JPH10256415A

JPH10256415A - 圧電デバイスのパッケージ構造

Info

Publication number: JPH10256415A
Application number: JP9072728A
Authority: JP
Inventors: Jun Watanuki; 潤綿貫; Yoshitaka Kurahashi; 義隆倉橋; Yusuke Sugimoto; 裕介杉本
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックベース１１上にセラミックキャッ
プ１７を封止した構造のパッケージにおいて、圧電素子
１４をベース内に支持する接着剤として劣化温度の低い
シリコン系接着剤等１５を用いながらも、接着剤の劣化
温度を越える融点を有した封止手段を用いてパッケージ
を封止し、しかも封止時の加熱による接着剤の劣化や価
格の上昇、封止手段からのガスや水分の発生による周波
数変動を招くことなく、落下衝撃試験後の周波数変動を
１〜２ｐｐｍの範囲に留めて産業用製品向けの圧電デバ
イスとして利用できる低コスト、量産性に優れたパッケ
ージ構造を提供する。【解決手段】上面に圧電素子を収容するベースと、該
ベースの周縁に密着して該ベースを封止するキャップ
と、を備え、上記圧電素子は上記ベース上に導電性接着
剤により接着固定されたものにおいて、上記ベースとキ
ャップとを、上記導電性接着剤の劣化温度よりも融点が
高い封止剤にて接合封止した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電デバイスのパ
ッケージの改良に関し、特にセラミックパッケージ内に
おける圧電素子の接着手段として耐衝撃性に優れた柔軟
性の高いシリコン系導電性接着剤を用いながらも、パッ
ケージのベースとキャップとの封止手段としてシリコン
系導電性接着剤の劣化温度よりも融点が高いガラス等の
封止手段を用いることを可能にした圧電デバイスのパッ
ケージに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電デバイスのパッケージとして
は、水晶振動子等の圧電素子を支持したセラミックベー
スの上面をセラミックキャップによって封止したもの、
或はセラミックベースの上面を金属キャップにより封止
したもの等が知られている。セラミック製のベース上に
支持した水晶振動子等の圧電素子をセラミック製のキャ
ップにより気密封止した圧電デバイスのパッケージとし
ては、例えば図３の縦断面図に示した如きタイプのもの
があり、このパッケージはセラミックベース１の上面に
形成した凹所２内の台座３上に水晶素子等の圧電振動子
４の一端縁を導電性接着剤５を用いて接着固定すると共
に、セラミックベース１の環状突部６の上面とセラミッ
クキャップ７との間を封止手段（封止剤）８を用いて接
合して内部を封止したものである。導電性接着剤５とし
ては、例えば硬質のポリイミド系接着剤、或はシリコン
系接着剤、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤等の軟
質の接着剤が用いられる。ポリイミド系接着剤は、劣化
温度が高い一方で、接着剤が硬化した後の硬度が高くな
るという特性を有する。封止手段８としては、従来から
低融点ガラス、ハンダ、樹脂等が一般に用いられてき
た。

【０００３】これらの封止手段のうち、低融点ガラスと
ハンダは封止作業性とコストの点でメリットを提供する
一方で、融点が３２０℃程度であるため、パッケージの
封止時には封止炉中に於て例えば３３０〜３５０℃程度
の高温で加熱する必要がある。このため、パッケージ内
に於て圧電素子を接着する導電性接着剤５としては封止
時の加熱温度よりも劣化温度の低い接着剤、例えばシリ
コン系導電性接着剤（劣化温度約３００℃）を使用する
ことはできず、封止時の加熱温度を越える劣化温度を有
した接着剤、例えばポリイミド系導電性接着剤が使用さ
れていた。しかし、ポリイミド系導電性接着剤は硬化し
た後の硬度が高いために圧電素子をリジッドに支持した
状態となる。携帯電話等の分野に用いられる圧電デバイ
スには高度な耐落下衝撃性能が求められているが、ポリ
イミド系接着剤のごとき硬質の接着剤で圧電素子をベー
スにリジッドに固定すると、落下衝撃試験により周波数
がずれて規格を満足できない、或は圧電素子が破損して
全く使い物にならないという問題を生じる。また、圧電
素子をベース上にリジッドに固定すると、熱歪みが圧電
素子に与えられてその周波数にずれが発生するという不
具合も起きる。また、圧電素子が高温に長時間さらされ
ることになるため、圧電素子に蒸着された電極膜の成
分、例えばＡｇがパッケージの封止時に発生する熱によ
り昇華して電極の質量が減少するために圧電素子の周波
数が所期の値からずれるという不具合をもたらす。その
結果、圧電素子の接着手段としてポリイミド系導電性接
着剤を用いたパッケージにおいては、封止前と封止後の
周波数のばらつきは、例えば３０ｐｐｍと大きくなるた
め、産業用製品のスペック（落下衝撃試験を含む総合的
なスペックはｆ₀ ±１０ｐｐｍ程度）を満たすことはで
きず、専ら総合的なスペックが±５０ｐｐｍ程度の民生
用品に利用されていた。

