JP5216210B2 - 水晶振動片および水晶振動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、実装時などの熱処理における温度変化に対して周波数変動の少ない水晶振動片および水晶振動デバイスに関するものである。

近年、各種通信機器の小型化または電子機器の小型化にともなって、圧電振動デバイス、たとえば水晶振動子または水晶発振器も小型化への対応が求められている。これら圧電振動デバイスに用いられる水晶振動片は、セラミック製のパッケージなどに熱硬化性樹脂で取り付けられる。この際に、熱硬化性樹脂は１５０度Ｃないし２５０度Ｃに熱処理されて水晶振動片が固定される。このため、水晶振動片も加熱の際に１５０度Ｃないし２５０度Ｃに熱せられている。また、パッケージ化された圧電振動デバイスがエポキシ基板などに実装される際には、ハンダリフロー炉などで圧電振動デバイスが熱処理されるため、パッケージ内の水晶振動片も２００度Ｃ前後に熱処理される。

このような熱処理を経て圧電振動デバイスが２００度Ｃ前後になった後、圧電振動デバイスが常温に戻る。しかし、圧電振動デバイスが本来あるべき所定周波数から変動した周波数のまま、しばらく元に戻らないことがある。このような製品は工場出荷時などには不良品となる。仮に、このような不良品の圧電振動デバイスがエポキシ基板などに実装される際、ハンダリフロー炉などで熱処理を経由する。ハンダリフロー炉内は１８０度Ｃないし２５０度になっており十秒前後、圧電振動デバイスが熱処理される。このように圧電振動デバイスが熱処理されると常温に戻った際も周波数が変動した状態であるので、エポキシ基板全体が不良品として処理されてしまう。なお、このような不良品となった圧電振動デバイスであっても、数ヵ月後には水晶振動片の残留応力等が解放されて、本来あるべき所定周波数で振動する現象を確認している。
特開２００３−１７９７７号公報

しかし、数ヶ月も本来あるべき所定周波数で振動しないのでは、不良品として出荷できない。特に１００ＭＨｚ以上の高周波になればなるほど、熱処理後に周波数の変動が大きくの傾向がある。
そこで、本発明の目的は、熱処理における温度変化に対して周波数変動の少ない圧電振動片および圧電デバイスを提供することである。

第１の観点の圧電振動片は、第１面と、その第１面の反対面の第２面とを有し所定の熱膨張係数を有する圧電片と、所定の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有し第１面に形成される第１電極膜と、所定の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有し第２面に形成される第２電極膜と、を有する。ここで圧電片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
上記構成によれば、第一面に圧電片の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有する第１電極膜と、第二面に圧電片の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有する第２電極膜とを有している。これらの第１電極膜および第２電極膜により圧電片は励振する。第１電極膜は熱処理した状態では、第１電極膜は、圧電片より熱膨張係数が大きいため発振周波数を低い方向に変動させる要因を有する。一方、第２電極膜は、圧電片より熱膨張係数が小さいため発振周波数を高い方向に変動させる要因を有する。このため、熱処理後の圧電振動片であっても、第１電極膜および第２電極膜が互いに周波数変動を打ち消し合う方向に働く。したがって、熱処理前後の周波数変動が極めて小さくなる。

第２の観点の圧電振動片は、第１電極膜は第１厚みで形成され、第２電極膜は第１厚みと所定の比率になる第２厚みで形成される。
水晶の熱膨張係数に対して、第１電極膜の熱膨張係数と第２電極膜の熱膨張係数とは完全に対称になっているのではない。このため、第１電極膜の影響と第２電極膜の影響とがちょうど周波数変動を打ち消し合うように電極膜の厚みを調整する。電極膜の厚みは、スパッタリングまたはＣＶＤなどで薄膜を作る工程で、電源出力を変えたり成膜時間を調整したりして適切に変えることができる。

