JP2016158145A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、水晶素子の発振周波数が変動することを低減することが可能な水晶デバイスを提供する。
【解決手段】 水晶デバイスは、基板１１０ａと、基板１１０ａの上面に設けられた第一枠体１１０ｂと、基板１１０ａの下面に設けられた第二枠体１１０ｃと、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた複数の接続パッド１１６と、一対の電極パッド１１１に実装された水晶素子１２０と、接続パッド１１６に実装された集積回路素子１５０と、一対の電極パッド１１１に電気的に接続され、第二枠体１１０ｃの内周縁に沿って基板１１０ａの下面に設けられた第一モニタ電極１１８と、第一モニタ電極１１８と電気的に接続され、接続パッド１１６の間に位置するように基板１１０ａの下面に設けられた第二モニタ電極１１９と、水晶素子１２０を気密封止するための蓋体１３０と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。

水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、水晶素板の両面が互いにずれるように厚みすべり振動を起こし、特定の周波数を発生させるものである。基板の上面に設けられた電極パッドに導電性接着剤を介して実装された水晶素子と、基板の下面に設けられた接続パッドに導電性接合材を介して実装された集積回路素子と、水晶素子の電気的特性を測定するために、基板の下面の中心付近に設けられたモニタ電極を備えたものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００３−１６３５４０号公報

上述した水晶デバイスは、小型化が顕著であるが、基板に設けられたモニタ電極の面積も小さくなってしまう虞があった。このため、水晶素子の電気的特性を測定する場合、従来の水晶デバイスは、面積の小さいモニタ電極に測定用プローブを接触させなければならず、測定の際に手間と時間を要するため、生産性を低下させてしまう虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、モニタ電極の面積を確保しつつ小型化が可能で、生産性を向上させることができる水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、基板の下面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、基板の上面に設けられた一対の電極パッドと、基板の下面に設けられた複数の接続パッドと、一対の電極パッドに実装された水晶素子と、接続パッドに実装された集積回路素子と、一対の電極パッドに電気的に接続され、第二枠体の内周縁に沿って基板の下面に設けられた第一モニタ電極と、第一モニタ電極と電気的に接続され、接続パッドの間に位置するように基板の下面に設けられた第二モニタ電極と、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えているものである。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、基板の下面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、基板の上面に設けられた一対の電極パッドと、基板の下面に設けられた複数の接続パッドと、一対の電極パッドに実装された水晶素子と、接続パッドに実装された集積回路素子と、一対の電極パッドに電気的に接続され、第二枠体の内周縁に沿って基板の下面に設けられた第一モニタ電極と、第一モニタ電極と電気的に接続され、接続パッドの間に位置するように前記基板の下面に設けられた第二モニタ電極と、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えている。このようにすることにより、第一モニタ電極と第二モニタ電極と合わせた面積を確保しつつ、小型化することが可能となる。また、水晶デバイスは、水晶素子の電気的特性を測定する場合、第一モニタ電極と第二モニタ電極の境界部分に測定プローブを接触させることで、安定して水晶素子の電気的特性を測定することができるため、生産性を向上させることができる。

本実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。 （ａ）図１に示された水晶デバイスのＡ−Ａにおける断面図であり、（ｂ）図２に示された水晶デバイスのＢ−Ｂにおける断面図である。 （ａ）本実施形態における水晶デバイスを構成するパッケージを上から見た平面図であり、（ｂ）本実施形態における水晶デバイスを構成するパッケージの基板を上から見た平面図である。 （ａ）本実施形態における水晶デバイスを構成するパッケージの基板を下から見た平面図であり、（ｂ）本実施形態における水晶デバイスを構成するパッケージを下から見た平面図である。

本実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に接合された水晶素子１２０と、パッケージ１１０の下面に接合された集積回路素子１５０と、パッケージ１１０の上面に接合された蓋体１３０とを含んでいる。パッケージ１１０には、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた第一凹部Ｋ１が形成されている。また、パッケージ１１０には、基板１１０ａの下面と第二枠体１１０ｃの内側面とで形成された第二凹部Ｋ２が形成されている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。

基板１１０ａは、矩形状であり、上面で水晶素子１２０を実装し、下面で集積回路素子１５０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａの上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド１１１が設けられており、下面には、集積回路素子１５０を接合するための一対の接続パッド１１６が設けられている。基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を一層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１６及び後述する第二枠体１１０ｃの下面に設けられた外部端子１１２とを電気的に接続するための配線パターン１１３、導体部１１４及びビア導体１１５が設けられている。

