JP2013098777A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性に優れ、製造誤差が小さく、低コストであり、かつ、製造が容易であって水晶片からの電極の引き出しも簡単に行うことができる水晶デバイスを得る。
【解決手段】外周部２ｂと外周部２ｂから「コ」の字状の切込溝１５によって部分的に分離している振動領域２ａとを有する水晶片２と、水晶片２の上下から水晶片２の外周部２ｂの全周に対して低融点ガラス層８ａ，８ｂを介して接合することにより水晶片２を挟む上側容器１ａ及び下側容器１ｂとを設け、上側容器１ａ、下側容器１ｂ及び水晶片２の外周部２ｂによって形成された空間内に、水晶片２の中央部である振動領域２ａが密閉封入されるようにする。水晶片２から下側容器１ｂへの電極引き出しには、導電性接着剤７を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、容器内に水晶片の振動領域を密閉封入した構成を有する、水晶振動子や水晶発振器などの水晶デバイスに関する。

容器内に水晶片を密閉封入した水晶振動子や、このような水晶振動子とその水晶振動子を用いる回路をＩＣ（集積回路）チップとを一体化させた水晶発振器などは、水晶デバイスと総称され、各種の電子機器において使用されている。特に、表面実装用の容器内に水晶片を密閉封入した構成を有する表面実装型の水晶デバイスは、小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器、例えば携帯電話機において、周波数や時間の基準源として広く内蔵されている。

表面実装型の水晶デバイスは、例えば、表面実装用の容器本体内に水晶片を収容し、金属カバーを被せて水晶片を容器内に密閉封入したものである。この表面実装型の水晶デバイスでは、一般に、容器本体の凹部の内底面に一対の水晶保持端子が設けられており、その水晶保持端子に対して導電性接着剤を用いて水晶片は固着されている。これにより、水晶片は、凹部と金属カバーとによって形成された空間内に電気的かつ機械的に保持される。しかしながらこのような水晶デバイスでは、機械的な衝撃が加わった際に、水晶片に加わった衝撃がそのまま導電性接着剤に伝わることとなるので、導電性接着剤がちぎれて水晶保持端子から剥がれたり、あるいは、導電性接着剤にストレスが発生するおそれがある。導電性接着剤が剥がれた場合には水晶デバイスとして機能しなくなり、また、導電性接着剤にストレスが発生した場合には、水晶片を機械的に保持する系の特性が変化することととなるので、その影響が水晶片にも及んで、水晶片の振動特性や共振周波数の変化をもたらす可能性がある。また容器本体内での水晶片の傾きのばらつきにより水晶片の自由端が容器本体や金属カバーに接触すること可能性があり、このような接触を防ぐために、容器本体の凹部はある程度以上の大きさに形成する必要があり、水晶デバイスの特に高さを小さくすることが難しい。

そこで、中心部が振動領域となり外周部は振動領域での振動に寄与しないように加工された水晶板あるいは水晶片を使用し、この水晶板を１対のカバーによって上下から挟み込み、水晶板の外周部と両方のカバーとを接合させた構造の水晶デバイスが提案されている。この水晶デバイスでは、上下のカバーによって形成される空間内に、水晶板での振動領域が密閉封入されることになる。上下のカバーのことをそれぞれ上側容器、下側容器とも呼ぶ。この構成では、水晶片の機械的な支持のために導電性接着剤を使用することなく、振動板として機能する水晶板に対し、容器を構成するカバーが直に接合しているので、水晶振動子に機械的な衝撃が加わった際の上述したような不具合の発生は防がれる。

このような水晶デバイスとして、例えば、特許文献１には、外周部が厚肉部となり中心部が薄肉部となるように加工された水晶板を使用し、水晶板の外周部に対して上下から１対のカバーを接合させた水晶振動子が示されている。しかしながら特許文献１に記載のものでは、エッチングなどの技法を用いて水晶板に所定の厚さの薄肉部を形成するので、水晶板の加工に手間がかかり、また、表面実装用の端子部としてブロック状の金属片を水晶板の側面に隣接して設けるので、小型化に限界があるという問題点がある。

