JP5984487B2

JP5984487B2 - 水晶デバイス

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Publication number: JP5984487B2
Application number: JP2012102900A
Authority: JP
Inventors: 慎介河森
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: JP2013232736A

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。

従来の水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、水晶素板の両面が互いにずれるように厚みすべり振動を起こし、特定の周波数を発生させるものである。現在では、基板上に設けられた電極パッドに実装された水晶素子を備えた水晶デバイスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。水晶素子は、水晶素板の両主面に励振用電極を有しており、水晶素子の一端を基板の上面と接続した固定端とし、他端を基板の上面と間を空けた自由端とした片保持構造となる。

特開２００２−１１１４３５号公報

上述した水晶デバイスは、電気機器等のマザーボード上に実装後に、温度変化によって、実装している基板が変形し、水晶素子が基板に接触してしまうといった虞があった。そして、水晶素子が基板に接触することで、厚みすべり振動が阻害されて、水晶素子の発振周波数が変動してしまう虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶素子の振動を阻害せずに、水晶素子の発振周波数を安定して出力することが可能な水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板上に設けられた電極パッドと、矩形状の外形であって、一辺が電極パッドに接続され、一辺の対辺に位置する他辺が基板と間を空けて設けられた水晶素子と、基板上に、水晶素子及び電極パッドを覆う蓋体と、を備え、水晶素子は、上下方向の厚みが外周部に比べて中央部が厚くなるように形成されており、基板の上面には、平面視して中央部と重なる位置から対辺に対応した外周部と重なる位置にかけて凹部が設けられており、蓋体の下面には、平面視して中央部と重なる位置から対辺に対応した外周部と重なる位置にかけて凹み部が設けられており、凹み部の開口面は、平面視して、凹部の開口面と重なる位置に設けられており、凹み部の底面は、平面透視して、凹部の底面と重なる位置に設けられており、凹み部の上下方向の長さは、凹部の上下方向の長さと比較して短くなっているものである。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板の上面には、平面視して水晶素子の中央部と重なる位置から水晶素子の対辺に対応した外周部と重なる位置にかけて凹部が設けられていることによって、水晶素子が基板に接触することを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子の発振周波数を安定して出力することができる。

第一実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。図１に示された水晶デバイスのＡ−Ａにおける断面図である。第一実施形態における水晶デバイスの蓋体及び水晶素子を外した状態を示す平面図である。第一実施形態の変形例における水晶デバイスの断面図である。第二実施形態における水晶デバイスの断面図である。

（第一実施形態）
第一実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２に示されているように、基板１１０と、基板１１０に接合された水晶素子１２０とを含んでいる。

基板１１０は、長方形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能するものである。基板１１０の上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド１１１と凹部１１２が設けられている。また、基板１１０の下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板１１０は、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０は、絶縁層を１層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０の表面及び内部には、基板１１０の上面の一対の電極パッド１１１と下面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

ここで、基板１１０の作製方法について説明する。基板１１０がアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートの表面に凸部のついた金型を押し当てることによって、凹部が設けられる。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１１１又は外部接続用電極端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、導電性接着剤ＤＳを介して基板１１０上の電極パッド１１１上に接合されている。水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極１２４は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の短辺に向かって延出されている。接続用電極１２３は、引き出し電極１２４と接続されており、水晶素板１２１の長辺又は短辺に沿った形状で設けられている。

水晶素板１２１は、外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部１２５と比べて水晶素板１２１の中央部１２６が厚くなるように設けられている。水晶素子１２０は、基板１１０の上面に設けられた一対の電極パッド１１１に導電性接着剤ＤＳを介して接合されている。本実施形態においては、電極パッド１１１と接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１０の上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０の上面と間を空けた自由端とした片保持構造にて水晶素子１２０が基板１１０上に固定されている。

ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が接続用電極１２３から引き出し電極１２４及び励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部１２５と比べて水晶素板１２１の中央部１２６が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を形成することにより作製される。

また、水晶素子１２０のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板１２１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１２１とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板１２１とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板１２１が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

水晶素子１２０の基板１１０への接合方法について説明する。まず、導電性接着剤ＤＳは、例えばディスペンサによって、一対の電極パッド１１１に塗布される。そして、水晶素子１２０が、基板１１０上の一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤ＤＳ上に搬送される。さらに、水晶素子１２０は、導電性接着剤ＤＳ上に載置される。そして水晶素子１２０は、導電性接着剤ＤＳを加熱硬化させることによって一対の電極パッド１１１に接合される。