第一枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に第一凹部Ｋ１を形成するためのものである。第二枠体１１０ｃは、基板１１０ａの下面に配置され、基板１１０ａの上面に第二凹部Ｋ２を形成するためのものである。第一枠体１１０ｂ及び第二枠体１１０ｃは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．２〜１．５ｍｍである場合を例にして、第一凹部Ｋ１及び第二凹部Ｋ２の大きさを説明する。第一凹部Ｋ１及び第二凹部Ｋ２の長辺の長さは、０．７〜２．０．ｍｍであり、短辺の長さは、０．５〜１．５ｍｍとなっている。また、第一凹部Ｋ１及び第二凹部Ｋ２の上下方向の長さは、０．１〜０．５ｍｍとなっている。

また、第二枠体１１０ｃの下面の四隅には、外部端子１１２が設けられている。外部端子１１２は、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１６と電気的に接続されている。

電極パッド１１１は、水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド１１１は、第一電極パッド１１１ａと第二電極パッド１１１ｂとによって構成されている。電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン１１３及び導体部１１４を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２と電気的に接続されている。

一対の電極パッド１１１上には、平面視して矩形状である一対の凸部Ｂ１が設けられている。また、一対の凸部Ｂ１は、平面視した際に、その一辺が基板１１０ａの中心側を向く電極パッド１１１上の外周縁に沿って設けられており、その一辺と接続されている他の一辺が、基板１１０ａの外周縁側を向く電極パッド１１１上の外周縁に沿って設けられている。

外部端子１１２は、電気機器等の外部の実装基板上の実装パッド（図示せず）と接合するために用いられている。外部端子１１２は、基板１１０ａの下面の四隅に設けられている。第三外部端子１１２ｃは、第三ビア導体１１５ｃを介して、封止用導体パターンＨと電気的に接続されている。また、第三外部端子１１２ｃは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランド電位と接続されている実装パッドと接続されている。これにより、封止用導体パターンＨに接合された蓋体１３０がグランド電位となっている第三外部端子１１２ｃに接続される。よって、蓋体１３０による凹部Ｋ内のシールド性は、向上されることになる。

配線パターン１１３は、電極パッド１１１とビア導体１１５を電気的に接続すると共に、ビア導体１１５と導体部１１４とを電気的に接続するためのものである。配線パターン１１３は、第一配線パターン１１３ａ及び第二配線パターン１１３ｂによって構成されている。配線パターン１１３は、平面視して、第一枠体１１０ｂと重なるようにして設けられている。このようにすることによって、水晶デバイスは、配線パターン１１３と水晶素子１２０との間で浮遊容量が発生することを抑えるので、水晶素子１２０にこの浮遊容量が付与されることがないため、発振周波数が変動してしまうことを抑えることができる。

また、第一配線パターン１１３ａは、第二電極パッド１１１ｂ及び第二ビア導体１１５ｂと電気的に接続されている。第一配線パターン１１３ａは、第二電極パッド１１１ｂから近接された第一枠体１１０ｂの長辺方向に向かって延出されており、第一配線パターン１１３ａの一部が露出されている。第二配線パターン１１３ｂは、第三導体部１１４ｃ及び第三ビア導体１１５ｃと電気的に接続されている。第二配線パターン１１３ｂは、第三ビア導体１１５ｃから近接された基板１１０ａの角部に設けられた第三導体部１１４ｃに向かって延出されている。

このように、配線パターン１１３の一部が、電極パッド１１１から第一枠体１１０ｂの長辺方向に向かって延出し、露出するようにして設けられていることにより、水晶素子１２０を実装した際に、溢れ出そうになった導電性接着剤１４０が、配線パターン１１３上に沿って流れ出てくれるため、パッケージ１１０の中心方向に流れ出ることがなく導電性接着剤１４０が励振用電極１２２に付着してしまうことを抑えることができる。

導体部１１４は、配線パターン１１３または接続パターン１１７と、外部端子１１２を電気的に接続するためのものである。導体部１１４は、基板１１０ａの角部に設けられた切れ込みの内部に設けられている。導体部１１４の両端は、配線パターン１１３または接続パターン１１７と、外部端子１１２と接続されている。このようにすることで、接続パッド１１６は、接続パターン１１７及び導体部１１４を介して外部端子１１２と電気的に接続されている。導体部１１４は、第一導体部１１４ａ、第二導体部１１４ｂ、第三導体部１１４ｃ及び第四導体部１１４ｄによって構成されている。

ビア導体１１５は、基板１１０ａの内部に設けられ、その両端は、電極パッド１１１及び一方の第一モニタ電極１１８ａと電気的に接続すると共に、後述する封止用導体パターンＨ及び外部端子１１２と電気的に接続するためのものである。ビア導体１１５は、第一ビア導体１１５ａ、第二ビア導体１１５ｂ及び第三ビア導体１１５ｃによって構成されている。ビア導体１１５は、基板１１０ａに設けられた貫通孔の内部に導体を充填することで設けられている。

