JP2022175865A

JP2022175865A - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP2022175865A
Application number: JP2021082620A
Authority: JP
Inventors: 弘晃山下; Hiroaki Yamashita; 賢周森本; Kenshu Morimoto; 学丸本; Manabu Marumoto; 洋輝飯田; Hiroki Iida
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2022-11-25

Abstract

【課題】樹脂フィルムで封止した圧電デバイスの特性の低下を抑制する。【解決手段】基板部４ａと枠部４ｂとを有して、上部が開口した凹部６を構成するベース４と、凹部６に収納される圧電素子３と、この圧電素子３が収納された凹部６を覆うようにベース４に接合されるリッドとを備える圧電デバイスであって、前記リッドは、樹脂フィルム５であり、この樹脂フィルム５の両主面のベース４に接合される側の主面には、金属膜１５が形成されており、樹脂フィルム５は、ベース４の凹部６を覆っている領域が、凹部６側へ撓んでいる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子等の圧電デバイスに関する。

圧電デバイス、例えば、圧電振動子として、表面実装型の水晶振動子が広く用いられている。この種の水晶振動子には、例えば、特許文献１に記載されているように、両面に励振用電極が形成された水晶素子に、水晶板やガラス板からなる基板と、同じく水晶板やガラス板からなる蓋体とを、水晶素子を挟むように接合して、水晶素子の両面の励振用電極を気密に封止した水晶振動子がある。

この特許文献１では、前記基板及び前記蓋体を、均一な厚みの樹脂フィルムで構成して水晶素子の励振用電極を封止することが提案されている。

特開２０１４－３０１２６号公報（段落［００５１］）

上記のように樹脂フィルムで構成した基板や蓋体は、水晶板やガラス板で構成した基板や蓋体のように気密に封止するのが困難であり、水晶素子の励振用電極が、樹脂フィルムを透過した水分や酸素等のガスの影響を受けて、経時的に特性が劣化し、信頼性の低下を招く。

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、樹脂フィルムで封止した圧電デバイスの特性の劣化を抑制することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

（１）本発明に係る圧電デバイスは、基板部と該基板部の外周部から上方に延びる枠部とを有すると共に、前記基板部と前記枠部とによって、上部が開口した凹部を構成するベースと、前記凹部に収納される圧電素子と、該圧電素子が収納された前記凹部を覆うように前記ベースに接合されて、前記凹部を封止するリッドとを備える圧電デバイスであって、
前記リッドは、樹脂フィルムであり、該樹脂フィルムの両主面の前記ベースに接合される側の主面には、金属膜が形成されており、前記樹脂フィルムは、該樹脂フィルムの周端部が前記ベースの前記枠部の上端面に接合されると共に、前記ベースの前記凹部を覆っている領域が、前記凹部側へ撓んでいる。

本発明に係る圧電デバイスによると、圧電素子が収納された凹部を覆うようにベースに接合されるリッドは、樹脂フィルムであり、この樹脂フィルムの両主面のベースに接合される側の主面には、金属膜が形成されているので、この金属膜によって、水分や酸素等のガスが透過するのを阻止して圧電素子を封止することができ、圧電素子が、水分や酸素等のガスによって劣化して特性が低下するのを抑制することができる。

また、ベースの凹部を覆っている樹脂フィルムは、ベースへの加熱圧着等の接合によって、凹部を覆っている領域が、凹部側に撓んでいるので、樹脂フィルムの周端部が、凹部を囲む枠部の上端面の内周縁に確実に密着して凹部を封止することができる。

（２）本発明の好ましい実施態様では、前記樹脂フィルムの前記ベースに接合される側の前記主面とは反対側の主面に、金属膜が形成されている。

この実施態様によると、樹脂フィルムには、ベースに接合される側の主面だけではなく、前記主面とは反対側の主面にも、金属膜が形成されているので、樹脂フィルムの両主面の金属膜によって、水分や酸素等のガスが透過するのを効果的に阻止して圧電素子を封止することができる。

