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発明の名称 圧電デバイス用パッケージ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−73713(P2007−73713A)
公開日 平成19年3月22日(2007.3.22)
出願番号 特願2005−258488(P2005−258488)
出願日 平成17年9月6日(2005.9.6)
代理人 【識別番号】100085660
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 均
発明者 半澤 正則 / 永野 洋二
要約 課題
外形寸法が略2.50mm×2.00mmであるパッケージのシーム溶接封止を確実にする構造を得ることができる圧電デバイス用パッケージを提供する。

解決手段
上面に凹陥部を備えたパッケージ本体1と、この凹陥部を気密封止する金属蓋2とからなり、パッケージ本体1は平板状のセラミック基板1a、この該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、該絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたパッケージを構成するようにした。
特許請求の範囲
【請求項1】
上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、前記凹陥部を気密封止する金属蓋と、から成り、前記パッケージ本体は平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、前記絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び前記絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、前記凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、
前記シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたことを特徴とする圧電デバイス用パッケージ。
【請求項2】
パッケージの外形寸法を略2.50mm×2.00mmとしたことを特徴とする請求項1に記載の圧電デバイス用パッケージ。
【請求項3】
前記金属製シールリングの略外形寸法を2.34mm×1.84mm、内形寸法を略1.98mm×1.48mm、前記金属蓋の外形寸法を略2.34mm×1.84mmとしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電デバイス用パッケージ。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電デバイス用パッケージに関し、特にパッケージのシールリングと金属蓋との寸法関係を改善した圧電デバイス用パッケージに関する。
【背景技術】
【0002】
表面実装型パッケージは圧電振動子、圧電発振器、SAWデバイス等の圧電デバイス用に広く用いられ、図6はその一例のパッケージ断面図である。図6(a)に示すパッケージは、パッケージ本体20と金属蓋(コバール)21とを備え、パッケージ本体20は、平板状のセラミック製基板20aの上面及び底面にタングステン(W)膜を印刷して、内部電極20bと外部電極20cとを形成する。さらに、セラミック製基板20aの上面周縁に、上面にタングステン膜を印刷したセラミック製の環状外周壁20dを一体的に立設し、還元雰囲気中で焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、環状外周壁20dの上面に金属製のシールリング20eを銀ろう付し、金属部分にニッケルメッキと金メッキを順次施す。さらに、セラミック基板20aの外部電極20cから導出したリード電極20fを、セラミック基板20a、環状外周壁20dを貫通させ、パッケージ本体20の内底部に設けた複数の電極20bと導通させると共に、一部はシールリング20eと導通させる。
