本発明者等は、上記課題を解決すべく、� ��来技術であるろう材に替えて新たな接合部� ��の適用を検討した。そして、鋭意検討を行� ��、以下の構成を有する金属ペーストを見出� ��た。

 即ち、本発明は、金属粉末と有機溶剤と� ��含んでなる封止用の金属ペーストにおいて� ��前記金属粉末は、純度が99.9重量%以上であ� �、平均粒径が0.1μm~1.0μmである金粉、銀粉、� ��金粉、又はパラジウム粉から選択される一� ��以上の金属粉末であり、前記金属粉末を85~9 3重量%、前記有機溶剤を5~15重量%の割合で配� �したことを特徴とする封止用の金属ペース� �である。

 本発明において、封止材として金属ペー� ��トの形態を適用するのは、これを用いて後� ��する方法により封止を行うことにより、金� ��ペーストを構成する微小な金属粉末が焼結� ��となり、更に、塑性変形しつつ強固に結合� ��、その結果、緻密な接合部を形成するから� ��ある。そして、本発明では、金属ペースト� ��構成する金属粉末の純度及び粒径と、金属� ��末と有機溶剤との配合割合を明確にするこ� ��で、封止材として好適な金属ペーストを提� ��するものである。

 本発明に係る金属ペーストを構成する金� ��粉末は、純度が99.9重量%以上であり、平均� �径が0.005μm~1.0μmである金粉、銀粉、白金粉� �又はパラジウム粉から選択される一種以上� �金属粉である。金属粉の純度について99.9重� ��%以上の高純度を要求するのは、純度が低い と粉末の硬度が上昇して塑性変形し難くなり 、緻密な接合部が形成されないからである。 また、金属粉末の構成金属を、金、銀、白金 、又はパラジウムのいずれかとしたのは、耐 食性、耐酸化性に優れるからである。

 また、金属粉の平均粒径については、1.0� �mを超える粒径の金属粉では、これを焼結さ� ��ても好ましい接合状態を発現させ難くなる� ��らである。一方、金属粉末の粒径を0.1μm以� ��とするのは、ペーストとしたときの分散性� ��考慮するものである。即ち、粒径があまり� ��小さい場合、ペースト化において凝集が生� ��易くなるが、これを回避するためには、有� ��溶剤の配合割合が高くなり、下記の割合を� ��えることとなるからである。

 金属粉末と共に金属ペーストの必須構成成� ��である有機溶剤は、その種類については、� ��に限定はない。好ましくは、エステルアル� ��ール、ターピネオール、パインオイル、ブ� ��ルカルビトールアセテート、ブチルカルビ� ��ール、カルビトールがある。例えば、好ま� ��いエステルアルコール系の有機溶剤として� ��2,2,4-トリメチル-3-ヒドロキシペンタイソブ� ��レート(C ₁₂ H ₂₄ O ₃ )、を挙げることができる。これらの溶剤は� �比較的低温で乾燥させることができるから� �ある。

 そして、金属粉末と有機溶剤との配合割� ��については、金属粉末を85~93重量%とし有機� ��剤を5~15重量%として配合する。かかる割合� �するのは、封止材としての用途を考慮する� �のである。本発明に係る金属ペーストを用� �た封止方法においては、塗布後の金属ペー� �トが乾燥、焼結等の際に加熱を受けること� �なる。この過程においては、ペースト中の� �機溶剤からガスが発生することとなるが、� �機溶剤の配合割合が高い場合、このガスが� �ッケージ内部に残留するおそれがあり、ま� �、封止後の接合部に有機溶剤が残留してこ� �からガスが発生するおそれもある。このよ� �にパッケージ内のガスは、内部の圧電素子� �の特性劣化の要因となる。従って、封止用� �金属ペーストとしては、金属粉末を分散さ� �ることができる範囲で、できるだけ少ない� �機溶剤の配合が好ましい。本発明では、上� �のような問題を生じさせない有機溶剤の配� �割合を5~15重量%としつつ、上記のように金属 粉末の粒径を規定することでその分散性を確 保したものである。

 ここで、本発明に係る金属ペーストは、� ��の使用態様を考慮して、添加剤を含んでも� ��い。本発明の実施においては、金属ペース� ��を封止対象となるベース部材等に塗布する� ��とが必要であるが、その塗布方法は、接合� ��象の形状、寸法に対応させて種々選択でき� ��インクジェット法、フォトレジスト埋め込� ��法、スクリーン印刷法、ディスペンサー類� ��よる塗布等がある。本発明に係る金属ペー� ��トは、金属粉末と有機溶剤との混合体を基� ��構成とし、この基本構成でも十分使用可能� ��あるが、上記塗布方法に応じて以下の添加� ��を含むことができる。

