(57)【要約】【課題】  製造コストを低減することができる圧電デバイスを提供する。【解決手段】圧電デバイス（ＰＤ）は、電位を加えることで振動する圧電振動片と、第１深さの底面から第１テーパー角度で形成される内壁面を含む第１壁を有するセラミック製のベース（１０）と、第１深さよりも深い第２深さの天井面から第２テーパー角度で形成される内壁面を含む第２壁を有し、圧電振動片を天井面で覆うリッド（２０）と、第１壁と第２壁とを接合する共晶金属（３０）とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電位を加えることで振動する圧電振動片と、
第１深さの底面から第１テーパー角度で形成される内壁面を含む第１壁を有するセラミック製のベースと、
前記第１深さと同じか又は異なる第２深さの天井面から第２テーパー角度で形成される内壁面を含む第２壁を有し、前記圧電振動片を前記天井面で覆うリッドと、
前記第１壁と前記第２壁とを接合する共晶金属と、
を備える圧電デバイス。
【請求項２】
前記第２深さは前記第１深さより深い請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記ベースは平面視で長方形であり、且つ前記圧電振動片に電圧を加えるため前記底面に接続バンプを形成し、
前記接続バンプは、前記長方形の長手方向に前記底面から前記天井面方向に傾いて形成されている請求項１又は請求項２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記第１深さをｄ１（μｍ）、前記第２深さをｄ２（μｍ）と表したとき、前記第１深さと前記第２深さとが以下の式で表される深さである請求項１又は請求項２に記載の圧電デバイス。
ただし、ｄ１＜ｄ２である。
８０−ｄ１≦ｄ２≦１２０−ｄ１
【請求項５】
前記第１テーパー角度が、前記底面の法線方向を基準に１〜５°であり、
前記第２テーパー角度が、前記天井面の法線方向を基準に０．５〜２°である
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記第１壁の上面は前記第２壁の厚さに相当分凹んだ溝部を有し、
前記第２壁の端部は前記溝部に入り込み、
前記共晶金属は、前記溝部で前記第１壁と前記第２壁とを接合する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記リッドは金属製で前記端部はフランジを含む請求項５に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
前記共晶金属は、金シリコン（ＡｕＳｉ）合金、金ゲルマニューム（ＡｕＧｅ）合金、又は金スズ（ＡｕＳｎ）合金である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
前記ベースは、セラミックグリーンシートを金型でプレスして前記第１壁面を形成し、その後焼成して形成される請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な圧電デバイスは、両主面に励振電極および引出電極を具えた平面形状が矩形状の圧電振動片と、この圧電振動片が固定されるベースと、このベースに接合されるリッドと、を備えている。
【０００３】
例えば特許文献１に開示の圧電デバイスがある。この圧電デバイスでは、セラミック素地の平板（一般にグリーンシートと呼ばれる。）を複数枚重ね合わせて凹部を有したセラミック製のベースが形成されている。このベースの壁面の上面に、平板状のリッドが接続部材により接合されている。このベースの凹部内では、圧電振動片は、その一端に形成された引出電極が接続バンプに底面に水平に導電性接着剤によって固定されている。