WO2018092572A1 - 水晶振動デバイス - Google Patents
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- H03B5/36—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device
Definitions
- the present invention relates to a crystal vibrating device.
- crystal vibrating devices for example, crystal resonators, crystal oscillators, etc.
- the casing is configured by a substantially rectangular parallelepiped package.
- This package is composed of a first sealing member and a second sealing member made of glass or crystal, and a quartz crystal plate made of crystal and having excitation electrodes formed on both main surfaces. Then, the first sealing member and the second sealing member are laminated and bonded via the crystal diaphragm, and the vibration part of the crystal diaphragm disposed inside the package (internal space) is hermetically sealed.
- Patent Document 1 such a laminated form of the crystal vibrating device is referred to as a sandwich structure.
- the vibration part of the crystal diaphragm is hermetically sealed, and the vibration part of the crystal diaphragm is blocked from the outside.
- the quartz diaphragm, the first sealing member, and the second sealing member thin as the package is reduced in size and height. For this reason, for example, there is a problem that the vibration part of the crystal unit is easily affected by changes in the external environment such as temperature and atmospheric pressure.
- the characteristics of the crystal vibrating device for example, the piezoelectric vibration characteristics of the crystal oscillator and the oscillation characteristics of the crystal oscillator
- the noise component is included in the characteristics of the crystal vibrating device.
- the present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and in a quartz crystal vibrating device having a quartz crystal resonator having a sandwich structure, the reliability is improved by suppressing characteristic fluctuations caused by changes in the external environment. For the purpose.
- the present invention relates to a crystal resonator device in which a crystal resonator is hermetically sealed in a package formed of an insulating material, and the crystal resonator has a first excitation electrode formed on one main surface.
- the vibrating part of the crystal diaphragm including the first excitation electrode and the second excitation electrode is hermetically sealed.
- the crystal resonator hermetically sealed in the package may be a single crystal resonator, or a sensor element and a circuit element constituting an oscillation circuit are integrally provided in the crystal resonator. It may be.
- the influence of a change in the external environment (for example, temperature, atmospheric pressure, etc.) on the vibration part of the crystal unit is minimized by double-sealing the vibration part of the crystal unit. Can be suppressed.
- the external environment for example, temperature, atmospheric pressure, etc.
- the crystal resonator is formed in a substantially rectangular shape in plan view, and the crystal resonator is supported on the inner wall of the package only on one end side in the long side direction
- the crystal diaphragm of the crystal resonator includes the vibration part, an outer frame part that surrounds an outer periphery of the vibration part, and a connecting part that connects the vibration part and the outer frame part, It is preferable that the connecting portion is provided only on the other end side in the long side direction of the crystal resonator.
- the inner wall of the package includes a step portion formed on the inner wall and the inner bottom wall in addition to the inner wall and the inner bottom wall of the package.
- the support position of the crystal unit in the package and the connection position of the vibration part in the crystal plate are separated on one end side and the other end side in the long side direction of the crystal unit. It is possible to secure a long heat conduction path from the vibration part to the vibration part of the crystal diaphragm. As a result, even if the external temperature changes abruptly, it is possible to suppress a rapid temperature change of the vibration part of the quartz diaphragm, and the characteristics fluctuation of the crystal vibrating device due to the external temperature change and the noise component Occurrence can be suppressed.
- the crystal resonator is formed in a substantially rectangular shape in plan view, and the crystal resonator is supported on the inner wall of the package at both ends in the long side direction.
- the crystal diaphragm of the crystal resonator includes the vibration part, an outer frame part that surrounds an outer periphery of the vibration part, and a connection part that connects the vibration part and the outer frame part. Preferably it is.
- the stability of the support of the crystal resonator with respect to the package can be improved by supporting the crystal resonator on both ends in the long side direction.
- the impact resistance and vibration resistance of the quartz-crystal vibrating device can be improved.
- the crystal resonator is supported on the inner wall of the package in the four corner regions of the crystal resonator.
- the crystal unit is supported on the inner wall of the package by a conductive adhesive, and the conductive adhesive reaches from the bottom surface of the crystal unit to the upper surface via the side surface. It is preferable that they are arranged.
- the conductive adhesive can further improve the stability of the support of the crystal resonator with respect to the package, and can further improve the resistance to shock and vibration resistance of the crystal resonator device. it can.
- the crystal resonator and the circuit element constituting the sensor element or the oscillation circuit are accommodated in the same space provided in the package and hermetically sealed.
- the crystal unit is housed in a first recess formed on one main surface side of the package and hermetically sealed, and a sensor element is mounted on a second recess formed on the other main surface side of the package.
- the circuit element which comprises an oscillation circuit may be accommodated.
- the circuit element in the configuration in which the crystal resonator is accommodated in the first recess formed on the one main surface side of the package and the circuit element is accommodated in the second recess formed on the other main surface side of the package, the circuit element emits radiation. Heat, electromagnetic waves and the like are blocked or reduced by the package. For this reason, it is possible to suppress the influence of the heat and electromagnetic waves of the circuit elements on the vibration part of the crystal resonator.
- a package body of the package that accommodates the crystal resonator is formed of ceramic.
- the thermal conductivity of the crystal diaphragm of the crystal resonator is smaller than the thermal conductivity of the package body of the package, it is possible to suppress a rapid temperature change of the vibration part of the crystal diaphragm, It is possible to suppress the characteristic fluctuation of the crystal vibrating device due to the external temperature change.
- a quartz crystal vibrating device including a quartz crystal resonator having a sandwich structure, even if the external environment such as temperature and atmospheric pressure changes, it is possible to suppress fluctuations in the characteristics of the quartz crystal vibrating device. In addition, the reliability of the crystal vibrating device can be improved.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a crystal oscillator according to the present embodiment.
- FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a crystal resonator provided in the crystal oscillator of FIG.
- FIG. 3 is a schematic plan view of a first sealing member of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 4 is a schematic back view of the first sealing member of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 5 is a schematic plan view of the crystal diaphragm of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 6 is a schematic back view of the crystal diaphragm of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 7 is a schematic plan view of a second sealing member of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a crystal resonator provided in the crystal oscillator of FIG.
- FIG. 3 is a schematic plan view of a first sealing member of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 4 is a schematic
- FIG. 8 is a schematic back view of the second sealing member of the crystal resonator of FIG.
- FIG. 9 is a schematic configuration diagram illustrating a crystal oscillator according to the first modification.
- FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a crystal oscillator according to the second modification.
- FIG. 11 is a schematic configuration diagram illustrating a crystal resonator unit according to Modification 3.
- 12 is a cross-sectional view taken along line C1-C1 of FIG.
- FIG. 13 is a view corresponding to FIG. 8 showing a second sealing member of the crystal unit of the crystal unit of FIG.
- FIG. 14 is a view corresponding to FIG. 12 showing a crystal resonator unit according to Modification 4.
- FIG. 15 is a view corresponding to FIG. 12 showing a crystal resonator unit according to Modification 5.
- a crystal oscillator 100 includes a crystal resonator 101 having a crystal diaphragm 2 that performs piezoelectric vibration, and an IC chip (integrated circuit) that forms an oscillation circuit together with the crystal resonator 101.
- the package 103 includes a package main body 104 having a recess 104 d for accommodating the crystal resonator 101 and the IC chip 102, and a lid 105 for hermetically sealing the crystal resonator 101 and the IC chip 102 accommodated in the package main body 104. It has.
- the package body 104 is made of an insulating material such as ceramic, and has a bottom wall portion 104a, a first side wall portion 104b formed on the periphery of the bottom wall portion 104a, and a periphery of the first side wall portion 104b. And the formed second side wall portion 104c.
- the bottom wall portion 104a, the first side wall portion 104b, and the second side wall portion 104c are integrally formed.
- the bottom wall portion 104a, the first side wall portion 104b, and the second side wall portion 104c are formed integrally, for example, by laminating and firing three layers of ceramic substrates.
- the package body 104 may be formed of a single-layer ceramic substrate or four or more layers of ceramic substrates.
- the bottom wall portion 104a, the first side wall portion 104b, and the second side wall portion 104c form a concave portion 104d having an upper surface opened.
- the first side wall portion 104b and the second side wall portion 104c form an annular stepped portion 104e in plan view.
- the crystal resonator 101 and the IC chip 102 are accommodated in the recess 104d of the package body 104.
- the crystal unit 101 is mounted in a cantilevered state on the stepped portion 104e (the upper surface of the first side wall portion 104b) of the package body 104.
- the IC chip 102 is mounted on the bottom surface of the package body 104 (the top surface of the bottom wall portion 104a).
- a plurality of external connection terminals 106 are formed on the bottom surface of the package body 104.
- a flat lid 105 is integrally attached to the upper surface of the package body 104 (the upper surface of the second side wall portion 104c) via a metal seam ring, a brazing material, or the like (not shown). .
- the package 103 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, and the crystal unit 101 and the IC chip 102 accommodated in the recess 104d are hermetically sealed.
- the inside of the package 103 is in a vacuum state (for example, a pressure of 100 Pa or less) that is depressurized from atmospheric pressure, for example.
- cover 105 may be a cap shape by which the annular wall part was provided in the peripheral part of the flat member.
- an inert gas may be sealed in the package 103 to keep the package 103 in an inert atmosphere.
- the crystal resonator 101 is formed in a substantially rectangular shape in plan view as will be described later (see FIGS. 2 to 8).
- the crystal unit 101 is supported by the step 104e of the package body 104 only on one end side in the long side direction in plan view.
- the other end side in the long side direction of the crystal unit 101 is provided apart from the stepped portion 104 e of the package body 104.
- a pair of external electrode terminals 431 and 432 (see FIG. 8) formed on the bottom surface of the crystal unit 101 are electrically bonded to a pair of electrode pads (not shown) provided on the stepped portion 104e of the package body 104, respectively. They are connected by the agent 107.
- the pair of electrode pads are arranged along a direction perpendicular to the W1 direction in FIG.
- the pair of electrode pads are provided at a predetermined interval on the near side and the far side in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Further, the pair of electrode pads is provided only on the stepped portion 104e on one end side in the W1 direction in FIG. 1, and is not provided on the stepped portion 104e on the other end side in the W1 direction.
- the IC chip 102 is connected to a wiring pattern (not shown) formed on the bottom surface of the package body 104 via a plurality of bumps 108 by, for example, flip chip bonding.
- the IC chip 102 is connected to a pair of electrode pads provided on the stepped portion 104 e of the package main body 104 and a plurality of external connection terminals 106 provided on the bottom surface of the package main body 104 via wiring not shown. .
- the IC chip 102 may be mounted on the package body 104 by wire bonding.
- the crystal resonator 101 covers the crystal diaphragm 2 and the first excitation electrode 221 formed on one main surface 211 of the crystal diaphragm 2, and the first excitation electrode 221 is covered with the first excitation electrode 221.
- the first sealing member 3 that is hermetically sealed and the second excitation electrode 222 formed on the other main surface 212 of the quartz crystal plate 2 in a pair with the first excitation electrode 221 are covered, and the second excitation electrode 222 is covered.
- a second sealing member 4 hermetically sealed.
- the crystal diaphragm 2 and the first sealing member 3 are joined, and the crystal diaphragm 2 and the second sealing member 4 are joined to form a sandwich-structure vibrator package 12. .
- the vibrating portion 22 including the first excitation electrode 221 and the second excitation electrode 222 formed on both main surfaces 211 and 212 of the crystal diaphragm 2 is hermetically sealed.
- the inside of the vibrator package 12 is in a high vacuum state (for example, a pressure of about 0.1 mPa) having a higher degree of vacuum than the inside of the package 103 described above.
- the vibrator package 12 has a package size of, for example, 1.0 ⁇ 0.8 mm, and is intended to be reduced in size and height. As the size of the vibrator package 12 is reduced, the through-holes (first to third through-holes) are used to conduct the electrodes without forming a castellation.
- each configuration of the crystal unit 101 will be described.
