JP2006005676A - 水晶振動子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性接着剤を用いて水晶振動素子を支持固定し、アニール処理した後にパッケージを封止する３００ＭＨｚ以上の水晶振動子において、水晶振動子の周波数が経年変化する問題を解決する。
【解決手段】パッケージの内部にシリコン系の導電性接着剤を用いて水晶振動子素子を支持固定する工程と、前記導電性接着剤を加熱硬化する工程と、真空雰囲気中で加熱するアニール工程と、前記パッケージを封止する工程と、前記封止後のパッケージを摂氏３００度の環境下に少なくとも２時間放置する加熱処理工程とを含むことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子の製造方法に関するものである。

従来、携帯電話器など移動体通信機器用の周波数基準源には高精度の水晶振動子が使われていたが、近年、基幹伝送網の高速化と広帯域化の要求から、中継装置の周波数基準源用に高周波数、高精度の水晶振動子が要求されるようになった。

図３は代表的なＳＭＤ型（表面実装型）の水晶振動子の外観図を示したものである。
図３に示したＳＭＤ型の水晶振動子は、励振電極を有する水晶振動素子１と、内部に配線パターンが形成されたセラミックパッケージ２と、前記水晶振動素子１の励振電極を前記配線パターンに接続すると共に該水晶振動素子１をセラミックパッケージ２に固定支持する導電性接着剤３と、前記セラミックパッケージ２を封止する蓋４とを備えている。

図３に示したＳＭＤ型の水晶振動子は、水晶振動素子１を直接セラミックパッケージ２に実装するため、水晶振動素子１に応力が加わりやすい構造になっている。従って、水晶振動素子１に加わる応力の緩和と電気的な接続とを目的として、柔らかいシリコン系の導電性接着剤を用いるのが一般的である。

一方、上述したように水晶振動子は基準周波数源として使われるので、特に経年変化に対する高い周波数安定性が要求されている。このため、経年変化に対する安定性を得る目的で水晶振動子の製造工程には様々な工夫が施されている。例えば、特開２０００−３０７３６７号には、１２．８ＭHｚの水晶振動素子をシリコン系の導電性接着剤にて固着した後、真空中にて摂氏３５０度、５時間以上の条件で加熱処理を行い、その後にパッケージを気密封止することによって、経年変化による周波数変化量を±１ｐｐｍ以内に抑える技術が開示されている。

経年変化が抑えられる理由は、加熱処理にて水晶振動子の構成素材であるベース、水晶片、接着剤から発生するガスを出し尽くすことによって、水晶振動素子の励振電極にガスの構成分子が付着することを防止するとされているが、メカニズムの詳細は解明されていない。
特開平２０００−２４６８４４号公報

ところが、特開２０００−３０７３６７号にて開示された技術には次の様な問題点がある。すなわち、本発明者らは約３００ＭＨｚの基本周波数を有する小型水晶振動子を制作し、その製造工程においてパッケージ封止前に加熱処理を施し、水晶振動子の経年変化を確認してみた。図４にその結果を示す。図４から分かるように、本発明者らの予想に反し水晶振動子は封止後も周波数が変化し続け、４００時間を経過した時点で最悪−２５ｐｐｍもの変化をするという結果が得られた。
つまり、１２．８ＭＨｚといった低い周波数の水晶振動子のものに対しては効果があった加熱処理は、３００ＭＨｚ以上の高い周波数であり、小型のものに対しては、効果がないという事実を本発明者らは発見したのである。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、３００ＭＨｚ以上の小型水晶振動子に対して、経年変化を抑えることのできる水晶振動子の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明においては、パッケージの内部にシリコン系の導電性接着剤を用いて水晶振動子素子を支持固定する工程と、前記導電性接着剤を加熱硬化する工程と、真空雰囲気中で加熱するアニール工程と、前記パッケージを封止する工程と、前記封止後のパッケージを摂氏３００度の環境下に少なくとも２時間放置する加熱処理工程とを含む製造方法である。

また、請求項２記載の発明においては、請求項１記載の製造方法の水晶振動子であって、前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上としたものである。

また、請求項３記載の発明においては、請求項１記載の製造方法の水晶振動子であって、前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、水晶基板に外形寸法が１．５ｍｍ×１．０ｍｍよりも小さいものである。

また、請求項４記載の発明においては、請求項１記載の製造方法の水晶振動子であって、 前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、逆メサ加工により形成された博肉部分の平面寸法が０．４ｍｍ×０．４ｍｍよりも小さいものである。

また、請求項５記載の発明においては、請求項１記載の製造方法の水晶振動子であって、
前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、励振電極の平面寸法が０．３ｍｍ×０．３ｍｍよりも小さいものである。

