JP4572383B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水平方向に複数の内部空間を有し、溶融した接合材を用いて蓋封止されたパッケージを備えた圧電デバイスに関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電発振器が広く使用されている。
図７は、従来の圧電デバイスの概略断面図を示しており（特許文献１参照）、図において、圧電デバイス１は、パッケージ２内に、圧電振動片３と、この圧電振動片３と電気的に接続された集積回路素子等でなる発振回路素子４とを収容するようにした圧電発振器が示されている。

パッケージ２には、水平方向に複数の凹部７，８が設けられており、凹部７で圧電振動片３を収容するための内部空間Ｓａが形成され、凹部８で発振回路素子４を収容するための内部空間Ｓｂが形成され、これら内部空間Ｓａ，Ｓｂが蓋体６で封止されている。
すなわち、凹部７，８の開放された開口端面２ａには低融点ガラス５が付着されており、例えば吸着パッド９で蓋体６をこの低融点ガラス５の上に載置し、そして、低融点ガラス５を溶融させることで、パッケージ２と蓋体６とを接合するようになっている。

特開２００３−３１８６５５公報

ところが、上述のように、蓋体６を低融点ガラス５の上に載置して、低融点ガラス５を溶融させると、蓋体６が傾いてパッケージ２に接合してしまい、圧電デバイスの低背化を阻害する恐れがあった。特に、このような蓋体６の傾きは、図７には示されていないが、内部空間Ｓａと外部空間とを連通する貫通孔をパッケージ２に設けた場合に生ずる。

そこで、発明者は、このような問題は低融点ガラス５が溶融する際に発生するガスに起因するものと考えた。例えば、低融点ガラス５が溶融する際に発生したガスが、密封された内部空間に充満すると、低融点ガラス５付近を拡大した断面図である図８に示すように、低融点ガラス５を外側に（矢印方向に）押す力が働いて、低融点ガラス５の高さＨが想定した高さよりも高くなり、この高さＨが内部空間Ｓａ，Ｓｂ毎に区々になるためであると考えられる。
そして、図８に示すように、低融点ガラス５を外側に押す力が働くと、溶融した低融点ガラス５が幅方向に上手く拡がらず、低融点ガラス５と蓋体６との接合幅Ｗ１や、低融点ガラス５とパッケージ２との接合幅Ｗ２が十分確保できずに、蓋体６とパッケージ２との接合強度を確保できない恐れもある。

本発明は、蓋体を精度よくパッケージに接合するとともに、蓋体とパッケージとの接合強度を向上させて、振動特性が良好で低背化された圧電デバイスを提供することを目的とする。

上述の目的は、第１の発明によれば、水平方向に複数の凹部空間を有するパッケージと、前記複数の凹部空間のうち少なくとも一つの凹部空間に収容された圧電振動片とを備えた圧電デバイスであって、前記パッケージの上面側には、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１が形成され、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１の開口端面に、溶融した接合材を用いて蓋体が接合されているとともに、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１と外部空間とを連通する貫通孔が設けられており、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１の領域以外で、前記パッケージの裏面側に凹部空間Ｓ２が設けられ、前記凹部空間Ｓ１と前記凹部空間Ｓ２とは平面視において重ならないように配置され、前記パッケージの上面側であって、平面視において前記凹部空間Ｓ２が設けられた領域をめぐる全周に、溶融した接合材を用いて前記蓋体が接合されているとともに、前記全周に設けられた接合材に囲まれた包囲空間Ｓ３が、他の空間と連通するように、小開口が設けられている圧電デバイスにより達成される。

第１の発明の構成によれば、パッケージには、圧電振動片が収容された凹部空間の開口端面に溶融した接合材を用いて蓋体が接合されているとともに、圧電振動片が収容された凹部空間と外部空間とを連通する貫通孔が設けられている。このため、接合材が溶融してガスが発生しても、このガスを貫通孔を通じて、圧電振動片が収容された凹部空間から排出し、蓋体とパッケージとの接合強度を向上できる。
また、複数の凹部空間のうち、圧電振動片が収容された凹部空間以外の他の凹部空間が設けられた領域には、この領域をめぐる全周に溶融した接合材を用いて蓋体が接合されているとともに、全周に設けられた接合材に囲まれた包囲空間が、他の空間と連通するように、小開口が設けられている。このため、この他の凹部空間が設けられた領域についても、小開口を通じて、包囲空間内のガスを排出し、蓋体とパッケージとの接合強度が向上できる。なお、他の凹部空間が設けられた領域とは、他の凹部空間が設けられたパッケージの領域、及びこのパッケージの領域に対応する接合材や蓋体等の領域を意味する。
そして、圧電振動片が収容された凹部空間、及び包囲空間のいずれについてもガスが排出されるため、各空間毎の接合材の溶融具合を略同様にして、蓋体を傾けずにパッケージに接合できる。
かくして、本発明によれば、蓋体を精度よくパッケージに接合するとともに、蓋体とパッケージとの接合強度を向上させて、振動特性が良好で低背化された圧電デバイスを提供することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記小開口は前記全周に設けられた接合材の一部に形成されていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、小開口は全周に設けられた接合材の一部に形成されているので、全周に設けられた接合材に囲まれた包囲空間内のガスは、この接合材の切れ目ともいえる小開口を通じて他の空間へ排出される。