接続パッド１１６は、集積回路素子１５０を接続パッドに実装するために用いられている。接続パッド１１６は、基板１１０ａの下面に設けられており、平面視して第二枠体１１０ｃの内側に沿って設けられている。接続パッド１１６は、基板１１０ａの長辺の一辺に沿って三つ設けられ、向かい合う辺に沿って三つ設けられている。また、接続パッド１１６は、図４（ａ）に示すように、第一接続パッド１１６ａ、第二接続パッド１１６ｂ、第三接続パッド１１６ｃ、第四接続パッド１１６ｄ、第五接続パッド１１６ｅ及び第六接続パッド１１６ｆによって構成されている。第一接続パッド１１６ａと第一外部端子１１２ａとは、基板１１０ａの下面に設けられた第一接続パターン１１７ａと、基板１１０ａ及び第二枠体１１０ｃの角に設けられた第一導体部１１４ａにより接続されている。第二接続パッド１１６ｂと他方の第二モニタ電極１１９ｂとは、電気的に接続されている。第三接続パッド１１６ｃと第三外部端子１１２ｃとは、基板１１０ａの下面に設けられた第三接続パターン１１７ｃと、第二枠体１１０ｃの角に設けられた第三導体部１１４ｃにより接続されている。第四接続パッド１１６ｄと第二外部端子１１２ｂとは、基板１１０ａの下面に設けられた第二接続パターン１１７ｂと、第二枠体１１０ｃの角に設けられた第二導体部１１４ｂにより接続されている。第五接続パッド１１６ｅと一方の第二モニタ電極１１９ａとは、電気的に接続されている。第六接続パッド１１６ｆと第四外部端子１１２ｄとは、基板１１０ａの下面に設けられた第四接続パターン１１７ｄと、第二枠体１１０ｃの角に設けられた第四導体部１１４ｄにより接続されている。

また、接続パターン１１７は、接続パッド１１５と導体部１１４とを電気的に接続するためのものである。接続パターン１１７は、基板１１０ａの下面に設けられ、接続パッド１１５から近傍の導体部１１４に向けて引き出されている。

第一モニタ電極１１８及び第二モニタ電極１１９は、測定用プローブを接触させることによって、水晶素子１２０の特性を測定するためのものである。第一モニタ電極１１８は、基板１１０ａの短辺に沿って一対で設けられている。第一モニタ電極１１８は、一方の第一モニタ電極１１８ａ及び他方の第一モニタ電極１１８ｂによって構成されている。一方の第一モニタ電極１１８ａは、基板１１０ａに設けられた第一ビア導体１１５ａを介して、基板１１０ａの上面に設けられた第一電極パッド１１１ａと電気的に接続されている。他方の第一モニタ電極１１８ｂは、基板１１０ａの上面に設けられた第一配線パターン１１３ａ及び基板１１０ａに設けられた第二ビア導体１１５ｂを介して、基板１１０ａの上面に設けられた第二電極パッド１１１ｂと電気的に接続されている。

また、第一モニタ電極１１８の一つである一方の第一モニタ電極１１８ａは、平面視して、一対の電極パッド１１１と重なる位置に設けられている。また、このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から直下にある基板１１０ａを介して、一方の第一モニタ電極１１８ａに伝わり、一方の第一モニタ電極１１８ａから熱が放出される。よって、このような水晶デバイスは、熱伝導経路を短くすることができるので、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となり、後述する集積回路素子１５０によって温度補正をし易くすることができる。

第二モニタ電極１１９は、一方の第二モニタ電極１１９ａ及び他方の第二モニタ電極１１１９によって構成されている。第二モニタ電極１１９は、図４（ａ）に示すように、基板１１０ａの長辺に向かい合うように設けられた接続パッド１１６の間に位置するように設けられている。一方の第二モニタ電極１１９ａは、第五接続パッド１１６ｅと電気的に接続されている。また、他方の第二モニタ電極１１９ｂは、第二接続パッド１１６ｂと電気的に接続されている。第二モニタ電極１１９は、平面視して、集積回路素子１５０と重なる位置に設けられている。このようにすることで、電子機器等の実装基板上の実装パターンと第二モニタ電極１１９との間で発生する浮遊容量を低減させることで、水晶素子１２０に浮遊容量が付加されないので、水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することができる。

また、第二モニタ電極１１９の一方の第二モニタ電極１１９ａは、平面視して、一対の電極パッド１１１の間に位置するように設けられている。また、このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から直下にある基板１１０ａを介して、一方の第二モニタ電極１１９ａに伝わり、一方の第二モニタ電極１１９ａから熱が放出される。よって、このような水晶デバイスは、熱伝導経路を短くすることができるので、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となり、後述する集積回路素子１５０によって温度補正をさらに容易にすることができる。