第３の観点の圧電振動片は、第１電極膜と第２電極膜とは、圧電片を挟んで対称形状で且つ同一面積である。
上記構成によれば、第１電極膜と第２電極膜により圧電片が励振する。そして圧電片を挟んで対称形状で且つ同一面積であるため、周波数変動の影響を互いに打ち消すことができる。

第４の観点の圧電振動片は、第１電極膜は、圧電片との間に第３電極膜を介して形成されている。
上記構成によれば、第1電極膜が直接蒸着できない場合などに、二層構造にして下地に第３電極膜を形成しその上に第１電極膜を形成することができる。

第５の観点の圧電振動片は、第１電極膜は金膜であり、第２電極膜はアルミニウム膜である。
上記構成によれば、導電性の高い金属膜を使用することでＣＩ値が小さく、電気的特性の優れた圧電振動片を得ることができる。

他の観点の圧電デバイスは、第１の観点ないし第５の観点の圧電振動片の圧電振動片を配置するパッケージと、パッケージ内を真空状態にして封止する蓋部とを有する。
上記構成によれば、生産性が高く品質のよい圧電振動片を使い、圧電デバイスを製造することができる。

本発明によれば、熱処理における温度変化に対して周波数変動の少ない圧電振動片および圧電デバイスを提供することができる。振動に必要な励振電極として第１電極膜および第２電極膜は必須であり、その電極膜自体が熱処理による周波数変動を抑える。このため、部品点数も増やすことなく、熱処理による温度上昇があっても周波数変動を規定値以内に抑えることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

＜圧電振動デバイスの構成＞
図１は、本発明の圧電振動デバイス５０の実施形態を示している。図１（ａ）は圧電振動デバイス５０の透視した概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。図１において、圧電振動デバイス５０は、矩形形状の圧電振動片２０を構成した例を示しており、圧電振動デバイス５０は、パッケージ５１内に圧電振動片２０を収容している。パッケージ５１は、たとえば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質の混練物からなるセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層し、焼結して形成されている。

この実施形態では、パッケージ５１は、図１（ｂ）に示すように、ベース基板５１ａ、壁基板５１ｂおよび床基板５１ｃで構成されている。パッケージ５１は、壁基板５１ｂで覆うことで内部空間を形成し、この内部空間に圧電振動片２０を収容している。そして、圧電振動片２０を所定の高さで支えるように、床基板５１ｃがベース基板５１ａ上に配置されている。床基板５１ｃには、たとえば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部５２が設けられている。

この電極部５２は、ベース基板５１ａ下に形成された実装端子５５と接続されている。これにより、外部から印加される駆動電圧を、実装端子５５を介して電極部５２に伝え、最終的に圧電振動片２０に供給する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、この実装端子５５と電極部５２は、パッケージ５１外部をメタライズにより引き回したり、もしくは、ベース基板５１ａの焼成前にタングステンメタライズ等を利用して形成した導電スルーホール（不図示）で接続したりすることで形成できる。

電極部５２の上には、導電性接着剤５７が塗布されて、圧電振動片２０の基部２９が接合されている。この導電性接着剤５７としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、導電性のフィラー（銀製の細粒等の導電粒子を含む）および、所定の溶剤を含有させたものが使用できる。導電接着剤５７を固化するために、パッケージ５１全体を１５０〜２５０度Ｃ程度の炉内に入れて導電接着剤を加熱する。

壁基板５１ｂの開放された上端には、蓋体５９が封止材５８で接合されることにより、封止されている。蓋体５９は、好ましくは、酸化アルミニウム質の混練物からなるセラミックで形成されている。コバール等の金属材料で形成される場合には、蓋体５９はシーム溶接等の手法により、壁基板５１ｂに対して固定される。

圧電振動片２０は、たとえば材料は水晶で形成されており、矩形または円形の形状になっている。図１に示す矩形の圧電振動片２０は、表面である第一面に第一電極２３が矩形の形状に形成されており、また、裏面である第二面に第二電極２５が矩形の形状に形成されている。