凹部１１２は、図１及び図２に示されているように、基板１１０上に、開口面の面積が底面の面積に比べて大きい四角錐台状で設けられている。凹部１１２は、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられている。仮に、凹部１１２が水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられていないとすると、水晶素子１２０の励振用電極１２２が基板１１０上面と接触し、水晶素子１２０の発振周波数が変動してしまう可能性がある。このようにすることで、水晶素子１２０を電極パッド１１１に実装する際に、例え水晶素子１２０の先端部が下がるように基板１１０の方向に傾いても、水晶素子１２０の励振用電極１１２が基板１１０に接触することを低減することができる。

ここで基板１１０の平面視したときの縦寸法が、２．５ｍｍであり、平面視したときの横寸法が２．０ｍｍである場合を例にして、凹部１１２の大きさを説明する。図３に示した、基板１１０の長辺方向と平行となる凹部１１２の開口面の長さは、約１０００〜１２００μｍであり、基板１１０の短辺方向と平行となる凹部１１２の開口面の長さは、約５００〜８００μｍである。図１及び図２に示した、基板１１０の長辺方向と平行となる凹部１１２の底面の長さは、約８００〜１０００μｍであり、基板１１０の短辺方向と平行となる凹部１１２の開口面の長さは、約４００〜６００μｍである。また、凹部１１２の上下方向の長さは、約２００〜３００μｍである。

凹部１１２の開口面及び底面の角部には、Ｒ形状が設けられている。このように角部にＲ形状を設けることにより、角部にかかる応力を分散し、基板１１０の欠けを低減することができる。基板１１０の欠けを低減することで、収容空間Ｋ内は、気密封止を維持することが可能となる。

導電性接着剤ＤＳは、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

蓋体１３０は、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。蓋体１３０は、図２に示されているように、蓋本体部１３０ａと蓋枠部１３０ｂとによって一体的に形成されている。蓋本体部１３０ａと蓋枠部１３０ｂとによって、水晶素子を覆うための収容空間Ｋが設けられている。このような蓋体１３０は、真空状態にある収容空間Ｋ又は窒素ガスなどが充填された収容空間Ｋを気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、基板１１０上に載置され、基板１１０と蓋枠部１３０ｂとが接合されるように熱を印加して、基板１１０と蓋枠部１３０ｂとの間に介在する封止部材１３１を溶融することにより、基板１１０に接合される。

また、蓋本体部１３０ａの下面には、平面視して水晶素子１２０の中央部と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて凹み部１３２が設けられている。

凹み部１３２は、図２に示されているように、蓋体１３０の蓋本体部１３０ａの下面に設けられ、開口面の面積が底面の面積に比べて大きい四角錐台状である。凹み部１３２は、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられている。仮に凹み部１３２が水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられていないとすると、水晶素子１２０の励振用電極１２２が蓋本体部１３０ａの下面と接触し、水晶素子１２０の発振周波数が変動してしまう可能性がある。このようにすることで、水晶素子１２０を電極パッド１１１に実装する際に、仮に水晶素子１２０の先端部が持ち上がるように蓋体１３０の方向に傾いても、水晶素子１２０の励振用電極１２２が蓋本体部１３０ａに接触することを低減することができる。

凹み部１３２の開口面及び底面の角部には、Ｒ形状が設けられている。このように角部にＲ形状を設けることにより、角部にかかる応力を分散し、蓋体１３０の欠けを低減することができる。蓋体１３０の欠けを低減することで、収容空間Ｋは、気密封止を維持することが可能となる。

ここで蓋体１３０の平面視したときの縦寸法が、２．５ｍｍであり、平面視したときの横寸法が２．０ｍｍである場合を例にして、凹み部１３２の大きさを説明する。図１及び図２に示した、蓋体１３０の長辺方向と平行となる凹み部１３２の開口面の長さは、約８００〜１０００μｍであり、蓋体１３０の短辺方向と平行となる凹み部１３２開口面の長さは、約５００〜８００μｍである。図１及び図２に示した、蓋体１３０の長辺方向と平行となる凹部１１２底面の長さは、約６００〜８００μｍであり、基板１１０の短辺方向と平行となる凹部１１２開口面の長さは、約４００〜６００μｍである。また、凹部１１２の上下方向の長さは、約１００〜２００μｍである。