第３の発明は、第１の発明の構成において、前記小開口は前記パッケージの一部に形成されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、小開口はパッケージの一部に形成されているので、包囲空間内のガスはパッケージを通って他の空間へ排出される。

第４の発明は、第１の発明の構成において、前記小開口は前記蓋体の一部に形成されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、小開口は蓋体の一部に形成されているので、包囲空間内のガスは蓋体を通って他の空間へ排出される。

第５の発明は、第１の発明の構成において、前記小開口は、前記包囲空間Ｓ３と前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１とが連通するようにして、前記全周に設けられた接合材の一部に形成されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、小開口は、包囲空間と圧電振動片が収容された凹部空間とが連通するようにして、全周に設けられた接合材の一部に形成されている。このため、包囲空間内のガスは、小開口を通じて圧電振動片が収容された凹部空間に排出される。そして、パッケージには圧電振動片が収容された凹部空間と外部空間とを連通する貫通孔が設けられているので、小開口を通じて流入してきたガスは、この貫通孔を通じて、外部空間へと排出される。

第６の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記小開口は一つであることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、小開口は一つであるため、圧電デバイスの実装後に、外部の異物が小開口を通じて包囲空間に入ろうとしても、空気の抜け道がないので異物は入り難い状態となっている。このため、圧電デバイスの実装後に、圧電デバイス全体にアンダーフィル材を塗布するようにしても、アンダーフィル材が包囲空間に入ることを有効に防止できる。したがって、アンダーフィル材が包囲空間に入り込んで、蓋体をパッケージから剥離させる方向に膨張し、蓋体とパッケージとの接合強度を弱めるようなことを防止できる。

図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスであって、図１はその概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ線概略切断端面図である。
これらの図において、圧電デバイス１０は圧電発振器を例示しており、パッケージ３０内に圧電振動片２０と電子部品５０とを収容するようになっている。

パッケージ３０は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。本実施形態では、図２に示すように、下から第１の基板３０ａ，第２の基板３０ｂ，第３の基板３０ｃ，第４の基板３０ｄを重ねて形成されている。
そして、これらの基板の一部に所定の孔を形成することで、複数の凹部空間Ｓ１，Ｓ２が形成されている。この凹部空間Ｓ１，Ｓ２は水平方向に配置され、平面視において重ならないようになっている。

具体的には、第４の基板３０ｄの図において中央より左側に所定の孔を開け、この第４の基板３０ｄを第３の基板３０ｃの上に重ねることで、パッケージ３０の上面（実装端子（図示せず）が設けられた面と反対の面）側を凹状にして凹部空間Ｓ１が形成されている。この凹部空間Ｓ１が圧電振動片２０を収容するための空間である。
すなわち、凹部空間Ｓ１に露出して内面を構成する第３の基板３０ｃには、図１に示すように、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成したマウント電極３１，３１が設けられている。そして、マウント電極３１，３１の上に、シリコーン系またはエポキシ系等の導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片２０が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化することで、圧電振動片２０がパッケージ３０に接続されるとともに、凹部空間Ｓ１に収容されている。

また、第１ないし第３の基板３０ａ，３０ｂ，３０ｃの図において凹部空間Ｓ１より右側に所定の孔を開け、第１ないし第３の基板３０ａ，３０ｂ，３０ｃを順に重ねるとともに、第３の基板３０ｃの上に第４の基板３０ｄを重ねることで、パッケージ３０の裏面側を凹状にして凹部空間Ｓ２が形成されている。この凹部空間Ｓ２が電子部品５０を収容するための空間である。
なお、この凹部空間Ｓ２はパッケージ３０の裏面側を凹状にすることで形成されているが、凹部空間Ｓ１と同様に、パッケージ３０の上面側を凹状にすることで形成されてもよい（図７に示すように、パッケージ上面に２つの凹部を形成してもよい。）。

