JP5065718B2 - Hermetic sealing method of piezoelectric element and manufacturing method of piezoelectric device - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子等の圧電素子を備えるパッケージの気密封止に用いられる金属ペースト及びこの金属ペーストを用いた封止方法に関する。具体的には、従来のろう付け法に比べて低温での封止が可能であり、かつ、気密性に優れた方法に関する。   The present invention relates to a metal paste used for hermetic sealing of a package including a piezoelectric element such as a crystal resonator and a sealing method using the metal paste. Specifically, the present invention relates to a method that can be sealed at a lower temperature than a conventional brazing method and that is excellent in airtightness.

携帯電話等の各種電子機器で使用されている水晶振動子等の圧電素子は、空気中の湿気、酸素による酸化、劣化を防止するため、パッケージに封入された状態で使用されている。この圧電素子パッケージの気密封止の方法としては、一般にろう付け法が用いられている。ろう付け法による気密封止においては、圧電素子をパッケージの容器となるベース部材内部に固定し、これに接合部の形状に合わせて成形加工したろう材と蓋体となるキャップ部材とを重ね、ろう材を加熱して溶融させて、ベース部材とカバー部材とを接合することにより行われる。   Piezoelectric elements such as crystal resonators used in various electronic devices such as cellular phones are used in a state of being enclosed in a package in order to prevent oxidation and deterioration due to moisture and oxygen in the air. As a method for hermetic sealing of the piezoelectric element package, a brazing method is generally used. In the hermetic sealing by the brazing method, the piezoelectric element is fixed inside the base member that becomes the container of the package, and the brazing material molded according to the shape of the joint and the cap member that becomes the lid are overlapped, The brazing material is heated and melted to join the base member and the cover member.

パッケージ封止用のろう材としては、圧電素子への汚染を防止するためフラックスレスのろう材が使用されており、その中でも信頼性、耐食性に優れるＡｕ−Ｓｎ系ろう材が一般に用いられている。そして、封止時の作業温度は、ろう材の融点（ＡｕＳｎ系ろう材の融点は、約２８０℃前後である。）を考慮して、３００℃以上に設定されることが多い。
特開２００５−３４７８５１号公報 As a brazing material for package sealing, a fluxless brazing material is used in order to prevent contamination of the piezoelectric element, and among them, an Au—Sn brazing material having excellent reliability and corrosion resistance is generally used. . The working temperature at the time of sealing is often set to 300 ° C. or higher in consideration of the melting point of the brazing material (the melting point of the AuSn brazing material is about 280 ° C.).
JP 2005-347851 A

気密封止された圧電素子パッケージは、その後、回路基板に実装されるが、その際の圧電素子パッケージの実装電極と回路基板のパッド電極との接合材としてはＳｎ系はんだが使用されている。しかし、Ｓｎ系はんだの融点は、２１０〜２２５℃であるため、実装時の接合温度はＡｕ−Ｓｎ系ろう材の融点近傍である２５０〜２６０℃に設定されることが多い。そのため、回路基板への実装の際、封止材であるＡｕ−Ｓｎ系ろう材が再溶融し、パッケージの気密性を悪化させるおそれがある。特に、パッケージ内を真空状態としているときに、かかる封止材の再溶融が起こると、封止材がパッケージ内部に吸い込まれ、圧電素子表面に付着し、その特性（水晶振動子の場合には、周波数変動、振動動作）に悪影響を及ぼすこととなる。   The hermetically sealed piezoelectric element package is then mounted on a circuit board, and Sn solder is used as a bonding material between the mounting electrode of the piezoelectric element package and the pad electrode of the circuit board. However, since the melting point of Sn-based solder is 210 to 225 ° C., the bonding temperature during mounting is often set to 250 to 260 ° C., which is close to the melting point of Au—Sn brazing material. For this reason, the Au—Sn brazing material, which is a sealing material, may be remelted when mounted on a circuit board, and the hermeticity of the package may be deteriorated. In particular, when the sealing material is remelted when the inside of the package is in a vacuum state, the sealing material is sucked into the package and adheres to the surface of the piezoelectric element. , Frequency fluctuation, vibration operation).

本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、水晶振動子等の圧電素子パッケージの気密封止の際に、比較的低温でベース部材とキャップ部材とを接合することができ、且つ、十分な気密性を確保することができる封止材及び封止方法を提供することを目的とする。また、再加熱を受けても再溶融を生じさせることなく、内部の圧電素子の特性を維持することのできるものを提供する。   The present invention has been made based on the background as described above, and when a piezoelectric element package such as a crystal resonator is hermetically sealed, the base member and the cap member can be joined at a relatively low temperature. An object of the present invention is to provide a sealing material and a sealing method capable of ensuring sufficient airtightness. Further, the present invention provides a device capable of maintaining the characteristics of the internal piezoelectric element without causing remelting even when subjected to reheating.

本発明者等は、上記課題を解決すべく、従来技術であるろう材に替えて新たな接合部材の適用を検討した。そして、鋭意検討を行い、以下の構成を有する金属ペーストを見出した。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors examined the application of a new joining member in place of the brazing material which is the prior art. And earnest examination was conducted and the metal paste which has the following structures was found.

即ち、本発明は、金属粉末と有機溶剤とを含んでなる封止用の金属ペーストにおいて、前記金属粉末は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．１μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉末であり、前記金属粉末を８５〜９３重量％、前記有機溶剤を５〜１５重量％の割合で配合したことを特徴とする封止用の金属ペーストである。   That is, the present invention provides a metal paste for sealing comprising a metal powder and an organic solvent, wherein the metal powder has a purity of 99.9% by weight or more and an average particle size of 0.1 μm to 1. It is one or more metal powders selected from gold powder, silver powder, platinum powder, or palladium powder that is 0 μm, and the metal powder is blended in a proportion of 85 to 93 wt% and the organic solvent in a proportion of 5 to 15 wt%. It is the metal paste for sealing characterized by these.