（３）本発明の一実施態様では、前記樹脂フィルムの前記ベースに接合される側の前記主面に形成されている前記金属膜は、前記樹脂フィルムの前記周端部を除いた内側の領域に形成されている。

この実施態様によると、ベースの枠部に接合される樹脂フィルムの金属膜は、樹脂フィルムの周端部を除いた内側の領域に形成されるので、樹脂フィルムは、金属膜が形成されていない周端部でベースの枠部に直接接合することができ、金属膜を介して樹脂フィルムをベースの枠部に接合するのに比べて、容易に接合することができる。

（４）本発明の他の実施態様では、前記樹脂フィルムは、前記内側の領域に形成されている前記金属膜の一部が、前記枠部の前記上端面に密着した状態で、前記樹脂フィルムの前記周端部が前記枠部の前記上端面に接合されている。

この実施態様によると、樹脂フィルムの周端部の内側に形成されている金属膜の一部が、ベースの枠部の上端面に密着した状態で、樹脂フィルムの周端部が枠部の上端面に接合されているので、枠部で囲まれた凹部は、樹脂フィルムの金属膜によって完全に覆われた状態となり、凹部への水分や酸素等のガスの侵入を効果的に阻止することができる。また、樹脂フィルムが加熱プレスによって加熱圧着される際に、樹脂フィルムの周端部の内側に形成されている金属膜とベースの枠部の上端面とが密着した部分が、枠部で囲まれた凹部側に変形する。そして冷却後には樹脂フィルムが収縮することによって、樹脂フィルムの金属膜とベースの枠部との密着部分が加圧されることになる（ガスケットリングのような作用）。これにより、枠部で囲まれた凹部は、樹脂を含まない金属膜のみによって覆われるため、凹部への水分や酸素等のガスの侵入を効果的に阻止することができる。

（５）本発明の更に他の実施態様では、前記樹脂フィルムに形成されている前記金属膜が、チタン(Ｔｉ)、アルミニウム(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）からなる金属膜を含んでいる。

（６）本発明の一実施態様では、前記樹脂フィルムに形成されている前記金属膜が、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）からなる下地金属膜に、金（Ａｕ）膜が積層されてなる積層金属膜を含んでいる。

（７）本発明の他の実施態様では、前記ベースの前記枠体の前記樹脂フィルムが接合される前記上端面には、ベース側金属膜が形成されており、前記ベース側金属膜は、前記樹脂フィルムに接合されるチタン（Ｔｉ）からなる金属膜を含んでいる。

この実施態様によると、樹脂フィルムは、ベース側金属膜のチタン（Ｔｉ）からなる金属膜に接合されるので、例えば、金（Ａｕ）等からなる金属膜に接合されるのに比べて、接合強度を高めることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る水晶振動子の概略断面図である。図２は図１の水晶振動子の概略平面図である。図３は図１の樹脂フィルムとベースとの接合部分の一部拡大断面図である。図４は図１の水晶振動子の摸式的な断面図である。図５は図４のセクションＰの拡大図である。図６は本発明の他の実施形態に係る水晶振動子の図１に対応する概略断面図である。図７は図６の水晶振動子の図３に対応する概略断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この実施形態では、圧電デバイスとして水晶振動子に適用して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水晶振動子の図２のＡ－Ａ線に沿う概略断面図であり、図２は、図１の水晶振動子の概略平面図である。なお、図２では、後述の樹脂側金属膜１５が形成された矩形の領域を仮想線で示すと共に、この樹脂側金属膜１５で覆われた内部の構成を示すために、樹脂側金属膜１５を透過した状態を図示している。

この実施形態の水晶振動子１は、直方体状のパッケージ２を備える表面実装型の水晶振動子１であり、その平面形状は略矩形である。パッケージ２は、水晶素子３を収納したベース４と、このベース４に接合されたリッドとしての樹脂フィルム５とを備えている。

