JP2006086660A - 水晶振動子、及び水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐リフロー特性、エージング特性を改善することを可能とした水晶振動子、水晶発振器を提供する。
【解決手段】 主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部３の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶基板２と、水晶基板の薄板領域４の両面に夫々形成した励振用電極膜と、から成る厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、上記水晶振動素子の補強部の端縁を２か所、シリコン系導電性接着剤を用いて支持する表面実装容器と、から成り、上記導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０°±１０°）の傾斜方向に延びる水晶振動子において、前記導電性接着剤の硬化前粘度を４２．１Ｐａ・Ｓとし、前記水晶振動素子底面と表面実装容器の支持面との隙間を１５〜２５μｍの範囲に設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は表面実装型水晶デバイスの高周波化技術に関し、特に主面の一部に薄板領域を有した圧電基板を用いた圧電振動素子において、熱的、機械的応力変化に伴う周波数安定性を改善するための技術に関するものである。

同一出願人による特開２０００−３３２５７１には、水晶基板の両面に励振用電極膜を形成した厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、水晶振動素子の端縁を２か所、導電性接着剤を用いて支持する表面実装容器と、から成り、導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びるように構成した水晶振動子が開示されている。この水晶振動子によれば、水晶基板と容器との接続部に発生する応力の影響を最小にすることができる。
また、特開２００３−０６０４７３には、面実装型のベース上に矩形の水晶片を２箇所で固定する際の固着位置を、水晶片の板面の中心を通りｚ’軸からｘ軸方向に約２８°回転した直線と水晶片の辺縁部との交差する部位に選定した水晶振動子が開示されている。
水晶振動素子（水晶片）と容器（ベース）との固定は、水晶振動素子の励振用電極膜から端縁に延びるリード電極膜と、容器側に設けた電極パッドとの間を、導電性接着剤により接着することにより行われる。
ところで、縦横寸法が３．８ｍｍ角のセラミック容器の上面に設けた凹所内に、縦横２．３ｍｍ角の水晶振動素子を収容し、容器の凹所内底面に設けた電極パッド上に水晶振動素子のリード電極膜を導電性接着剤によって接着する場合、電極パッドの寸法は縦横０．５ｍｍ角程度の微小サイズとなる。
また、電極パッドをセラミックなどから成る容器上に形成する際には、容器面に所定の微小な開口を有したマスクを添設した状態でマスクの開口を介して流動性を有した導電材料（溶剤に導電粉を混練した材料）を容器面に塗布し、その後導電材料を容器と共に焼き固める方法が実施される。しかし、導電材料をマスクを用いて容器面に塗布してからマスクを除去した後の導電材料の形状（厚み）は平坦（均一）になり難く、図３（ａ）に示すように中央が円弧状に膨出した形状となり易い。その原因は、マスクを除去する際に、微小サイズの開口内の導電材料の周縁部が開口の内周縁に付着して除去されるためである。
図３（ａ）は、容器１００の面上に中央が円弧状に膨出した電極パッド１０１を形成した例を示しており、導電性接着剤１０２を用いて水晶振動素子１０３を接続した状態を示している。図３（ｂ）はこのような接続構造を備えた水晶振動子に対して耐リフロー試験を実施した結果を示している。耐リフロー試験では、約２６０°のリフロー炉内に水晶振動子を配置して加熱してから、室温環境下に戻してその周波数特性を測定するが、この表から明らかなように周波数はマイナス方向へ大きく変動している。図３（ｃ）に示すエージング特性については、プラス方向に大きく変動している。
次に、図４（ａ）は容器側の電極パッド１０１を均一厚にすることにより上面を平坦化した場合に図３（ａ）の場合と同量の接着剤１０２を使用して水晶振動素子１０３を接続した例を示している。この場合も耐リフロー特性については周波数変動量が大きく、ばらつきが多くなり、エージング特性についても周波数変動量が大きくなっている。
つまり、電極パッドの上面を平坦化したとしても、接着剤の量、厚みが大きい場合には、耐リフロー特性、エージング特性が劣化する。
特開２０００−３３２５７１公報 特開２００３−０６０４７３公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、例えば、３．８ｍｍ角の超小型容器の上面に設けた凹所内に、２．３ｍｍ角の超小型水晶振動素子を収容し、容器の凹所内底面に設けた０．５ｍｍ角以下の微小電極パッド上に水晶振動素子のリード電極膜形成箇所を導電性接着剤によって接着する場合に、容器や水晶振動子に対して全く改造を施すことなく、耐リフロー特性、エージング特性を改善することを可能とした水晶振動子、水晶発振器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶基板、及び上記水晶基板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜を有した厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、上記水晶振動素子の補強部の端縁を２か所、シリコン系導電性接着剤を用いて支持する表面実装容器と、から成り、上記導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０°±１０°）の傾斜方向に延びる水晶振動子において、前記表面実装容器の外形寸法が３．８ｍｍ角であり、且つ表面実装容器の内底面に設けた電極パッドの寸法が、縦横０．５ｍｍ以下であるとき、前記水晶振動素子底面と表面実装容器の支持面との隙間が１５〜２５μｍ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、前記導電性接着剤の硬化前粘度を４２．１Ｐａ・Ｓとしたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して傾斜する角度θは、θ≦±（２７．５°±２°）であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の水晶振動子と、発振回路を備えたことを特徴とする。