 フォトレジスト埋め込みによる塗布にお� ��ては、上記基本構成に、0.01~1重量%の界面活 性剤を添加したものが好ましい。界面活性剤 は、ペースト中の金属粉末の凝集を抑制し、 塗布を容易とすることができる。この界面活 性剤としては、アルキルアミン、アルキルア ミンカルボン酸塩、カルボン酸アミド、エス テルアミン、有機チタン化合物(チタンカッ� �リング剤)、スルホカルボン酸ナトリウムが� ��用できる。

 また、スクリーン印刷法、ディスペンサ� ��類による塗布に用いられる金属ペーストは� ��上記基本構成に0.01~4重量%の樹脂を添加した ものが好ましい。この樹脂は、金属粉末の凝 集を抑制すると共に、ペースト供給時の粘度 特性を確保する目的で添加するものである。 好ましい樹脂としては、アクリル系樹脂、セ ルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択さ れる一種以上である。尚、アクリル系樹脂と しては、メタクリル酸メチル重合体を、セル ロース系樹脂としては、エチルセルロースを 、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹 脂を、それぞれ挙げることができる。そして 、これらの中でも特にエチルセルロースが好 ましい。尚、樹脂の添加量は、0.01重量%未満� ��はその効果が現れず、4重量%をこえると封� �後の接合部の緻密化を阻害することから、� �記範囲とした。

 そして、スクリーン印刷法、ディスペン� ��ー類による塗布に用いられる金属ペースト� ��おいては、上記樹脂に加えて、0.05~2重量%の チクソ剤を添加するのが好ましい。チクソ剤 は、ペーストのダレ止め効果を有するもので あり、スクリーン印刷、ディスペンサー類で の塗布のし易さを調節するものである。チク ソ剤の例としては、糖アルコール、カルボン 酸アミド(ステアリン酸アミド等)、ポリ酸ア� ��ドが挙げられる。

 そして、スクリーン印刷法、ディスペン� ��ー類による塗布に用いられる金属ペースト� ��、更に、0.01~1重量%の界面活性剤を添加して も良い。この塗布方法用の金属ペーストは、 既に、凝集抑制のための樹脂を含んでいるが 、界面活性剤を添加することで、より均質な ペーストとすることができる。この界面活性 剤も含む金属ペーストは、ディスペンサー類 の中でも、微少量の吐出体積を制御しつつペ ースト塗布するマイクロスクリュー吐出や、 高速吐出を行うインパクト吐出によりペース トを塗布するのに有用である。尚、界面活性 剤の具体例は、上記と同様である。

 以上の添加剤については、塗布方法を考� ��して添加されるものであるが、その添加量� ��可能な限り低減することが好ましく、それ� ��の合計添加量を0.01~4重量%とするのが好まし い。添加剤は、封止後の接合部に残渣として 残留する可能性があるからである。

 次に、本発明に係る金属ペーストを用いた� ��止方法につき説明する。本発明に係る封止� ��法は、圧電素子を収容するベース部材と、� ��の蓋体となるキャップ部材とを接合して気� ��封止する方法において、下記工程を含むこ� ��を特徴とする圧電素子の気密封止方法であ� ��。
(a)ベース部材又はキャップ部材に、本発明に 係る金属ペーストを塗布する工程。
(b)前記金属ペーストを乾燥し、80~300℃の温度 で焼結させて金属粉末焼結体とする工程。
(c)前記金属粉末焼結体を介してベース部材に キャップ部材を配置し、少なくとも金属粉末 焼結体を加熱しながら、一方向又は双方向か ら加圧してベース部材とキャップ部材とを接 合する工程。

 本発明に係る封止方法では、塗布された� ��属ペーストを無加圧状態で加熱することで� ��属粉末焼結体としてこれを従来のろう材に� ��当する接合材とし、その後、ベース部材と� ��ャップ部材とを金属粉末焼結体を介して加� ��しながら加圧することで両者を接合して封� ��するものである。この接合時において、金� ��粉末焼結体を構成する金属粉末は、塑性変� ��しつつ結合し、緻密な接合部を形成するよ� ��になっている。そして、このように緻密化� ��れた接合部は、高純度の金等からなる緻密� ��バルク体である。従って、その融点は、適� ��される金属の融点に近くなるため、再加熱� ��受けても溶融することがなく、パッケージ� ��気密性を保持することができる。以下、各� ��程について説明する。

 金属ペーストの塗布方法については、上� ��の通り、インクジェット法、フォトレジス� ��埋め込み法、スクリーン印刷法、ディスペ� ��サー類(マイクロスクリュー吐出、インパク ト吐出を含む)による塗布等が適用できる。