＜圧電振動片２０の構成＞
図２（ａ）は、矩形形状の圧電振動片２０の全体構成を示した斜視図であり、(ｂ)は、矩形形状の圧電振動片２０のＢ−Ｂ断面図である。矩形形状の圧電振動片２０の母材は、ほぼ正方形でＡＴカットに加工された水晶単結晶ウエハ１０で形成されている。また正方形の圧電振動片２０は、たとえば１００ＭＨｚで発振する振動片で、極めて小型の振動片となっており、全体の長さが２．０ｍｍ程度、幅２．０ｍｍ程度である。矩形形状の圧電振動片２０の表面には、第１電極パターン２３が下地の第３電極パターン２７の上に形成されている。圧電振動片２０の裏面には第２電極パターン２５が形成されている。第１電極パターン２３および第２電極パターン２５はともに、圧電振動片２０の中央領域に形成され、中央領域から端部へ延びる第１引き出し電極２３−ａおよび第２引き出し電極２５−ａを有している。

第３電極パターン２７は、５０オングストローム〜３００オングストロームのクロム（Ｃｒ）層である。第３電極パターン２７は、できるだけ金（Ａｕ）層の熱膨張に影響を与えないように、金層の厚さに比べて薄い方が好ましい。第１電極パターン２３は、１００オングストローム〜３０００オングストロームの金層で形成されている。金層は直接水晶などの圧電材料に蒸着させることができないからクロム層の下地が形成されている。第１電極パターン２３と第３電極パターン２７とを合わせると、１５０オングストローム〜３３００オングストロームの電極パターンの厚さになる。

一方、第２電極パターン２５は、７００オングストローム〜２１０００オングストロームのアルミニウム(Ａｌ)層で形成されている。すなわち、第１電極パターン２３の金層と第２電極パターン２５のアルミニウム層とは、約１：７の厚みの比率になっている。また、第１電極パターン２３と第２電極パターン２５とは、ほぼ同じ電極パターンの形状で且つ同じ面積となっている。電極膜の厚みは、スパッタリングまたはＣＶＤなどで薄膜を作る工程で、電源出力を変えたり成膜時間を調整したりして適切に変えることができる。スパッタリングまたはＣＶＤの中には、一度に圧電片の両面に同じ金属薄膜を形成する装置がある。このような装置であれば、片方の面を交互にカバーなどで防護する。圧電片の片面ずつ金属薄膜を形成する装置であれば、一つの成膜装置でアルミニウム層を形成し、別の装置で金層を形成する。このように構成することで、第１電極パターン２３と第２電極パターン２５とが互いに周波数変動を打ち消し合う方向に働く。

圧電振動片２０が受ける熱処理は、圧電振動片２０が導電性接着剤５７によりパッケージ５１に実装される際に受ける熱処理、または圧電振動デバイス５０が実装される際もしくはリフロー時に受ける熱処理である。このような熱処理の温度において、金は、水晶単結晶よりも熱膨張係数が小さく、アルミニウムは水晶単結晶よりも熱膨張係数が大きい。ちなみに、２２７度Ｃ（５００度Ｋ）における水晶の熱膨張係数は結晶方向に垂直方向が１１．４＊１０^−６、平行方向が１９．５＊１０^−６である。また、２２７度Ｃ（５００度Ｋ）における金の熱膨張係数は１５．４＊１０^−６であり、また、アルミニウムの熱膨張係数は２６．４＊１０^−６である。

第１電極パターン２３の金層の代わりに、銀（Ａｇ）層を使用してもよい。また、銀の熱膨張係数は１９．０＊１０^−６であり、銀層の場合には５００オングストローム〜１５０００オングストロームの金層で形成される。銀層とアルミニウム層とは、約５：７の厚みの比率にすると、周波数変動を打ち消し合う。
第１電極パターン２３の金層の代わりに、銅（Ｃｕ）層を設けることも可能である。銅の熱膨張係数は１６．７＊１０^−６である。銅層は、直接水晶などの圧電材料に蒸着させることができるため、下地としての第３電極パターン２７が不要となる。銅層とアルミニウム層とは、約７：１０の厚みの比率にすると、周波数変動を打ち消し合う。
なお、金層または銀層の下地としての第３電極パターン２７のクロム層の代わりに、タングステン（Ｗ）層、ニッケル（Ｎｉ）層、ニッケルタングステン層またはチタン（Ｔｉ）層を使用してもよい。