微小サイズの絶縁容器、例えば、３．８ｍｍ角の超小型セラミック容器の上面に設けた凹所内に、２．３ｍｍ角の超小型水晶振動素子を収容し、容器の凹所内底面に設けた０．５ｍｍ角以下の微小電極パッド上に水晶振動素子のリード電極膜形成箇所を導電性接着剤によって接着する場合には、導電性接着剤の量の僅かな違いによって耐リフロー特性、エージング特性が大きく劣化する。導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０°±１０°）の傾斜方向に延びる水晶振動子においても同様の問題が起きるが、このタイプの水晶振動子においては、特に、シリコン系導電性接着剤の硬化前粘度と、水晶振動素子底面と表面実装容器の支持面との隙間を所定の範囲内に設定することにより、容器や水晶振動子に対して全く改造を施すことなく、耐リフロー特性、エージング特性を改善することが可能となる。

以下、本発明に係る水晶振動子について添付図面により詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る水晶振動子の構成を示す平面図（金属蓋は省略）、及びＢ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図である。
この水晶振動子は、表面実装用にパッケージ化された水晶振動子である。この水晶振動子は、水晶振動素子１と、この水晶振動素子１を収納した表面実装容器１０と、表面実装容器１０の開口を気密封止する金属蓋１２とから構成された表面実装用水晶デバイスである。
水晶振動素子１を構成する水晶基板２は、ＡＴカット水晶材料を結晶軸であるｘｘ’軸とｚｚ’軸に沿って矩形状または短冊状に形成したものであり、その片面の一部を化学エッチングやイオンエッチング加工などの手法により任意の形状に凹陥せしめて、該凹陥部３の内底面に矩形の薄板領域（振動部）４を形成し、凹陥部３を包囲する外周部を厚肉の補強部（環状囲繞部）５としている。更に、水晶基板２の薄板領域４の上下面には、夫々任意の形状で圧電振動励起用の電極膜６、７を形成すると共に、一方の電極膜６から引き出されたリード電極６ａの端部を水晶基板２の一つの角隅部２Ａにて終端させている。これに対して、他方の電極膜７から引き出されたリード電極７ａの端部は、角隅部２Ａから延び且つｚｚ’軸に対して角度θ｛±（３０±１０）度｝傾斜したｚｚ”軸上に配置する。即ち、リード電極７ａは、このｚｚ”軸と基板端縁２Ｂとが交差する位置にて終端させている。そして、上記水晶振動素子１のｘｘ’軸とｚｚ’軸とが交差する一つの角隅部２Ａに位置するリード電極６ａの端部を、セラミック等から成る表面実装容器１０の内底面に設けた台座上の電極パッド１０ａ上に導電性接着剤１１を用いて固着接続し、更にｚｚ”軸と基板端縁２Ｂとの交差位置にあるリード電極７ａの端部を表面実装容器１０の内底面に設けた台座上の電極パッド１０ｂ上に導電性接着剤１１を用いて固着接続した上で、容器開口を金属蓋１２により気密封止することにより、水晶振動子１は完成される。なお、図示した例では、凹陥部を形成した基板面に形成した励振電極６から導出したリード電極６ａを角隅部２Ａに延在させ、平坦な基板面に形成した励振電極７から導出したリード電極７ａをｚｚ”軸上の他の接続部に延在させたが、これは一例であり、両リード電極の端部が延在する位置を逆にしてもよい。

この例では、表面実装容器１０は、例えば縦横寸法が３．８ｍｍ角であり、水晶振動素子１は縦横寸法が２．３ｍｍ角である。また、電極パッド１０ａ、１０ｂは、縦横寸法が０．５ｍｍ角以下の寸法を有する。
この水晶振動子においては、ＡＴカット水晶基板を表面実装容器１０内に２点で接着支持する際に、導電性接着剤１１による２つの接続部を結ぶ直線が、予め結晶軸ｚｚ’軸に対して±（３０±１０）度傾斜する方向となるように設定したので、上記各接続部にて発生する応力の影響を最小にすることが可能となる。
つまり、ｚｚ’軸からの圧力付加角度θが約±３０度の範囲にある時に、感度Ｋが零に近づいて応力の影響を受けにくくなる。
しかし、このような構成を備えた水晶振動子においても、表面実装容器１０側に設けた電極パッド１０ａ、１０ｂの厚みが不均一であったり、或いは電極パッドの厚みは均一であっても導電性接着剤１１の塗布量が過大な場合には、耐リフロー特性、エージング特性における周波数変動が大きくなるという問題が残る。