また、図6(b)に示すパッケージは、特開2005−101220号公報に開示されたパッケージの構造であって、より小型化に適した構造を有するパッケージの断面図で、パッケージ本体20’と金属蓋21とを備える。パッケージ本体20’は、平板状のセラミック製基板20’aの底面にタングステン膜を印刷して外部電極20cを形成すると共に、上面にリード電極を印刷する。セラミック製基板20aの上に、上面に電極20b用のタングステン膜と周縁にメタライズ用のタングステン膜とが印刷された平板状のセラミック製基板20’dを張り合わせて一体化し、焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、セラミック製基板20’dの上面周縁のメタライズ部に、シールリング20’eを銀ろう付けし、金属部分に金メッキを施す。さらに、セラミック基板20’aの外部電極20cから導出したリード電極20fを、セラミック基板20’a、20’dを貫通させ、パッケージ本体20’の内底部に設けた複数の電極20bと導通させる。
上面が開口したセラミックパッケージ本体20の内底部に形成した電極20b上に、例えば水晶振動素子を搭載し、該電極20bと水晶振動子のリード電極とを導電性の接着剤等を用いて導通固定すると共に、セラミックパッケージ本体20のシールリング20e上に金属蓋21を載置し、シーム溶接法によりシールリング20eと金属蓋21とを気密固着して水晶振動子を構成する。シーム溶接は、例えば特開平8−290272号公報に示されているように、金属蓋21の対向する縁部に沿ってローラー電極を用い、一定の加圧の下で電源からパルセーション通電を行うことにより、シールリング20eと金属蓋21との接合部に発生するジュール熱により、金属蓋21の表面に施したニッケルメッキ(図示せず)が溶融し、シールリング20e上にある金メッキと共晶を形成して接合される。
【0003】
図7はシーム溶接工程におけるパッケージ20と金属蓋21との位置合わせ(センタリング)治具を示した斜視図であって、同図(a)は蓋供給部から供給される金属蓋21を位置補正部で、X方向位置補正治具22とY方向位置補正治具23とを用いて、金属蓋21を所定の場所に位置決めする。一方、パッケージ供給部から供給されるパッケージ20は所定の位置に配置し、小型カメラ24によりその位置、方向等の画像情報を溶接装置の制御部に取り入れる。そして、位置決めした前記の金属蓋21を吸着治具で吸着し、制御部の画像情報に基づいて金属蓋21をパッケージ20の上に載置し、金属蓋21の周縁二箇所に仮止め用のスポット溶接を行ってから、パルセーション通電を行ってパッケージ20の気密封止を行う。
【0004】
図8はパッケージ20と金属蓋21との他の位置合わせ治具を示した斜視図であって、同図(a)は図7と同様に金属蓋21のX、Y方向の位置を補正して、金属蓋21を所定の場所に位置決めする。図8(b)に示す治具は、パッケージ本体20を、X方向位置補正治具22aとY方向位置補正治具23aとを用いて、所定の場所に位置決めする。そして、位置決めした金属蓋21を吸着し、パッケージ本体20の上に載置した後、図8(c)に示すように、パッケージ本体20のシールリング20eと金属蓋21とを、X方向位置補正治具22bとY方向位置補正治具23bとを用いて微調整し、金属蓋21がシールリング20e上に正確に載置するように調整してから、シーム溶接を行う。
圧電デバイス用パッケージの外形寸法は、3.2mm×2.5mm、封止後の高さが0.7mm程度のものが多く用いられている。小型化にもかかわらず水晶振動子に要求される、例えば低クリスタルインピーダンス化に対する仕様は厳しく、その仕様を満たすためにはできるだけ大きな水晶板を用いる方が望ましい。パッケージの寸法に対して大きな水晶板を収容するためには、パッケージの内部容積を大きくする必要があり、信頼性が確保できる範囲で、パッケージの壁厚を最小にしていた。一例を挙げると、外形寸法3.2mm×2.5mmのパッケージでは、その壁厚は0.3mm〜0.4mmであり、シールリングの幅は0.2mm程度である。
最近、デバイスの更なる小型化、低背化の要請が強く、例えば水晶振動子用のパッケージの外形寸法は、2.5mm×2.0mm程度のものが実用化された。壁厚は0.25mm程度となり、シールリングの幅は0.15mm〜0.18mm程度である。このようなシールリング幅の狭い小型パッケージの溶接条件は、確立されたとは言い難く、従来の条件でシーム溶接するとリーク等が発生するおそれがある。
【0005】
