JP2007073713A - 圧電デバイス用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 外形寸法が略２．５０ｍｍ×２．００ｍｍであるパッケージのシーム溶接封止を確実にする構造を得ることができる圧電デバイス用パッケージを提供する。
【解決手段】 上面に凹陥部を備えたパッケージ本体１と、この凹陥部を気密封止する金属蓋２とからなり、パッケージ本体１は平板状のセラミック基板１ａ、この該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、該絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたパッケージを構成するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電デバイス用パッケージに関し、特にパッケージのシールリングと金属蓋との寸法関係を改善した圧電デバイス用パッケージに関する。

表面実装型パッケージは圧電振動子、圧電発振器、ＳＡＷデバイス等の圧電デバイス用に広く用いられ、図６はその一例のパッケージ断面図である。図６（ａ）に示すパッケージは、パッケージ本体２０と金属蓋（コバール）２１とを備え、パッケージ本体２０は、平板状のセラミック製基板２０ａの上面及び底面にタングステン（Ｗ）膜を印刷して、内部電極２０ｂと外部電極２０ｃとを形成する。さらに、セラミック製基板２０ａの上面周縁に、上面にタングステン膜を印刷したセラミック製の環状外周壁２０ｄを一体的に立設し、還元雰囲気中で焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、環状外周壁２０ｄの上面に金属製のシールリング２０ｅを銀ろう付し、金属部分にニッケルメッキと金メッキを順次施す。さらに、セラミック基板２０ａの外部電極２０ｃから導出したリード電極２０ｆを、セラミック基板２０ａ、環状外周壁２０ｄを貫通させ、パッケージ本体２０の内底部に設けた複数の電極２０ｂと導通させると共に、一部はシールリング２０ｅと導通させる。
また、図６（ｂ）に示すパッケージは、特開２００５−１０１２２０号公報に開示されたパッケージの構造であって、より小型化に適した構造を有するパッケージの断面図で、パッケージ本体２０’と金属蓋２１とを備える。パッケージ本体２０’は、平板状のセラミック製基板２０’ａの底面にタングステン膜を印刷して外部電極２０ｃを形成すると共に、上面にリード電極を印刷する。セラミック製基板２０ａの上に、上面に電極２０ｂ用のタングステン膜と周縁にメタライズ用のタングステン膜とが印刷された平板状のセラミック製基板２０’ｄを張り合わせて一体化し、焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、セラミック製基板２０’ｄの上面周縁のメタライズ部に、シールリング２０’ｅを銀ろう付けし、金属部分に金メッキを施す。さらに、セラミック基板２０’ａの外部電極２０ｃから導出したリード電極２０ｆを、セラミック基板２０’ａ、２０’ｄを貫通させ、パッケージ本体２０’の内底部に設けた複数の電極２０ｂと導通させる。
上面が開口したセラミックパッケージ本体２０の内底部に形成した電極２０ｂ上に、例えば水晶振動素子を搭載し、該電極２０ｂと水晶振動子のリード電極とを導電性の接着剤等を用いて導通固定すると共に、セラミックパッケージ本体２０のシールリング２０ｅ上に金属蓋２１を載置し、シーム溶接法によりシールリング２０ｅと金属蓋２１とを気密固着して水晶振動子を構成する。シーム溶接は、例えば特開平８−２９０２７２号公報に示されているように、金属蓋２１の対向する縁部に沿ってローラー電極を用い、一定の加圧の下で電源からパルセーション通電を行うことにより、シールリング２０ｅと金属蓋２１との接合部に発生するジュール熱により、金属蓋２１の表面に施したニッケルメッキ（図示せず）が溶融し、シールリング２０ｅ上にある金メッキと共晶を形成して接合される。

