(57)【要約】【課題】セラミック基体に設ける貫通孔に集中する熱応力によるクラック発生を防止でき、安価な圧電デバイスを形成することができる圧電素子収納用パッケージを提供する。【解決手段】上面に圧電素子１２を接合するための搭載部１３を有すると共に、所定の内径を備え上面に開口する第１の貫通孔１４と、これより大きい内径を備え下面に開口する第２の貫通孔１５を有する略平板状のセラミック基体１１と、この上面外周部に設けられる窓枠状の枠体１６とで形成される空間１７に圧電素子１２を収納する圧電素子収納用パッケージ１０において、第１の貫通孔１４と第２の貫通孔の間の段差部１９に第１のメタライズ膜２０と、これに接続して第２の貫通孔１５の壁面に第２のメタライズ膜２１を有すると共に、第１のメタライズ膜２０に接続して第１の貫通孔１４の壁面途中まで延設する第３のメタライズ膜２２を有する。【選択図】図１
2009100069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に圧電素子を片持ち状態で載置して接合するための搭載部を有すると共に、所定の内径を備え上面に開口する第１の貫通孔と、該第１の貫通孔の軸芯と同一にして前記第１の貫通孔の内径より大きい内径を備え下面に開口する第２の貫通孔を有する略平板状のセラミック基体と、該セラミック基体の上面外周部に設けられる窓枠状の枠体とで形成される空間に前記圧電素子を収納する圧電素子収納用パッケージにおいて、
前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔の間の段差部に第１のメタライズ膜と、該第１のメタライズ膜に接続して前記第２の貫通孔の壁面に第２のメタライズ膜を有すると共に、前記第１のメタライズ膜に接続して前記第１の貫通孔の壁面途中まで延設する第３のメタライズ膜を有することを特徴とする圧電素子収納用パッケージ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電素子収納用パッケージにおいて、前記第１の貫通孔の壁面の前記第３のメタライズ膜が前記段差部から０．０３〜０．１５ｍｍ延設して有することを特徴とする圧電素子収納用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子等の圧電素子を収納するための圧電素子収納用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水晶振動子等の圧電素子を収納させるための圧電素子収納用パッケージは、圧電素子を搭載させた装置、例えば、携帯電話や、無線通信機等の小型化、高信頼性化の要求に伴い、ますますその対応が迫られている。これに対応させるための圧電素子収納用パッケージには、高強度で絶縁性が高く、気密信頼性の高い略平板状をしたセラミック製の基体と、窓枠状をしたセラミック製や、金属製の枠体を用いて形成された空間に圧電素子を収納できるようにしたものがある。
【０００３】
図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、この従来の圧電素子収納用パッケージを説明する。ここで、図２（Ａ）は従来の圧電素子収納用パッケージの上面側の拡大平面図、図２（Ｂ）は同圧電素子収納用パッケージの下面側の拡大平面図、図２（Ｃ）は同圧電素子収納用パッケージのＢ−Ｂ’線縦断面図である。
図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、この従来の圧電素子収納用パッケージ５０は、略平板状のセラミック基体５１に、その上面に圧電素子５２を片持ち状態で載置して接合させるための搭載部５３を有している。これと共に、圧電素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５１に、所定の内径を備え上面に開口する第１の貫通孔５４と、この第１の貫通孔５４の軸芯と同一にして第１の貫通孔５４の内径より大きい内径を備えて下面に開口する第２の貫通孔５５を有している。
【０００４】
セラミック基体５１は、通常、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる複数枚のそれぞれのセラミックグリーンシートに搭載部５３用や、外部と電気的に接続状態とするための外部接続パッド５６用や、上下層の導通を形成するためのビア（図示せず）用等の導体印刷パターンを形成した後、複数枚を重ね合わせた積層体を焼成することで形成されている。
【０００５】
上記の圧電素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５１の第１の貫通孔５４と第２の貫通孔５５の間の段差部５７と、第２の貫通孔５５の壁面にメタライズ膜５８を有している。このメタライズ膜５８は、上記のセラミック基体５１を形成するときのセラミックグリーンシートに導体印刷パターンを形成した後、複数枚を重ね合わせた積層体を焼成することで形成されている。
【０００６】