また、特許文献２には、水晶片の中心部の振動領域を矩形状とし、矩形状の振動領域の各頂点に対応してそれぞれＬ字型の貫通溝（すなわち切込溝）を水晶片に形成することにより、水晶片の外周部から振動領域を分離するようにした構成の水晶振動子が示されている。この水晶振動子では、水晶片を挟み込む１対のカバーの一方の外表面に、この水晶振動子を配線基板上に表面実装する際の実装端子が設けられており、水晶片の振動領域に設けられる励振電極と実装端子との電気的接続のために、水晶片として用いられる水晶板に電極貫通孔を設けている。特許文献２に記載のものは、水晶板に電極貫通孔を設ける必要があるなど、製造工程が複雑であって、水晶片の振動領域からの電極の引き出しも容易に行うことができない、という問題点がある。

そこで、特許文献３には、外周部とその外周部から切込溝によって部分的に機械的に分離している振動領域とを有する水晶片と、水晶片をその両側から挟み込む第１及び第２の容器と、を有する水晶デバイスであって、水晶片からの電極引き出しに導電性接着剤を用いることにより、水晶片の振動領域からの電極の引き出しを容易に行えるようにした水晶デバイスが示されている。

図５（ａ）は特許文献３に基づく水晶デバイスの一例としての水晶振動子の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）はこの水晶振動子における下側容器を示す上面図であり、図５（ｃ）は下側容器の底面図であり、図６はこの水晶振動子で用いられる水晶片を示す平面図である。

図５に示す水晶振動子は、上側容器１ａと下側容器１ｂとによって水晶片２を挟み込んだ構成のものである。上側容器１ａと下側容器１ｂは、いずれも、平面外形形状が同寸法の略長方形のものであって、例えば積層セラミックによって形成されている。上側容器１ａの図５（ａ）における図示下面には、浅い凹部３ａが形成され、同様に下側容器１ｂの図示上面には、浅い凹部３ｂが形成されている。凹部３ａ，３ｂは、それぞれの容器１ａ，１ｂの外周部が枠状に残り外周部以外の部分が窪むように、略長方形の領域として形成されている。両方の凹部３ａ，３ｂによって画定される空間が、後述するように、水晶片２の振動領域２ａが保持され密閉封入される空間となる。凹部３ａ，３ｂの深さは、振動領域２ａが上側容器１ａまたは下側容器１ｂに接触しない程度のものであればよい。下側容器１ｂの外底面の４隅部には、それぞれ、この水晶振動子を配線基板上に表面実装する際に用いられる実装電極５が設けられている。

水晶片２は、容器１ａ，１ｂよりも平面外形形状が若干小さい略長方形の水晶板によって構成されている。ここでは水晶片２は例えば、ＡＴカットの水晶片である。水晶片２には、略矩形の水晶片２の３辺に沿うように、水晶片２の一方の主面と他方の主面とを貫通する切欠溝１５が設けられており、この切欠溝１５によって、水晶片２の外周部２ｂから中央部の振動領域２ａが分離されている。すなわち切欠溝１５は水晶片２において「コ」の字状に設けられている。水晶片２の４辺のうちの１辺に沿っては切欠溝１５が形成されていないので、この領域を連結領域２ｃとすると、連結領域２ｃにおいて振動領域２ａが外周部２ｂに対して一体のものとして機械的に連続している。このとき振動領域２ａは、連結領域２ｃ側を固定端とし、その反対側を自由端として、外周部２ｂによって保持されることになる。

水晶片２の振動領域２ａにおいて、その両方の主面にはそれぞれ励振電極６ａが形成されている。一対の励振電極６ａからは、振動領域２ａの接続領域２ｃ側の端部の両側に向けて一対の引出電極６ｂが延出されている。これらの引出電極６ｂは、切欠溝１５の両方の先端部に接するように、切欠溝１５の先端部によって食い込まれるように設けられている。特に引出電極６ｂは、切欠溝１５の両方の先端部の各々の位置において、水晶片２の両方の主面に形成されており、これら両方の主面にそれぞれ形成された引出電極６ｂは、後述するように切欠溝１５の先端部によって食い込まれた位置において切欠溝１５内に塗布された導電性接着剤７によって、相互に電気的に導通されるている。さらに水晶片２の両方の主面には、水晶片２の外周に沿って、枠状にすなわち「ロ」の字状に、電極層１７が形成されている。電極層１７は、励振電極６ａや引出電極６ｂからは分離して設けられている。