図７はシーム溶接工程におけるパッケージ２０と金属蓋２１との位置合わせ（センタリング）治具を示した斜視図であって、同図（ａ）は蓋供給部から供給される金属蓋２１を位置補正部で、Ｘ方向位置補正治具２２とＹ方向位置補正治具２３とを用いて、金属蓋２１を所定の場所に位置決めする。一方、パッケージ供給部から供給されるパッケージ２０は所定の位置に配置し、小型カメラ２４によりその位置、方向等の画像情報を溶接装置の制御部に取り入れる。そして、位置決めした前記の金属蓋２１を吸着治具で吸着し、制御部の画像情報に基づいて金属蓋２１をパッケージ２０の上に載置し、金属蓋２１の周縁二箇所に仮止め用のスポット溶接を行ってから、パルセーション通電を行ってパッケージ２０の気密封止を行う。

図８はパッケージ２０と金属蓋２１との他の位置合わせ治具を示した斜視図であって、同図（ａ）は図７と同様に金属蓋２１のＸ、Ｙ方向の位置を補正して、金属蓋２１を所定の場所に位置決めする。図８（ｂ）に示す治具は、パッケージ本体２０を、Ｘ方向位置補正治具２２ａとＹ方向位置補正治具２３ａとを用いて、所定の場所に位置決めする。そして、位置決めした金属蓋２１を吸着し、パッケージ本体２０の上に載置した後、図８（ｃ）に示すように、パッケージ本体２０のシールリング２０ｅと金属蓋２１とを、Ｘ方向位置補正治具２２ｂとＹ方向位置補正治具２３ｂとを用いて微調整し、金属蓋２１がシールリング２０ｅ上に正確に載置するように調整してから、シーム溶接を行う。
圧電デバイス用パッケージの外形寸法は、３．２ｍｍ×２．５ｍｍ、封止後の高さが０．７ｍｍ程度のものが多く用いられている。小型化にもかかわらず水晶振動子に要求される、例えば低クリスタルインピーダンス化に対する仕様は厳しく、その仕様を満たすためにはできるだけ大きな水晶板を用いる方が望ましい。パッケージの寸法に対して大きな水晶板を収容するためには、パッケージの内部容積を大きくする必要があり、信頼性が確保できる範囲で、パッケージの壁厚を最小にしていた。一例を挙げると、外形寸法３．２ｍｍ×２．５ｍｍのパッケージでは、その壁厚は０．３ｍｍ〜０．４ｍｍであり、シールリングの幅は０．２ｍｍ程度である。
最近、デバイスの更なる小型化、低背化の要請が強く、例えば水晶振動子用のパッケージの外形寸法は、２．５ｍｍ×２．０ｍｍ程度のものが実用化された。壁厚は０．２５ｍｍ程度となり、シールリングの幅は０．１５ｍｍ〜０．１８ｍｍ程度である。このようなシールリング幅の狭い小型パッケージの溶接条件は、確立されたとは言い難く、従来の条件でシーム溶接するとリーク等が発生するおそれがある。

図９（ａ）はパッケージ外形寸法が２．５ｍｍ×２．０ｍｍの一例の平面図、同図（ｂ）はそれに用いられる金属蓋の平面図である。パッケージの外形寸法は略２．５０ｍｍ×２．０ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリングの外形寸法は略２．２６ｍｍ×１．７６ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリングの内形寸法は略１．８０ｍｍ×１．３０ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリング幅は０．２３ｍｍである。金属蓋の外形寸法は金属蓋をパッケージ本体の上面に載置した際に、位置精度の関係でシールリングからはみ出す虞があるので、シールリングの外形寸法よりそれぞれ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍずつ小さくした外形寸法２．１６ｍｍ×１．６６ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）とするのが一般的である。なお、パッケージ本体に金属蓋を封止した後のパッケージの高さは０．５ｍｍ程度となる。
図９に示した従来のパッケージ本体外形寸法２．５ｍｍ×２．０ｍｍと、金属蓋外形寸法２．１６ｍｍ×１．６６ｍｍとを用い、図７、８に示したような位置補正治具を備えた抵抗溶接機でシーム溶接を行ったところ、パッケージ本体と金属蓋とのシーム溶接後の位置関係は、図１０に示す平面図のようになった。ここで、シールリングと金属蓋との重なり合った部分を分かり易くするために、シールリングは破線で示してある。図１０（ａ）の左側の座標軸により溶接状態を記述すると、図１０（ａ）はパッケージ本体に対して金属蓋が＋Ｘ方向にずれて溶接された状態で、図中左側のシールリングと金属蓋との重なり合い部分が狭い。図１０（ｂ）は金属蓋が＋Ｙ方向にずれた状態で、図中下側のシールリングと金属蓋の接合幅が狭くなっている。図１０（ｃ）は金属蓋が＋θ方向に回転して溶接された状態で、図中下側で右端部分の接合幅が狭くなっている。このように、パッケージが小型化されると、従来の位置補正治具ではその機械的精度、カメラの認識精度、可動装置の位置精度等に加え、機械装置に要求されるタクト時間の速さ等より、パッケージ本体と金属蓋とに位置ズレが生じ、シールリングと金属蓋との接合幅が狭くなるものが発生するおそれがあった。

