JP4599145B2

JP4599145B2 - 圧電振動板

Info

Publication number: JP4599145B2
Application number: JP2004346018A
Authority: JP
Inventors: 文生藤崎
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006157554A

Description

本発明は、電子素子のひとつである圧電振動板、及び容器体のキャビティ内に圧電振動板を収容した圧電デバイスに関し、特にオーバートーンを用いた高周波発振に適した圧電振動板及び圧電デバイスに関する。ここで、圧電振動板とは、水晶、圧電セラミック、単結晶圧電体等を加工製造して得られる電子素子である。

従来の圧電振動板及びそれを用いた圧電デバイスを、圧電材として水晶を用いた水晶振動板及びそれを用いた圧電デバイスの一つである水晶振動子を例示して説明する。かかる従来の水晶振動子としては、例えば図に示す如く、アルミナセラミックス等から成る容器体２１の上面に凹部２２を形成するとともに、該凹部２２の底面に、矩形平板状でありその表裏両主面上に励振用電極を形成した水晶振動板２３を搭載し、更に前記容器体２１上に、凹部２２の開口部を塞ぐようにして金属製の蓋体２４を取着・接合して、水晶振動板２３を凹部２２の内面と蓋体２４の下面とで囲まれた領域内に気密封止した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

尚、容器体２１は、アルミナ等のセラミック絶縁板を積層したものであり、内部に水晶振動板２３を収容するキャビティ２２が形成されている。このキャビティ２２の底面となる基板が、水晶振動板２３を実装する基板となる。この容器体２１の下面には、電極パッドと接続する外部端子電極が形成されている。

さらに、容器体２１のキャビティ２２の開口周囲には、蓋体２４をシーム溶接にて接続するためのシールリングが配設されている。そして、水晶振動板２３をキャビティ２２に収容配置した後、水晶振動板２３の発振周波数を測定しながら、Ａｕ又はＡｇによって形成された励振用電極にＡｕ又はＡｇなどを蒸着により付着させたり、イオンガンなどによりＡｒなどの不活性ガスを励振用電極に打ち付け励振用電極の表面の金属を削る手法を用い、励振用電極の質量の増減を行うことにより、発振周波数を合わせ込む工程を経た後、水晶振動板２３を気密的に封止すべく、容器体２１上に蓋体２４が被着されている。

より詳しくは、水晶振動板２３は、矩形平板状の水晶素板の両主面に励振用電極が被着されていると共に、水晶素板の一方の短辺近傍の両主面領域に、各励振用電極から延出してなる容器接続用電極が被着されている。また、水晶振動板２３の表裏の各電極が対称になるように形成されており、両主面間で対向するように形成した容器接続用電極同士は、水晶素板の一方の主面の励振用電極から延出してなる容器接続用電極が、水晶素板の長辺及び短辺の側面の一部に形成した接続電極を介して、他方の主面に形成した容器接続用電極に接続導通するように形成されている。尚、この水晶基板の一方の短辺側を固定端といい、他方の短辺側を自由端という。

このような圧電振動板及びそれを用いた圧電デバイスについては、以下のような先行技術文献が公知となっている。

特開２００１−２７４６４９号公報

尚、出願人は、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに到らなかった。

しかしながら、圧電デバイス及びそれに搭載する圧電振動板の小型化が進むにつれ、圧電振動板主面に形成した励振用電極と容器接続用電極との間の距離が短くなってしまうので、半田及び金錫等のろう材によって圧電振動板と容器間を接続する際に、励振用電極にまで、ろう材が付着してしまい、圧電振動板の発振を阻害したり、又は振動特性が不良となってしまうという欠点があった。

本発明は、こうした従来技術の欠点を解決するものであり、ろう材が励振電極に固着することを防ぐことができ、安定して良好な発振を行うことができる圧電振動板及びそれを用いた圧電デバイスを提供することを目的とする。