図9(a)はパッケージ外形寸法が2.5mm×2.0mmの一例の平面図、同図(b)はそれに用いられる金属蓋の平面図である。パッケージの外形寸法は略2.50mm×2.0mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリングの外形寸法は略2.26mm×1.76mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリングの内形寸法は略1.80mm×1.30mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリング幅は0.23mmである。金属蓋の外形寸法は金属蓋をパッケージ本体の上面に載置した際に、位置精度の関係でシールリングからはみ出す虞があるので、シールリングの外形寸法よりそれぞれ0.1mm〜0.2mmずつ小さくした外形寸法2.16mm×1.66mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)とするのが一般的である。なお、パッケージ本体に金属蓋を封止した後のパッケージの高さは0.5mm程度となる。
図9に示した従来のパッケージ本体外形寸法2.5mm×2.0mmと、金属蓋外形寸法2.16mm×1.66mmとを用い、図7、8に示したような位置補正治具を備えた抵抗溶接機でシーム溶接を行ったところ、パッケージ本体と金属蓋とのシーム溶接後の位置関係は、図10に示す平面図のようになった。ここで、シールリングと金属蓋との重なり合った部分を分かり易くするために、シールリングは破線で示してある。図10(a)の左側の座標軸により溶接状態を記述すると、図10(a)はパッケージ本体に対して金属蓋が+X方向にずれて溶接された状態で、図中左側のシールリングと金属蓋との重なり合い部分が狭い。図10(b)は金属蓋が+Y方向にずれた状態で、図中下側のシールリングと金属蓋の接合幅が狭くなっている。図10(c)は金属蓋が+θ方向に回転して溶接された状態で、図中下側で右端部分の接合幅が狭くなっている。このように、パッケージが小型化されると、従来の位置補正治具ではその機械的精度、カメラの認識精度、可動装置の位置精度等に加え、機械装置に要求されるタクト時間の速さ等より、パッケージ本体と金属蓋とに位置ズレが生じ、シールリングと金属蓋との接合幅が狭くなるものが発生するおそれがあった。
【0006】
図11は、パッケージ2.5mm×2.0mmと金属蓋2.16mm×1.66mmとの長辺側のみをシーム溶接し、溶接部の溶接状態を確認した図である。パッケージのクラックは偏光顕微鏡で観察し、パッケージの銀ろうの溶け出しは顕微鏡で観察した。図11、12は、パッケージを硝酸に浸漬して金属蓋を剥離し、溶接状態を写真撮影し、溶接状態、溶接幅等を観察した。溶接装置は日本アビオニクス製NAW−1267CPを用い、溶接条件はMHCのみを16から36の範囲で変化させ、他の条件は一定とした。図11ではMHC値を17から25まで変化させ、図12ではMHC値を27から33まで変化させた。ここで、MHCの値はシーム溶接する際の溶接パワーの強さのレベルを段階的に示す数字であり、数字が大きい程、溶接パワーが強くなる。
図13は、クラック、銀ろうの溶け出し、及び図11、12の観察結果を纏めたもので、上段はMHCの値、下段はその値での溶接状態の判定結果である。判定の○は良好、◎は大変良好、Cはクラック、Agは銀ろうの溶け出し、Wは溶接幅が広すぎることを示している。溶接幅はシールリングの幅の1/2〜1/3の幅で、且つシールリングの中央部が溶接されたものがよいとされている。これは溶接幅が広い場合の程ではないが、溶接部がパッケージの内側寄り(キャビティ側)であっても、溶接時の所謂スプラッシュが水晶素子へ飛散し、振動子の特性を劣化させる可能性があるからである。図11ではMHC値が17、19の場合、シーム溶接は一応良好であるが溶接痕跡がキャビティ側にある。MHC値が21、23では溶接幅が広すぎ、キャビティ側まで溶融している。また、MHC値が25では銀ろうが溶け出している。MHC値が27、30、33ではパッケージにクラックが発生し、リーク不良となった。
【特許文献1】特開平8−290272号公報
【特許文献2】特開2005−101220公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
以上説明したように、外形寸法を略2.26mm×1.76mm(それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、内形寸法を略1.80mm×1.30mm(それぞれ±0.05mmの誤差を含む)のシールリングを銀ろう付けした従来のパッケージ本体を略2.50mm×2.0mm(それぞれ±0.05mmの誤差を含む)に、外形寸法を略2.16mm×1.66mm(それぞれ±0.05mmの誤差を含む)の金属蓋をシーム溶接すると、良好となる溶接条件は、例えばMHC値の範囲が17から19と極めて狭くなる。パッケージ、金属蓋の製造バラツキ、装置の位置合わせ精度の誤差を考慮すると、このような範囲の狭い溶接条件で2.5mm×2.0mmのパッケージを溶接すると、溶接不良率が大きくなるという問題があった。
