JP2008066912A

JP2008066912A - 圧電振動デバイス

Info

Publication number: JP2008066912A
Application number: JP2006240957A
Authority: JP
Inventors: Minoru Iizuka; 実飯塚
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】圧電振動素子の接続方向による静電容量等電気的特性のアンバランスの発生を無くし、安定した特性を得られる圧電振動デバイスを提供する。
【解決手段】矩形状のパッケージ本体１と圧電振動素子３を有し、パッケージ本体の内底面で一端辺側に近接配置された第１、第２の電極パッドと、当該各電極パッドを第１、第２の外部端子へ導出する第１、第２の引出電極とが形成されており、前記圧電振動素子は、当該圧電振動素子の一端辺側で片持ち支持されるとともに、前記圧電振動素子の他端辺側に周波数調整用の金属膜領域が形成された圧電振動デバイスであって、前記第２の電極パッド１３には、前記各電極パッドから前記各外部端子までの静電容量の差を調整する容量調整電極１３ａが形成されており、前記容量調整電極は、前記圧電振動素子の周波数調整用の金属膜領域に及んでいない位置に形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は電子機器等に用いられる圧電振動デバイスのパッケージに関するものである。

従来、複数の励振電極が形成された圧電振動素子をセラミックパッケージ等に収納した構成において、セラミックパッケージに形成された導出電極の長さや面積が異なる場合、当該各励振電極とパッケージに形成された外部接続電極間の静電容量が異なることがある。このような場合、例えば出力される周波数特性は異なることがあり、本来の圧電振動素子の特性から乖離してしまうことがあった。このような問題点を解決するために、本出願人は先に特許文献１により、所望の特性を得ることができる圧電振動子を提案している。当該特許文献１においては、例えば圧電振動素子を片持ち支持する構成において、パッケージに形成された一対の内部接続電極（電極パッド）において、一方の内部接続電極には引出電極を形成し、他方の内部接続電極にはダミー電極を形成することにより、内部接続電極を外部に導出する電極の面積をほぼ同一にしている。このような構成により静電容量をほぼ同一とし、アンバランスを回避しているので、圧電振動素子をパッケージに搭載する際の方向性を考慮しなくてもよくなり、発振周波数変化等の電気的特性変化の不具合を解消していた。

また、上記特許文献１では、前記引出電極やダミー電極の短絡事故が生じる問題があるので、絶縁膜を形成するか、セラミックスとメタライズ層の積層技術により、セラミックパッケージの内部に形成するものが提案されている。この構成により、例えば水晶振動子等の圧電振動デバイスの場合は、上記圧電振動素子の表面に形成された励振電極や調整用の電極（金属膜）の厚さを増減して周波数等の特性調整を行うが、厚さを減じる調整（例えばイオンミーリング法による調整）においては、除去した電極の金属くずがパッケージ内部に飛散し、飛散した金属が内壁に再付着することにより短絡事故がなくなる。また厚さを増加させる調整（例えばパーシャル蒸着法による調整）においては、余分な電極材料がパッケージ内に残留することにより、短絡事故の発生することがなくなる。

しかしながら、上記特許文献１の絶縁膜形成による構成では、絶縁膜形成に伴う工程を増大せざるを得ないため、コスト増大を招いていた。また、上記特許文献１のセラミックパッケージの内部に引出電極やダミー電極を形成するものでは、コスト増大を招くだけでなく、低背化も妨げるものであった。

特開２００４−３２８５５３号

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、圧電振動素子の接続方向による静電容量等電気的特性のアンバランスの発生を無くし、安定した特性を得るとともに、パッケージ内における端子間の短絡を防止したより低薄化・小型化が実現できる圧電振動デバイスを提供することを目的としている。