図１１は、パッケージ２．５ｍｍ×２．０ｍｍと金属蓋２．１６ｍｍ×１．６６ｍｍとの長辺側のみをシーム溶接し、溶接部の溶接状態を確認した図である。パッケージのクラックは偏光顕微鏡で観察し、パッケージの銀ろうの溶け出しは顕微鏡で観察した。図１１、１２は、パッケージを硝酸に浸漬して金属蓋を剥離し、溶接状態を写真撮影し、溶接状態、溶接幅等を観察した。溶接装置は日本アビオニクス製ＮＡＷ−１２６７ＣＰを用い、溶接条件はＭＨＣのみを１６から３６の範囲で変化させ、他の条件は一定とした。図１１ではＭＨＣ値を１７から２５まで変化させ、図１２ではＭＨＣ値を２７から３３まで変化させた。ここで、ＭＨＣの値はシーム溶接する際の溶接パワーの強さのレベルを段階的に示す数字であり、数字が大きい程、溶接パワーが強くなる。
図１３は、クラック、銀ろうの溶け出し、及び図１１、１２の観察結果を纏めたもので、上段はＭＨＣの値、下段はその値での溶接状態の判定結果である。判定の○は良好、◎は大変良好、Ｃはクラック、Ａｇは銀ろうの溶け出し、Ｗは溶接幅が広すぎることを示している。溶接幅はシールリングの幅の１／２〜１／３の幅で、且つシールリングの中央部が溶接されたものがよいとされている。これは溶接幅が広い場合の程ではないが、溶接部がパッケージの内側寄り（キャビティ側）であっても、溶接時の所謂スプラッシュが水晶素子へ飛散し、振動子の特性を劣化させる可能性があるからである。図１１ではＭＨＣ値が１７、１９の場合、シーム溶接は一応良好であるが溶接痕跡がキャビティ側にある。ＭＨＣ値が２１、２３では溶接幅が広すぎ、キャビティ側まで溶融している。また、ＭＨＣ値が２５では銀ろうが溶け出している。ＭＨＣ値が２７、３０、３３ではパッケージにクラックが発生し、リーク不良となった。
特開平８−２９０２７２号公報 特開２００５−１０１２２０公報

以上説明したように、外形寸法を略２．２６ｍｍ×１．７６ｍｍ（それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、内形寸法を略１．８０ｍｍ×１．３０ｍｍ（それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）のシールリングを銀ろう付けした従来のパッケージ本体を略２．５０ｍｍ×２．０ｍｍ（それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）に、外形寸法を略２．１６ｍｍ×１．６６ｍｍ（それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）の金属蓋をシーム溶接すると、良好となる溶接条件は、例えばＭＨＣ値の範囲が１７から１９と極めて狭くなる。パッケージ、金属蓋の製造バラツキ、装置の位置合わせ精度の誤差を考慮すると、このような範囲の狭い溶接条件で２．５ｍｍ×２．０ｍｍのパッケージを溶接すると、溶接不良率が大きくなるという問題があった。
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたもので、量産時に溶接の良品率の高い、２．５ｍｍ×２．０ｍｍのパッケージ本体及び金属蓋を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、前記凹陥部を気密封止する金属蓋と、から成り、前記パッケージ本体は平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、前記絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び前記絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、前記凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、前記シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたことを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、パッケージの外形寸法を略２．５０ｍｍ×２．００ｍｍとした請求項１に記載の圧電デバイス用パッケージを特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記金属製シールリングの略外形寸法を２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍ、内形寸法を略１．９８ｍｍ×１．４８ｍｍ、前記金属蓋の外形寸法を略２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍとした請求項１又は２に記載の圧電デバイス用パッケージを特徴とする。

