JP5468327B2

JP5468327B2 - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP5468327B2
Application number: JP2009178048A
Authority: JP
Inventors: 健司大場; 宏和小林
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: JP2011035548A

Description

本発明は、電子機器に用いられる圧電デバイスに関する。

従来から、電子機器には電子部品を搭載したマザーボードなどの配線基板が用いられている。この配線基板には、金属膜からなる導通パターンが形成されており、この導通パターンに半田等でコンデンサ等のチップ部品を接合することで配線基板に電子部品を搭載している。
また、電子部品は、チップ部品の他に、振動部と保持部とで構成された圧電振動素子を蓋部材と基板部材とで挟んで接合した構造の圧電振動子や、このような圧電振動子に少なくとも発振回路を備えた集積回路が接続された圧電発振器といった電子部品が含まれる。

ここで、前記圧電振動子について説明する。
例えば、この圧電振動子に用いられる圧電振動素子は、枠状の保持部とこの保持部に囲まれつつ保持部と一体となっている振動部とから構成されている。この振動部は、両主面に励振電極が設けられている。また、保持部には、外周縁側に接合用の金属膜が両主面に設けられており、かつ、この金属膜と接続しないように搭載端子が振動部の励振電極と電気的に接続している。
また、基板部材は、一方の主面に凹部を有し、この凹部を囲むように接合用の金属膜が設けられ、また、この金属膜と接続しないように、搭載端子と接合される接続端子が設けられている。また、この基板部材の他方の主面には振動子側外部端子が設けられており、所定の振動子側外部端子が前記接続端子と電気的に接続している。
このように構成される基板部材は、凹部を圧電振動素子の振動部の方に向けつつ、金属膜を圧電振動素子の金属膜とを重ね合わせた状態で接合している。
また、蓋部材は、一方の主面に凹部を有し、この凹部を囲むように接合用の金属膜が設けられている。
このように構成される蓋部材は、凹部を圧電振動素子の振動部の方に向けつつ、金属膜を圧電振動素子の金属膜とを重ね合わせた状態で接合している。
このようにして、圧電振動子は構成されている（特許文献１参照）。

また、圧電振動子が、凹部を有する素子搭載部材と蓋体とで構成される場合について説明する。
素子搭載部材は、一方の主面に凹部が形成されており、後述する蓋部材と接合する面に金属膜が設けられている。また、この金属膜よりも内側に圧電振動素子を搭載するための圧電振動素子搭載パッドが設けられている。また、この金属膜が設けられる主面とは反対側の主面にマザーボードなどの配線基板に実装するための外部端子が設けられている。この外部端子は、内部配線パターンを介して圧電振動素子搭載パッドと接続している。このような素子搭載部材は、複数連なった状態でウェハとなっている。このようなウェハは、それぞれの素子搭載部材となる部分に、金属膜、搭載パッド、外部端子が設けられている。
また、蓋部材は、内部に圧電振動素子を封止することができる程度の大きさを有する凹部が設けられており、素子搭載部材と接合する面に封止材からなる金属膜が設けられている。このような蓋部材は、複数連なった状態でウェハとなっている。このようなウェハは、それぞれ蓋部材となる部分に、金属膜が設けられている。

ここで、圧電振動子は、以下の工程を経て製造される。
まず、素子搭載部材に設けられた圧電振動素子搭載パッドに圧電振動素子を導電性接着剤を介して搭載し、この状態で蓋部材の凹部内に圧電振動素子が入るように蓋部材を素子搭載部材に重ねる。
素子搭載部材と蓋部材とが重なった状態で、例えば、３００℃〜３５０℃で加熱して、素子搭載部材と蓋部材とを接合して１つのウェハに複数の圧電振動子が設けられた状態にする。
その後、各圧電振動子の境目で切断して個片化された圧電振動子とする（例えば、特許文献２参照）。

また、同様な構造の圧電振動子において、接合用の金属膜を用いずに、ウェハの状態の素子搭載部材と蓋部材とを接合した圧電振動子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
素子搭載部材と蓋部材との接合は、直接接合により行われている。この接合を行うときの温度は、２００℃〜５００℃とされている。
このように、ウェハの状態で接合を行い、各圧電振動子となっている部分で切断して、個片化された圧電振動子としている。

