JP2020178260A - 水晶デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部からの振動の影響を抑えて耐振動特性を向上させ、位相雑音特性を良好にできる水晶デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】 水晶片２が搭載された台座１が、本体の長辺に沿って形成され、基板３と接触する２つの接続部１４と、接続部１４より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部１０ｃ，１０ｄと、振動素子が搭載される搭載部１１と、本体の四隅に形成され、搭載部１１と接続部１４とを接続するアーム部１３とを有し、基板３の金属パターン３１上に、導電性接着剤３４が複数個所に分割されて塗布された後、一体化した状態（導電性接着剤３４′）で、台座１の接続部１４と金属パターン３１とが接着されている水晶デバイスとしている。【選択図】 図９

Description

本発明は、水晶デバイス及びその製造方法に係り、特に振動の影響を抑えて耐振動特性を向上させ、位相雑音特性を良好にできる水晶デバイス及びその製造方法に関する。

［先行技術の説明］
従来の水晶デバイスには、パッケージ及びパッケージ外部からの振動が水晶片に与える影響を抑制する構成として、主に水晶から成る台座（水晶台座）を用いる構成が知られている。
台座を用いた水晶デバイスでは、台座の接続部に設けられた金属電極が、導電性接着剤等によってパッケージの基板に接着されるものがある。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特許第３０１７７５０号公報「水晶振動子」（特許文献１）、特許第４７１５２５２号公報「圧電振動子」（特許文献２）、特開２０１３−０９８６７８号公報「水晶振動子」（特許文献３）がある。

特許文献１には、保持用水晶板に振動用水晶片を搭載する位置に凹部を形成し、その凹部によって形成される隙間で振動用水晶片を確実に励振させ、励振用水晶片の長手方向での熱によるストレスを発生させない水晶振動子が示されている。

特許文献２には、基板における熱膨張の影響を小さくするために、隙間を有するスプリング部を備える圧電振動子が示されている。
特許文献３には、温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、良好な周波数温度特性が得られる構成の水晶振動子が示されている。

特許第３０１７７５０号公報 特許第４７１５２５２号公報 特開２０１３−０９８６７８号公報

しかしながら、従来の水晶デバイスにおける水晶台座では、外部からの振動が水晶片に影響してしまい、その振動によって位相雑音特性が劣化するという問題点があった。

尚、特許文献１〜３には、外部からの振動をより吸収しやすくした構成の台座の記載や、水晶片を搭載した当該台座を基板に接着する際の接着剤の塗布に関する記載はない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、外部からの振動の影響を抑えて耐振動特性を向上させ、位相雑音特性を良好にできる水晶デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、水晶片が搭載された台座が、パッケージの基板上に形成された金属パターンに導電性接着剤によって接着される水晶デバイスであって、台座が、本体の長辺に沿って形成され、基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有し、基板の金属パターン上に、導電性接着剤が複数個所に分割されて塗布された後、一体化した状態で、台座の接続部と金属パターンとが接着されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶デバイスにおいて、複数個所に分割されて塗布される導電性接着剤の厚みが１０μm以上３０μm以下であることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶デバイスにおいて、複数個所に分割されて塗布される導電性接着剤の直径が０．１０mm以上０．２５mm以下であることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶デバイスにおいて、導電性接着剤をシリコン系接着剤としたことを特徴としている。

また、本発明は、水晶デバイスの製造方法であって、本体の長辺に沿って形成され、パッケージの基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有する台座に水晶片を搭載し、パッケージの金属パターン上に、導電性接着剤を複数個所に分割して塗布し、導電性接着剤の上に台座の接続部を搭載して、複数に分割されている導電性接着剤を一体化させ、台座の接続部と金属パターンとを接着することを特徴としている。