本発明において、封止材として金属ペーストの形態を適用するのは、これを用いて後述する方法により封止を行うことにより、金属ペーストを構成する微小な金属粉末が焼結体となり、更に、塑性変形しつつ強固に結合し、その結果、緻密な接合部を形成するからである。そして、本発明では、金属ペーストを構成する金属粉末の純度及び粒径と、金属粉末と有機溶剤との配合割合を明確にすることで、封止材として好適な金属ペーストを提示するものである。   In the present invention, applying the form of the metal paste as the sealing material is performed by sealing by a method to be described later using this, so that the fine metal powder constituting the metal paste becomes a sintered body, This is because they are firmly bonded while being plastically deformed, and as a result, a dense joint is formed. And in this invention, the metal paste suitable as a sealing material is shown by clarifying the compounding ratio of the purity and particle size of the metal powder which comprises a metal paste, and a metal powder and an organic solvent. .

本発明に係る金属ペーストを構成する金属粉末は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉である。金属粉の純度について９９．９重量％以上の高純度を要求するのは、純度が低いと粉末の硬度が上昇して塑性変形し難くなり、緻密な接合部が形成されないからである。また、金属粉末の構成金属を、金、銀、白金、又はパラジウムのいずれかとしたのは、耐食性、耐酸化性に優れるからである。   The metal powder constituting the metal paste according to the present invention is selected from gold powder, silver powder, platinum powder, or palladium powder having a purity of 99.9% by weight or more and an average particle diameter of 0.005 μm to 1.0 μm. One or more types of metal powder. The reason why high purity of 99.9% by weight or more is required for the purity of the metal powder is that when the purity is low, the hardness of the powder increases and plastic deformation becomes difficult, and a dense joint is not formed. Further, the reason why the constituent metal of the metal powder is gold, silver, platinum, or palladium is because it is excellent in corrosion resistance and oxidation resistance.

また、金属粉の平均粒径については、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、これを焼結させても好ましい接合状態を発現させ難くなるからである。一方、金属粉末の粒径を０．１μｍ以上とするのは、ペーストとしたときの分散性を考慮するものである。即ち、粒径があまりに小さい場合、ペースト化において凝集が生じ易くなるが、これを回避するためには、有機溶剤の配合割合が高くなり、下記の割合を超えることとなるからである。   Moreover, about the average particle diameter of metal powder, it is because it becomes difficult to express a preferable joining state even if it sinters in the metal powder of a particle size exceeding 1.0 micrometer. On the other hand, the particle size of the metal powder is set to 0.1 μm or more in consideration of dispersibility when it is made into a paste. That is, if the particle size is too small, agglomeration is likely to occur in the pasting, but in order to avoid this, the blending ratio of the organic solvent becomes high and exceeds the following ratio.

金属粉末と共に金属ペーストの必須構成成分である有機溶剤は、その種類については、特に限定はない。好ましくは、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトールがある。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ_１２Ｈ_２４Ｏ_３）、を挙げることができる。これらの溶剤は、比較的低温で乾燥させることができるからである。 The kind of the organic solvent that is an essential component of the metal paste together with the metal powder is not particularly limited. Preferred are ester alcohol, terpineol, pine oil, butyl carbitol acetate, butyl carbitol and carbitol. For example, 2,2,4-trimethyl-3-hydroxypentaisobutyrate (C ₁₂ H ₂₄ O ₃ ) can be given as a preferred ester alcohol-based organic solvent. This is because these solvents can be dried at a relatively low temperature.

そして、金属粉末と有機溶剤との配合割合については、金属粉末を８５〜９３重量％とし有機溶剤を５〜１５重量％として配合する。かかる割合にするのは、封止材としての用途を考慮するものである。本発明に係る金属ペーストを用いた封止方法においては、塗布後の金属ペーストが乾燥、焼結等の際に加熱を受けることとなる。この過程においては、ペースト中の有機溶剤からガスが発生することとなるが、有機溶剤の配合割合が高い場合、このガスがパッケージ内部に残留するおそれがあり、また、封止後の接合部に有機溶剤が残留してこれからガスが発生するおそれもある。このようにパッケージ内のガスは、内部の圧電素子等の特性劣化の要因となる。従って、封止用の金属ペーストとしては、金属粉末を分散させることができる範囲で、できるだけ少ない有機溶剤の配合が好ましい。本発明では、上記のような問題を生じさせない有機溶剤の配合割合を５〜１５重量％としつつ、上記のように金属粉末の粒径を規定することでその分散性を確保したものである。   And about the mixture ratio of a metal powder and an organic solvent, a metal powder is 85 to 93 weight% and an organic solvent is 5 to 15 weight% and is mix | blended. The ratio is set in consideration of the use as a sealing material. In the sealing method using the metal paste according to the present invention, the applied metal paste is heated during drying, sintering, and the like. In this process, a gas is generated from the organic solvent in the paste. However, if the blending ratio of the organic solvent is high, this gas may remain inside the package, and the bonded portion after sealing The organic solvent may remain and gas may be generated from this. As described above, the gas in the package causes deterioration of characteristics of the internal piezoelectric elements and the like. Therefore, the metal paste for sealing preferably contains as little organic solvent as possible within a range in which the metal powder can be dispersed. In the present invention, the dispersibility is ensured by defining the particle size of the metal powder as described above while setting the blending ratio of the organic solvent that does not cause the above problems to be 5 to 15% by weight.

