図における厚み寸法成分は著しく誇張して図示している。更に、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a crystal resonator as an example of the piezoelectric device according to the present invention, which is an example of a crystal resonator that is one of the piezoelectric devices, from an obliquely upper side of the lid. 2A is a side cross-sectional view showing a case where the crystal unit shown in FIG. 1 is assembled, and FIG. 2B is an enlarged view of the dotted circle A portion shown in FIG. It is sectional drawing. 3A is a perspective view illustrating one form of the lid described in FIG. 1 and FIG. 2 from the container body joining surface side, and FIG. 3B is a perspective view of the lid illustrated in FIG. 1 and FIG. It is the perspective view which illustrated another form from the container body joint surface side. In each figure, a part of the structure is not shown for the sake of clarity. Each dimension is also partially exaggerated, and the thickness dimension component in each figure is particularly exaggerated. Furthermore, the same reference numerals in the drawings indicate the same objects.
即ち、図1及び図2に示す水晶振動子は、大略的に、容器体1と、圧電振動素子としての水晶振動素子2と、蓋体3とで構成されている。容器体1は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数積層することによって形成されており、その上面には、中央域に矩形状に開口するキャビティ部4が、又このキャビティ部4を形成する側壁部頂部に、このキャビティ部4の開口部を囲繞する環状の導体パターン層6が形成され、容器体1の外側下面には入力端子、出力端子及びグランド端子を含む複数個の外部接続用端子電極7がそれぞれ設けられている。
That is, the crystal resonator shown in FIGS. 1 and 2 is generally configured by a
かかる容器体1のキャビティ部4内の底面に設けられている一対の素子搭載パッド5は、その上面側で後述する水晶振動素子2の励振電極と、導電性接着材8を介して電気的に接続され、下面側で容器体1に形成された導体パターン層6や、容器体の構造内部に形成されるビア導体等を介して容器体1外側下面の入出力端子(入力端子、出力端子)に電気的に接続される。
A pair of
一方、導体パターン層6は、その上面側で後述する蓋体3に封止材10を介して電気的に接続され、下面側で容器体1の構造内部のビア導体等を介して容器体1外側下面の外部接続用端子電極7の1つであるグランド端子に電気的に接続される。
On the other hand, the
水晶振動素子2は、一塊の人工水晶体より所定の結晶軸でカットし研磨加工した平板状の水晶片の両主面に、一対の励振電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の励振電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で励振振動を起こす。このような水晶振動素子2は、その両主面に被着されている励振電極と容器体上面の対応する搭載パッド5とを導電性接着材8を介して電気的・機械的に接続することによって容器体1のキャビティ部4底面に搭載される。
The
導電性接着材8は、シリコン樹脂やポリイミド樹脂等から成る樹脂材料中にAg等から成る導電性粒子を所定量、添加・混合してなるものである。
The
そして更に、容器体1のキャビティ部4の開口部周縁には、蓋体3が取着されている。蓋体3としては、42アロイやコバール,リン青銅等を用いれば良く、蓋体3の容器体接合側表面の外周辺縁部には、Ni、Auの金属層9が形成され、金属層9の上には金錫(Au−Sn)等の封止材10が被着されている。蓋体3の外周辺縁部に形成された封止材10と容器体1の導体パターン層6とが環状に密接することによって、蓋体3が容器体1の側壁部頂部上に取着されキャビティ部4が気密封止される。
Furthermore, a
蓋体3の容器体接合側表面の外周辺縁部に形成されているNi,Au等の金属層9は、メッキ処理により形成されたものであり、金錫(Au−Sn)等の封止材10との間の濡れ性が、蓋体本体を構成する金属である42アロイ及びコバール等と比較して良好である。よって、蓋体3と容器体1と気密封止した際、封止材10は金属層9が形成されている箇所にのみに濡れ広がり、蓋体3の容器体接合側表面の金属膜9が形成されていない部分には封止材10が濡れ広がることがないので、高温加熱時に封止材10表面から発生するガスの量を極めて少なくすることができ、このガスに起因する発振周波数や周波数温度特性の変動を防止することが可能となる。また、封止材10が前記水晶振動素子2の励振電極の対向する位置の蓋体3の容器体接合側表面に濡れ広がることはないので、水晶振動素子2の励振電極と封止材10との間で浮遊容量が発生しないことによって、発振周波数が変動することを抑制することが可能となる。
