JP2021158191A - セラミック製のキャップ及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で、ベース板と十分に接合材で接合できるセラミック製のキャップとを提供する。【解決手段】 本発明は、圧電素子（４０）を収納するキャビティを有するセラミック製のキャップ（１０）である。キャップ（１０）は、セラミック製の天板（１１）と、該天板に積層されていてキャビティを形成しているセラミック製の枠体（１１）と、該枠体の天板とは反対面に形成された接合金属層（１７）とを備える。そして、接合金属層の外側の側面（１７ｅ）が、枠体側から鉛直下方に向かって、接合金属層の幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミック製のキャップ及びこのキャップを使用した圧電デバイスに関する。

ベースに実装された圧電素子と、この圧電素子を覆うセラミック製のキャップと、を備える圧電デバイスがある。圧電デバイスの小型化に伴い、セラミック製のキャップとベースとの接合面積が必然的に小さくなり、完全に封止できず、リーク不良が発生し易いという問題がある。このため、特許文献１では、セラミック製のキャップの接合面に凹凸を形成し、しっかりと封止された圧電デバイスが提案されている。

特開２００５−２１６９３２号公報

しかしながら、特許文献１で開示されるキャップの接合面は０．１ｍｍから０．３ｍｍという幅であり、そこに金属膜の凹凸を形成することはコスト的にも技術的にも困難である。そのため、より簡易な構造で、セラミック製のキャップとベースとを接合するとともに、十分な封止ができるセラミック製のキャップ及びそのキャップを使用した圧電デバイスを提供する。

本実施形態は、圧電素子を収納するキャビティを有するセラミック製のキャップである。キャップは、セラミック製の天板と、該天板に積層されていてキャビティを形成しているセラミック製の枠体と、該枠体の天板とは反対面に形成された接合金属層とを備える。そして、接合金属層の外側の側面が、枠体側から鉛直下方に向かって、接合金属層の幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。

また平板及び枠体は矩形である。また、接合金属層の幅は、セラミック製の枠体の幅に対して８０〜９０パーセントである。

また実施形態の圧電デバイスでは、上述したキャップと、平面視で第１平板と同じ形状及び同じ大きさで、圧電素子を支持するベース板と、を備える。そして、ベース板と封止キャップとが接合材によって封止された。

本発明のセラミック製キャップは、接合金属層の外側の側面が、枠体側から鉛直下方に向かって、接合金属層の幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。このため、溶融した封止材が外側の側面に延びてフィレットを形成して、十分な封止ができる。

圧電デバイスのパッケージを構成する構成部材を、分離して描いた斜視図である。 （ａ）は、圧電素子を載置した圧電デバイス１００であり、図１のＡ−Ａ断面図である。 （ｂ）は、図２（ａ）の一部拡大図である。 圧電素子を載置した圧電デバイス２００の断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない

［第１実施形態］
＜パッケージの構成＞
まず、第１実施形態のパッケージについて説明する。図１はパッケージ８０を理解のため、複数の層に分けて描いた図である。図１に示されるように、本実施形態のパッケージ８０は、例えば水晶振動子などの圧電素子４０（図２（ａ）を参照）のパッケージとして用いられるものである。なお図１では図面が煩雑化することを回避するため圧電素子が描かれていない。

図１に示されるように、パッケージ８０は、パッケージ８０の底部を構成する平面視で長方形のセラミック製のベース板３０と平面視で長方形のセラミック製のキャップ１０とが積層されて構成される。セラミック製のキャップ１０は、平板の天井板１１と枠状の枠板１２とからなり、圧電素子４０を収容するキャビティを形成している。セラミック製のキャップ１０は、アルミナ等のセラミックからなる。

天井板１１は、短辺と長辺とからなる長方形の平板である。天井板１１は上面１１Ｕとその反対の下面１１Ｂとを有する。また長方形の天井板１１の角部は、面取りされていてもよい。天井板１１の上面１１Ｕは、パッケージ８０の上表面となる。また下面１１Ｂはその面の全体にわたって金属膜１５が形成される。