ここで、本発明に係る金属ペーストは、その使用態様を考慮して、添加剤を含んでも良い。本発明の実施においては、金属ペーストを封止対象となるベース部材等に塗布することが必要であるが、その塗布方法は、接合対象の形状、寸法に対応させて種々選択でき、インクジェット法、フォトレジスト埋め込み法、スクリーン印刷法、ディスペンサー類による塗布等がある。本発明に係る金属ペーストは、金属粉末と有機溶剤との混合体を基本構成とし、この基本構成でも十分使用可能であるが、上記塗布方法に応じて以下の添加剤を含むことができる。   Here, the metal paste according to the present invention may contain an additive in consideration of its usage. In the practice of the present invention, it is necessary to apply a metal paste to a base member or the like to be sealed, but the application method can be variously selected according to the shape and dimensions of the object to be joined, an inkjet method, There are a photoresist embedding method, a screen printing method, and application by a dispenser. The metal paste according to the present invention is basically composed of a mixture of metal powder and an organic solvent, and this basic structure can be used sufficiently, but can contain the following additives depending on the coating method.

フォトレジスト埋め込みによる塗布においては、上記基本構成に、０．０１〜１重量％の界面活性剤を添加したものが好ましい。界面活性剤は、ペースト中の金属粉末の凝集を抑制し、塗布を容易とすることができる。この界面活性剤としては、アルキルアミン、アルキルアミンカルボン酸塩、カルボン酸アミド、エステルアミン、有機チタン化合物（チタンカップリング剤）、スルホカルボン酸ナトリウムが適用できる。   In application by embedding a photoresist, it is preferable to add 0.01 to 1% by weight of a surfactant to the above basic structure. The surfactant can suppress the aggregation of the metal powder in the paste and facilitate application. As this surfactant, alkylamine, alkylamine carboxylate, carboxylic acid amide, ester amine, organic titanium compound (titanium coupling agent), and sodium sulfocarboxylate can be applied.

また、スクリーン印刷法、ディスペンサー類による塗布に用いられる金属ペーストは、上記基本構成に０．０１〜４重量％の樹脂を添加したものが好ましい。この樹脂は、金属粉末の凝集を抑制すると共に、ペースト供給時の粘度特性を確保する目的で添加するものである。好ましい樹脂としては、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上である。尚、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。尚、樹脂の添加量は、０．０１重量％未満ではその効果が現れず、４重量％をこえると封止後の接合部の緻密化を阻害することから、上記範囲とした。   Moreover, the metal paste used for the screen printing method and application by a dispenser preferably has 0.01 to 4% by weight of resin added to the above basic structure. This resin is added for the purpose of suppressing the aggregation of the metal powder and ensuring the viscosity characteristics when the paste is supplied. A preferable resin is one or more selected from acrylic resins, cellulose resins, and alkyd resins. Examples of acrylic resins include methyl methacrylate polymers, examples of cellulose resins include ethyl cellulose, and examples of alkyd resins include phthalic anhydride resins. Of these, ethyl cellulose is particularly preferable. The amount of resin added is less than 0.01% by weight, and the effect does not appear. If the amount exceeds 4% by weight, densification of the bonded portion after sealing is inhibited, so the above range is set.

そして、スクリーン印刷法、ディスペンサー類による塗布に用いられる金属ペーストにおいては、上記樹脂に加えて、０．０５〜２重量％のチクソ剤を添加するのが好ましい。チクソ剤は、ペーストのダレ止め効果を有するものであり、スクリーン印刷、ディスペンサー類での塗布のし易さを調節するものである。チクソ剤の例としては、糖アルコール、カルボン酸アミド（ステアリン酸アミド等）、ポリ酸アミドが挙げられる。   And in the metal paste used for the screen printing method and application | coating by dispensers, it is preferable to add 0.05-2 weight% thixotropic agent in addition to the said resin. The thixotropic agent has the effect of preventing the paste from sagging and adjusts the ease of application by screen printing and dispensers. Examples of thixotropic agents include sugar alcohols, carboxylic acid amides (such as stearic acid amides), and polyacid amides.

そして、スクリーン印刷法、ディスペンサー類による塗布に用いられる金属ペーストは、更に、０．０１〜１重量％の界面活性剤を添加しても良い。この塗布方法用の金属ペーストは、既に、凝集抑制のための樹脂を含んでいるが、界面活性剤を添加することで、より均質なペーストとすることができる。この界面活性剤も含む金属ペーストは、ディスペンサー類の中でも、微少量の吐出体積を制御しつつペースト塗布するマイクロスクリュー吐出や、高速吐出を行うインパクト吐出によりペーストを塗布するのに有用である。尚、界面活性剤の具体例は、上記と同様である。   Further, 0.01 to 1% by weight of a surfactant may be further added to the metal paste used for the screen printing method and application by a dispenser. Although the metal paste for this coating method already contains a resin for suppressing aggregation, a more homogeneous paste can be obtained by adding a surfactant. Among the dispensers, the metal paste containing this surfactant is useful for applying the paste by micro screw discharge for applying a paste while controlling a small discharge volume or impact discharge for performing high speed discharge. Specific examples of the surfactant are the same as described above.

以上の添加剤については、塗布方法を考慮して添加されるものであるが、その添加量は可能な限り低減することが好ましく、それらの合計添加量を０．０１〜４重量％とするのが好ましい。添加剤は、封止後の接合部に残渣として残留する可能性があるからである。   The above additives are added in consideration of the coating method, but the addition amount is preferably reduced as much as possible, and the total addition amount is 0.01 to 4% by weight. Is preferred. This is because the additive may remain as a residue in the bonded portion after sealing.

