JP2005203858A - 水晶振動子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒステリシスによるリフロー前後の周波数変化及び周波数温度特性の変化を防止した水晶振動子を提供する。
【解決手段】ＡＴカットとした水晶片１の両主面に励振電極２を有し、前記水晶片の厚みを５μ以下とした水晶振動子において、前記水晶片の厚みａに対する前記励振電極の厚みｂの電極厚み比ｂ／ａを0.014叉は0.012以下とした構成とする。前記水晶片は厚みの小さい振動領域と厚みの大きい外周部とからなる。前記励振電極から外周部に延出する引出電極３は、前記励振電極の厚みより大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は高周波用（300MHz以上）の水晶振動子を技術分野とし、特に水晶片に対する励振電極の厚みに関する。
（発明の背景）水晶振動子は周波数及び時間の基準源として周知され、各種電子機器の発振器やフィルタに組み込まれる。近年では、光通信システムの台頭等により、高周波化が進行している。
（従来技術の一例）第３図は一従来例を説明する水晶振動子の図である。
水晶振動子は例えばＡＴカットとして、厚みの小さい振動領域とこれより厚みの大きい外周部を有する凹状とした水晶片１からなる。振動領域には励振電極２が形成され、外周部に引出電極３を延出する。これらは、下地電極（アドヒジョン膜）としての一層目をＣrやＮiＣr、ＮiＷとし、導通電極としての二層目をＡuとする。そして、表面実装用とした図示しない外部端子を有する密閉容器に水晶片１を封入して構成される。
このようなものでは、水晶片１を凹状とするので振動領域の厚みをエッチングによって小さくでき、高周波化を容易にする。なお、ＡＴカットでは振動周波数は厚みに反比例し、厚みが小さいほど高くなる。
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の水晶振動子では水晶片１の振動領域の厚みが小さくなることによって次の問題があった。すなわち、水晶振動子を高熱炉を搬送（所謂リフロー）して半田等によって回路基板に搭載すると、搭載前後で振動周波数が変化する問題があった。
（原因の究明）本発明者が原因を究明したところ次のことが判明した。すなわち、水晶振動子のリフロー時には水晶片１に高熱（約240〜260℃）が加わる。これにより、水晶片１及び励振電極２は熱膨張を引き起こす。そして、両者の熱膨張係数が異なるため、水晶片１には歪みを発生する。
通常では、リフロー後には常温に戻るので水晶片１の歪みは解消して、リフロー前の振動周波数になる。例えば振動周波数を100MHzとすると、水晶片の厚みａは約17μｍになる。そして、励振電極２の厚みｂを一般的な800Åとすると、水晶片１に対する励振電極２の電極厚み比ｂ／ａは約０．００４７になる。
したがって、熱膨張があっても常温に戻った場合は、励振電極２に対する水晶片１の厚みが大きいので、励振電極２（質量）の影響を受けずにリフロー後に直ちに歪みが解消する。したがって、リフロー前後では振動周波数の変化を殆ど生じない。これは、振動周波数が低いほど、励振電極２の水晶片１に対する電極厚み比ｂ／ａは小さくなるので、顕著になる。
これに対して、振動周波数を高周波数の例えば622MHzとすると、水晶片１の厚みａは約2.7μｍとなる。したがって、励振電極２の厚みｂを800Åとすると、水晶片１に対する電極厚み比ｂ／ａは約０．０３となる。したがって、励振電極２の影響を受けてリフロー後も熱膨張差による歪みが解消せず、リフロー前後で周波数変化が2ppmを超えたまま、例えば1000時間（約４２日）後に元の振動周波数に戻る。言わば、熱応力によるヒステリシスを有することが判明した。
また、水晶片１に対する励振電極２の厚みが大きいと、励振電極２が負荷となって振動を阻害する。その結果、例えば第４図に示したように、三次曲線の周波数温度特性（曲線イ）が常温を中心として回転し（曲線ロ）、温度に対する周波数偏差を悪化させる問題もあった。
（発明の目的）本発明はヒステリシスによるリフロー前後の周波数変化及び周波数温度特性の変化を防止した水晶振動子を提供することを目的とする。
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、ＡＴカットとした水晶片の両主面に励振電極を有し、前記水晶片の厚みを５μ以下とした水晶振動子において、前記水晶片の厚みａに対する前記励振電極の厚みｂの電極厚み比ｂ／ａを0.014叉は0.012以下とした構成とする。
本発明の請求項２では、前記水晶片は厚みの小さい振動領域と厚みの大きい外周部とから構成する。