このような水晶デバイスは、従来の圧電デバイスのモニタ電極と比較し、第一モニタ電極１１８と第二モニタ電極１１９と合わせた面積を確保しつつ、小型化することが可能となる。また、水晶デバイスは、水晶素子１２０の電気的特性を測定する場合、第一モニタ電極１１８と第二モニタ電極１１９の境界部分に測定プローブを接触させることで、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９のどちらか一方に確実に接触させることが可能となる。このような水晶デバイスは、安定して水晶素子１２０の電気的特性を測定することができるため、生産性を向上させることができる。

凸部Ｂ１は、水晶素子１２０の短辺の上下方向の傾きが抑制され、水晶素子１２０の長辺側端部が基板１１０ａや蓋体１３０に接触することを抑制するためのものである。また、凸部Ｂ１は、水晶素子１２０の自由端が基板１１０ａに接触することを抑制するためものである。一対の凸部Ｂ１は、第一凸部Ｂ１ａ及び第二凸部Ｂ１ｂによって構成されている。第一凸部Ｂ１ａは、第一電極パッド１１１ａの上面に設けられており、第二凸部Ｂ１ｂは、第二電極パッド１１１ｂの上面に設けられている。また、凸部Ｂ１は、電極パッド１１１と同様に、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等上面に金メッキ、ニッケルメッキを施すことにより設けられている。

また、一対の凸部Ｂ１の基板１１０ａの中心側を向く一辺が、図３に示されているように、同一直線上に並ぶようにして設けられている。このようにすることによって、水晶素子１２０の引き出し電極１２３を一対の凸部Ｂ１に接触させながら電極パッド１１１に実装する際に、水晶素子１２０が傾くことなく安定した状態で実装することができる。

また、凸部Ｂ１は、水晶素子１２０の外周縁にある引き出し電極１２３と対向する位置に設けられている。このようにすることによって、水晶素子１２０が導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１に実装する際に、仮に水晶素子１２０が傾いたとしても、引き出し電極１２３が凸部Ｂ１に接触することになり、凸部Ｂ１よりも下方向に水晶素子１２０が傾くことなく安定した状態で実装することができる。また、凸部Ｂ１は、平面視して、水晶素板１２１の固定端側の外周縁にある引き出し電極１２３と重なる位置に設けられている。このようにすることにより、水晶素子１２０の固定端が基板１１０ａの上面に接触することを低減することができる。

突起部Ｂ２は、平面視して、矩形状であり、水晶素子１２０の自由端側の対向する位置に設けられており、水晶素子１２０の自由端側が基板１１０ａに接触することを防ぐためのものである。突起部Ｂ２は、第一凹部Ｋ１内の基板１１０ａ上で、突起部Ｂ２の長辺と基板１１０ａの長辺が略平行になるように設けられている。このようにすることにより、水晶デバイスに落下等の衝撃が加わった際に、水晶素子１２０の自由端側が基板１１０ａに接触することによる欠けなどを抑えることができる。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．７〜１．５ｍｍである場合を例にして、電極パッド１１１、凸部Ｂ１の大きさを説明する。電極パッド１１１の辺の長さは、２５０〜４００μｍとなる。電極パッド１１１の上下方向の厚みの長さは、１０〜５０μｍとなる。電極パッド１１１の外周縁に沿って形成されている三角形状の凸部Ｂ１の辺の長さは、２００〜４００μｍとなる。凸部Ｂ１の上下方向の厚みの長さは、７〜３０μｍとなる。また、基板１１０ａの長辺方向と平行となる突起部Ｂ２の長さは、５００〜８００μｍであり、基板１１０ａの短辺方向と平行となる突起部Ｂ２の長さは、１５０〜３００μｍである。また、突起部Ｂ２の上下方向の長さは、約３０〜１００μｍである。

また、電極パッド１１１の算術平均表面粗さは、０．０２〜０．１０μｍであり、基板１１０ａ表面の算術平均表面粗さは、０．５〜１．５μｍである。よって、導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上の凸部Ｂ１が設けられていない箇所である配線パターン１１３の方向に向かって導電性接着剤１４０が広がることになるが、電極パッド１１１から基板１１０ａ上に向かって広がりにくくなる。

封止用導体パターンＨは、蓋体１３０と封止部材１３１を介して接合する際に、封止部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。封止用導体パターンＨは、図３及び図４に示すように、第三ビア導体１１５ｃを介して、外部端子１１２ｃと電気的に接続されている。封止用導体パターンＨは、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、第一枠体１１０ｂの上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０〜２５μｍの厚みに形成されている。

導電性接着剤１４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

導電性接着剤１４０は、水晶素子１２０の励振用電極１２２と間をあけて配置されている。水晶デバイスは、導電性接着剤１４０と励振用電極１２２とが間を空けて配置されていることにより、導電性接着剤１４０が励振用電極１２２に付着することで生じる短絡を低減することができる。