下側容器１ｂの凹部３ｂは、下側容器１ｂの上面上に上述した水晶片２を重ねたときに、水晶片２の振動領域２ａ及び切欠溝１５が存在することとなる位置に形成されている。したがって、下側容器１ｂにおいて凹部３ｂを囲む枠部の枠幅は、水晶片２の連結領域２ｃ側で大きく、連結領域２ｃとは反対となる側で小さくなっている。そして、下側容器１ｂの外周に沿うように、下側容器１ｂの枠部の上面には、枠状にすなわち「ロ」の字状に、水晶片２側の電極層１７に対応する電極層１６が形成されている。そして、水晶片２の連結領域２ｃ側に対応する、下側容器１ｂの枠部の上面には、水晶片２に形成されている引出電極６ｂに対応して、１対の水晶接続端子４が形成されている。水晶接続端子４は電極層１６からは分離して設けられている。水晶接続端子４は、下側容器１ｂに形成されたスルーホール（ビア）及び導電路を介して、下側容器１ｂの外底面に形成されている実装電極５に対して電気的に接続する。

上側容器１ａでは、凹部３ａの開口端面すなわち凹部３を取り囲む枠部の表面において、上側容器１ａの外周に沿うように、電極層１６が形成されている。上側容器１ａの電極層１６も水晶片２の電極層１７に対応するものであって、枠状にすなわち「ロ」の字状に形成されている。電極層１６，１７は、例えば、上述しような形状にパターニングされた金（Ａｕ）メッキ層として形成される。この金メッキ層の下に下地層としてタングステン（Ｗ）層及びニッケル（Ｎｉ）層が設けられていてもよい。

そしてこの水晶振動子では、下側容器１ｂの電極層１６と水晶片２の図示下面の電極層１７とがロウ材層１８ｂによるロウ付けによって接合され、水晶片２の切込溝１５の両方の先端部にそれぞれ導電性接着剤７を塗布することによって一対の水晶接続端子４と一対の引出電極６ｂとが電気的に接続され、さらに、上側容器１ａの電極層１６と水晶片２の図示上面の電極層１７とがロウ材層１８ａによるロウ付けによって接合されている。ロウ材層１８ａ，１８ｂとしては、例えば、共晶合金、具体的な一例として金スズ（Ａｕ−Ｓｎ）共晶合金などを用いることができる。電極層１６、１７は、ロウ付けを行う際に、ロウ材層１８ａ，１８ｂに対する下地層として機能する。

枠状に形成されている電極層１６，１７の全周をロウ付けすることによって、上側容器１ａ、水晶片２及び下側容器１ｂが一体化するとともに、容器１ａ，１ｂの凹部３ａ，３ｂによって形成される空間が外部から気密に遮断された密閉空間となり、この空間内に水晶片２の振動領域２ａが保持されることになる。また、水晶片２の振動領域２ａに形成された励振電極６ａは、引出電極６ｂ、導電性接着剤７、水晶接続端子４、下側容器１ｂに形成された導電路を介して、下側容器１ｂの外底面に形成された実装電極５に電気的に接続することになる。この水晶振動子においては、水晶片２の振動領域２ａは、連結領域２ｃ及び外周部２ｂを介して両方の容器１ａ，１ｂに機械的に保持されることになるので、引出電極６ｂと水晶接続端子４とを電気的に接続するための導電性接着剤７は、水晶片２の機械的な保持には関与しない。したがって、水晶振動子に機械的な衝撃が加わったとしても、導電性接着剤７の剥離は起こらず、また、水晶片２の振動領域２ａを機械的に保持する系の特性が変わることもない。

このような水晶振動子は、例えば、上側容器１ａと下側容器１ｂと水晶片２とを別々に用意した上で、枠状に形成されたロウ材層１８ａ，１８ｂを用意し、下側容器１ｂ上にロウ材層１８ｂを介して水晶片２を載置し、水晶片２の切込溝１５の両端部に導電性接着剤７を塗布して引出電極６ｂと水晶接続端子４とを電気的に接続し、その後、水晶片２上にロウ材層１８ａを介して上側容器１ａを載置し、加熱してロウ付けを行うことよって完成する。

