JP2005244638A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動素子を安定した状態で搭載することができ、生産性の向上にも供することが可能な高信頼性の水晶振動子を提供する。
【解決手段】一対の接続パッド２ａ，２ｂを有した絶縁基体１の上面に、前記接続パッド２ａ，２ｂに導電性接着材７を介して接続される一対の振動電極６ａ，６ｂを有した水晶振動素子５を搭載してなる水晶振動子において、前記接続パッド２ａ，２ｂの上面に、水晶振動素子５の下面に当接されるバンプ４を導電性接着材７と非接触の状態で配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯用通信機器や電子計算機等のタイミングデバイスとして用いられる水晶振動子に関するものである。

従来より、携帯用通信機器や電子計算機等のタイミングデバイスとして水晶振動子が用いられている。

かかる従来の水晶振動子としては、アルミナセラミックス等から成る容器体の上面に凹部を形成するとともに、該凹部内に水晶振動素子を搭載・収容し、前記容器体の上面に、前記凹部の開口部を塞ぐようにして金属製の蓋体を取着・接合させることにより、凹部内面と蓋体下面とで囲まれた水晶振動素子の搭載領域を気密封止した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

尚、上述した従来の水晶振動子に用いられている水晶振動素子は、例えば図５に示す如く、所定の結晶軸でカットした水晶片２３の両主面に一対の振動電極２４ａ，２４ｂを被着させてなり、この振動電極２４ａ，２４ｂを凹部底面の対応する接続パッド２５ａ，２５ｂに導電性接着材等を介して電気的・機械的に接続することにより水晶振動素子２２が容器体２１の凹部２１ａ内に搭載・収容される。

かかる水晶振動子は、容器体２１の下面に設けられる入出力端子（入力端子・出力端子）を介して水晶振動素子２２の振動電極２４ａ，２４ｂ間に外部からの変動電圧が印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こし、その周波数に基づいて外部の発振回路等で所定の発振信号を生成・出力することによって水晶振動子として機能する。このようにして得られた発振信号は、例えば携帯用通信機器等のクロック信号（基準信号）として利用されることとなる。
特開２００１−２７４６４９号公報

しかしながら、上述した従来の水晶振動子においては、水晶振動素子２２を容器体２１の凹部内に搭載する際、振動電極２４ａ，２４ｂと接続パッド２５ａ，２５ｂとを接続するペースト状の導電性接着材が水晶振動素子２２の自重等によって潰れてしまうことがあり、その場合、水晶振動素子２２が傾いて容器体２１の内面と接触することにより所定の振動特性が得られなくなったり、或いは、潰れた導電性接着材同士が接触することにより短絡を起こすという欠点を有していた。

そこで上記欠点を解消するために、接続パッド２５ａ，２５ｂの上面に金属等から成るバンプを設けておき、このバンプ上に水晶振動素子２２を載置させた状態で、振動電極２４ａ，２４ｂと接続パッド２５ａ，２５ｂとを導電性接着材により接続することで、接続パッド２５ａ，２５ｂと水晶振動素子２２との間に所定のスペースを確保することが提案されている。

ところが、接続パッド２５ａ，２５ｂの上面にバンプを設けた場合、このバンプに導電性接着材が接触することにより、水晶振動素子２２の振動特性が変化し、所定の温度領域において周波数の急激な変動現象（ディップ）を生じることがあり、そのよな事態を避けるためには導電性接着材とバンプとを非接触に保つ必要がある。

しかしながら、容器体２１の接続パッド２５ａ，２５ｂ上には、通常、これらの接続パッド２５ａ，２５ｂを覆うようにして水晶振動素子２２の振動電極２４ａ，２４ｂが配置されていることから、水晶振動素子２２を搭載した後でバンプと導電性接着材との位置関係を目視等によって確認することは極めて困難であり、そのような状況の中で先に述べた“ディップ”の有無を調べるには、製品の組み立て後、全ての水晶振動子を外部の発振回路等と接続して発振信号を発生させた上、その周波数をモニタリングしながら、温度環境を変化させることにより個々の製品の温度特性を確認する必要があり、これによって水晶振動子の生産性低下を招く欠点が誘発される。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、水晶振動素子を安定した状態で搭載することができ、生産性の向上にも供することが可能な高信頼性の水晶振動子を提供することにある。