また、圧電素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５１と同じセラミック製や、セラミックと熱膨張係数が近似する金属製の窓枠状をした枠体５９をセラミック基体５１の上面外周部に設けている。この圧電素子収納用パッケージ５０には、セラミック基体５１の上面と、枠体５９の内周壁面で形成される空間６０に圧電素子５２が収納されるようになっている。圧電素子５２が収納された圧電素子収納用パッケージ５０は、枠体５９の上面に蓋体（図示せず）が接合されるようになっている。更に、蓋体が接合された圧電素子収納用パッケージ５０は、第１、第２の貫通孔５４、５５を介して空間６０を排気して真空状態にした後、第１の貫通孔５４の壁面、及び段差部５７に形成したメタライズ膜５８に金−ゲルマニウム合金等のろう材をレーザーで溶融させて接合すると共に、第１の貫通孔５４をろう材で塞ぎ、圧電素子５２を真空中に気密に封止している。そして、圧電素子５２が実装された圧電素子収納用パッケージ５０は、セラミック基体５１の下面の外部接続パッド５６で半田等を介してボード等に接合している。
【０００７】
従来の圧電素子収納用パッケージを用いた圧電デバイスには、圧電素子収納用パッケージの第１の貫通孔と第２の貫通孔の間の段差部と、第２の貫通孔の壁面にメタライズ膜が設けられ、ここに封止材が適用される圧電デバイスが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
また、従来の圧電素子収納用パッケージを用いた圧電振動子には、圧電素子収納用パッケージの第１の貫通孔と第２の貫通孔の間の段差部にメタライズ膜を設け、ろう材を被覆した封止用金属部材を第１の貫通孔内に載置し、封止用金属部材のろう材を介してメタライズ膜に接合して気密に封止する圧電振動子が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−９５７７号公報
【特許文献２】特開２００３−１５８４３９号公報
【特許文献３】特許第３５２３５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述したような従来の圧電素子収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）従来の圧電素子収納用パッケージや、特開２００２−９５７７号公報、特開２００３−１５８４３９号公報で開示されるような圧電素子収納用パッケージは、通常、蓋体接合時や、貫通孔閉塞時の熱応力がセラミック基体に設ける貫通孔に集中し、貫通孔の周縁から周辺部に延設するクラックが発生する場合があり、気密信頼性の低下となっている。また、従来のこれらの圧電素子収納用パッケージは、貫通孔の大きさバラツキと、貫通孔を封止するためのろう材のボリュームバラツキによりろう材が過多となったところの貫通孔に集中する熱応力によってクラックが発生するものがあるが、これを防止するために、ろう材のボリュームバラツキの低減の改善を行ったとしても、貫通孔の大きさバラツキによってろう材が過多となる貫通孔があり、この貫通孔に熱応力が集中してクラックを発生させている。
【００１０】
（２）上記のこれらの圧電素子収納用パッケージは、貫通孔の大きさバラツキを吸収させるために、第２の貫通孔壁面のメタライズ膜表面積を大きくしてろう材の過多となる貫通孔を解消させることが考えられる。しかしながら、この場合には、第２の貫通孔を形成するためのセラミック基体の厚さを厚くする必要性がでてくるが、パッケージの軽薄短小化の要求と逆行するので、セラミック基体厚さの増大には限界があり、貫通孔に熱応力が集中してクラックを発生させている。
【００１１】
（３）上記のこれらの圧電素子収納用パッケージは、貫通孔の大きさバラツキを吸収させるために、第１の貫通孔壁面にもメタライズ膜を形成してメタライズ膜表面積を大きくすることでろう材の過多となる貫通孔を解消させることが考えられる。しかしながら、この場合には、セラミック基体の上面までろう材がはみ出ることとなり、圧電素子への接触でデバイスとしての電気的信頼性の低下となっている。
【００１２】
（４）特許第３５２３５０２号公報で開示されるような圧電素子収納用パッケージは、貫通孔を閉塞するのにろう材を被覆した封止用金属部材を用いていることで、ろう材自体のボリュームが少なくメタライズ膜に接合するろう材が過多とならないので、貫通孔の大きさバラツキを吸収させるための貫通孔の壁面にメタライズ膜を設けて表面積を大きくする必要性が少ない。しかしながら、ろう材を被覆した封止用金属部材は、精度よい金属球にボリュームバラツキの少ないろう材を被覆する必要があるので、高価なものとなり、圧電素子収納用パッケージに圧電素子を気密に封止した圧電デバイスのコストアップとなっている。