本発明によれば、水晶片が搭載された台座が、パッケージの基板上に形成された金属パターンに導電性接着剤によって接着される水晶デバイスであって、台座が、本体の長辺に沿って形成され、基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有し、基板の金属パターン上に、導電性接着剤が複数個所に分割されて塗布された後、一体化した状態で、台座の接続部と金属パターンとが接着されている水晶デバイスとしているので、台座による振動吸収に加えて、導電性接着剤が基板と台座との間の緩衝材として作用して振動を吸収するため、耐振動特性を一層向上させ、位相雑音特性を良好にすることができる効果がある。

また、本発明によれば、水晶デバイスの製造方法であって、本体の長辺に沿って形成され、パッケージの基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有する台座に水晶片を搭載し、パッケージの金属パターン上に、導電性接着剤を複数個所に分割して塗布し、導電性接着剤の上に台座の接続部を搭載して、複数に分割されている導電性接着剤を一体化させ、台座の接続部と金属パターンとを接着する水晶デバイスの製造方法としているので、台座による振動吸収に加えて、導電性接着剤を基板と台座との間の緩衝材として作用させ振動を吸収させることができ、耐振動特性を一層向上させ、位相雑音特性が良好な水晶デバイスを製造することができる効果がある。

本台座の表面説明図である。 本台座の長辺側面説明図である。 本台座の短辺側面説明図である。 片側１点接着の塗布パターンを示す説明図である。 片側１点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。 片側２点接着の塗布パターンを示す説明図である。 片側２点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。 片側３点接着の塗布パターンを示す説明図である。 片側３点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。 耐振動特性の評価に用いた振動方向を示す説明図である。 耐振動特性の評価結果を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶デバイスは、振動を吸収しやすい構成の台座に水晶片が搭載され、台座の電極がセラミック等のパッケージの基板に導電性接着剤によって接続されるものであって、導電性接着剤が、基板の金属パターン上で複数個所に分散（分割）されて塗布された後、各部が連続して一体化した状態で、台座の電極と基板側の電極とを接続しているものであり、台座によって外部からの振動を吸収するのに加えて、軟らかい導電性接着剤の塗布量を増やすことでダンパー（振動吸収）効果が得られ、耐振動特性を一層向上させて、位相雑音特性を良好にすることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶デバイスの製造方法は、振動を吸収しやすい構成の台座に水晶片を搭載して、セラミック等のパッケージの基板に形成された金属パターン上に、導電性接着剤を複数個所に分割して塗布した後、台座を金属パターン上に搭載して、分割している導電性接着剤を一体化させ、当該一体化した導電性接着剤によって台座と金属パターンとを接着する方法であり、台座によって外部からの振動を吸収するのに加えて、軟らかい導電性接着剤の塗布量を増やすことでダンパー効果が得られ、耐振動特性を一層向上させて、位相雑音特性を良好にすることができるものである。

［実施の形態に係る水晶デバイスの台座：図１〜図３］
まず、本発明の実施の形態に係る水晶デバイス（本水晶デバイス）に用いられる台座（本台座）について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本台座の表面説明図であり、図２は、本台座の長辺側面説明図であり、図３は、本台座の短辺側面説明図である。
図１に示すように、本台座１は、本体の２つの長辺に沿って内側に形成された隙間部１０ｃ，１０ｄと、隙間部１０ｃ，１０ｄによって挟まれ、水晶片２が搭載される中央の搭載部１１と、搭載部１１の短辺から本体短辺側に延びる延設部１２と、４つの角部で円弧形状に湾曲するアーム部１３と、搭載部１１の長辺に並行に設けられ、パッケージの基板（底面）に形成された電極に接続する接続部１４とを備えている。

本台座１には、電極パターン１０ａ，１０ｂが形成されている。
具体的には、電極パターン１０ａ，１０ｂは、搭載部１１の表面に、水晶片２の励振電極と接続する方形のパターンが形成され、そこから近い延設部１２側に引き出されて、アーム部１３を介して接続部１４の右側の端部まで形成されている。
更に、電極パターン１０ａ，１０ｂは、アーム部１３の側面及び裏面、接続部１４の側面及び裏面にも形成されている。