ところで、電子機器の小型化が進む中、その電子機器に用いられる電子部品も小型化に対応できるよう、種々の提案がなされている。
例えば、圧電振動子の場合、特許文献４に示すような圧電振動子が提案されている。
この圧電振動子は、圧電振動素子を搭載する素子搭載部材が蓋部材よりも平面積が大きく形成されている。この素子搭載部材は、一方の主面に蓋部材が接合され、その一方の主面の残された部分に外部端子が設けられている。この外部端子は、例えば、マザーボードなどに導電性接着剤や半田などを用いて接合されて電気的に接続した状態となる。
このような構造の圧電振動子は、マザーボードに搭載される場合、蓋部材を囲える大きさの開口部がマザーボードに形成されており、圧電振動子に設けられた外部端子に対応させた接続端子がその開口部の周りに設けられている。
これにより、圧電振動子は、マザーボードの開口部内に圧電振動子の蓋部材を挿入した状態で外部端子をマザーボードの接続端子に接合されて用いられる。
これにより、蓋部材が突起した状態の圧電振動子の構造となってもマザーボードに搭載することができる。

特開２００７−０９６７７７号公報特開２００６−２７９８７２号公報特開２００６−３３９８９６号公報特開２００８−２５２４６７号公報

従来のような圧電振動子は、基板部材や素子搭載部材に水晶やガラスを用いる場合がある。
例えば、特許文献１で提案されているような圧電振動子の場合、製造を容易にするために、圧電振動素子と同じ材質として水晶で蓋部材と基板部材とを形成することされている。これは、圧電振動素子に用いられる材質の熱膨張率と同じ又は近い材質を基板部材や素子搭載部材に用いることで、接合の際の熱によるひずみの影響を小さくするためになされることである。しかし、基板部材や素子搭載部材に圧電振動素子と同一の材質を用いた場合、衝撃に対して弱く、破損する恐れがある。
また、衝撃に対応するために、圧電振動素子と異なる材料としてセラミックを基板部材に用いた場合、圧電振動素子に用いられる材質の熱膨張率との違いにより、基板部材が熱で変形し、圧電振動素子の周波数に影響する恐れもある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、衝撃を受けた場合の破損を防ぐ圧電デバイスを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、一対の励振電極を有する振動部と前記励振電極に電気的に接続する一対の搭載用端子を有する保持部とからなる圧電振動素子を、凹部を有する基板部材と凹部を有する蓋部材とで挟んで接合され、前記基板部材に設けられた圧電振動子側外部端子と圧電振動素子に設けられた前記搭載用端子とが電気的に接続している圧電振動子と、平板状に形成され、前記圧電振動子が搭載される一対の圧電振動子搭載パッドとこの圧電振動子搭載パッドに電気的に接続している圧電振動子接続外部端子と少なくとも２つ一対の搭載用外部端子とが一方の主面に設けられたモジュール基板と、を備えており、前記モジュール基板の一方の主面は、外部の配線基板に搭載する際に前記配線基板に対向し、且つ圧電振動子接続外部端子と前記搭載用外部端子とに前記圧電振動子よりも厚みのあるバンプを設け、前記バンプが前記配線基板に設けられている接続端子と接合されることを特徴とする圧電デバイスである。

このような圧電デバイスによれば、モジュール基板が圧電振動子よりも外側に位置するため、外部からの衝撃をモジュール基板が受けることとなり、圧電振動子が破損するのを防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスの一例を示す概念図である。本発明の実施形態に係る圧電デバイスの一例を示す分解斜視図である。基板部材の一例を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る圧電デバイスを配線基板に実装した状態の一例を示す概念図である。本発明の実施形態に係る圧電デバイスの変形例に用いられる素子搭載部材の一例を示す斜視図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。

図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの一例を示す概念図である。図２は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの一例を示す分解斜視図である。図３は、基板部材の一例を示す斜視図である。図４は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスを配線基板に実装した状態の一例を示す概念図である。
図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る圧電デバイス１００は、モジュール基板１０と圧電振動子２０Ａとから主に構成されている。