【０００４】そこで、ポリイミド系導電性接着剤に代え
て、硬化したときに十分な軟度を維持することができる
為に圧電素子を非リジッドに支持することができ、その
結果落下衝撃試験における規格等の産業用スペックを十
分に満たすことができ、また、熱歪みが柔軟なために圧
電素子の周波数ずれを少なくすることができるという利
点を備えたシリコン系接着剤を圧電素子接着用の導電性
接着剤として採用せんとする試みがなされた。しかし、
シリコン系導電性接着剤等の軟質の接着剤５は、劣化温
度が低いという共通した性質を有している。従って、圧
電素子をシリコン系導電性接着剤により接着する一方
で、セラミックパッケージの封止手段８として溶融温度
の高いハンダ、ガラス等を用いると、封止の際の高温加
熱においてセラミックパッケージ内に位置する劣化温度
の低い接着剤５の柔軟性及び接着力が劣化して周波数安
定性が低下する等という問題を生じる。このため、セラ
ミックパッケージ内に於て圧電素子の接着用に使用する
接着剤５としては、依然としてポリイミド系導電接着剤
を採用せざるを得なかった。即ち、低融点ガラスの融点
は３２０。Ｃと、シリコン系接着剤等の劣化温度（３０
０。Ｃ程度）を越える為、封止炉中に於て３３０〜３５
０℃の高温で加熱すると、劣化温度の低い接着剤５の劣
化を招くこととなり、上記したシリコン系接着剤等と低
融点ガラスとの組み合わせは不可能であるというのが当
業者の常識であった。具体的には、従来低融点ガラスを
用いてパッケージを封止する場合には、セラミックベー
ス上にセラミックキャップをかぶせた状態でパッケージ
全体を３３０〜３４０。Ｃで１０分間加熱する必要があ
るため、内部のシリコン系接着剤等は３００。Ｃを越え
る温度に長時間さらされることとなり、接着剤の柔軟性
及び接着力が劣化するという問題を回避することができ
なかったこと上述の通りである。なお、エポキシ系接着
剤の劣化温度はおおむね２２０〜２３０℃、ウレタン系
接着剤の劣化温度は１８０〜２００℃程度である。

