JP5911349B2

JP5911349B2 - 水晶デバイス

Info

Publication number: JP5911349B2
Application number: JP2012074427A
Authority: JP
Inventors: 篤村岡
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013207550A

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。

従来の水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。現在では、基板上に設けられた電極パッドに実装された水晶素子を備えた水晶デバイスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。水晶素子は、長方形状をなす水晶素板の両主面に励振用電極を有しており、水晶素子の長辺方向の一端を固定端とし、他端を自由端とした片保持構造となる。

特開２００２−１１１４３５号公報

上述した水晶デバイスは、水晶素子を電極パッドに実装する際に、水晶素子が傾くことによって、水晶素子の自由端又は励振用電極が基板に接触してしまうといった虞があった。そして、水晶素子の自由端又は励振用電極が基板に接触することで、厚みすべり振動が阻害されて、水晶素子の発振周波数が変動し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、水晶素子の振動を阻害せずに、水晶素子の発振周波数を安定して出力することが可能な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、基板と、基板上に基板の外周に沿って設けられた枠体と、基板上の枠体で囲まれる領域に設けられた、矩形状の水晶振動部と、水晶振動部の一辺と接続され且つ水晶振動部の三辺と間を空けて水晶振動部を取り囲む水晶枠部と、を有する水晶素子と、基板上の枠体で囲まれる領域であって基板と水晶素子との間で、枠体の内側の一部と一体になるように枠状に設けられ、水晶枠部と重なる位置に水晶枠部と当接して配置された枕部と、を備え、水晶素子のすべての水晶枠部と枕部が当接している。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、水晶枠部が枕部により支持されることになるので、水晶振動部が基板に接触することを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子の発振周波数を安定して出力することができる。

第一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。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る。第一実施形態の変形例における水晶デバイスを示す分解斜視図である。第二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。図４に示された水晶デバイスのＢ−Ｂにおける断面図である。

（第一の実施形態）
第一の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に接合された水晶素子１２０とを含んでいる。

パッケージ１１０は、図１及び図２に示されているように、基板１１０ａと、基板１１０ａ上に設けられた枠体１１０ｂとを含んでいる。パッケージ１１０は、基板１１０ａの上面と枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた凹部Ｋ１が形成されている。

基板１１０ａは、長方形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を支持するための支持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と水晶素子１２０の水晶枠部１２６と当接するための枕部１１３が設けられている。また、基板１１０ａの下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇ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１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、基板１１０ａの上面の一対の電極パッド１１１と下面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

枠体１１０ｂは、基板１１０ａ上に凹部Ｋを形成するためのものである。枠体１１０ｂ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。枠体１１０ｂの上面には、封止用導体パターン１１２が設けられている。

封止用導体パターン１１２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。また、封止用導体パターン１１２は、基板１１０ａの内部に形成されたビア導体（図示せず）及び配線パターン（図示せず）により少なくとも１つの外部接続用電極端子Ｇに接続されている。少なくとも１つの外部接続用電極端子Ｇは、実装基板上の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。そのため、封止用導体パターン１１２に接合される蓋体１３０がグランドに接続されることとなり、蓋体１３０による凹部Ｋ１内のシールド性が向上する。封止用導体パターン１１２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、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１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されている。

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と枠体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。次に、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、封止用導体パターン１１２又は外部接続用電極端子Ｇ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製作される。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ＤＳを介して基板１１０ａ上の電極パッド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、基板１１０ａ上の枠体１１０ｂで囲まれる領域に設けられた、矩形状の水晶振動部１２５と、水晶振動部１２５の一辺と接続され且つ水晶振動部１２５の三辺と間を空けて水晶振動部１２５を取り囲む水晶枠部１２６と、を有している。本実施形態においては、水晶枠部１２６と接続されている水晶振動部１２５の一端を固定端とし、他端を自由端とした片保持構造にて水晶素子１２０が基板１１０ａ上に固定されている。

水晶振動部１２５は、長方形状をなす水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２、接続電極１２３及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。

水晶枠部１２６は、水晶振動部１２５の一辺と接続され且つ水晶振動部１２５の三辺と間を空けて水晶振動部１２５を取り囲むようにして設けられている。尚、平面視して、水晶枠部１２６と水晶振動部１２５との間隔は、約２５〜１００μｍである。

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接続用電極１２３から引き出し電極１２４及び励振用電極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、水晶振動部１２５と水晶枠部１２６とが一体となるように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術により形成されている。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、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を形成することにより製作される。

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ＤＳは、例えばディスペンサによって、一対の電極パッド１１１に塗布される。そして、水晶素子１２０が、基板１１０ａ上の一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤ＤＳ上に搬送される。さらに、水晶素子１２０は、水晶素子１２０の水晶枠部１２６が基板１１０ａ上の枕部１１３に当接するようにして、導電性接着剤ＤＳ上に載置される。そして水晶素子１２０は、導電性接着剤ＤＳを加熱硬化させることによって一対の電極パッド１１１に接合される。