図１〜図３に示すように、モジュール基板１０は、一方の主面に圧電振動子搭載パッド１１Ａと圧電振動子接続外部端子１１Ｂと圧電振動子保持パッド１２と搭載用外部端子１３とが設けられている。
このモジュール基板１０は、平面視で四角形状に形成された板状部材であって、例えば、セラミックやガラスセラミックなどの材料を用いて形成されている。図２に示すように、この圧電振動子２０を接合するために、モジュール基板１０の一方の主面には、圧電振動子２０と対抗する表面に２つ一対の圧電振動子搭載パッド１１Ａが並んで設けられつつ、この圧電振動子搭載パッド１１Ａとは離れた位置に２つの圧電振動子保持パッド１２が並んで設けられている。また、モジュール基板１０の一方の主面において、圧電振動子２０と対向しない他の表面であってモジュール基板１０の縁側に圧電振動子接続外部端子１１Ｂと搭載用外部端子１３とが設けられている。

なお、圧電振動子接続外部端子１１Ｂは、例えば、圧電振動子搭載パッド１１Ａに最も近いモジュール基板１０の隅部側に設けられる。つまり、それぞれの圧電振動子接続外部端子１１Ｂは、２つ一対の圧電振動子搭載パッド１１Ａがモジュール基板１０の四隅のうち、隣り合う２つの隅部側に並んで設けられる場合、これら圧電振動子搭載パッド１１Ａに近い位置で、かつ、モジュール基板１０の隅部側に位置するように設けられる。
図４に示すように、圧電振動子接続外部端子１１Ｂは、圧電振動子搭載パッド１１Ａと接続した状態で、電子機器に用いられる配線基板ＭＢへの搭載に用いられる。

また、搭載用外部端子１３は、モジュール基板１０の残りの隅部側にそれぞれ設けられている。搭載用外部端子１３は、例えば２つ一対となっており、電子機器に用いられる配線基板ＭＢへの搭載に用いられる。

圧電振動子２０は、圧電振動素子２１と蓋部材２２と基板部材２３とから主に構成されている。

圧電振動素子２１は、振動部２１Ａと保持部２１Ｂとは一体で形成されており、例えば、平面視矩形形状の圧電片の両主面に励振電極２１Ｃが設けられつつ、この圧電片を囲むように形成された環状の保持部２１Ｂに搭載用端子２１Ｄが設けられ、かつ、保持部２１Ｂの縁部分に環状の金属膜２１Ｅが設けられて構成されている。なお、圧電片には、水晶などの圧電材料が用いられる。
なお、それぞれの励振電極２１Ｃは、それぞれの搭載用端子２１Ｄと電気的に接続し、金属膜２１Ｅとは電気的に接続しないように構成されている。
また、金属膜２１Ｅは、枠部２１Ｂの両主面に設けられており、後述する基板部材２３と蓋部材２２との接合に用いられる。

蓋部材２２は一方の主面に凹部２２Ａを有し圧電振動素子２１と同一の平面積となるように形成されている。この蓋部材２２は、凹部２２Ａを囲うように蓋部材２２の縁部分に金属膜（図示せず）が設けられている。

基板部材２３は、一方の主面に凹部２３Ａを有し圧電振動素子２１と同一の平面積となるように形成されている。この基板部材２３は、凹部２３Ａを囲うように基板部材２３の縁部分に金属膜２３Ｃが設けられ、この金属膜２３Ｃよりも凹部２２Ａ側に搭載用端子２１Ｄと電気的に接続する圧電振動素子接続端子２３Ｂが設けられている。
また、基板部材２３は、他方の主面に圧電振動子側外部端子２３Ｄが設けられている。
この圧電振動子側外部端子２３Ｄは、基板部材２３の四隅にそれぞれ設けられている。
また、所定の圧電振動子側外部端子２３Ｄは、圧電振動素子接続端子２３Ｂと電気的に接続している。
これら圧電振動子側外部端子２３Ｄは、モジュール基板１０に設けられている圧電振動子搭載パッド１１Ａと圧電振動子保持パッド１２との接合に用いられる。

このように構成される圧電振動子２０Ａは、圧電振動素子２１を蓋部材２２と基板部材２３とで挟んだ状態にして、圧電振動素子２１の金属膜２１Ｅと蓋部材２２の金属膜とを重ね合わせた状態で接合されている。つまり、圧電振動子２０Ａを製造する場合は、まず、圧電振動素子２１の金属膜２１Ｅと基板部材２３の金属膜２３Ｃとを重ね合わせた状態にする。その後、従来周知の直接接合や陽極接合を用いて、重ね合わせた金属膜同士を、例えば、真空雰囲気中で接合する。これにより、圧電振動子２０Ａが製造される。

