JP2005318435A - 圧電デバイス、及び圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動素子を導電性接着剤によって実装基板上に保持するための上部電極を厚付けメタライズ膜にて構成し、更にメタライズ上部電極上に接着剤保持用の突起を設けた場合に発生していた低背化に対する阻害要因を排除しつつ、導電性接着剤による接続強度を十分に確保することができる圧電デバイスを提供することを目的としている。
【解決手段】 絶縁基板２と、絶縁基板下部に設けた実装電極３と、絶縁基板上部に設けた上部電極４と、実装電極と上部電極とを導通するために絶縁基板に形成されたビアホール５と、を備えた表面実装用基板１と、圧電振動素子２０と、表面実装用基板の上部電極上に、圧電振動素子のリード端子を電気的、機械的に接続固定する導電性接着剤９と、を備えた圧電デバイスにおいて、上部電極は、実装電極の一つと導通したビアホール上面に一体的に突出した突起３１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧電デバイスにおける圧電振動素子の支持構造の改良に関し、特にパッケージ側に低背化の阻害要因となる厚付けメタライズ等を形成せずに、少ない接着剤量で圧電振動素子を強固に支持することができる圧電デバイスに関する。

水晶振動素子等の圧電振動素子は、圧電振動子、圧電発振器、ＳＡＷフィルタ等の圧電デバイスのパッケージ内に組み込まれて使用される。圧電振動素子は、目標とする共振周波数を得る為に好適な肉厚を有した圧電基板の振動部に励振電極やリード端子等を蒸着等により形成した構成を有する。
従来の表面実装型圧電振動子のパッケージは、図５に示すように、底部に表面実装用の実装電極１０２を備えたセラミック製の底板（絶縁基板）１０１の上面外周縁に、セラミック製の環状外周壁１０５を一体的に立設し、環状外周壁の内側の凹陥部内に圧電振動素子１２０を搭載した状態で、外周壁上面に固定された環状のシールリング１０６を介して金属蓋１０７を固定することにより気密封止を行っている。
圧電振動素子１２０は、水晶等の圧電材料から成る圧電基板１２１の表裏両面に夫々励振電極１２２を蒸着等によって形成すると共に、各励振電極１２２から圧電基板端縁に延びるリード端子１２３を備えている。
底板１０１の上面には同じくセラミックから成る台座１０１ａが形成されており、台座１０１ａ上の接続パッド（上部電極）１０８は内部導体１０９等によって実装電極１０２の一つと導通している。また、互いに接続する実装電極と上部電極とが離れている等、内部導体を形成することができない事情がある場合には実装基板外面に金属パターンを配回すことによって両者の導通を確保する必要があった。

台座上の接続パッド１０８上に圧電振動素子１２０を搭載する際には、各接続パッド１０８上に塗布した導電性接着剤１１０上に、圧電振動素子１２０の端縁に位置する各リード端子１２３の端部が位置決めされるように載置してから、接着剤を硬化させる。
ところで、台座１０１ａは底板１０１を製造する際に同時に形成されるが、従来台座を設ける理由は、導電性接着剤１１０の余剰分を台座上から底板１０１上面に流出させ易くするためである。即ち、余剰接着剤が圧電振動子の振動部に近い位置に付着すると、共振周波数に悪影響を及ぼすため、余剰接着剤は台座からなる段差を利用して底板上に流出させることが好ましい。
しかし、近年のように圧電振動子のパッケージが小型化（例えば、縦５ｍｍ、横３．２ｍｍ、高さ０．５ｍｍ）してくると、セラミック製台座の存在がパッケージ内の圧電振動素子収容スペースを制約し、低背化の要請に反する大きな要因となってくる。このため、台座の撤去と、それに代わる上部電極の構築が求められていた。
このようなところから、最近では厚付けしたメタライズ製の上部電極が多用されるようになってきている。メタライズ上部電極によれば、セラミック製台座よりも十分に低い高さを有するため、低背化の要請に十分に対応できる。メタライズ膜は、タングステン粉を有機溶剤中に混ぜてペースト状にしたものを、実装基板の上面にスクリーン印刷した上で、焼き固めることによって形成される。
しかし、パッケージに対する小型化、省スペース化の要請が更に高まってくると、メタライズ上部電極の面積を更に狭くすべき旨の要請が強くなる。上部電極の面積が十分に広い場合には接着に供する接着剤の量を多くすることができるため、塗布厚が薄くても十分な接着強度を確保できたが、上部電極の面積が狭くなり、塗布される接着剤量が減少し、薄くなると、接着強度が低下して落下時の衝撃による剥離が発生し易くなる。