枠板１２は、短辺と長辺とからなる長方形の枠体である。枠板１２は上面１２Ｕとその反対の下面１２Ｂとを有する。また長方形の枠板１２の角部は、天井板１１の角部に合わせて面取りされていてもよい。枠板１２の上面１２Ｕは、金属膜１５に接合され、また下面１２Ｂはその面の全体にわたって接合金属層１７が形成されている。図示していないが枠板１２の内周面にも金属膜が形成されてもよい。枠体１２の枠以外の部分は圧電素子４０を包含できる空間になり、平面視で矩形状の空間となっている。

ベース板３０に圧電素子４０が載置され、セラミック製のキャップ１０で封止される。ベース板３０は、アルミナ等のセラミックからなる。ベース板３０は、短辺と長辺とからなる長方形の平板３１であり、上面３１Ｕとその反対の下面３１Ｂとを有する。ベース板３０の大きさは、天板１１の大きさと等しいことが好ましい。ベース板３０の上面３１には、接続バンプ３５が形成されている。またベース板３０の上面３１の外周には、枠体１２の形状に合致するように、接合金属層３７が形成されている。接続バンプ３５は、表面側（＋Ｚ軸方向）から見た場合、接合金属層３７より内側に形成される。接続バンプ３５及び接合金属層３７は、例えばタングステン（Ｗ）からなるメタライズ層の上に、ニッケル（Ｎｉ）メッキ層が形成され、更にニッケルメッキ層の上に金（Ａｕ）メッキ層が形成されたものである。接続バンプ３５にはビア配線３６が形成されている。また、接合金属層３７にはビア配線３８が形成されている。

ベース板３０の下面３１Ｂの外周部には、外部電極３４が複数、例えば４個設けられている。これらの外部電極３４は、パッケージ８０を図示しない外部の基板上に実装する際に対して接合される。ビア配線３６は外部電極３４に接続して、接続バンプ３５と外部電極３４とを導通させている。またビア配線３８は、複数の外部電極３４のうちの１つのアース電極３４Ｅに接続して接合金属層３７とアース電極３４Ｅとを導通させている。天井板１１の金属膜１５は、枠板１２の内周面の金属膜及び下面の接合金属層１７を介して、アース電極３４Ｅに電気的に接続されてもよい。

第１実施形態では、セラミック製のキャップ１０とベース板３０とが共晶金属ＥＡで接合される。図１では、共晶金属ＥＡが枠形状の独立体として描かれているが、セラミック製のキャップ１０の下面１２Ｂ又はベース板３０の接合金属層３７の少なくとも一方に共晶金属ＥＡがスクリーン印刷等の手法によって印刷された状態である。

セラミック製のキャップ１０とセラミック製のベース板３０との接合に用いられる共晶金属（封止材）ＥＡは、外部電極３４を外部電子機器等の外部基板に接続する際に用いる合金（例えば鉛フリーハンダ等）の２５０℃〜２８０℃の融点より高い融点を持つ共晶合金が使用される。共晶合金として例えば、亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌ）系、金スズ（ＡｕＳｎ）系又は銅スズ（ＣｕＳｎ）系で（融点３００℃。合金化後は融点が４００℃を越えるもの）が好ましい。

なお、第１実施形態のパッケージ８０の角部には、外周から内側に凹んだキャスタレーションが形成されていないが、外周から内側に凹んだキャスタレーションが形成されていてもよい。
＜圧電デバイスの構成＞
次に図２を使って、圧電素子４０がパッケージ８０に収納された圧電デバイス１００をさらに詳述する。図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）の点線円ＥＸの拡大図である。