本発明は上記問題点を解決する手段としてなされたものであり、その要旨は、矩形平板状の圧電素板の両主面は励振用電極が形成されており、前記圧電素板が該両主面の外周縁とつながる側面を有し、該圧電素板の一方の短辺側の側面のみであって、２つの角部近傍に２つの容器接続用電極が形成され、該圧電素板の一方の長辺側の一方の側面と一方の主面とに引出電極が形成されつつ、該圧電素板の他方の長辺側の他方の側面と他方の主面とに他の引出電極が形成され、前記引出電極において、一方の端部が、該圧電素板の一方の長辺側の側面のみに設けられて前記一方の容器接続用電極と接続導通され、他方の端部が、前記圧電素板の主面を介して前記圧電素板の一方の主面に設けられた励振用電極と接続導通されており、前記他の引出電極において、一方の端部が、該圧電素板の他方の長辺側の側面のみに設けられて前記他方の容器接続用電極と接続導通され、他方の端部が、前記圧電素板の主面を介して前記圧電素板の他方の主面に設けられた励振用電極と接続導通されていることを特徴とする圧電振動板である。

本発明における圧電振動板によれば、圧電素板の表裏主面上の容器接続用電極が形成される領域の近傍に、各々の励振用電極から導出された引出電極及び容器接続用電極が形成されていないため、圧電デバイスを構成する容器体のキャビティ内に圧電振動板を搭載する工程において、容器体と圧電振動板とを固着導通するために塗布した硬化前の導電性接着剤が、仮に圧電素板の表面に付着しても、その低分子成分が圧電素板の電極が形成された側面を流れるだけで、圧電振動子の表面に形成された励振用電極近くに流出することがなくなる。

これにより、周波数調整工程において、励振用電極に導電性接着剤の低分子成分が付着することに起因して発生していた圧電振動板のＣＩ（クリスタルインピーダス）値などの特性が低下するのを防ぐことが可能となる。その結果、オーバートーン発振を用いた安定して良好な高周波発振を行うことが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至３は、本発明に係る圧電振動板を用いた圧電デバイスの構成例を示す。ここで、図１は本発明の圧電振動板の一形態を示した外観斜視図であり、（ａ）は上側主面側から示した外観斜視図、（ｂ）は下側主面側から示した外観斜視図である。図２は、図１記載の圧電振動板を搭載する圧電デバイス一つである圧電振動子の分解斜視図である。図３は図２記載の圧電振動子の断面図であり、圧電デバイスは、圧電振動板、容器体、蓋体によって構成されている。

この圧電振動子１２は、主に、基板を有する容器体１、圧電振動板２、導電性接着材３及び蓋体４とから構成されている。容器体１は、略矩形状の単板基板と、その表面に載置されたシールリングから構成されている。尚、このシールリングは、封止用導体膜を介してろう付け固定されている。そして、この容器体１は、上方が開口した略矩形状のキャビティ５が形成されていて、そこに圧電振動板３が収容されるようになっている。さらにキャビティ５の底面、即ち基板の上面における一方の短辺側には、略矩形状の一対の素子接続用電極パッド７が容器体１の短辺の幅方向に並ぶように夫々形成されている。

より詳しくは、シールリングは、Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの金属からなり、基板の周囲の表面に形成された封止用導体膜上にろう付けなどにより形成され、これにより、キャビティ５の厚さを規定している。

また、容器体１の底面には、素子接続用電極パッド７と電気的に接続し、外部のプリント配線基板（図示せず）等と接合するための外部接続用電極端子６が形成されている。この素子接続用電極パッド７と外部接続用電極端子６とは、容器体１の一部を貫くビアホール導体によって接続されている。尚、素子接続用電極パッド７と外部接続用電極端子６の形成位置とが対応しない場合には、キャビティ５の底面に所定形状の配線導体を形成すれば、ビアホール導体によって簡単に接続することができる。また、基板を例えば２層に積層して、その層間に内部配線を形成する構成としてもよく、この場合には、内部配線の一端がビアホール導体を介して素子接続用電極パッド７に接続され、内部配線の他端が外部接続用電極端子６に接続される。

素子接続用電極パッド７や封止用導体膜は、モリブデン、タングステンなどの金属から構成される。これらの導体は、基板の表面に導電性金属ペーストの焼き付けにより形成した後、その表面にＮｉ，Ａｕメッキ処理を施して形成される。例えば、導電性金属ペーストの焼き付けによりバンプを形成する場合、素子接続用電極パッド７下地導体となる導体を導電性金属ペーストにより印刷形成し、乾燥後に、その表面に導電性金属のペーストを用いてバンプの形状に応じて印刷形成し、その後、両者を焼成処理することにより形成される。

