JP2010200145A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】発振周波数の変動を防ぐ圧電デバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の圧電デバイスは、基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた搭載バンプと、凹部空間内の搭載バンプに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、凹部空間を気密封止する蓋体と、搭載バンプにかかるように基板部の主面に位置し、圧電振動素子と電気的に接合する導電性接着剤とを、備えていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスに関するものである。

図７は、従来の圧電デバイスを示す断面図である。以下、圧電デバイスの例の１つである圧電振動子について説明する。
図７に示すように、従来の圧電振動子３００は、その例として容器体３１０、圧電振動素子３２０、蓋体３３０とから主に構成されている。
容器体３１０は、基板部３１０ａと枠部３１０ｂで主に構成されている。
この容器体３１０は、基板部３１０ａの一方の主面に枠部３１０ｂが設けられて凹部空間３１１が形成される。
また、枠部３１０ｂは、基板部３１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜３１２上にロウ付けなどにより接続される。
その凹部空間３１１内に露出する基板部３１０ａの一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド３１３が設けられている。
また、基板部３１０ａは、積層構造となっており、基板部３１０ａの内層には、配線パターン（図示せず）等が設けられている。この配線パターンにより圧電振動素子搭載パッド３１３は、容器体３１０の基板部３１０ａの他方の主面に設けられている外部接続用電極端子３１４と接続している。
これら圧電振動素子搭載パッド３１３上には、導電性接着剤３５０を介して電気的に接続される一対の励振用電極３２２を表裏主面に有した圧電振動素子３２０が搭載されている。この圧電振動素子３２０を囲繞する容器体３１０の枠部３１０ｂの頂面には金属製の蓋体３３０が被せられ、接合されている。これにより、凹部空間３１１が気密封止されている。

また、このような圧電振動素子３２０は、圧電素板３２１の表裏主面にそれぞれ設けられた励振用電極３２２から一辺に延設された引き出し電極を圧電振動素子搭載パッド３１３に導電性接着剤３５０で固着することで片持ち固定されている。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の端辺を圧電振動素子３２０の自由端である先端部３２３とする。
このように構成される圧電デバイス３００は、圧電振動素子３２０の先端部３２３が容器体３１０の凹部空間３１１内底面に接触すると、発振周波数が変動してしまう。このため、従来の圧電デバイス３００では、前記容器体３１０の凹部空間３１１内底面の圧電振動素子搭載パッド３１３に支持バンプＢＰが形成されている構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この支持バンプＢＰによって、圧電振動素子３２０を支持すると共に梃子の原理が働き、圧電振動素子３２０の先端部３２３が凹部空間３１１内底面に接触させないように浮かすことができる。
また、圧電振動素子３１３に支持バンプＴＢを形成するには、まず、圧電振動素子搭載パッド３１３となる導体ペースト（図示せず）を基板部１１０ａの主面に印刷した後、圧電振動素子搭載パッド３１３上に支持バンプＢＰとなる導体ペーストを印刷する。その後、容器体３１０を焼成することで、圧電振動素子搭載パッド３１３と支持バンプＢＰが形成される。このように圧電振動素子３１３となる導体ペースト上に支持バンプとなる導体ペーストを印刷するので、支持バンプＢＰとなる導体ペーストが圧電振動素子３１３となる導体ペーストに沈みこみ、寸法バラツキや位置ずれが生じていた。

特開２００１−１０２８９１号公報

しかしながら、従来の圧電デバイス３００においては、圧電振動素子３２０を搭載する際に、圧電振動素子３２０の先端部３２３が容器体３１０の凹部空間３１１内に露出した基板部３１１ａに接触した場合、振動が阻害されるため、圧電デバイス３００の発振周波数が変動してしまうといった課題があった。

また、従来の圧電デバイス３００においては、圧電振動素子３２０の先端部３２３を浮かすために、支持バンプＢＰが形成されている。しかしながら、圧電デバイスの小型化が進むと、圧電振動素子搭載パッド３１３の上に支持バンプＢＰを形成する場合には、支持バンプＢＰを印刷により形成しているため、支持バンプＢＰの長辺の長さ、支持バンプＢＰの短辺の長さ、支持バンプＢＰの厚みの調整をすることが困難であった。よって、支持バンプＢＰの寸法バラツキや位置ずれが生じ、圧電振動素子３２０の先端部３２３が支持バンプＢＰによる梃子の原理により浮かずに、容器体３１０の凹部空間３１１内に露出した基板部３１１ａに接触してしまい、圧電振動素子３２０の振動が阻害されるため、圧電デバイス３００の発振周波数が変動してしまうといった課題があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、発振周波数の変動を防ぐ圧電デバイスを提供することを課題とする。