また、図２、図３に示すように、各部の厚みは、接続部１４が最も厚く、搭載部１１が次に厚く、アーム部１３が最も薄く形成されている。
このように形成することで、接続部１４のみがパッケージの基板に接続し、搭載部１１やアーム部１３を基板から浮かせた状態とするものである。

更に、アーム部１３は、接続部１４に比べて幅が狭く細く形成されており、撓んで変形しやすい構成となっている。
これにより、外部から振動が接続部１４に加わったとしても、その振動をアーム部１３と延設部１２が吸収して緩和でき、搭載部１１に搭載された水晶片２への影響を抑えることができるものである。

尚、ここでは、本台座１の各部の厚みを接続部１４＞搭載部１１＞アーム部１３としたが、接続部１４と搭載部１１の厚みを同等とし、接続部１４＝搭載部１１＞アーム部１３としてもよい。
本台座１をこのように形成した場合には、パッケージの基板上に段差部を設けて、その上に本台座１の接続部１４を搭載することで、搭載部１１が基板に接触しないよう浮かせることができるものである。

［導電性接着剤の影響］
水晶デバイスをセラミックパッケージ等の基板に実装する際には、台座の電極とパッケージの基板に形成された金属パターンとを導電性接着剤で接続する。
つまり、導電性接着剤は外部からの振動が直接伝わるパッケージの基板と、台座との間に挟まれており、しかも軟らかい材料であるため、緩衝材としての機能が期待される。
そこで、導電性接着剤を塗布する点の数や塗布量を変えて、耐振動特性の評価を行った。ここでは、導電性接着剤としてシリコン系接着剤を用いた。
また、本台座１としては、外形寸法が横１．２mm×縦０．８５mm、接続部１４の長さが約０．６４mm、幅が約０．１２mmのものを用いた。

［導電性接着剤の塗布パターン：図４〜図９］
評価した塗布パターンと、各塗布パターンで接着された水晶デバイスについて、図４〜図９を用いて説明する。
［片側１点接着：図４，図５］
図４は、片側１点接着の塗布パターンを示す説明図であり、図５は、片側１点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。
図４，図５に示すように、片側１点接着では、基板３上の各長辺に沿って形成された金属パターン３１上の１点に導電性接着剤３２を塗布して、本台座１を搭載し、水晶デバイスを形成する。尚、実験では、基板３上に段差部を設け、その上に金属パターン３１を形成したものを用いた。

片側１点接着の方法は、一般的に用いられているものであり、金属パターン３１のほぼ中央部に導電性接着剤３２が塗布される。
図５に示すように、台座搭載後、導電性接着剤３２は若干広がるものの、金属パターン３１と本台座１の接続部１４との間に導電性接着剤３２が塗布されない部分がある。

［片側２点接着：図６，図７］
図６は、片側２点接着の塗布パターンを示す説明図であり、図７は、片側２点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。
図６に示すように、片側２点接着の場合、金属パターン３１上の２点に導電性接着剤３３ａ，３３ｂが塗布される。
そして、図７に示すように、本台座１を搭載しても、導電性接着剤３３ａ，３３ｂは離れて配置されたままで、図５と同様に金属パターン３１と本台座１の接続部１４との間に導電性接着剤３３が塗布されない部分がある。

［片側３点接着：図８，図９］
図８は、片側３点接着の塗布パターンを示す説明図であり、図９は、片側３点接着で形成された水晶デバイスの表面説明図である。
図８に示すように、片側３点接着では、金属パターン３１上の３点に、導電性接着剤３４ａ，３４ｂ，３４ｃを塗布する。
その上に本台座１を搭載すると、図９に示すように、導電性接着剤３４ａ，３４ｂ，３４ｃが上から押されて扁平になり、互いに密着して一体化し、ひとかたまりの導電性接着剤３４′となる。
そして、図９に示すように、金属パターン３１と本台座１の接続部１４とが十分な量の導電性接着剤によって接合されていることがわかる。図９に示した水晶デバイスが本水晶デバイスである。