- each member in a state in which the crystal diaphragm 2, the first sealing member 3, and the second sealing member 4 are configured as a single unit that is not joined will be described.
- the quartz diaphragm 2 is made of quartz which is a piezoelectric material, and both main surfaces (one main surface 211 and the other main surface 212) are formed as flat smooth surfaces (mirror finish). ing.
- an AT-cut quartz plate that performs thickness-shear vibration is used as the quartz plate 2.
- both main surfaces 211 and 212 of the crystal diaphragm 2 are XZ ′ planes.
- the direction parallel to the short direction (short side direction) of the crystal diaphragm 2 is the X axis direction
- the direction parallel to the long direction (long side direction) of the crystal diaphragm 2 is the Z ′ axis. It is considered to be a direction.
- the AT cut is an angle of 35 ° around the X axis with respect to the Z axis among the electric axis (X axis), the mechanical axis (Y axis), and the optical axis (Z axis), which are the three crystal axes of artificial quartz.
- the X axis coincides with the crystal axis of the quartz crystal.
- the Y′-axis and the Z′-axis coincide with the axes inclined by 35 ° 15 ′ from the Y-axis and the Z-axis of the crystal axis of the quartz crystal, respectively.
- the Y′-axis direction and the Z′-axis direction correspond to the cutting direction when cutting the AT-cut quartz plate.
- the Z′-axis direction coincides with the W1 direction in FIG.
- a pair of excitation electrodes are formed on both main surfaces 211 and 212 of the quartz crystal diaphragm 2.
- the quartz crystal diaphragm 2 includes a vibrating portion 22 formed in a substantially rectangular shape, an outer frame portion 23 that surrounds the outer periphery of the vibrating portion 22, and a connecting portion (holding portion) 24 that connects the vibrating portion 22 and the outer frame portion 23.
- the vibration part 22, the connection part 24, and the outer frame part 23 are integrally provided.
- the connection part 24 is provided only at one place between the vibration part 22 and the outer frame part 23, and the place where the connection part 24 is not provided is a space (gap) 22b.
- the vibrating portion 22 and the connecting portion 24 are formed thinner than the outer frame portion 23. Due to the difference in thickness between the outer frame portion 23 and the connecting portion 24, the natural frequency of the piezoelectric vibration of the outer frame portion 23 and the connecting portion 24 is different. Is less likely to resonate.
- the connecting portion 24 extends (projects) from only one corner portion 22a located in the + X direction and the ⁇ Z ′ direction of the vibrating portion 22 to the outer frame portion 23 in the ⁇ Z ′ direction.
- the connection part 24 is provided in the corner
- the stress acting on the vibration portion 22 can be reduced, and the frequency shift of the piezoelectric vibration caused by such stress can be reduced to stabilize the piezoelectric vibration. Can be improved.
- a first excitation electrode 221 is provided on one main surface side of the vibration part 22, and a second excitation electrode 222 is provided on the other main surface side of the vibration part 22.
- a first extraction electrode 223 and a second extraction electrode 224 for connecting to the external electrode terminals 431 and 432 are connected to the first excitation electrode 221 and the second excitation electrode 222.
- the first extraction electrode 223 is extracted from the first excitation electrode 221, and is connected to the connection joint pattern 27 formed on the outer frame portion 23 via the connection portion 24.
- the second extraction electrode 224 is extracted from the second excitation electrode 222 and connected to the connection joint pattern 28 formed on the outer frame portion 23 via the connection portion 24.
- the first extraction electrode 223 is formed on one main surface side of the connecting portion 24, and the second extraction electrode 224 is formed on the other main surface side of the connecting portion 24.
- the first excitation electrode 221 and the first extraction electrode 223 are formed by stacking a base PVD film formed by physical vapor deposition on one main surface 211 and a physical vapor deposition on the base PVD film.
- the second excitation electrode 222 and the second extraction electrode 224 are formed by stacking a base PVD film formed by physical vapor deposition on the other main surface 212 and a physical vapor deposition on the base PVD film. Electrode PVD film.
- vibration-side sealing portions 25 for joining the crystal diaphragm 2 to the first sealing member 3 and the second sealing member 4 are provided.
- a vibration side first bonding pattern 251 for bonding to the first sealing member 3 is formed on the vibration side sealing portion 25 of the one main surface 211 of the crystal diaphragm 2.
- a vibration-side second bonding pattern 252 for bonding to the second sealing member 4 is formed on the vibration-side sealing portion 25 of the other main surface 212 of the crystal diaphragm 2.
- the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252 are provided on the outer frame portion 23 described above, and are formed in an annular shape in plan view, and the outer edge shape and the inner edge shape are formed in a substantially rectangular shape. ing.
- the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252 are provided so as to be close to the outer peripheral edges of both the main surfaces 211 and 212 of the quartz crystal vibrating plate 2.
- the pair of first excitation electrode 221 and second excitation electrode 222 of the crystal diaphragm 2 are not electrically connected to the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252.
- the vibration side first bonding pattern 251 includes a base PVD film formed by physical vapor deposition on one main surface 211 and an electrode PVD film formed by physical vapor deposition on the base PVD film. It consists of.
- the vibration side second bonding pattern 252 includes a base PVD film formed by physical vapor deposition on the other main surface 212 and an electrode PVD film formed by physical vapor deposition on the base PVD film. It consists of. That is, the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252 have the same configuration, and a plurality of layers are stacked on the vibration side sealing portion 25 of both main surfaces 211 and 212, A Ti layer (or Cr layer) and an Au layer are formed by vapor deposition from the lowermost layer side.
- the underlying PVD film is made of a single material (Ti (or Cr)), and the electrode PVD film is made of a single material (Au The electrode PVD film is thicker than the underlying PVD film.
- the first excitation electrode 221 and the vibration-side first bonding pattern 251 formed on the one main surface 211 of the crystal diaphragm 2 have the same thickness, and the first excitation electrode 221 and the vibration-side first bonding pattern 251 have the same thickness.
- the second excitation electrode 222 and the vibration side second bonding pattern 252 formed on the other main surface 212 of the quartz crystal plate 2 have the same thickness, and the second excitation electrode 222 and the vibration side are made of the same metal.
- the surface of the second bonding pattern 252 is made of the same metal.
- the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252 are non-Sn patterns.
- the first excitation electrode 221, the first extraction electrode 223, and the vibration-side first bonding pattern 251 can have the same configuration, and in this case, the first excitation electrode 221 and the first extraction electrode 223 are the same process. And the vibration side 1st joining pattern 251 can be formed in a lump.
- the second excitation electrode 222, the second extraction electrode 224, and the vibration-side second bonding pattern 252 can have the same configuration. In this case, the second excitation electrode 222, the second extraction electrode 224 are performed in the same process. And the vibration side 2nd joining pattern 252 can be formed collectively.
- the underlying PVD film or the electrode PVD film is formed by a PVD method such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, MBE, or laser ablation (for example, a film forming method for patterning in processing such as photolithography).
- a PVD method such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, MBE, or laser ablation (for example, a film forming method for patterning in processing such as photolithography).
- a PVD method such as vacuum deposition, sputtering, ion plating, MBE, or laser ablation (for example, a film forming method for patterning in processing such as photolithography).
- the crystal diaphragm 2 is formed with one through hole (first through hole 26) penetrating between the one main surface 211 and the other main surface 212. .
- the first through hole 26 is provided in the outer frame portion 23 of the crystal diaphragm 2.
- the first through hole 26 is connected to the connection bonding pattern 453 of the second sealing member 4.
- the first through hole 26 has a through electrode 261 for conducting the electrodes formed on the one main surface 211 and the other main surface 212. It is formed along the inner wall surface of the hole 26. The central portion of the first through hole 26 becomes a hollow through portion 262 that penetrates between the one main surface 211 and the other main surface 212.
- Connection joint patterns 264 and 265 are formed on the outer periphery of the first through hole 26. The connection bonding patterns 264 and 265 are provided on both main surfaces 211 and 212 of the crystal diaphragm 2.
- the connecting joint pattern 264 of the first through hole 26 formed on the one main surface 211 of the crystal diaphragm 2 extends along the X-axis direction in the outer frame portion 23.
- a connection bonding pattern 27 connected to the first extraction electrode 223 is formed on one main surface 211 of the crystal diaphragm 2, and this connection bonding pattern 27 is also formed in the X direction in the outer frame portion 23. Extending along.
- the connecting joint pattern 27 is provided on the opposite side of the connecting joint pattern 264 with respect to the Z′-axis direction, with the vibrating portion 22 (first excitation electrode 221) interposed therebetween. That is, the connecting joint patterns 27 and 264 are provided on both sides of the vibrating portion 22 in the Z′-axis direction.
- the connecting joint pattern 265 of the first through hole 26 formed on the other main surface 212 of the crystal diaphragm 2 extends along the X-axis direction in the outer frame portion 23.
- a connection bonding pattern 28 connected to the second extraction electrode 224 is formed on the other main surface 212 of the crystal diaphragm 2, and this connection bonding pattern 28 is also formed in the outer frame portion 23 in the X-axis direction. Extending along.
- the connecting joint pattern 28 is provided on the opposite side of the connecting joint pattern 265 with respect to the Z ′ direction with the vibrating portion 22 (second excitation electrode 222) interposed therebetween. That is, the connecting joint patterns 28 and 265 are provided on both sides in the Z ′ direction of the vibrating portion 22.
- connection bonding patterns 27, 28, 264, and 265 have the same configuration as the vibration-side first bonding pattern 251 and the vibration-side second bonding pattern 252, and the vibration-side first bonding pattern 251 and the vibration-side second bonding pattern 252 are the same. Can be formed by the same process.
- the connection bonding patterns 27, 28, 264, and 265 are formed of a base PVD film formed by physical vapor deposition on both main surfaces 211 and 212 of the crystal diaphragm 2, and the base PVD film. It consists of an electrode PVD film formed by physical vapor deposition thereon.
- the first through hole 26 and the connecting bonding patterns 27, 28, 264, and 265 are formed inside the inner space 13 (inside the inner peripheral surface of the bonding material 11) in a plan view.
- the internal space 13 is formed inward (inner side) of the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252 in plan view.
- the inside of the internal space 13 means strictly the inside of the inner peripheral surface of the bonding material 11 without including the bonding material 11 described later.
- the first through hole 26 and the connecting bonding patterns 27, 28, 264, 265 are not electrically connected to the vibration side first bonding pattern 251 and the vibration side second bonding pattern 252.
- the first sealing member 3 is made of a material having a bending rigidity (secondary moment of section ⁇ Young's modulus) of 1000 [N ⁇ mm 2 ] or less. Specifically, as shown in FIGS. 3 and 4, the first sealing member 3 is a substantially rectangular parallelepiped substrate made of crystal, and the other main surface 312 (the crystal diaphragm 2) of the first sealing member 3. Is formed as a flat and smooth surface (mirror finish).
- the other main surface 312 of the first sealing member 3 is provided with a sealing-side first sealing portion 32 for joining to the crystal diaphragm 2.
- the sealing side first sealing portion 32 is formed with a sealing side first bonding pattern 321 for bonding to the crystal vibrating plate 2.
- the sealing-side first bonding pattern 321 is formed in an annular shape in plan view, and the outer edge shape and the inner edge shape are formed in a substantially rectangular shape.
- the sealing-side first bonding pattern 321 is provided so as to be close to the outer peripheral edge of the other main surface 312 of the first sealing member 3.
- the sealing side first bonding pattern 321 has the same width at all positions on the sealing side first sealing portion 32 of the first sealing member 3.
- the sealing-side first bonding pattern 321 is formed by stacking a base PVD film formed by physical vapor deposition on the first sealing member 3 and a physical vapor deposition on the base PVD film. Electrode PVD film. Note that Ti (or Cr) is used for the base PVD film, and Au is used for the electrode PVD film. Moreover, the sealing side 1st joining pattern 321 is a non-Sn pattern. Specifically, the sealing side first bonding pattern 321 is configured by laminating a plurality of layers on the sealing side first sealing portion 32 of the other main surface 312, and the Ti layer (or from the lowermost layer side). Cr layer) and Au layer are formed by vapor deposition.