特許文献１では図示されていないが、圧電振動片の他端が底面に接することを防ぐため、引出電極とは反対側の他端を持ち上げるように圧電振動片を導電接着剤で固定することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１７９７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、平板を複数枚重ね合わせるセラミック製のベースは、平板の重ね合わせ作業があることなどからコストが高くなる傾向がある。一方、１枚の平板を金型でプレスするだけでは、特許文献１のように深さが深い凹部を有したベースを製造することができないため、他端を持ち上げるように斜めにした圧電振動片を導電接着剤で固定することができないという問題点がある。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、上記の課題を解決できる圧電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態の圧電デバイスは、電位を加えることで振動する圧電振動片と、第１深さの底面から第１テーパー角度で形成される内壁面を含む第１壁を有するセラミック製のベースと、第１の深さと同じか又は異なる第２深さの天井面から第２テーパー角度で形成される内壁面を含む第２壁を有し、圧電振動片を天井面で覆うリッドと、第１壁と第２壁とを接合する共晶金属とを備える。第２深さは、第１深さよりも深くてもよい。
【０００７】
また圧電デバイスは、ベースは平面視で長方形であり且つ圧電振動片に電圧を加えるため底面に接続バンプを形成し、接続バンプは、長方形の長手方向に底面から天井面方向に傾いて形成されている。
また圧電デバイスは、第１深さをｄ１（μｍ）、第２深さをｄ２（μｍ）と表したとき、第１深さと第２深さとが以下の式で表される深さである。
８０−ｄ１≦ｄ２≦１２０−ｄ１
ただし、ｄ１とｄ２との関係は、好ましくはｄ１＜ｄ２が良い。第１深さｄ１と第２深さｄ２とは同じ場合であっても、又は、第１深さの方が第２深さより深い場合であっても、実施形態の効果を得ることができる。しかし、典型的なリッドは金属製であるから、セラミックに第１深さの凹部を形成するより、金属板から絞り加工により第２深さの凹部を形成する方が、深さが深い凹部が得やすい。すなわち第１深さ＜第２深さのほうがベースやリッドを得やすい。従って、圧電振動片を収容する空間を得る場合、第１深さ＜第２深さとした方が、所望の空間が得やすい。このことから。第２深さは第１深さより深い方が好ましい。
【０００８】
また圧電デバイスは、ベースの壁の第１テーパー角度が、底面の法線方向を基準に１〜５°であり、リッドの壁の第２テーパー角度は、天井面の法線方向を基準に０．５〜２°である。
また圧電デバイスは、第１壁の上面は第２壁の厚さに相当分凹んだ溝部を有し、第２壁の端部は溝部に入り込み、共晶金属は、溝部で第１壁と第２壁とを接合してもよい。
リッドは金属製でその端部がフランジを含む。
また使用される共晶金属は、２又は３以上の金属を含む合金であり、金シリコン（Ａｕ、Ｓｉ）合金、金ゲルマニューム（ＡｕＧｅ）合金、又は金スズ（ＡｕＳｎ）合金であってもよい。金属組成は、例えばＡｕ３．１５Ｓｉ合金、Ａｕ１２Ｇｅ合金、又は金スズＡｕ２０Ｓｎが挙げられる。
またベースは、セラミックグリーンシートを金型でプレスして第１壁面を形成し、その後焼成して形成される。
【発明の効果】
【０００９】
この開示の圧電デバイスは、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、第１実施形態の圧電デバイスＰＤのリッド２０の斜視図である。（ｂ）は、この圧電デバイスＰＤのベース１０の斜視図である。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図２】（ａ）は、実施形態の圧電振動片４０の平面図であり、（ｂ）は、この圧電振動片４０の断面図である。
【図３】ベース及びリッドの壁の高さ及び壁のテーパー角度を説明する断面図である。
【図４】（ａ）は第２実施形態の圧電デバイスＰＤ２の断面図であり、（ｂ）そのベース１１０の平面図である。
