JP2014030082A - 表面実装水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 カバーのガラス封止を行う場合に、低融点ガラスを印刷後に仮焼成を行っても、カバー搭載の位置を固定でき、位置決めを容易に行うことができる表面実装水晶振動子を提供する。
【解決手段】 金属カバー５が搭載される位置部分に第１のガラス層３を帯状で形成すると共に基板１の角部領域にも第１のガラス層３を形成し、金属カバー５の角部でフランジの側面部分を保持するよう第２のガラス層４を第１のガラス層３の角部領域上に突出して形成する表面実装水晶振動子である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面実装用の水晶振動子に係り、特に、小型化でき、高気密性を実現でき、生産性と信頼性を向上させる表面実装水晶振動子に関する。

［従来の技術］
表面実装水晶振動子は、小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器に周波数や時間の基準源として内蔵される。
従来の表面実装水晶振動子は、セラミック基板上に水晶片を搭載し、凹状のカバーを逆さまにして被せて密閉封入したものがある。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００９−１３５５９９号公報「表面実装用の水晶デバイス」（日本電波工業株式会社）［特許文献１］、特開２００７−２０８５６０号公報「表面実装水晶振動子及び其の製造方法」（日本電波工業株式会社）［特許文献２］がある。

特許文献１には、容器本体における開口端面の金属カバーの外側となる外周表面に金属カバーを位置決めする突堤が少なくとも各４辺に設けた水晶デバイスが示されている。
特許文献２には、容器本体の開口端部にガラス封止によってカバーを設けてなる表面実装水晶振動子において、容器本体の底壁層と枠壁層とを異なる外観色とすることが示されている。

特開２００９−１３５５９９号公報 特開２００７−２０８５６０号公報

しかしながら、従来の表面実装水晶振動子では、カバーを樹脂封止する場合に比べて、気密性を高め、信頼性を向上させるにはガラス封止が望ましいが、ガラス封止の場合、低融点ガラスを印刷後に仮焼成を行わないと、アウトガスにより振動子の特性を劣化させるおそれがあり、また、仮焼成を行うとタック（粘り）がなくなるため、セラミックシートのベースに個別にカバーを搭載する際に、カバー搭載の位置が固定できず、位置が決まらないという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、カバーのガラス封止を行う場合に、低融点ガラスを印刷後に仮焼成を行っても、カバー搭載の位置を固定でき、位置決めを容易に行うことができる表面実装水晶振動子を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、矩形のセラミック基板上に水晶片が第１及び第２の水晶保持端子で保持される表面実装水晶振動子であって、基板の角部に形成された貫通孔の壁面にスルー端子が形成され、基板の表面に第１の水晶保持端子から引き出された第１の接続部が最短の角部のスルー端子に接続し、第２の水晶保持端子から引き出された第２の接続部が第１の接続部が引き出された方向とは逆方向の角部のスルー端子に接続すると共に、基板の裏面ではスルー端子に接続する実装端子が形成され、基板の外周表面でカバーの開口端面が対向する位置と基板の角部領域に第１のガラス層が形成され、基板の角部領域上に形成された第１のガラス層の上に、第２のガラス層が形成されることを特徴とする。

本発明は、上記表面実装水晶振動子において、第２のガラス層が、第１のガラス層より厚くし、基板の角部領域において、前記基板中心に向けて開いたＬ字形状、又は、当該Ｌ字の前記基板の中心側をカーブ状にする形状としたことを特徴とする。

本発明は、上記表面実装水晶振動子において、水晶片の一方の引出電極と他方の引出電極は、反対方向に引き出され、第１の水晶保持端子と第２の水晶保持端子は、水晶片を両端で保持する両持ちタイプとすることを特徴とする。

本発明は、上記表面実装水晶振動子において、第１の水晶保持端子と水晶片の一方の引出電極とは、第１の接続部が引き出される端部において導電性接着剤で接続され、第２の水晶保持端子と水晶片の他方の引出電極とは、第２の接続部が引き出される端部において導電性接着剤で接続されることを特徴とする。