本発明の水晶振動子は、一対の接続パッドを有した絶縁基体の上面に、前記接続パッドに導電性接着材を介して接続される一対の振動電極を有した水晶振動素子を搭載してなる水晶振動子において、前記接続パッドの上面に、前記水晶振動素子の下面に当接されるバンプを前記導電性接着材と非接触の状態で配設したことを特徴とするものである。

また本発明の水晶振動子は、前記バンプの外周を前記水晶振動素子の上方より透視し得るように、前記一対の振動電極を前記バンプ上より避けるようにパターン形成したことを特徴とするものである。

更に本発明の水晶振動子は、前記水晶振動素子が矩形状をなすように形成されているとともに、該水晶振動素子の一辺に沿って前記一対の接続パッドが配されており、該接続パッドと前記振動電極とが前記一辺の両端に存在する２個の角部近傍で前記導電性接着材を介して接続されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の水晶振動子は、前記導電性接着材が、共通の接続パッド上に設けられているバンプよりも前記角部側に配されていることを特徴とするものである。

本発明の水晶振動子によれば、接続パッドの上面に、水晶振動素子の下面に当接されるバンプを配設するようにしたことから、水晶振動素子を絶縁基体上に搭載する際、水晶振動素子の振動電極と絶縁基体の接続パッドとを接続する導電性接着材に潰れを生じさせることなく、水晶振動素子と接続パッドとの間のスペースを前記バンプによって確実に確保することができ、水晶振動素子を安定的に搭載することが可能となる。

またこの場合、前記バンプは、接続パッド−振動電極間を接続する導電性接着材と非接触の状態に保たれていることから、所定の温度領域において周波数の急激な変動現象（ディップ）を生じることは殆どない。

更に本発明の水晶振動子によれば、水晶振動素子の振動電極をバンプ上より避けるようにしてパターン形成しておくことにより、バンプの外周が水晶振動素子の上方より透視し得るようになる。これにより、水晶振動素子を搭載した後でバンプと導電性接着材との位置関係を目視等によって容易に確認することができるようになり、全ての製品について温度特性にかかる検査を行わなくても、導電性接着材がバンプに接触していない製品のみを抽出することで、“ディップ”を発生する可能性の低い製品のみを効率良く選別し、検査の簡素化・合理化を図ることができる。

また更に本発明の水晶振動子によれば、導電性接着材を、共通の接続パッド上に設けられるバンプよりも水晶振動素子の角部側に配置させておくことにより、水晶振動素子の厚みすべり振動に対する影響が最も少ない部位で水晶振動素子が固定されるようになるため、良好な振動特性を備えた水晶振動子を得ることができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図、図２は図１の水晶振動子の断面図、図３は図１の水晶振動子より蓋体を取り外した状態を示す平面図、図４は図３のＸ−Ｘ線断面図であり、同図に示す水晶振動子は、大略的に、絶縁基体としての容器体１と、水晶振動素子５と、蓋体１１とで構成されている。

前記容器体１は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数層、積層することによって形成されており、その上面には、中央域に矩形状に開口する凹部１ａが、周辺域に凹部１ａの開口部を囲繞する環状の接合用導体９が形成され、下面には入力端子、出力端子及びグランド端子を含む複数個の外部端子３が設けられている。

前記容器体１は、その凹部１ａ内で水晶振動素子５を収容するためのものであり、凹部１ａの底面には水晶振動素子５の振動電極６ａ，６ｂに接続される一対の接続パッド２ａ，２ｂが設けられている。

前記一対の接続パッド２ａ，２ｂは、その上面側で後述する水晶振動素子５の振動電極６ａ，６ｂに導電性接着材７を介して電気的に接続され、下面側で容器体内部の導体パターン８ａやビアホール導体８ｂ等を介して入出力端子（入力端子・出力端子）に電気的に接続される。

また、上述した接続パッド２ａ，２ｂは、各々の上面に、例えば２０μｍ〜５０μｍの厚みをもったバンプ４を１個ずつ有している。

前記バンプ４は、その頂部を後述する水晶振動素子５の下面に当接して、水晶振動素子５と接続パッド２ａ，２ｂとの間に所定のスペースを確保するためのものであり、接続パッド２，２ｂと同質の金属材料、例えばニッケル等によって柱状をなすように形成される。