ベース４は、絶縁材料からなり、平面視略矩形であって、上方に開口した凹部６を備えている。この実施形態では、ベース４は、平面視略矩形の基板部４ａと、この基板部４ａの外周部から上方に延びる枠部４ｂとを備え、更に、基板部４ａの一方の短辺側（図１，図２の左側）には、短辺に沿って延びる段部４ｃを備えている。このベース４は、セラミックグリーンシートが積層された状態で焼成されて一体化された焼成体であり、上方に開口した凹部６の周囲は、平面視で矩形枠状の枠部４ｂとなっている。

ベース４の段部４ｃの上面には、一対の電極パッド７，７が、ベース４の短辺方向に沿って互いに離間して形成されている。これら一対の電極パッド７，７は、図示しない配線パターンによってベース４の内部を経由して、外底面の一対の外部接続端子８，８に電気的に接続されている。

この実施形態では、一対の電極パッド７，７及び外部接続端子８，８は、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ)からなるメタライズ膜の上に、ニッケル(Ｎｉ)膜が形成され、更に、Ｎｉ膜の上に、金(Ａｕ)膜が積層形成されている。このＮｉ膜及びＡｕ膜は、電解メッキによって形成されている。

ベース４内に収納されている水晶素子３は、平面視矩形のＡＴカットの水晶振動片９の表裏の各主面に、励振電極１０ａ，１０ｂがそれぞれ形成された圧電素子である。各励振電極１０ａ，１０ｂは、平面視矩形の水晶振動片９の一方の短辺側へ引き出された各引出電極１１ａ，１１ｂを介して、水晶振動片９の前記短辺側の各角部に形成された一対の各接続電極１２ａ，１２ｂにそれぞれ接続されている。各接続電極１２ａ，１２ｂは、水晶振動片９の側面を経由して、該水晶振動片９の表裏の両面にそれぞれ形成されている。

ベース４の一対の各電極パッド７，７と、水晶振動片９の一対の各接続電極１２ａ，１２ｂとは、導電性接着剤１３によって接合される。

ベース４の枠部４ｂの上端面は、リッドとしての樹脂フィルム５との接合領域である。この接合領域には、ベース側金属膜としての金属膜１４が形成されている。この金属膜１４は、例えば、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ)からなるメタライズ膜の上に、ニッケル(Ｎｉ)膜が形成されており、上記の電極パッド７，７や外部接続端子８，８とは異なり、最上層のＡｕ膜は形成されていない。

この実施形態では、リッドとしての樹脂フィルム５を、水晶素子３が収納されたベース４の枠部４ｂの上端面に接合して、ベース４の水晶素子３が収納された凹部６を封止している。この樹脂フィルム５は、矩形であって、ベース４の枠部４ｂの上端面の外周側の一部を除く領域を覆うことができるサイズである。

この樹脂フィルム５は、耐熱性の樹脂フィルムが好ましく、この実施形態では、ポリイミド樹脂フィルムであり、３００℃程度の耐熱性を有している。この樹脂フィルム５は、表裏両面の全面に熱可塑性の接着層が形成されている。この樹脂フィルム５は、ベース４の枠部４ｂの上端面に、例えば、加熱プレスによって加熱圧着される、すなわち、樹脂フィルム５の熱可塑性の接着層が溶融して接合される。

ポリイミド樹脂フィルムは、上記のように３００℃程度の耐熱性を有するので、当該水晶振動子１を、外部の回路基板等に半田実装する場合の半田リフロー処理の高温に耐えることができ、樹脂フィルムが変形等することがない。

この実施形態の樹脂フィルム５は、透明であるが、加熱圧着の条件によっては、不透明となる場合がある。なお、この樹脂フィルムは、透明、不透明、あるいは、半透明であってもよい。

この実施形態では、水分や酸素等のガスが、樹脂フィルム５を透過して樹脂フィルム５によって封止された内部空間に侵入し、水晶振動片９の両主面の励振電極１０ａ，１０ｂを劣化させるのを防止するために、次のように構成している。