本発明は、上記表面実装水晶振動子において、第１の水晶保持端子における導電性接着剤が形成されない側の端部は、第２の水晶保持端子における第２の接続部が接続される端部より内側に短く形成され、第２の水晶保持端子における導電性接着剤が形成されない側の端部は、第１の水晶保持端子における第１の接続部が接続される端部より内側に短く形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、基板の角部に形成された貫通孔の壁面にスルー端子が形成され、基板の表面に第１の水晶保持端子から引き出された第１の接続部が最短の角部のスルー端子に接続し、第２の水晶保持端子から引き出された第２の接続部が第１の接続部が引き出された方向とは逆方向の角部のスルー端子に接続すると共に、基板の裏面ではスルー端子に接続する実装端子が形成され、基板の外周表面でカバーの開口端面が対向する位置と基板の角部領域に第１のガラス層が形成され、基板の角部領域上に形成された第１のガラス層の上に、第２のガラス層が形成される表面実装水晶振動子としているので、カバーの角部を第２のガラス層で固定でき、カバー位置を容易に決めることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る表面実装水晶振動子の概略断面説明図である。 第２の工程Ａの平面説明図（１）である。 第２の工程Ｂの平面説明図（２）である。 第２の工程Ｃの平面説明図（３）である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る表面実装水晶振動子は、金属カバーが搭載される位置部分に第１のガラス層を帯状で形成すると共に基板の角部領域にも第１のガラス層を形成し、金属カバーの角部を保持する第２のガラス層を第１のガラス層の角部領域上に突出して形成するようにしているので、金属カバーを基板に搭載した場合にずれることがなく、ガラス封止を実現でき、樹脂封止に比べて高気密性を実現でき、信頼性を向上させることができるものである。

［本振動子：図１］
本発明の実施の形態に係る表面実装水晶振動子（本振動子）について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る表面実装水晶振動子の概略断面説明図である。
尚、図１では、説明を簡略化するために、金属カバー５内で基板１上に形成される水晶片等を省略している。

本振動子は、図１に示すように、矩形のセラミックの基板（セラミックベース）１において、その角部に形成された貫通孔の壁面に基板１の表裏を接続するスルー端子６が形成され、基板１の表面で、水晶片の電極に接続する引出端子２がスルー端子６に接続し、基板１の裏面で、実装端子７がスルー端子６に接続している。

本振動子は、基板１上に、スルー端子６に接続する引出端子２と、基板１の角部の領域に形成され、更に基板１の外周内側に帯状に形成された低融点ガラス層（第１のガラス層）３と、基板１の角部の領域であって第１のガラス層３の上部に形成される低融点ガラス層（第２のガラス層）４と、第２のガラス層４に角部が収まるよう搭載される金属カバー５とを基本的に有している。

金属カバー５は、凹状を逆さまにした形状で、基板１に形成される第１のガラス層３との接触部分がＬ字状のフランジとなっている。
そして、そのフランジ部分が、基板１の外周内側に形成された第１のガラス層３の帯状領域に接触するよう搭載される。

第２のガラス層４は、基板１の角部の領域で、第１のガラス層３の上層に形成されるもので、第１のガラス層３の帯状領域には形成されないものである。
つまり、第２のガラス層４は、基板１の中心に向けて開いた「く」の字状又は「Ｌ」字状であって、更に基板１の中心に対してカーブを有する形状である。具体的には、基板１の角部の領域で、金属カバー５を設置した場合に、金属カバー５の角部より外側に第２のガラス層４が形成されるもので、この第２のガラス層４が金属カバー５の角部のストッパーとなり、金属カバー５を固定するものである。

また、本振動子は、基板１上に水晶片の両端を保持するための水晶保持端子が対向して形成され、水晶保持端子の端部から最短の基板１の角部に向けて引出端子２が引き出されて形成され、スルー端子６に接続されている。つまり、２つの引出端子２は、逆方向の角部のスルー端子６に接続している。
水晶保持端子は、水晶片を保持する構成であって、Ａｇ（銀）Ｐｄ（パラジウム）合金で形成される。また、水晶保持端子の端部から最短の基板１の角部へ引き出された接続部が形成され、水晶保持端子と接続部で引出端子３を構成している。