一方、前記容器体１の上面に設けられている接合用導体９は、例えば、Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｎｉ等の導電性材料によって凹部１ａの開口部を囲繞するようにして環状に形成されており、該接合用導体９の表面に後述するシールリング１０が接合される。

また、前記容器体１の下面に設けられている複数個の外部端子３は、水晶振動子をマザーボード等の外部配線基板上に搭載する際、外部配線基板の配線と半田等の導電性接合材を介して電気的に接続するための端子として機能するものである。

尚、上述した容器体１は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に外部端子３や接続パッド２ａ，２ｂ，導体パターン８ａ等となる導体ペーストを、また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ビアホール導体８ｂとなる導体ペーストを、従来周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。

そして、前記容器体１の凹部１ａ内に搭載・収容される水晶振動素子５は、所定の結晶軸でカットした、厚み３０μｍ〜１６０μｍの矩形状水晶片の両主面に一対の振動電極６ａ，６ｂを被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極６ａ，６ｂを介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。

このような水晶振動素子５は、下面の一端部に導出された振動電極６ａ，６ｂの接続部と凹部底面の対応する接続パッド２ａ，２ｂとを導電性接着材７を介して電気的・機械的に接続することによって容器体１の凹部底面に搭載される。

ここで、前記水晶振動素子５の搭載位置は、一対の接続パッド２ａ，２ｂが水晶振動素子５の一辺に沿って配置されるように設定されており、かかる接続パッド２ａ，２ｂと振動電極６ａ，６ｂとは上述した水晶振動素子５の一辺の両端に存在する２個の角部近傍で導電性接着材７を介して接続される。

そして、接続パッド２ａ，２ｂと振動電極６ａ，６ｂとを接続する導電性接着材７は、共通の接続パッド２ａ，２ｂ上に設けられているバンプ４よりも上述した水晶振動素子５の角部側に、バンプ４の表面とは非接触の状態で配置される。

このとき、水晶振動素子５の下面には、上述したようにバンプ４の頂部が当接されており、水晶振動素子５と接続パッド２ａ，２ｂとの間のスペースがバンプ４によって確実に確保されていることから、水晶振動素子５の搭載に際して、水晶振動素子５の振動電極６ａ，６ｂと接続パッド２ａ，２ｂとを接続する液状の導電性接着材７に潰れが生じることはなく、水晶振動素子５を容器体１上に安定的に搭載することができる。

また前記バンプ４は導電性接着材７と非接触の状態に保たれているため、従来例の項で述べたような“ディップ”現象、即ち、所定の温度領域における周波数の急激な変動現象を生じることは殆どなく、水晶振動子の信頼性が高く維持される。

しかも前記導電性接着材７は、共通の接続パッド２ａ，２ｂ上に設けられるバンプ４よりも水晶振動素子５の角部側に配置させてあるため、水晶振動素子５の厚みすべり振動に対する影響が最も少ない部位で水晶振動素子５を固定するようになっており、これによって良好な振動特性を備えた水晶振動子が得られるようになる。

更にこの場合、バンプ４上の領域を避けるように一対の振動電極６ａ，６ｂをパターン形成しておけば、バンプ４の外周が水晶振動素子５の上方より透視できるようになることから、水晶振動素子５を搭載した後でバンプ４と導電性接着材７との位置関係を目視等によって容易に確認することができる。これにより、全ての製品について温度特性の検査を行わなくても、導電性接着材７がバンプ４に接触していない製品のみを抽出することで、“ディップ”を発生する可能性の低い製品のみを効率良く選別して検査を実施することができ、これによって検査の簡素化・合理化を図ることが可能となる。従って、バンプ４上の領域を避けるようにして一対の振動電極６ａ，６ｂをパターン形成しておくことが好ましい。

そして、前記容器体１の上面にはシールリング１０を介して金属製の蓋体１１が固定されており、これによって蓋体１１はシールリング１０、接合用導体９及び導体パターン８ａ等を介して容器体下面のグランド端子３と電気的に接続され、同時に、蓋体１１の下面で凹部１ａの開口部が塞がれ、これによって水晶振動素子５の収容される領域が気密封止されることとなる。

このとき、金属製の蓋体１１は容器体１の導体パターン８ａ等を介してグランド端子３と電気的に接続されており、水晶振動子の使用時、蓋体１１はグランド電位に保持されることとなるため、蓋体１１のシールド作用によって、水晶振動素子５を外部からの不要な電気的作用より良好に保護することができる。