【図５】圧電デバイスの製造方法に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている場合がある。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。
【００１２】
＜＜第１実施形態＞＞
＜圧電デバイスの構成＞
図１（ａ）は、第１実施形態の圧電デバイスＰＤのリッド２０の斜視図であり、図１（ｂ）は、この圧電デバイスＰＤのベース１０の斜視図である。図１（ｃ）は図１（ａ）及び（ｂ）の断面図であり、図１（ａ）及び（ｂ）に描かれていない、共晶金属３０及び圧電振動片４０が描かれている。
【００１３】
図１（ａ）及び（ｃ）に示されるリッド２０は、長方形状の天井面２２を有しておりその四辺から壁２５が形成されている。またリッド２０の端部には壁２５から伸びたフランジ部２７が形成されている。このリッド２０は例えばコバルト等の金属材料で構成されており、不図示の金型で一枚の金属板をプレスして、１つ１つのリッドを型抜きするとともに壁２５及びフランジ部２７が形成される。
【００１４】
図１（ｂ）及び（ｃ）に示される平面視で長方形のベース１０は、例えばアルミナを主原料としたセラミックスで構成される。このベース１０は、長方形状の底面１２を有しておりその四辺から壁１５が形成されている。底面１２は圧電振動片４０を載置する台座１９を有し、その台座１９には接続バンプＣＢが形成されている。台座１９はＹ軸方向のマイナスからプラス方向へ徐々に高くなるように傾いて形成されている。圧電振動片４０は接続バンプＣＢに塗布される導電性接着剤ＥＡで接着される。さらにベース１０は、その底面１２の反対側の実装面に実装端子ＯＥを備えている。接続バンプＣＢと実装端子ＯＥとは不図示のビア配線で電気的に接続されている。
【００１５】
共晶金属３０は、圧電振動片４０を配置したベース１０とリッド２０とを接合する。ベース１０の壁１５の上面１５ｕに共晶金属３０のペーストが塗布され、リッド２０の壁２５及びフランジ部２７が共晶金属３０の上に配置される。そして共晶金属３０が焼結して、リッド２０とベース１０とを接合する。これにより、リッド２０とベース１０との間の空間ＳＰに圧電振動片４０が封止される。なお、上面１５ｕに共晶合金に接合容易なメタライズを予め施しておき、一方、リッドの縁の領域上に共晶合金層を予め形成しておき、これらベースとリッドとを接合することで封止をしても良い。
【００１６】
共晶金属３０は、例えば金シリコン（Ａｕ３．１５Ｓｉ）合金、金ゲルマニューム（Ａｕ１２Ｇｅ）合金、又は金スズ（Ａｕ２０Ｓｎ）合金である。これら共晶金属３０は、プリント基板などの外部部材に実装端子ＯＥをハンダ合金で実装する際の温度よりも高ければ、特に合金材料は限定されない。実装端子ＯＥを実装させるリフロー炉の温度は、一般に摂氏２５０度以下であるので、共晶金属３０の融点が摂氏２６０度以上であれば、ベース１０とリッド２０との接合が溶けることはない。
【００１７】
図２（ａ）は、実施形態の圧電振動片４０の平面図であり、図２（ｂ）は、この圧電振動片４０の断面図である。圧電振動片４０は励振電極４１と引出電極４３とを有している。圧電振動片４０は長辺がＹ軸方向に伸び、短辺がＸ軸方向に伸びる長方形の平板状に形成されている。
【００１８】
圧電振動片４０の主面表裏（＋Ｚ軸側の各面）にはそれぞれ励振電極４１が形成されている。各励振電極４１は同形状でありＺ軸方向に互いに重なるように形成されている。励振電極４１は長軸がＹ軸方向に伸び、短軸がＸ軸方向に伸びる例えば楕円形状又は図示しない四角形状に形成されており、各励振電極４１からは、圧電振動片４０のーＹ軸側の辺の両端にそれぞれ引出電極４３が引き出されている。引出電極４３は台座１９の接続バンプＣＢに導電性接着剤ＥＡなどで接着される。
【００１９】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。圧電振動片がＡＴカット又はＳＣカット等の水晶振動片である場合、電位が加えられて振動する振動周波数は水晶片の厚さに反比例するため、その厚さは圧電振動片４０の振動周波数に応じて決められる。主振動を閉じ込めるため、振動片はＹ軸方向の一端側及び他端側は薄く形成されている。圧電振動片４０は、ＡＴカット圧電振動片以外にも、音叉型の圧電振動片等の他の振動モードの振動片であっても良い。