そして、第４の基板３０ｄにより構成されるパッケージ３０の上面の略全体には、溶融した接合材３４を介して、一枚の蓋体３２が接合されている。
具体的には、圧電振動片２０を収容した内部空間を密閉する必要性から、凹部空間Ｓ１の開口端面３６に、溶融した接合材３４を用いて蓋体３２を接合して蓋封止するようになっている。また、圧電振動片２０が収容された凹部空間Ｓ１以外の他の凹部空間Ｓ２が設けられた領域にも、蓋体３２が接合されており、これにより、例えば吸着パッドを用いて蓋体３２をパッケージ３０に確実に接合できるようにしている。

このように、蓋体３２は凹部空間Ｓ２が設けらている領域にも接合されているが、蓋体３２を接合するための接合材３４は、その領域全体に塗布されず、図１に示すように、凹部空間Ｓ２が設けらている領域をめぐる全周に塗布されている。これにより、蓋体３２をパッケージ３０に接合する工程において、接合材３４に熱が伝達され易くし、過不足なく接合材３４を溶融して、確実に蓋体３２をパッケージ３０に接合することができる。

なお、本実施形態では、蓋封止した後に、外部からレーザ光を圧電振動片２０の金属被覆部あるいは励振電極（図示せず）に照射して、質量削減方式により周波数調整を行うため、蓋体３２は光を透過する透明材料から形成されている。
透明材料としてはガラスが一般的であり、このようなガラス材料としては、例えばダウンドロー法により製造される硼珪酸ガラス等の薄板ガラスが使用される。そして、薄板ガラスとセラミックパッケージ３０とを良好に接合するため、接合材３４には低融点ガラス等のロウ材が用いられている。

また、上述のように、凹部空間Ｓ２が設けられている領域をめぐる全周に接合材３４を設けたことで、この接合材３４により囲まれた包囲空間Ｓ３が形成される。そして、本実施形態では、包囲空間Ｓ３内に、全周の接合材３４とは切り離された接合材３４ａを設けるようにしている。これにより、蓋体３２に上から力が加わった場合の強度向上や、全周の接合材３４だけでは蓋体３２とパッケージ３０との接合強度が足りない場合における接合強度向上を図っている。

圧電振動片２０は、圧電材料として、例えば水晶をエッチングして形成されており、音叉型圧電振動片やＡＴカット振動片などの種類を問わないが、本実施形態の場合、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示される形状とされている。すなわち、圧電振動片２０は、パッケージ３０側と固定される基部２１と、この基部２１を基端として、図１において下方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕２２，２３を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
そして、圧電振動片２０の基部２１の端部であって表裏面には、振動腕２２，２３の各々に設けた励振電極（図示せず）を引き出すようにして設けた引出し電極２４，２５が形成されており、この引出し電極２４，２５が、上述の導電性接着剤４３，４３と接合して、パッケージ３０側のマウント電極３１，３１と接続されている。

電子部品５０は、本実施形態では、内部に図示しない集積回路で形成された発振回路素子（以下「ＩＣ５０」という）を示しており、少なくとも圧電振動片２０を発振させるための発振回路を有している。ＩＣ５０の他の回路構成については、その種類によって異なるので説明を省略するが、好ましくは、半導体センサなどで感知した温度に基づいて、発振回路を制御する制御回路などを有し、これにより、圧電振動片２０の温度特性に起因する発振周波数の変化を制御するようになっている。

このＩＣ５０は、パッケージ３０の裏面を凹状にして形成された凹部空間Ｓ２に収容され、モールド樹脂５４により封止固定されるとともに、圧電振動片２０と電気的に接続されている。すなわち、ＩＣ５０の発振回路と電気的に接続された端子（図示せず）が、ボンディングワイヤ５２を介して、パッケージ３０の凹部空間Ｓ２に露出した電極（図示せず）と接続されている。そして、この凹部空間Ｓ２に露出した電極（図示せず）が、パッケージ３０の積層構造やビアホール等を利用して引き回されて、凹部空間Ｓ１に露出したマウント電極３１，３１と電気的に接続されている。