凹み部１３２の開口面は、平面視して、凹部１１２の開口面と重なる位置に設けられている。また、凹み部１３２の底面は、平面透視して、凹部１１２の底面と重なる位置に設けられている。また、凹み部１３２の上下方向の長さは、凹部１１２の上下方向の長さと比較して短くなっている。これにより、蓋本体部１３０の上下方向の長さを薄くすることができるため、水晶デバイスを薄型化することが可能となる。

封止部材１３１は、基板１１０の上面の外周縁部に相対する蓋体１３０の蓋枠部１３０ｂの下面に設けられている。封止部材１３１は、例えば、ガラス又は絶縁性樹脂によって設けられている。ガラスは、３５０〜４００℃で溶融する鉛フリーガラスである例えばパナジウム系ガラスから構成されている。パナジウム系ガラスは、バインダーと溶剤とが加えられペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接着する。また、絶縁性樹脂は、例えばエポキシ樹脂又はポリイミド樹脂から構成されている。封止部材１３１の厚みは、例えば１０μｍ〜２５μｍとなっている。

第一実施形態における水晶デバイスは、基板１１０の上面には、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて凹部１１３が設けられている。仮に、水晶デバイスを電気機器等のマザーボード上に実装後に、温度変化によって、実装している基板１１０が変形し、水晶素子１２０に下向きの力が加わったとしても、凹部１１３が設けられているので、水晶素子１２０が基板１１０に接触してしまう可能性を低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子１２０の発振周波数を安定して出力することができる。

また、第一実施形態における水晶デバイスは、蓋体１３０の下面には、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて凹み部１３２が設けられている。例え、水晶デバイスを電気機器等のマザーボード上に実装後に、温度変化によって、実装している基板１１０が変形し、水晶素子１２０に上向きの力が加わったとしても、凹み部１３２が設けられているので、水晶素子１２０が蓋体１３０に接触してしまう可能性を低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の厚みすべり振動を長期に渡って発生させ続けることができ、水晶素子１２０の発振周波数を安定して出力することができる。

（変形例）
以下、第一実施形態の変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、第一実施形態の変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

第一実施形態の変形例における水晶デバイスは、図４に示されているように、パッケージ２１０と、パッケージ２１０の基板２１０ａに接合された水晶素子１２０とを含んでいる。

パッケージ２１０は、図４に示されているように、基板２１０ａと、基板２１０ａ上に設けられた枠体２１０ｂとを含んでいる。パッケージ２１０は、基板２１０ａの上面と枠体２１０ｂの内側面によって囲まれた収容空間Ｋが形成されている。

基板２１０ａは、長方形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能するものである。基板２１０ａの上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド２１１と凹部２１２が設けられている。また、基板２１０ａの下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板２１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板２１０ａは、絶縁層を１層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板２１０ａの表面及び内部には、基板２１０ａの上面の一対の電極パッド２１１と下面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

枠体２１０ｂは、基板２１０ａ上に収容空間Ｋを形成するためのものである。枠体２１０ｂは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板２１０ａと一体的に形成されている。

凹部２１２は、図４に示されているように、基板２１０ａ上に、開口面の面積が底面の面積に比べて大きい四角錐台状で設けられている。凹部２１２は、平面視して水晶素子１２０の中央部と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられている。

蓋体２３０は、このような蓋体２３０は、真空状態にある収容空間Ｋ又は窒素ガスなどが充填された収容空間Ｋを気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体２３０は、所定雰囲気で、枠体２１０ｂ上に載置され、枠体２１０ｂと蓋体１３０とが接合されるように熱を印加して、枠体２１０ｂと蓋体２３０との間に介在する封止部材２３１を溶融することにより、枠体２１０ｂに接合される。

また、蓋体２３０の下面には、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて凹み部２３２が設けられている。

凹み部２３２は、開口面の面積が底面の面積に比べて大きい四角錐台状で、蓋体２３０の下面に設けられている。凹み部２３２は、平面視して水晶素子１２０の中央部１２６と重なる位置から水晶素子１２０の対辺に対応した外周部１２５と重なる位置にかけて設けられている。