特許文献３に記載の水晶振動子では、上述したように、導電性接着剤７が水晶片２の機械的な保持に関与していないので、機械的振動が加わった場合に導電性接着剤に起因する障害が発生しない。またこの水晶振動子は、水晶片に対して電極貫通孔の形成などの工程を行うことなく、導電性接着剤７を用いることによって水晶片からの電極の引き出しも簡単に行うことができる。上側容器１ａ及び下側容器１ｂとしては、積層セラミックからなるものの他に、例えば、ガラスあるいは水晶からなるものも使用することができる。

特開２００８−１６０３３２号公報 特開２００４−１９４０４６号公報 特開２００９−６５４３７号公報

特許文献３に記載された水晶デバイスでは、小型化が容易であり、水晶片を上側容器と下側容器とで挟み込んで保持するので耐衝撃性が向上し、しかも、導電性接着剤を用いているので水晶片から下側容器への電極引き出しを容易に行うことができる。しかしながら、典型的には金（Ａｕ）を含む共晶合金をロウ付け材として用いており、また、電極層として金メッキ層を設けているので、金の使用量が多くなり、製造コストが上昇するという問題点がある。さらに本発明者らは、特許文献３に記載の水晶デバイスでは、完成した水晶デバイスにおける水晶片の共振周波数が意図した周波数からずれてしまうことがある、という現象も見出した。この現象は、水晶デバイスの製造過程における共振周波数の製造誤差としてとらえることができる。

本発明の目的は、耐衝撃性に優れ、製造誤差が小さく、低コストであり、かつ、製造が容易であって水晶片からの電極の引き出しも簡単に行うことができる水晶デバイスを提供することにある。

本発明の水晶デバイスは、外周部とこの外周部から切込溝によって部分的に機械的に分離している振動領域とを有する水晶片と、水晶片の第１の主面において水晶片の外周部の全周に対して第１の低融点ガラス層を介して接合することにより第１の主面に接合した第１の容器と、水晶片の第２の主面において水晶片の外周部の全周に対して第２の低融点ガラス層を介して接合することにより第２の主面に接合した第２の容器と、を備え、水晶片において振動領域が外周部に対して一体のものとして機械的に連続する領域を連結領域として、水晶片は、振動領域の両方の主面にそれぞれ設けられた励振電極と、励振電極から連結領域の両側部に引き出された引出電極と、を有し、連結領域の両側部に対応して第２の容器に一対の水晶接続端子が設けられ、引出電極と水晶接続端子とが導電性接着剤によって電気的に接続し、第１の容器、第２の容器及び水晶片の外周部によって形成された空間内に、水晶片の振動領域が密閉封入されていることを特徴とする。

このような構成によれば、低融点ガラス層を介在させて第１の容器及び第２の容器に対して水晶片が機械的に一体化するので、水晶片の機械的な保持に接着剤を用いなくて済み、高価な金の使用量を削減することができ、またロウ付けの際の下地層となる電極層を形成するための工程も削減することができる。本発明の水晶デバイスでは、機械的衝撃が加わった際に接着剤の剥離の問題も生じないので振動特性が良好に維持され、しかも製造コストを削減することができる。

本発明者らの行った実験結果からは、金を含む共晶合金を用いて水晶片と各容器とをロウ付けにより接合した場合に比べ、低融点ガラスを用いて接合を行った場合の方が、水晶デバイスの共振周波数における製造誤差が小さくなった。接合に低融点ガラスを用いた方が共振周波数における製造誤差が小さくなる理由としては、以下のようなものが考えられる。

金を含む共晶合金を用いてロウ付けを行う場合、ロウ付け時に共晶合金の電極層に対する濡れ性をよくするために、真空中でロウ付けを行うのが一般的である。しかしながら真空中でロウ付けを行うと、ロウ付けの際の熱などに起因して、ロウ付け材の一部が水晶片の振動領域に付着し、その結果、水晶デバイスとしての共振周波数が変化する。これに対して低融点ガラスを用いる場合には、そのような付着が起こらないので、水晶デバイスとしての共振周波数の変化も起こらないものと考えられる。