前記圧電振動板２は、圧電素板を例えば圧電材として水晶を使用した場合では、所定結晶方位角に従ってカット（代表的な切断方位としてはＡＴカットがある）された略矩形状の水晶素板の両主面に励振用電極８が形成され、該圧電素板の一方の短辺側の側面のみであって２つの角部近傍に２つの容器接続用電極９が形成され、一方の励振用電極と一方の接続用電極９とを導通接続する引出電極と、他方の励振用電極８と他方の容器接続用電極９とを接続導通する他の引出電極とを備えている。
圧電素板は、両主面と該両主面の外周縁とつながる側面を有している。

この圧電振動板２の一方の主面に設けられている励振用電極８と一方の容器接続用電極９とを接続する引出電極１０は、一方の端部が、該圧電素板の一方の長辺側の側面のみに設けられて、他方の端部が前記圧電素板の主面を介して前記圧電素板の一方の主面に設けられた容器接続用電極と接続導通されている。つまり、引出電極１０は、水晶素板の一方の主面に形成した励振用電極８から圧電素板の長辺側の側面まで延出し、そこから一方の容器接続用電極９が設けられた圧電素板の短辺側の側面まで、圧電素板の長辺側の側面のみを伝って設けられ、一方の容器接続用電極９とそれぞれ導通接続するように形成されている。
また、この圧電振動板２の他方の主面に設けられている励振用電極８と他方の容器接続用電極９とを接続する他の引出電極１０は、一方の端部が、該圧電素板の他方の長辺側の側面のみに設けられて前記他方の容器接続用電極と接続導通されている。つまり、他の引出電極１０は、水晶素板の他方の主面に形成した励振用電極８から圧電素板の長辺側の側面まで延出し、そこから他方の容器接続用電極９が設けられた圧電素板の短辺側の側面まで、圧電素板の長辺側の側面のみを伝って設けられ、他方の容器接続用電極９とそれぞれ導通接続するように形成されている。

これら容器接続用電極９の電極の形成位置は、圧電振動板２が所定位置に配置された時、素子接続用電極パッド７に対応する位置となっている。このような励振用電極８、更に容器接続用電極９は、水晶基板の上側主面、側面及び下側主面に、所定形状のマスクを配置して、蒸着やスパッタ等の手段を用いてＡｕ，Ａｇ，Ｃｒなど金属又はこれらを主原料とする合金を単層又は積層構造に蒸着などを用いて形成されている。容器体１と圧電振動板２との電気的な接続及び機械的な接合は、半田及び導電性接着材を使用する。尚、前述では圧電振動板２を構成する素板材料として水晶を使用した場合を記述したが、水晶のほかに、圧電セラミックスや、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の単結晶圧電材を加工形成して得た素板（圧電素板）を使用しても良い。

キャビティ５内に露出している基板表面に形成された素子接続用電極パッド７上には、導電性接着剤３が塗布されており、圧電振動板２の一方短辺側の側面に形成された容器接続用電極９が導電性接着剤３に当接するように圧電振動板２を載置し、導電性接着材３を付着させる。これにより、圧電振動板２の各々の励振用電極８は、素子接続用電極パッド７を介して容器体１の外面に形成した外部接続用電極端子６にそれぞれ導通することになる。

蓋体４は、平板状の金属、例えばＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなり、圧電振動板２を収容するキャビティ５内を窒素ガスや真空状態で気密封止できるよう、キャビティ５の開口部を覆うような外形形状をしている。具体的には、所定雰囲気中又は真空中で、蓋体４を容器体１のシールリング上に載置して、シールリングの表面の金属と蓋体４の金属の一部とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接をおこない気密封止を成す。

尚、このシーム溶接により気密封止を確実に行うために、蓋体４の接合面側に、Ａｇろう層などを予め形成しておくとよい。また、シーム溶接によって溶融したろう材が、蓋体４の表面側に回り込み、接合に寄与するろう材が減少しないように、蓋体４の表面側に、Ｎｉメッキ層を形成しておいてもよい。

上述した圧電振動子は、以下に示す製造工程を経て作製される。
まず、略矩形平板状の圧電素板を準備する。次に、圧電素板の両主面に励振用電極８、圧電素板の一方の短辺の側面上の所望の位置に一対の容器接続用電極９及びそれらを各々導通接続するための引出電極１０をそれぞれ圧電素板に形成し圧電振動板２とする。また、容器体１のキャビティ５底面となる基板の表面に一対の素子接続用電極パッド７が形成されると共に、キャビティ５の開口周囲の表面に封止用導体膜及びシールリングが形成された容器体１、更に蓋体４を用意する。