本発明の圧電デバイスは、基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた搭載バンプと、凹部空間内の搭載バンプに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、凹部空間を気密封止する蓋体と、搭載バンプにかかるように基板部の主面に位置し、圧電振動素子と電気的に接合する導電性接着剤とを、備えていることを特徴とするものである。

また、容器体に少なくとも発振回路を備えた集積回路素子を備え、集積回路素子と圧電振動素子とが電気的に接続された状態となっていることを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスによれば、従来のように、基板部の主面に圧電振動素子搭載パッドを印刷した後、圧電振動素子搭載パッドの上に支持バンプを形成する必要がなく、基板部の主面に印刷により搭載バンプを形成しているため、搭載バンプの長辺の長さ、搭載バンプの短辺の長さ、搭載バンプの厚みの調整をすることが容易になった。これにより、搭載バンプの寸法バラツキや位置ずれが生じなく、圧電振動素子の先端部が搭載バンプによる梃子の原理により浮き、容器体の凹部空間内に露出した基板部に接触することがないため、発振周波数の変動を防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 従来における圧電デバイスを示す断面図である。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図であり、図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体の一方の主面を示す平面図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの水晶振動素子と搭載バンプとの位置関係を示す概略図であり、図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの搭載バンプと導電性接着剤との関係を示す概略図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。

本実施形態において、圧電デバイスの一例として、圧電振動子について説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子１００は、容器体１１０と圧電振動素子１２０と蓋体１３０で主に構成されている。この圧電振動子１００は、前記容器体１１０に形成されている凹部空間１１１内に圧電振動素子１２０が搭載され、その凹部空間１１１が蓋体１３０により気密封止された構造となっている。

圧電振動素子１２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板１２１に励振用電極１２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板１２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極１２２は、前記水晶素板１２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
このような圧電振動素子１２０は、その両主面に被着されている励振用電極１２２から延出する引き出し電極と凹部空間１１１内底面に形成されている後述する搭載バンプＴＢとを、導電性接着剤１５０を介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間１１１に搭載される。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の端辺を圧電振動素子１２０の自由端である先端部１２３とする。
また、この引き出し電極が設けられた一辺は、水晶振動素子１２０の固定端側の短辺外縁部１２４とする。

図１〜図３に示すように、容器体１１０は、基板部１１０ａと、枠部１１０ｂとで主に構成されている。
この容器体１１０は、基板部１１０ａの一方の主面に枠部１１０ｂが設けられて、凹部空間１１１が形成されている。
尚、この容器体１１０を構成する基板部１１０ａ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を複数積層することよって形成されている。また、基板部１１０ａは、セラミック材が積層した構造となっている。
枠部１１０ｂは、例えば、シールリングを用いている。この場合、枠部１１０ｂは、４２アロイやコバール等の金属から成り、中心が打ち抜かれた枠状になっている。
また、枠部１１０ｂは、基板部１１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜１１２上にロウ付けなどにより接続される。
凹部空間１１１内で露出した基板部１１０ａの一方の主面には、２個一対の搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）が設けられている。
容器体１１０の基板部１１０ａの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子１１４が設けられている。
基板部１１０ａの内層には、配線パターン（図示せず）等が設けられている。この配線パターンにより搭載バンプＴＢは、容器体１１０の基板部１１０ａの他方の主面に設けられている外部接続用電極端子１１４と接続している。

図１〜図４に示すように、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）は、凹部空間１１１内で露出しつつ基板部１１０ａの一方の主面に設けられている。
前記搭載バンプＴＢは、前記容器体１１０の枠部１１０ｂと平行となるように、所定の間隔を空けて基板部１１０ａの主面に四角形状に形成されている。尚、搭載バンプＴＢの形状は、楕円状でも良い。
前記搭載バンプＴＢは、平面視して長方形であり、その長辺が枠部１１０ｂの短辺と平行になっている。ここで、搭載バンプＴＢの短辺の中間を通る線を搭載バンプＴＢの２等分線Ｘとする。この２等分線Ｘは、枠部１１０ｂの短辺と平行になっている。
搭載バンプＴＢは、例えば、タングステン（Ｗ）等のメタライズ層に金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等のメッキ層を積層することで形成されている。