そこで、本発明では、請求項１に示すように、パッケージ本体と圧電振動素子を有し、前記パッケージ本体は、平面視矩形状のセラミック積層基板からなり、当該パッケージ本体の内底面で一端辺側に近接配置された一対の第１、第２の電極パッドと、当該各電極パッドを外部端子に導出する引出電極とが形成されており、前記圧電振動素子は、当該圧電振動素子の一端辺側で前記パッケージ本体の電極パッドと電気的機械的に接合し片持ち支持されるとともに、前記圧電振動素子の他端辺側に周波数調整用の金属膜領域が形成された圧電振動デバイスであって、前記一対の電極パッドと接続される外部端子は、前記パッケージ本体の他端辺側に近接配置される第１の外部端子と、対向する前記パッケージ本体の一端辺側に近接配置される第２の外部端子を有し、前記第１の外部端子はパッケージ本体の内底面に形成された第１の引出電極を介して前記第１の電極パッドと接続され、前記第２の外部端子は前記第２の電極パッドと接続されてなり、前記第２の電極パッドには、前記第１の電極パッドから第１の外部端子までの静電容量と、前記第２の電極パッドから第２の外部端子までの静電容量の差を調整する容量調整電極がパッケージ本体の内底面に形成されており、前記容量調整電極は、前記圧電振動素子の周波数調整用の金属膜領域に及んでいない位置に形成されていることを特徴とする。

上記構成により、前記第２の電極パッドには、前記第１の電極パッドから第１の外部端子までの静電容量と、前記第２の電極パッドから第２の外部端子までの静電容量の差を調整する容量調整電極がパッケージ本体の内底面に形成されており、パッケージ本体に形成された内部接続電極から外部接続電極までの静電容量を等しくする等、電極全体による静電容量の調整を行っているので、静電容量のアンバランスによる圧電振動素子の特性変動を生じさせることがない。つまり、パッケージ本体の静電容量を等しくすることにより、圧電振動素子を内部接続電極への接続する際、接続の方向性が相違することによる周波数特性の相違が生じることがなく、その方向性を考慮しなくても安定した電気的特性を得ることができる。

さらに、この容量調整電極は、前記圧電振動素子の周波数調整用の金属膜領域に及ばない位置に形成されているので、圧電振動素子の周波数調整によって、パッケージ内に導電物質が飛散した場合でも、第１の引出電極と容量調整電極間の短絡事故の発生を抑制することができ、結果として、圧電振動デバイスの発振停止等の不具合も生じない。特に、音叉型圧電振動素子はその形状並びに振動モードから自由端である先端領域の周波数調整用の金属膜領域について質量を加減することによって周波数、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）等の電気的特性を調整することが多く、この先端領域に形成された周波数調整用の金属膜領域と及ばない位置に容量調整電極を形成することにより、短絡事故を防止できる。

また請求項２による圧電振動デバイスは、前記パッケージ本体は底面板と複数の枠状板からなる３層以下のセラミック積層構造であることを特徴としている。

本請求項によれば、容量調整電極をパッケージ本体の底面板上面に形成するので、前記第１の引出電極と容量調整電極が形成された底面板がパッケージ本体の内底面の最下層となり、これらの電極上部に新たなセラミック底面板が介在することがない。結果として、圧電振動デバイスのパッケージ本体の収納スペースを縮小化させることなく、かつ圧電振動デバイスの低背化の妨げを防止することが可能となる。

本発明によれば、圧電振動素子の接続方向による電気的特性のアンバランスの発生を無くし、安定した特性を得るとともに、パッケージ内における端子間の短絡を防止した圧電振動デバイスを得ることができる。

本発明による実施の形態を図１から図３とともに説明する。図１は本実施の形態を示す圧電振動デバイス用パッケージの平面図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図であるとともに、それぞれリッドにて封止した状態の内部構造を示している。また図３は図１の圧電振動デバイス用パッケージの底面図である。