次に、本発明に係る金属ペーストを用いた封止方法につき説明する。本発明に係る封止方法は、圧電素子を収容するベース部材と、その蓋体となるキャップ部材とを接合して気密封止する方法において、下記工程を含むことを特徴とする圧電素子の気密封止方法である。
（ａ）ベース部材又はキャップ部材に、本発明に係る金属ペーストを塗布する工程。
（ｂ）前記金属ペーストを乾燥し、８０〜３００℃の温度で焼結させて金属粉末焼結体とする工程。
（ｃ）前記金属粉末焼結体を介してベース部材にキャップ部材を配置し、少なくとも金属粉末焼結体を加熱しながら、一方向又は双方向から加圧してベース部材とキャップ部材とを接合する工程。 Next, a sealing method using the metal paste according to the present invention will be described. A sealing method according to the present invention is a method for hermetically sealing a base member that accommodates a piezoelectric element and a cap member that is a lid thereof, and includes the following steps. This is a hermetic sealing method.
(A) The process of apply | coating the metal paste which concerns on this invention to a base member or a cap member.
(B) A step of drying the metal paste and sintering it at a temperature of 80 to 300 ° C. to obtain a metal powder sintered body.
(C) A cap member is disposed on the base member via the metal powder sintered body, and the base member and the cap member are joined by pressing in one direction or both directions while heating at least the metal powder sintered body. Process.

本発明に係る封止方法では、塗布された金属ペーストを無加圧状態で加熱することで金属粉末焼結体としてこれを従来のろう材に相当する接合材とし、その後、ベース部材とキャップ部材とを金属粉末焼結体を介して加熱しながら加圧することで両者を接合して封止するものである。この接合時において、金属粉末焼結体を構成する金属粉末は、塑性変形しつつ結合し、緻密な接合部を形成するようになっている。そして、このように緻密化された接合部は、高純度の金等からなる緻密なバルク体である。従って、その融点は、適用される金属の融点に近くなるため、再加熱を受けても溶融することがなく、パッケージの気密性を保持することができる。以下、各工程について説明する。   In the sealing method according to the present invention, the applied metal paste is heated in a non-pressurized state to form a metal powder sintered body, which is a bonding material corresponding to a conventional brazing material, and then a base member and a cap member Are heated and pressed through a sintered metal powder to join and seal them. At the time of this joining, the metal powder constituting the metal powder sintered body is bonded while being plastically deformed to form a dense joint. The junction portion thus densified is a dense bulk body made of high-purity gold or the like. Therefore, since the melting point thereof is close to the melting point of the metal to be applied, it does not melt even when subjected to reheating, and the hermeticity of the package can be maintained. Hereinafter, each step will be described.

金属ペーストの塗布方法については、上記の通り、インクジェット法、フォトレジスト埋め込み法、スクリーン印刷法、ディスペンサー類（マイクロスクリュー吐出、インパクト吐出を含む）による塗布等が適用できる。   As a method for applying the metal paste, as described above, an inkjet method, a photoresist embedding method, a screen printing method, application by a dispenser (including micro screw discharge and impact discharge), and the like can be applied.

塗布した金属ペーストを乾燥させるのは、ペースト中の有機溶剤を除去するためである。この乾燥は、−２０℃以上５℃以下で行なうのが好ましい。乾燥工程における雰囲気を減圧雰囲気としても良い。これにより乾燥過程において大気中の水分が金属粉末表面に結露するのを防止することができる。減圧雰囲気とする場合、好ましくは１００Ｐａ以下、より好ましくは１０Ｐａ以下とするが、この雰囲気の真空度は、金属ペースト中の有機溶剤の揮発性に応じて設定する。   The reason why the applied metal paste is dried is to remove the organic solvent in the paste. This drying is preferably performed at -20 ° C or higher and 5 ° C or lower. The atmosphere in the drying process may be a reduced pressure atmosphere. Thereby, it is possible to prevent moisture in the atmosphere from condensing on the surface of the metal powder during the drying process. In the case of a reduced pressure atmosphere, the pressure is preferably 100 Pa or less, more preferably 10 Pa or less, but the degree of vacuum in this atmosphere is set according to the volatility of the organic solvent in the metal paste.

本発明では、乾燥後に金属ペーストを焼結することを要する。これにより、ペースト中の金属粒子同士、及びベース部材又はキャップ部材の接合面（ペースト塗布面）と金属粒子との間に、互いに点接触した近接状態が形成され、金属ペーストは金属粉末焼結体となる。この金属粉末焼結体は、後述の接合時で加熱・加圧されることで、接触部が塑性変形すると共に、その変形界面に金属原子間の結合が生じパッケージの気密性を確保するのに十分な緻密化が生じる。この点、焼結することなしにペーストを加圧した場合、粒子間隙が広がり粒子同士の結合が生ぜず接合ができない。   In the present invention, it is necessary to sinter the metal paste after drying. As a result, the metal particles in the paste are in close contact with each other between the metal particles and between the joint surface (paste application surface) of the base member or the cap member and the metal particles. It becomes. This metal powder sintered body is heated and pressurized at the time of joining, which will be described later, so that the contact portion is plastically deformed, and bonds between metal atoms are formed at the deformation interface to ensure airtightness of the package. Sufficient densification occurs. In this respect, when the paste is pressed without sintering, the interstices between the particles are widened and the bonding between the particles does not occur, so that the bonding cannot be performed.