ここで、パッケージ３０には、圧電振動片２０が収容された凹部空間Ｓ１と外部空間とを連通する貫通孔３７が設けられている。
具体的には、図２に示すように、パッケージ３０を構成する２枚の基板３０ｂ，３０ｃに連続する貫通孔３７ａ，３７ｂを形成することにより、外部に開口した貫通孔３７が設けられている。これにより、圧電振動片２０をマウントする際に導電性接着剤４３から発生したガスや、蓋体３２をパッケージ３０に接合する際に接合材３４から発生したガスを、貫通孔３７から外部に排出することができる。

なお、この貫通孔３７を構成する２つの貫通孔のうち、パッケージ内部に開口する貫通孔３７ｂに対して、外側の貫通孔３７ａは、より大きな内径を備えるようにされ、貫通孔３７は、図２において上向きの段部３９を備える段つき開口とされている。そして、ガスを排出した後に、この段部３９付近を金属製封止材３８で封止するようになっている。金属製封止材３８としては、例えば、銀ロウ、Ａｕ／Ｓｎ合金、Ａｕ／Ｇｅ合金等から選択される。また、貫通孔３７の内面には金属被覆部（図示せず）が設けられ、この金属被覆部としては、金属製封止材３８と濡れ性のよい例えばタングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキが用いられている。

さらに、凹部空間Ｓ２が設けられた領域には、この領域をめぐるように全周に設けられた接合材３４で囲まれた包囲空間Ｓ３が、他の空間と連通するように、小開口５５が設けられている。
換言すれば、小開口５５は、包囲空間Ｓ３に接する領域（本実施形態では、包囲空間Ｓ３に接するパッケージ３０・接合材３４・蓋体３２の領域）に設けられており、包囲空間Ｓ３に開口しているとともに、外部空間等の他の空間にも開口して、包囲空間Ｓ３内のガスを他の空間に排出できる通気路になっている。

本実施形態の小開口５５は、全周に設けられた接合材３４の一部に形成されており、包囲空間Ｓ３と外部空間とを連通するようになっている。
また、本実施形態の小開口５５は、接合材３４の一箇所にのみ設けられて、外部の異物が包囲空間Ｓ３内に侵入しないようにしている。すなわち、圧電デバイス１０は、図２に示すように、実装基板６０に実装された後、全体にアンダーフィル材６２を塗布されることが多く、この際、アンダーフィル材６２が小開口５５から侵入しようとしても、包囲空間Ｓ３には、小開口５５以外に空気の抜け道がないので、アンダーフィル材６２が侵入することを防止できる。したがって、アンダーフィル材６２が包囲空間Ｓ３に入り込み、蓋体３２をパッケージ３０から剥離する方向に膨張して、蓋体３２とパッケージ３０との接合強度を弱めてしまうようなことを防止できる。

本発明の第１の実施形態は以上のように構成されており、接合材３４が溶融してガスが発生しても、凹部空間Ｓ１および包囲空間Ｓ３内にあるガスを、貫通孔３７や小開口５５を通じて、外部に排出することができる。したがって、蓋体３２とパッケージ３０との接合強度を向上できる。
そして、圧電振動片２０が収容された凹部空間Ｓ１、及び包囲空間Ｓ３のいずれについてもガスが排出されるため、各空間Ｓ１，Ｓ３毎の接合材３４の溶融具合を略同様にして、蓋体３２を傾けずにパッケージ３０に接合できる。

図３および図４は、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイス１２であって、図３は圧電デバイス１２の概略平面図、図４は図３のＢ−Ｂ線切断端面図である。
これらの図において、図１および図２の圧電デバイス１０と同一の符号を付した箇所は共通の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本第２の実施形態に係る圧電デバイス１２が第１の実施形態と異なるのは、小開口５５の位置についてである。

すなわち、圧電デバイス１２の小開口５５はパッケージ３０の一部に形成されている。
具体的には、小開口５５は、包囲空間Ｓ３と凹部空間Ｓ２とが連通するように、第４の基板３０ｄの一部に小開口５５ａが形成されており、この小開口５５ａに連続するようにして、凹部空間Ｓ２に充填されたモールド樹脂５４の一部に小開口５５ｂが形成されている。あるいは、小開口５５は、第１ないし第４の基板３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの各々の一部に、各々が連続するように形成されていてもよい。

