JP2009141641A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】導通不良が生じることが確実に防止され、特に、周波数シフトを有効に防止することができる圧電デバイスを提供すること。
【解決課題】内側に接続用の電極部が形成された収容容器４０と、前記接続用の電極部と電気的に接続される引出し電極を備えた圧電振動片３１とを備えており、前記収容容器の前記接続用電極部に導電性接着剤を介して前記圧電振動片が接合されている第１の電気的接続部３７，３８と、前記収容容器の前記接続用電極部と、前記圧電振動片の前記引出し電極とがワイヤボンディングにより接続されている第２の電気的接続部５３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、収容容器内に圧電振動片を収めた圧電デバイスの改良に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器や圧電ジャイロセンサー等において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
これらの圧電デバイスの多くは、セラミックパッケージなどの収容容器に圧電振動片を収めて封止した構成となっており、収容容器の内部に形成した接続用の電極部に対して、導電性接着剤により圧電振動片を接合して、電気的及び機械的な接合を同時に行い、収容容器内での圧電振動片の支持と、外部からの駆動電圧の供給とを可能とするようにされている。

例えば、以下のような構成例が知られている。
特許文献１のものは、圧電振動片をシリコーン系の導電性接着剤で接合するものであって、圧電振動片に引出し電極を形成する際の下地金属層の金属成分を、その上のＡｕ層表面に析出させて電極の通電性を向上させようとするものである。
特許文献２も圧電振動片をシリコーン系導電性接着剤で接合するもので、端子電極を金属を積層して形成し層間に隣接する金属成分を拡散して導通抵抗を下げようとするものである。

特許文献３も圧電振動片をシリコーン系導電性接着剤で接合するものであるが、電極表面に下地金属層が部分的に析出する表面析出層を形成することで、通電性の向上を図ろうとするものである。
特許文献４は、圧電振動片を導電性接着剤で接合するものであり、電極部の表面を、シリコーン系導電性接着剤と接着性の良い金属、つまりＡｇで形成するものである。
特許文献５は、圧電振動片を非導電性接着剤で接合し、ワイヤボンディングにより導通を確保しようとするものである。
特許文献６は、圧電振動片をシリコーン系導電性接着剤で接合するものであり、該圧電振動片の接続電極、励振電極を、クロム層、金層、金または銀層の３層として、接続電極および励振電極を同時に形成することで、工数を増やすことなく導通性能を向上させようとするものである。

特開２０００−１５１３４５ 特開２００２−３３５６９ 特開２００３−７８３８３ 特開２００３−２２４４４４ 特開２００５−９４４６１ 特開２００６−１３９００

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
接続用の電極部が形成された収容容器と、前記接続用の電極部と電気的に接続された引出し電極を備えた圧電振動片とを備えており、前記接続用電極部に導電性接着剤を介して前記圧電振動片が接合されている第１の電気的接続部と、前記接続用電極部と、前記引出し電極とがワイヤボンディングにより接続されている第２の電気的接続部とを備えることを特徴とする圧電デバイス。
上記構成によれば、収容容器の接続用の電極部に対して前記圧電振動片は、第１の電気的接続部において、導電性接着剤により電気的及び機械的に接合されている。これにより、収容容器側からの駆動電圧が圧電振動片に対して印加されるだけでなく、機械的な接合についても導電性接着剤により行うようにしたため、非導電性接着剤による場合のように、硬化時に多量のアウトガスが生成することがなく、ガスの圧電振動片表面への付着による周波数変動のおそれが低減される。
しかも、第２の電気的接続部においては、前記圧電振動片の前記引出し電極とがワイヤボンディングにより接続されているので、前記第１の電気的接続部と、この第２の電気的接続部の二箇所において収容容器と圧電振動片との電気的接続が果たされており、導通不良が生じることが確実に防止され、特に、周波数シフトを有効に防止することができる。