- connection joint patterns 35 and 36 to be joined to the connection joint patterns 264 and 27 of the crystal diaphragm 2 are formed on the other main surface 312 of the first sealing member 3, that is, on the surface facing the crystal diaphragm 2, connection joint patterns 35 and 36 to be joined to the connection joint patterns 264 and 27 of the crystal diaphragm 2 are formed.
- the connecting bonding patterns 35 and 36 extend along the direction in the short side direction (A1 direction in FIG. 4) of the first sealing member 3.
- the connecting bonding patterns 35 and 36 are provided at a predetermined interval in the long side direction (A2 direction in FIG. 4) of the first sealing member 3, and the connecting bonding patterns 35 and 36 are spaced in the A2 direction. Is substantially the same as the interval (see FIG. 5) in the Z′-axis direction of the connection pattern 264, 27 for connection of the crystal plate 2.
- connection bonding patterns 35 and 36 are connected to each other through the wiring pattern 33.
- the wiring pattern 33 is provided between the connection bonding patterns 35 and 36.
- the wiring pattern 33 extends along the A2 direction.
- the wiring pattern 33 is not bonded to the connection bonding patterns 264 and 27 of the crystal diaphragm 2.
- connection bonding patterns 35 and 36 and the wiring pattern 33 have the same configuration as the sealing-side first bonding pattern 321 and can be formed by the same process as the sealing-side first bonding pattern 321.
- the connecting bonding patterns 35 and 36 and the wiring pattern 33 include a base PVD film formed by physical vapor deposition on the other main surface 312 of the first sealing member 3, and the base PVD film. It consists of an electrode PVD film formed by physical vapor deposition thereon.
- connection bonding patterns 35 and 36 and the wiring pattern 33 are formed inside the internal space 13 (inside the inner peripheral surface of the bonding material 11) in plan view.
- the connection bonding patterns 35 and 36 and the wiring pattern 33 are not electrically connected to the sealing-side first bonding pattern 321.
- the A1 direction in FIG. 4 coincides with the X-axis direction in FIG. 5, and the A2 direction in FIG. 4 coincides with the Z′-axis direction in FIG.
- the second sealing member 4 is made of a material having a bending rigidity (secondary moment of section ⁇ Young's modulus) of 1000 [N ⁇ mm 2 ] or less. Specifically, as shown in FIGS. 7 and 8, the second sealing member 4 is a substantially rectangular parallelepiped substrate made of crystal, and one main surface 411 (the crystal diaphragm 2) of the second sealing member 4. Is formed as a flat and smooth surface (mirror finish).
- the main surface 411 of the second sealing member 4 is provided with a sealing-side second sealing portion 42 for joining to the crystal diaphragm 2.
- the sealing-side second sealing part 42 is formed with a sealing-side second bonding pattern 421 for bonding to the crystal vibrating plate 2.
- the sealing-side second bonding pattern 421 is formed in an annular shape in plan view, and the outer edge shape and the inner edge shape are formed in a substantially rectangular shape.
- the sealing-side second bonding pattern 421 is provided so as to be close to the outer peripheral edge of the one main surface 411 of the second sealing member 4.
- the sealing side second bonding pattern 421 has the same width at all positions on the sealing side second sealing portion 42 of the second sealing member 4.
- the sealing-side second bonding pattern 421 is formed by stacking a base PVD film formed by physical vapor deposition on the second sealing member 4 and a physical vapor deposition on the base PVD film. Electrode PVD film. Note that Ti (or Cr) is used for the base PVD film, and Au is used for the electrode PVD film. Further, the sealing-side second bonding pattern 421 is a non-Sn pattern. Specifically, the sealing-side second bonding pattern 421 is configured by laminating a plurality of layers on the sealing-side second sealing portion 42 of the other main surface 412, and Ti layer (or from the lowermost layer side) Cr layer) and Au layer are formed by vapor deposition.
- a pair of external electrode terminals 431 and 432 that are electrically connected to the outside are provided on the other main surface 412 of the second sealing member 4 (an outer main surface that does not face the crystal diaphragm 2). . As shown in FIG. 8, the pair of external electrode terminals 431 and 432 are formed so as to extend along the long side direction in plan view of the other main surface 412 of the second sealing member 4.
- the pair of external electrode terminals 431 and 432 includes a base PVD film formed by physical vapor deposition on the other main surface 412 and electrodes formed by physical vapor deposition on the base PVD film and stacked. It consists of a PVD film.
- the second sealing member 4 includes two through-holes (second through-hole 45, third through-hole) that pass through between one main surface 411 and the other main surface 412.
- a through hole 46) is formed.
- the second through hole 45 is connected to the connection pattern 265 for connection of the external electrode terminal 431 and the crystal diaphragm 2.
- the third through hole 46 is connected to the connection pattern 28 for connecting the external electrode terminal 432 and the crystal diaphragm 2.
- the second through hole 45 and the third through hole 46 have through electrodes for conducting the electrodes formed on one main surface 411 and the other main surface 412.
- 451 and 461 are formed along the inner wall surfaces of the second through hole 45 and the third through hole 46, respectively.
- the central portions of the second through hole 45 and the third through hole 46 are hollow through portions 452 and 462 that penetrate between the one main surface 411 and the other main surface 412.
- Connection joint patterns 453 and 463 are formed on the outer periphery of each of the second through hole 45 and the third through hole 46.
- connection bonding patterns 453 and 463 are provided on one main surface 411 of the second sealing member 4 and are bonded to the connection bonding patterns 265 and 28 of the crystal diaphragm 2.
- the connection bonding patterns 453 and 463 extend along the direction in the short side direction (B1 direction in FIG. 7) of the second sealing member 4.
- the connection bonding patterns 453 and 463 are provided at a predetermined interval in the long side direction (B2 direction in FIG. 7) of the second sealing member 4, and the connection bonding patterns 453 and 463 are spaced in the B2 direction. Is substantially the same as the interval (see FIG. 6) in the Z′-axis direction of the connection pattern 265, 28 for connection of the crystal diaphragm 2.
- connection bonding patterns 453 and 463 have the same configuration as the sealing-side second bonding pattern 421 and can be formed by the same process as the sealing-side second bonding pattern 421. Specifically, the connection bonding patterns 453 and 463 are formed by forming a base PVD film formed by physical vapor deposition on one main surface 411 of the second sealing member 4 and a physical layer on the base PVD film. The electrode PVD film is formed by vapor deposition.
- the second through hole 45, the third through hole 46, and the connection pattern for connection 453, 463 are formed in the inner space 13 in plan view.
- the second through hole 45, the third through hole 46, and the connecting joint patterns 453 and 463 are not electrically connected to the sealing-side second joint pattern 421.
- the external electrode terminals 431 and 432 are also not electrically connected to the sealed second bonding pattern 421.
- the B1 direction in FIG. 7 coincides with the X-axis direction in FIG. 6, and the B2 direction in FIG. 7 coincides with the Z′-axis direction in FIG.
- the crystal vibration can be performed without using a dedicated bonding material such as an adhesive as in the prior art.
- the plate 2 and the first sealing member 3 are diffusion bonded in a state where the vibration side first bonding pattern 251 and the sealing side first bonding pattern 321 are overlapped, and the crystal vibrating plate 2 and the second sealing member 4 are bonded.
- the vibratory package 12 having the sandwich structure shown in FIG. 2 is manufactured by diffusion bonding in a state where the vibration-side second bonding pattern 252 and the sealing-side second bonding pattern 421 are overlapped. Thereby, the internal space 13 of the vibrator package 12, that is, the accommodation space of the vibrating portion 22 is hermetically sealed.
- the vibration side first bonding pattern 251 and the sealing side first bonding pattern 321 itself become the bonding material 11 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the first sealing member 3 are bonded by the bonding material 11. Is done.
- the vibration side second bonding pattern 252 and the sealing side second bonding pattern 421 themselves become the bonding material 11 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the second sealing member 4 are bonded by the bonding material 11.
- the bonding materials 11 and 11 are formed in an annular shape in plan view, and the outer edge shape and the inner edge shape are formed in a substantially rectangular shape.
- the bonding materials 11 are provided at positions that substantially coincide with each other in plan view.
- the wirings from the first and second excitation electrodes 221 and 222 of the crystal diaphragm 2 to the external electrode terminals 431 and 432 are both inward of the bonding materials 11a and 11b as sealing portions in plan view. Is provided.
- the bonding materials 11 and 11 are formed so that the outer edge shape and the inner edge shape are substantially rectangular in plan view, and are close to the outer peripheral edge of the vibrator package 12. Thereby, the size of the vibration part 22 of the crystal diaphragm 2 can be increased.
- the distance between the inner peripheral edge of the bonding materials 11 and the space 22b between the vibrating portion 22 and the outer frame portion 23 is larger on the short side of the vibrator package 12 than on the long side. .
- connection bonding patterns are diffusion-bonded in an overlapped state.
- the connection bonding pattern 264 of the crystal diaphragm 2 and the connection bonding pattern 35 of the first sealing member 3 are diffusion bonded.
- the connection bonding pattern 27 of the crystal diaphragm 2 and the connection bonding pattern 36 of the first sealing member 3 are diffusion bonded.
- the connection bonding pattern 265 of the crystal diaphragm 2 and the connection bonding pattern 453 of the second sealing member 4 are diffusion bonded.
- the connection bonding pattern 28 of the crystal diaphragm 2 and the connection bonding pattern 463 of the second sealing member 4 are diffusion bonded.
- connection bonding pattern 264 and the connecting bonding pattern 35 themselves become the bonding material 14 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the first sealing member 3 are bonded by the bonding material 14.
- connection bonding pattern 27 and the connection bonding pattern 36 themselves become the bonding material 14 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the first sealing member 3 are bonded by the bonding material 14.
- connection bonding pattern 265 and the connection bonding pattern 453 themselves become the bonding material 14 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the second sealing member 4 are bonded by the bonding material 14.
- connection bonding pattern 28 and the connection bonding pattern 463 themselves become the bonding material 14 generated after diffusion bonding, and the crystal vibrating plate 2 and the second sealing member 4 are bonded by the bonding material 14.
- These bonding materials 14 serve to conduct the through electrodes of the through-holes and the bonding material 14 and to hermetically seal the bonding locations.
- the bonding material 14 is provided inward of the bonding material 11 as a sealing portion in a plan view, the bonding material 14 is indicated by a broken line in FIG.
- the wiring pattern 33 is not bonded to the connection bonding patterns 264 and 27 of the crystal diaphragm 2, it does not become the bonding material 14 but remains as a wiring on the other main surface 312 of the first sealing member 3.
- the first sealing member 3 and the crystal vibration plate 2 have a gap of 1.00 ⁇ m or less
- the quartz diaphragm 2 has a gap of 1.00 ⁇ m or less. That is, the thickness of the bonding material 11a between the first sealing member 3 and the quartz crystal vibrating plate 2 is 1.00 ⁇ m or less, and the bonding material 11b between the second sealing member 4 and the quartz crystal vibrating plate 2 is The thickness is 1.00 ⁇ m or less (specifically, 0.15 ⁇ m to 1.00 ⁇ m for Au—Au bonding).
- a conventional metal paste sealing material using Sn has a thickness of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
- the crystal oscillator 100 according to the present embodiment includes the quartz crystal resonator 101 having the sandwich structure configured as described above. Since the quartz crystal resonator 101 having the sandwich structure can be reduced in size and reduced in height (thinned), the crystal oscillator 100 according to the present embodiment can also be reduced in size and reduced in height. Yes.
- the sandwiched crystal resonator 101 and the IC chip 102 are hermetically sealed in the package 103.
- the influence of changes in the external environment for example, temperature, atmospheric pressure, etc.
- the external environment for example, temperature, atmospheric pressure, etc.