【００２０】
図３は、ベース１０及びリッド２０の壁の高さ及び壁のテーパー角度を説明する断面図である。なお、図３は、ベース１０の断面図は台座１９を含む位置の断面図であり、接続バンプ及び実装電極等を除いて描かれている。このベース１０の厚さｄ３は、１２０〜３００μｍであり、好ましくは１２０〜２００μｍである。底面１２から壁１５の深さ（又は凹み深さ）ｄ１は、金型でプレスして形成し易い高さであり、発明者の実験によれば２０〜１００μｍ、好ましくは２０〜８０μｍ、より好ましくは２０〜６０μｍが良い。また、このベース１０の壁１５は、底面１１の法線方向を基準にテーパー角度θ１を有する壁面１５ｓを有する。セラミック素地の平板（グリーンシート）を金型でプレスしてベースを形成するため、プレス後に金型からセラミック素地をきれいに剥がす必要がある。発明者の実験によれば、テーパー角度θ１を１度以上とすると、セラミック素地をきれいに剥がすことができる。テーパー角度θ１が大きすぎてはベース１０の壁１５の上面１５ｕの幅を狭めたり、ベース１０の内容積を狭めたりする等の弊害が生じるので、テーパー角度θ１の上限は例えば５度が良い。
【００２１】
リッド２０は金属板を不図示の金型でプレスして壁２５及びフランジ部２７が形成される。そして天井面２２からの壁２５の高さ（又は凹み深さ）ｄ２は、斜めに支持された圧電振動片４０を収容するために必要な最小限の高さ（深さ）であり、壁２５はテーパー角度θ２の壁面２５ｓを有する。テーパー角度θ２は天井面２２の法線方向を基準に０．５〜２°として、できるだけ空間ＳＰを大きくする。リッド２０は金属板であるため、ベースの壁１５よりも壁２５を高く（深く）して且つテーパー角度θ２が０．５度であっても、リッド２０が金型から容易に剥がすことができる。一方、テーパー角度θ２を大きくすればリッド２０を金型から剥がしやすくなるが、リッド２０の内容積を狭めたりする等の弊害が生じるので、テーパー角度θ２の上限は例えば２度が良い。より具体的には、本実施形態の圧電デバイスＰＤでは、ベース１０は壁１５の高さ（又は凹み深さ）ｄ１を有しているので、その高さｄ１分、リッド２０側の壁２５の高さ（又は凹み深さ）ｄ２を低くすることができる。従って、この高さｄ２は、ベース１０の壁１５の高さや圧電振動片４０厚み及び傾き等を考慮して決める。ベース１０の壁１５の高さｄ１の限界及び汎用されている圧電振動片の厚みを考慮したとき、下記（１）式を満たす範囲の高さ（深さ）とするのが良い。
ここで、（１）（２）式におけるｄ１は上記のｄ１の具体的な数値例のうちの２０〜６０μｍの場合である。
８０−ｄ１≦ｄ２≦１２０−ｄ１    ・・・（１）
ｄ１＜ｄ２    ・・・（２）
【００２２】
＜＜第２実施形態＞＞
＜圧電デバイスの構成＞
図４（ａ）は、第２実施形態の圧電デバイスＰＤ２の断面図であり、図４（ｂ）は第２実施形態のベース１１０の平面図である。図４（ｂ）では図４（ａ）に描かれていた共晶金属３０及び圧電振動片４０が描かれていない。
【００２３】
図４（ａ）に示されるリッド１２０は、第１実施形態のリッド２０とフランジ部２７を有していない点で異なりそれ以外の構成は同じであり、同じ構成には同じ符号が付されている。また図示していないが天井面２２からの壁２５の高さ（又は凹み深さ）ｄ２は第１実施形態と同じである。この壁面２５ｓのテーパー角度θ２は第１実施形態のテーパー角度θ２と同じである。
【００２４】