［適用例２］
上記構成において、前記圧電振動片の表面および裏面に前記引出し電極が形成されており、前記第１の電気的接続部において、前記裏面の引出し電極が、前記導電性接着剤により接続用電極部に接合されており、前記第２の電気的接続部において、前記表面の引出し電極に対して、前記ワイヤボンディングがされていることを特徴とする。
上記構成によれば、圧電振動片の裏面の引出し電極が、前記導電性接着剤により前記収容容器の接続用電極部に接合されていて、該接合位置における前記圧電振動片の表面の引出し電極に対して、前記ワイヤボンディングがされるようにしている。これにより、ボンディング作業時に超音波が逃げることなく、確実な接続をすることができる。

［適用例３］
上記構成において、前記表面の引出し電極に、スタッドバンプが形成されていることを特徴とする。
上記構成において、圧電振動片の導電性接着剤が適用された箇所の真上にワイヤボンディングすることは、該導電性接着剤が存在しない箇所にワイヤボンディングする場合と比べて、超音波の逃げが少なく、ボンディングがより確実になるが、例えば、該導電性接着剤が軟質のもので、弾性率が低いと、超音波が導電性接着剤に吸収される場合がある。そこで、圧電振動片の表面の引出し電極上に形成したスタッドバンプに対して、ボンディングするようにすることで、確実に接続をすることができる。

［適用例４］
上記構成において、前記導電性接着剤が硬化状態で弾性率の低い軟質系の接着剤であることを特徴とする。
上記構成によれば、導電性接着剤が硬化状態で弾性率の低い軟質系の接着剤であると、これにより接合されている圧電振動片に対する応力緩和能力が高く、周波数変動を起こしにくい。

［適用例５］
上記構成において、前記導電性接着剤がシリコーン系導電性接着剤であることを特徴とする。
上記構成によれば、シリコーン系の導電性接着剤は、０．２ＧＰａ程度ときわめて弾性率が低く、応力緩和能力が高いので、周波数変動を生じにくい。

［適用例６］
上記構成において、前記導電性接着剤がビスマレイミド系導電性接着剤であることを特徴とする。
上記構成によれば、ビスマレイミド系導電性接着剤は、弾性率が３．４ＧＰａ程度であり、シリコーン系の導電性接着剤よりもやや硬いことから、ワイヤボンディングにおけるボンディング時にシリコーン系導電性接着剤よりも超音波が逃げにくく、ボンディングしやすい。しかもエポキシ系などの硬い導電性接着剤と比べると応力緩和能力に優れているので、より周波数変動が少ない。

［適用例７］
上記構成において、前記圧電振動片は、圧電材料により形成された基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームと、を備え、前記支持用アームの表面および裏面に前記引出し電極が形成され、かつ前記支持用アームに前記第１の電気的接続部と第２の電気的接続部を設けることを特徴とする。
上記構成によれば、圧電振動片の基部ではなく、該基部から延びる支持用アームが収容容器に接合されて、第１の電気的接続部とされているので、周囲温度の変化や、落下衝撃などを原因として、その接合箇所に生じた応力変化が、基部を介して振動腕に影響を与えることはほとんどない。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕からの振動漏れは、基部を隔てた支持用アームに及ぶことがほとんどない。しかも本発明の支持用アームは、基部の他端から幅方向に延長され、振動腕の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。

図１および図２は、本発明の圧電デバイスの第１の実施形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
これらの図において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス３０は、収容容器であるパッケージ４０内に圧電振動片３１を収容している。

収容容器としてのパッケージ４０は、図１および図２に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されており、第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３の３つの基板を積層して形成されている。これらの基板は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。
パッケージ４０は、圧電振動片３１を収容した後で、透明なガラス製の蓋体４５が封止材４４を用いて接合されることにより、気密に封止されている。これにより、蓋体４５を封止した後で、外部からレーザ光を照射して圧電振動片３１の電極などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。
尚、蓋体４５は、透明な材料でなく、例えば、コバールなどの金属板体をシーム封止などで接合する構造としてもよい。