この焼結の温度は、８０〜３００℃とするのが好ましい。８０℃未満では上記のような点接触が生じないからである。一方、３００℃を超える温度で焼結すると、焼結が過度に進行し、金属粉末間のネッキングが進行して強固に結合してしまい、その後に加圧しても緻密化できずパッケージの気密性を損なうからである。また、圧電素子を保護する観点から３００℃以下での接合が好ましいからである。尚、焼結の際の加熱時間は、３０〜１２０分とするのが好ましい。短時間では焼結炉の温度が安定せず十分な焼結ができず、また、あまりに長時間とすると生産性が損なわれるからである。更に、焼結は、圧力のない状態で行なうのが好ましい。   The sintering temperature is preferably 80 to 300 ° C. This is because the point contact as described above does not occur at a temperature lower than 80 ° C. On the other hand, if sintering is performed at a temperature exceeding 300 ° C., sintering proceeds excessively, necking between the metal powders proceeds and bonds strongly, and even after pressurization, it cannot be densified and the package is airtight. It is because it damages. Moreover, it is because joining at 300 degrees C or less is preferable from a viewpoint of protecting a piezoelectric element. The heating time during sintering is preferably 30 to 120 minutes. This is because the temperature of the sintering furnace is not stabilized in a short time and sufficient sintering cannot be performed, and productivity is impaired if the time is too long. Furthermore, the sintering is preferably performed in the absence of pressure.

上記焼結を行った後の加圧による接合は、ベース部材とキャップ部材とを重ねて加圧する。加圧の圧力は、接合部の緻密化のため、金属粉末焼結体の降伏強度より大きくするのが好ましい。また、加圧は、ベース部材、キャップ部材のいずれかからの一方向から行っても良いし、双方向から行っても良い。   The joining by pressurization after performing the above-mentioned sintering is performed by overlapping the base member and the cap member. The pressurizing pressure is preferably larger than the yield strength of the metal powder sintered body for densification of the joint. Further, the pressurization may be performed from one direction from either the base member or the cap member, or may be performed from both directions.

そして、この接合工程では、金属粉末焼結体を加熱しながら加圧することが必要である。加熱することなく加圧すると接合部の緻密化が不十分なものとなり、接合強度が不足し、更に気密性の確保ができないからである。このときの加熱温度は、８０〜３００℃とするのが好ましい。８０℃未満では接合ができないからであり、３００℃を超えると冷却時の熱歪の影響が大きくなるからである。   And in this joining process, it is necessary to pressurize, heating a metal powder sintered compact. This is because if the pressure is applied without heating, the density of the bonded portion becomes insufficient, the bonding strength is insufficient, and the airtightness cannot be ensured. The heating temperature at this time is preferably 80 to 300 ° C. This is because bonding cannot be performed at a temperature lower than 80 ° C., and the effect of thermal strain during cooling increases when the temperature exceeds 300 ° C.

尚、接合工程においては、作業雰囲気を真空下で行なうのが好ましい。水晶振動子のような圧電素子は、大気中よりも真空中において優れた振動特性（クリスタルインピーダンス等）を示し、そのためにパッケージ内部を真空とすることが好ましいからである。作業雰囲気の真空度としては、1×１０^−１Ｐａ以上の高真空雰囲気とするのが好ましい。本発明は、かかる真空雰囲気中においても接合が可能である。 In the joining process, it is preferable to perform the working atmosphere under vacuum. This is because a piezoelectric element such as a crystal resonator exhibits better vibration characteristics (crystal impedance or the like) in a vacuum than in the atmosphere, and for this purpose, the inside of the package is preferably a vacuum. The working atmosphere is preferably a high vacuum atmosphere of 1 × 10 ⁻¹ Pa or higher. The present invention can be bonded even in such a vacuum atmosphere.

また、接合工程の際には、加熱に加えて超音波を印加するのが好ましい。加熱と超音波との組合わせにより、金属粉末の塑性変形及び結合を促進し、より強固な接合部を形成することができる。超音波を印加する場合、その条件は、振幅０．５〜５μｍとし、印加時間を０．５〜３秒とするのが好ましい。過大な超音波印加は圧電素子を損傷させるからである。   Moreover, it is preferable to apply an ultrasonic wave in addition to heating in the joining step. By the combination of heating and ultrasonic waves, plastic deformation and bonding of the metal powder can be promoted, and a stronger joint can be formed. When applying ultrasonic waves, the conditions are preferably an amplitude of 0.5 to 5 μm and an application time of 0.5 to 3 seconds. This is because an excessive application of ultrasonic waves damages the piezoelectric element.

上記した接合工程における加熱及び超音波印加は、その目的から少なくとも金属粉末焼結体に対して行なえばよいが、ベース部材又はキャップ部材全体に行っても良い。加熱の方法としては、ベース部材又はキャップ部材を加圧する際の工具を加熱し、そのときの伝熱を利用するのが好ましい。簡易な方法であり、また、熱の影響を圧電素子に及ぼさない点で好適だからである。同様に、超音波の印加は、ベース部材又はキャップ部材を加圧する工具から超音波発振させるのが好ましい。   Heating and ultrasonic wave application in the joining process described above may be performed on at least the metal powder sintered body for the purpose, but may be performed on the entire base member or cap member. As a heating method, it is preferable to heat the tool used to pressurize the base member or the cap member and use the heat transfer at that time. This is because it is a simple method and is preferable in that it does not affect the piezoelectric element. Similarly, it is preferable to apply ultrasonic waves by oscillating ultrasonic waves from a tool that pressurizes the base member or the cap member.