図４（ａ）及び（ｂ）に示されるベース１１０は、第１実施形態のベース１０と比べると、壁１１５の構造が異なりそれ以外は同じ構造であり、同じ構成には同じ符号が付されている。また図示していないが底面１２から壁１１５の深さ（又は凹み深さ）ｄ１は、第１実施形態と同じである。このベース１１０の壁１１５は、底面１１の法線方向を基準にテーパー角度θ１を有する壁面１１５ｓを有する。このテーパー角度θ１は第１実施形態のテーパー角度θ１と同じである。またベース１１０の壁１１５の上面１１５ｕは、リッド１２０の壁２５の厚さに相当分凹んだ溝部１１５ｄを有している。溝部１１５ｄの床面は、壁面１１５ｓに直接つながっている。つまり溝部１１５ｄは１つの床面と１つの溝壁とからなる。ベース１１０の壁１１５の溝部１１５ｄに共晶金属３０のペーストが塗布され、リッド１２０の壁２５が共晶金属３０の上に配置される。そして共晶金属３０が焼結して、リッド１２０とベース１１０とを接合する。これにより、リッド１２０とベース１１０との間の空間ＳＰに圧電振動片４０が封止される。
【００２５】
＜＜圧電デバイスの製造方法＞＞
次に、圧電デバイスの製造方法について図５を参照して説明する。なお、図５は、圧電デバイスＰＤ又は圧電デバイスＰＤ２の両方の製造に適用できる。またベース１０又はベース１１０の製造に関しても詳述する。
【００２６】
先ず、所定の厚さを有したセラミック素地の平板（グリーンシート）を用意する。すでにそのセラミック素地の平板には接続バンプＣＢ用のタングステン等が塗布され金メッキ等が施されている。そのセラミック素地の平板を不図示のベース１０用の金型又はベース１１０用の金型でプレスする。するとベース１０の壁１５及び台座１９が作成される。またベース１１０の壁１１５及び台座１９が作成され、この壁１１５には溝部１１５ｄも作成されている（ステップＳ５１１）。なお金型は複数のベース１０用又は複数のベース１１０用の型が作られている。
【００２７】
次に、セラミック素地の平板が焼成される（ステップＳ５１３）。このときに接続バンプＣＢ及び実装端子ＯＥも形成される。そして、セラミック素地の平板を個片に分割して、ベース１０又はベース１１０が形成される（ステップＳ５１５）。このベース１０又はベース１１０の接続バンプＣＢに導電性接着剤ＥＡが塗布される。そして導電性接着剤ＥＡの塗布が済んだ接続バンプＣＢに圧電振動片４０の引出電極が重なるように置かれ、導電性接着剤ＥＡの硬化がされて、圧電振動片４０はベース１０に固定される（ステップＳ５１７）。
【００２８】
次に、圧電振動片４０を接着し終えたベース１０の壁１５の上面１５ｕ又はベース１１０の壁１１５の溝部１１５ｄに、融点が摂氏２６０度以上の共晶金属３０が塗布される（ステップＳ５１９）。そして真空又は所定のガス雰囲気中で、リッド２０のフランジ部２７又はリッド１２０の壁２５は、上面１５ｕ又は溝部１１５ｄに重なるように載置される（ステップＳ５２１）。そのリッド２０又は１２０がベース１０又は１１０に重ねられた状態で、リッド及びベースはリフロー炉に入れられる。そしてリフロー炉で２６０度以上に加熱されて共晶金属３０が溶けて、ベースとリッドとが圧電振動片４０を封止する（ステップＳ５２３）。このようにして、圧電デバイスＰＤ又はＰＤ２が製造される。
【００２９】
以上、本実施形態の圧電デバイス及びその製造方法を説明したが、この本願発明は上述の実施形態に限られない。例えば、上述の例では、圧電デバイスとして特に水晶振動子を説明した。しかし、発信器を伴う水晶発振器、さらには、水晶以外の圧電材料を用いた圧電振動子や圧電発振器にも適用できる。例えばリッドを接地する場合等では、圧電デバイス内にアースのための引き回し配線を設け、そして、ベースの外側底面にアース用実装端子を設けてもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０、１１０：ベース、
１２：底面    １５、１１５：壁    １５ｓ、１１５ｓ：壁面    １５ｕ：上面
１１５ｄ：溝部
１７：接着バンプ  １９：台座  ＯＥ：実装端子
２０、１２０：リッド    ２２：天井面    ２５：壁    ２７：フランジ部
３０：共晶金属
４０：圧電振動片、  ４１：励振電極、  ４３：引出電極
ＥＡ：導電性接着剤  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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