パッケージ４０の底部には、製造工程において、脱ガスするための貫通孔４６を有している。貫通孔４６は、第１の基板４１に形成された第１の孔４６ａと、第２の基板４２に形成され、上記第１の孔４６ａよりも小さな外径を有し、第１の孔４６ａと連通した第２の孔４６ｂで形成されている。
そして、貫通孔４６には、金属封止材４７が充填されることにより、パッケージ４０内が気密状態となるように孔封止されている。
ここで、パッケージ４０は、図２に示すように、第３の基板４３の内側の材料を除去することで、内部空間Ｓのスペースを形成している。この内部空間Ｓが圧電振動片３１を収容するための収容空間である。

パッケージ４０の第２の基板４２の表面には接続用の電極部（以下、「電極部」という）４８，４９が形成されている。
これら電極部４８，４９は、パッケージ４０の底面に形成した実装端子５５，５５と接続されている。つまり、各電極部４８，４９は、圧電デバイス３０を各種機器に実装した際に外部から駆動電圧の供給を受けるにあたり、実装端子５５，５５から、該駆動電極をパッケージ４０内に収容された圧電振動片３１に伝えるためのものである。
これら電極部４８，４９と実装端子５５，５５は、例えば、パッケージ４０内を貫通する導電スルーホールや、パッケージ４０外面に形成した図示しないキャスタレーションなどを利用して設けた導電パターンにより接続される。

圧電振動片３１は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片３１は、図１に示すように、基部３２と、この基部３２から、右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３５，３６を備えている。
各振動腕３５，３６の主面の表裏の各面には、図示しない励振電極が形成されている。好ましくは、各振動腕３５，３６には、表裏面に、それぞれ長さ方向に延びる長溝が各先端付近まで形成されており、これらの溝内側壁部および底部に上記励振電極を形成するようにしてもよい。

さらに、本実施形態の圧電振動片３１については、基部３２は図２に示すように、さらにその幅方向に延長された連結部を有し、かつ振動腕３５，３６の両外側の位置で、該連結部から、各振動腕３５，３６の延びる方向（図２において右方向）に、これら振動腕３５，３６と平行に延びている支持用アーム３３，３４を備えている。
このような圧電振動片３１の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、あるいはプラズマを用いてドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
なお、圧電振動片としては、図示するような支持用アームを備えるものに限らず、薄い矩形の圧電振動片や、メサ型、逆メサ型の圧電振動片、あるいは支持用アームのない音叉型圧電振動片などを使用することができる。

励振電極は、各振動腕３５，３６の上記した表裏面の長溝内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされている。そして、各励振電極は、その電極膜を延長し、それぞれ引出し電極として、支持用アーム３３，３４の表裏面にそれぞれに引き回されている（図示せず）。なお、各振動腕３５，３６に長溝を形成しない場合には、該振動腕の表裏面にそれぞれ励振電極が形成される。

支持用アーム３３，３４と電極部４８，４９の接合構造について説明する。
なお、支持用アーム３３と３４は、それぞれ同じ構造で、対応する電極部４８，４９に対して接合されているので、一方の支持用アームである支持用アーム３４についてだけ説明し、他方の支持用アーム３３については説明を省略する。
支持用アーム３４は、例えば、図１に示すように、圧電振動片３１の長さ方向の重量に関する中点、すなわち圧電振動片３１の重心を通る仮想線Ｇ上で、電極部４９上に導電性接着剤を塗布して、その一か所で接合することができる。
しかしながら、接合の安定性、接合強度などの観点から、この実施形態では、仮想線Ｇに関して長さ方向に互いに対称な位置を選定して、電極部４９上に、導電性接着剤３７，３８を塗布し、その上に圧電振動片３１を載置して、該導電性接着剤３７，３８を硬化させることにより接合されている。すなわち仮想線Ｇの位置を挟んで等距離離れた２点を選んで接合すると、より接合構造が強化され、安定するので好ましい。
この導電性接着剤３７，３８により接合した個所は、圧電振動片３１と電極部４９とを機械的・および電気的に接続しており、第１の電気的接続部とされている。