尚、本発明に係る方法において、接合対象となるベース部材、キャップ部材の材質についての特に限定はなく、圧電素子パッケージで一般に使用されているものが使用でき、例えば、アルミナセラミックス、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等が適用できる。また、これらを基材として、金、パラジウム、ニッケル等を１層又は多層めっきしたものも適用できる。   In the method according to the present invention, there are no particular limitations on the material of the base member and cap member to be joined, and those generally used in piezoelectric element packages can be used. For example, alumina ceramics, Kovar (Fe— Ni-Co alloy), 42 alloy (Fe-Ni alloy), etc. can be applied. In addition, a single layer or multilayer plating of gold, palladium, nickel or the like using these as a base material can also be applied.

以上説明したように、本発明に係る金属ペースト及び封止方法によれば、圧電素子パッケージの封止において、ベース部材とキャップ部材とを比較的低温で接合することができる。これにより、接合後の冷却過程における熱応力から圧電素子を保護することができる。本発明に係る方法は、効率的に圧電素子パッケージの封止が可能であり、その気密性も十分なものである。そして、本発明によれば、封止後のパッケージを再加熱しても、接合部が溶融することなくその気密性を維持することができる。これにより、圧電素子を使用する電子機器の歩留を向上させることができる。   As described above, according to the metal paste and the sealing method of the present invention, the base member and the cap member can be bonded at a relatively low temperature in sealing the piezoelectric element package. Thereby, a piezoelectric element can be protected from the thermal stress in the cooling process after joining. The method according to the present invention can efficiently seal the piezoelectric element package and has sufficient airtightness. And according to this invention, even if it reheats the package after sealing, the airtightness can be maintained, without a junction part melting | fusing. Thereby, the yield of the electronic device using a piezoelectric element can be improved.

第１実施形態：以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、圧電素子パッケージとして水晶振動子パッケージの気密封止を行った。図１は、その工程を概略示すものである。以下、図を参照しつつ各実施例における接合工程について説明する。 First Embodiment : A preferred embodiment of the present invention will be described below. In the present embodiment, the crystal resonator package is hermetically sealed as the piezoelectric element package. FIG. 1 schematically shows the process. Hereinafter, the joining process in each embodiment will be described with reference to the drawings.

実施例１：まず、キャップ部材１０に金属ペースト２０を塗布した。キャップ部材１０は、コバール製であり、その表面に、Ｎｉ（１μｍ）、Ａｕ（１μｍ）がめっきされたものである。使用する金属ペーストは、湿式還元法により製造された純度９９．９９重量％の金粉（平均粒径：０．３μｍ）と、有機溶剤としてエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ_１２Ｈ_２４Ｏ_３））を混合して調整されたものである。有機溶剤の配合割合は、１０重量％とした。 Example 1 First, the metal paste 20 was applied to the cap member 10. The cap member 10 is made of Kovar, and the surface thereof is plated with Ni (1 μm) and Au (1 μm). The metal paste used is a gold powder (average particle size: 0.3 μm) having a purity of 99.99% by weight produced by a wet reduction method, and ester alcohol (2,2,4-trimethyl-3-hydroxypenta) as an organic solvent. It was prepared by mixing isobutyrate (C ₁₂ H ₂₄ O ₃ )). The blending ratio of the organic solvent was 10% by weight.

金属ペーストの塗布は、予め、フォトレジスト２１にて金属ペースト部となるパターンを形成した後、全面に金属ペーストを塗布して凹部（幅３００μｍ）に金属ペーストを充填し、余分なペーストを拭取った。   The metal paste is applied in advance by forming a pattern to be a metal paste portion with the photoresist 21, and then applying the metal paste over the entire surface, filling the concave portion (width 300 μm) with the metal paste, and wiping off the excess paste. It was.

金属ペースト２０を塗布した後、これを乾燥器にて−１０℃で真空乾燥した。そして、キャップ部材を電気炉にて、２３０℃で３０分加熱して金属ペーストを焼結し、粉末金属焼結体２０‘とした。   After apply | coating the metal paste 20, this was vacuum-dried at -10 degreeC with the dryer. Then, the cap member was heated in an electric furnace at 230 ° C. for 30 minutes to sinter the metal paste to obtain a powder metal sintered body 20 ′.

そして、アルミナセラミックス製のベース部材３０（寸法：２．５ｍｍ×２．０ｍｍ）に、水晶振動子４０を導電性接着剤５０を用いて固定し、これに焼結後のキャップ部材を載置した。キャップ部材の接合は、パッケージを真空雰囲気下（１×１０^−１Ｐａ）に置き、ヒートステージ６０からの伝熱により２３０℃となるようにしつつ、キャップ部材から圧力（荷重１６７Ｎ）をかけて行った。この接合工程での加熱及び加圧時間は、１０分間とした。 Then, the quartz resonator 40 is fixed to the base member 30 (dimension: 2.5 mm × 2.0 mm) made of alumina ceramics using the conductive adhesive 50, and the sintered cap member is placed thereon. . The cap member is joined by placing the package in a vacuum atmosphere (1 × 10 ⁻¹ Pa) and applying pressure (load 167 N) from the cap member while being 230 ° C. by heat transfer from the heat stage 60. It was. The heating and pressurizing time in this joining process was 10 minutes.

実施例２：ここでは、金属ペーストの塗布方法を変更して水晶振動子パッケージの封止を行った。実施例１と同じキャップ部材に、ディスペンサー２２により金属ペーストを供給し、同様の形状となるように塗布した。その後、実施例１と同様の工程により、金属ペーストの乾燥、焼結、及び、ベース部材への接合を行いパッケージの封止をした。 Example 2 : Here, the quartz resonator package was sealed by changing the method of applying the metal paste. A metal paste was supplied to the same cap member as in Example 1 with a dispenser 22 and applied so as to have the same shape. Thereafter, the metal paste was dried, sintered, and bonded to the base member by the same process as in Example 1 to seal the package.