基板１の角部に引出端子２を引き出して角部でスルー端子６に接続するのは、基板１の水平方向又は垂直方向に引出端子を引き出す場合に比べて距離をとることができ、そのため金属カバー５の位置がずれたとしても、水晶保持端子とスルー端子６とが金属カバー５を介してショートするのを回避するためである。

そして、水晶片と水晶保持端子とは、引出端子２が引き出された水晶保持端子の端部で導電性接着剤により接続されている。
水晶片の両端部で水晶保持端子が水晶片を保持する構造であるため「両持ち」タイプと称される。

水晶片は、ＡＴカットとし、対向した励振電極が両主面に形成されている。
また、水晶片は、励振電極からは互いに反対方向の両端部に延出して幅方向の全幅にわたって折り返された引出電極が形成されている。
そして、引出電極の延出した一組の対角部（端部）が導電材としての導電性接着剤によって水晶保持端子に固着して、引出電極と水晶保持端子とを電気的・機械的に接続している。

スルー端子６は、基板１の四隅に形成されたスルーホール（貫通孔）の側壁に形成されるもので、水晶保持端子と同様のＡｇＰｄ合金で形成される。
また、引出端子２は、基板１の四隅部分（角部）でスルー端子６に接続している。
但し、引出端子２は、基板１の対角線上に形成されているため、その対角線上の角部でスルー端子６に接続するが、他の対角線上の角部では、スルー端子６は引出端子２には接続していない。

基板１の裏面の四隅には実装端子７が形成され、基板１の角部でスルー端子６に接続している。
上述したように、スルー端子６には引出端子２に接続しているものと、接続していないものがあり、基板１の裏面において、引出端子２に接続するスルー端子６に接続している実装端子７同士を測定装置でコンタクトさせて励起させるテストを行い、後述する振動周波数の調整を行う。

水晶片の引出電極と水晶保持端子とを導電性接着剤が、電気的及び機械的に接続するものである。
スルーホール（貫通孔）は、基板１が分割される前のセラミックシートの状態で、ブレイクラインと同時に形成されるもので、分割される基板１の四隅部分（角部）で表面と裏面とを貫通するよう形成される。

［水晶保持端子のパターン］
水晶保持端子のパターンは、図２に示すように、基板１の中央に対向して形成され、引出端子２が形成されていない端部が、従来の水晶保持端子に比べて特定の長さだけ短くなっている。これは、金属カバー５が一方の水晶保持端子に接触しても、他方の水晶保持端子に接触するのを防止して、ショートを回避するためのものである。

つまり、本振動子において、一方の水晶保持端子２ｂにおける導電性接着剤が形成されない側の端部は、他方の水晶保持端子２ｂにおける接続部２ａが接続される端部より内側に短く形成され、他方の水晶保持端子２ｂにおける導電性接着剤が形成されない側の端部は、一方の水晶保持端子２ｂにおける接続部２ａが接続される端部より内側に短く形成されている。

金属カバー５の配置ずれがあっても、水晶保持端子を従来に比べて特定の長さだけ短くし、水晶片の引出電極の長尺方向の端部より当該水晶保持端子の端部を内側に短くしているので、金属カバー５が他方の水晶保持端子に接触しても、当該水晶保持端子の端部では金属カバー５と接触することがないため、一方の水晶保持端子と他方の水晶保持端子とが金属カバー５を介してショートすることを回避できる。

［本振動子の製造方法：図２〜４］
次に、本振動子の製造方法について図２〜４を参照しながら説明する。図２は、第２の工程Ａの平面説明図（１）であり、図３は、第２の工程Ｂの平面説明図（２）であり、図４は、第２の工程Ｃの平面説明図（３）である。
具体的には、図２では、シート状のセラミック板にスルーホールとブレイクラインが形成され、引出端子２が形成された図となっている。図３では、第１のガラス層３が形成された図となっている。図４では、第２のガラス層４が形成された図となっている。

［第１工程：図２／シート状セラミック生地焼成］
先ず、シート状セラミックベースの元となるシート状セラミック生地を形成する。
シート状セラミック生地には、図２に示すように、個々のセラミックベース（基板）１に対応して隣接する領域同士区切るブレイクラインを形成すると共にその四隅部（角部）に貫通孔を形成する。
そして、貫通孔が形成されたシート状セラミック生地を焼成し、シート状セラミックベースを得る。

