JP4277259B2 - 圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法に係り、振動片を真空密閉もしくは不活性ガス雰囲気で密閉する際の孔封止を簡易に行えるようにした圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
音叉型振動片に代表される圧電振動片はセラミックパッケージに真空密閉状態もしくは不活性ガス雰囲気で実装されている。代表的に真空密閉する場合を例にとれば、マウント空間が形成されているパッケージに振動片をマウントし、リッドをセッティングした後、真空槽中に置くことにより、パッケージベースもしくはリッド側に開けた孔を通じて予めパッケージ内部を真空にしておき、孔に装着したボールを加熱手段によって溶融して孔を塞いで密閉する方法を採用している。
【0003】
具体的工程は次のようになる。セラミックパッケージにマウント機を用いて圧電振動片をマウントし、次いで、硬化炉にて硬化処理を行う。パッケージの開口にリッドとなるガラスをセットし、封止炉にてガラス封止を行う。その後、アニール炉によりアニール処理をなし、予めパッケージに穿孔されている封止孔にボールをセットし、真空槽に入れる。レーザ照射装置などの孔封止機を用いて孔封止処理をなし、リッド側から振動片の周波数調整を行い、最終的に特性検査を行って製品として出荷される。
【0004】
ところで、上述した従来のデバイスの製造工程では、セラミックパッケージ内を真空封止する処理は、Au/Snボールをセラミックパッケージの孔の開口部分に置いて、レーザで溶融させて孔封止を行う方法が採用されている。
【0005】
しかし、封止孔部分にセットする際にボールがかすかな衝撃によっても落下紛失したり、封止ボールを封止のために溶融すると、これが振動片のマウント室内部側に盛り上がって固化してしまって振動障害となったりする問題がある。前者の問題には、封止孔の構造を小径孔と大径孔の2種類の孔を有するセラミックベースを複数積層して段差付き封止孔とし、セットしたボールが逃げ落ちないようにしている。後者の問題に対しては段差つきの封止孔の段差部分にAu/Snボールと濡れ性のある金属層を形成しておき、ボールを溶融したときに金属層部分に溶融金属が留まってパッケージ内部に流動しないようにした構造のものが提案されている。特許文献1に記載の例は、図7に示しているように、両者の問題を同時に解決したもので、次のように構成されている。
【0006】
この例は、圧電振動子用パッケージであって、上面に圧電振動片3の搭載部1aを有するとともに上面から下面にかけて貫通孔6が設けられた略平板状のパッケージベース1と、パッケージベース1の上面に接合され、パッケージベース1との間の空間に圧電振動片3を気密に収容するリッド2とから成っている。前記貫通孔6は封止孔を構成するもので、上面側の第1の孔6aと、第1の孔6aより開口が大きな下面側の第2の孔6bとから成るとともに、第1孔6aの第2孔6b側の開口の周辺に封止用金属部材7を取着するための金属層8が被着されている。これにより、貫通孔6が確実に封止されるとともに、封止部材がパッケージベース1の上面や下面に突出することがない。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−106515号
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の方法は、いずれもAu/Snボールを使用する工程であり次のような問題点を有していた。
第1に、Au/Snボールは高価であるため、全体的なコストアップの要因となっていた。第2に、孔封止部のセラミックが上面側の第1の孔6aと、第1の孔6aより開口が大きな下面側の第2の孔6bを形成するために少なくとも2層必要で厚くなり、コストアップになる欠点は避けられない。第3に、Au/Snボールが0.4mmと小さく、セットや運搬で紛失したりして作業性も悪かった。第4に、封止時にAu/Snボールのスプラッシュが水晶に付着して、特性劣化になることもある。第5に、Au/Snボールの寸法のバラツキによりセラミックプレート面より突出し、あるいは穴明きになることがあった。