水晶単結晶ウエハ１０がＡＴカットの場合、振動片の基本振動周波数は、１６７０／ｆ（ＭＨｚ）＝ｔ（μｍ）で表すことができる。このため、上記第１電極パターン２３と第２電極パターン２５との比率と、設定したい基本周波数に対して、第１電極パターン２３および第２電極パターン２５の比重も考慮して適宜変更できる。

＜他の圧電振動片の形状＞
図３は、他の圧電振動片の形状を示した平面図であり、（ａ）は円板形状の圧電振動片３１であり、（ｂ）は、六角形の圧電振動片３５である。ともに、第１電極パターン２３と第２電極パターン２５とは、ほぼ同じ電極パターンの形状で且つ同じ面積となっている。電極パターンの形状は必ずしも圧電振動片の形状と同じでなくて良い。上述した条件を組み合わせて、第１電極パターン２３と第２電極パターン２５とを形成すれば、熱処理における温度変化に対して周波数変動の少ない円板形状の圧電振動片３１または六角形の圧電振動片３５を製造することが可能となる。このように、圧電振動片の形状は、矩形、円形または多角形でもいずれも良い。

＜熱処理による周波数振動＞
図４は、縦軸に周波数変動をとり横軸に時間をとり、圧電振動片の熱処理による周波数変動の経時変化を示したグラフである。
圧電振動片２０、３１、３５は、セラミックなどのパッケージングの際に熱硬化の導電性接着剤５７で接着される際に、２５０度Ｃ前後に加熱される。また、圧電振動デバイス子５０として、リフロー炉などに入る際にも２５０度Ｃ前後に熱処理される。このような場合でも、圧電振動デバイス５０の周波数変動の規格値（周波数安定度）８１内、たとえば周波数＊１０^−４に入ることが求められている。

熱処理されていない状態から、矢印の範囲内で圧電振動デバイスが２５０度Ｃのリフロー炉に入る熱処理８３が行われると、圧電振動デバイスの周波数変動は大きくなる。従来品の圧電振動デバイスの周波数変動８９は、周波数変動の規格値８１を越え、熱処理８３が終了した後でもしばらくの間は周波数変動の規格値８１を越えている。一方、本実施形態の圧電振動デバイス５０の周波数変動８７は、そもそも周波数変動規格値８１を越えることがない。

水晶より大きな熱膨張係数を有する金属膜は発振周波数を低い方向に変動させる要因を有している。水晶よりも小さな熱膨張係数を有する金属膜では発振周波数を高い方向に変動させる要因を有している。このため、熱処理８３を行っても、片面に発振周波数を低い方向に変動させる金属膜とその反対面に発振周波数を高い方向に変動させる金属膜とを形成してあるので、圧電振動デバイス５０の周波数変動は、周波数変動の規格値８１を越えないと考えられる。また、圧電振動デバイス５０が常温に戻ればすぐに基本共振周波数に戻ると考えられる。

＜水晶発振器の構成＞
図５（ａ）は、水晶発振器４０ａを示す図である。この水晶発振器４０ａは、図１で説明した圧電振動デバイス５０と多くの部分で構成が共通している。したがって、圧電振動デバイス５０と圧電振動片２０の構成、作用等については、同一符号を付する等して、その説明を省略する。

図５（ａ）に示す水晶発振器４０ａは、図１で説明した圧電振動デバイス５０の圧電振動片２０の下方で、ベース基板５１ａの上に集積回路４５を配置したものである。すなわち、水晶発振器４０ａでは、その内部に配置された、圧電振動片２０が振動すると、その振動は、集積回路４５に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。