実施例３：ここでは、焼結体の加圧・加熱と同時に超音波印加を行い接合した。実施例１と同様にして、キャップ部材に金属ペーストを塗布・乾燥し、焼結を行った後、実施例１と同様に水晶振動子が固定されたベース部材にキャップ部材を載置し、加熱・加圧して接合を行い真空封止した（条件は実施例１と同じ）。超音波の印加は、加圧時の工具より印加し、振幅１．０μｍ、出力３．５Ｗ、印加時間は１秒とした。 Example 3 : Here, ultrasonic waves were applied simultaneously with pressurization and heating of the sintered body, and bonding was performed. In the same manner as in Example 1, after applying a metal paste to the cap member, drying and sintering, the cap member was placed on the base member to which the crystal resonator was fixed, and heated, as in Example 1. -Pressurized, joined and vacuum sealed (conditions are the same as in Example 1). The ultrasonic wave was applied from a tool during pressurization, the amplitude was 1.0 μm, the output was 3.5 W, and the application time was 1 second.

以上の各実施例で封止した水晶振動子パッケージについて、クリスタルインピーダンス値（以下、ＣＩ値という）の測定を行った。ＣＩ値の測定は、π回路を使用したゼロ位相法で、水晶電流は１０μＷとした。また、この測定は、封止直後、及び、封止後３００℃で０．５時間大気中で熱処理した後のパッケージについて行った。その結果を表１に示す。   The crystal impedance value (hereinafter referred to as the CI value) was measured for the crystal resonator package sealed in each of the above examples. The CI value was measured by a zero phase method using a π circuit, and the crystal current was 10 μW. This measurement was performed on the package immediately after sealing and after heat treatment in the atmosphere at 300 ° C. for 0.5 hour after sealing. The results are shown in Table 1.

表１から、各実施例の封止方法で製造された水晶振動子パッケージは、いずれも基準値をクリアしており、十分な気密性を確保できることが確認できた。また、これらのパッケージは、従来のろう材封止では耐えられない熱処理を受けた後も、ＣＩ値の変化は見られず、熱処理後も気密性を維持できることが確認できた。   From Table 1, it was confirmed that all the crystal resonator packages manufactured by the sealing method of each example cleared the reference value, and sufficient airtightness could be secured. In addition, these packages did not show a change in CI value even after being subjected to a heat treatment that cannot be endured by conventional brazing material sealing, and it was confirmed that the hermeticity could be maintained even after the heat treatment.

第２実施形態：この実施形態では、金属ペースト（金ペースト）に、界面活性剤、樹脂、チクソ剤を添加した金属ペーストを作成した。金属ペーストの製造方法については、基本的に第１実施形態と同様とし（金属粉末の粒径は０．３μｍ）、添加剤の配合量を調整しつつ組成を調整した。ここで検討した金属ペーストの組成は以下の通りである。 Second Embodiment : In this embodiment, a metal paste was prepared by adding a surfactant, a resin, and a thixotropic agent to a metal paste (gold paste). The method for producing the metal paste was basically the same as that in the first embodiment (the particle size of the metal powder was 0.3 μm), and the composition was adjusted while adjusting the blending amount of the additive. The composition of the metal paste examined here is as follows.

そして、製造した金属ペーストを用いパッケージ封止を行い、熱処理前後のＣＩ値の変化の有無を検討すると共に、接合部のリングパターン形成の際の不具合の有無・評価について検討した。尚、塗布以降の工程の封止条件は、第１実施形態と同様とした。また、この実施形態では、比較例として粒径の異なる（２μｍ）金属粉末を用いた金属ペーストについても検討を行った。表３にその結果を示す。   Then, the manufactured metal paste was used to seal the package, and the presence / absence / evaluation of defects in forming the ring pattern of the joint portion was examined while examining the presence / absence of a change in CI value before and after the heat treatment. The sealing conditions in the steps after application were the same as those in the first embodiment. In this embodiment, a metal paste using metal powders having different particle diameters (2 μm) was also examined as a comparative example. Table 3 shows the results.

表３から、金属ペーストの組成を調整することで良好なパターンを形成することができることがわかる。但し、全ての添加物を同時に添加したからといって、全ての塗布方法に有効というわけではなく、適用する塗布方法に応じた選択が好ましいことがわかる。   Table 3 shows that a favorable pattern can be formed by adjusting the composition of the metal paste. However, just because all additives are added simultaneously, it is not effective for all coating methods, and it can be seen that selection according to the coating method to be applied is preferable.

尚、比較例のように金属粉末の粒径を大きくした場合、封止は殆どできないことも確認された。これは、粒径が大き過ぎるために焼結時において適度な緻密化が生じなかったことによるものと考えられる。   In addition, when the particle size of the metal powder was increased as in the comparative example, it was confirmed that sealing was hardly possible. This is considered to be due to the fact that moderate densification did not occur during sintering because the particle size was too large.

本実施形態における接合工程を概略説明する図。The figure explaining roughly the joining process in this embodiment.