- fluctuations in the oscillation characteristics of the crystal oscillator 100 can be suppressed, and generation of noise components in the oscillation characteristics of the crystal oscillator 100 can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the reliability of the crystal oscillator 100 while satisfying the demand for downsizing and low profile of the crystal oscillator 100.
- the crystal unit 101 is formed in a substantially rectangular shape in plan view, and the crystal unit 101 has an inner wall of the package 103 (on one end side in the long side direction in plan view). It is supported by the step 104e) of the package body 104.
- the crystal diaphragm 2 of the crystal unit 101 is configured such that the vibration unit 22 is connected to the outer frame unit 23 only on the other end side in the long side direction of the crystal unit 101 in plan view.
- the support position of the crystal unit 101 in the package 103 and the connection position of the vibration unit 22 in the crystal plate 2 are the one end side and the other end side in the long side direction of the crystal unit 101 in plan view.
- the package body 104 of the package 103 that accommodates the crystal resonator 101 and the IC chip 102 is formed of ceramic, and the crystal diaphragm 2 of the crystal resonator 101 and the first sealing member 3 are formed.
- the second sealing member 4 is formed of quartz.
- the AT-cut crystal is used for the crystal diaphragm 2.
- the present invention is not limited to this, and a crystal other than the AT-cut crystal may be used.
- the quartz was used for the 1st sealing member 3 and the 2nd sealing member 4, it is not limited to this, For example, you may use insulating materials, such as glass.
- the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to other vibration devices such as a crystal resonator.
- a crystal resonator for example, in FIG. 1, the IC chip 102 or the like is omitted, and a pair of electrode pads formed on the stepped portion 104 e of the package body 104 and the bottom surface of the package body 104 are formed.
- the pair of external connection terminals 106 may be directly connected (without the IC chip 102).
- the crystal resonator 101 and the IC chip 102 may be accommodated in different spaces of the package 103.
- the crystal resonator 101 and the IC chip 102 may be accommodated in different spaces of the package 103.
- the crystal resonator 101 is accommodated in a recess 104 d formed on one main surface side of the package body 104, and on the other main surface side of the package body 104.
- the IC chip 102 may be accommodated in the formed second recess 104g.
- the crystal unit 101 and the IC chip 102 are vertically arranged in the package 103 .
- the present invention is not limited to this, and the crystal resonator 101 and the IC chip 102 may be arranged in a horizontal arrangement in which the crystal 103 and the IC chip 102 are arranged on the left and right (or front and back) in the package 103.
- the crystal unit 101 and the IC chip 102 may be arranged in the same space of the package 103 or may be arranged in different spaces of the package 103.
- the distance from the mounting substrate to the vibration unit 22 of the crystal resonator 101 and the distance from the mounting substrate to the IC chip 102 are substantially reduced. It is possible to have the same length. In other words, the heat conduction path length from the mounting board to the vibrating portion 22 of the crystal unit 101 and the heat conduction path length from the mounting board to the IC chip 102 can be made substantially the same length. The frequency drift due to the temperature difference between the vibration part 22 of the crystal resonator 101 and the IC chip 102 can be suppressed.
- the shield member 109 is provided inside the bottom wall portion 104 a of the package body 104.
- the bottom wall portion 104a may be configured by two layers of ceramic substrates, and the shield member 109 may be sandwiched between the ceramic substrates.
- the shield member 109 can suppress the characteristic fluctuation before and after mounting the crystal oscillator 100B. Further, the shield member 109 can improve the performance of the electromagnetic shield (EMC) of the crystal oscillator 100B.
- EMC electromagnetic shield
- the crystal resonator 101 and the IC chip 102 are mounted on the package 103.
- the present invention is not limited to this, and a sensor element may be mounted on the package 103 instead of the IC chip 102.
- a thermistor is mounted on the package 103 as a sensor element, it can be configured as a crystal resonator with a temperature sensor.
- the crystal resonator 101 formed in a substantially rectangular shape in plan view is supported on the inner wall of the package 103 only on one end side in the long side direction.
- the present invention is not limited to this, and the crystal resonator 101 may be supported on the inner wall of the package 103 at both ends in the long side direction.
- the crystal unit 101 is supported on the inner wall of the package 103 in the four corner regions (four locations) of the crystal unit 101 as in the crystal unit 100C (Modification 3) shown in FIGS. It is good also as a structure.
- the stability of the support of the crystal unit 101 with respect to the package 103 can be improved.
- the impact resistance of the crystal unit 100C can be improved, and the vibration resistance (for example, resistance to ultrasonic vibration or the like during FCB bonding) can be improved.
- the impact resistance and vibration resistance of the crystal unit 100 ⁇ / b> C can be further improved by adopting a four-point support configuration as the support mode of the crystal unit 101 with respect to the package 103.
- the crystal unit 101 is supported by the conductive adhesive 107 on the bottom surface 104f of the package body 104 as the inner wall of the package 103.
- the conductive adhesive 107 for example, a synthetic resin such as silicone, polyimide, or epoxy can be used.
- the conductive adhesive 107 is not limited thereto, and for example, a brazing material, solder, or the like may be used. .
- the crystal unit 101 is stored in the recess 104d of the package body 104, and the IC chip is stored. It has not been. Further, no stepped portion is provided on the bottom surface 104f of the recess 104d of the package body 104, and the bottom surface 104f is formed flat. Electrode pads 110a to 110d are formed in the four corner regions of the bottom surface 104f of the recess 104d of the package body 104, respectively.
- the electrode pads 110a to 110d two (a pair of) electrode pads 110a and 110b arranged on a diagonal line are inserted through through holes (through holes) 111a and 111b provided in the package body 104.
- the external connection terminals 106 and 106 formed on the bottom surface (back surface) of the package body 104 are electrically connected.
- the remaining two electrode pads 110c and 110d are provided as dummy terminals (NC terminals) that are unrelated to electrical connection.
- the electrode pads 110 a and 110 b and the external connection terminals 106 and 106 may be electrically connected by providing a castellation on the side surface of the package body 104.
- the two electrode pads 110a and 110b are electrically connected to external electrode terminals 431 and 432 formed on the other main surface 412 of the second sealing member 4 through the conductive adhesives 107 and 107, respectively. Yes.
- the external electrode terminals 431 and 432 formed on the other main surface 412 of the second sealing member 4 are different from the case of the above embodiment (see FIG. 8), as shown in FIG. Of the four corner regions of the other main surface 412 of the stop member 4, the two regions on the diagonal line are provided.
- Outer electrode terminals 433 and 434 are also provided in the remaining two regions among the four corner regions of the other main surface 412 of the second sealing member 4, but the external electrode terminals 433 and 434 are electrically connected.
- NC terminal dummy terminal
- the external connection terminals 106 of the package body 104 are also provided in the four corner regions of the bottom surface of the package body 104, and the two external connection terminals 106, 106 on the diagonal line are used for electrical connection.
- the remaining two external connection terminals 106 and 106 are dummy terminals (NC terminals) that are unrelated to electrical connection.
- the external connection terminal 106 of the package body 104 may be configured with only two terminals without providing dummy terminals.
- the first excitation electrode 221 of the vibration unit 22 of the crystal unit 101 and the external connection terminal 106 on the bottom surface of the package body 104 are connected to the first extraction electrode 223, the wiring pattern 33, the first through hole 26, and the second.
- the through holes 45, the external electrode terminals 431, the electrode pads 110a, and the through holes 111a are electrically connected.
- the second excitation electrode 222 of the vibration unit 22 of the crystal unit 101 and the external connection terminal 106 on the bottom surface of the package body 104 are the second extraction electrode 224, the third through hole 46, the external electrode terminal 432, the electrode.
- the pads 110b and the through holes 111b are electrically connected.
- the conductive adhesive 107 extends from the bottom surface (the other main surface 412 of the second sealing member 4) of the crystal unit 101 to the side surface of the crystal unit 101. And is arranged so as to reach the upper surface of the crystal unit 101 (one main surface 311 of the first sealing member 3). That is, the conductive adhesive 107 is applied to the crystal unit 101 in an overcoating state. Thereby, the conductive adhesive 107 can further improve the stability of the support of the crystal unit 101 with respect to the package 103, and can further improve the shock resistance and vibration resistance of the crystal unit 100C. .
- the conductive adhesive 107 may be disposed so as to reach the vicinity of the upper surface of the crystal resonator 101 (for example, the side surface of the first sealing member 3) without being disposed on the upper surface of the crystal resonator 101.
- the crystal resonator unit 100C can be reduced in height.
- the crystal resonator 101 and the IC chip may be accommodated in the recess 104d of the package main body 104 to be configured as a crystal oscillator.
- the external connection terminals 106 and 106, the electrode pads 110c and 110d of the package body 104, which are provided as dummy terminals (NC terminals), and the external electrode terminals 433 and 434 of the second sealing member 4 are also used.
- electrical connection to the first and second excitation electrodes 221 and 222 of the crystal resonator 101 and the IC chip may be performed.
- the conductive adhesive 107 may be provided in the four corner regions of the crystal unit 101, and the conductive adhesive 107 is disposed so as to avoid the four corners (vertices) 101a of the crystal unit 101. Also good.
- a conductive adhesive 107 may be provided on the pair of long sides 101b and 101b of the crystal unit 101 as in the crystal unit 100D (Modification 4) shown in FIG.
- a conductive adhesive 107 may be provided on the pair of short sides 101c and 101c of the crystal unit 101 as in the crystal unit 100E (Modification 5) shown in FIG.
- the crystal unit 101 is mounted on the inner wall of the package 103 with four-point support.
- the crystal resonator 101 may be supported on the inner wall of the package 103 in at least two of the four corner regions of the crystal resonator 101. That is, the crystal unit 101 may be attached to the inner wall of the package 103 by two-point support, three-point support, or five-point support or more.
- the crystal unit 101 is arranged at the approximate center position of the recess 104d of the package body 104.
- the crystal resonator 101 may be disposed so as to be offset with respect to the position.
- the quartz crystal unit hermetically sealed in the package 103 is a single crystal unit.
- the present invention is not limited to this, and a sensor with a sensor element (for example, a thermistor) integrated with the quartz crystal unit is provided.
- the crystal resonator may be hermetically sealed in the package 103, or a crystal oscillator in which an IC chip constituting an oscillation circuit is integrally provided in the crystal resonator is hermetically sealed in the package 103. May be.
- the present invention can be used for a quartz crystal vibration device including a quartz crystal having a sandwich structure.