そこで、本発明者は、上記の如き構成を備え、且つ上記の如き微小寸法を有した水晶振動子において、表面実装容器１０側に設けた電極パッド１０ａ、１０ｂを均一厚とした場合に、シリコン系導電性接着剤の粘度や、同接着剤を構成するバインダーの粘度や導電粒子の粒径、溶剤等の要素を種々考慮しつつ、最適の耐リフロー特性、エージング特性を得ることができる条件について種々の実験を行った。
その結果、硬化前の接着剤粘度が、評価方法３ＴＳ−２１０−０５にて評価した場合に、４２．１Ｐａ．ｓ（パスカル・秒）であり、且つ、図２（ａ）に示す容器側電極パッド１０ａ、１０ｂの上面と水晶振動素子底面との間の隙間ｇが、１５〜２５μｍであるときに、図２（ｂ）（ｃ）に示すように耐リフロー特性、及びエージング特性において周波数変動を小さく抑えることができた。
なお、シリコン系導電性接着剤１１としては、例えばスリーボンド社「３３０３Ｆ」が最も緒特性が優れている。シリコン系接着剤は、耐衝撃性がよく、本実施形態のように２箇所で接着する場合に応力感度が小さくなる。これに対してポリイミド系接着剤は硬度が高いため同様の応力感度を得ることはできない。
このような効果は、図１に示した如き構成を備えた水晶振動子に限って発揮され、上記以外のタイプの水晶振動子については接着剤粘度、電極パッドと水晶振動素子底面との隙間を同様の条件に設定したとしても、同様の効果を得ることはできなかった。

なお、上記に於いては、ＡＴカット水晶基板を表面実装容器１０内に２点で接着支持する際に、導電性接着剤１１による２つの接続部を結ぶ直線が、予め結晶軸ｚｚ’軸に対して±（３０±１０）度傾斜する方向となるように設定することにより、各接続部にて発生する応力の影響を最小にすることが可能となる旨を説明したが、本発明者は更なる実験の結果、上記応力の影響を最小にする更に具体的な傾斜角度（導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して傾斜する角度）θとしては、θ≦±（２７．５°±２°）が望ましいことを見出した。つまり、傾斜角度θが、θ≦±（２７．５°±２°）を満たす条件備えた水晶振動子に上記の接着剤粘度、電極パッド上面と水晶振動素子底面との間の隙間ｇについての各条件を適用することにより、耐リフロー特性、及びエージング特性において最も周波数変動を小さく抑えることができることが判明した。
なお、本発明の水晶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ることにより水晶発振器を構築することができる。

（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る水晶振動子の構成を示す平面図（金属蓋は省略）、及びＢ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の要部構成説明図、耐リフロー特性及びエージング特性を示す図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は第１の従来例の要部構成説明図、耐リフロー特性及びエージング特性を示す図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は第２の従来例の要部構成説明図、耐リフロー特性及びエージング特性を示す図。

符号の説明

１ 水晶振動素子、２ 水晶基板、３ 凹陥部、４ 薄板領域、５ 補強部、６、７
電極膜、１０ 表面実装容器、１０ａ、１０ｂ 電極パッド、１１ シリコン系導電性接着剤、１２ 金属蓋。

Claims (4)

1. 主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶基板、及び上記水晶基板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜を有した厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、上記水晶振動素子の補強部の端縁を２か所、シリコン系導電性接着剤を用いて支持する表面実装容器と、から成り、上記導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０°±１０°）の傾斜方向に延びる水晶振動子において、
   前記表面実装容器の外形寸法が３．８ｍｍ角であり、且つ表面実装容器の内底面に設けた電極パッドの寸法が、縦横０．５ｍｍ以下であるとき、
   前記水晶振動素子底面と表面実装容器の支持面との隙間が１５〜２５μｍであることを特徴とする水晶振動子。
2. 前記導電性接着剤の硬化前粘度を４２．１Ｐａ・Ｓとしたことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記導電性接着剤を用いて支持する２か所を結ぶ直線が水晶基板の結晶軸ｚｚ’に対して傾斜する角度θは、θ≦±（２７．５°±２°）であることを特徴とする請求項１、又は２に記載の水晶振動子。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の水晶振動子と、発振回路を備えたことを特徴とする水晶発振器。

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