セラミックパッケージ（パッケージ本体）１は全体として直方体形状で、断面で見て凹形の収納部１ａを有している。収納部１ａの周囲には堤部１０が形成され、当該堤部１０の上面には周状の金属層１１が形成されている。セラミックパッケージ１の外周の４角には上下にキャスタレーションＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。またセラミックパッケージ１内部の圧電振動素子搭載面には内部接続電極（電極パッド）１２，１３が長辺方向の一端辺側に、短辺方向に並んで形成されている。つまり、前記セラミックパッケージ１は底面板と１層の枠状板からなる２層のセラミック積層構造であり、枠状板から露出した底面板に前記内部接続電極１２，１３が形成された構造となっている。内部接続電極１２は長辺方向の他端辺のパッケージ外部に導出され、外部接続電極１２１と引出電極１２ａとビア等を介して接続している。内部接続電極１３は長辺方向の一端辺のパッケージ外部に導出され外部接続電極１３１とビア等を介して電気的接続されている。また、この内部接続電極１３には容量調整電極１３ａが接続されており、セラミックパッケージ内部の圧電振動素子搭載面下方（前記底面板の上面）において長辺方向から一端辺側に偏って配置形成されている。以上の構成により、前記引出電極１２ａと容量調整電極１３ａが形成された底面板がセラミックパッケージの内底面の最下層となり、これらの電極上部に新たなセラミック底面板が介在することがないので、圧電振動デバイスのパッケージ本体の収納スペースを縮小化させることなく、かつ圧電振動デバイスの低背化が実現できる。特に本形態では、２層のみのセラミック積層構造であるのでさらなる低背化が達成できる。

前記容量調整電極１３ａは、前記引出電極１２ａの面積にほぼ合致するように設定されており、これにより内部接続電極１２から外部接続電極１２１にいたる間の静電容量と、内部接続電極１３から外部接続電極１３１にいたる間の静電容量がほぼ等しくなるようになっている。また、前記容量調整電極は、後述する音叉型水晶振動素子（圧電振動素子）３の周波数調整用金属膜３１，３２に及んでいない位置に形成するため、引出電極１２ａの長辺方向端部から容量調整電極１３ａの長辺方向の端部までのギャップ寸法Ｌ１を設定し、それに応じて容量調整電極１３ａの長辺寸法と幅寸法などを調整することで、お互いを同一面積としている。本形態では、前記容量調整電極の長辺寸法と前記ギャップ寸法Ｌ１とを同一寸法とし、前記引出電極の長辺寸法の１/２に設定している。すなわち前記容量調整電極１３ａは、前記引出電極１２ａの長辺寸法の１/２で、幅寸法を２倍に設定している。これらの電極の形成は例えばスクリーン印刷などの手法で形成されている。なお、前記ギャップ寸法Ｌ１については、前記引出電極の長辺寸法の１/４以上３/４以下の間で設定することが好ましい。前記引出電極の長辺寸法の３/４より大きくなると、容量調整電極１３ａの幅寸法を大きく設計する必要があり、引出電極１２ａと容量調整電極１３ａが対向するセラミックパッケージの短辺方向でのギャップ寸法が小さくなる。結果として、容量調整電極の形成が複雑で、より高度なスクリーン印刷技術が必要となるので、製造が困難となる。前記引出電極の長辺寸法の１/４より小さくなると、前記引出電極と容量調整電極間の短絡事故を抑制する効果が低下する。また、図３に示すようにパッケージ底面においては外部接続電極１２１，１３１が長辺方向の両端にそれぞれ配置されており、その一部が前記キャスタレーション部分に伸長され、パッケージ４角領域での外部接続を容易ならしめている。

なお、上述の引出電極１２ａや容量調整電極１３ａは、セラミックパッケージの堤部１０に当該電極の一部が重ならないように、セラミックパッケージの内底面から露出させることが好ましい。前記堤部１０の一部に前記電極が介在すると、セラミックの層間強度が弱まるので、上述のような構成することで、セラミックパッケージの強度低下を抑え、封止する際の熱応力などの悪影響を受けない構成とできる。

このような電子部品用パッケージは図２に示すように、上記堤部上面の金属層１１とリッド２に形成された金属膜（図示せず）とをシーム溶接またはビーム溶接等の加熱手段により接合し、パッケージの気密封止を行う。なお、リッドはコバール等の金属母材にニッケルメッキあるいは封止面に銀ろうや金錫ろう等が形成されている。