【００１３】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミック基体に設ける貫通孔に集中する熱応力によるクラック発生を防止でき、安価な圧電デバイスを形成することができる圧電素子収納用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的に沿う本発明に係る圧電素子収納用パッケージは、上面に圧電素子を片持ち状態で載置して接合するための搭載部を有すると共に、所定の内径を備え上面に開口する第１の貫通孔と、第１の貫通孔の軸芯と同一にして第１の貫通孔の内径より大きい内径を備え下面に開口する第２の貫通孔を有する略平板状のセラミック基体と、セラミック基体の上面外周部に設けられる窓枠状の枠体とで形成される空間に圧電素子を収納する圧電素子収納用パッケージにおいて、第１の貫通孔と第２の貫通孔の間の段差部に第１のメタライズ膜と、第１のメタライズ膜に接続して第２の貫通孔の壁面に第２のメタライズ膜を有すると共に、第１のメタライズ膜に接続して第１の貫通孔の壁面途中まで延設する第３のメタライズ膜を有する。
【００１５】
ここで、上記の圧電素子収納用パッケージは、第１の貫通孔の壁面の第３のメタライズ膜が段差部から０．０３〜０．１５ｍｍ延設して有するのがよい。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１又はこれに従属する請求項２記載の圧電素子収納用パッケージは、第１の貫通孔と第２の貫通孔の間の段差部に第１のメタライズ膜と、第１のメタライズ膜に接続して第２の貫通孔の壁面に第２のメタライズ膜を有すると共に、第１のメタライズ膜に接続して第１の貫通孔の壁面途中まで延設する第３のメタライズ膜を有するので、第１、第２の貫通孔の大きさバラツキがあったとしても第１、第２、第３のメタライズ膜で高表面積のメタライズ膜が確保され、ろう材が過多となるような第１、第２の貫通孔が発生せず、第１、第２の貫通孔に集中するクラック発生を防止することができる。また、高表面積のメタライズ膜の確保には、セラミック基体の厚さを大きくして対応させる必要がなく、パッケージの軽薄短小化に対応させることができる。更に、第１の貫通孔に設ける第３のメタライズ膜は、第１のメタライズ膜に接続して第１の貫通孔の壁面途中までしか形成されないので、この第３のメタライズ膜に接合するろう材がセラミック基体の上面まではみ出ることがなく、圧電素子との接触を防止することができる。また更に、貫通孔の閉塞のためのろう材には、封止用金属部材のような金属球を用いていないので、圧電デバイスを安価に形成することができる。
【００１７】
特に、請求項２記載の圧電素子収納用パッケージは、第１の貫通孔の壁面の第３のメタライズ膜が段差部から０．０３〜０．１５ｍｍ延設して有するので、第３のメタライズ膜が段差部から０．０３ｍｍ以上であれば、複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、焼成して形成する複数枚のセラミック基板からなるセラミック基体の第１の貫通孔の壁面の第３のメタライズ膜の部分を構成するのに用いられるセラミック基板を少なくとも１枚分として設けることができると共に、第３のメタライズ膜が段差部から０．１５ｍｍ以下であれば、ろう材を不足させることなく第１、第２、第３のメタライズ膜にろう材を接合させ、第１の貫通孔を閉塞させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る圧電素子収納用パッケージの上面側拡大平面図、下面側拡大平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【００１９】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る圧電素子収納用パッケージ１０には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックからなる少なくとも３枚以上の複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、焼成して形成される略平板状のセラミック基体１１が用いられている。この圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の上面に水晶振動子等の圧電素子１２を片持ち状態で載置して導電性樹脂接着材等で接合するためのタングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属からなり表面にＮｉ及びＡｕめっき被膜（図示せず）が形成される搭載部１３を有している。
【００２０】
また、この圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の中央部の所定の位置に、所定の内径を備え、上面に開口する円柱状の第１の貫通孔１４と、この第１の貫通孔１４の内径より大きい内径を備え、軸芯を第１の貫通孔１４の軸芯と同一にして下面に開口する円柱状の第２の貫通孔１５を有している。そして、圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の上面外周部にセラミック製や、金属製からなる窓枠状の枠体１６を設け、セラミック基体１１の上面と、枠体１６の内周壁面で形成される空間１７に圧電素子１２を収納できるようにしている。なお、この圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の下面に、搭載部１３とビア（図示せず）や、キャスタレーション（図示せず）等を介して電気的に導通状態となっている外部接続パッド１８を搭載部１３を形成する場合と同様な方法で形成されて有している。