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Abstract
【課題】サンドイッチ構造の水晶振動子を備えた水晶振動デバイスにおいて、外部環境の変化に起因する特性変動等を抑制して信頼性を向上させること。 【解決手段】水晶発振器100では、水晶振動子101と、ICチップ102とが、パッケージ103内に気密封止されている。水晶振動子101は、一主面に第1励振電極221が形成され、他主面に第1励振電極221と対になる第2励振電極222が形成された水晶振動板2と、水晶振動板2の第1励振電極221を覆う第1封止部材3と、水晶振動板2の第2励振電極222を覆う第2封止部材4とを備え、第1封止部材3と水晶振動板2とが接合され、第2封止部材4と水晶振動板2とが接合されて、第1励振電極221と第2励振電極222とを含む水晶振動板2の振動部22が気密封止される構成になっている。
Description
本発明は、水晶振動デバイスに関する。
近年、各種電子機器の動作周波数の高周波化や、パッケージの小型化や低背化(薄型化)が進んでいる。そのため、高周波化やパッケージの小型化や低背化にともなって、水晶振動デバイス(例えば、水晶振動子、水晶発振器等)も高周波化やパッケージの小型化や低背化への対応が求められている。
この種の水晶振動デバイスでは、その筐体が略直方体形状のパッケージで構成されている。このパッケージは、ガラスや水晶からなる第1封止部材及び第2封止部材と、水晶からなり両主面に励振電極が形成された水晶振動板とから構成されている。そして、第1封止部材と第2封止部材とが水晶振動板を介して積層して接合されて、パッケージの内部(内部空間)に配された水晶振動板の振動部が気密封止されている(例えば、特許文献1)。以下、このような水晶振動デバイスの積層形態をサンドイッチ構造という。
上述したように、従来のサンドイッチ構造の水晶振動デバイスでは、水晶振動板の振動部が気密封止されており、水晶振動板の振動部が外部から遮断されている。しかし、パッケージの小型化や低背化にともなって、水晶振動板、第1封止部材、及び第2封止部材を薄く形成する必要がある。このため、例えば、温度や、気圧等のような外部環境の変化の影響を、水晶振動子の振動部が受けやすくなるといった問題点がある。そして、そのような外部環境の変化に起因して、水晶振動デバイスの特性(例えば、水晶振動子の圧電振動特性や、水晶発振器の発振特性)が変動したり、水晶振動デバイスの特性にノイズ成分が現れることなどが懸念される。
本発明は上述したような実情を考慮してなされたもので、サンドイッチ構造の水晶振動子を備えた水晶振動デバイスにおいて、外部環境の変化に起因する特性変動等を抑制して信頼性を向上させることを目的とする。
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、水晶振動子が、絶縁性材料により形成されたパッケージ内に気密封止された水晶振動デバイスであって、前記水晶振動子は、一主面に第1励振電極が形成され、他主面に前記第1励振電極と対になる第2励振電極が形成された水晶振動板と、前記水晶振動板の前記第1励振電極を覆う第1封止部材と、前記水晶振動板の前記第2励振電極を覆う第2封止部材とを備え、前記第1封止部材と前記水晶振動板とが接合され、前記第2封止部材と前記水晶振動板とが接合されて、前記第1励振電極と前記第2励振電極とを含む前記水晶振動板の振動部が気密封止される構成になっていることを特徴とする。なお、パッケージ内に気密封止される水晶振動子は、単体の水晶振動子であってもよいし、あるいは、水晶振動子にセンサ素子や、発振回路を構成する回路素子が一体的に設けられたものであってもよい。
上記構成によれば、水晶振動子の振動部を2重に気密封止することによって、水晶振動子の振動部への外部環境(例えば、温度や、気圧等)の変化の影響を最小限に抑えることができる。これにより、外部環境が変化したとしても、水晶振動デバイスの特性変動を抑制することができ、また、水晶振動デバイスの特性にノイズ成分が発生することを抑制できる。したがって、水晶振動デバイスの信頼性を向上させることができる。
上記構成の水晶振動デバイスにおいて、前記水晶振動子は、平面視で略矩形に形成されており、当該水晶振動子が、長辺方向の一端側でのみ、前記パッケージの内壁に支持されており、前記水晶振動子の前記水晶振動板は、前記振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有しており、前記連結部が、前記水晶振動子の長辺方向の他端側のみに設けられていることが好ましい。ここで、パッケージの内壁は、パッケージの内側壁、内底壁のほか、内側壁や内底壁に形成された段差部を含む意味である。
上記構成によれば、パッケージにおける水晶振動子の支持位置と、水晶振動板における振動部の連結位置とが、水晶振動子の長辺方向の一端側と他端側とに分かれているので、パッケージから水晶振動板の振動部までの熱伝導経路を長く確保することができる。これにより、外部の温度が急激に変化したとしても、水晶振動板の振動部の急激な温度変化を抑制することができ、外部の温度変化に起因する水晶振動デバイスの特性変動や、ノイズ成分の発生を抑制することができる。
また、上記構成の水晶振動デバイスにおいて、前記水晶振動子は、平面視で略矩形に形成されており、当該水晶振動子が、長辺方向の両端側でそれぞれ前記パッケージの内壁に支持されており、前記水晶振動子の前記水晶振動板は、前記振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有する構成になっていることが好ましい。
上記構成によれば、水晶振動子を長辺方向の両端側で支持することによって、パッケージに対する水晶振動子の支持の安定性を向上させることができる。これにより、水晶振動デバイスの耐衝撃性及び耐振動性を向上させることができる。
この場合、前記水晶振動子は、当該水晶振動子の4隅の領域で、前記パッケージの内壁に支持されていることが好ましい。
上記構成によれば、パッケージに対する水晶振動子の支持形態として、4点支持の構成を採用することによって、水晶振動デバイスの耐衝撃性及び耐振動性をさらに向上させることができる。
また、この場合、前記水晶振動子は、導電性接着剤によって前記パッケージの内壁に支持されており、前記導電性接着剤は、前記水晶振動子の底面から側面を経由して上面まで達するように配置されていることが好ましい。
上記構成によれば、導電性接着剤によって、パッケージに対する水晶振動子の支持の安定性をさらに向上させることができ、水晶振動デバイスの耐衝撃性及び耐振動性への耐性をさらに向上させることができる。
ここで、上記構成の水晶振動デバイスにおいて、前記水晶振動子と、センサ素子または発振回路を構成する回路素子とが、前記パッケージに設けられた同一の空間に収容され、気密封止されていてもよい。あるいは、前記パッケージの一主面側に形成された第1凹部に前記水晶振動子が収容され、気密封止されるとともに、前記パッケージの他主面側に形成された第2凹部に、センサ素子または発振回路を構成する回路素子が収容されていてもよい。この場合、パッケージの一主面側に形成された第1凹部に水晶振動子を収容し、パッケージの他主面側に形成された第2凹部に回路素子を収容する構成では、回路素子から放射される熱や電磁波等が、パッケージによって遮断または低減される。このため、回路素子の熱や電磁波等の、水晶振動子の振動部への影響を抑制することができる。
上記構成の水晶振動デバイスにおいて、前記水晶振動子を収容する前記パッケージのパッケージ本体が、セラミックによって形成されていることが好ましい。
上記構成によれば、水晶振動子の水晶振動板の熱伝導率が、パッケージのパッケージ本体の熱伝導率よりも小さいので、水晶振動板の振動部の急激な温度変化を抑制することができ、外部の温度変化に起因する水晶振動デバイスの特性変動を抑制することができる。
本発明によれば、サンドイッチ構造の水晶振動子を備えた水晶振動デバイスにおいて、例えば、温度や、気圧等のような外部環境が変化したとしても、水晶振動デバイスの特性変動を抑制することができ、水晶振動デバイスの信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、水晶振動デバイスとして水晶発振器を例にしながら図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施の形態にかかる水晶発振器100は、圧電振動を行う水晶振動板2を有する水晶振動子101と、この水晶振動子101とともに発振回路を構成するICチップ(集積回路素子)102と、これら水晶振動子101及びICチップ102を収容するパッケージ103とを備えている。
パッケージ103は、水晶振動子101及びICチップ102を収容する凹部104dを有するパッケージ本体104と、このパッケージ本体104に収容された水晶振動子101及びICチップ102を気密封止するための蓋105とを備えている。
パッケージ本体104は、例えばセラミック等の絶縁性材料からなり、底壁部104aと、この底壁部104aの周縁上に形成された第1側壁部104bと、この第1側壁部104bの周縁上に形成された第2側壁部104cとを備えている。底壁部104a、第1側壁部104b、及び第2側壁部104cは、一体的に形成されている。底壁部104a、第1側壁部104b、及び第2側壁部104cは、例えば、3層のセラミック基板を積層し、焼成することによって、一体的に形成されるようになっている。なお、パッケージ本体104を、単層のセラミック基板、あるいは4層以上のセラミック基板によって形成してもよい。
パッケージ本体104では、底壁部104a、第1側壁部104b、及び第2側壁部104cによって、上面が開口された凹部104dが形成されている。また、第1側壁部104b及び第2側壁部104cによって、平面視で環状の段差部104eが形成されている。
パッケージ本体104の凹部104dには、水晶振動子101及びICチップ102が収容されている。水晶振動子101は、パッケージ本体104の段差部104e(第1側壁部104bの上面)に片持ち支持の状態で搭載されている。ICチップ102は、パッケージ本体104の底面(底壁部104aの上面)に搭載されている。パッケージ本体104の底面には、複数の外部接続端子106が形成されている。パッケージ本体104の上面(第2側壁部104cの上面)には、図示しない封止部材としての金属製のシームリング、ろう材等を介して、平板状の蓋105が一体的に取り付けられている。これにより、パッケージ103が略直方体形状に形成されるとともに、凹部104dに収容された水晶振動子101及びICチップ102が気密封止される構造となっている。パッケージ103内は、例えば大気圧よりも減圧された真空状態(例えば、100Pa以下の圧力)とされている。なお、蓋105は、平板状の部材の周縁部に環状の壁部が設けられたキャップ状のものであってもよい。また、パッケージ103内を真空状態に減圧する代わりに、パッケージ103内に不活性ガスを封入してパッケージ103内を不活性雰囲気に保持するようにしてもよい。
水晶振動子101は、後述するように、平面視で略矩形に形成されている(図2~図8参照)。水晶振動子101は、平面視での長辺方向の一端側においてのみ、パッケージ本体104の段差部104eに支持されている。水晶振動子101の長辺方向の他端側は、パッケージ本体104の段差部104eから離間して設けられている。水晶振動子101の底面に形成された一対の外部電極端子431,432(図8参照)が、パッケージ本体104の段差部104eに設けられた一対の電極パッド(図示省略)に、それぞれ導電性接着剤107によって接続されている。一対の電極パッドは、図1のW1方向に垂直な方向に沿って配列されている。この場合、一対の電極パッドは、図1の紙面に垂直な方向の手前側と奥側とに所定の間隔を隔てて設けられている。また、一対の電極パッドは、図1のW1方向の一端側の段差部104eにのみ設けられており、W1方向の他端側の段差部104eには設けられていない。
ICチップ102は、例えば、フリップチップボンディングにより、パッケージ本体104の底面に形成された配線パターン(図示省略)に、複数のバンプ108を介して接続されている。ICチップ102は、図示しない配線を介して、パッケージ本体104の段差部104eに設けられた一対の電極パッド、及び、パッケージ本体104の底面に設けられた複数の外部接続端子106に接続されている。なお、ワイヤボンディングにより、ICチップ102をパッケージ本体104に搭載してもよい。
次に、水晶発振器100に備えられる水晶振動子101について、図2~図8を参照して説明する。
図2~図8に示すように、水晶振動子101は、水晶振動板2と、水晶振動板2の一主面211に形成された第1励振電極221を覆い、この第1励振電極221を気密封止する第1封止部材3と、水晶振動板2の他主面212に第1励振電極221と対になって形成された第2励振電極222を覆い、この第2励振電極222を気密封止する第2封止部材4とを備えている。この水晶振動子101では、水晶振動板2と第1封止部材3とが接合され、水晶振動板2と第2封止部材4とが接合されてサンドイッチ構造の振動子パッケージ12が構成される。
そして、水晶振動板2を介して第1封止部材3と第2封止部材4とが接合されることで、振動子パッケージ12の内部空間13が形成され、この振動子パッケージ12の内部空間13に、水晶振動板2の両主面211,212に形成された第1励振電極221及び第2励振電極222を含む振動部22が気密封止されている。振動子パッケージ12内は、上述したパッケージ103内よりも真空度が高い高真空状態(例えば、0.1mPa程度の圧力)とされている。振動子パッケージ12は、例えば、1.0×0.8mmのパッケージサイズであり、小型化と低背化とを図ったものである。また、小型化に伴い、振動子パッケージ12では、キャスタレーションを形成せずに、貫通孔(第1~第3貫通孔)を用いて電極の導通を図っている。
次に、水晶振動子101の各構成について説明する。なお、ここでは、水晶振動板2と第1封止部材3と第2封止部材4が接合されていない夫々単体として構成されている状態の各部材について説明を行う。
