JP2014236301A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 蓋体と接合部材との接合強度を維持し、水晶素子の気密封止性を維持することが可能な水晶デバイスを提供する。
【解決手段】 水晶デバイスは、基板１１０ａと、基板１１０ａ上に設けられた枠体１１０ｂと、基板１１０ａ上であって枠体１１０ｂ内に導電性接着剤１４０を用いて実装された水晶素子１２０と、枠体１１０ｂ上に接合部材１５０を介して設けられ、上下方向の厚みが略一定の中央部１３１と、中央部１３１に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部１３２とを有している蓋体１３０と、を備え、接合部材１５０は、枠体１１０ｂの上面から外周部１３２の上面及び下面にかけて設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。

水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。例えば、基板と枠体とで構成されたパッケージと、基板の上面に設けられた電極パッドに導電性接着剤を介して実装された水晶素子と、枠体の上面に接合部材を介して接合され、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えた水晶振動子が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。接合部材は、ガラスが用いられ、この接合部材に熱を印加することで、蓋体と枠体の上面とを接合することができる。

特開２００９−１４１２３４号公報

上述した水晶デバイスは、製品が小型化することに伴い、蓋体と接合部材との接合面積も縮小されるため、蓋体と接合部材との接合強度が低下してしまう。よって、枠体内に実装された水晶素子の気密封止性を維持することができない虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、蓋体と接合部材との接合強度を維持し、水晶素子の気密封止性を維持することが可能な水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板上に設けられた枠体と、基板上であって枠体内に導電性接着剤を用いて実装された水晶素子と、枠体上に接合部材を介して設けられ、上下方向の厚みが略一定の中央部と、中央部に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部とを有している蓋体と、を備え、接合部材は、枠体の上面から外周部の上面及び下面にかけて設けられていることを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、枠体上に接合部材を介して設けられ、上下方向の厚みが略一定の中央部と、中央部に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部とを有している蓋体と、を備えており、その接合部材が、枠体の上面から外周部の上面及び下面にかけて設けられている。このようにすることで、水晶デバイスは、接合部材と蓋体の外周部との接合面積を大きくすることができるので、接合部材と蓋体との接合強度を向上することができる。よって、このような水晶デバイスは、枠体内に実装されている水晶素子の気密封止性を維持することができる。

本実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。 図１に示された水晶デバイスのＡ−Ａにおける断面図である。 （ａ）本実施形態における水晶デバイスを蓋体側から見た平面図であり、（ｂ）本実施形態における水晶デバイスから蓋体を外した状態を示す平面図である。 本実施形態の第一変形例における水晶デバイスを示す断面図である。

本実施形態における水晶デバイスは、図１〜図３に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に接合された水晶素子１２０と、パッケージ１１０の上面に接合された蓋体１３０とを含んでいる。パッケージ１１０には、基板１１０ａの上面と枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた収容空間Ｋが形成されている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。

基板１１０ａは、矩形状であり、上面で実装された水晶素子１２０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａは、上面に、水晶素子１２０を接合するための電極パッド１１１が設けられている。

基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を１層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面又は内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン及びビア導体が設けられている。

枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に収容空間Ｋを形成するためのものである。枠体１１０ｂは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。

電極パッド１１１は、水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン及びビア導体を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子Ｇと電気的に接続されている。

外部端子Ｇは、電子機器等のマザーボードに実装するためのものである。外部端子は、基板１１０ａの下面の四隅に設けられている。外部端子Ｇの内の二つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１とそれぞれ電気的に接続されている。また、電極パッド１１１と電気的に接続されている外部端子Ｇは、基板１１０ａの下面の対角に位置するように設けられている。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．２ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．７〜１．５ｍｍである場合を例にして、収容空間Ｋの大きさを説明する。収容空間Ｋの長辺の長さは、０．７〜２．５ｍｍであり、短辺の長さは、０．５〜２．０ｍｍとなっている。収容空間Ｋの上下方向の長さは、０．２〜０．５ｍｍとなっている。

ここで、パッケージ１１０の作製方法について説明する。基板１１０ａ及び枠体１１０ｂがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いは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、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１１１又は外部端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、図２に示されているように、導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１上に接合されている。水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１２０は、図１及び図２に示されているように、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極１２４は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の短辺に向かって延出されている。接続用電極１２３は、引き出し電極１２４と接続されており、水晶素板１２１の長辺又は短辺に沿った形状で設けられている。また、本実施形態においては、電極パッド１１１と接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１０ａの上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０ａの上面と間を空けた自由端とした片持ち支持構造にて水晶素子１２０が基板１１０ａ上に固定されている。

ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が接続用電極１２３から引き出し電極１２４及び励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１が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。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を形成することにより作製される。

水晶素子１２０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接着剤１４０は、例えばディスペンサによって電極パッド１１１上に塗布される。水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０上に搬送され、導電性接着剤１４０上に載置される。そして、導電性接着剤１４０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。水晶素子１２０は、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１に接合される。

導電性接着剤１４０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、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

蓋体１３０は、矩形状であり、真空状態にある収容空間Ｋ、あるいは窒素ガスなどが充填された収容空間Ｋを気密的に封止するためのものである。蓋体１３０は、上下方向の厚みが略一定の中央部１３１と、中央部１３１に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部１３２とを有している。蓋体１３０の中央部１３１の上下方向の厚みが略一定とは、上下方向の厚みバラつきが５〜１０μｍとなるものを異なる含むものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、枠体１１０ｂ上に設けられた接合部材１５０上に載置される。枠体１１０ｂの上面に設けられた接合部材１５０に熱が印加されることで、溶融接合され、蓋体１３０と接合部材１５０とが接合される。また、蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。

蓋体１３０の長辺方向の長さは、０．９〜３．２ｍｍであり、短辺方向の長さは、０．７〜２．５ｍｍである。蓋体１３０の厚み方向の長さは、５０〜１００μｍである。また、蓋体１３０の表面には、凹凸が設けられている。また、蓋体１３０の算術平均表面粗さは、０．５〜１．２μｍとなるように設けられている。このようにすることによって、蓋体１３０と接合部材１５０との接合面積を増やすことになり、蓋体１３０と接合部材１５０との接合強度をさらに向上させることができる。

このような蓋体１３０の作製方法を示す。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された蓋体１３０とを用意する。次に研磨材と蓋体１３０とを入れた円筒体を回転させる。このようにすることによって、蓋体１３０が円筒体の内周面を滑りつつ研磨材と接触して、外周部１３２が薄くなるように研磨される。

接合部材１５０は、枠体１１０ｂの上面から蓋体１３０の外周部１３２の上面及び下面にかけて設けられている。このようにすることにより、水晶デバイスは、接合部材１５０と蓋体１３０の外周部１３２との接合面積を大きくすることができるので、接合部材１５０と蓋体１３０との接合強度を向上することができる。よって、このような水晶デバイスは、枠体１１０ｂ内に実装されている水晶素子１２０の気密封止性を維持することができる。

また、接合部材１５０は、例えば、ガラスの場合には、３００℃〜４００℃で溶融するガラスである例えばバナジウムを含有した低融点鉛フリーガラス又は酸化鉛系フリットガラスから構成されている。ガラスは、バインダーと溶剤と複数のガラスビーズが加えられたペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接合する。接合部材１５０は、例えば、ガラスフリットペーストがスクリーン印刷法で塗布され乾燥することで設けられる。

接合部材１５０は、枠体１１０ｂの上面に設ける際に、枠体１１０ｂの四隅に接合部材１５０が重なるようにして印刷されることで設けられる。よって、四隅の接合部材１５０の厚みは、接合部材１５０が設けられている他の箇所の厚みよりも厚くなるように設けられている。この接合部材１５０が、枠体１１０ｂの上面から蓋体１３０の外周部１３２の上面及び下面にかけて設けられていることによって、四隅に設けられた余剰の接合部材１５０が枠体１１０ｂの内壁面に沿って収容空間Ｋ内に入り込むことを低減し、接合部材１５０が水晶素子１２０に被着することを低減することができる。また、四隅に設けられた余剰の接合部材１５０が枠体１１０ｂの外側面に沿って溢れ出てしまうことを低減し、外側面に設けられた接合部材１５０が、搬送治具に接触することで、接合部材１５０が、枠体１１０ｂから剥がれてしまうことを低減することができる。

接合部材１５０は、例えば、絶縁性樹脂の場合には、エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂から構成されている。枠体１１０ｂと蓋体１３０との間に設けられた接合部材１５０の厚みは、３０〜１００μｍとなっている。

接合部材１５０は、例えば、金錫の場合には、接合部材１５０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、金が７０〜８０％、錫が２０〜３０％のものを使用しても良い。また、接合部材１５０は、例えば、銀ロウの場合には、接合部材１５０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、銀が７０〜８０％、銅が２０〜３０％のものを使用しても良い。