［第２工程Ａ：図２／回路パターン形成］
次に、シート状セラミックベースの回路パターンに対応した領域に、ＡｇＰｄ合金の金属ペーストを厚み約１０μｍ程度で、マスクを用いた印刷によって形成する。
回路パターンは、一主面（表面）では、図２に示すように、引出端子２のパターンが形成され、他主面（裏面）では、実装端子７のパターンが形成され、更に、貫通孔の壁面にはスルー端子６が形成される。

引出端子２は、貫通孔を囲むように四角形状のパターンと、水晶保持端子２ｂのパターンと、水晶保持端子２ｂのパターンと四角形状のパターンを接続する接続部２ａのパターンとから構成される。

一主面（表面）の引出端子２は、前述のように各基板１の中心に対して点対称とする。つまり、基板１の対角線上に接続部２ａが形成される。
また、他主面（裏面）の一組の対角に形成された実装端子７は、水晶保持端子２ｂとスルー端子６、接続部２ａを経て電気的に接続する水晶外部端子とし、他組の対角に形成された実装端子７は、ダミー端子とする。

そして、ＡｇＰｄ合金とした金属ペーストを約８５０℃で焼成し、金属ペースト中のバインダを蒸発させると共にＡｇＰｄ合金を溶融して固体化し、回路パターンの形成されたシート状セラミックベースを得る。

尚、セラミックの焼成温度は約１５００〜１６００℃、ＡｇＰｄ合金はこれ以下の８５０℃となることから、セラミックの焼成後にＡｇＰｄ合金ペーストを塗布して、セラミックとともにＡｇＰｄ合金ペーストを焼成する。
これは、セラミック生地にＡｇＰｄ合金ペーストを塗布してセラミックの焼成温度で焼成すると、ＡｇＰｄ合金ペーストは高温過ぎて塊粒になって回路パターンを形成できないことに起因する。

［第２工程Ｂ：図３／第１のガラス層３形成］
次に、第１のガラス層３の形成について図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、回路パターンが形成されたシート状セラミックベースの各矩形領域（基板１に相当）の表面でブレイクラインの内側に帯状の第１のガラス層３を形成する。
第１のガラス層３は、低融点ガラスを、例えば３０μｍ程度の厚みで塗布して仮焼成する。

また、第１のガラス層３は、基板１の外周の内側周囲に帯状に形成されるだけでなく、貫通孔を囲むように基板１の角部領域にも形成される。図３では、第１のガラス層３のパターンは、引出端子２の角部領域のパターンより小さく形成されている。
尚、第１のガラス層３は、ＡｇＰｄ合金の焼成温度（約８５０℃）と同等以下の温度で仮焼成してガラスを固体化する。

［第２工程Ｃ：図４／第２のガラス層４形成］
次に、第２のガラス層４の形成について図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、第１のガラス層３の角部領域において、その上面に第２のガラス層４を形成する。
第２のガラス層４は、低融点ガラスを、例えば６０μｍ程度の厚さで再度印刷し、仮焼成することで形成される。

第２のガラス層４は、第１のガラス層３において金属カバー５のフランジが接触する帯状部分（帯状領域）には形成されず、その帯状部分を除いた基板１の角部領域上に第１のガラス層３に対して約２倍の厚みで上方向に突出して形成される。
そして、第２のガラス層４は、スルー端子６が形成される貫通孔を除いて、十字形状に形成され、金属カバー５のフランジの側面が接触する面は、フランジの角部のカーブに合わせてカーブしており、金属カバー５の四隅の角部を固定するようになっている。

第２のガラス層４の厚みが約６０μｍ程度で、金属カバー５のフランジの側面の幅が約１００〜１１０μｍとし、第２のガラス層４から突出するフランジのギャップを約４０〜５０μｍとすることで、金属カバー５を基板１に搭載した場合に、金属カバー５はすれることがない。

つまり、第１のガラス層３と第２のガラス層４とは、仮焼成しているため粘りがなくなっており、金属カバー５を搭載しても基板１に密着しないことになるが、第２のガラス層４の側面で金属カバー５の角部を押さえ込むストッパーの役割を果たすので、金属カバー５がずれないものである。