［耐振動特性の評価：図１０］
次に、本水晶デバイスの耐振動性の評価について図１０を用いて説明する。図１０は、耐振動特性の評価に用いた振動方向を示す説明図である。
ここでは、上述した３つの塗布パターンで導電性接着剤を塗布して基板と接着を行った水晶デバイスについて、図１０に示すように、ｘ、ｙ、ｚの３方向の振動を加えて、耐振動特性としてＧ-sensitivityを求めた。振動加速度は２Ｇ、正弦波振動は５〜２０００Hz（１０，１００，５００，１０００，２０００Hzの単振動）とした。

［正弦波振動のＧ-sensitivity算出］
正弦波振動のＧ-sensitivity算出について簡単に説明する。
各振動方向でのＧ-sensitivity（ppb/g）は、式（１）で与えられる。

ここで、Ｆ_vは振動周波数（Hz）、ＳＳＢは振動時のスプリアス値（dBc）、Ａは振動の加速度（g）、Ｆ_Oは公称周波数（Hz）である。

そして、ｘ、ｙ、ｚの３方向のＧ-sensitivity値より、水晶デバイスのＧ-sensitivity値が式（２）によって算出される。

［耐振動特性評価結果：図１１］
耐振動特性の評価結果を図１１を用いて説明する。図１１は、耐振動特性の評価結果を示す図である。図１１において、（ａ）は片側１点接着、（ｂ）は片側２点接着、（ｃ）は片側３点接着の場合を示している。
また、中央の破線は基準値であり、基準値を下回れば耐振動特性が良好であることを示している。

図１１に示すように、３種類の塗布パターンで作成した水晶デバイスの耐振動特性を比較すると、（ｃ）の片側３点接着の本水晶デバイスが、最も耐振動特性が良好であることがわかる。
これは、導電性接着剤３４′の材質が軟らかく、クッション性を備えた緩衝材として機能し、更に、図９でも示したように、３点接着した場合には、本台座１の接続部１４と基板の金属パターン３１との間に導電性接着剤３４′が十分な厚みで存在することになり、他の塗布パターンに比べて振動吸収特性が優れているためと考えられる。

これにより、本水晶デバイスは、台座による振動吸収効果だけでなく、一体化した導電性接着剤３４′によるダンパー効果により、一層振動を吸収しやすくして、耐振動特性が優れたものとなっている。

［導電性接着剤の塗布量］
更に、片側３点接着の場合の導電性接着剤の塗布量の評価を行った。
基板３に略半球状に塗布される導電性接着剤の寸法（直径、高さ）を変えて、本水晶デバイスの耐振動特性を比較した。
その結果、上述した寸法の本台座１を基板３に接合する場合には、半球状に塗布される導電性接着剤３４ａ，３４ｂ，３４ｃの直径が、０．１８mm、高さが２０μm、台座と接合後の導電性接着剤３４′の厚さが１０μm程度の場合に良好な耐振動特性が得られた。

導電性接着剤の塗布量が多すぎると、アウトガスによってエージング特性が劣化してしまう。
そのため、上述した寸法の導電性接着剤３４ａ，３４ｂ，３４ｃを金属パターン３１の上に塗布した場合に、３つの点が離れて配置され、本台座１との接合後には３つの点が連続して一体化し、且つ十分な厚みが得られるよう、本台座１の接続部１４の寸法を適切にすることも必要である。