本出願人は、メタライズ上部電極の面積が狭くなった場合にも十分な接続強度を確保するために、図６に示すように、特願２００３−００７６９８において、メタライズ上部電極１１１上に突起１１２を設け、突起により保持され、流出を阻止される接着剤１１０によって、十分な接着強度を確保する方法を提案した。なお、この場合、メタライズ上部電極１１１と実装基板底部の実装電極１０２との間の導通は、実装電極１０２から延びるビアホール１０３の上部と上部電極１１１との間をメタライズパターン１０４（上部電極１１１と一括形成される）によって接続することによって確保している。従って、メタライズパターン１０４の断線を防ぐためにも、メタライズパターンと一括にて形成される上部電極１１１は厚付け（２０〜４０μｍ）とせざるを得ない。
一方、上部電極１１１上に形成される突起１１２も２０〜４０μｍの高さを必要とするため、上部電極１１１と突起１１２を合せた高さは４０〜８０μｍ程度となり、パッケージ内の高さ方向のクリアランスを余計に確保する必要があり、結果的にパッケージの高さが大きくなっていた。
また、特開平１１−２７０８４号公報にもメタライズ上部電極上に突起を設けた水晶振動子が提案されているが、上記従来例と同様に低背化に対して対応できないという欠点を有している。
特願２００３−００７６９８ 特開平１１−２７０８４号公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、圧電振動素子を導電性接着剤によって実装基板上に保持するための上部電極を厚付けメタライズ膜にて構成し、更にメタライズ上部電極上に接着剤保持用の突起を設けた場合に発生していた低背化に対する阻害要因を排除しつつ、導電性接着剤による接続強度を十分に確保することができる圧電振動子、圧電発振器、モノリシックフィルタを提供することを目的としている。
即ち、本発明では、メタライズ上部電極を廃止することによって、上部電極を導電材料から成る突起のみとする一方で、上部電極と実装電極とを接続するために従来使用されていたメタライズパターンを廃止しながらも、実装電極と上部電極との導通を最短距離にて確実に確保することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、絶縁基板と、絶縁基板下部に設けた実装電極と、絶縁基板上部に設けた上部電極と、実装電極と上部電極とを導通するために絶縁基板に形成されたビアホールと、を備えた表面実装用基板と、圧電基板と、圧電基板の振動部に成膜される電極膜と、該電極膜から圧電基板端縁に引き出されたリード端子と、を備えた圧電振動素子と、表面実装用基板の上部電極上に、圧電振動素子のリード端子を電気的、機械的に接続固定する導電性接着剤と、を備えた圧電デバイスにおいて、前記上部電極は、実装電極の一つと導通したビアホール上面に一体的に突出した突起であることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記上部電極としての突起は、前記ビアホール上面の面積よりも小さい面積を有していることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１において、前記上部電極としての突起は、前記ビアホール上面の面積を超えた面積を有していることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２において、前記突起と前記ビアホール上面との間にビアホール上面の面積を超える面積を有した薄膜のメタライズ領域が介在していることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電デバイスは、圧電振動子、又はモノリシックフィルタであることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の圧電振動子と、発振回路を構成する電子部品とを備えたことを特徴とする。