また、請求項６記載の発明においては、請求項１記載の製造方法の水晶振動子であって、
前記パッケージの外形寸法が２．５ｍｍ×２．０ｍｍよりも小さいものである。

本発明の温度補償圧電発振器は、パッケージの内部にシリコン系の導電性接着剤を用いて水晶振動子素子を支持固定する工程と、前記導電性接着剤を加熱硬化する工程と、真空雰囲気中で加熱するアニール工程と、前記パッケージを封止する工程と、前記封止後のパッケージを摂氏３００度の環境下に少なくとも２時間放置する加熱処理工程を備えたものである。したがって、本発明は経年変化を抑えた３００ＭＨｚ以上の高い周波数を有する水晶振動子を提供することを目的とする。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１は本発明に係わる逆メサ構造の水晶振動素子の水晶基板の外形図を示したものである。図１において外形が１．５ｍｍ×１．０ｍｍの水晶基板を逆メサ型（水晶基板の一部を凹陥して薄肉の振動部をしたもの）に加工し、肉薄部の平面寸法は０．４ｍｍ×０．４ｍｍである。また肉薄部に形成された励振電極の寸法は約０．３ｍｍ×０．３ｍｍであり、逆メサ型に加工した水晶基板を２．５ｍｍ×２．０ｍｍのパッケージに封止した。なお、水晶振動子の基本周波数は３１２．１５ＭＨｚである。

次に図１に示した水晶振動子の、製造工程について説明する。
まず、図１に示した水晶基板を図示しないセラミックパッケージに実装しシリコン系の導電性接着剤にて支持固定する。次に、前記導電性接着剤を加熱硬化させ、真空雰囲気中にて摂氏２７０度のアニール処理を施し、パッケージを封止する。パッケージを封止後、摂氏３００度にて２時間の加熱処理を施した。

次に前述した処理を施した水晶振動子の経年変化の特性について説明する。
本願発明者らは、封止後に加熱処理を施すことによって、３００ＭＨｚ以上の高い周発数の小型水晶振動子の経年変化を改善できることを発見し、経年変化がほとんど問題とならない最適な加熱処理の条件を見いだした。
図２は、本発明の水晶振動子の経年変化を示したものである。
図２において、左から１列目（ＬＯＴ１、２、３）のデータはパッケージ封止後の加熱処理を摂氏２６０度で行ったものであり、それぞれ加熱時間を１０分、６０分、１２０分としている。ここで、横軸は経過時間、縦軸は周波数変化量を示す。
また、左から２列目（ＬＯＴ４、５、６）のデータはパッケージ封止後の加熱処理を摂氏２８０度で行ったものであり、それぞれ加熱時間を１０分、６０分、１２０分としている。また、左から３列目（ＬＯＴ７、８、９）のデータはパッケージ封止後の加熱処理を摂氏３００度で行ったものであり、それぞれ加熱時間を１０分、６０分、１２０分としている。図２の結果から分かるように、摂氏３００度において加熱処理を２時間行ったものが最適な条件であることが判明した。

なお、このような封止後の加熱処理を施すことで、経年変化特性が改善されるメカニズムについては詳細は不明であるが、振動子の周波数が高く電極寸法が非常に小さくなった場合に、導電性接着剤に微少に残留しているガス分子が、加熱処理によって電極上面に付着して薄膜を形成し、これが電極膜を保護するため以降のエージング特性が安定化するのではないかと推定される。

本発明に係る水晶振動子の水晶基板の外形図。 本発明に係る水晶振動子の経年変化特性を示した図。 従来の水晶振動子の外形図。 従来の水晶振動子の経年変化を示した図。

符号の説明

１・・水晶振動素子
２・・パッケージ
３・・導電性接着剤
４・・蓋

Claims (6)

1. パッケージの内部にシリコン系の導電性接着剤を用いて水晶振動子素子を支持固定する工程と、前記導電性接着剤を加熱硬化する工程と、真空雰囲気中で加熱するアニール工程と、前記パッケージを封止する工程と、前記封止後のパッケージを摂氏３００度の環境下に少なくとも２時間放置する加熱処理工程とを含むことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
2. 前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであることを特徴とする請求項１記載の製造方法にて製造した水晶振動子。
3. 前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、水晶基板に外形寸法が１．５ｍｍ×１．０ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の製造方法にて製造した水晶振動子。
4. 前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、逆メサ加工により形成された博肉部分の平面寸法が０．４ｍｍ×０．４ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の製造方法にて製造した水晶振動子。
5. 前記水晶振動子素子は、ＡＴカット水晶基板を逆メサ型に加工した基本周波数が３００ＭＨｚ以上のものであって、励振電極の平面寸法が０．３ｍｍ×０．３ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の製造方法にて製造した水晶振動子。
6. 前記パッケージの外形寸法が２．５ｍｍ×２．０ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の製造方法にて製造した水晶振動子。
   

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