また、第一実施形態の変形例における水晶デバイスは、蓋体２３０を枠体２１０ｂの上面に接合するので、例え蓋体２３０に基板２１０ａ上面と平行な力が加わったとしても、蓋体２３０が枠体２１０ｂの上面でのみ位置ずれを起こすことになる。よって、蓋体２３０が、水晶素子１２０に接触することがなく、水晶素子１２０が導電性接着剤ＤＳから剥がれてしまうようなことを防ぐことが可能となる。これにより、水晶デバイスは、水晶素子１２０の発振周波数を安定して出力することが可能となる。

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

第二実施形態における水晶デバイスは、図５に示されているように、一辺の対辺に位置する他辺が基板３１０と間を空けて設けられた水晶素子１２０とを備え、基板３１０の上面は、水晶素子１２０の一辺側から水晶素子１２０の他辺側にかけて、水晶素子１２０の他辺側が低くなるように傾斜している点で第一実施形態と異なる。

基板３１０は、長方形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能するものである。基板３１０の上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド３１１が設けられている。また、基板３１０の下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板３１０は、電極パッド３１１が設けられている位置が高くなるように傾斜がなされている。この際の傾斜角度θは、５〜３０度となっている。このように、電極パッド３１１が設けられている位置が高くなるように傾斜が設けられていることよって、例え水晶素子１２０が傾いても、水晶素子１２０が基板３１０に接触することを低減することができる。

水晶素子１２０の一辺の対辺に位置する他辺と基板３１０とが間を空けて設けられている。水晶素子１２０の一辺の対辺に位置する他辺と基板３１０との間隔は、例えば５０〜１５０μｍである。このように水晶素子１２０の一辺の対辺に位置する他辺と基板３１０との間隔を設けておくことにより、水晶素子１２０の先端部は、基板３１０と接触することを低減することができる。

第二実施形態の変形例における水晶デバイスは、電極パッド３１１が設けられた箇所の基板３１０の厚みが一番厚くなるように設けられていることによって、電子機器等のマザーボードに実装する際に、水晶素子１２０と電極パッド１１１が接続している箇所に熱が加わったとしても、基板３１０の厚みを十分に確保しているため、基板３１０のひび割れを防ぐことが可能となる。

尚、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。上記の第一実施形態の変形例では、枠体２１０ｂが基板２１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体２１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

上記実施形態では、水晶素子は、ＡＴ用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる二本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。

上記実施形態では、凹部及び凹み部の開口面の形状が四角形状を用いた場合を説明したが、凹部及び凹み部の開口面の形状が、略楕円状、略円形状であっても構わない。このようにすることにより、凹部及び凹み部の角部にかかる応力を分散し、基板及び蓋体の欠けを低減することができる。基板及び蓋体の欠けを低減することで、収容空間Ｋは、気密封止を維持することが可能となる。

２１０・・・パッケージ
１１０、２１０ａ、３１０・・・基板
２１０ｂ・・・枠体
１１１、２１１、３１１・・・電極パッド
１１２、２１２、３１２・・・凹部
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・接続用電極
１２４・・・引き出し電極
１３０、２３０・・・蓋体
１３０ａ・・・蓋本体部
１３０ｂ・・・蓋枠部
１３１、２３１・・・封止部材
１３２、２３２・・・凹み部
Ｋ・・・収容空間
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｇ・・・外部接続用端子

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた電極パッドと、
矩形状の外形であって、一辺が前記電極パッドに接続され、前記一辺の対辺に位置する他辺が前記基板と間を空けて設けられた水晶素子と、
前記基板上に、前記水晶素子及び前記電極パッドを覆う蓋体と、
を備え、
前記水晶素子は、上下方向の厚みが外周部に比べて中央部が厚くなるように形成されており、前記基板の上面には、平面視して前記中央部と重なる位置から前記対辺に対応した外周部と重なる位置にかけて凹部が設けられており、
前記蓋体の下面には、平面視して前記中央部と重なる位置から前記対辺に対応した外周部と重なる位置にかけて凹み部が設けられており、
前記凹み部の開口面は、平面視して、前記凹部の開口面と重なる位置に設けられており、前記凹み部の底面は、平面透視して、前記凹部の底面と重なる位置に設けられており、前記凹み部の上下方向の長さは、前記凹部の上下方向の長さと比較して短くなっている
ことを特徴とする水晶デバイス。