Claims (12)

圧電素子を収容するベース部材とその蓋体となるキャップ部材とを、金属ペーストを用いて接合することで気密封止する方法において、
前記金属ペーストは、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．１μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉末と有機溶剤とを含み、前記金属粉末を８５〜９３重量％、前記有機溶剤を５〜１５重量％の割合で配合したものであり、
下記工程を含むことを特徴とする圧電素子の気密封止方法。
（ａ）ベース部材又はキャップ部材に、前記金属ペーストを塗布する工程。
（ｂ）前記金属ペーストを乾燥し、８０〜３００℃の温度で焼結させて金属粉末焼結体とする工程。
（ｃ）前記金属粉末焼結体を介してベース部材にキャップ部材を配置し、少なくとも金属粉末焼結体を加熱しながら、一方向又は双方向から加圧してベース部材とキャップ部材とを接合する工程。 In a method of hermetically sealing a base member that accommodates a piezoelectric element and a cap member that is a lid thereof by using a metal paste,
The metal paste has a purity of 99.9% by weight or more and an organic powder of at least one selected from gold powder, silver powder, platinum powder, or palladium powder having an average particle diameter of 0.1 μm to 1.0 μm and organic. Including a solvent, 85 to 93 wt% of the metal powder, 5 to 15 wt% of the organic solvent,
A method for hermetic sealing of a piezoelectric element comprising the following steps:
(A) The process of apply | coating the said metal paste to a base member or a cap member.
(B) A step of drying the metal paste and sintering it at a temperature of 80 to 300 ° C. to obtain a metal powder sintered body.
(C) A cap member is disposed on the base member via the metal powder sintered body, and the base member and the cap member are joined by pressing in one direction or both directions while heating at least the metal powder sintered body. Process. （ｃ）工程において、加熱温度を８０〜３００℃とする請求項１記載の封止方法。 The sealing method according to claim 1, wherein the heating temperature is 80 to 300 ° C. in the step (c). （ｃ）工程において、更に、少なくとも金属粉末焼結体に超音波を印加して加圧する請求項１又は請求項２記載の封止方法。 The sealing method according to claim 1 or 2 , wherein in the step (c), at least the metal powder sintered body is pressurized by applying an ultrasonic wave. 金属ペーストは、０．０１〜１重量％の界面活性剤を含む請求項１〜請求項３のいずれかに記載の封止方法。 The sealing method according to claim 1, wherein the metal paste contains 0.01 to 1% by weight of a surfactant. 界面活性剤は、アルキルアミン、アルキルアミンカルボン酸塩、カルボン酸アミド、エステルアミン、有機チタン化合物、スルホカルボン酸ナトリウムから選択される一種以上である請求項４記載の封止方法。 The sealing method according to claim 4, wherein the surfactant is at least one selected from alkylamines, alkylamine carboxylates, carboxylic acid amides, ester amines, organic titanium compounds, and sodium sulfocarboxylates. 金属ペーストは、０．０１〜４重量％の樹脂を含む請求項１〜請求項５のいずれかに記載の封止方法。 The sealing method according to claim 1, wherein the metal paste contains 0.01 to 4% by weight of resin. 樹脂は、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上である請求項６記載の封止方法。 The sealing method according to claim 6, wherein the resin is at least one selected from an acrylic resin, a cellulose resin, and an alkyd resin. 金属ペーストは、更に、０．０５〜２重量％のチクソ剤を含む請求項６又は請求項７記載の封止方法。 The sealing method according to claim 6 or 7, wherein the metal paste further contains 0.05 to 2% by weight of a thixotropic agent. チクソ剤は、糖アルコール、カルボン酸アミド、ポリ酸アミドから選択される一種以上である請求項８記載の封止方法。 The sealing method according to claim 8, wherein the thixotropic agent is at least one selected from sugar alcohol, carboxylic acid amide, and polyacid amide. 金属ペーストは、更に、０．０１〜１重量％の界面活性剤を含む請求項８又は請求項９記載の封止方法。 The sealing method according to claim 8 or 9, wherein the metal paste further contains 0.01 to 1% by weight of a surfactant. 界面活性剤は、アルキルアミン、アルキルアミンカルボン酸塩、カルボン酸アミド、エステルアミン、有機チタン化合物、スルホカルボン酸ナトリウムから選択される一種以上である請求項１０記載の封止方法。 The sealing method according to claim 10, wherein the surfactant is at least one selected from alkylamines, alkylamine carboxylates, carboxylic acid amides, ester amines, organic titanium compounds, and sodium sulfocarboxylates. 圧電素子を収容するベース部材と、その蓋体となるキャップ部材とを金属ペーストを用いて気密封止した構成を有する圧電デバイスの製造方法において、
前記気密封止は、ベース部材又はキャップ部材に、前記金属ペーストを塗布する工程と、前記金属ペーストを金属粉末焼結体とする工程と、前記金属粉末焼結体を介してベース部材にキャップ部材を配置し、少なくとも金属粉末焼結体を加熱しながら、一方向又は双方向から加圧してベース部材とキャップ部材とを接合する工程と、を含み、
前記金属ペーストとして、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．１μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉末と有機溶剤とを含み、前記金属粉末を８５〜９３重量％、前記有機溶剤を５〜１５重量％の割合で配合したものを適用し、
前記金属ペーストを金属粉末焼結体とする工程は、前記金属ペーストを乾燥し、８０〜３００℃の温度で焼結させるものであることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
In a method for manufacturing a piezoelectric device having a configuration in which a base member that accommodates a piezoelectric element and a cap member that is a lid thereof are hermetically sealed using a metal paste,
The hermetic sealing includes a step of applying the metal paste to a base member or a cap member, a step of using the metal paste as a metal powder sintered body, and a cap member to the base member via the metal powder sintered body. Placing the base member and the cap member by applying pressure in one direction or both directions while heating at least the metal powder sintered body,
As the metal paste, one or more metal powders selected from gold powder, silver powder, platinum powder, or palladium powder having a purity of 99.9% by weight or more and an average particle diameter of 0.1 μm to 1.0 μm and organic Including a solvent, applying 85 to 93 wt% of the metal powder and 5 to 15 wt% of the organic solvent,
The step of using the metal paste as a sintered metal powder comprises drying the metal paste and sintering it at a temperature of 80 to 300 ° C.

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