水晶振動板2は、図5、図6に示すように、圧電材料である水晶からなり、その両主面(一主面211,他主面212)が平坦平滑面(鏡面加工)として形成されている。ここでは、水晶振動板2として、厚みすべり振動を行うATカット水晶板が用いられている。
図5、図6に示す水晶振動板2では、水晶振動板2の両主面211,212が、XZ´平面とされている。このXZ´平面において、水晶振動板2の短手方向(短辺方向)に平行な方向がX軸方向とされ、水晶振動板2の長手方向(長辺方向)に平行な方向がZ´軸方向とされている。なお、ATカットは、人工水晶の3つの結晶軸である電気軸(X軸)、機械軸(Y軸)、及び光学軸(Z軸)のうち、Z軸に対してX軸周りに35°15′だけ傾いた角度で切り出す加工手法である。ATカット水晶板では、X軸は水晶の結晶軸に一致する。Y´軸及びZ´軸は、水晶の結晶軸のY軸及びZ軸からそれぞれ35°15′傾いた軸に一致する。Y´軸方向及びZ´軸方向は、ATカット水晶板を切り出すときの切り出し方向に相当する。なお、水晶発振器100のパッケージ103に水晶振動子101が搭載された状態では、Z´軸方向は、図1のW1方向に一致する。
水晶振動板2の両主面211,212に一対の励振電極(第1励振電極221,第2励振電極222)が形成されている。水晶振動板2は、略矩形に形成された振動部22と、この振動部22の外周を取り囲む外枠部23と、振動部22と外枠部23とを連結する連結部(保持部)24とを有しており、振動部22と連結部24と外枠部23とが一体的に設けられた構成となっている。連結部24は、振動部22と外枠部23との間の1箇所のみに設けられており、連結部24が設けられていない箇所は空間(隙間)22bになっている。また、図示していないが、振動部22及び連結部24は、外枠部23よりも薄く形成されている。このような外枠部23と連結部24との厚みの違いにより、外枠部23と連結部24の圧電振動の固有振動数が異なることになり、連結部24の圧電振動に外枠部23が共鳴しにくくなる。
連結部24は、振動部22の+X方向かつ-Z´方向に位置する1つの角部22aのみから、-Z´方向に向けて外枠部23まで延びている(突出している)。このように、振動部22の外周端部のうち、圧電振動の変位が比較的小さい角部22aに連結部24が設けられているので、連結部24を角部22a以外の部分(辺の中央部)に設けた場合に比べて、連結部24を介して圧電振動が外枠部23に漏れることを抑制することができ、より効率的に振動部22を圧電振動させることができる。また、連結部24を2つ以上設けた場合に比べて、振動部22に作用する応力を低減することができ、そのような応力に起因する圧電振動の周波数シフトを低減して圧電振動の安定性を向上させることができる。
振動部22の一主面側に第1励振電極221が設けられ、振動部22の他主面側に第2励振電極222が設けられている。第1励振電極221,第2励振電極222には、外部電極端子431,432に接続するための第1引出電極223,第2引出電極224が接続されている。第1引出電極223は、第1励振電極221から引き出され、連結部24を経由して、外枠部23に形成された接続用接合パターン27に繋がっている。第2引出電極224は、第2励振電極222から引き出され、連結部24を経由して、外枠部23に形成された接続用接合パターン28に繋がっている。このように、連結部24の一主面側に第1引出電極223が形成され、連結部24の他主面側に第2引出電極224が形成されている。第1励振電極221及び第1引出電極223は、一主面211上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。第2励振電極222及び第2引出電極224は、他主面212上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。
水晶振動板2の両主面211,212には、水晶振動板2を第1封止部材3及び第2封止部材4に接合するための振動側封止部25が夫々設けられている。水晶振動板2の一主面211の振動側封止部25に、第1封止部材3に接合するための振動側第1接合パターン251が形成されている。また、水晶振動板2の他主面212の振動側封止部25に、第2封止部材4に接合するための振動側第2接合パターン252が形成されている。振動側第1接合パターン251及び振動側第2接合パターン252は、上述した外枠部23に設けられており、平面視で環状に形成されており、外縁形状及び内縁形状が略矩形に形成されている。振動側第1接合パターン251及び振動側第2接合パターン252は、水晶振動板2の両主面211,212の外周縁に近接するように設けられている。水晶振動板2の一対の第1励振電極221,第2励振電極222は、振動側第1接合パターン251及び振動側第2接合パターン252とは電気的に接続されていない。
振動側第1接合パターン251は、一主面211上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。振動側第2接合パターン252は、他主面212上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。つまり、振動側第1接合パターン251と振動側第2接合パターン252とは、同一構成からなり、複数の層が両主面211,212の振動側封止部25上に積層して構成され、その最下層側からTi層(もしくはCr層)とAu層とが蒸着形成されている。このように、振動側第1接合パターン251と振動側第2接合パターン252とでは、下地PVD膜が単一の材料(Ti(もしくはCr))からなり、電極PVD膜が単一の材料(Au)からなり、下地PVD膜よりも電極PVD膜の方が厚い。また、水晶振動板2の一主面211に形成された第1励振電極221と振動側第1接合パターン251とは同一厚みを有し、第1励振電極221と振動側第1接合パターン251との表面が同一金属からなり、水晶振動板2の他主面212に形成された第2励振電極222と振動側第2接合パターン252とは同一厚みを有し、第2励振電極222と振動側第2接合パターン252との表面が同一金属からなる。また、振動側第1接合パターン251と振動側第2接合パターン252は、非Snパターンである。
ここで、第1励振電極221、第1引出電極223及び振動側第1接合パターン251を同一の構成とすることができ、この場合、同一のプロセスで第1励振電極221、第1引出電極223及び振動側第1接合パターン251を一括して形成することができる。同様に、第2励振電極222、第2引出電極224及び振動側第2接合パターン252を同一の構成とすることができ、この場合、同一のプロセスで第2励振電極222、第2引出電極224及び振動側第2接合パターン252を一括して形成することができる。詳細には、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティング、MBE、レーザーアブレーションなどのPVD法(例えば、フォトリソグラフィ等の加工におけるパターンニング用の膜形成法)により下地PVD膜や電極PVD膜を形成することで、一括して膜形成を行い、製造工数を減らすことができ、コスト低減に寄与することができる。
また、水晶振動板2には、図5、図6に示すように、一主面211と他主面212との間を貫通する1つの貫通孔(第1貫通孔26)が形成されている。第1貫通孔26は、水晶振動板2の外枠部23に設けられている。第1貫通孔26は、第2封止部材4の接続用接合パターン453に繋がるものである。
第1貫通孔26には、図2、図5、図6に示すように、一主面211と他主面212とに形成された電極の導通を図るための貫通電極261が、第1貫通孔26の内壁面に沿って形成されている。そして、第1貫通孔26の中央部分は、一主面211と他主面212との間を貫通した中空状態の貫通部分262となる。第1貫通孔26の外周囲には、接続用接合パターン264,265が形成されている。接続用接合パターン264,265は、水晶振動板2の両主面211,212に設けられている。
水晶振動板2の一主面211に形成された第1貫通孔26の接続用接合パターン264は、外枠部23において、X軸方向に沿って延びている。また、水晶振動板2の一主面211には、第1引出電極223に繋がる接続用接合パターン27が形成されており、この接続用接合パターン27も、外枠部23において、X軸方向に沿って延びている。接続用接合パターン27は、振動部22(第1励振電極221)を挟んで、接続用接合パターン264とはZ´軸方向の反対側に設けられている。つまり、振動部22のZ´軸方向の両側に、接続用接合パターン27,264が設けられている。
同様に、水晶振動板2の他主面212に形成された第1貫通孔26の接続用接合パターン265は、外枠部23において、X軸方向に沿って延びている。また、水晶振動板2の他主面212には、第2引出電極224に繋がる接続用接合パターン28が形成されており、この接続用接合パターン28も、外枠部23において、X軸方向に沿って延びている。接続用接合パターン28は、振動部22(第2励振電極222)を挟んで、接続用接合パターン265とはZ´方向の反対側に設けられている。つまり、振動部22のZ´方向の両側に、接続用接合パターン28,265が設けられている。
接続用接合パターン27,28,264,265は、振動側第1接合パターン251,振動側第2接合パターン252と同様の構成であり、振動側第1接合パターン251,振動側第2接合パターン252と同一のプロセスで形成することができる。具体的には、接続用接合パターン27,28,264,265は、水晶振動板2の両主面211,212上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、当該下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。
水晶振動子101では、第1貫通孔26及び接続用接合パターン27,28,264,265は、平面視で内部空間13の内方(接合材11の内周面の内側)に形成される。内部空間13は、平面視で振動側第1接合パターン251及び振動側第2接合パターン252の内方(内側)に形成される。内部空間13の内方とは、後述する接合材11上を含まずに厳密に接合材11の内周面の内側のことをいう。第1貫通孔26及び接続用接合パターン27,28,264,265は、振動側第1接合パターン251及び振動側第2接合パターン252とは電気的に接続されていない。
第1封止部材3には、曲げ剛性(断面二次モーメント×ヤング率)が1000[N・mm2]以下の材料が用いられている。具体的には、第1封止部材3は、図3、図4に示すように、水晶からなる略直方体の基板であり、この第1封止部材3の他主面312(水晶振動板2に接合する面)は平坦平滑面(鏡面加工)として形成されている。
この第1封止部材3の他主面312には、水晶振動板2に接合するための封止側第1封止部32が設けられている。封止側第1封止部32には、水晶振動板2に接合するための封止側第1接合パターン321が形成されている。封止側第1接合パターン321は、平面視で環状に形成されており、外縁形状及び内縁形状が略矩形に形成されている。封止側第1接合パターン321は、第1封止部材3の他主面312の外周縁に近接するように設けられている。封止側第1接合パターン321は、第1封止部材3の封止側第1封止部32上の全ての位置において同一幅とされる。
この封止側第1接合パターン321は、第1封止部材3上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。なお、下地PVD膜には、Ti(もしくはCr)が用いられ、電極PVD膜にはAuが用いられている。また、封止側第1接合パターン321は、非Snパターンである。具体的には、封止側第1接合パターン321は、複数の層が他主面312の封止側第1封止部32上に積層して構成され、その最下層側からTi層(もしくはCr層)とAu層とが蒸着形成されている。
第1封止部材3の他主面312、つまり、水晶振動板2との対向面には、水晶振動板2の接続用接合パターン264,27と接合される接続用接合パターン35,36が形成されている。接続用接合パターン35,36は、第1封止部材3の短辺方向(図4のA1方向)に方向に沿って延びている。接続用接合パターン35,36は、第1封止部材3の長辺方向(図4のA2方向)に所定の間隔を隔てて設けられており、接続用接合パターン35,36のA2方向の間隔は、水晶振動板2の接続用接合パターン264,27のZ´軸方向の間隔(図5参照)と略同じになっている。接続用接合パターン35,36は、配線パターン33を介して互いに接続されている。配線パターン33は、接続用接合パターン35,36の間に設けられている。配線パターン33は、A2方向に沿って延びている。配線パターン33は、水晶振動板2の接続用接合パターン264,27とは接合されないようになっている。
接続用接合パターン35,36及び配線パターン33は、封止側第1接合パターン321と同様の構成であり、封止側第1接合パターン321と同一のプロセスで形成することができる。具体的には、接続用接合パターン35,36及び配線パターン33は、第1封止部材3の他主面312上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、当該下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。
水晶振動子101では、接続用接合パターン35,36及び配線パターン33は、平面視で内部空間13の内方(接合材11の内周面の内側)に形成される。接続用接合パターン35,36及び配線パターン33は、封止側第1接合パターン321とは電気的に接続されていない。なお、水晶振動子101では、図4のA1方向は、図5のX軸方向に一致し、図4のA2方向は、図5のZ´軸方向に一致する。
第2封止部材4には、曲げ剛性(断面二次モーメント×ヤング率)が1000[N・mm2]以下の材料が用いられている。具体的には、第2封止部材4は、図7、図8に示すように、水晶からなる略直方体の基板であり、この第2封止部材4の一主面411(水晶振動板2に接合する面)は平坦平滑面(鏡面加工)として形成されている。