以下に詳細に説明する。
圧電振動素子２１は、複数個が連なった状態でウェハ（図示せず）を形成しており、このウェハの圧電振動素子２１となる部分に金属膜２１Ｅが設けられている。
また、蓋部材２２は、複数個が連なった状態でウェハ（図示せず）を形成しており、このウェハの蓋部材２２となる部分に金属膜（図示せず）が設けられている。
さらに、基板部材２３は、複数個が連なった状態でウェハ（図示せず）を形成しており、このウェハの基板部材２３となる部分に金属膜２３Ｃが設けられている。

このように形成されている各ウェハのうち、圧電振動素子２１となる部分を有するウェハの金属膜２１Ｅと蓋部材２２となる部分を有するウェハの金属膜とを重ねるように、互いのウェハを重ね、また、圧電振動素子２１となる部分を有するウェハの金属膜２１Ｅと基板部材２３となる部分を有するウェハの金属膜２３Ｃとを重ねるように、互いのウェハを重ねる。この状態で、従来周知の直接接合又は陽極接合で各ウェハを接合し、一体とする。この状態において、一体となったウェハは、複数の圧電振動子２０Ａとなる部分が連なった状態となっている。その後、各圧電振動子２０Ａとなる部分の境目で切断を行い、個々の圧電振動子２０Ａを形成する。

従って、本発明の実施形態に係る圧電デバイス１００は、このように構成される圧電振動子２０Ａをモジュール基板１０に搭載されて構成される。
具体的には、圧電振動子２０Ａの基板部材２３に設けられた各圧電振動子側外部端子２３Ｄを、モジュール基板１０に設けられた圧電振動子搭載パッド１１Ａと圧電振動子保持パッド１２とにハンダや導電性接着剤を用いて接合することで、圧電振動子２０Ａがモジュール基板１０に搭載されて本発明の実施形態に係る圧電デバイス１００となる。

また、この圧電デバイス１００は、モジュール基板１０に設けられた圧電振動子接続外部端子１１Ｂと搭載用外部端子１３とに、圧電振動子２０Ａよりも厚みのあるバンプを設けて、配線基板ＭＢに設けられている接続端子（図示せず）に接合することで、配線基板ＭＢに搭載される。なお、配線基板ＭＢは、圧電振動子２０Ａが挿入できる程度の大きさの凹部が形成され、その凹部の周りに圧電振動子接続外部端子１１Ｂと搭載用外部端子１３と接合される接続端子を設けて構成しても良い。

これにより、本発明の実施形態に係る圧電デバイス１００は、配線基板ＭＢに搭載された後は、外側にモジュール基板１０が位置するので、衝撃はモジュール基板が受けることとなり、圧電振動子２０Ａを衝撃から守ることができる。
つまり、本発明の実施形態に係る圧電デバイス１００は、衝撃が加わっても圧電振動子が破損するのを防ぐことができる。

（変形例）
本発明の実施形態に係る圧電デバイスの変形例は、図５に示すように、圧電振動子２０Ｂの圧電振動素子２４が板状の圧電片の内側に凹部を有する構造となっている。

ここで、圧電振動子２０Ｂは、圧電振動素子２４と蓋部材２５と基板部材２６とから主に構成されている。
圧電振動素子２４は、圧電片の中央部分に凹部２４Ａが設けられて、外周部分より薄く形成されている。
また、圧電片の凹部２４Ａ内であって圧電片の両主面に励振電極２４Ｂが設けられている。
この圧電片の縁部分には凹部２４Ａを囲うように金属膜２４Ｄが設けられ、金属膜２４Ｄと接続しないように搭載用端子２４Ｃが設けられている。
この搭載用端子２４Ｃと励振電極２４Ｂとは、電気的に接続した状態となっている。

蓋部材２５は一方の主面に凹部２５Ａを有し圧電振動素子２４と同一の平面積となるように形成されている。この蓋部材２５は、凹部２５Ａを囲うように蓋部材２５の縁部分に金属膜（図示せず）が設けられている。