このようなパッケージに音叉形圧電振動素子を収納した構成を図４と図５とともに説明する。図４はセラミックパッケージ１に音叉形圧電振動素子としてＸカットを用いた音叉形水晶振動素子３を搭載した状態を示す平面図であり、図５は図４のＣ−Ｃ断面において音叉形水晶振動素子に対して調整作業を行っている状態を示す図である。

音叉形水晶振動素子３は一対の振動腕部３ｂ、３ｃとこれら振動腕部を連結する基部３ａとからなる。当該音叉形水晶振動素子には屈曲振動を励起するよう一対の励振電極が形成されており（図示せず）、また振動腕部３ｂ、３ｃの自由端の先端部分には調整用金属膜３１，３２が形成されている。音叉形水晶振動素子３においては、当該調整用金属膜の領域に対して質量加減の動作を行うことにより特性の調整を行う。図５はイオンミーリング方法により、調整用電極３１の質量を減じることにより調整を行っている例を示している。音叉形水晶振動素子３の振動腕先端部分には予め銀等の調整用金属膜を真空蒸着法あるいはスパッタリングあるいは電気メッキ法等により比較的厚膜の金属膜を形成しておく。

このような音叉形水晶振動素子３をその基部３ａに形成された一対の電極とパッケージ１の内部接続電極１２，１３とが接続されるよう片持ち支持状態に搭載し、導電接合材Ｓにて接合する。ここで用いる導電接合材Ｓはシリコーン系の樹脂に導電フィラーを添加したもので、シリコーン弾性体による衝撃吸収機能も有しているものである。このような状態において周波数等の特性調整作業を行うが、作業を行うにあたり、まず前記調整用電極３１，３２に対応する部分に開口部Ｍ１を形成した、例えば板状の金属からなるマスク部材Ｍをパッケージに近接させる。この状態でイオンミーリング（イオンエッチング）を実行し、調整金属膜を徐々に減じる。このとき調整したい特性の変化をリアルタイムにモニタリングしてよいし、それが困難な場合は調整作業と当該調整による特性測定作業を交互に行うことによって所望の特性を得てもよい。

なお、当該調整においては反応性ガスを用いないイオンミーリングにより調整を行ったが、反応性ガスを用いたイオンエッチングを用いてもよいし、あるいは質量を付加するパーシャル蒸着法を用いてもよい。ただし、周知のとおり、質量を減じる場合は例えば周波数特性においては初期特性を所望の周波数より低くする必要があるし、質量付加をする場合は反対に所望の周波数より高くしておく必要がある。

いずれの調整方法においても、調整作業中に金属くずが発生したり、あるいは金属の内壁への再付着が生じる可能性があり、このような金属くず等が残留したとしても、前記容量調整電極１３ａが前記周波数調整用金属膜３１，３２の領域に及んでいない位置に形成されているので、両者の短絡事故の生じることはない。特に、容量調整電極１３ａと引出電極１２ａの端部にギャップ寸法Ｌ１が前記引出電極の長辺寸法の１/４以上３/４未満の間で設定することが好ましい。さらに、前記容量調整電極１３ａと前記周波数調整用金属膜３２とのギャップ寸法Ｌ２についても、０．５ｍｍ以上に設定することで短絡防止効果がさらに高められ、より望ましい。

以上、必要な調整を行った後、真空雰囲気中にてリッド２にて閉蓋し、例えば電子ビーム溶接あるいは真空雰囲気中でのシーム溶接により、気密封止を行い、音叉形水晶振動素子の格納された圧電振動デバイスを得ることができる。

上記実施形態に限らず、図６のような容量調整電極形状であってもよい。
図６（ａ）では、前記ギャップ寸法Ｌ１を前記引出電極１２ａの長辺寸法の２/３に設定するとともに、前記容量調整電極１３ａの長辺寸法を前記引出電極１２ａの長辺寸法の１/３に設定しており、同じ大きさの容量調整電極１３ａを３つ形成している。このように構成することで、上記実施形態に比べてギャップ寸法Ｌ１延長させることができ、引出電極１２ａとの短絡防止効果を高めている。
図６（ｂ）では、前記容量調整電極１３ａについて、当該容量調整電極の延出方向に向かってしだいにセラミックパッケージの外側へ幅狭くなるように、階段状に形成している。このため、引出電極１２ａとの短絡防止効果を高めている。