この第2封止部材4の一主面411には、水晶振動板2に接合するための封止側第2封止部42が設けられている。封止側第2封止部42には、水晶振動板2に接合するための封止側第2接合パターン421が形成されている。封止側第2接合パターン421は、平面視で環状に形成されており、外縁形状及び内縁形状が略矩形に形成されている。封止側第2接合パターン421は、第2封止部材4の一主面411の外周縁に近接するように設けられている。封止側第2接合パターン421は、第2封止部材4の封止側第2封止部42上の全ての位置において同一幅とされる。
この封止側第2接合パターン421は、第2封止部材4上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、この下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。なお、下地PVD膜には、Ti(もしくはCr)が用いられ、電極PVD膜にはAuが用いられている。また、封止側第2接合パターン421は、非Snパターンである。具体的には、封止側第2接合パターン421は、複数の層が他主面412の封止側第2封止部42上に積層して構成され、その最下層側からTi層(もしくはCr層)とAu層とが蒸着形成されている。
また、第2封止部材4の他主面412(水晶振動板2に面しない外方の主面)には、外部に電気的に接続する一対の外部電極端子431,432が設けられている。一対の外部電極端子431,432は、図8に示すように、第2封止部材4の他主面412の平面視長辺方向に沿って延びるように形成されている。これら一対の外部電極端子431,432は、他主面412上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、これら下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。
第2封止部材4には、図2、図7、図8に示すように、一主面411と他主面412との間を貫通する2つの貫通孔(第2貫通孔45,第3貫通孔46)が形成されている。第2貫通孔45は、外部電極端子431及び水晶振動板2の接続用接合パターン265に繋がるものである。第3貫通孔46は、外部電極端子432及び水晶振動板2の接続用接合パターン28に繋がるものである。
第2貫通孔45,第3貫通孔46には、図2、図7、図8に示すように、一主面411と他主面412とに形成された電極の導通を図るための貫通電極451,461が、第2貫通孔45,第3貫通孔46の内壁面夫々に沿って形成されている。そして、第2貫通孔45,第3貫通孔46の中央部分は、一主面411と他主面412との間を貫通した中空状態の貫通部分452,462となる。第2貫通孔45,第3貫通孔46夫々の外周囲には、接続用接合パターン453,463が形成されている。
接続用接合パターン453,463は、第2封止部材4の一主面411に設けられており、水晶振動板2の接続用接合パターン265,28と接合される。接続用接合パターン453,463は、第2封止部材4の短辺方向(図7のB1方向)に方向に沿って延びている。接続用接合パターン453,463は、第2封止部材4の長辺方向(図7のB2方向)に所定の間隔を隔てて設けられており、接続用接合パターン453,463のB2方向の間隔は、水晶振動板2の接続用接合パターン265,28のZ´軸方向の間隔(図6参照)と略同じになっている。
接続用接合パターン453,463は、封止側第2接合パターン421と同様の構成であり、封止側第2接合パターン421と同一のプロセスで形成することができる。具体的には、接続用接合パターン453,463は、第2封止部材4の一主面411上に物理的気相成長させて形成された下地PVD膜と、当該下地PVD膜上に物理的気相成長させて積層形成された電極PVD膜とからなる。
水晶振動子101では、第2貫通孔45,第3貫通孔46及び接続用接合パターン453,463は、平面視で内部空間13の内方に形成されている。第2貫通孔45,第3貫通孔46及び接続用接合パターン453,463は、封止側第2接合パターン421とは電気的に接続されていない。また、外部電極端子431,432も、封止側第2接合パターン421とは電気的に接続されていない。尚、水晶振動子101では、図7のB1方向は、図6のX軸方向に一致し、図7のB2方向は、図6のZ´軸方向に一致する。
上記の水晶振動板2、第1封止部材3、及び第2封止部材4を含む水晶振動子101では、従来の技術のように別途接着剤等の接合専用材を用いずに、水晶振動板2と第1封止部材3とが振動側第1接合パターン251及び封止側第1接合パターン321を重ね合わせた状態で拡散接合され、水晶振動板2と第2封止部材4とが振動側第2接合パターン252及び封止側第2接合パターン421を重ね合わせた状態で拡散接合されて、図2に示すサンドイッチ構造の振動子パッケージ12が製造される。これにより、振動子パッケージ12の内部空間13、つまり、振動部22の収容空間が気密封止される。
そして、振動側第1接合パターン251及び封止側第1接合パターン321自身が拡散接合後に生成される接合材11となり、この接合材11によって水晶振動板2と第1封止部材3とが接合される。振動側第2接合パターン252及び封止側第2接合パターン421自身が拡散接合後に生成される接合材11となり、この接合材11によって水晶振動板2と第2封止部材4とが接合される。接合材11,11は、平面視で環状に形成されており、外縁形状及び内縁形状が略矩形に形成されている。接合材11,11は、平面視で略一致する位置に設けられている。つまり、接合材11,11の内周縁が略一致する位置に設けられ、接合材11,11の外周縁が略一致する位置に設けられている。なお、各接合パターンの接合を加圧した状態で行うことによって、接合材11,11の接合強度を向上させることが可能である。
ここで、水晶振動板2の第1、第2励振電極221,222から外部電極端子431,432までの配線がいずれも、平面視で、封止部としての接合材11a,11bの内方に設けられている。接合材11,11は、平面視で、外縁形状及び内縁形状が略矩形に形成されており、振動子パッケージ12の外周縁に近接するように形成されている。これにより、水晶振動板2の振動部22のサイズを大きくすることが可能になっている。なお、接合材11,11の内周縁と、振動部22及び外枠部23の間の空間22bとの距離は、振動子パッケージ12の短辺側のほうが、長辺側よりも大きくなっている。
また、この際、上述した接続用接合パターン同士も重ね合わせられた状態で拡散接合される。具体的には、水晶振動板2の接続用接合パターン264及び第1封止部材3の接続用接合パターン35が拡散接合される。水晶振動板2の接続用接合パターン27及び第1封止部材3の接続用接合パターン36が拡散接合される。また、水晶振動板2の接続用接合パターン265及び第2封止部材4の接続用接合パターン453が拡散接合される。水晶振動板2の接続用接合パターン28及び第2封止部材4の接続用接合パターン463が拡散接合される。
そして、接続用接合パターン264及び接続用接合パターン35自身が拡散接合後に生成される接合材14となり、この接合材14によって水晶振動板2と第1封止部材3とが接合される。接続用接合パターン27及び接続用接合パターン36自身が拡散接合後に生成される接合材14となり、この接合材14によって水晶振動板2と第1封止部材3とが接合される。また、接続用接合パターン265及び接続用接合パターン453自身が拡散接合後に生成される接合材14となり、この接合材14によって水晶振動板2と第2封止部材4とが接合される。接続用接合パターン28及び接続用接合パターン463自身が拡散接合後に生成される接合材14となり、この接合材14によって水晶振動板2と第2封止部材4とが接合される。これらの接合材14は、貫通孔の貫通電極と接合材14とを導通させる役割、及び接合箇所を気密封止する役割を果たす。なお、接合材14は、平面視で封止部としての接合材11よりも内方に設けられるため、図2では破線で示している。一方、配線パターン33は、水晶振動板2の接続用接合パターン264,27とは接合されないため、接合材14とはならず、第1封止部材3の他主面312上に配線として残る。
そして、上述のようにして製造されたサンドイッチ構造の振動子パッケージ12では、第1封止部材3と水晶振動板2とは、1.00μm以下のギャップを有し、第2封止部材4と水晶振動板2とは、1.00μm以下のギャップを有する。つまり、第1封止部材3と水晶振動板2との間の接合材11aの厚みが、1.00μm以下であり、第2封止部材4と水晶振動板2との間の接合材11bの厚みが、1.00μm以下(具体的には、Au-Au接合では0.15μm~1.00μm)である。なお、比較として、Snを用いた従来の金属ペースト封止材では、5μm~20μmとなる。
本実施の形態にかかる水晶発振器100は、上述のように構成されたサンドイッチ構造の水晶振動子101を備えている。サンドイッチ構造の水晶振動子101は、小型化や低背化(薄型化)に対応可能であることから、本実施の形態にかかる水晶発振器100も、小型化や低背化に対応可能になっている。
そして、本実施の形態では、水晶発振器100において、サンドイッチ構造の水晶振動子101と、ICチップ102とが、パッケージ103内に気密封止されている。このように、水晶振動子101の振動部22を2重に気密封止することによって、水晶振動子101の振動部22への外部環境(例えば、温度や、気圧等)の変化の影響を最小限に抑えることができる。これにより、外部環境が変化したとしても、水晶発振器100の発振特性の変動を抑制することができ、また、水晶発振器100の発振特性にノイズ成分が発生することを抑制できる。したがって、水晶発振器100の小型化や低背化の要求を満たしつつ、水晶発振器100の信頼性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、水晶振動子101は、平面視で略矩形に形成されており、この水晶振動子101が、平面視での長辺方向の一端側でのみ、パッケージ103の内壁(パッケージ本体104の段差部104e)に支持されている。一方、水晶振動子101の水晶振動板2は、振動部22が、水晶振動子101の平面視での長辺方向の他端側でのみ、外枠部23に連結される構成になっている。このように、パッケージ103における水晶振動子101の支持位置と、水晶振動板2における振動部22の連結位置とが、水晶振動子101の平面視での長辺方向の一端側と他端側とに分かれているので、パッケージ103から水晶振動板2の振動部22までの熱伝導経路を長く確保することができる。これにより、外部の温度が急激に変化したとしても、水晶振動板2の振動部22の急激な温度変化を抑制することができ、外部の温度変化に起因する水晶発振器100の発振特性の変動や、ノイズ成分の発生を抑制することができる。
また、本実施の形態では、水晶振動子101及びICチップ102を収容するパッケージ103のパッケージ本体104が、セラミックによって形成されており、水晶振動子101の水晶振動板2、第1封止部材3、及び第2封止部材4が、水晶によって形成されている。このように、水晶振動子101の水晶振動板2等の熱伝導率が、パッケージ103のパッケージ本体104の熱伝導率よりも小さいので、水晶振動板2の振動部22の急激な温度変化を抑制することができ、外部の温度変化に起因する水晶発振器100の発振特性の変動を抑制することができる。
本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
上記実施形態では、水晶振動板2にATカット水晶を用いたが、これに限定されるものではなく、ATカット水晶以外の水晶を用いてもよい。また、第1封止部材3及び第2封止部材4に水晶を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばガラス等の絶縁性材料を用いてもよい。
上記実施形態では、本発明を水晶発振器に適用した例について説明したが、これに限らず、本発明は、水晶振動子など他の振動デバイスにも適用可能である。本発明を水晶振動子に適用する場合、例えば、図1において、ICチップ102等を省略し、パッケージ本体104の段差部104eに形成された一対の電極パッドと、パッケージ本体104の底面に形成された一対の外部接続端子106とを直接(ICチップ102を介さずに)接続する構成とすればよい。このような水晶振動子によれば、振動子パッケージ12及びパッケージ103によって、水晶振動板2の振動部22が2重に気密封止されるので、外部環境が変化したとしても、水晶振動子の圧電振動特性の変動を抑制することができ、また、水晶振動子の圧電振動特性にノイズ成分が発生することを抑制できる。
上記実施形態では、水晶振動子101と、ICチップ102とが、パッケージ103の同一の空間に収容されている場合について説明した。これに限らず、水晶振動子101と、ICチップ102とを、パッケージ103の異なる空間に収容する構成としてもよい。例えば、図9に示す水晶発振器100A(変形例1)のように、パッケージ本体104の一主面側に形成された凹部104dに水晶振動子101が収容され、パッケージ本体104の他主面側に形成された第2凹部104gにICチップ102が収容される構成としてもよい。図9に示す水晶発振器100Aによれば、ICチップ102から放射(輻射)される熱や電磁波等が、パッケージ本体104によって遮断または低減される。このため、ICチップ102の熱や電磁波等の、水晶振動子101の振動部22への影響を抑制することができる。なお、図9の例では、ICチップ102を第2凹部104gの底面に搭載しているが、ICチップ102を図示しない実装基板に搭載する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、水晶振動子101及びICチップ102を、パッケージ103内で上下に配置した場合について説明した。これに限らず、水晶振動子101及びICチップ102を、パッケージ103内で左右(あるいは前後)に配置する横置き配置の構成としてもよい。この場合、水晶振動子101及びICチップ102を、パッケージ103の同一の空間に配置してもよいし、あるいは、パッケージ103の異なる空間に配置してもよい。水晶振動子101及びICチップ102の配置を、上述した横置き配置にすることによって、実装基板から水晶振動子101の振動部22までの距離と、実装基板からICチップ102までの距離とを略同じ長さにすることが可能になる。言い換えれば、実装基板から水晶振動子101の振動部22までの熱伝導の経路長と、実装基板からICチップ102までの熱伝導の経路長とを略同じ長さにすることができ、これにより、水晶振動子101の振動部22と、ICチップ102との温度差に起因する周波数ドリフトを抑制することができる。