図４の例では、貫通孔を除いて十字形状で、基板１の中心側にカーブする形状であるが、カーブしない十字形状であっても構わない。
そして、第２のカラス層４は、その後に、ブレイクラインで分割されると、Ｌ字形状になる。

［第３工程／水晶片搭載］
次に、回路パターンの形成されたシート状セラミックベースの各水晶保持端子２ｂに、水晶片を導電性接着剤によって固着して搭載する。

［第４工程／周波数調整］
次に、シート状セラミックベースに搭載（固着）された水晶振動子としての各水晶片の振動周波数を質量負荷効果によって調整する。
具体的には、シート状セラミックベースの裏面において、各水晶片と電気的に接続した実装端子７に測定器からの測定端子（プローブ）を接触させる。そして、板面が露出した水晶片の表面側の励振電極にガスイオンを照射して表面を削り取り、励振電極の質量を減じて振動周波数を低い方から高い方に調整する。
但し、例えば、蒸着やスパッタによって励振電極上に金属膜を付加して、振動周波数を高い方から低い方に調整することもできる。

［第５工程／金属カバー接合（密閉封入）］
次に、水晶片が搭載されたシート状セラミックベースの個々の基板１に対応した矩形状領域の外周の表面内側であって第１のガラス層３上に、凹状とした金属カバー５の開口端面（フランジ下面）を接合し、ガラス封止を行う。

従来は、金属カバー５がずれないようにするために、封止材を用いて、その粘りで金属カバー５を接合していたが、本振動子では、金属カバー５が第２のガラス層４で固定され、ずれることがないので、ガラス封止で接合している。ガラス封止の方が、封止剤の樹脂封止に比べて高気密性を実現できるものである。

［第６工程／分割］
最後に、水晶振動子が集合化されたシート状セラミックベースをブレイクラインに従って縦横に分割して、個々の表面実装水晶振動子を得る。

本実施の形態の製造方法では、基板１の回路パターン（水晶保持端子２ｂ、スルー端子６、実装端子７）はＡｇＰｄ合金として、貫通孔を設けたシート状セラミック生地の焼成後にＡｇＰｄ合金ペーストを塗布し、焼成によって形成する。

従って、従来のシート状セラミック生地にＷ（タングステン）ペーストを塗布して焼成後に電解メッキによってＮi（ニッケル）及びＡu（金）を形成する場合に比較し、２回にわたる電解メッキ工程を不要とするので、製造工程数を少なくできる。
また、電解メッキ工程を不要にするので、例えば、基板１間の回路パターンを電気的に接続する電解メッキ用の配線路をも不要となるので、回路パターンをシンプルにして安価にできる効果がある。

また、ここでは、回路パターンの形成されたシート状セラミックベースの状態で、水晶片の搭載（第３工程）、周波数調整（第４工程）及び金属カバー５の接合（第５工程）を行う。
従って、シート状セラミックベースの状態で、これらの工程を連続的に行えるので、生産性を向上させることができる効果がある。

更に、本実施形態では、基板１の裏面の実装端子７は、それぞれが電気的に独立した４端子とする。一方、シート状セラミックベースの状態では、隣接する矩形状領域の４つの角部における各実装端子７（４個）はスルー端子６を経て電気的に共通接続する。
従って、４つの角部の各実装端子７が共通接続された状態でも、各基板１の引出端子２に接続する一組の対角部の実装端子７に測定端子を接触させて、水晶片毎に振動周波数を調整できる効果がある。

尚、回路パターンは、ＡｇＰｄ合金としたが、セラミックに対する付着力が比較的良好なＡｇを主とした例えばＡｇＰｔ合金でもよく、Ａｇ系厚膜材料であれば適用できる。

また、金属カバー５のガラス封止の際には、金属カバー５の濡れ性により加圧なし又は加圧ありを選択することができる。

［実施の形態の効果］
本振動子によれば、金属カバー５が搭載される位置部分（金属カバー５のフランジ接触面）に第１のガラス層３を帯状で形成すると共に基板１の角部領域にも第１のガラス層３を形成し、金属カバー５の角部でフランジの側面部分を保持するよう第２のガラス層４を第１のガラス層３の角部領域上に突出して形成するようにしているので、金属カバー５を基板１に搭載した場合にずれることがなく、ガラス封止を実現でき、樹脂封止に比べて高気密性を実現できる効果がある。