請求項１に記載の本発明によれば、パッケージ本体のシールリング外形寸法と金属蓋外形寸法とを同一としたため、従来の溶接装置に備えられたパッケージ、金属蓋の位置合わせ（センタリング）治具を用いても、パッケージ本体のシールリング上に金属蓋が精度よく載置できるので、溶接条件の範囲が広がり、溶接の信頼性が大幅に改善されるという利点がある。同時に、シールリングの内形寸法が従来のパッケージのそれより大きくできるので、より大きな水晶板を収容できるという利点もある。
請求項２、３に記載の本発明によれば、パッケージの外形寸法、シールリングの外形及び内径寸法、金属蓋の外形寸法を明示したので、容易にパッケージ本体及び金属蓋を製作することができるという利点がある。

図１（ａ）は本発明に係るパッケージ構造の実施の形態を示す模式的断面図であって、パッケージ本体１と金属蓋２とを備える。パッケージ本体１は、平板状のセラミック製基板１ａの上面及び底面にタングステン（Ｗ）膜を印刷して内部電極１ｂと外部電極１ｃとを形成すると共に、セラミック製基板１ａの上面周縁に、上面にタングステン膜を印刷したセラミック製の環状外周壁１ｄを一体的に立設し、焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、環状外周壁１ｄの上面に金属製のシールリング１ｅを銀ろう付し、金属部分に金メッキを施す。さらに、セラミック基板１ａの外部電極１ｃから導出したリード電極１ｆを、セラミック基板１ａ、環状外周壁１ｄを貫通させ、パッケージ本体１の内底部に設けた複数の電極１ｂと導通させると共に、一部はシールリング１ｅと導通させる。
図１（ｂ）は、（ａ）の構造のパッケージをより小型化に適したパッケージ構造としたものであって、パッケージ本体１’と金属蓋２とを備える。パッケージ本体１’は、平板状のセラミック製基板１’ａの底面にタングステン膜を印刷して外部電極１ｃを形成すると共に、上面にリード電極を印刷する。セラミック製基板１’ａの上面に、平板状のセラミック製基板１’ｄを張り合わせて一体化する。平板状のセラミック製基板１’ｄの上面の周縁には環状にタングステン膜を印刷すると共に、中央よりはずれて電極１ｂ用のタングステン膜を印刷する。平板状のセラミック製基板１’ａ、１’ｄを焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、セラミック製基板１’ｄの上面周縁のメタライズ部に、シールリング１’ｅを銀ろう付けした後、金属部分にニッケルメッキと金メッキを順次施す。さらに、セラミック基板１’ａの外部電極１ｃから導出したリード電極１ｆを、セラミック基板１’ａ、１’ｄを貫通させ、パッケージ本体１’の内底部に設けた複数の電極１ｂと導通させる。
図２（ａ）はパッケージ本体１’（図１（ｂ）のパッケージ）の平面図であって、外形寸法は略２．５０ｍｍ×２．００ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリングの外形寸法は略２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリングの内形寸法は１．９８ｍｍ×１．４６ｍｍ（但し、それぞれ±０．０５ｍｍの誤差を含む）、シールリング幅は０．１８ｍｍである。図２（ｂ）は金属蓋２の平面図であって、外形寸法は略２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍ（但し、それぞれ±０．０２ｍｍの誤差を含む）である。

図１、２に示したように、本発明の特徴は、シールリングの外形寸法と金属蓋との外形寸法を同一としたことである。
シールリングと金属蓋との外形寸法を同一としたことにより、例えば図８（ｃ）の位置合わせ治具により、シールリングと金属蓋との重なり具合を微調整することにより、図１０（ａ）、（ｂ）で説明したＸ方向、あるいはＹ方向のずれは起こりにくい。また、シールリングと金属蓋との外形寸法を同一としたことにより、図１０（ｃ）のθ方向のずれも起こりにくくなる。