すなわち、樹脂フィルム５は、ベース４の枠部４ｂに接合される側の主面、すなわち、ベース４に収納された水晶素子３に対向する側(内側)の主面に、金属膜１５が形成されている。

以下では、樹脂フィルム５に形成されている金属膜１５を、ベース４に形成されている金属膜と区別するために、「樹脂側金属膜１５」と称する。

この実施形態では、樹脂側金属膜１５は、樹脂フィルム５のベース４に接合される側の主面の全面に形成されるのではなく、図２の仮想線で示すように、矩形の樹脂フィルム５の主面の周端部を除く内側の矩形の領域に形成されている。この矩形の領域は、ベース４の枠部４ｂで囲まれた凹部６を完全に覆うと共に、ベース４の枠部４ｂの上端面の内周側の一部に及ぶ領域である。

樹脂フィルム５のベース４の枠部４ｂに接合される側の主面の周端部は、樹脂側金属膜１５は形成されておらず、樹脂自体が露出している。樹脂フィルム５の周端部の露出した樹脂部分が、上記のように、例えば、加熱プレスによって加熱、加圧され、溶融して接合される。

図３は、図１の樹脂フィルム５とベース４の枠部４ｂとの接合部分の一部拡大断面図である。

樹脂フィルム５に形成されている樹脂側金属膜１５は、例えば、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）からなる下地金属膜、この実施形態では、Ｔｉ膜１６に、金（Ａｕ）膜１７が積層されて構成されている。

この樹脂側金属膜１５は、Ｔｉ膜１６とＡｕ膜１７との積層金属膜に限らず、例えば、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅(Ｃｕ)、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）の単層金属膜であってもよい。

この樹脂側金属膜１５は、例えば、スパッタリングや蒸着といった方法を用いて、樹脂フィルム５に成膜することができる。

樹脂側金属膜１５の厚み、この例では、下地金属膜であるＴｉ膜１６とＡｕ膜１７とを合わせた積層金属膜全体の厚みは、水分や酸素等のガスの透過を確実に阻止するために、例えば、２０００Å～３０００Åであるのが好ましい。

ベース４の枠部４ｂの上端面の金属膜１４は、上記のように、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ)からなるメタライズ膜１８の上に、Ｎｉ膜１９が形成されている。

図４は、図１に対応する水晶振動子１の摸式的な断面図であり、図５は、図４のセクションＰの拡大図である。図４では、樹脂フィルム５やベース４に比べて、樹脂側金属膜１５及び側金属膜１４等は、無視できる程度に薄いので、金属膜は省略している。また、樹脂フィルム５の撓みを誇張して示している。

樹脂フィルム５は、例えば、加熱プレスによって、加熱されると共に、上下から加圧されてベース４の枠部４ｂに溶着されるが、その際、冷却された樹脂フィルム５が収縮し、内方側（中央側）へ引っ張られる結果、樹脂フィルム５の凹部６を覆っている領域が、図４に示すように、凹部６側に撓むように変形する。

また、冷却後には樹脂フィルム５が収縮することによって、樹脂フィルム５の樹脂側金属膜１５とベース４の枠部４ｂとの密着部分が加圧されることになる。すなわち、Ｔｉ膜１６にＡｕ膜１７が積層された樹脂側金属膜１５は、樹脂フィルム５の周端部に押圧されて密着し（ガスケットリングのような作用）、枠部４ｂで囲まれた凹部６は、実質的に樹脂を含まない樹脂側金属膜１５のみによって覆われるため、凹部６への水分や酸素等のガスの侵入を効果的に阻止することができる。

以上のように、樹脂フィルム５のベース４に接合される側の主面には、その周端部を除く内側の矩形の領域に、樹脂側金属膜１５が形成されているので、ベース４の凹部６に収容されている水晶素子３は、樹脂フィルム５の樹脂側金属膜１５が形成された領域に覆われて封止されることになる。

これによって、水分や酸素等のガスが、樹脂フィルム５によって封止された内部空間に侵入して水晶素子３を構成する水晶振動片９の両主面の励振電極１０ａ，１０ｂを劣化させるのを阻止することができ、水晶振動子１の特性の低下を抑制することができる。