さらに、電極部４９上に金属バンプ５１を形成し、そこからボンディングワイヤ５２を延出して、上記した導電性接着剤３８の塗布個所と同じ位置で、圧電振動片３１の表面側の励振電極上にワイヤの接合部５３を接合する。金属バンプ５１としては、金（Ａｕ）バンプが適している。
つまり、例えば、ワイヤボンディング作業を行うためのキャピラリ先端で金属ボールを形成して、これを電極部４９上に打ち、ワイヤを延出しながら、符号５３の箇所にセカンドを打つことで、ワイヤボンディングすることにより電気的接続を行っている。接合部５３は第２の電気的接続部に相当するものである。
ここで、ワイヤボンディングにおいては、導電性接着剤３８の接合位置における圧電振動片３１の表面の引出し電極に対して、前記ワイヤボンディングがされるようにしている。これにより、ボンディング作業時に超音波が逃げることなく、確実な接続をすることができる。

本実施形態は以上のように構成されており、圧電振動片３１は、パッケージ４０の電極部４９に対して、第１の電気的接続部である導電性接着剤により符号３７，３８の箇所において、電気的及び機械的に接合されている。これにより、パッケージ４０の実装端子５５からの駆動電圧が電極部４９を介して、圧電振動片３１に対して印加される。
さらに、このことにより、機械的な接合についても導電性接着剤３７，３８により行うようにしたため、非導電性接着剤による場合のように、硬化時に多量のアウトガスが生成することがなく、ガスの圧電振動片３１表面への付着による周波数変動のおそれが低減される。
また、第２の電気的接続部５３においては、圧電振動片３１の引出し電極とワイヤボンディングにより接続されているので、上記した第１の電気的接続部である導電性接着剤３７，３８と、この第２の電気的接続部５３の二箇所においてパッケージ４０側と圧電振動片３１との電気的接続が果たされており、導通不良が生じることが確実に防止され、特に、周波数シフトを有効に防止することができる。

ここで、第１の電気的接続部を形成するための導電性接着剤は、合成樹脂などを利用したバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接続とを同時に行うことができるものである。この実施形態では、図１の導電性接着剤３７，３８としては、硬化状態で弾性率の低い軟質系の接着剤であることが好ましい。
これにより圧電デバイス３０にあっては、接合されている圧電振動片３１に対する応力緩和能力が高く、周波数変動を起こしにくい。
さらに好ましくは、導電性接着剤３７，３８として、シリコーン系導電性接着剤を用いる。シリコーン系導電性接着剤は、弾性率が０．２ＧＰａ程度ときわめて低く、その分応力緩和能力が高いので、周波数変動を生じにくい。

また、第１の電気的接続部を形成するための導電性接着剤、図１の導電性接着剤３７，３８としては、ビスマレイミド系導電性接着剤を用いることができる。
このビスマレイミド系導電性接着剤は、弾性率が３．４ＧＰａ程度であり、シリコーン系の導電性接着剤よりもやや硬い。このため、ワイヤボンディングにおけるボンディング時にシリコーン系導電性接着剤よりも超音波が逃げにくく、ボンディングしやすい。しかもエポキシ系などの硬い導電性接着剤と比べると応力緩和能力に優れているので、圧電デバイス３０を形成した場合に、より周波数変動が少ない。

図３は、シリコーン系導電性接着剤、図４はビスマレイミド系導電性接着剤の特性をそれぞれ示すグラフであり、縦軸に重量、横軸に温度をとったものである。それぞれの図において、Ａは重量変化を、ＢはＡで示す重量変化の値の微分値を示している。
圧電デバイス３０の実装において、リフロー温度のピークは２６０℃（摂氏２６０度）程度である。
これに対して、シリコーン系導電性接着剤は図３に示されているように、４００℃を超える当たりから重量が減少していくことから、この温度からアウトガスが生成される。したがって、エポキシ系の導電性接着剤等のように、リフロー温度でのアウトガスの発生はほとんどない。
同様に、ビスマレイミド系導電性接着剤は、３５０℃を超えると重量の減少が見られ、４００℃を超えた当たりで、重量は急激に減少する。したがって、ビスマレイミド系導電性接着剤を用いた場合にも、リフロー時におけるアウトガスの生成はほとんど無いことがわかる。