【０００５】そこで、封止手段として樹脂を用いたもの
が提案されている。樹脂は加工性とコスト面での利点を
有する他に、その劣化温度が１５０〜１８０℃程度と低
いため、封止手段として樹脂を用いれば、劣化温度の低
い柔軟なシリコン系接着剤等を圧電素子の接着用として
使用でき、硬化後に圧電素子の耐衝撃性を十分に確保す
ることができる。また、熱歪みを緩和する効果も有す
る。しかし、樹脂はガスを発生するという不具合を有す
る他に、本来パッケージ内を乾燥した窒素雰囲気に保つ
べきところ、樹脂が吸水性を有するものであるため、樹
脂を介して浸透する水分がパッケージ内の圧電素子の電
極に付着する等して徐々に周波数が変動するため、高い
周波数安定性が求められる産業製品向きの圧電デバイス
には不向きであり、安価に大量生産される民生製品向き
の圧電デバイスにしか適用できなかった。以上の理由か
らセラミックベース上にセラミックキャップを封止する
圧電デバイスのパッケージは、産業用製品に用いられる
圧電デバイスとしては不向きであるとされており、産業
用製品向けの圧電デバイスのパッケージとしてはセラミ
ックベース上に金属キャップをシーム溶接、金錫、或は
抵抗溶接等により封止したものが採用されている。これ
らの封止方法によれば、パッケージの封止に際してシリ
コン系接着剤等の劣化温度以下で封止を行うことができ
るので圧電素子の接着手段としてシリコン系接着剤等の
軟質の接着剤を使用できる。従って、シリコン系接着剤
等の柔軟性及び接着力の劣化による上記不具合や、電極
膜を構成する成分の昇華、水分の発生等による周波数ず
れ等の不具合は発生しにくくなり、周波数変動を例えば
１〜２ｐｐｍの範囲に留めることが可能になるので、産
業用向けの圧電デバイスに適した封止方法である。しか
し、金属キャップをシーム溶接等により封止する方法に
あっては設備、作業性、部品コスト等の点に於て不利で
あるという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく従来の圧
電デバイスのパッケージ構造にあっては、圧電素子を接
着する導電性接着剤として最適なシリコン系接着剤等を
用いつつ、パッケージ構造としてベース及びキャップが
セラミックから成るものを採用することができず、その
結果安価で封止作業性に優れるセラミック製のベース及
びキャップから成るパッケージを産業用製品に用いるこ
とができないという問題があった。本発明は上記に鑑み
てなされたものであり、セラミックベース上にセラミッ
クキャップを封止した構造のパッケージにおいて、圧電
素子をベース内に支持する接着剤として劣化温度の低い
シリコン系接着剤等を用いながらも、接着剤の劣化温度
を越える融点を有した封止手段を用いてパッケージを封
止し、しかも封止時の加熱による接着剤の劣化や価格の
上昇、封止手段からのガスや水分の発生による周波数変
動を招くことなく、落下衝撃試験後の周波数変動を１〜
２ｐｐｍの範囲に留めて産業用製品向けの圧電デバイス
として利用できる低コスト、量産性に優れたパッケージ
構造を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、上面に圧電素子を収容するベー
スと、該ベースの周縁に密着して該ベースを封止するキ
ャップと、を備え、上記圧電素子はベース上に導電性接
着剤により接着固定されたものにおいて、上記ベースと
キャップとを、上記導電性接着剤の劣化温度よりも融点
が高い封止剤にて接合封止したことを特徴とする。請求
項２の発明は、上面に圧電素子を収容する凹所を有した
セラミックベースと、該セラミックベースの凹所を囲繞
する環状突部上面に密着して該凹所を封止するセラミッ
クキャップと、を備え、上記圧電素子は凹所内にシリコ
ン系導電性接着剤により接着固定されたものにおいて、
上記環状突部とセラミックキャップとを低融点ガラスに
て接合したことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の一形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一形態例
の圧電デバイスのパッケージ構造を示す断面図であり、
このパッケージの特徴的な構成は、セラミックベース１
１の上面に形成した凹所１２内の台座１３上に水晶素板
等の圧電素子１４の一端縁をシリコン系の導電性接着剤
１５により接着固定すると共に、凹所１２を囲繞するベ
ース１１の環状突部１６の上面とセラミックキャップ１
７との間を低融点ガラス１８から成る封止手段（封止
剤）により接合することにより圧電素子１４を気密封止
した点にある。なお、シリコン系導電性接着剤とは、シ
リコンを主成分とするバインダ中に微細な銀粒子を混入
させることにより導電性を付与したものであり、また低
融点ガラスは、樹脂ペースト中にガラス粉を混入したか
たちで供給されるものであり、これを予めスクリーン印
刷によりキャップ１７の塗布面１７ａに印刷してから仮
焼成することによりバインダーを除去してガラス成分を
固定する。