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたもので、量産時に溶接の良品率の高い、2.5mm×2.0mmのパッケージ本体及び金属蓋を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、上面に凹陥部を備えたパッケージ本体と、前記凹陥部を気密封止する金属蓋と、から成り、前記パッケージ本体は平板状の絶縁基板、該絶縁基板の底部に形成された表面実装用の外部電極、前記絶縁基板の上面に形成された圧電振動素子搭載用のパッド電極、及び前記絶縁基板上面の周縁に沿って環状に形成されたメタライズ膜を備えた実装基板と、前記メタライズ膜上に銀ろうにて固定され、前記凹陥部の外壁を形成する断面形状が矩形の金属製シールリングと、を備えた圧電デバイス用パッケージであって、前記シールリングの外形寸法と、前記金属蓋の外形寸法とを略同一としたことを特徴とする。
また請求項2に記載の発明は、パッケージの外形寸法を略2.50mm×2.00mmとした請求項1に記載の圧電デバイス用パッケージを特徴とする。
また請求項3に記載の発明は、前記金属製シールリングの略外形寸法を2.34mm×1.84mm、内形寸法を略1.98mm×1.48mm、前記金属蓋の外形寸法を略2.34mm×1.84mmとした請求項1又は2に記載の圧電デバイス用パッケージを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
請求項1に記載の本発明によれば、パッケージ本体のシールリング外形寸法と金属蓋外形寸法とを同一としたため、従来の溶接装置に備えられたパッケージ、金属蓋の位置合わせ(センタリング)治具を用いても、パッケージ本体のシールリング上に金属蓋が精度よく載置できるので、溶接条件の範囲が広がり、溶接の信頼性が大幅に改善されるという利点がある。同時に、シールリングの内形寸法が従来のパッケージのそれより大きくできるので、より大きな水晶板を収容できるという利点もある。
請求項2、3に記載の本発明によれば、パッケージの外形寸法、シールリングの外形及び内径寸法、金属蓋の外形寸法を明示したので、容易にパッケージ本体及び金属蓋を製作することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1(a)は本発明に係るパッケージ構造の実施の形態を示す模式的断面図であって、パッケージ本体1と金属蓋2とを備える。パッケージ本体1は、平板状のセラミック製基板1aの上面及び底面にタングステン(W)膜を印刷して内部電極1bと外部電極1cとを形成すると共に、セラミック製基板1aの上面周縁に、上面にタングステン膜を印刷したセラミック製の環状外周壁1dを一体的に立設し、焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、環状外周壁1dの上面に金属製のシールリング1eを銀ろう付し、金属部分に金メッキを施す。さらに、セラミック基板1aの外部電極1cから導出したリード電極1fを、セラミック基板1a、環状外周壁1dを貫通させ、パッケージ本体1の内底部に設けた複数の電極1bと導通させると共に、一部はシールリング1eと導通させる。
図1(b)は、(a)の構造のパッケージをより小型化に適したパッケージ構造としたものであって、パッケージ本体1’と金属蓋2とを備える。パッケージ本体1’は、平板状のセラミック製基板1’aの底面にタングステン膜を印刷して外部電極1cを形成すると共に、上面にリード電極を印刷する。セラミック製基板1’aの上面に、平板状のセラミック製基板1’dを張り合わせて一体化する。平板状のセラミック製基板1’dの上面の周縁には環状にタングステン膜を印刷すると共に、中央よりはずれて電極1b用のタングステン膜を印刷する。平板状のセラミック製基板1’a、1’dを焼成してセラミックを固化させると同時に、前記タングステン膜をメタライズ化する。メタライズ部にニッケルメッキを施すと共に、セラミック製基板1’dの上面周縁のメタライズ部に、シールリング1’eを銀ろう付けした後、金属部分にニッケルメッキと金メッキを順次施す。さらに、セラミック基板1’aの外部電極1cから導出したリード電極1fを、セラミック基板1’a、1’dを貫通させ、パッケージ本体1’の内底部に設けた複数の電極1bと導通させる。