次に、素子接続用電極パッド７に導電性接着剤３を塗布し、圧電振動板２を素子接続用電極パッド７上の導電性接着剤３に載置する。具体的には、導電性接着剤３を供給した部分に、一対の容器接続用電極９が当接するように圧電振動板２を載置する。この際に、容器体１と圧電振動板２とを固着導通するために塗布した硬化前の導電性接着剤３が、圧電素板の表面にも付着するが、その圧電素板表面の形質と容器接続用電極９表面の形質との違いにより、導電性接着剤３の低分子成分が圧電素板の容器接続用電極が形成された側面を移動だけで、圧電素板の表面を流れて励振用電極８に移動接触することがない。この後、導電性接着剤３を加熱し容器体１と圧電振動板２とを接合固定する。

次に、外部接続用電極端子６などを用いて、搭載した圧電振動板２の発振周波数を測定し、必要に応じて、圧電振動板２の上側主面（キャビティ５の開口部側の面）の励振用電極の表面に、イオンガンなどを用いＡｒなどの不活性ガスを打ち付けて、この励振用電極を削り、励振用電極の質量を減らすことによって、周波数を調整する。

その後、所定雰囲気中又は真空中で、圧電振動板２が接合固定された容器体１のキャビティ５を形成するシールリングに蓋体４を載置し、両者をシーム溶接にて封止する。これによって、圧電振動子が完成する。尚、上記実施例では本発明における圧電振動板をもちいた圧電デバイスの例として圧電振動子を例示したが、他に圧電振動板と発振回路を形成する電子素子類を同一のパッケージ内にパッケージングした圧電発振器においても本発明の実施は可能である。

本発明は上述の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。例えば、上述した実施形態においては、容器体１に蓋体４をシールリングを介して接合させるようにしたが、これに代えて、基板の上面に接合用のメタライズパターンを形成しておき、このメタライズパターンに対して蓋体４をダイレクトに溶接するようにしても構わない。

また上述した実施形態においては、容器体１の基板上面に直接シールリングを取着させるようにしたが、これに代えて、基板の上面に基板と同材質のセラミック材料等から成る枠体を一体的に取着させた上、該枠体の上面にシールリングを取着させるようにしても構わない。

更に上述した実施形態においては、例えば、シールリングを用いて蓋体４を容器体１上に取り付けるようにしているが、これに代えて容器体上面のＡｕ−Ｓｎ等の接合用導体に対して蓋体４を直接、接合することにより蓋体６を容器体２上に取り付けるようにしても構わず、この場合も本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでも無い。

図１は、本発明に係る圧電振動板の一実施形態を、（ａ）は圧電振動板の一方の主面側より図示し、（ｂ）は圧電振動板の他方の主面側より図示した外観斜視図である。図２は、図１記載の圧電振動板を用いた圧電振動子の分解斜視図である。図３は、図２記載の圧電振動子を組み立てた場合の断面図である。従来の水晶振動子の断面図である。

符号の説明

１・・・容器体
２・・・圧電振動板
３・・・導電性接着剤
４・・・蓋体
５・・・キャビティ
６・・・外部接続用電極端子
７・・・素子接続用電極パッド
８・・・励振用電極
９・・・容器接続用電極
１０・・・引出電極
１１・・・凹部

Claims

矩形平板状の圧電素板の両主面は励振用電極が形成されており、
前記圧電素板が該両主面の外周縁とつながる側面を有し、
該圧電素板の一方の短辺側の側面のみであって、２つの角部近傍に２つの容器接続用電極が形成され、
該圧電素板の一方の長辺側の一方の側面と一方の主面とに引出電極が形成されつつ、
該圧電素板の他方の長辺側の他方の側面と他方の主面とに他の引出電極が形成され、
前記引出電極において、
一方の端部が、該圧電素板の一方の長辺側の側面のみに設けられて前記一方の容器接続用電極と接続導通され、
他方の端部が、前記圧電素板の主面を介して前記圧電素板の一方の主面に設けられた励振用電極と接続導通されており、
前記他の引出電極において、
一方の端部が、該圧電素板の他方の長辺側の側面のみに設けられて前記他方の容器接続用電極と接続導通され、
他方の端部が、前記圧電素板の主面を介して前記圧電素板の他方の主面に設けられた励振用電極と接続導通されていることを特徴とする圧電振動板。