尚、蓋体１１及びシールリング１０はコバールや４２アロイ，リン青銅等の金属によってそれぞれ所定形状をなすように形成されており、前記シールリング１０はＡｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｎｉ等の接合材を介して容器体上面の接合用導体９に接合させることによって容器体１に取着され、前記蓋体１１は従来周知のシーム溶接（抵抗溶接）等を採用し、蓋体１１の下面外周部をＡｕ−Ｎｉ等の接合材を介してシールリング１０の上面に接合させることによってシールリング１０の上面に取着される。

このとき、蓋体１１の接合作業を真空装置内や窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うようにすれば、水晶振動素子５が収納される空間は真空もしくは不活性ガスが充満された状態となるため、水晶振動素子５が酸素や大気中の水分等によって腐食・劣化するのを有効に防止することができる。従って、蓋体１１の接合作業は真空装置内もしくは窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。

かくして上述した水晶振動子は、容器体１の下面に設けられている入出力端子を介して水晶振動素子５の振動電極間に外部からの変動電圧を印加し、水晶振動素子５を所定の周波数で厚みすべり振動させることによって水晶振動子として機能する。また、このような水晶振動子の周波数に基づいて外部の発振回路で生成・出力された発振信号は、例えば、携帯用通信機器等の電子機器における基準信号（クロック信号）として利用されることとなる。

尚、本発明は上述の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。

例えば、上述した実施形態においては、凹部１ａを有した容器体１を絶縁基体として用いるようにしたが、これに代えて、平板状の板体を絶縁基体として用いるようにしても構わない。その場合、シールリング１０等が接合される接合用導体９と接続パッド２ａ，２ｂは絶縁基体１の上面に形成され、接合用導体９やシールリング１０は水晶振動素子５の搭載領域を取り囲むようにして絶縁基体１の上面に配置されることとなる。

また上述した実施形態においては、シールリング１０を用いて蓋体１１を容器体１上に取着させるようにしたが、これに代えて、絶縁基体の接合用導体９に対して蓋体１１を直接、接合することにより蓋体１１を絶縁基体１上に取着させるようにしても構わない。

更に上述した実施形態においては、バンプ４を金属によって柱状をなすように各接続パッド２ａ，２ｂ上に１個ずつ形成するようにしたが、これに代えて、バンプ４をエポキシ樹脂等によって形成したり、バンプ４をスタッドバンプで形成したり、或いは、バンプ４の外形を円錐台状に形成したり、更にはバンプ４を各接続パッド２ａ，２ｂ上に複数個ずつ設けても良いことは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図である。 図１の水晶振動子の断面図である。 図１の水晶振動子より蓋体を取り外した状態を示す平面図である。 図３のＸ−Ｘ線断面図である。 従来の水晶振動子より蓋体を外した状態を示す平面図である。

符号の説明

１・・・容器体
１ａ・・・凹部
２a，２ｂ・・・接続パッド
３・・・外部端子
４・・・バンプ
５・・・水晶振動素子
６ａ，６ｂ・・・一対の振動電極
７・・・導電性接着材
８ａ・・・導体パターン
８ｂ・・・ビアホール導体
９・・・接合用導体
１０・・・シールリング
１１・・・蓋体

Claims (4)

1. 一対の接続パッドを有した絶縁基体の上面に、前記接続パッドに導電性接着材を介して接続される一対の振動電極を有した水晶振動素子を搭載してなる水晶振動子において、
   前記接続パッドの上面に、前記水晶振動素子の下面に当接されるバンプを前記導電性接着材と非接触の状態で配設したことを特徴とする水晶振動子。
2. 前記バンプの外周を前記水晶振動素子の上方より透視し得るように、前記一対の振動電極を前記バンプ上より避けるようにパターン形成したことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記水晶振動素子が矩形状をなすように形成されているとともに、該水晶振動素子の一辺に沿って前記一対の接続パッドが配されており、該接続パッドと前記振動電極とが前記一辺の両端に存在する２個の角部近傍で前記導電性接着材を介して接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水晶振動子。
4. 前記導電性接着材が、共通の接続パッド上に設けられているバンプよりも前記角部側に配されていることを特徴とする請求項３に記載の水晶振動子。

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