また、導電性接着剤１４０の粘度が、３５〜４５Ｐａ・ｓのものを使用することによって、塗布した際に、導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上から基板１１０ａ上面に流れ出ることなく、電極パッド１１１上に留まるので、導電性接着剤１４０の上下方向の厚みも確保することができる。導電性接着剤１４０の上下方向の厚みの長さは、１０〜２５μｍである。このように導電性接着剤１４０の厚みを確保できることによって、落下等により加わった衝撃が水晶素子１２０に対して導電性接着剤１４０を中心にして上下方向へ加わったとしても、その衝撃を導電性接着剤１４０で十分に吸収緩和することができる。

ここで、パッケージ１１０の作製方法について説明する。基板１１０ａ及び枠体１１０ｂがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１１１又は外部端子１１２、第一凸部Ｂ１ａ、第二凸部Ｂ１ｂ及び突起部Ｂ２となる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１上に接合されている。水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、図１及び図２に示されているように、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２及び引き出し電極１２３を被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。励振用電極１２２は、上面に第一励振用電極１２２ａと、下面に第二励振用電極１２２ｂを備えている。引き出し電極１２３は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の一辺に向かってそれぞれ延出されている。引き出し電極１２３は、上面に第一引き出し電極１２３ａと、下面に第二引き出し電極１２３ｂとを備えている。第一引き出し電極１２３ａは、第一励振用電極１２２ａから引き出されており、水晶素板１２１の一辺に向かって延出するように設けられている。第二引き出し電極１２３ｂは、第二励振用電極１２２ｂから引き出されており、水晶素板１２１の一辺に向かって延出するように設けられている。つまり、引き出し電極１２３は、水晶素板１２１の長辺または短辺に沿った形状で設けられている。また、本実施形態においては、第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂと接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１０の上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０の上面と間を空けた自由端とした片持ち支持構造にて水晶素子１２０が基板１１０上に固定されている。

水晶素子１２０の第一引き出し電極１２３ａは、第一凸部Ｂ１ａと接触し、水晶素子１２０の第二引き出し電極１２３ｂは、第二凸部Ｂ１ｂと接触している。このように水晶素子１２０の引き出し電極１２３を凸部Ｂ１に接触させることにより、電極パッド１１１上に水晶素子１２０を実装する工程において、水晶素子１２０の搭載位置がずれて搭載角度が傾いた場合でも、水晶素子１２０の長辺側端部が凸部Ｂ１に当接して支持され、水晶素子１２０の短辺の傾きが抑制され、水晶素子１２０の長辺側端部が基板１１０ａや蓋体１３０に接触するのを防ぐことができる。よって、水晶素子１２０の発振周波数の変動が防止され、生産性を向上させることができる。

また、水晶デバイスは、水晶素子１２０の励振用電極１２２の表面を例えばイオンガンにより削ることにより、水晶素子１２０の発振周波数の調整を行っている。また、従来の水晶デバイスでは、基板の上面に設けられた配線パターンが水晶素子の励振用電極の近傍でも露出しているため、イオンガンにより励振用電極を削る際に、配線パターンを削ってしまうことがある。また、従来の水晶デバイスは、この配線パターンの削り屑が、水晶素子の励振用電極に付着し、発振周波数が変動してしまうこと虞がある。しかし、本実施形態の水晶デバイスでは、図３（ａ）に示すように、配線パターン１１３が水晶素子１２０の励振用電極１２２の近傍では露出しておらず、平面視して、枠体１１０ｂと重なる位置に設けられているため、イオンガンにより励振用電極１２２を削る際に、配線パターン１１３を削ってしまうことを防ぐことができる。また、このような水晶デバイスは、配線パターン１１３の削り屑が発生しないため、水晶素子１２０の励振用電極１２２に削り屑が付着することがなく、安定して発振周波数を出力することが可能となる。

また、水晶素子１２０の引き出し電極１２３は、凸部Ｂ１引き出し電極１２３は、仮に水晶素子１２０が実装時に傾いたとしても凸部Ｂ１と接触することで、水晶素子１２０の固定端側が凸部Ｂ１の上下方向の厚み分の距離を確保できるので、水晶素子１２０の自由端が浮きすぎることがなく、水晶素子１２０の自由端が蓋体１３０に接触することを抑制することができる。

ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が引き出し電極１２３から励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２及び引き出し電極１２３を形成することにより作製される。