また、樹脂フィルム５が接合されるベース４の枠部４ｂの上端面の金属膜として、Ｎｉ膜１９が、最上層の金属膜として形成されているので、樹脂フィルム５の周端部は、ベース４の最上層のＮｉ膜１９に接合されることになる。これによって、樹脂フィルム５が、Ａｕ膜に接合されるのに比べて接合強度を高めることができる。

上記実施形態では、樹脂側金属膜１５は、樹脂フィルム５のベース４に接合される側の主面のみに接合されたが、本発明の他の実施形態として、樹脂側金属膜を、樹脂フィルム５のベース４に接合される側とは反対側の主面、すなわち、ベース４の凹部６に対向する側とは反対側である外側の主面にも形成してもよい。

図６は、本発明の他の実施形態の水晶振動子１_１の上記図１に対応する概略断面図であり、図７は、図６の水晶振動子１_１の上記図３に対応する一部拡大断面図である。

この実施形態の水晶振動子１_１では、上記実施形態と同様に、樹脂フィルム５_１のベース４に接合される側の主面に、樹脂側金属膜１５が形成されており、更に、樹脂フィルム５_１のベース４に接合される側とは反対側である外側の主面に、樹脂側金属膜２０が形成されている。

この樹脂側金属膜２０は、樹脂フィルム５_１の前記外側の主面の全面にそれぞれ形成されている。

この樹脂側金属膜２０は、上記実施形態と同様に、下地金属膜であるＴｉ膜２１上に、Ａｕ膜２２が形成されている。

樹脂フィルム５_１は、上記実施形態と同様に、例えば、加熱プレスによって、加熱、加圧され、ベース４に接合される側の主面の樹脂が溶融してベース４に接合される。

この実施形態の水晶振動子１_１によれば、樹脂フィルム５_１の内側の主面だけではなく、外側の主面には、その全面に、樹脂側金属膜２０が形成されているので、ベース４の凹部６に収納された水晶素子３を構成する水晶振動片９の励振電極１０ａ，１０ｂは、樹脂フィルム５_１と共に、樹脂側金属膜１５，２０で覆われて封止されることになる。

これによって、水分や酸素等のガスが、樹脂側金属膜１５，２０が形成された樹脂フィルム５_１によって封止された内部空間に侵入して水晶振動片９の両主面の励振電極１０ａ，１０ｂを劣化させるのを効果的に阻止することができ、水晶振動子１の特性の低下を抑制することができる。

上記各実施形態では、樹脂フィルム５，５_１に形成された樹脂側金属膜１５，２０によって、水分や酸素等のガスが、ベース４の凹部６に侵入するのを阻止したが、本発明の他の実施形態として、樹脂フィルム５，５_１に形成された樹脂側金属膜１５，２０を、電磁遮蔽体として機能させてもよい。

すなわち、ベース４の外底面にグランド用の外部接続端子を設けると共に、樹脂フィルム５に形成された樹脂側金属膜１５、あるいは、樹脂フィルム５_１に形成された樹脂側金属膜１５，２０の少なくともいずれか一方の金属膜１５，２０を、ベース４に形成した内部配線等を介してグランド用の外部接続端子に電気的に接続する。

これによって、樹脂フィルム５，５_１に形成された樹脂側金属膜１５，２０は、グランド用の外部接続端子を介して接地されることになり、樹脂側金属膜１５，２０を電磁遮蔽体として機能させることができ、水晶振動子１，１_１への電気的なノイズの影響を低減することができる。

したがって、樹脂フィルム５，５_１に形成された樹脂側金属膜１５，２０によって、水分や酸素等のガスが、ベース４の凹部６に侵入するのを阻止するだけではなく、電磁遮蔽体として作用させて、電気的なノイズの影響を低減することができる。