【００２１】
上記の圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の第１の貫通孔１４と、第２の貫通孔１５の間の段差部１９に搭載部１３や、外部接続パッド１８と同様のＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなり表面にＮｉ及びＡｕめっき被膜（図示せず）が形成される第１のメタライズ膜２０を有している。また、圧電素子収納用パッケージ１０は、段差部１９の第１のメタライズ膜２０に接続して第２の貫通孔１５の壁面に上記と同様のＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなり表面にＮｉ及びＡｕめっき被膜（図示せず）が形成される第２のメタライズ膜２１を有している。更に、圧電素子収納用パッケージ１０は、段差部１９の第１のメタライズ膜２０に接続して第１の貫通孔１４の壁面途中まで延設する上記と同様のＷや、Ｍｏ等の高融点金属からなり表面にＮｉ及びＡｕめっき被膜（図示せず）が形成される第３のメタライズ膜２２を有している。
【００２２】
ここで、上記の第３のメタライズ膜２２は、段差部１９から垂直方向に０．０３ｍｍ〜０．１５ｍｍ延設して有しているのがよい。第３のメタライズ膜２２は、段差部１９から０．０３ｍｍ以上であれば、複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、焼成して形成するセラミック基体１１の第１の貫通孔１４の壁面の第３のメタライズ膜２２の部分を構成するのに用いられるセラミックグリーンシートのシート成形の限界厚みのセラミックグリーンシートを少なくとも１枚分として設けることができる。また、第３のメタライズ膜２２は、段差部１９から０．１５ｍｍ以下であれば、ろう材を不足させることなく第１、第２、第３のメタライズ膜２０、２１にろう材を接合させて第１の貫通孔１４に開口を形成させることなく第１の貫通孔１４を閉塞させることができる。
【００２３】
上記の圧電素子収納用パッケージ１０には、セラミック基体１１の上面と、枠体１６の内周壁面で形成される空間１７に圧電素子１２が収納され、枠体１６の上面に金属製の蓋体（図示せず）がろう付け接合や、セラミック製の蓋体（図示せず）がガラス付け接合等がされるようになっている。蓋体が接合された圧電素子収納用パッケージ１０は、第１、第２の貫通孔１４、１５側を上面にした後、第１、第２の貫通孔１４、１５を介して空間１７を排気して真空状態にいる。そして、圧電素子収納用パッケージ１０は、第１、第２の貫通孔１４、１５側を上面にした状態で、金−ゲルマニウム合金等のろう材を第１の貫通孔１４と、段差部１９に跨るようにして載置し、ろう材をレーザーで溶融させている。溶融したろう材は、第１、第２、第３のメタライズ膜２０、２１、２２に濡れ広がらせるて接合させると共に、第１の貫通孔１４を閉塞させ、圧電素子１２を真空中で気密に封止している。
【００２４】
上記のようにして圧電素子１２が実装された圧電素子収納用パッケージ１０は、第２の貫通孔１５側を上面にしてろう材を溶融させているので、外部接続パッド１８側にろう材の飛び出しがなく、外部接続パッド１８で半田等を介してボード等に容易に接合して各種電子装置に組み込むことができる。また、上記のようにして圧電素子１２が実装された圧電素子収納用パッケージ１０は、第２の貫通孔１５側を上面にしてろう材を溶融させたとしても、第３のメタライズ膜２２が第１の貫通孔１４の途中までしか形成されていないので、ろう材が圧電素子１２に接触するような飛び出しがなく、圧電素子１２の電気的信頼性を確保することができる。
【００２５】
上記の圧電素子収納用パッケージ１０は、圧電素子１２を実装して蓋体を接合させる時や、第１、第２の貫通孔１４、１５、及び段差部１９のそれぞれに形成した第１、第２、第３のメタライズ膜２０、２１、２２にろう材を接合させる時に、セラミック基体１１に設ける第１、第２の貫通孔１４、１５の開口周縁に熱応力が集中する。しかしながら、この圧電素子収納用パッケージ１０には、第１の貫通孔１４の壁面の途中まで第３のメタライズ膜２２が設けられているので、第１、第２の貫通孔１４、１５の大きさバラツキがあったとしても高表面積のメタライズ膜が確保され、ろう材が過多となるようなことが発生せず、第１、第２の貫通孔１４、１５に集中するクラック発生を防止することができる。また、高表面積のメタライズ膜の確保には、第１の貫通孔１４の途中まで形成する第３のメタライズ膜２２によって、セラミック基体１１の厚さを大きくして対応させる必要がなく、圧電デバイスの軽薄短小化に対応させることができる。更に、貫通孔の閉塞には、ろう材を被覆した封止用金属部材のような金属球を用いていないので、圧電デバイスを安価に形成することができる。