水晶素子１２０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接着剤１４０は、例えばディスペンサによって、電極パッド１１１上に拡がるようにして塗布される。水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０上に搬送される。さらに、水晶素子１２０は、水晶素子１２０の固定端側の外周縁にある引き出し電極１２３が、平面視して、凸部Ｂ１と重なるようにして導電性接着剤１４０上に載置される。この際に、溢れ出た導電性接着剤１４０は、露出した第一配線パターン１１３ａ上に沿って流れ出る。そして導電性接着剤１４０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０が硬化収縮する際に、水晶素子１２０の固定端側が下方向に引っ張られ、第二凸部Ｂ１ｂを支点とした梃子の原理が働くことになり、水晶素子１２０の自由端側が上方向に浮くようにして、一対の電極パッド１１１に接合される。また、導電性接着剤１４０の硬化収縮時に水晶素子１２０の固定端側が下方向に引っ張られた際に、凸部Ｂ１と水晶素子１２０の外周縁にある引き出し電極１２３が接触した状態で電極パッド１１１に接合される。

集積回路素子１５０は、例えば、複数個の接続パッドを有した矩形状のフリップチップ型集積回路素子が用いられ、その回路形成面（上面）には、周囲の温度状態を検知する温度センサー、水晶素子１２０の温度特性を補償する温度補償データを格納するための記憶素子部、温度補償データに基づいて水晶素子１２０の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路部、その温度補償回路部に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路部が設けられている。この発振回路部で生成された出力信号は、外部端子１１２の内の一つを介して温度補償型水晶発振器の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。

記憶素子部は、ＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭにより構成されている。温度補償関数である下記に示す三次関数のもととなるパラメータ、例えば三次成分調整値α、一次成分調整値β、０次成分調整値γの各値の温度補償用制御データが外部端子１１２の内の一つである書込読込端子から入力され保存される。記憶素子部には、レジスタマップが記憶されている。レジスタマップとは、各アドレスデータに制御データを入力した場合、制御部がそのデータを読み取り、信号を出力し、どのような動作を行なうかを示したものである。

温度補償回路部は、三次関数発生回路や五次関数発生回路等によって構成されている。例えば、三次関数発生回路の場合は、その記憶素子部に入力された温度補償用制御データを読出して、温度補償用制御データから各温度に対して三次関数で導き出された電圧を発生させる。尚、この時の外部の周囲温度は、集積回路素子１５０内の温度センサーより得られる。温度補償回路部は、可変容量ダイオードのカソードと接続されており、温度補償回路部からの電圧が印加される。このように、可変容量ダイオードに温度補償回路部からの電圧を印加することよって、水晶素子１２０の周波数温度特性を補正することにより、周波数温度特性が平坦化される。

集積回路素子１５０は、図２に示すように、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１６に半田等の導電性接合材１６０を介して実装されている。また、集積回路素子１５０の接続端子１５１は、接続パッド１１６に接続されている。接続パッド１１６は、接続パターン１１７及び導体部１１５を介して外部端子１１２と電気的に接続されている。この外部端子１１２の内の一つは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の役割を果たす。よって、集積回路素子１５０の接続端子１５１の内の一つは、基準電位であるグランドに接続されることになる。

また、集積回路素子１５０内に設けられた温度センサーは、平面視でモニタ電極１１９内に位置させるようにして設けられている。このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から配線パターン１１３及びビア導体１１４を介して、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９に伝わった熱が、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９から放熱され、集積回路素子１５０内に設けられた温度センサーに伝わることになる。よって、温度補償型水晶発振器は、熱伝導経路を短くすることができるので、水晶素子１２０の温度と集積回路素子１５０の温度とが近似することになり、集積回路素子１５０の温度センサーが得た温度と、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

集積回路素子１５０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接合材１６０は、例えばディスペンサによって接続パッド１１６に塗布される。集積回路素子１５０は、導電性接合材１６０上に載置される。そして導電性接合材１６０は、加熱させることによって溶融接合される。よって、集積回路素子１５０は、接続パッド１１６に接合される。

また、集積回路素子１５０は、図１及び図２に示すように、矩形状であり、その下面に六つの接続端子１５１が設けられている。接続端子１５１は、一辺に沿って三つ設けられており、その一辺と向かい合う一辺に沿って三つ設けられている。集積回路素子１５０の長辺の長さは、０．５〜１．２ｍｍであり、短辺の長さは、０．３〜１．０ｍｍとなっている。集積回路素子１５０の厚み方向の長さは、０．１〜０．３ｍｍとなっている。

導電性接合材１６０は、例えば、銀ペースト又は鉛フリー半田により構成されている。また、導電性接合材１６０には、塗布し易い粘度に調整するための添加した溶剤が含有されている。鉛フリー半田の成分比率は、錫が９５〜９７．５％、銀が２〜４％、銅が０．５〜１．０％のものが使用されている。