また、例えば、図10に示す水晶発振器100B(変形例2)のように、パッケージ本体104にシールド部材109を設ける構成としてもよい。図10に示す水晶発振器100Bでは、シールド部材109は、パッケージ本体104の底壁部104aの内部に設けられている。この場合、底壁部104aを2層のセラミック基板からなる構成とし、セラミック基板の間にシールド部材109を挟み込む構成とすればよい。図10に示す水晶発振器100Bによれば、シールド部材109によって、水晶発振器100Bの実装前後の特性変動を抑制することができる。また、シールド部材109によって、水晶発振器100Bの電磁シールド(EMC)の性能を向上させることができる。
上記実施形態では、水晶振動子101及びICチップ102をパッケージ103に搭載されたが、これに限らず、ICチップ102の代わりに、センサ素子をパッケージ103に搭載してもよい。例えば、センサ素子としてサーミスタをパッケージ103に搭載した場合、温度センサ付きの水晶振動子として構成することが可能である。
また、上記実施形態では、平面視で略矩形に形成された水晶振動子101が、長辺方向の一端側でのみ、パッケージ103の内壁に支持されている場合について説明した。これに限らず、水晶振動子101を長辺方向の両端側においてそれぞれパッケージ103の内壁に支持する構成としてもよい。例えば、図11~図13に示す水晶振動子ユニット100C(変形例3)のように、水晶振動子101の4隅の領域(4箇所)において、水晶振動子101をパッケージ103の内壁に支持する構成としてもよい。このように、水晶振動子101を長辺方向の両端側で支持することによって、パッケージ103に対する水晶振動子101の支持の安定性を向上させることができる。これにより、水晶振動子ユニット100Cの耐衝撃性を向上させることができ、また、耐振動性(例えば、FCB接合時の超音波振動等に対する耐性)を向上させることができる。この場合、パッケージ103に対する水晶振動子101の支持形態として、4点支持の構成を採用することによって、水晶振動子ユニット100Cの耐衝撃性及び耐振動性をさらに向上させることができる。
図11~図13に示す水晶振動子ユニット100Cでは、導電性接着剤107によって、水晶振動子101が、パッケージ103の内壁としてのパッケージ本体104の底面104fに支持されている。導電性接着剤107としては、例えば、シリコーン系や、ポリイミド系、エポキシ系等の合成樹脂を用いることが可能であるが、これに限らず、例えば、ろう材や、半田等を用いてもよい。
図11~図13に示す水晶振動子ユニット100Cでは、上記実施形態の場合(図1参照)とは異なり、パッケージ本体104の凹部104dに水晶振動子101のみが収容されており、ICチップは収容されていない。また、パッケージ本体104の凹部104dの底面104fに段差部が設けられておらず、底面104fが平坦に形成されている。パッケージ本体104の凹部104dの底面104fの4隅の領域には、電極パッド110a~110dがそれぞれ形成されている。4つの電極パッド110a~110dのうち、対角線上に配置された2つの(一対の)電極パッド110a,110bは、パッケージ本体104の内部に設けられた貫通孔(スルーホール)111a,111bを介して、パッケージ本体104の底面(裏面)に形成された外部接続端子106,106に電気的に接続されている。4つの電極パッド110a~110dのうち、残り2つの電極パッド110c,110dは、電気的な接続とは無関係のダミー端子(NC端子)として設けられている。なお、貫通孔の代わりに、パッケージ本体104の側面にキャスタレーションを設けることによって、電極パッド110a,110bと外部接続端子106,106とを電気的に接続してもよい。
また、2つの電極パッド110a,110bは、導電性接着剤107,107を介して、第2封止部材4の他主面412に形成された外部電極端子431,432に電気的に接続されている。この場合、第2封止部材4の他主面412に形成された外部電極端子431,432は、上記実施形態の場合(図8参照)とは異なり、図13に示すように、第2封止部材4の他主面412の4隅の領域のうち、対角線上の2つの領域に設けられている。なお、第2封止部材4の他主面412の4隅の領域のうち、残り2つの領域にも、外部電極端子433,434が設けられているが、外部電極端子433,434は、電気的な接続とは無関係のダミー端子(NC端子)として設けられている。また、パッケージ本体104の外部接続端子106も同様に、パッケージ本体104の底面の4隅の領域に設けられており、対角線上の2つの外部接続端子106,106が電気的な接続に用いられ、残り2つの外部接続端子106,106は電気的な接続とは無関係のダミー端子(NC端子)になっている。ただし、ダミー端子を設けず、パッケージ本体104の外部接続端子106を2端子のみの構成としてもよい。
これにより、水晶振動子101の振動部22の第1励振電極221と、パッケージ本体104の底面の外部接続端子106とが、第1引出電極223、配線パターン33、第1貫通孔26、第2貫通孔45、外部電極端子431、電極パッド110a、貫通孔111aを介して、電気的に接続されている。同様に、水晶振動子101の振動部22の第2励振電極222と、パッケージ本体104の底面の外部接続端子106とが、第2引出電極224、第3貫通孔46、外部電極端子432、電極パッド110b、貫通孔111bを介して、電気的に接続されている。
また、水晶振動子ユニット100Cでは、図11に示すように、導電性接着剤107が、水晶振動子101の底面(第2封止部材4の他主面412)から、水晶振動子101の側面を経由して、水晶振動子101の上面(第1封止部材3の一主面311)まで達するように配置されている。つまり、導電性接着剤107が、上塗りの状態で水晶振動子101に塗布されている。これにより、導電性接着剤107によって、パッケージ103に対する水晶振動子101の支持の安定性をさらに向上させることができ、水晶振動子ユニット100Cの耐衝撃性及び耐振動性をさらに向上させることができる。なお、導電性接着剤107を、水晶振動子101の上面に配置せずに、水晶振動子101の上面付近(例えば第1封止部材3の側面)まで達するように配置してもよく、この場合、水晶振動子ユニット100Cの低背化を図ることができる。
なお、図11~図13に示す構成において、パッケージ本体104の凹部104dに水晶振動子101及びICチップを収容し、水晶発振器として構成してもよい。この場合、ダミー端子(NC端子)として設けられた上述したパッケージ本体104の外部接続端子106,106、電極パッド110c,110d、及び、第2封止部材4の外部電極端子433,434も利用して、水晶振動子101の第1、第2励振電極221,222や、ICチップへの電気的な接続を行えばよい。
また、水晶振動子101の4隅の領域に導電性接着剤107が設けられていればよく、水晶振動子101の4つの角部(頂点)101aを避けて導電性接着剤107を配置してもよい。例えば、図14に示す水晶振動子ユニット100D(変形例4)のように、導電性接着剤107を水晶振動子101の一対の長辺101b,101b上に設けてもよいし、あるいは、図15に示す水晶振動子ユニット100E(変形例5)のように、導電性接着剤107を水晶振動子101の一対の短辺101c,101c上に設けてもよい。
なお、図11~図15に示す変形例3~5では、水晶振動子101を4点支持によってパッケージ103の内壁に装着したが、これに限らず、水晶振動子101を長辺方向の両端側においてそれぞれパッケージ103の内壁に支持する構成として、水晶振動子101の4隅の領域のうち少なくとも2つの領域で、水晶振動子101をパッケージ103の内壁に支持する構成としてもよい。つまり、2点支持、3点支持、あるいは5点以上の支持によって、水晶振動子101をパッケージ103の内壁に装着してもよい。
また、図11~図15に示す変形例3~5では、パッケージ本体104の凹部104dの略中央位置に水晶振動子101を配置したが、これに限らず、パッケージ本体104の凹部104dの略中央位置に対しオフセットするように、水晶振動子101を配置してもよい。
以上では、パッケージ103内に気密封止される水晶振動子を、単体の水晶振動子としたが、これに限らず、水晶振動子にセンサ素子(例えばサーミスタ)が一体的に設けられたセンサ付き水晶振動子を、パッケージ103内に気密封止してもよいし、あるいは、水晶振動子に発振回路を構成するICチップが一体的に設けられた水晶発振器を、パッケージ103内に気密封止してもよい。
この出願は、2016年11月16日に日本で出願された特願2016-223303号に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本出願に組み込まれるものである。
本発明は、サンドイッチ構造の水晶振動子を備えた水晶振動デバイスに利用可能である。
100 水晶発振器
101 水晶振動子
12 振動子パッケージ
13 内部空間
2 水晶振動板
22 振動部
221 第1励振電極
222 第2励振電極
23 外枠部
24 連結部
3 第1封止部材
4 第2封止部材
102 ICチップ(回路素子)
103 パッケージ
104 パッケージ本体
105 蓋
101 水晶振動子
12 振動子パッケージ
13 内部空間
2 水晶振動板
22 振動部
221 第1励振電極
222 第2励振電極
23 外枠部
24 連結部
3 第1封止部材
4 第2封止部材
102 ICチップ(回路素子)
103 パッケージ
104 パッケージ本体
105 蓋
Claims (9)
- 水晶振動子が、絶縁性材料により形成されたパッケージ内に気密封止された水晶振動デバイスであって、
前記水晶振動子は、
一主面に第1励振電極が形成され、他主面に前記第1励振電極と対になる第2励振電極が形成された水晶振動板と、
前記水晶振動板の前記第1励振電極を覆う第1封止部材と、
前記水晶振動板の前記第2励振電極を覆う第2封止部材とを備え、
前記第1封止部材と前記水晶振動板とが接合され、前記第2封止部材と前記水晶振動板とが接合されて、前記第1励振電極と前記第2励振電極とを含む前記水晶振動板の振動部が気密封止される構成になっている、
ことを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1に記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子は、平面視で略矩形に形成されており、当該水晶振動子が、長辺方向の一端側でのみ、前記パッケージの内壁に支持されており、
前記水晶振動子の前記水晶振動板は、前記振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有しており、前記連結部が、前記水晶振動子の長辺方向の他端側のみに設けられていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1に記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子は、平面視で略矩形に形成されており、当該水晶振動子が、長辺方向の両端側でそれぞれ前記パッケージの内壁に支持されており、
前記水晶振動子の前記水晶振動板は、前記振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有する構成になっていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項3に記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子は、当該水晶振動子の4隅の領域で、前記パッケージの内壁に支持されていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1~4のいずれか1つに記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子は、導電性接着剤によって前記パッケージの内壁に支持されており、
前記導電性接着剤は、前記水晶振動子の底面から側面を経由して上面まで達するように配置されていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1~5のいずれか1つに記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子には、センサ素子、または発振回路を構成する回路素子が一体的に設けられていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1~6のいずれか1つに記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子と、センサ素子または発振回路を構成する回路素子とが、前記パッケージに設けられた同一の空間に収容され、気密封止されていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1~6のいずれか1つに記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記パッケージの一主面側に形成された第1凹部に前記水晶振動子が収容され、気密封止されるとともに、
前記パッケージの他主面側に形成された第2凹部に、センサ素子または発振回路を構成する回路素子が収容されていることを特徴とする水晶振動デバイス。 - 請求項1~8のいずれか1つに記載の水晶振動デバイスにおいて、
前記水晶振動子を収容する前記パッケージのパッケージ本体が、セラミックによって形成されていることを特徴とする水晶振動デバイス。
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