【0009】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、封止用の金属ボールを使用することなく真空もしくは不活性ガス雰囲気での封止を行うことができる圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。また、薄型構造にできる圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法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、貫通孔が形成されたパッケージベースと、前記パッケージベースに積層され、前記貫通孔の一部を塞いで、前記貫通孔よりも小さな開口面積の封止孔を形成するパッケージ枠体と、前記パッケージベースに対向して設けられるリッドと、前記パッケージベースと前記リッドとの間のマウント空間に設けられる圧電振動片と、前記封止孔の内壁が溶融することで、前記マウント空間を密閉封止するパッケージ材溶融物と、を有することを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、貫通孔が形成されたパッケージベースと、前記パッケージベースに積層され、前記貫通孔の一部を塞いで、前記貫通孔よりも小さな開口面積の封止孔を形成するパッケージ枠体と、前記パッケージベースに対向して設けられるリッドと、前記パッケージベースと前記リッドとの間のマウント空間に設けられる圧電振動片と、前記封止孔に設けられた金属膜が溶融することで、前記マウント空間を密閉封止する金属膜溶融物と、を有することを特徴とする。
【0012】
更に、本発明は、圧電振動子のマウント空間を構成するパッケージ枠体の角部とその角部により一部を塞がれるリッドの角部に設けた貫通孔により封止孔を構成し、リッド材溶融物により前記封止孔を塞ぐことで、前記マウント空間を密閉封止してなることを特徴とする構成としてもよい。
【0013】
本発明に係る圧電デバイスは、前記パッケージ枠体は、その内側の角部と、前記貫通孔とが重なるように積層構造とすることができる。
【0014】
本発明に係る圧電デバイスの製造方法は、貫通孔をパッケージのベースに穿孔し、前記パッケージの内部空間を構成する枠体の内側で前記貫通孔の一部を遮蔽して積層することにより開口面積を小さくした封止孔を有するパッケージを形成し、前記パッケージに圧電振動片をマウントしてリッドを取り付けた後、前記封止孔周辺のパッケージ材をレーザ又は電子ビームにより溶融して孔封止を行うことを特徴としている。
【0015】
また、本発明は、貫通孔をパッケージのベースにおける電極部を形成している領域に穿孔するとともに孔内壁部に金属膜を形成し、前記パッケージの内部空間を構成する枠体の内側で前記貫通孔の一部を遮蔽して積層することにより開口面積を小さくした封止孔を有するパッケージを形成し、前記パッケージに圧電振動片をマウントしてリッドを取り付けた後、前記封止孔周辺の前記金属膜をレーザ又は電子ビームにより溶融して孔封止を行うように構成することもできる。
【0016】
更に、本発明は、圧電振動子のマウント空間を構成するパッケージ枠体の角部により一部が閉塞可能な貫通孔もしくは切欠をリッドに形成しておき、パッケージに圧電振動子をマウントした後、前記パッケージ枠体の角部と前記貫通孔もしくは切欠とにより構成される封止孔を形成するように前記リッドをパッケージに装着し、前記リッドの貫通孔もしくは切欠周辺部をレーザ又は電子ビームにより溶融させることにより前記封止孔を塞ぐことで、圧電振動子マウント空間を密閉封止して製造するように構成できる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る圧電デバイス、圧電デバイス用パッケージ、および圧電デバイスの製造方法の具体的実施の形態を、図面を参照して、詳細に説明する。図1は本実施形態に係る圧電デバイスの断面構成図である。この圧電デバイス10は、基本的には、圧電振動片12のマウント空間14を構成するパッケージ枠体16の角部とその角部により一部を塞がれるパッケージベース18に開けた貫通孔20により封止孔22を構成し、貫通孔20の内壁のパッケージ材溶融物40により前記封止孔22を塞ぐことで、圧電振動片12のマウント空間を密閉封止した構造となっている。パッケージ材は実施形態の場合はセラミック材である。
【0018】