絶縁性樹脂１７０は、図２（ｂ）に示されているように、集積回路素子１５０の接続端子１５１が設けられている面と接続パッド１１６との間に設けられている。このようにすることにより、絶縁性樹脂１７０は、集積回路素子１５０と基板１１０ａの下面との接着強度を高めることができる。また、仮に、温度補償型水晶発振器を電子機器等の実装基板の実装パッド上に実装させた際に、半田等の異物が第二凹部Ｋ２内に入り込んだとしても、絶縁性樹脂１７０によって、その異物が集積回路素子１５０の接続端子１５１間に付着することを抑えることになるので、集積回路素子１５０の接続端子１５１間の短絡を低減することができる。また、絶縁性樹脂１７０は、エポキシ樹脂やエポキシ樹脂を主成分とするコンポジットレジン等の樹脂材料からなる。

また、絶縁性樹脂１７０は、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９を覆うように設けられている。このようにすることによって、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９に異物が付着することを抑えることになるので、水晶素子１２０にその異物の付加抵抗が加わることを抑制することができる。従って、水晶素子１２０の発振周波数の変動を低減することが可能となる。

絶縁性樹脂１７０の基板１１０ａへの形成方法について説明する。その樹脂ディスペンサの先端を、第二凹部Ｋ２の隙間に挿入し、絶縁性樹脂１７０の注入を行なう。次に絶縁性樹脂１８０を加熱し、硬化させる。よって、絶縁性樹脂１７０は、基板１１０ａの下面と、集積回路素子１５０と接続パッド１１６との間及び第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９を被覆するようにして設けられる。

蓋体１３０は、矩形状であり、真空状態にある第一凹部Ｋ１、あるいは窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、枠体１１０ｂ上に設けられた接合部材１３１の上面に載置される。枠体１１０ｂの上面に設けられた接合部材１３１に熱が印加されることで、溶融接合される。また、蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。

接合部材１３１は、パッケージ１１０の第一枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターンＨに相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。封止部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。金錫の場合は、その厚みは、１０〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。

接合部材１３１は、例えば、金錫の場合には、接合部材１３１の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、金が７０〜８０％、錫が２０〜３０％のものを使用しても良い。また、接合部材１３１は、例えば、銀ロウの場合には、接合部材１３１の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、銀が７０〜８０％、銅が２０〜３０％のものを使用しても良い。

本実施形態における水晶デバイスは、矩形状の基板１１０ａと、基板１１０ａの上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体１１０ｂと、基板１１０ａの下面の外周縁に沿って設けられた第二枠体１１０ｃと、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッドと、一対の電極パッドに実装された水晶素子１２０と、接続パッド１１６に実装された集積回路素子１５０と、一対の電極パッド１１１に電気的に接続され、第二枠体１１０ｃの内周縁に沿って基板１１０ａの下面に設けられた第一モニタ電極１１８と、第一モニタ電極１１８と電気的に接続され、接続パッド１１５の間に位置するように基板１１０ａの下面に設けられた第二モニタ電極１１９と、水晶素子１２０を気密封止するための蓋体１３０と、を備えている。このようにすることにより、従来の圧電デバイスのモニタ電極と比較し、第一モニタ電極１１８と第二モニタ電極１１９と合わせた面積を確保しつつ、小型化することが可能となる。また、水晶デバイスは、水晶素子１２０の電気的特性を測定する場合、第一モニタ電極１１８と第二モニタ電極１１９の境界部分に測定プローブを接触させることで、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９のどちらか一方に確実に接触させることが可能となる。このような水晶デバイスは、安定して水晶素子１２０の電気的特性を測定することができるため、生産性を向上させることができる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、第一モニタ電極１１８の一方の第一モニタ電極１１８ａが、平面視して、一対の電極パッド１１１と重なる位置に設けられている。また、このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から直下にある基板１１０ａを介して、一方の第一モニタ電極１１８ａに伝わり、一方の第一モニタ電極１１８ａから熱が放出される。よって、このような水晶デバイスは、熱伝導経路を短くすることができるので、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となり、後述する集積回路素子１５０によって温度補正をし易くすることができる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、第二モニタ電極１１９の一方の第二モニタ電極１１９ａが、平面視して、一対の電極パッド１１１の間に位置するように設けられている。また、このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から直下にある基板１１０ａを介して、一方の第二モニタ電極１１９ａに伝わり、一方の第二モニタ電極１１９ａから熱が放出される。よって、このような水晶デバイスは、熱伝導経路を短くすることができるので、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減させることが可能となり、後述する集積回路素子１５０によって温度補正をさらに容易にすることができる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、絶縁性樹脂１７０が、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９を覆うように設けられている。このようにすることによって、第一モニタ電極１１８又は第二モニタ電極１１９に異物が付着することを抑えることになるので、水晶素子１２０にその異物の付加抵抗が加わることを抑制することができる。従って、水晶素子１２０の発振周波数の変動を低減することが可能となる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、電極パッド１１１が、基板１１０ａの一辺に沿って設けられており、電極パッド１１１の上面に設けられた凸部Ｂ１を備えている。晶素子１２０が導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１に実装する際に、仮に水晶素子１２０が傾いたとしても、引き出し電極１２３が凸部Ｂ１に接触することになり、凸部Ｂ１よりも下方向に水晶素子１２０が傾くことなく安定した状態で実装することができる。また、凸部Ｂ１は、平面視して、水晶素板１２１の固定端側の外周縁にある引き出し電極１２３と重なる位置に設けられている。このようにすることにより、水晶素子１２０の固定端が基板１１０ａの上面に接触することを低減することができる。