The
蓋体3は、容器体1とで囲まれるキャビティ部4内に水晶振動素子2を収容して気密封止するためのものであり、また先に述べた導体パターン層6を介して容器体1外側下面の外部接続用端子電極7のうちのグランド端子に接続される。よって、水晶振動子の使用時、外部のマザーボード等の電子回路網に外部端子電極7を用いて接続すると、蓋体3は、グランド電位に保持されることとなり、水晶振動素子2が蓋体3のシールド効果によって外部からの不要な電気的作用、例えばノイズ等から良好に保護される。
The
尚、蓋体3の容器体接合側表面に形成された金属層9の形態としては、後述する製造方法により、図3(a)のように容器体接合側表面の外周辺縁部のみに金属層9を形成した形態の他に、図3(b)のように、蓋体3の容器体接合側表面全面に形成した金属層9のうち、外周辺縁部の内側の一部を帯状且つ環状に除去した形態をしている。
In addition, as a form of the
次に本発明における圧電デバイスの製造方法を、上述した水晶振動子の製造方法を例に図4を用いて説明する。
ここで、図4(a)〜(e)は本発明の製造方法を水晶振動子を例示して説明するための斜視工程図である。
Next, a method for manufacturing a piezoelectric device according to the present invention will be described with reference to FIG.
Here, FIGS. 4A to 4E are perspective process diagrams for explaining the manufacturing method of the present invention by exemplifying a crystal resonator.
(工程A)
まず、図4(a)及び図4(c)に示す如く、複数個の蓋体形成領域を有している金属基板11を準備し(図4(a))、金属基板11の一方の主面上に金属層9をメッキ処理により形成する(図4(b))とともに、各々の蓋体形成領域の外周辺縁部以外の箇所に形成された金属層9をエッチング処理により除去する(図4(c))。まず、金属基板11が42アロイやコバール、リン青銅等からなり、金属層9は、ニッケル(Ni)、金(Au)の順に積層形成されている。この金属基板11の各蓋体形成領域の外周辺縁部にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理を施すことにより、外周辺縁部以外の金属層9が除去される。次にエッチングレジストを除去し、各蓋体形成領域の外周辺縁部にだけに金属層9が形成されている構造になる。
(Process A)
First, as shown in FIGS. 4A and 4C, a
(工程B)
次に図4(d)において、金属基板11の蓋体形成領域内に残された金属層9の上に金錫(Au−Sn)等のろう材である封止材10を被着し、金属基板11の各蓋体形成領域内の外周の各切断線Bに沿って切断することにより、各々の蓋体形成領域をその周囲の捨代領域より切り離す。金属基板11の切断はダイサーを用いたダイシング等によって行なわれ、かかる切断工程を経て金属基板11が個々の蓋体形成領域毎に分割される。これにより複数個の蓋体3が同時に得られる。
(Process B)
Next, in FIG.4 (d), the sealing
(工程C)
図4(e)に示す如く、容器体1のキャビティ部4内に水晶振動素子2が収容されている。容器体1の内部には水晶振動素子2が収容されている。例えば、容器体1をセラミック材料により形成する場合は、セラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に配線導体となる導体ペーストを所定パターンに印刷・塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作し、得られた容器体1のキャビティ部4に水晶振動素子2を搭載する。このとき、水晶振動素子2の励振電極と容器体1のキャビティ部4に設けられている素子搭載パッド5とは導電性接着材8を介して電気的・機械的に接続される。そして、容器体1の側壁部頂部の導体パターン層6の上に上記工程で作成した蓋体3を載置し、蓋体3に形成した封止材10と容器体1に形成した導体パターン層6とを密接することによって、蓋体3が容器体1の側壁部頂部上に取着し且つキャビティ部4が気密封止される。このような工程を経て水晶振動子が組み立てられる。
(Process C)
As shown in FIG. 4E, the
尚、本発明は上述の実施形態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において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上述した実施形態においては、水晶振動子で説明を行ったが、容器体に水晶振動素子とそれと電気的に接続する発振回路を具備した集積回路素子を搭載した水晶発振器であっても構わない。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the description has been given of the crystal resonator. However, a crystal oscillator in which an integrated circuit element including a crystal resonator element and an oscillation circuit electrically connected to the container is mounted on the container body may be used. Absent.