パッケージベース18は単層構造とされ、この角部の1箇所を利用して予め貫通孔20が穿設される。この貫通孔20は直径がφ0.05〜0.4mm程度の孔からなるが、図2に示しているように、実施形態では貫通孔20の中心がパッケージ枠体16の1箇所のコーナに一致するように設定して封止孔22の開口面積が貫通孔20の断面積の1/4の0.25mm2以下となるようにしている。パッケージ材を直接溶かして封止する場合には貫通孔20の最小直径をφ0.1mm程度にし、後述するように貫通孔20の内壁に金属膜を付けてこれを溶融して封止する場合には貫通孔20の最小直径をφ0.2mm程度にすればよい。また、枠体コーナと貫通孔中心を必ずしも一致させる必要がないが、封止孔22の開口面積は両者の位置関係を調整することにより必要に応じて大きくも小さくもできる。封止孔22はこの貫通孔20とパッケージ枠体16の角部とによって構成するので、貫通孔20自体の孔面積サイズは任意である。これにより、パッケージベース18に形成する貫通孔20の断面積より小さい開口面積をもつ封止孔22が、ベース18と枠体16の積層処理で形成できる。したがって孔加工限度よりも小さなサイズの封止孔22を形成することができる。
【0019】
このように貫通孔20を有するベース18に枠体16を積層して開口面積が小さな封止孔22を形成したパッケージ24が形成されるが、このパッケージ24の内部に圧電振動片12がマウントされる。これはパッケージ枠体16で囲まれたマウント空間14の内部に位置して設けられたマウント電極26に導電性接着剤28を用いて圧電振動片12を片持ち状態でマウントすることで実装されるものとなっている。この圧電振動片12がマウントされたパッケージ24は上部が開口されているため、これをガラスリッド30で蓋をして、内部を密閉できるようにしている。窒素雰囲気中にパッケージ24を置き、パッケージ枠体16のランド部に塗布した低融点ガラス32を炉で溶かして、パッケージ24にガラスリッド30を接合する。
【0020】
リッド30の接合後、真空槽の中で、封止孔22の内壁にレーザ光34を照射して、内部のパッケージ素材であるセラミックを溶かして封止孔22を密閉封止する。セラミックの溶融温度は約1800度であるため、照射部温度が当該温度になる出力をもったレーザ照射装置を用いる。これによって、開口面積が小さい封止孔22に溶融セラミック40が表面張力で遮蔽状態に張り付き、マウント空間14内が真空状態となるように封止される。なお、前述のレーザ光34は、電子ビームでもよい。この場合、リッド30の接合後、真空層の中で、封止孔22の内壁に電子ビームを照射して内部のパッケージ素材であるセラミックを溶かして封止孔22を密閉封止する。電子ビームの照射には、照射部温度がセラミックの溶融温度になる出力をもった電子ビーム照射装置を用いる。
【0021】
このような構造の圧電デバイス10を構成しているパッケージ24の底面には、前記圧電振動片12のマウント電極26に接続されている外部電極36が形成されており、これを通じて各種電子機器に実装され、発振回路などを構成することになる。
【0022】
上記圧電デバイス10の製造工程は次のようになる。図3に製造工程の説明図示す。
図3(a)に示しているように、貫通孔20を有するパッケージベース18にパッケージ枠体16を積層して開口面積が小さな封止孔22を形成した2層構造のセラミックパッケージ24が準備される。このパッケージ24には予めマウント電極26や外部電極36が印刷されており、前記枠体16の上面部分には低融点ガラス32が塗布されている。圧電振動片マウント空間14が封止孔22により外部と連通状態になっているセラミックパッケージ24に対し、まず、セラミックパッケージ24に予め形成されているマウント電極(図1参照)に導電性接着剤28により圧電振動片12をマウントする。
【0023】
次に、図3(b)に示すように、セラミックパッケージ24の開口に窒素雰囲気中でガラスリッド30を封止する。実際はパッケージ24を図示とは反転させた状態で行い、パッケージ枠体16のランド部に塗布した低融点ガラス32をベルト炉で荷重を掛けながら溶かし、パッケージ24にガラスリッド30を接合する。
【0024】
このリッド30の接合が完了した後、図3(c)に示しているように、真空槽の中で、レーザ照射装置38により貫通孔20にレーザ光34を照射して、内部のパッケージ素材であるセラミックを溶かした溶融物にて封止孔22を封止する。セラミックの溶融温度は約1800度であるため、照射部温度が当該温度になる出力をもったレーザ照射装置38を用いる。これによって、開口面積が小さい封止孔22に溶融セラミック40が表面張力で遮蔽状態に張り付き、マウント空間14内が真空状態となるように内外を仕切って封止される。なお、前述のレーザ照射装置38は、電子ビーム照射装置でもよい。この場合、照射部温度が、セラミックの溶融温度になる出力をもった電子ビーム照射装置を用いる。
【0025】