本発明においては、例えば、水晶片として略長方形の平面外形形状を有するものを使用し、水晶片の外周の３辺に沿うように連続的に切込溝を設けることによって外周の１辺に沿って連結領域が形成されるようにすることが好ましい。また、第２の容器の外底面に実装電極を設け、水晶接続端子と実装電極とを電気的に接続することが好ましい。

本発明の水晶デバイスでは、第１の容器、第２の容器及び水晶片の外周部によって形成された空間内に、水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップを密閉封入するようにしてもよい。そのような水晶デバイスは、例えば、ＩＣチップに集積化される回路が水晶片を用いる発振回路であって、表面実装用の水晶発振器として構成されたものである。

本発明によれば、小型化が容易であり、耐衝撃性に優れ、共振周波数における製造誤差が小さく、低コストであり、かつ、製造が容易であって水晶片からの電極の引き出しも簡単に行うことができる水晶デバイスが得られる。

（ａ）は本発明の実施の一形態の水晶デバイスである水晶振動子の構成を示す断面図であり、（ｂ）はこの水晶振動子における下側容器を示す上面図である。 図１（ａ），（ｂ）に示される水晶振動子で用いられる水晶片の構成を示す平面図である。 水晶片の構成の別の例を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、いずれも、水晶発振器として構成された水晶デバイスの構成例を示す断面図である。 （ａ）は特許文献３に示された水晶デバイスの一例である水晶振動子の構成を示す断面図であり、（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、この水晶振動子における下側容器の上面図と底面図である。 図５（ａ）〜（ｃ）に示される水晶振動子で用いられる水晶片の構成を示す平面図である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明の実施の一形態の水晶デバイスを示す図１（ａ），（ｂ）において、図５（ａ）〜（ｃ）におけるものと同一部分には同じ参照番号を付与して、それらのものについての説明は簡略化又は省略する。

本実施形態の水晶デバイスは、水晶振動子として構成されたものであり、図５（ａ）〜（ｃ）に示すものと同様に、上側容器１ａと下側容器１ｂとによって水晶片２を挟み込んだ構造を有する。しかしながら本実施形態に水晶デバイスは、水晶片２に対して上側容器１ａと下側容器１ｂとを接合するために低融点ガラスを用いている点で、図５（ａ）〜（ｃ）に示すものと異なっている。

上側容器１ａと下側容器１ｂは、いずれも、平面外形形状が同寸法の略長方形のものであって、それぞれ凹部３ａ，３ｂを備え、積層セラミックによって形成されている。両方の凹部３ａ，３ｂによって画定される空間が水晶片２の振動領域２ａが保持され密閉封入される空間となる。下側容器１ｂの外底面の４隅部には、表面実装に用いられる実装電極５が設けられている。

図２は、本実施形態で用いられる水晶片２を示している。水晶片２は、略長方形の水晶板によって構成されている。ここでは水晶片２は例えば、ＡＴカットの水晶片である。水晶片２には、図６に示す場合と同様に、「コ」の字状の切欠溝１５が設けられており、この切欠溝１５によって、水晶片２の外周部２ｂから中央部の振動領域２ａが分離され、連結領域２ｃにおいて振動領域２ａが外周部２ｂに対して一体のものとして機械的に連続している。このとき振動領域２ａは、外周部２ｂによって保持されることになる。

水晶片２の振動領域２ａにおいて、その両方の主面にはそれぞれ励振電極６ａが形成されている。一対の励振電極６ａからは、振動領域２ａの接続領域２ｃ側の端部の両側に向けて一対の引出電極６ｂが延出されている。引出電極６ｂと切欠溝１５との相互の配置関係は図６に示すものと同様である。

下側容器１ｂの凹部３ｂの凹部を囲む枠部の上面には、水晶片２に形成されている引出電極６ｂに対応して、１対の水晶接続端子４が形成され、水晶接続端子４は、下側容器１ｂの外底面に形成されている実装電極５に対して電気的に接続する。水晶片２の切込溝１５の両方の先端部にそれぞれ導電性接着剤７を上述のように塗布することによって一対の水晶接続端子４と一対の引出電極６ｂとが電気的に接続されている。