また、図２及び図４（ｂ）に示すように、この導電性接着剤１５０は、搭載バンプＴＢの中心の軸線Ｘにかかるように、容器体１１０の基板部１１０ａの主面に形成されている。
前記導電性接着剤１５０の中心点Ｙは、搭載バンプＴＢの枠体側の長辺と枠部１１０ｂの短辺との間にある。
この中心点Ｙから搭載バンプＴＢの中心の軸線Ｘとの間隔が半径となるように導電性接着剤１５０が形成されている。つまり、導電性接着剤１５０は、水晶振動素子１２０を搭載したときに、搭載バンプＴＢの２等分線Ｘよりも、容器体１１０の中心側に導電性接着剤１５０が越えないように形成されている。

また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、水晶振動素子１２０は、水晶振動素子１２０の固定端側の短辺外縁部１２４の位置が、前記導電性接着剤１５０の中心点Ｙよりも前記枠部１１０ｂ側に位置している。このことにより、圧電振動素子１２０の先端部１２３が搭載バンプＴＢによる梃子の原理で、より効果的に浮くことになる。

ここで容器体１１０は、縦寸法が２．５ｍｍであり、横寸法が２．０ｍｍである場合を例にして、搭載バンプＴＢの大きさを説明する。
図４（ｂ）に示す搭載バンプＴＢの短辺の長さｄ１は、１５０〜２５０μｍであり、搭載バンプＴＢの長辺の長さｄ２は、２５０〜３５０μｍである。また、搭載バンプＴＢの厚みは、５〜３０μｍである。
搭載バンプＴＢは、導電性接着剤１５０の直径の１／２以下になるように設けられている。

蓋体１３０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなる。このような蓋体１３０は、凹部空間１１１を、窒素ガスや真空などで気密的に封止される。具体的には、蓋体１３０は、窒素雰囲気中や真空雰囲気中で、容器体１１０の枠部１１０ｂ上に載置され、枠部１１０ｂの表面の金属と蓋体１３０の金属の一部とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、枠部１１０ｂに接合される。

前記導電性接着剤１５０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１１０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、封止用導体膜１１２、搭載バンプＴＢ、外部接続用電極端子１１４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導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷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り製作される。

本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイス１００によれば、従来のように圧電振動素子搭載パッドの上に支持バンプを形成する必要がなく、基板部１１０ａの主面に印刷により搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）を形成しているため、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）となる導体ペースト（図示せず）が沈みこむことがないので、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）の長辺の長さ、短辺の長さ、厚みの調整をすることが容易になった。これにより、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）の寸法バラツキや位置ずれが生じなく、圧電振動素子１２０の先端部１２３が搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）による梃子の原理により浮き、容器体１１０の凹部空間１１１内に露出した基板部１１０ａに接触することがないため、発振周波数の変動を防止することができる。
このように搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）は、従来における圧電振動素子搭載パッドと支持バンプの両方の役割を果たしている。

（第２の実施形態）
次に本実施形態において、圧電デバイスの一例として、圧電発振器について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイス２００は、容器体２１０の基板部２１０ａと第２の枠部２１０ｃによって設けられた第２の凹部空間２１６内に搭載されている集積回路素子２４０とを備えている点で第１の実施形態と異なる。

図５及び図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器２００は、容器体２１０と圧電振動素子１２０と蓋体１３０と集積回路素子２４０で主に構成されている。この圧電発振器２００は、前記容器体２１０に形成されている第１の凹部空間２１１内に圧電振動素子１２０が搭載され、第２の凹部空間２１６内には、集積回路素子２４０が搭載されている。その第１の凹部空間２１１が蓋体１３０により気密封止された構造となっている。

集積回路素子２４０は、図５及び図６に示すように、回路形成面に前記圧電振動素子１２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子２１４を介して圧電発振器２００の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
また、集積回路素子２４０には、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。
この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。
集積回路素子２４０は、容器体２１０の第２の凹部空間２１６内に露出した基板部２１０ａに形成された集積回路素子搭載パッド２１５に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。