また、ポリイミド系接着剤とシリコン系接着剤とを比較すると、シリコン系接着剤の方が耐振動特性は良好であり、シリコン系接着剤を用いるのが望ましい。これは、シリコン系接着剤の方が弾力性があるためと考えられる。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶デバイスによれば、振動を吸収しやすい構成の台座１に水晶片２が搭載され、台座１の長辺に沿って設けられた接続部１４の電極がセラミック等のパッケージの基板３に導電性接着剤によって接続されるものであって、導電性接着剤３４（３４ａ，３４ｂ，３４ｃ）が、基板の金属パターン上で複数個所に分散（分割）されて塗布された後、各部が連続して一体化した状態（導電性接着剤３４′）で、台座１の接続部１４の電極と基板３の電極とが接続されているものであり、台座１によって外部からの振動を吸収するのに加えて、軟らかい導電性接着剤３４の塗布量を増やすことで台座と基板との間の緩衝材として機能してダンパー効果が得られ、耐振動特性を一層向上させて、位相雑音特性を良好にすることができる効果がある。

また、本発明の実施の形態に係る水晶デバイスの製造方法によれば、振動を吸収しやすい構成の台座１に水晶片２を搭載して、セラミック等のパッケージの基板３に形成された金属パターン３１上に、導電性接着剤３４を複数個所に分割して塗布した後、台座１を金属パターン３１上に搭載して、分割している導電性接着剤３４を一体化させ、当該一体化した導電性接着剤３４′によって台座１の接続部１４と金属パターン３１とを接着する製造方法であり、台座１によって外部からの振動を吸収するのに加えて、軟らかい導電性接着剤の塗布量を増やすことでダンパー効果が得られ、耐振動特性を一層向上させて、位相雑音特性を良好にすることができる効果がある。

本発明は、外部からの振動の影響を抑えて耐振動特性を向上させ、位相雑音特性を良好にできる水晶デバイス及びその製造方法に適している。

１…台座、 ２…水晶片、 ３…基板、 １１…搭載部、 １２…延設部、 １３…アーム部、 １４…接続部、 １０ａ，１０ｂ…電極パターン、 １０ｃ，１０ｄ…隙間部、 ３１…金属パターン、 ３２，３３，３４…導電性接着剤

Claims (5)

1. 水晶片が搭載された台座が、パッケージの基板上に形成された金属パターンに導電性接着剤によって接着される水晶デバイスであって、
   前記台座が、本体の長辺に沿って形成され、前記基板と接触する２つの接続部と、前記接続部より前記本体の内側で前記長辺に沿って形成される２つの隙間部と、前記２つの隙間部で挟まれ、前記振動素子が搭載される搭載部と、前記本体の四隅に形成され、前記搭載部と前記接続部とを接続するアーム部とを有し、
   前記基板の金属パターン上に、導電性接着剤が複数個所に分割されて塗布された後、一体化した状態で、前記台座の接続部と前記金属パターンとが接着されていることを特徴とする水晶デバイス。
2. 複数個所に分割されて塗布される導電性接着剤の厚みが１０μm以上３０μm以下であることを特徴とする請求項１記載の水晶デバイス。
3. 複数個所に分割されて塗布される導電性接着剤の直径が０．１０mm以上０．２５mm以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶デバイス。
4. 導電性接着剤をシリコン系接着剤としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の水晶デバイス。
5. 水晶デバイスの製造方法であって、
   本体の長辺に沿って形成され、パッケージの基板と接触する２つの接続部と、前記接続部より前記本体の内側で前記長辺に沿って形成される２つの隙間部と、前記２つの隙間部で挟まれ、前記振動素子が搭載される搭載部と、前記本体の四隅に形成され、前記搭載部と前記接続部とを接続するアーム部とを有する台座に水晶片を搭載し、
   前記パッケージの金属パターン上に、導電性接着剤を複数個所に分割して塗布し、前記導電性接着剤の上に前記台座の前記接続部を搭載して、前記複数に分割されている導電性接着剤を一体化させ、前記台座の接続部と前記金属パターンとを接着することを特徴とする水晶デバイスの製造方法。