本実施形態の水晶振動子では、上側容器１ａと水晶片２の図示上面とが低融点ガラス層層８ａを介して接合され、下側容器１ｂと水晶片２の図示下面とが低融点ガラス層８ｂを介して接合されている。低融点ガラス層８ａ，８ｂは、いずれも、平面形状としては、水晶片２の外周に沿うような枠状にすなわち「ロ」の字状に形成されている。すなわち、低融点ガラス層８ａは、上側容器１ａ側では、凹部３ａの開口端面すなわち凹部３を取り囲む枠部の表面において上側容器１ａの外周の全周に沿うように形成されて上側容器１ａと接合し、水晶片２側では、その外周の全周に沿うように形成されて水晶片２と接合している。同様に低融点ガラス層８ｂは、下側容器１ｂの枠部の上面において下側容器１ｂの外周の全周に沿うように形成されて下側容器１ｂと接合し、水晶片２側では、その外周の全周に沿うように形成されて水晶片２と接合している。

低融点ガラス層８ａによって上側容器１ａの枠部の外周の全周と水晶片２の外周の全周とを接合し、低融点ガラス層８ｂによって下側容器１ｂの枠部の外周の全周と水晶片２の外周の全周とを接合することによって、上側容器１ａ、水晶片２及び下側容器１ｂが一体化するとともに、容器１ａ，１ｂの凹部３ａ，３ｂによって形成される空間が外部から気密に遮断された密閉空間となり、この空間内に水晶片２の振動領域２ａが保持されることになる。また、水晶片２の振動領域２ａに形成された励振電極６ａは、引出電極６ｂ、導電性接着剤７、水晶接続端子４、下側容器１ｂに形成された導電路を介して、下側容器１ｂの外底面に形成された実装電極５に電気的に接続することになる。この水晶振動子においては、水晶片２の振動領域２ａは、連結領域２ｃ及び外周部２ｂを介して両方の容器１ａ，１ｂに機械的に保持されることになるので、引出電極６ｂと水晶接続端子４とを電気的に接続するための導電性接着剤７は、水晶片２の機械的な保持には関与しない。したがって、水晶振動子に機械的な衝撃が加わったとしても、導電性接着剤７の剥離は起こらず、また、水晶片２の振動領域２ａを機械的に保持する系の特性が変わることもない。

このような水晶振動子は、例えば、上側容器１ａと下側容器１ｂと水晶片２とを別々に用意した上で、枠状に形成された低融点ガラス層８ａ，８ｂを用意し、下側容器１ｂ上に低融点ガラス層８ｂを介して水晶片２を載置し、水晶片２の切込溝１５の両端部に導電性接着剤を塗布して引出電極６ｂと水晶接続端子４とを電気的に接続し、その後、水晶片２上に低融点ガラス層８ａを介して上側容器１ａを載置し、加熱して低融点ガラス層８ａ，８ｂを部分的に融解させて低融点ガラス８ａ，８ｂを容器１ａ，１ｂ及び水晶片２に接合させることよって完成する。

本実施形態の水晶振動子では、図５（ａ）〜（ｃ）に示したものと同様に、機械的振動が加わった場合に導電性接着剤に起因する障害が発生しない。またこの水晶振動子は、低融点ガラスを用いる封着といった簡単な工程を用いて製造でき、かつ、積層セラミックなどからなる容器を使用できるので、水晶片からの電極の引き出しも簡単に行うことができる。低融点ガラスは、積層セラミックに対しても水晶に対しても良好な接合性を有するので、本実施形態では、金メッキ層などの下地層を設けることなく容器１ａ，１ｂと水晶片２との接合を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、ロウ付け材として金含有共晶合金が不要となるほか、容器１ａ，１ｂの枠部や水晶片２の外周に金メッキ層からなる電極層を設ける必要もなくなり、金の使用量の大幅な削減を達成できる。本実施形態で使用される低融点ガラスとしては、ガラスや水晶からなる部材の封止に一般的に用いられているものを使用することができる。

以上の説明においては、上側容器１ａ及び下側容器１ｂは積層セラミックからなるものとしたが、気密性を有するとともに低融点ガラスとの接合性を有するものであれば、他の材料からなるものも使用することができる。例えば、ガラスあるいは水晶からなる上側容器及び下側容器を使用することができる。