また、本実施形態における水晶デバイスは、基板１１０ａの一辺と向かい合う辺に沿って設けられた突起部Ｂ２を備えている。このようにすることにより、水晶デバイスに落下等の衝撃が加わった際に、水晶素子１２０の自由端側が突起部Ｂ２に接触するため、基板１１０ａに直接接触することによる欠けなどを抑えることができる。

尚、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。上記実施形態では、基板１１０ａの上面に枠体１１０ｂが設けられている場合について説明したが、基板に水晶素子を実装した後に、封止基部の下面に封止枠部が設けられた蓋体を用いて、水晶素子を気密封止する構造であっても構わない。蓋体は、矩形状の封止基部と、封止基部の下面の外周縁に沿って設けられている封止枠部とで構成されており、封止基部の下面と封止枠部の内側側面とで収容空間が形成されている。封止枠部は、封止基部の下面に収容空間を形成するためのものである。封止枠部は、封止基部の下面の外縁に沿って設けられている。

上記実施形態では、基板１１０ａの上面に枠体１１０ｂが設けられている場合について説明したが、基板に水晶素子を実装した後に、下面に壁部が設けられた蓋体を用いて、水晶素子を気密封止する構造であっても構わない。

上記実施形態では、水晶素子は、ＡＴ用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる二本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。水晶素子は、水晶片と、その水晶片の表面に設けられた励振電極と、引き出し用電極と、周波数調整用金属膜とにより構成されている。水晶片は、水晶基部と水晶振動部とからなり、水晶振動部が第一水晶振動部及び第二水晶振動部とから成る。水晶基部は、結晶の軸方向として電気軸がＸ軸、機械軸がＹ軸、及び光軸がＺ軸となる直交座標系としたとき、Ｘ軸回りに−５°〜＋５°の範囲内で回転させたＺ′軸の方向が厚み方向となる平面視略四角形の平板である。第一水晶振動部及び第二水晶振動部は、水晶基部の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。このような水晶片は、水晶基部と各水晶振動部とが一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィー技術と化学エッチング技術により製造される。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・第一枠体
１１０ｃ・・・第二枠体
１１１・・・電極パッド
１１２・・・外部端子
１１３・・・配線パターン
１１４・・・導体部
１１５・・・ビア導体
１１６・・・接続パッド
１１７・・・接続パターン
１１８・・・第一モニタ電極
１１９・・・第二モニタ電極
Ｂ１・・・凸部
Ｂ２・・・突起部
Ｈ・・・封止用導体パターン
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・引き出し電極
１３０・・・蓋体
１３１・・・接合部材
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・集積回路素子
１６０・・・導電性接合材
１７０・・・絶縁性樹脂
Ｋ１・・・第一凹部
Ｋ２・・・第二凹部

Claims (6)

1. 矩形状の基板と、
   前記基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、
   前記基板の下面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、
   前記基板の上面に設けられた一対の電極パッドと、
   前記基板の下面に設けられた複数の接続パッドと、
   前記一対の電極パッドに実装された水晶素子と、
   前記接続パッドに実装された集積回路素子と、
   前記一対の電極パッドに電気的に接続され、前記第二枠体の内周縁に沿って前記基板の下面に設けられた第一モニタ電極と、
   前記第一モニタ電極と電気的に接続され、前記接続パッドの間に位置するように前記基板の下面に設けられた第二モニタ電極と、
   前記水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えていることを特徴とする水晶デバイス。
2. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記第一モニタ電極の一つが、平面視して、前記一対の電極パッドと重なる位置に設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
3. 請求項１又は請求項２記載の水晶デバイスであって、
   前記第二モニタ電極の一つが、平面視して、前記一対の電極パッドの間に位置するように設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
4. 請求項１乃至請求項３記載の水晶デバイスであって、
   前記第一モニタ電極及び前記第二モニタ電極を被覆するように設けられた絶縁性樹脂を備えていることを特徴とする水晶デバイス。
5. 請求項１乃至請求項４記載の水晶デバイスであって、
   前記電極パッドが、前記基板の一辺に沿って設けられており、
   前記電極パッドの上面に設けられた凸部を備えていることを特徴とする水晶デバイス。
6. 請求項１乃至請求項５記載の水晶デバイスであって、
   前記基板の一辺と向かい合う辺に沿って設けられた突起部を備えていることを特徴とする水晶デバイス。

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