本発明の第２の実施形態は以上のように構成されており、パッケージ３０の一部に形成された小開口５５を通じて、包囲空間Ｓ３内のガスを外部に排出し、第１の実施形態と同様の作用効果を発揮できる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る圧電デバイス１４の概略切断端面図である。
この図において、図１および図２の圧電デバイス１０と同一の符号を付した箇所は共通の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本第３の実施形態に係る圧電デバイス１４が第１の実施形態と異なるのは、小開口５５の位置についてである。

すなわち、本第３の実施形態に係る小開口５５は、蓋体３２の一部に形成されている。
具体的には、本実施形態における蓋体３２は薄板ガラスよりなるため、この薄板ガラスの強度を確保すべく、小開口５５は接合材３４の近傍に一箇所だけ設けられている。
本発明の第３の実施形態は以上のように構成されており、蓋体３２の一部に形成された小開口５５を通じて、包囲空間Ｓ３内のガスを外部に排出し、第１の実施形態と同様の作用効果を発揮できる。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る圧電デバイス１６の概略平面図である。
この図において、図１および図２の圧電デバイス１０と同一の符号を付した箇所は共通の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
本第４の実施形態に係る圧電デバイス１６が第１の実施形態と異なるのは、小開口５５の位置についてである。

すなわち、本第４の実施形態に係る小開口５５は、包囲空間Ｓ３と圧電振動片２０が収容された凹部空間Ｓ１とが連通するようにして、全周に設けられた接合材３４の一部に形成されている。
また、上述したように、パッケージ３０には、圧電振動片２０が収容された凹部空間Ｓ１と外部空間とを連通する貫通孔３７が設けられている。
これにより、包囲空間Ｓ３内のガスは、小開口５５を通じて、一旦、凹部空間Ｓ１に入り込み、予め存在する凹部空間Ｓ１内のガスとともに、貫通孔３７を通じて、外部に排出されるようになっている。
なお、本実施形態の小開口５５は、貫通孔３７に最も近い位置に設けられて、包囲空間Ｓ３内のガスをスムーズに貫通孔３７に導けるようにしている。

本発明の第４の実施形態は以上のように構成されており、全周に設けられた接合材３４の一部に形成された小開口５５、及び貫通孔３７を通じて、包囲空間Ｓ３内のガスを外部に排出し、第１の実施形態と同様の作用効果を発揮できる。
また、本第４の実施形態では、圧電デバイス１６の実装後にアンダーフィル材を塗布しても、アンダーフィル材が圧電デバイス１６内に入り込む余地はないため、アンダーフィル材の熱膨張で蓋体３２が剥がれるなどの問題が生ずることもない。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や各変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 図１のＡ−Ａ線概略切断端面図。 本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 図３のＢ−Ｂ線切断端面図。 本発明の第３の実施形態に係る圧電デバイスの概略切断端面図。 本発明の第４の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 従来の圧電デバイスの概略断面図。 従来の圧電デバイスの低融点ガラス付近を拡大した断面図。

符号の説明

１０，１２，１４，１６・・・圧電デバイス、２０・・・圧電振動片、３０・・・パッケージ、３２・・・蓋体、３４・・・接合材、３６・・・開口端面、３７・・・貫通孔、５５・・・小開口、Ｓ１，Ｓ２・・・凹部空間、Ｓ３・・・包囲空間

Claims (6)

1. 水平方向に複数の凹部空間を有するパッケージと、前記複数の凹部空間のうち少なくとも一つの凹部空間に収容された圧電振動片とを備えた圧電デバイスであって、
   前記パッケージの上面側には、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１が形成され、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１の開口端面に、溶融した接合材を用いて蓋体が接合されているとともに、前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１と外部空間とを連通する貫通孔が設けられており、
   前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１の領域以外で、前記パッケージの裏面側に凹部空間Ｓ２が設けられ、
   前記凹部空間Ｓ１と前記凹部空間Ｓ２とは平面視において重ならないように配置され、
   前記パッケージの上面側であって、平面視において前記凹部空間Ｓ２が設けられた領域をめぐる全周に、溶融した接合材を用いて前記蓋体が接合されているとともに、前記全周に設けられた接合材に囲まれた包囲空間Ｓ３が、他の空間と連通するように、小開口が設けられている
   ことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記小開口は前記全周に設けられた接合材の一部に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記小開口は前記パッケージの一部に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
4. 前記小開口は前記蓋体の一部に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
5. 前記小開口は、前記包囲空間Ｓ３と前記圧電振動片が収容された凹部空間Ｓ１とが連通するようにして、前記全周に設けられた接合材の一部に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
6. 前記小開口は一つであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電デバイス。

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