ところで、上側容器１ａ及び下側容器１ｂを構成する材料の選択に応じてこの材料の熱膨張率と水晶の熱膨張率との差が大きい場合には、温度変化時に応力が水晶片２に加わり、水晶片２の振動特性の劣化につながるおそれがある。本実施形態の水晶振動子では、水晶片２のうち振動領域２ａに応力が加わらなければ振動特性の劣化などは起こらないので、図３に示すように、切込溝１５の先端部において切込溝１５が分岐して連結領域２ｃ側に食い込むようにして、連結領域２ｃにくびれ部１９が設けられるようにしてもよい。このようにくびれ部１９を設け、振動領域２ａと外周部２ｂとが連結している部分の幅を小さくすることにより、水晶片２の外周部２ｂに加わった応力が振動領域２ａ側に伝わりにくくなって、温度変化があっても振動特性がさらに良好に維持されるようになる。

本発明の水晶デバイスは、上述した水晶振動子に限られるものではない。水晶片とその水晶片を用いる発振回路を備えたＩＣチップとを一体化させた水晶発振器も、本発明の水晶デバイスの範疇に含まれる。ＩＣチップは、例えば、水晶片の振動領域と同じ密閉空間内に収容される。

図４（ａ）はそのような水晶発振器の構成の一例を示している。図示される水晶発振器は、図１（ａ），（ｂ）に示す水晶振動子において下側基板１ｂの凹部３ｂの深さを大きくして、この凹部３ｂの底部にＩＣチップ２１を固着させたものである。水晶片２は、ＩＣチップ２１からは離隔してＩＣチップ２１の上方に位置することになる。ＩＣチップ２１は、略長方形の形状を有し、水晶片２を用いる発振回路を少なくとも含む電子回路を半導体基板に集積化したものである。電子回路には、水晶片２の周波数温度特性を補償するための温度補償機構が含まれていてもよい。ＩＣチップ２１においては発振回路等の電子回路が半導体基板の一方の主面に通常の半導体装置製造プロセスによって形成されているので、半導体基板の一対の主面のうちこれらの電子回路が形成されている方の主面のことを、ＩＣチップの回路機能面と呼ぶことにする。回路機能面には、ＩＣチップ２１を外部回路に接続するための複数のＩＣ端子も形成されている。

下側容器１ｂの表面すなわち凹部３ｂの底面には、水晶接続端子４や実装電極５に電気的に接続する複数の回路端子２２も設けられている。ＩＣチップ２１は、その回路機能面が下側容器１ｂの凹部３ｂの底面に向かい合うようにして、バンプ２３を用いる超音波熱圧着によりＩＣ端子を回路端子２２に電気的・機械的に接続することによって、凹部３ｂの底面に固着されている。これにより、ＩＣチップ２１内の電子回路が水晶片２と電気的に接続するようになるとともに、実装電極５にも接続するようになり、水晶発振器として機能するようになる。

図４（ｂ）に示すものは、図４（ａ）に示すものと同様のものであるが、ワイヤボンディングによってＩＣチップ２１への電気的な接続を確立するようにした点で、図４（ａ）のものと異なっている。ＩＣチップ２１は、回路機能面でない面が凹部３ｂの底面を向くようにして、例えば接着剤などにより凹部３ｂの底面に固着されている。回路端子２２とＩＣ端子とをボンディングワイヤ２４によって接続することにより、ＩＣチップ２１内の電子回路は、水晶片２や実装電極５と電気的に接続している。この水晶発振器においても、水晶片２は、ＩＣチップ２１やボンディングワイヤ２４からは離隔してＩＣチップ２１の上方に位置していることになる。

図４（ｃ）に示すものは、図４に示したものにおいて、凹部３ｂの底面に、ＩＣチップ２１とともにチップコンデンサなどのチップ部品２５を実装したものである。発振回路等に必要なコンデンサは、その容量値によってはＩＣチップ２１内に集積化できない場合もあるので、そのような場合には、チップコンデンサとしてＩＣチップ２１とは別個に凹部３ｂ内に収容するようにする。この場合も、水晶片２は、ＩＣチップ２１及びチップ部品２５から離隔して、これらＩＣチップ２１及びチップ部品２５の上方に位置していることになる。