枕部１１３は、水晶素子１２０の水晶枠部１２６と当接することで、水晶素子１２０を基板１１０ａ上面と略平行になるように支持する役割を果たしている。枕部１１３は、基板１１０ａ上の枠体１１０ｂで囲まれる領域であって基板１１０ａと水晶素子１２０との間に設けられている。尚、ここで略平行とは、多少のずれを含みつつ、平行な場合を指すものとする。つまり、略平行とは、真に平行な状態からプラスマイナス５度以内の範囲とする。

枕部１１３は、図１及び図２に示されているように、長方形状であって、水晶振動部１２５と水晶枠部１２６とが接続された辺の対辺にある水晶枠部１２６の対向する位置に設けられており、水晶素子１２０の自由端の水晶枠部１２６と当接されるようにして設けられている。また、枕部１１３は、枕部１１３の長辺と基板１１０ａの短辺とが平行になるように設けられており、平面視して水晶枠部１２６と重なる位置に水晶枠部１２６と当接して配置されている。仮に、枕部１１３と水晶枠部１２６が当接していないとすると、水晶素子１２０の水晶振動部１２５が基板１１０ａ上面と接触し、水晶素子１２０の発振周波数が変動してしまう可能性がある。このようにすることで、水晶枠部１２６が枕部１１３で支持されることになり、水晶素子１２０の水晶振動部１２５が基板１１０ａに接触することを低減することができる。

ここでパッケージ１１０の基板１１０ａの平面視したときの縦寸法が、２．５ｍｍであり、平面視したときの横寸法が２．０ｍｍである場合を例にして、枕部１１３の大きさを説明する。図１及び図２に示した、基板１１０ａの長辺方向と平行となる枕部１１３の長さは、約１５０〜３００μｍであり、基板１１０ａの短辺方向と平行となる枕部１１３の長さは、約５００〜８００μｍである。また、枕部１１３の上下方向の長さは、約３０〜１００μｍである。

枕部１１３と水晶枠部１２６とを当接させている状態では、基板１１０ａの上面と水晶振動部１２５の下面との間の距離は、約３０〜１００μｍである。水晶素子１２０を電極パッド１１１に接合する際に、仮に水晶素子１２０が傾いたとしても、水晶枠部１２６と枕部１１３が当接していることによって、水晶振動部１２５は、基板１１０ａの上面と接触しない。

枕部１１３は、図３に示されているように、長方形状であり、水晶振動部１２５と水晶枠部１２６とが接続された辺に対して隣接する両辺にある水晶枠部１２６の対向する位置に設けられており、水晶素子１２０の長辺側の水晶枠部１２６と当接されるようにして設けられていても構わない。一対の枕部１１３は、凹部Ｋ１内の基板１１０ａ上で、枕部１１３の長辺と基板１１０ａの長辺が平行になるように１つずつ設けられている。また、一対の枕部１１３は、平面視して長辺側の水晶枠部１２６と重なる位置に水晶枠部１２６と当接して配置されている。水晶素子１２０の水晶枠部の１２６の両端は、一対の枕部１１３で支持されているため、水晶振動部１２５が基板１１０ａに接触することなく、水晶素子１２０を基板１１０ａの上面と略平行になるように支持することができる。また、一対の枕部１１３は、両端の水晶枠部１２６と当接しているため、枕部１１３と水晶枠部１２６との当接面積が増えることになるので、枕部１１３から受ける単位面積当たりの応力を軽減することができる。

図３に示した、基板１１０ａの長辺方向と平行となる枕部１１３の長さは、約５００〜８００μｍであり、基板１１０ａの短辺方向と平行となる枕部１１３の長さは、約１５０〜３００μｍである。また、枕部１１３の上下方向の長さは、約３０〜１００μｍである。

導電性接着剤ＤＳ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。

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。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された凹部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、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上に載置され、枠体１１０ｂの封止用導体パターン１１２と蓋体１３０の封止部材１３１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行うことにより、枠体１１０ｂに接合される。

封止部材１３１は、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１２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。

第一実施形態における水晶デバイスは、水晶枠部１２６が枕部１１３により支持されることになるので、水晶振動部１２５が基板１１０ａに接触することを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子１２０の発振周波数を安定して出力することができる。

（第二実施形態）
以下、第二実施形態における水晶デバイスについて説明する。なお、第二実施形態における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

第二実施形態における圧電デバイスは、図４及び図５に示されているように、枕部２１３が第一枠体２１０ｂの内側と一体的に形成されている点で第一実施形態と異なる。

第二実施形態における水晶デバイスは、図４及び図５に示されているように、パッケージ２１０と、パッケージ２１０に接合された水晶素子１２０とを含んでいる。

パッケージ２１０は、図４及び図５に示されているように、基板２１０ａと、基板２１０ａ上に設けられた第一枠体２１０ｂと、第一枠体２１０ｂ上に設けられた第二枠体２１０ｃと、を含んでいる。パッケージ２１０は、基板２１０ａ、第一枠体２１０ｂ及び第二枠体２１０ｃによって囲まれた凹部Ｋ２が形成されている。