その後は、図3(d)に示されるレーザ周波数調整を行う。上記封止孔22を封止して内部を真空状態にしたパッケージ24のガラスリッド30越しにレーザ照射装置42によって圧電振動片12の先端部にレーザを照射して周波数調整を行う。これによって図3(e)のような圧電デバイス10が製品として完成する。
【0026】
上記実施形態では、貫通孔20をパッケージのベース18の角部に穿孔し、圧電振動片12のマウント空間14を構成する枠体16の角部で前記貫通孔20の一部を遮蔽して積層することにより開口面積を小さくした封止孔22を有するパッケージ24を準備しておき、前記パッケージ24に圧電振動片12をマウントしてリッド30を取り付けた後、前記封止孔22周辺のパッケージ材をレーザ等により溶融して孔封止を行うようにしたので、封止用Au/Snボールを用いることなく封止することができる。Au/Snボールを用いないので、パッケージベース18は1層構造とすることができ、枠体16を加えてもパッケージ24としては2層構造で真空封止できるパッケージを構成できる。このため、工程が非常に簡略になるとともにパッケージサイズを薄型にすることができ、低コストで小型サイズの圧電デバイス10を得ることができる。
【0027】
なお、上記実施形態では、封止孔22の位置をパッケージ枠体16の角部に配置することで封止孔22の開口面積を小さくし、レーザ等により直接セラミック材を溶かして封止する構成を採用したが、封止を金属膜にレーザ等を照射して行うようにしてもよい。これは、図4〜5に示しているように、貫通孔20を外部電極36部分に形成し、電極膜を形成する際に同時に貫通孔20の内周面に金属膜44を形成し、これをレーザ光34によって溶かし、開口面積を小さくしている封止孔22を溶融金属46で封止するようにすればよい。貫通孔20の周縁部に設けた金属膜44を利用して封止するので、ボールを利用することが不要となる。例えば、セラミックパッケージ24に外部電極36を形成する場合には、最初に電極部となる位置にタングステンおよび錫からなる金属層を印刷塗布する。これを焼成した後、印刷部分に金メッキを行う。これによりパッケージベース18の底面に外部電極36が形成される。これを貫通孔20が形成された状態で行うことで、貫通孔20の内周面に図4に示しているような金属膜44が形成される。そこで、この金属膜44にレーザ光34を照射して金属の溶融温度である約1400度程度まで昇温させることで溶け出し、小面積の封止孔22を表面張力によって密閉封止するのである。
【0028】
なお、金属膜44は貫通孔20の内周面に限らず、例えば貫通孔20を塞いでいるパッケージ枠体16の積層面に形成した金属膜を利用しても良い。これは例えば外部導出回路パターンを利用すれば良く、別途にベース18と枠体16の積層面に形成した金属層を利用するようにしてもよい。
【0029】
このようにこの実施形態では、パッケージ24に形成した貫通孔20の周辺部に金属膜44を設け、前記パッケージ24に圧電振動片12をマウントしてリッド30を取り付けた後、前記金属膜44を溶融して封止孔22の密閉封止を行うようにしている。このため、封止用Au/Snボールを用いることなく封止することができ、パッケージベース18を1層構造とした薄型パッケージを構成できる。このため、工程が非常に簡略になるとともにパッケージサイズを薄型にすることができ、低コストで小型サイズの圧電デバイス10を得ることができる。
【0030】
次に、図6に他の実施形態を示す。上記いずれの実施形態もパッケージベース18の角部に貫通孔20を形成し、パッケージ枠体16の角部でその一部を塞いて封止孔22を形成した例を示したが、この実施形態では金属リッド48に貫通孔50を形成し、その一部をパッケージ枠体16の角部で塞ぐようにして封止孔52を形成したものである。金属リッド48をパッケージ24に溶着した後、リッド貫通孔50がパッケージ枠体16の角部によって一部が遮蔽されるように孔位置を設定することにより、振動片マウント空間14への開口面積が貫通孔50の断面積より小さい封止孔52が形成される。リッド48の接合処理後、リッド貫通孔50の周囲金属にレーザ光34を照射し、周辺金属の溶融金属54により封止孔52を密閉封止することができる。
【0031】
この金属リッド48とパッケージ枠体16との接合部分に封止部を形成する場合、金属リッド48の縁辺に任意形状の切欠を形成しておき、この切欠の一部をパッケージ枠体16で遮蔽することで同じように小面積の封止孔を形成することができる。もちろん、金属リッド48に限らず、ガラスリッドに貫通孔や切欠を形成し、パッケージ枠体との間で封止孔を形成し、これを枠体材料の溶融材で塞ぐようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。