圧電素子４０がＡＴカット又はＳＣカット等の水晶振動片である場合、電位が加えられて振動する振動周波数は水晶片の厚さに反比例するため、その厚さは水晶振動片の振動周波数に応じて決められる。水晶振動片である圧電素子４０は励振電極４１と引出電極４３とを有している。水晶振動片は長辺がＹ軸方向に伸び、短辺がＸ軸方向に伸びる長方形の平板状に形成されている。

水晶振動片の主面表裏（＋Ｚ軸側の各面）にはそれぞれ励振電極４１が形成されている。各励振電極４１は同形状でありＺ軸方向に互いに重なるように形成されている。励振電極４１は長軸がＹ軸方向に伸び、短軸がＸ軸方向に伸びる四角形状又は図示しない楕円形状に形成されており、各励振電極４１からは、水晶振動片のＹ軸側の辺の両端にそれぞれ引出電極４３が＋Ｙ軸側に引き出されている。引出電極４３は接続バンプ３５に導電性接着剤４９などで接着される。

図１及び図２（ａ）に描かれているように、一対の接続パッド３９は、ベース平板３１の上面３１Ｕの＋Ｙ軸側にメタライズ層として形成されている。そして接続バンプ３５が接続パッド３９に上側積層されており、接続バンプ３５の高さをＺ軸方向に高くしている。そして一方の接続バンプ３５は−Ｙ軸方向に貫通電極であるビア配線３６まで伸びており、他方の接続バンプ３５はほぼ正方形に形成され、そこにビア配線３６が形成されている。貫通電極であるビア配線３８が接合金属層３７と外部電極３４の一つであるアース電極３４Ｅ（図１を参照）とを電気的に接続する。図１ではビア配線３８が枠形状の接合金属層３７の角に形成されているが、アース電極３４Ｅと接続しやすい場所であれば、どこにビア配線３８が形成されていてもよい。

図２（ａ）に描かれているように、枠状の枠板１２はその外側の側面１２ｅが、鉛直下方（―Ｚ軸方向）に向かって、幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。枠状の枠板１２の内側の側面１２ｉは、鉛直下方（―Ｚ軸方向）に平行になっている。図２（ａ）には示されていないが、Ｘ軸方向の断面においても、枠状の枠板１２はその外側の側面が、鉛直下方（―Ｚ軸方向）に向かって、幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。より詳細に説明するために、図２（ｂ）に描かれた部分拡大図を使って説明する。

図２（ｂ）に示されるように、枠状の枠板１２はその上面１２Ｕにおいて、枠板１２のＹ軸方向の幅が幅Ｗ１である。幅Ｗ１は具体的には０．０５ｍｍ〜０．１０ｍｍである。枠板１２はその下面１２Ｂにおいて、接合金属層１７が形成されている。その接合金属層１７の外側の側面１７ｅは、枠板１２の外側の側面１２ｅと同様に、鉛直下方（―Ｚ軸方向）に向かって、幅寸法が減ずるようにテーパ状になっている。接合金属層１７の内側の側面１７ｉは、枠板１２の内側の側面１２ｉと同様に、鉛直下方（―Ｚ軸方向）に平行になっている。接合金属層１７の接合面において、接合金属層１７のＹ軸方向の幅は幅Ｗ２である。テーパ角度によって変動するが、接合金属層１７の幅Ｗ２は枠板１２の幅Ｗ１に対して、８０〜９０パーセントである。

ベース板３０の接合金属層３７は、ベース板３０の外側面３０ｅに合わせて形成されている。そして接合金属層３７は、そのＹ軸方向の幅が幅Ｗ１であり、０．０５ｍｍ〜０．１０ｍｍである。つまり、接合金属層３７のＹ軸方向の幅Ｗ１は、枠板１２の上面１２Ｕにおける幅Ｗ１に等しい。Ｙ軸方向において、ベース板３０の外側面３０ｅの位置は、接合金属層１７の側面１７ｅの位置より、外側に配置される。このため共晶金属ＥＡが溶融して硬化された際には、共晶金属ＥＡが接合金属層１７の側面１７ｅにも形成され易くなる。この側面１７ｅに形成される共晶金属ＥＡは、曲線状に接合金属層１７と接合金属層３７をつなぐフィレットになり、キャップ１０とベース板３０とを十分に封止する