＜シリンダータイプ水晶発振器の構成＞
図５（ｂ）は、シリンダータイプ振動子４０ｂを示す概略図である。このシリンダータイプ振動子４０ｂは、上述の圧電振動片２０を使用している。
図５（ｂ）に示すようにシリンダータイプ振動子４０ｂは、その内部に圧電振動片２０を収容するための金属製のキャップ４６を有している。このキャップ４６は、ステム４７に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。また、キャップ７５に収容された圧電振動片２０を保持するためのリード４８が２本配置されている。圧電振動片２０はリード４８に導電性接着剤５７で接着される。この圧電振動片２０は、電極部から一定の電流が与えられると振動するようになっている。

上記説明では、圧電振動片の一例として水晶振動片で説明してきたが、圧電振動片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。

本発明の圧電振動デバイス５０の実施形態を示している。 （ａ）は矩形形状の圧電振動片２０の全体構成を示した斜視図であり、（ｂ）は矩形形状の圧電振動片２０のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は円板形状の圧電振動片３１であり、（ｂ）は、六角形の圧電振動片３５である。 縦軸に周波数変動をとり横軸に時間をとり、圧電振動片の熱処理による周波数変動の経時変化を示したグラフである。 （ａ）は水晶発振器４０ａを示す図である。（ｂ）はシリンダータイプ振動子４０ｂを示す概略図である。

符号の説明

２０ … 圧電振動片
２３ … 第１電極パターン
２３−ａ … 第１引き出し電極
２５ … 第２電極パターン
２５−ａ … 第２引き出し電極
２７ … 第３電極パターン
４０ａ … 水晶発振器
４０ｂ … シリンダータイプ振動子
５０ … 圧電振動デバイス
５１ … パッケージ
５２ … 電極部
５５ … 実装端子

Claims (6)

1. 第１面と、その第１面の反対面の第２面とを有し、結晶方向に平行な方向に所定の熱膨張係数を有する水晶片と、
   前記所定の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数を有し、前記第１面に形成される第１電極膜と、
   前記所定の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を有し、前記第２面に形成される第２電極膜と、を有し、
   前記第１電極膜と前記第２電極膜とは、前記水晶片を挟んで対称形状で且つ同一面積であり、
   前記第１電極膜が第１厚みで形成され、前記第２電極膜が前記第１厚みに対して熱処理された場合に周波数変動を抑える比率になる第２厚みで形成され、
   前記熱処理された場合に前記第１電極膜と前記第２電極膜とが互いに前記周波数変動を打ち消し合う方向に動くことを特徴とする、熱処理における温度変化に対して周波数変動の少ない水晶振動片。
2. 前記周波数変動が所定の規格値内になり、
   前記所定の規格値が、振動周波数×１０ ^−４ である請求項１に記載の水晶振動片。
3. 前記水晶片はＡＴカットの水晶片であり、
   前記第１電極膜は、前記ＡＴカットの水晶片との間に第３電極膜を介して形成され
   前記第１電極膜は金膜、前記第２電極膜はアルミニウム膜、前記第３電極膜はクロム膜であり、
   前記第１厚みと前記第２厚みとが、１：７の比率に形成されている請求項１又は請求項２に記載の水晶振動片。
4. 前記水晶片はＡＴカットの水晶片であり、
   前記第１電極膜は、前記ＡＴカットの水晶片との間に第３電極膜を介して形成され
   前記第１電極膜は銀膜、前記第２電極膜はアルミニウム膜、前記第３電極膜はクロム膜であり、
   前記第１厚みと前記第２厚みとが、５：７の比率に形成されている請求項１又は請求項２に記載の水晶振動片。
5. 前記水晶片はＡＴカットの水晶片であり、
   前記第１電極膜は銅膜、前記第２電極膜はアルミニウム膜であり、
   前記第１厚みと前記第２厚みとが、７：１０の比率に形成されている請求項１又は請求項２に記載の水晶振動片。
6. 請求項１ないし請求項５に記載の水晶振動片を配置するパッケージと、
   前記パッケージ内を真空状態にして封止する蓋部と
   を有することを特徴とする水晶振動デバイス。