従来、実装電極と上部電極間を導通するためのメタライズパターンを実装基板外面に露出配置していたため、実装基板の角部、表面等においてメタライズパターンが断線する虞が多々あった。これに対して、請求項１の本発明では、実装基板直上に上部電極が位置する場合には両者を基板を貫通するビアホールによって直結する一方、両者が離間している場合には基板の層間配線によって導通を確保するようにした。このため、断線の虞がなくなった。一方、上部電極として、ビアホール上面に突設した突起を用いるようにしたので、突起を中心とした基板面に塗布した導電性接着剤によって圧電振動素子のリード端子を強固に切接続固定することが可能となる。
請求項２の発明は、上部電極としての突起は、前記ビアホール上面の面積よりも小さい面積を有した微小突起であるため、パッケージの高さをコンパクトに維持しながらも少ない量の導電性接着剤によって圧電振動素子を強固に接着することができる。
請求項３の発明は、上部電極としての突起は、ビアホール上面の面積を超えた面積を有しているため、十分な接着剤量を保持することができる。また、上部電極の位置、上部電極上の導電性接着剤の塗布量を画像認識装置によって認識しながら圧電振動素子のマウントを行う自動マウント装置を使用する際に、この広い面積の突起を目印として正確に認識することが可能となる。
請求項４の発明は、突起と前記ビアホール上面との間にビアホール上面の面積を超える面積を有した薄膜のメタライズ領域が介在しているので、このメタライズ領域を画像認識に際しての目印として利用することが可能となる。
請求項５、６の発明にあるように、本発明の圧電デバイスにおける圧電振動素子の支持構造は、圧電振動子、モノリシックフィルタ、圧電発振器に適用することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る圧電デバイスの一例としての圧電振動子の縦断面図であり、図１（ｃ）は要部平面図である。
この圧電振動子は、底部に表面実装用の実装電極３を備えたセラミック製の底板（絶縁基板）２の上面外周縁に、セラミック製の環状外周壁６を一体的に立設し、環状外周壁６の内側の凹陥部内に圧電振動素子２０を搭載した状態で、外周壁６上面に固定された環状のシールリング７を介して金属蓋８を固定することにより気密封止を行っている。
絶縁基板２と、絶縁基板下部に設けた実装電極３と、絶縁基板上部に設けた上部電極４と、実装電極３と上部電極４とを導通するために絶縁基板に形成されたビアホール５は、表面実装用基板１を構成している。
圧電振動素子２０は、水晶等の圧電材料から成る圧電基板２１の表裏両面に夫々励振電極２２を蒸着等によって形成すると共に、各励振電極２２から圧電基板端縁に延びるリード端子２３を備えている。
本発明の特徴的な構成は、実装電極３の何れかと導通した２つのビアホール５の上面に上部電極４としての突起３１を一体化して配置した構成にある。そして、各突起３１を含む基板面に夫々適量の導電性接着剤９を塗布してから、各リード端子２３が２つの導電性接着剤９上に位置決めされるように圧電振動素子２０をマウントして、両者を電気的機械的に接続する。
即ち、図１（ｃ）に示した４個の実装電極３のうち、例えば実装電極３ａ、３ｂを、圧電振動素子２０の２つのリード端子２３と夫々接続する場合に、実装電極３ａは直上に位置する一方のリード端子２３と接続できるため、（ａ）に示すように実装電極３ａはビアホール５、突起３１を介して導電性接着剤９によって対応するリード端子２３と接続される。
他方の実装電極３ｂと対応するリード端子２３とは離間しているため、（ｂ）に示すように積層構造の実装基板３の層間を配線された導体３２により、ビアホール５ａ、５ｂを接続する。即ち、この例では、実装電極３ｂに直結した短尺な下側ビアホール５ａと、突起３１に直結した短尺な上側ビアホール５ｂを、実装基板の下層と上層に夫々形成しておき、これらのビアホール５ａ、５ｂ間を、層間に配線した導体３２によって接続しているので、導体が断線する虞が皆無となる。
なお、ビアホール５及び突起３１の製造方法としては、例えば粘土状態にあるセラミック基板に形成した穴２ａ内にタングステン粉を有機溶剤中に混ぜてペースト状にしたものを充填し、スキージにより穴２ａ内のペーストを平坦化してから、穴上部に露出したペースト上に同材質、或いは異なった導電材料から成る突起部材を取付け、その後焼き固める。
或いは、図２に示すように、実装基板２の下面側を閉止した状態で、実装基板２上面に突起形成用の穴４０ａを有したマスク４０を位置決め固定し、この状態で穴４０ａ内にペースト状の導電材料を充填する際に同時に実装基板の穴２ａ内にも充填する。その後、マスク４０を除去することにより、未硬化の状態のペーストの成形が完了するので、後は焼き固めれば実装基板の製造が完了する。
なお、マスク４０に形成した突起成形用の穴４０ａの上側の開口を閉止しつつ、穴２ａの下側の開口からペースト状の導電材料を充填するようにしてもよい。
なお、一つのビアホール５上に形成する突起の個数は、２個以上であっても良い。