基板部材２６は、一方の主面に凹部２６Ａを有し圧電振動素子２４と同一の平面積となるように形成されている。この基板部材２６は、凹部２６Ａを囲うように基板部材２６の縁部分に金属膜２６Ｃが設けられ、この金属膜２６Ｃよりも凹部２６Ａ側に搭載用端子２４Ｃと電気的に接続する圧電振動素子接続端子２６Ｂが設けられている。
また、基板部材２６は、他方の主面に圧電振動子側外部端子２６Ｄが設けられている。
この圧電振動子側外部端子２６Ｄは、基板部材２６の四隅にそれぞれ設けられている。
また、所定の圧電振動子側外部端子２６Ｄは、圧電振動素子接続端子２６Ｂと電気的に接続している。
これら圧電振動子側外部端子２６Ｄは、モジュール基板１０に設けられている圧電振動子搭載パッド１１Ａと圧電振動子保持パッド１２との接合に用いられる。
このように圧電振動素子２０Ｂを構成しても前記実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、導通パターンは、どのように引回しても本発明と同様の効果を奏する。
また、圧電振動素子は、水晶のほか、圧電セラミックやタンタル酸リチウムなどの圧電材料を用いることができる。
また、圧電振動素子の形状は、平板形状のほか、圧電片に凹部が形成されて振動部となる構造や、圧電片に凸部が形成されて振動部となる構造や、円板型や、音叉型などに形成されて振動部となる構造を用いることができる。
また、圧電振動素子に水晶が用いられる場合、ＡＴカットや、ＳＴカットなどの種々のカットアングルの水晶片を圧電片として用いることもできる。

また、本発明の実施形態の他に、例えば、圧電振動子２０Ａの蓋部材２２とモジュール基板１０とを接着材で接合し、基板部材２３の圧電振動素子接続端子２３Ｂに電気的に接続している圧電振動子側外部端子２３Ｄと、モジュール基板１０の圧電振動子接続外部端子１１Ｂとをワイヤーボンディングで接続した構造としても、前記実施形態と同様の効果を奏する。

さらに、本発明の実施形態の他に、例えば、モジュール基板に圧電振動子２０Ａが入る程度の大きさの凹部を形成し、この内部に圧電振動子２０Ａを搭載した構造としても、前記実施形態と同様の効果を奏する。
この場合、例えば、凹部内に圧電振動子搭載パッド１１Ａを設け、内部配線又は表面の引き回しにより圧電振動子接続外部端子１１Ｂと電気的に接続させた構造としても良い。
なお、この配線の引き回しは適宜、変更が可能であることは言うまでもない。

１００圧電デバイス
１０モジュール基板
１１Ａ圧電振動子搭載パッド
１１Ｂ圧電振動子接続外部端子
１２圧電振動子保持パッド
１３搭載用外部端子
２０Ａ，２０Ｂ圧電振動子
２１，２４圧電振動素子
２１Ｃ，２４Ｂ励振電極
２１Ａ振動部
２１Ｂ保持部
１２Ｄ，２４Ｃ搭載用端子
２１Ｅ，２３Ｃ，２４Ｄ，２６Ｃ金属膜
２２，２５蓋部材
２２Ａ，２３Ａ，２４Ａ，２５Ａ，２６Ａ凹部
２３，２６基板部材
２３Ｂ，２６Ｂ圧電振動素子接続端子
２３Ｄ，２６Ｄ圧電振動子側外部端子

Claims

一対の励振電極を有する振動部と前記励振電極に電気的に接続する一対の搭載用端子を有する保持部とからなる圧電振動素子を、凹部を有する基板部材と凹部を有する蓋部材とで挟んで接合され、前記基板部材に設けられた圧電振動子側外部端子と圧電振動素子に設けられた前記搭載用端子とが電気的に接続している圧電振動子と、
平板状に形成され、前記圧電振動子が搭載される一対の圧電振動子搭載パッドとこの圧電振動子搭載パッドに電気的に接続している圧電振動子接続外部端子と少なくとも２つ一対の搭載用外部端子とが、一方の主面に設けられたモジュール基板と、
を備えており、
前記モジュール基板の一方の主面は、外部の配線基板に搭載する際に前記配線基板に対向し、且つ圧電振動子接続外部端子と前記搭載用外部端子とに前記圧電振動子よりも厚みのあるバンプを設け、前記バンプが前記配線基板に設けられている接続端子と接合される
ことを特徴とする圧電デバイス。