なお、図４（ａ）〜（ｃ）に示した水晶発振器において、ＩＣチップ２１やチップ部品２５は、上側容器１ａの凹部３ａ内に搭載されるようにしてもよい。

上述した水晶発振器において、発振回路の他に、水晶片２の振動周波数の温度−周波数特性を保証する温度補償回路もＩＣチップ２１に組み込むことによって、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）を構成することができる。ＴＣＸＯでは、水晶片２の温度をＩＣチップ２１内の温度補償回路が正確に検出できるようにする必要があり、そのため、水晶片２とＩＣチップ２１との熱的結合を高める必要がある。共晶合金によるロウ付けによって水晶片２に上側容器１ａ及び下側容器１ｂを接合する場合には、ロウ付けを安定して行うために真空中でロウ付け作業を必要があり、完成した水晶発振器においても水晶片２とＩＣチップ２１との間は真空状態となっていてこれらの間の熱伝導がよくない。これに対して本実施形態のように低融点ガラスを用いて水晶片２に上側容器１ａ及び下側容器１ｂを接合する場合、接合作業を窒素などの不活性ガス雰囲気で行うことができるので、完成した水晶発振器においても水晶片２とＩＣチップ２１との間に不活性ガスが介在して熱の伝導が高められ、両者間の熱的結合が高められる。

１ａ…上側容器、１ｂ…下側容器、２…水晶片、２ａ…振動領域、２ｂ…外周部、２ｃ…連結領域、３ａ，３ｂ…凹部、４…水晶接続端子、５…実装電極、６ａ…励振電極、６ｂ…引出電極、７…導電性接着剤、８ａ，８ｂ…低融点ガラス層、１５…切欠溝、１６，１７…電極層、１８ａ，１８ｂ…ロウ材層、１９…くびれ部、２１…ＩＣチップ、２２…回路端子、２３…バンプ、２４…ボンディングワイヤ、２５…チップ部品。

Claims (8)

1. 外周部と該外周部から切込溝によって部分的に機械的に分離している振動領域とを有する水晶片と、
   前記水晶片の第１の主面において前記水晶片の外周部の全周に対して第１の低融点ガラス層を介して接合することにより前記第１の主面に接合した第１の容器と、
   前記水晶片の第２の主面において前記水晶片の外周部の全周に対して第２の低融点ガラス層を介して接合することにより前記第２の主面に接合した第２の容器と、
   を備え、
   前記水晶片において前記振動領域が前記外周部に対して一体のものとして機械的に連続する領域を連結領域として、前記水晶片は、前記振動領域の両方の主面にそれぞれ設けられた励振電極と、前記励振電極から前記連結領域の両側部に引き出された引出電極と、を有し、
   前記連結領域の両側部に対応して前記第２の容器に一対の水晶接続端子が設けられ、前記引出電極と前記水晶接続端子とが導電性接着剤によって電気的に接続し、
   前記第１の容器、前記第２の容器及び前記水晶片の外周部によって形成された空間内に、前記水晶片の振動領域が密閉封入されている水晶デバイス。
2. 前記水晶片は略長方形の平面外形形状を有し、前記水晶片の外周の３辺に沿うように連続的に前記切込溝を設けることにより、前記外周の１辺に沿って前記連結領域が形成されている、請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記第２の容器の外底面に実装電極が設けられ、前記水晶接続端子と前記実装電極とが電気的に接続する、請求項１または２に記載の水晶デバイス。
4. 前記水晶接続端子と電気的に接続し前記水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップが、前記振動領域とともに前記空間内に密閉封入されている、請求項１または２に記載の水晶デバイス。
5. 前記回路は前記水晶片を用いる発振回路であり、表面実装用の水晶発振器として構成された請求項４に記載の水晶デバイス。
6. 前記第２の容器の外底面に実装電極が設けられ、前記ＩＣチップと前記実装電極とが電気的に接続する、請求項４または５に記載の水晶デバイス。
7. 前記第１の容器及び前記第２の容器は積層セラミックからなる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水晶デバイス。
8. 前記水晶片はＡＴカットの水晶片である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水晶デバイス。

Images