［第２実施形態］
＜他のベース板の構成＞
図３は、圧電デバイス２００の断面図である。圧電デバイス２００は、第２実施形態のベース板１３０を使用しているが、第１実施形態の圧電デバイス１００がベース板３０を使用している点で異なる。上記した第１実施形態のベース板３０は、外部電極３４と接続バンプ３５とをビア配線３６で電気的に接続していた。第２実施形態のベース板１３０は、外部電極３４と接続バンプ３５とをビア配線３６及びキャスタレーション電極ＣＴで電気的に接続している。

図３に示されるように、ベース板１３０は、第１板１３１と第２板１３２との２枚で構成されている。そして、第１板１３１の上面３１Ｕには接続バンプ３５が形成され、第１板１３を貫通するビア配線３６ａが形成されている。また第２板１３２の下面３１Ｂの外周部には、外部電極３４が設けられ、この外部電極３４に電気的につながるキャスタレーション電極ＣＴ及び連絡配線３６ｂが形成されている。連絡配線３６ｂは、外部電極３４及びキャスタレーション電極ＣＴとともに同時に形成されている。

ベース板１３０の上面３１Ｕには、接合金属層３７が形成される。第２実施形態のベース１３０であっても、共晶金属ＥＡが溶融して硬化された際には、共晶金属ＥＡが接合金属層１７の側面にも形成され易くなる。

また本実施形態では、アルミナ製パッケージに本発明を適用したが、アルミナに限らず、窒化アルミニウム、ムライト、ガラス等のセラミックあるいはその他の絶縁材料製のパッケージに適用してもよい。

また本実施形態では、片端固定方式の表面実装型圧電装置に本発明を適用したが、両端固定方式の表面実装型圧電装置に適用可能なことはいうまでもない。

また本実施形態では、圧電素子として水晶振動子を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四ほう酸リチウムもしくは圧電セラミックで構成する圧電振動子、弾性表面波素子等を用いた共振子もしくはフィルタにも適用可能である。

また本実施形態では、パッケージ内に圧電素子を単体で収容したものを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、パッケージ内に圧電素子とともにＩＣ等の発振回路を備えて構成した発振器等の電子部品、あるいは半導体素子やチップコンデンサ等の電子部品に適用してもよい。

１０：キャップ
１１：天井板（天板） １２：枠板
１５：金属膜 １７：接合金属層
３０、１３０：ベース板
３１：ベース平板 ３４：外部電極
３５：接続バンプ ３６：ビア配線
３７：接合金属層 ３８：ビア配線
４０：圧電素子 ４１：励振電極 ４３：引出電極
８０：セラミックパッケージ
ＥＡ：共晶金属（接合材）

Claims (4)

1. 圧電素子を収納するキャビティを有するセラミック製のキャップであって、
   セラミック製の天板と、
   該天板に積層されていて前記キャビティを形成しているセラミック製の枠体と、
   該枠体の前記天板とは反対面に形成された接合金属層とを備え、
   前記接合金属層の外側の側面が、前記枠体側から鉛直下方に向かって、前記接合金属層の幅寸法が減ずるようにテーパ状になっているセラミック製のキャップ。
2. 前記平板及び前記枠体は矩形である請求項１に記載のキャップ。
3. 前記接合金属層の幅は、前記セラミック製の枠体の幅に対して８０〜９０パーセントである請求項１又は請求項２に記載のキャップ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のキャップと、
   平面視で前記第１平板と同じ形状及び同じ大きさで、前記圧電素子を支持するベース板と、を備え、
   前記ベース板と前記封止キャップとが接合材によって封止された圧電デバイス。
   

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