上記実施形態では、前記セラミックパッケージは底面板と１層の枠状板からなる２層のセラミック積層構造について説明したが、図７に示すように、１つの枠状板を保持台とした２つの枠状板と１つの底面板のみからなる３層のセラミック積層構造とすることも可能である。つまり、前記セラミックパッケージ１は底面板と２層の枠状板からなる３層のセラミック積層構造であり、上段の枠状板から露出した中段の枠状板に前記内部接続電極１２，１３が形成され、中断の枠状板から底面板が露出する構造となっている。このような構成でも、前記引出電極１２ａと容量調整電極１３ａが形成された底面板がセラミックパッケージの内底面の最下層となり、これらの電極上部には保持台となる中断の枠状板の一部の領域のみが介在する３層のセラミック積層構造となる。結果として、圧電振動デバイスのパッケージ本体の収納スペースを縮小化させることなく、かつ圧電振動デバイスの低背化が実現できる。特に本形態では、保持台となる中断の枠状板の一部に音叉形水晶振動素子３を支持されているので、前記最下層の引出電極１２ａと容量調整電極１３ａから確実に離隔させることができ、お互いの接触やショートをなくすとともにセラミックパッケージ全体としての低背化が達成できる。

また、上記実施の形態では、圧電振動素子として音叉型水晶振動素子を例示したが、ＡＴカット水晶振動素子等の他の圧電振動素子を用いてもよいし、圧電振動素子を用いた水晶発振器に適用することもできる。導電接合材Ｓとして、シリコーン系の樹脂に導電フィラーを添加した導電性樹脂接着剤を例にしているが、他の導電性樹脂接着剤でもよく、また、導電性樹脂接着剤に限らず、鉛フリーはんだ材、金等の金属バンプを用いたものであってもよい。
このような構成であれば、圧電振動デバイスのさらなる低背化が実現できる。

なお、本発明は、その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、上述の実施例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。

本発明の実施の形態を示す平面図。本発明の実施の形態を示す内部断面図。本発明の実施の形態を示す底面図。本発明の実施の形態を示す平面図。本発明の実施の形態を示す内部断面図。本発明の他の実施の形態を示す平面図。本発明の他の実施の形態を示す内部断面図。

符号の説明

１セラミックパッケージ
１２，１３内部接続電極
１２１，１３１外部接続電極
１０堤部
２リッド
１２ａ容量調整電極
１３ａ引出電極

Claims

パッケージ本体と圧電振動素子を有し、
前記パッケージ本体は、平面視矩形状のセラミック積層基板からなり、当該パッケージ本体の内底面で一端辺側に近接配置された一対の第１、第２の電極パッドと、当該各電極パッドを外部端子に導出する引出電極とが形成されており、
前記圧電振動素子は、当該圧電振動素子の一端辺側で前記パッケージ本体の電極パッドと電気的機械的に接合し片持ち支持されるとともに、前記圧電振動素子の他端辺側に周波数調整用の金属膜領域が形成された圧電振動デバイスであって、
前記一対の電極パッドと接続される外部端子は、前記パッケージ本体の他端辺側に近接配置される第１の外部端子と、対向する前記パッケージ本体の一端辺側に近接配置される第２の外部端子を有し、前記第１の外部端子はパッケージ本体の内底面に形成された第１の引出電極を介して前記第１の電極パッドと接続され、前記第２の外部端子は前記第２の電極パッドと接続されてなり、
前記第２の電極パッドには、前記第１の電極パッドから第１の外部端子までの静電容量と、前記第２の電極パッドから第２の外部端子までの静電容量の差を調整する容量調整電極がパッケージ本体の内底面に形成されており、
前記容量調整電極は、前記圧電振動素子の周波数調整用の金属膜領域に及んでいない位置に形成されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
前記パッケージ本体は底面板と複数の枠状板からなる３層以下のセラミック積層構造であることを特徴とする特許請求項１記載の圧電振動デバイス。