次に、図３は本発明の他の実施形態に係る圧電振動子の構成例を示す断面図であり、この実施形態では、ビアホール５の上面に、ビアホールの面積を超える極薄のメタライズ領域３５を形成し、該メタライズ領域３５上に導電材料から成る突起３１を形成した例を示している。このメタライズ領域３５は、上部電極としての突起３１上に圧電振動素子を搭載する際に使用する図示しないマウンターが備える画像認識装置によって、上部電極、及び導電性接着剤の位置を確認する際の目印として利用される。即ち、画像認識装置がカラー画像を認識できる高価なタイプであれば、セラミック基板上面の色と、導電性接着剤の色との違いを認識した上で、正しい搭載位置に圧電振動素子を位置決めすることができるが、従来のモノクロ画像認識装置にあっては、色調、濃度が近似したセラミック基板と導電性接着剤との間の色調、濃淡の違いを認識することが困難である。このため、モノクロ画像認識装置による場合には、白く反射するメタライズ領域上に塗布された暗色の導電性接着剤を認識し、その塗布量が十分であることを確認した上で、圧電振動素子の搭載を行う必要があった。
本発明においても、モノクロ画像認識装置によって図１の実施形態に示した突起３１やビアホール５の存在の確認、セラミック基板との識別を行うことは困難であるため、ビアホールよりも面積の大きいメタライズ領域３５を画像認識のためだけに設けた。

次に、図４の実施形態は、図１の実施形態における突起３１の面積をビアホール５の面積を超えて拡大した構成とすることにより、接着剤の流出を防止して接着剤を保持する突起本来の機能に加えて、突起３１自体を、モノクロ画像認識装置によって圧電振動素子の搭載位置を画像認識する際の手掛かりとし得るようにしている。
なお、この実施形態では、例えばビアホール５の直径を１３０μｍとした場合、突起３１の厚みは０．０２ｍｍ、直径は０．２ｍｍ程度である。
なお、上記圧電振動子に対して、発振回路を構成する電子部品を組み合わせて圧電発振器を構築することにより、圧電発振器について従来にない低背化を図ることができる。
また、本発明による圧電振動素子の支持構造は、圧電基板上に３個所以上電極膜を形成したモノリシックフィルタの支持構造にも応用することができる。

（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る圧電デバイスの一例としての圧電振動子の縦断面図、要部平面図。 上部電極としての突起の製造方法の一例を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係る圧電デバイスの構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る圧電デバイスの構成を示す断面図。 従来例に係る圧電デバイスの構成を示す断面図。 他の従来例の説明図。

符号の説明

１ 表面実装用基板、２ 底板（絶縁基板）、３ 実装電極、４ 上部電極、５ ビアホール、６ 環状外周壁、７ シールリング、８ 金属蓋、９ 導電性接着剤、２０ 圧電振動素子、２１ 圧電基板、２２ 励振電極、２３ リード端子、３１ 突起、３５ メタライズ領域、４０ マスク、４０ａ 穴。

Claims (6)

1. 絶縁基板と、絶縁基板下部に設けた実装電極と、絶縁基板上部に設けた上部電極と、実装電極と上部電極とを導通するために絶縁基板に形成されたビアホールと、を備えた表面実装用基板と、
   圧電基板と、圧電基板の振動部に成膜される電極膜と、該電極膜から圧電基板端縁に引き出されたリード端子と、を備えた圧電振動素子と、
   表面実装用基板の上部電極上に、圧電振動素子のリード端子を電気的、機械的に接続固定する導電性接着剤と、を備えた圧電デバイスにおいて、
   前記上部電極は、実装電極の一つと導通したビアホール上面に一体的に突出した突起であることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記上部電極としての突起は、前記ビアホール上面の面積よりも小さい面積を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記上部電極としての突起は、前記ビアホール上面の面積を超えた面積を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
4. 前記突起と前記ビアホール上面との間にビアホール上面の面積を超える面積を有した薄膜のメタライズ領域が介在していることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電デバイスは、圧電振動子、又はモノリシックフィルタであることを特徴とする圧電デバイス。
6. 請求項５に記載の圧電振動子と、発振回路を構成する電子部品とを備えたことを特徴とする圧電発振器。

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