同請求項３では、前記励振電極から外周部に延出する引出電極は、前記励振電極の厚みより大きくした請求項１の水晶振動子。
本発明（請求項１）では上記構成によって、励振電極に対する水晶片の厚みを大きくするので、後述の実験例で示すようにリフロー時の熱膨張差による歪みが解消する。したがって、リフロー前後での周波数変化を防止できる。また、周波数温度特性を良好に維持する。
本発明の請求項２の構成によって高周波化を容易にできる。また、同請求項３では励振電極の厚みが小さくなることによって増加するクリスタルインピーダンス（以下、ＣＩとする）を改善できる。
第１図は本発明の一実施例としての実験例を説明するグラフで、横軸は水晶片（厚みａ）に対する励振電極（厚みｂ）の電極厚み比ｂ／ａ、縦軸はリフロー前後の周波数偏差Δｆである。
但し、水晶片（振動領域）１の振動周波数は622MHz（厚みが約2.7μｍ）、振動領域は0.5mm２、電極径は0.17mm２である。また、一層目（下地電極）はＮiＷ、二層目はＡuとし、励振電極の厚みｂは二層目のＡuとする。なお、一層目のＮiＷは厚みを75Å以下として殆ど無視できるためである。また、周波数偏差Δｆは、リフロー後２時間経過時の振動周波数を測定して、リフロー前の振動周波数と比較したものである。
このグラフから明らかなように、厚み比ｂ／ａに比例して周波数偏差も大きくなる。すなわち、電極厚み比ｂ／ａが0.009のとき、周波数偏差Δｆは1ppm、同比ｂ／ａが0.011のとき、同Δｆは2ppm、同比ｂ／ａが0.017のとき、同Δｆは4.5ppm、同比ｂ／ａが0.021のとき、同Δｆは5.5ppm、同比ｂ／ａが0.031のとき、同Δｆは10ppmとなる。なお、グラフはこの５点の実測値から近似曲線を得た。
したがって、例えばリフロー前後の周波数偏差を３ppm叉は２ppm以内とすると、電極厚み比ｂ／ａを0.014叉は0.012以下にすればよい。すなわち、振動周波数が622MHz（水晶片１の厚みａが約2.7μｍ）の場合、励振電極２の厚みｂを約380Å叉は320Å以下にすればよい。
なお、周波数偏差Δｆを３ppm叉は２ppm以内とした理由は、エージング（経年変化）特性の規格による。すなわち、エージング特性は20年、85℃で±５ppmとの規格がある。したがって、他の要因による周波数変化分を２ppmとすると、３ppmが許容値になるからである。さらに、確実性を得るため、周波数変化分を３ppmと見込んで２ppmを許容値とする。
このように、水晶片１に対する励振電極２の電極厚み比ｂ／ａを0.014叉は0.012にすることによって、熱応力によるヒステリシスの影響を小さくできる。
また、水晶片１に対する電極厚み比ｂ／ａが小さくなることによって、水晶片１の負荷も軽減して、振動特性特に周波数温度特性を良好に維持することができた。すなわち、前第４図の曲線（イ）で示す温度に対して周波数偏差の小さい本来の周波数温度特性を得ることができた。
なお、励振電極２の厚みを小さくすることによって導通抵抗が大きくなってＣＩが増加する場合は、例えば第２図に示したように、励振電極２の厚みａは小さく維持して、引出電極３の厚みを大きくすることによってＣＩを改善できる。
（他の事項）上記実施例では水晶片の振動周波数は622MHzとしたが、概ね300MHz以上であれば適用できる。その理由は300MHz以下の場合、水晶片の厚みａが励振電極の厚みｂより充分に厚いので、一般的にｂ／ａは０．０２以下になり、リフロ−による周波数変化量を問題視しなくてもよいからである。また、常温に変曲点を有して低温側に極小値及び高温側極大値を有する周波数温度特性としたが、単調増加の周波数温度特性であったとしてもよく、要はリフロー前後で変化がないことを趣旨とする。そして水晶片１は凹状としたが平板であっても同様に適用できる。
本発明の一実施例（実験例）を説明する電極厚み比ｂ／ａに対する周波数偏差特性のグラフである。 本発明に適用される水晶片の他の例を示す断面図である。 従来例を説明する水晶片の図である。 従来例の問題点を説明する周波数温度特性図である。
符号の説明
１ 水晶片、２ 励振電極、３ 引出電極．

Claims (3)

  1. ＡＴカットとした水晶片の両主面に励振電極を有し、前記水晶片の厚みを５μｍ以下とした水晶振動子において、前記水晶片の厚みａに対する前記励振電極の厚みｂの電極厚み比ｂ／ａを0.014叉は0.012以下としたことを特徴とする水晶振動子。
  2. 前記水晶片は厚みの小さい振動領域と厚みの大きい外周部とからなる請求項１の水晶振動子。
  3. 前記励振電極から外周部に延出する引出電極は、前記励振電極の厚みより大きくした請求項１の水晶振動子。
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