本振動子によれば、基板１を単板とするので、基本的に製造単価を安くでき、水晶保持端子２ｂを含む電極をＡｇＰｄ合金とすることで、従来のＷ及びＮi、Ａuとした場合よりも電極の材料費や工程数を減らして、さらに安価にできる効果がある。

更に、本振動子によれば、水晶保持端子２ｂからの接続部２ａを基板１の対角線上の角部に引き出し、当該角部に形成した貫通孔の壁面に形成したスルー端子６を介して裏面の実装端子７に接続するようにしているので、接続部２ａを水平方向又は垂直方向に引き出される場合に比べて長くすることができ、金属カバー５の開口端面部が一方の水晶保持端子２ｂの一端側と接触しても、スルー端子６までは距離があるため、スルー端子６への接触を防止して電気的短絡（ショート）を回避できる効果がある。

また、本振動子では、水晶保持端子２ｂの端部を水晶片の引出電極より短くしているので、金属カバー５の一辺となる開口端面部が一方の水晶保持端子２ｂと接触しても、他方の水晶保持端子２ｂの同じ方向での接触を回避できる。
その結果、一対の水晶保持端子２ｂが金属カバー５を経ての電気的に短絡するのを防止して、生産性を向上させることができる効果がある。

本発明は、カバーのガラス封止を行う場合に、低融点ガラスを印刷後に仮焼成を行っても、カバー搭載の位置を固定でき、位置決めを容易に行うことができる表面実装水晶振動子に好適である。

１...基板（セラミックベース）、 ２...引出端子、 ２ａ...接続部、 ２ｂ...水晶保持端子、 ３...第１のガラス層、 ４...第２のガラス層、 ５...金属カバー、 ６...スルー端子、 ７...実装端子

Claims (5)

1. 矩形のセラミック基板上に水晶片が第１及び第２の水晶保持端子で保持される表面実装水晶振動子であって、
   前記基板の角部に形成された貫通孔の壁面にスルー端子が形成され、
   前記基板の表面に前記第１の水晶保持端子から引き出された第１の接続部が最短の角部のスルー端子に接続し、前記第２の水晶保持端子から引き出された第２の接続部が前記第１の接続部が引き出された方向とは逆方向の角部のスルー端子に接続すると共に、前記基板の裏面では前記スルー端子に接続する実装端子が形成され、
   前記基板の外周表面でカバーの開口端面が対向する位置と前記基板の角部領域に第１のガラス層が形成され、
   前記基板の角部領域上に形成された前記第１のガラス層の上に、第２のガラス層が形成されることを特徴とする表面実装水晶振動子。
2. 第２のガラス層が、第１のガラス層より厚くし、基板の角部領域において、前記基板中心に向けて開いたＬ字形状、又は、当該Ｌ字の前記基板の中心側をカーブ状にする形状としたことを特徴とする請求項１記載の表面実装水晶振動子。
3. 水晶片の一方の引出電極と他方の引出電極は、反対方向に引き出され、
   第１の水晶保持端子と第２の水晶保持端子は、前記水晶片を両端で保持する両持ちタイプとすることを特徴とする請求項１又は２記載の表面実装水晶振動子。
4. 第１の水晶保持端子と水晶片の一方の引出電極とは、第１の接続部が引き出される端部において導電性接着剤で接続され、
   第２の水晶保持端子と前記水晶片の他方の引出電極とは、第２の接続部が引き出される端部において導電性接着剤で接続されることを特徴とする請求項３記載の表面実装水晶振動子。
5. 第１の水晶保持端子における導電性接着剤が形成されない側の端部は、第２の水晶保持端子における第２の接続部が接続される端部より内側に短く形成され、
   前記第２の水晶保持端子における導電性接着剤が形成されない側の端部は、前記第１の水晶保持端子における第１の接続部が接続される端部より内側に短く形成されていることを特徴とする請求項４記載の表面実装水晶振動子。

Images