【０００９】この導電性接着剤１５としては、シリコン
系の接着剤の他に、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着
剤等を使用可能であり、これらの導電性接着剤は、硬化
したときに十分な軟度を維持することができる為に圧電
素子を非リジッドに支持して耐衝撃性を高めることがで
きるという利点を有している。但し、これらの接着剤は
劣化温度が封止手段である低温ガラス１８の融点（３２
０〜３８０。Ｃ）よりも低い為、従来の封止方法におけ
る加熱温度では接着剤の劣化が激しくなり耐衝撃試験後
の周波数安定性を維持することは困難であったが、本発
明では後述する新規な製造方法を採用することによりベ
ース１１内の接着剤を極度に加熱させることなく、低融
点ガラスを用いたパッケージの封止を可能にしている。
このように従来のパッケージ構造においては、圧電素子
を接着する導電性接着剤として劣化温度の低いシリコン
系接着剤等を用いながらも、ベースとキャップを接合す
る封止手段として低融点ガラスを用いたものは存在せ
ず、後述する製造方法の確立によって初めてこのパッケ
ージ構造が実用性を有したものとして成立しているの
で、この構造自体、新規な構造である。

【００１０】次に、上記構造のパッケージを製造する為
の新規な製造方法の一例につき図２(a) (b) の工程図に
従って説明する。図２(a) では、キャップ１７の外側面
を支持してキャップを昇降させるヒータ２０によってキ
ャップ１７を３６０〜４００℃で約５〜１０秒間加熱し
てキャップの塗布面に塗布した低融点ガラス１８を溶融
させる。つまり、低融点ガラス１８はキャップ１７が３
３０℃を越えないと溶融しないので、キャップ１７が３
３０℃程度に達するようにヒータ温度を決定する。また
例えばベース１１についてはヒータ２１によって常温〜
２５０℃の範囲まで予備加熱させておく。ベース１１の
環状突部６の上面が十分に昇温していれば、その分だけ
封止に要する時間が短縮されるからである。また、ベー
ス１１は、シリコン系接着剤の劣化温度である３００℃
よりも十分に低い温度に予備加熱されるに過ぎないの
で、接着剤の劣化は発生しない。また、エポキシ系接着
剤（劣化温度２２０〜２３０℃）、或はウレタン系接着
剤（劣化温度２００℃）を用いる場合には、夫々の劣化
を生じさせない程度の温度でベース１１を予備加熱す
る。

【００１１】キャップ１７とベース１１に対する夫々の
加熱手段は別個であり、しかも加熱時にキャップ１７と
ベース１１は十分に離間しているので、キャップ側の熱
によってベース上の導電性接着剤が悪影響を受ける虞れ
はない。これらの加熱作業及び後述する封止作業はいず
れもＮ₂ 雰囲気中に於て行われる。ヒータ２０、２１と
しては電熱線を利用したもの、或はパルスヒートを利用
したもの等々種々選択が可能である。キャップ１７とベ
ース１１が夫々十分に加熱された時点で、(b) の様にベ
ース１１の環状突部６の上面に対して、低融点ガラス８
を塗布したキャップ１７の塗布面を圧接し適当な荷重、
例えば０〜５００ｇを加えて０〜２０秒程度これを保持
する。その後(c) の様にヒータ２０はキャップ１７の支
持を解き上昇することにより、ヒータ２１内にパッケー
ジが残ることになる。そして、このパッケージを常温ま
で冷却することにより封止加工が完了する。なお、ここ
で導電性接着剤の劣化の有無は、台座上に導電性接着剤
により接着された圧電素子を引っ張ることによる引張り
強度の試験により判定される。例えば、シリコン系接着
剤においては、これを低融点ガラスにて封止する時の温
度である３３０℃雰囲気中に放置すると、４分程度で引
張り強度が著しく低下し、接着剤として用をなさないこ
とが実験により判明している。従って、最悪でも加熱圧
接時間は４分以内が好ましく、実用的には２分以下、更
に望ましくは２０秒以下とすべきである。なお、図示し
た上記ヒータの構造、形状は一例に過ぎない。また、図
２においてキャップを下側に配置し、ベースをキャップ
上に昇降させるようにしてもよい。