図３、４は本発明のパッケージ本体と金属蓋とを用いて、図１１、１２と同じ溶接条件で、パッケージの長辺側のみをシーム溶接した場合の溶接部の写真である。パッケージのクラックは偏光顕微鏡で観察し、パッケージの銀ろうの溶け出しは顕微鏡で観察した。溶接部は、パッケージを硝酸に浸漬して金属蓋を剥離し、溶接状態を写真撮影し、溶接状態、溶接幅等を観察した。図３、４は、ＭＨＣ（シーム溶接する際の電圧×電流、パワーに相当する値）の値を１８から３４まで変化させた場合の溶接状態の写真である。図５は溶接状態の判定結果の一覧表である。ＭＨＣ値が１８から２８まで、溶接状態は極めて良好であることは、例えば図３のＭＨＣ値が２０から２８の写真からも読みとれる。つまり、溶接幅がシールリングの半分程度であり、しかも溶接部分がパッケージの外側寄りに形成されている。その上、パッケージにはクラックの発生が見られなかった。
図４の写真に示すように、ＭＨＣの値が３２、３４ではシームリングの下部に設けた銀ろうが溶け出しており、溶接のパワーが強すぎるものと考えられる。図５の判定結果に示すように、本発明のパッケージ本体と金属蓋とを用いて、小型表面実装型の水晶振動子を生産すれば、従来のパッケージのシールリングの内形寸法が略１．８０ｍｍ×１．３０ｍｍであるのに対し、本発明のパッケージのシールリングの内形寸法は略１．９８ｍｍ×１．４６ｍｍであり、パッケージの内容積（キャビティ）が大きくなることが分かる。更に、溶接条件の範囲は、従来のパッケージのＭＨＣ値が１７から１９であるのに対し、本発明のパッケージでは、ＭＨＣ値が１８から２８と大幅に広がり、シーム溶接の信頼性の範囲が大幅に広がったことが判明した。

（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明に係るパッケージの構造を示した概略断面図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明に係る表面実装型パッケージ本体及び金属蓋の平面図である。 本発明に係るパッケージの長辺側の溶接写真であり、ＭＨＣ値を１８から２８まで変化させたときの図である。 本発明に係るパッケージの長辺側の溶接写真であり、ＭＨＣ値を３２から３４まで変化させたときの図である。 溶接条件ＭＨＣと本発明のパッケージの溶接部の判定結果を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の表面実装型パッケージの断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は溶接装置に用いられるパッケージの位置合わせ工程の治具を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は溶接装置に用いられるパッケージの位置合わせ工程の治具を示す図である。 （ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の表面実装型パッケージ本体及び金属蓋の平面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ溶接状態の例を示した平面図である。 従来のパッケージの長辺側の溶接写真であり、ＭＨＣ値を１７から２５まで変化させたときの図である。 従来のパッケージの長辺側の溶接写真であり、ＭＨＣ値を２７から３３まで変化させたときの図である。 溶接条件ＭＨＣと従来のパッケージの溶接部の判定結果を示す図である。

符号の説明

１、１’ パッケージ本体、１ａ、１’ａ、１’ｄ 平板状のセラミック基板、１ｂ パッケージ本体内部の電極、１ｃ パッケージ本体外部の電極、１ｄ セラミックの環状外周壁、１ｅ、１’ｅ シールリング、１ｆ リード電極、２ 金属蓋

Claims (3)

1. 上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、前記凹陥部を気密封止する金属蓋と、から成り、前記パッケージ本体は平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、前記絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び前記絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、前記凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、
   前記シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたことを特徴とする圧電デバイス用パッケージ。
2. パッケージの外形寸法を略２．５０ｍｍ×２．００ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス用パッケージ。
3. 前記金属製シールリングの略外形寸法を２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍ、内形寸法を略１．９８ｍｍ×１．４８ｍｍ、前記金属蓋の外形寸法を略２．３４ｍｍ×１．８４ｍｍとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス用パッケージ。