図2(a)はパッケージ本体1’(図1(b)のパッケージ)の平面図であって、外形寸法は略2.50mm×2.00mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリングの外形寸法は略2.34mm×1.84mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリングの内形寸法は1.98mm×1.46mm(但し、それぞれ±0.05mmの誤差を含む)、シールリング幅は0.18mmである。図2(b)は金属蓋2の平面図であって、外形寸法は略2.34mm×1.84mm(但し、それぞれ±0.02mmの誤差を含む)である。
【0011】
図1、2に示したように、本発明の特徴は、シールリングの外形寸法と金属蓋との外形寸法を同一としたことである。
シールリングと金属蓋との外形寸法を同一としたことにより、例えば図8(c)の位置合わせ治具により、シールリングと金属蓋との重なり具合を微調整することにより、図10(a)、(b)で説明したX方向、あるいはY方向のずれは起こりにくい。また、シールリングと金属蓋との外形寸法を同一としたことにより、図10(c)のθ方向のずれも起こりにくくなる。
【0012】
図3、4は本発明のパッケージ本体と金属蓋とを用いて、図11、12と同じ溶接条件で、パッケージの長辺側のみをシーム溶接した場合の溶接部の写真である。パッケージのクラックは偏光顕微鏡で観察し、パッケージの銀ろうの溶け出しは顕微鏡で観察した。溶接部は、パッケージを硝酸に浸漬して金属蓋を剥離し、溶接状態を写真撮影し、溶接状態、溶接幅等を観察した。図3、4は、MHC(シーム溶接する際の電圧×電流、パワーに相当する値)の値を18から34まで変化させた場合の溶接状態の写真である。図5は溶接状態の判定結果の一覧表である。MHC値が18から28まで、溶接状態は極めて良好であることは、例えば図3のMHC値が20から28の写真からも読みとれる。つまり、溶接幅がシールリングの半分程度であり、しかも溶接部分がパッケージの外側寄りに形成されている。その上、パッケージにはクラックの発生が見られなかった。
図4の写真に示すように、MHCの値が32、34ではシームリングの下部に設けた銀ろうが溶け出しており、溶接のパワーが強すぎるものと考えられる。図5の判定結果に示すように、本発明のパッケージ本体と金属蓋とを用いて、小型表面実装型の水晶振動子を生産すれば、従来のパッケージのシールリングの内形寸法が略1.80mm×1.30mmであるのに対し、本発明のパッケージのシールリングの内形寸法は略1.98mm×1.46mmであり、パッケージの内容積(キャビティ)が大きくなることが分かる。更に、溶接条件の範囲は、従来のパッケージのMHC値が17から19であるのに対し、本発明のパッケージでは、MHC値が18から28と大幅に広がり、シーム溶接の信頼性の範囲が大幅に広がったことが判明した。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】(a)、(b)はそれぞれ本発明に係るパッケージの構造を示した概略断面図である。
【図2】(a)、(b)はそれぞれ本発明に係る表面実装型パッケージ本体及び金属蓋の平面図である。
【図3】本発明に係るパッケージの長辺側の溶接写真であり、MHC値を18から28まで変化させたときの図である。
【図4】本発明に係るパッケージの長辺側の溶接写真であり、MHC値を32から34まで変化させたときの図である。
【図5】溶接条件MHCと本発明のパッケージの溶接部の判定結果を示す図である。
【図6】(a)、(b)はそれぞれ従来の表面実装型パッケージの断面図である。
【図7】(a)、(b)、(c)は溶接装置に用いられるパッケージの位置合わせ工程の治具を示す図である。
【図8】(a)、(b)、(c)は溶接装置に用いられるパッケージの位置合わせ工程の治具を示す図である。
【図9】(a)、(b)はそれぞれ従来の表面実装型パッケージ本体及び金属蓋の平面図である。
【図10】(a)、(b)、(c)はそれぞれ溶接状態の例を示した平面図である。
【図11】従来のパッケージの長辺側の溶接写真であり、MHC値を17から25まで変化させたときの図である。
【図12】従来のパッケージの長辺側の溶接写真であり、MHC値を27から33まで変化させたときの図である。
【図13】溶接条件MHCと従来のパッケージの溶接部の判定結果を示す図である。
【符号の説明】
【0014】
1、1’ パッケージ本体、1a、1’a、1’d 平板状のセラミック基板、1b パッケージ本体内部の電極、1c パッケージ本体外部の電極、1d セラミックの環状外周壁、1e、1’e シールリング、1f リード電極、2 金属蓋




 

 


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