又、上記実施例では圧電材料として水晶を用いた水晶振動素子を搭載した水晶振動子を例示したが、他にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム又は圧電セラミックスを圧電材として用いた圧電振動素子を搭載した圧電デバイスでも良い。更に上述した実施形態においては、圧電振動素子として水晶振動素子を用いた水晶振動子を例にとって説明したが、これに代えて、圧電振動素子として弾性表面波(SAW)フィルタ等の他の圧電振動素子を用いる場合にも本発明は適用可能である。 Further, in the above embodiment, the quartz resonator including the quartz resonator element using quartz as the piezoelectric material is illustrated, but the piezoelectric resonator element using lithium tantalate, lithium niobate or piezoelectric ceramic as the piezoelectric material is also mounted. A piezoelectric device may be used. Further, in the above-described embodiment, the description has been given by taking as an example a crystal resonator using a crystal resonator as the piezoelectric resonator, but instead of this, other piezoelectric resonators such as a surface acoustic wave (SAW) filter are used as the piezoelectric resonator. The present invention is also applicable when using an element.
1・・・容器体
2・・・水晶振動素子(圧電振動素子)
3・・・蓋体
4・・・キャビティ部
5・・・素子搭載パッド
6・・・導体パターン層
7・・・外部接続用端子電極
8・・・導電性接着材
9・・・金属層
10・・・封止材
11・・・金属基板
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (2)
該蓋体の外周縁部に金属層が形成されており、且つ該金属層と該封止材との濡れ性が、該蓋体本体を形成する金属と該封止材との濡れ性より良好であることを特徴とする圧電デバイス。 A piezoelectric vibration element is mounted in the internal space of the rectangular container body, and a rectangular lid body that covers the opening of the container body is disposed on the top of the side wall of the container body. In the piezoelectric device in which the conductive pattern layer provided on the top of the side wall is fixed using a sealing material, and the piezoelectric vibration element in the container is hermetically sealed,
A metal layer is formed on the outer peripheral edge of the lid, and the wettability between the metal layer and the sealing material is better than the wettability between the metal forming the lid body and the sealing material A piezoelectric device characterized by the above.
複数個の該蓋体の形成領域を有している金属基板を準備し、該金属基板の表面に金属層をメッキ処理により形成するとともに、各々の蓋体形成領域内の外周辺縁部以外の箇所に形成した該金属層をエッチング処理により除去する工程Aと、
該金属基板の各蓋体形成領域内の外周辺縁部に残した該金属層の上に封止材を被着し、該金属基板及び該金属層をダイシングにより各蓋体形成領域外周に沿って切断し、個々の蓋体に分割する工程Bと、
容器体内部に圧電振動素子を搭載し、該工程A及び該工程Bにより形成された蓋体を、前記圧電振動素子が気密封止されるように、該容器体の開口部に載置し、該封止材と導体パターン層を接合する工程Cと
を具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 A piezoelectric vibration element is mounted in the inner space of the rectangular container body, a rectangular lid body is disposed on the top of the side wall of the container body to cover the opening of the container body, and the lid body and the top of the side wall are provided. In the method for manufacturing a piezoelectric device for fixing the conductive pattern layer with a sealing material and hermetically sealing the piezoelectric vibration element in the container body,
A metal substrate having a plurality of lid formation regions is prepared, a metal layer is formed on the surface of the metal substrate by plating, and other than the outer peripheral edge in each lid formation region A step A of removing the metal layer formed at the location by etching;
A sealing material is applied on the metal layer left on the outer peripheral edge in each lid forming region of the metal substrate, and the metal substrate and the metal layer are diced along the outer periphery of each lid forming region. Cutting B and dividing into individual lids,
A piezoelectric vibration element is mounted inside the container body, and the lid formed by the step A and the step B is placed on the opening of the container body so that the piezoelectric vibration element is hermetically sealed, A method of manufacturing a piezoelectric device, comprising: a step C of bonding the sealing material and the conductive pattern layer.
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