上記の各実施形態では、樹脂側金属膜１５を、樹脂フィルム５，５_１の主面の周端部を除く内側の矩形の領域に形成し、樹脂フィルム５，５_１の周端部の樹脂部分を、加熱プレスによって加熱溶融して、ベース４の枠部４ｂの上端面のベース側金属膜１４に接合した。

本発明の他の実施形態として、樹脂側金属膜１５を、前記周端部を含む樹脂フィルム５，５_１の主面の全面に形成すると共に、ベース４の枠部４ｂの上端面との接合領域には、金錫合金等の封止用金属を形成しておき、この封止用金属によって、樹脂フィルム５，５_１の樹脂側金属膜１５を、ベース４の枠部４ｂの上端面の金属膜１４に接合してもよい。この場合、ベース側の金属膜１４は、電極パッド７，７や外部接続端子８，８と同様に、最上層にＡｕ膜を形成しておくのが好ましい。

このように封止用金属によって、樹脂側金属膜１５が全面に形成された樹脂フィルム５，５_１を、ベース４の枠部４ｂの上端面の金属膜１４の最上層のＡｕ膜に接合するので、樹脂側金属膜１５が形成された樹脂フィルム５，５_１によって、水晶素子３が収容された凹部６を気密に封止することができる。

上記各実施形態では、樹脂フィルム５，５_１は、ポリイミド樹脂であったが、ポリイミド樹脂に限らず、スーパーエンジニアリングプラスチックに分類されるような樹脂、例えば、ポリアミド樹脂やポリエーテルエーテルケトン樹脂等を用いてもよい。

上記実施形態では、圧電デバイスとして、水晶振動子に適用して説明したが、水晶振動子に限らず、圧電フィルタ、圧電発振器等の他の圧電デバイスに適用してもよい。

１，１_１水晶振動子
２，２_１パッケージ
３水晶素子
４ベース
４ａ基板部
４ｂ枠部
５，５_１樹脂フィルム
６凹部
１４金属膜
１５，２０樹脂側金属膜

Claims

基板部と該基板部の外周部から上方に延びる枠部とを有すると共に、前記基板部と前記枠部とによって、上部が開口した凹部を構成するベースと、前記凹部に収納される圧電素子と、該圧電素子が収納された前記凹部を覆うように前記ベースに接合されて、前記凹部を封止するリッドとを備える圧電デバイスであって、
前記リッドは、樹脂フィルムであり、該樹脂フィルムの両主面の前記ベースに接合される側の主面には、金属膜が形成されており、
前記樹脂フィルムは、該樹脂フィルムの周端部が前記ベースの前記枠部の上端面に接合されると共に、前記ベースの前記凹部を覆っている領域が、前記凹部側へ撓んでいる、
ことを特徴とする圧電デバイス。
前記樹脂フィルムの前記ベースに接合される側の前記主面とは反対側の主面に、金属膜が形成されている、
請求項１に記載の圧電デバイス。
前記樹脂フィルムの前記ベースに接合される側の前記主面に形成されている前記金属膜は、前記樹脂フィルムの前記周端部を除いた内側の領域に形成されている、
請求項１または２に記載の圧電デバイス。
前記樹脂フィルムは、前記内側の領域に形成されている前記金属膜の一部が、前記枠部の前記上端面に密着した状態で、前記樹脂フィルムの前記周端部が前記枠部の前記上端面に接合されている、
請求項３に記載の圧電デバイス。
前記樹脂フィルムに形成されている前記金属膜が、チタン(Ｔｉ)、アルミニウム(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、又は、ニッケル（Ｎｉ）からなる金属膜を含む、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
前記樹脂フィルムに形成されている前記金属膜が、チタン（Ｔｉ）又はクロム（Ｃｒ）からなる下地金属膜に、金（Ａｕ）膜が積層されてなる積層金属膜を含む、
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
前記ベースの前記枠体の前記樹脂フィルムが接合される前記上端面には、ベース側金属膜が形成されており、前記ベース側金属膜は、前記樹脂フィルムに接合されるチタン（Ｔｉ）からなる金属膜を含む、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の圧電デバイス。