図５及び図６示すように、容器体２１０は、基板部２１０ａと、枠部２１０ｂ、２１０ｃとで主に構成されている。
この容器体２１０は、基板部２１０ａの一方の主面に枠部２１０ｂが設けられて、第１の凹部空間２１１が形成されている。また、容器体２１０の他方の主面に枠部２１０ｃが設けられて、第２の凹部空間２１６が形成されている。
第１の凹部空間２１１内で露出した基板部２１０ａの一方の主面には、２個一対の搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）が設けられている。
容器体２１０の枠部２１０ｃの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子２１４が設けられている。
図５及び図６に示すように、第２の凹部空間２１６内で露出した基板部２１０ａの他方の主面には、複数の集積回路素子搭載パッド２１５と２個一対の圧電振動素子測定用パッド（図示せず）が形成されている。

図５及び図６に示すように、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）は、第１の凹部空間２１１内で露出しつつ基板部２１０ａの一方の主面に設けられている。
前記搭載バンプＴＢは、前記容器体２１０の枠部２１０ｂと平行となるように、所定の間隔を空けて基板部２１０ａの主面に四角形状に形成されている。尚、搭載バンプＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）の形状は、楕円状でも良い。
前記搭載バンプＴＢは、平面視して長方形状であり、搭載バンプＴＢの長辺が枠部２１０ｂの短辺と平行になっている。ここで、搭載バンプＴＢの短辺の中間を通る線を搭載バンプＴＢの２等分線とする。
搭載バンプＴＢは、例えば、タングステン（Ｗ）等のメタライズ層に金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等のメッキ層を積層することで形成されている。

また、図６に示すように、導電性接着剤１５０は、搭載バンプＴＢの中心の軸線にかかるように、容器体２１０の基板部２１０ａの主面に形成されている。
前記導電性接着剤１５０の中心点は、搭載バンプＴＢの枠体２１０ｂ側の長辺と枠部２１０ｂの短辺との間にある。
この中心点から搭載バンプＴＢの中心の軸線との間隔が半径となるように導電性接着剤１５０が形成されている。つまり、導電性接着剤１５０は、水晶振動素子１２０を搭載した際に、搭載バンプＴＢの２等分線よりも、容器体２１０の中心側に導電性接着剤１５０が越えないように塗布されている。

また、水晶振動素子１２０は、水晶振動素子１２０の固定端側の短辺外縁部１２４の位置が、前記導電性接着剤１５０の中心点よりも前記枠部２１０ｂ側に位置している。このことにより、圧電振動素子１２０の先端部１２３が搭載バンプＴＢによる梃子の原理で、より効果的に浮くことになる。

このように本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを構成しても、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

尚、本発明は前記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、前記した本実施形態では、圧電振動素子を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。

また、前記した本実施形態では、枠部にシールリングを用いた場合を説明したが、基板部と同様にセラミック材で形成しても構わない。
この場合、枠部の開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターンが形成され、蓋体は、この封止用導体パターン上に配置接合される。
この際の蓋体は、前記容器体の凹部空間を囲繞するように設けられた封止用導体パターンに相対する箇所に封止部材が設けられている。

１１０、２１０・・・容器体
１１０ａ、１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ、１１０ｃ、２１０ｂ、２１０ｃ・・・枠部
１１１、２１１・・・凹部空間（第１の凹部空間）
１１２、２１２・・・封止用導体膜
１１４、２１４・・・外部接続用電極端子
２１５・・・集積回路素子搭載パッド
２１６・・・第２の凹部空間
１２０・・・圧電振動素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・先端部
１２４・・・短辺外縁部
１３０・・・蓋体
２４０・・・集積回路素子
１５０・・・導電性接着剤
１００、２００・・・圧電デバイス
ＴＢ（ＴＢ１、ＴＢ２）・・・搭載バンプ
Ｘ・・・搭載バンプの２等分線
Ｙ・・・導電性接着剤の中心点

Claims (2)

1. 基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、
   前記凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた搭載バンプと、
   前記凹部空間内の前記搭載バンプに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、
   前記凹部空間を気密封止する蓋体と、
   前記搭載バンプにかかるように基板部の主面に位置し、前記圧電振動素子と電気的に接合する導電性接着剤とを、備えていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記容器体に少なくとも発振回路を備えた集積回路素子を備え、前記集積回路素子と前記圧電振動素子とが電気的に接続された状態となっていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。

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