図５は、本発明の第２の実施形態を示す概略断面図である。
図５において、第１の実施形態である図１および図２と同一の符号を付した個所は、共通する構成であるから、重複する説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
図５において、第２の電気的接続部５３−１は、圧電振動片３１の表面側の引出し電極上に予めスタッドバンプを形成したものである。

第１の実施形態において説明したように、導電性接着剤３８が塗布された箇所の真上に圧電振動片３１を介してワイヤボンディングすることは、導電性接着剤３８が存在しない箇所における引出し電極にワイヤボンディングする場合と比べて、超音波の逃げが少なく、ボンディングがより確実になる。
しかしながら、例えば、該導電性接着剤３８が軟質のもので、弾性率が低いと、超音波が導電性接着剤に吸収される場合がある。そこで、図５に示すように、圧電振動片３１の表面の引出し電極上に形成したスタッドバンプ５３−１に対して、ワイヤボンディングするようにすることで、より確実な電気的接続を実現することができる。

なお、スタッドバンプは、圧電振動片３１の形成に際して、水晶基板からエッチングによりその外形を形成（外形エッチング工程）した後、励振電極および引出し電極を形成し（電極形成工程）、その上で形成される。
スタッドバンプ形成後に該圧電振動片３１をパッケージ４０内に接合するマウント工程が実行され、導電性接着剤３７，３８が加熱されて硬化され（硬化工程）る。圧電振動片３１の接合後、例えば、キャピラリ先端で金属ボールを形成して、これを電極部４９上に打ち、ワイヤを延出しながら、予め形成されているスタッドバンプ５３−１に対してセカンドを打つことにより、より確実に電気的接続を実現することができる。
続いて、蓋体４５を加熱封止し（一次封止工程）、ガス抜き孔である貫通孔４６から脱ガス（脱ガス工程）した後で、貫通孔４６を金属封止剤４７により孔封止する（二次封止工程）ことによって、圧電デバイス３０−１を完成することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の収容容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサーとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。さらに、圧電振動片３１では、一対の振動腕を形成しているが、これに限らず、振動腕は３本でも、４本以上でもよい。

本発明の圧電デバイスの第１の実施形態を示す概略平面図。 図１のＡ−Ａ線概略断面図。 シリコーン系導電性接着剤の特性を示すグラフ。 ビスマレイミド系導電性接着剤の特性を示すグラフ。 本発明の圧電デバイスの第２の実施形態を示す概略断面図。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３１・・・圧電振動片、３２・・・基部、３３，３４・・・支持用アーム、３５，３６・・・振動腕、３７，３８・・・第１の電気的接続部、５３・・・第２の電気的接続部

Claims (7)

1. 接続用の電極部が形成された収容容器と、
   前記接続用の電極部と電気的に接続された引出し電極を備えた圧電振動片と
   を備えており、
   前記接続用電極部に導電性接着剤を介して前記圧電振動片が接合されている第１の電気的接続部と、
   前記接続用電極部と、前記引出し電極とがワイヤボンディングにより接続されている第２の電気的接続部と
   を備える
   ことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記圧電振動片の表面および裏面に前記引出し電極が形成されており、
   前記第１の電気的接続部において、前記裏面の引出し電極が、前記導電性接着剤により接続用電極部に接合されており、
   前記第２の電気的接続部において、前記表面の引出し電極に対して、前記ワイヤボンディングがされていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記表面の引出し電極に、スタッドバンプが形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
4. 前記導電性接着剤が硬化状態で弾性率の低い軟質系の接着剤であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電デバイス。
5. 前記導電性接着剤がシリコーン系導電性接着剤であることを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス。
6. 前記導電性接着剤がビスマレイミド系導電性接着剤であることを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス。
7. 前記圧電振動片は、
   圧電材料により形成された基部と、
   前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、
   前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームと、
   を備え、
   前記支持用アームの表面および裏面に前記引出し電極が形成され、かつ前記支持用アームに前記第１の電気的接続部と第２の電気的接続部を設けることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電デバイス。

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