 塗布した金属ペーストを乾燥させるのは� ��ペースト中の有機溶剤を除去するためであ� ��。この乾燥は、-20℃以上5℃以下で行なうの が好ましい。乾燥工程における雰囲気を減圧 雰囲気としても良い。これにより乾燥過程に おいて大気中の水分が金属粉末表面に結露す るのを防止することができる。減圧雰囲気と する場合、好ましくは100Pa以下、より好まし� ��は10Pa以下とするが、この雰囲気の真空度は 、金属ペースト中の有機溶剤の揮発性に応じ て設定する。

 本発明では、乾燥後に金属ペーストを焼� ��することを要する。これにより、ペースト� ��の金属粒子同士、及びベース部材又はキャ� ��プ部材の接合面(ペースト塗布面)と金属粒� �との間に、互いに点接触した近接状態が形� �され、金属ペーストは金属粉末焼結体とな� �。この金属粉末焼結体は、後述の接合時で� �熱・加圧されることで、接触部が塑性変形� �ると共に、その変形界面に金属原子間の結� �が生じパッケージの気密性を確保するのに� �分な緻密化が生じる。この点、焼結するこ� �なしにペーストを加圧した場合、粒子間隙� �広がり粒子同士の結合が生ぜず接合ができ� �い。

 この焼結の温度は、80~300℃とするのが好� ��しい。80℃未満では上記のような点接触が� �じないからである。一方、300℃を超える温� �で焼結すると、焼結が過度に進行し、金属� �末間のネッキングが進行して強固に結合し� �しまい、その後に加圧しても緻密化できず� �ッケージの気密性を損なうからである。ま� �、圧電素子を保護する観点から300℃以下で� �接合が好ましいからである。尚、焼結の際� �加熱時間は、30~120分とするのが好ましい。� �時間では焼結炉の温度が安定せず十分な焼� �ができず、また、あまりに長時間とすると� �産性が損なわれるからである。更に、焼結� �、圧力のない状態で行なうのが好ましい。

 上記焼結を行った後の加圧による接合は� ��ベース部材とキャップ部材とを重ねて加圧� ��る。加圧の圧力は、接合部の緻密化のため� ��金属粉末焼結体の降伏強度より大きくする� ��が好ましい。また、加圧は、ベース部材、� ��ャップ部材のいずれかからの一方向から行� ��ても良いし、双方向から行っても良い。

 そして、この接合工程では、金属粉末焼� ��体を加熱しながら加圧することが必要であ� ��。加熱することなく加圧すると接合部の緻� ��化が不十分なものとなり、接合強度が不足� ��、更に気密性の確保ができないからである� ��このときの加熱温度は、80~300℃とするのが� ��ましい。80℃未満では接合ができないから� �あり、300℃を超えると冷却時の熱歪の影響� �大きくなるからである。

 尚、接合工程においては、作業雰囲気を真� ��下で行なうのが好ましい。水晶振動子のよ� ��な圧電素子は、大気中よりも真空中におい� ��優れた振動特性(クリスタルインピーダンス 等)を示し、そのためにパッケージ内部を真� �とすることが好ましいからである。作業雰� �気の真空度としては、1×10 ^-1 Pa以上の高真空雰囲気とするのが好ましい。� ��発明は、かかる真空雰囲気中においても接� ��が可能である。

 また、接合工程の際には、加熱に加えて� ��音波を印加するのが好ましい。加熱と超音� ��との組合わせにより、金属粉末の塑性変形� ��び結合を促進し、より強固な接合部を形成� ��ることができる。超音波を印加する場合、� ��の条件は、振幅0.5~5μmとし、印加時間を0.5~3 秒とするのが好ましい。過大な超音波印加は 圧電素子を損傷させるからである。

 上記した接合工程における加熱及び超音� ��印加は、その目的から少なくとも金属粉末� ��結体に対して行なえばよいが、ベース部材� ��はキャップ部材全体に行っても良い。加熱� ��方法としては、ベース部材又はキャップ部� ��を加圧する際の工具を加熱し、そのときの� ��熱を利用するのが好ましい。簡易な方法で� ��り、また、熱の影響を圧電素子に及ぼさな� ��点で好適だからである。同様に、超音波の� ��加は、ベース部材又はキャップ部材を加圧� ��る工具から超音波発振させるのが好ましい� ��

 尚、本発明に係る方法において、接合対� ��となるベース部材、キャップ部材の材質に� ��いての特に限定はなく、圧電素子パッケー� ��で一般に使用されているものが使用でき、� ��えば、アルミナセラミックス、コバール(Fe- Ni-Co系合金)、42アロイ(Fe-Ni系合金)等が適用で きる。また、これらを基材として、金、パラ ジウム、ニッケル等を1層又は多層めっきし� �ものも適用できる。