本実施形態における水晶デバイスは、枠体１１０ｂ上に接合部材１５０を介して設けられ、上下方向の厚みが略一定の中央部１３１と、中央部１３１に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部１３２とを有している蓋体１３０と、を備えている。このようにすることで、水晶デバイスは、接合部材１５０と蓋体１３０の外周部１３２との接合面積を大きくすることができるので、接合部材１５０と蓋体１３０との接合強度を向上することができる。よって、このような水晶デバイスは、枠体１１０ｂ内に実装されている水晶素子１２０の気密封止性を維持することが可能となる。

（第一変形例）
以下、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスについて説明する。尚、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、図４に示されているように、枠体２１０ｂの上面に囲むようにして凹部２１２が設けられている点で実施形態と異なる。

枠体２１０ｂは、図４に示されているように、基板２１０ａの上面に配置され、枠体２１０ｂの上面に凹部２１２が設けられている。凹部２１２は、枠体２１０ｂの上面に環状になるように設けられている。凹部２１２内には、接合部材１５０が入り込むようにして設けられている。このようにすることにより、接合部材１５０と枠体２１０ｂとの接合面積を大きくすることができるので、接合部材１５０と枠体２１０ｂとの接合強度を向上させることが可能となる。

枠体の２１０の一辺の長さが、０．８〜３．２ｍｍである場合を例として、凹部２１２の大きさを説明する。凹部２１２の外周縁の一辺の長さは、０．６〜２．５ｍｍであり、内周縁の一辺の長さは、０．４〜１．９ｍｍである。また、凹部２１２の上下方向の長さは、０．０５〜０．１５ｍｍである。

本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、枠体２１０ｂの上面に囲むようにして凹部２１２が設けられており、その凹部２１２内に接合部材１５０が入り込むようにして蓋体１３０と枠体２１０ｂの上面とが接合されている。このようにすることにより、接合部材１５０と枠体２１０ｂとの接合面積を大きくすることができるので、接合部材１５０と枠体２１０ｂとの接合強度を向上させることができる。よって、蓋体１３０が枠体２１０ｂから剥がれることを低減し、収容空間Ｋ内の気密封止性を維持することが可能となる。

尚、本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。上記の実施形態の第一変形例では、枠体１１０ｂが基板１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体１１０ｂは、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

上記実施形態では、水晶素子は、ＡＴ用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる二本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。また、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を用いても構わない。また、水晶素子１２０のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板１２１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１２１とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板１２１とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板１２１が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

また、本実施形態では、基板１１０ａの上面には、封止用導体パターンがない場合を説明したが、基板１１０ａの上面に封止用導体パターンを設けても構わない。この封止用導体パターンは、蓋体１３０と接合部材１５０を介して接合する際に、接合部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。

また、接合部材１５０が導電性部材を使用した際に、封止用導体パターンは、基板１１０ａの内部に形成されたビア導体（図示せず）及び配線パターン（図示せず）により少なくとも一つの外部端子Ｇに接続されている。少なくとも１つの外部端子Ｇは、外部の実装基板上のグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の役割を果たす。そのため、封止用導体パターンに接合される蓋体１３０がグランドに接続されることとなり、蓋体１３０による収容空間Ｋ内のシールド性が向上する。封止用導体パターンは、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、枠体１１０ｂの上面の外周縁を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されている。

１１０ａ、２１０ａ・・・基板
１１０ｂ、２１０ｂ・・・枠体
１１０、２１０・・・パッケージ
１１１、２１１・・・電極パッド
２１２・・凹部
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・接続用電極
１２４・・・引き出し電極
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・接合部材
Ｋ・・・収容空間
Ｇ・・・外部端子

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられた枠体と、
   前記基板上であって前記枠体内に導電性接着剤を用いて実装された水晶素子と、
   前記枠体上に接合部材を介して設けられ、上下方向の厚みが略一定の中央部と、前記中央部に比べて外周縁に向けて厚みが漸次薄くなる外周部とを有している蓋体と、を備え、
   前記接合部材は、前記枠体の上面から前記外周部の上面及び下面にかけて設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
2. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記蓋体の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
3. 請求項１記載の水晶デバイスであって、
   前記枠体の上面に囲むようにして凹部が設けられていることを特徴とする水晶デバイス。

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