【００１２】なお、本発明のパッケージを構成するベー
ス、及びキャップはセラミックに限定される訳ではな
く、ベース１１の環状突部１６とキャップ１７とを、導
電性接着剤の劣化温度よりも融点が高い封止剤にて接合
封止したパッケージの製造方法及びこの製造方法によっ
て得られるパッケージは全て本発明の範囲に入るもので
ある。上記の様に構成した本発明のパッケージによれ
ば、ベースとキャップとの封止剤として、内部の導電性
接着剤の劣化温度よりも融点の高い材料を用いながら
も、封止剤を保持したキャップをベースとは離間した状
態で別個に行い、封止剤が十分に溶融した状態で両者を
速やかに接合して封止させるので、劣化温度が比較的低
いシリコン系接着剤等を用いながらも、低融点ガラス等
を用いた封止を行うことが可能になり、シリコン系接着
剤の利点である耐落下衝撃試験に対する強度を維持しつ
つ、封止剤からのガスや水分の発生のない信頼性の高い
封止構造を実現することができる。また、封止の際の加
熱により圧電素子を極度に高い温度で加熱することがな
いので、圧電素子に蒸着された電極膜の成分、例えばＡ
ｇ等がパッケージの封止時に発生する熱により昇華して
電極の質量が減少して圧電素子の周波数が初期の値から
ずれるという不具合も発生しない。なお、上記形態例に
於ては封止手段として低融点ガラスを例示したが、これ
は一例であり、接着剤の劣化温度よりも高い融点を有し
た封止手段、例えばハンダを使用することも可能であ
る。なお、この場合ハンダからのガス発生を防止する為
にフラックスの使用量を抑えたり、フラックスレスのハ
ンダを用いること等が有効である。

【００１３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、上面に
圧電素子を収容するベース（例えばセラミックベース）
と、該ベースの周縁（例えば環状突部）に密着して該ベ
ース上面を封止するキャップ（例えばセラミックベー
ス）と、を備え、上記圧電素子はベース上面に導電性接
着剤（例えば、シリコン系接着剤）により接着固定され
たものにおいて、上記ベース周縁とキャップとを、上記
導電性接着剤の劣化温度よりも融点が高い封止剤にて接
合封止した。このため、圧電素子の接着手段として劣化
温度が比較的低いシリコン系接着剤等を用いつつセラミ
ックパッケージを低融点ガラス等を用いて封止すること
が可能になり、耐落下衝撃試験における規格を満たしつ
つ、封止剤からのガスや水分の発生のない経年安定性を
有した、産業製品としての総合スペックを満たした封止
構造を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパッケージ構造の一例を示す縦断面
図。

【図２】(a) (b) 及び(c) は本発明のパッケージを製造
する工程説明図。

【図３】従来例のパッケージ構造を示す縦断面図。

【符号の説明】

１１セラミックベース、１２凹所、１３台座、１
４圧電素子、１５導電性接着剤、１６環状突部、
１７セラミックキャップ、１７ａ塗布面、１８低
融点ガラス（封止手段、封止剤）、２０、２１ヒー
タ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０３Ｈ 9/02 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上面に圧電素子を収容するベースと、該
ベースの周縁に密着して該ベースを封止するキャップ
と、を備え、上記圧電素子は上記ベース上に導電性接着
剤により接着固定されたものにおいて、上記ベースとキャップとを、上記導電性接着剤の劣化温
度よりも融点が高い封止剤にて接合封止したことを特徴
とする圧電デバイスのパッケージ構造。
【請求項２】上面に圧電素子を収容する凹所を有した
セラミックベースと、該セラミックベースの凹所を囲繞
する環状突部上面に密着して該凹所を封止するセラミッ
クキャップと、を備え、上記圧電素子は凹所内にシリコ
ン系導電性接着剤により接着固定されたものにおいて、上記環状突部とセラミックキャップとを低融点ガラスに
て接合したことを特徴とする圧電デバイスのパッケージ
構造。