【図2】 同圧電デバイスの要部拡大平面図である。
【図3】 実施形態に係る圧電デバイスの製造工程を示す図である
【図4】 他の実施形態に係る圧電デバイスの部分断面図である。
【図5】 同実施形態に係る圧電デバイスの底面図である。
【図6】 リッド側に封止孔を設けた他の実施形態に係る圧電デバイスの部分断面図である。
【図7】 従来の圧電デバイスの断面図である。
【符号の説明】
10………圧電デバイス、12………圧電振動片、14………マウント空間、16………パッケージ枠体、18………パッケージベース、20………貫通孔、22………封止孔、24………パッケージ、26………マウント電極、28………導電性接着剤、30………ガラスリッド、32………低融点ガラス、34………レーザ光、36………外部電極、38………レーザ照射装置、40………溶融セラミック、42………調整用レーザ照射装置、44………金属膜、46………溶融金属、48………金属リッド、50………リッド貫通孔、52………封止孔、54………溶融金属。
Claims (8)
- 貫通孔が形成されたパッケージベースと、
前記パッケージベースに積層され、前記貫通孔の一部を塞いで、前記貫通孔よりも小さな開口面積の封止孔を形成するパッケージ枠体と、
前記パッケージベースに対向して設けられるリッドと、前記パッケージベースと前記リッドとの間のマウント空間に設けられる圧電振動片と、
前記封止孔の内壁が溶融することで、前記マウント空間を密閉封止するパッケージ材溶融物と、
を有することを特徴とする圧電デバイス。 - 貫通孔が形成されたパッケージベースと、
前記パッケージベースに積層され、前記貫通孔の一部を塞いで、前記貫通孔よりも小さな開口面積の封止孔を形成するパッケージ枠体と、
前記パッケージベースに対向して設けられるリッドと、前記パッケージベースと前記リッドとの間のマウント空間に設けられる圧電振動片と、
前記封止孔に設けられた金属膜が溶融することで、前記マウント空間を密閉封止する金属膜溶融物と、
を有することを特徴とする圧電デバイス。 - 圧電振動子のマウント空間を構成するパッケージ枠体の角部とその角部により一部を塞がれるリッドの角部に設けた貫通孔とにより封止孔を構成し、リッド材溶融物により前記封止孔を塞ぐことで、前記マウント空間を密閉封止してなることを特徴とする圧電デバイス。
- 前記パッケージ枠体は、その内側の角部と、前記貫通孔とが重なるように積層されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電デバイス。
- 前記パッケージベースは単層であることを特徴とする請求項1、2、4のいずれかに記載の圧電デバイス。
- 貫通孔をパッケージのベースに穿孔し、前記パッケージの内部空間を構成する枠体の内側で前記貫通孔の一部を遮蔽して積層することにより開口面積を小さくした封止孔を有するパッケージを形成し、前記パッケージに圧電振動片をマウントしてリッドを取り付けた後、前記封止孔周辺のパッケージ材をレーザ又は電子ビームにより溶融して孔封止を行うことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
- 貫通孔をパッケージのベースにおける電極部を形成している領域に穿孔するとともに孔内壁部に金属膜を形成し、前記パッケージの内部空間を構成する枠体の内側で前記貫通孔の一部を遮蔽して積層することにより開口面積を小さくした封止孔を有するパッケージを形成し、前記パッケージに圧電振動片をマウントしてリッドを取り付けた後、前記封止孔周辺の前記金属膜をレーザ又は電子ビームにより溶融して孔封止を行うことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
- 圧電振動子のマウント空間を構成するパッケージ枠体の角部により一部が閉塞可能な貫通孔もしくは切欠をリッドに形成しておき、パッケージに圧電振動片をマウントした後、前記パッケージ枠体の角部と前記貫通孔もしくは前記切欠とにより構成される封止孔を形成するように前記リッドを前記パッケージに装着し、前記リッドの前記貫通孔もしくは前記切欠周辺部をレーザ又は電子ビームにより溶融させることにより前記封止孔を塞ぐことで、前記マウント空間を密閉封止して製造することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
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