【００２６】
次いで、上記の圧電素子収納用パッケージ１０の製造方法を簡単に説明する。
セラミック基体１１には、通常、Ａｌ２Ｏ３や、ＡｌＮ等からなる複数枚のセラミックグリーンシートが用いられている。そして、セラミック基体１１の少なくとも２枚のセラミックグリーンシートからなる上層側のセラミックグリーンシートには、第１の貫通孔１４用の打ち抜き孔を金型や、パンチングマシーン等で形成している。また、セラミック基体１１の少なくとも１枚のセラミックグリーンシートからなる下層側のセラミックグリーンシートには、第２の貫通孔１５用の打ち抜き孔を軸芯が第１の貫通孔１４用の打ち抜き孔の軸芯と同一となるような位置に金型や、パンチングマシーン等で形成している。なお、それぞれのセラミックグリーンシートには、必要に応じて、ビア用や、キャスタレーション用等の打ち抜き孔を形成している。
【００２７】
次に、セラミック基体１１の最上層となるセラミックグリーンシートの上面には、搭載部１３用の導体印刷パターンをＷや、Ｍｏ等からなる高融点導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で形成している。また、セラミック基体１１の最下層となるセラミックグリーンシートの下面には、外部接続パッド１８用の導体印刷パターンを上記と同様な高融点導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で形成している。第２の貫通孔１５用の打ち抜き孔が形成されたセラミックグリーンシートの打ち抜き孔の壁面には、第２のメタライズ膜２１用の導体印刷パターンを上記と同様な高融点導体金属ペーストを用いてスルーホールスクリーン印刷で形成している。セラミック基体１１の上層側となる少なくとも最上層のセラミックグリーンシート以外の第１の貫通孔１４用の打ち抜き孔が形成されたセラミックグリーンシートの打ち抜き孔の壁面には、第３のメタライズ膜２２用の導体印刷パターンを上記と同様な高融点導体金属ペーストを用いてスルーホールスクリーン印刷で形成している。更に、このセラミックグリーンシートには、段差部１９となる位置に第１のメタライズ膜２０用の導体印刷パターンを上記と同様な高融点導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で形成している。なお、それぞれのセラミックグリーンシートには、必要に応じて形成されたビア用や、キャスタレーション用等の打ち抜き孔に上記と同様な高融点導体金属ペーストを用いて充填したり、打ち抜き孔の壁面に導体印刷パターンを形成している。また、それぞれのセラミックグリーンシートの表面には、必要に応じて配線用の導体印刷パターンを形成している。
【００２８】
次に、セラミック基体１１用のそれぞれのセラミックグリーンシートは、重ね合わせ温度と圧力をかけて積層し、還元雰囲気中の高温で高融点導体金属と同時焼成することでセラミック基体１１を作製している。そして、圧電素子収納用パッケージ１０は、セラミック基体１１の上面外周部に窓枠状の枠体１６を設けている。なお、この枠体１６は、これがセラミック基体１１と同じセラミック製の場合には、セラミック基体１１のセラミックグリーンシートと同時に重ね合わせて一体の積層体を形成し、焼成することで形成している。また、枠体１６が金属製の場合には、枠体１６にセラミックと熱膨張係数が近似する、例えば、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が用いられ、セラミック基体１１の上面外周部に形成する導体パターンにろう材を介して接合している。そして、上記の圧電素子収納用パッケージ１０には、外部に露出する金属部分にＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜を施している。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の圧電素子収納用パッケージは、水晶振動子等の圧電素子を実装させて、電気的信頼性や、気密高信頼性が要求される、例えば、携帯電話や、無線通信機等の電子装置に組み込まれて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る圧電素子収納用パッケージの上面側拡大平面図、下面側拡大平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の圧電素子収納用パッケージの上面側拡大平面図、下面側拡大平面図、Ｂ−Ｂ’線縦断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０：圧電素子収納用パッケージ、１１：セラミック基体、１２：圧電素子、１３：搭載部、１４：第１の貫通孔、１５：第２の貫通孔、１６：枠体、１７：空間、１８：外部接続パッド、１９：段差部、２０：第１のメタライズ膜、２１：第２のメタライズ膜、２２：第３のメタライズ膜
【図１】
2009100069.tif 000003
【図２】
2009100069.tif 000004