基板２１０ａは、上面で実装された水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能するものであり、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２１１と水晶素子１２０の水晶枠部１２６と当接するための枕部２１３が設けられている。また、基板２１０ａの下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

枕部２１３は、水晶素子１２０の水晶枠部１２６と当接することで水晶素子１２０を基板部２１０ａの上面に対して平行に保持する役割を果たしている。枕部２１３は、基板２１０ａ上の第一枠体２１０ｂで囲まれる領域であって基板２１０ａと水晶素子１２０との間に設けられている。

枕部２１３は、図４及び図５に示されているように、第一枠体２１０ｂの内側と一体になるように枠状に設けられており、水晶素子１２０の水晶枠部１２６と当接されている。また、枕部２１３は、平面視して水晶枠部１２６と重なる位置に水晶枠部１２６と当接して配置されている。仮に、枕部２１３と水晶枠部１２６が当接していないとすると、水晶素子１２０の水晶振動部１２５が基板２１０ａ上面と接触し、水晶素子１２０の発振周波数が変動してしまう可能性がある。このようにすることで、水晶枠部１２６が枕部２１３で支持されることになり、水晶素子１２０の水晶振動部１２５が基板２１０ａに接触することを低減することができる。

枕部２１３と水晶枠部１２６とを当接させている状態では、基板２１０ａの上面と水晶振動部１２５の下面との間の距離は、約３０〜１００μｍである。水晶素子１２０を電極パッド２１１に接合する際に、仮に水晶素子１２０が傾いたとしても、水晶枠部１２６と枕部２１３が当接していることによって、水晶振動部１２５は、基板２１０ａの上面と接触しない。

第二実施形態における水晶デバイスは、水晶素子１２０のすべての水晶枠部１２６と枕部２１３が当接していることにより、水晶素子１２０の固定端が枕部２１３の厚みよりも低い位置まで下がることがない。その結果、水晶振動部１２５の励振用電極１２２が所望の高さ位置よりも低い位置に配置されることがなく、例えば水晶素子１２０の水晶振動部１２５の励振用電極１２２が基板１１０ａの上面に接することをさらに低減できる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子１２０の発振周波数を安定して出力することが可能となる。

また、第二実施形態における水晶デバイスは、水晶振動部１２５の固定端の水晶枠部１２６と枕部２１３が接触していることにより、水晶素子１２０の自重で導電性接着剤ＤＳが潰れて拡がることを抑えられる。その結果、導電性接着剤ＤＳ同士が接触することで生じる隣り合う一対の電極パッド２１１の短絡を低減することができる。

また、第二実施形態における水晶デバイスは、すべての水晶枠部１２６と枕部２１３とが当接していることにより、枕部１１３と水晶枠部１２６との接触面積がさらに増えることになるので、枕部１１３から受ける単位面積当たりの応力をさらに軽減することが可能となる。

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。上記の第一実施形態では、枠体１１０ｂが基板１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

また、上記の第二実施形態では、第二枠体２１０ｃが基板２１０ａ及び第一枠体２１０ｂと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、第二枠体２１０ｃが金属製であっても構わない。この場合、第二枠体は、銀−銅等のロウ材を介して第一枠体の導体膜に接合されている。

上記の実施形態では、水晶素子の水晶振動部は、ＡＴ用水晶振動部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振動部を用いても構わない。

１１０、２１０・・・パッケージ
１１０ａ、２１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・枠体
２１０ｂ・・・第一枠体
２１０ｃ・・・第二枠体
１１１、２１１・・・電極パッド
１１２、２１２・・・封止用導体パターン
１１３、２１３・・・枕部
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・接続用電極
１２４・・・引き出し電極
１２５・・・水晶振動部
１２６・・・水晶枠部
１３０・・・蓋体
１３１・・・封止部材
Ｋ１、Ｋ２・・・凹部
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｇ・・・外部接続用端子

Claims

基板と、
前記基板上に前記基板の外周に沿って設けられた枠体と、
前記基板上の前記枠体で囲まれる領域に設けられた、矩形状の水晶振動部と、前記水晶振動部の一辺と接続され且つ前記水晶振動部の三辺と間を空けて前記水晶振動部を取り囲む水晶枠部と、を有する水晶素子と、
前記基板上の前記枠体で囲まれる領域であって前記基板と前記水晶素子との間で、前記枠体の内側の一部と一体になるように枠状に設けられ、前記水晶枠部と重なる位置に前記水晶枠部と当接して配置された枕部と、を備え、
前記水晶素子のすべての前記水晶枠部と前記枕部が当接している水晶デバイス。