JP2015032882A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶素子に接合部材が付着することを低減し、水晶素子の発振周波数を安定して出力することが可能な水晶デバイスを提供することにある。
【解決手段】 水晶デバイスは、矩形状の基板１１０と、基板１１０の長辺方向の外周縁に沿って基板の上面に設けられている一対の電極パターン１１１と、一対の電極パターン１１１の両端から基板１１０の短辺方向の外周縁に沿ってそれぞれ延出されている電極パッド１１２と、基板１１０の下面に設けられた外部端子１１３と、電極パッド１１２上に設けられた水晶素子１２０と、基板１１０上の外縁に沿って、電極パターン１１１及び電極パッド１１２の外側を囲むようにして設けられた接合部材１５０と、接合部材１５０を介して、基板１１０と接合された封止蓋体１３０と、を備えている。
【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、矩形状の基板の上面の一辺に沿って設けられた一対の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、基板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封止蓋体と、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、熱を印加することで、蓋体と基板の上面とを接合することができる。また、水晶デバイスを構成する基板の下面の四隅には、外部端子が設けられており、電子機器等のマザーボードに実装されている。

特開２００９−１４１２３４号公報

上述した水晶デバイスは、接合部材を溶融させて蓋体と基板とを接合させる際に、基板の長辺から基板の中心方向に向かって接合部材が流れて込んでしまうことで、接合部材が水晶素子に付着してしまうことがあった。水晶素子に接合部材が付着することで、厚みすべり振動が阻害され、水晶素子の発振周波数が変動してしまう虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶素子に接合部材が付着することを低減し、水晶素子の発振周波数を安定して出力することが可能な水晶デバイスを提供することにある。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の長辺方向の外周縁に沿って基板の上面に設けられている一対の電極パターンと、電極パターンの両端から基板の短辺方向にそれぞれ延出されている電極パッドと、基板の下面に設けられた外部端子と、電極パッド上に設けられた水晶素子と、基板上の外縁に沿って、電極パターン及び電極パッドの外側を囲むようにして設けられた接合部材と、接合部材を介して、基板の上面と接合された封止蓋体と、を備え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、矩形状の基板と、基板の長辺方向の外周縁に沿って基板の上面に設けられている一対の電極パターンと、電極パターンの両端から基板の短辺方向にそれぞれ延出されている電極パッドと、基板の下面に設けられた外部端子と、電極パッド上に設けられた水晶素子と、基板上の外縁に沿って、電極パターン及び電極パッドの外側を囲むようにして設けられた接合部材と、接合部材を介して、基板の上面と接合された封止蓋体と、を備えている。このようにすることより、水晶デバイスは、接合部材を溶融させて接合する際に、接合部材が、基板の長辺方向から基板の中心方向に向かって入り込むことを、電極パターン及び電極パッドの側面と基板の上面とでなされた段差によって遮られるため、接合部材が水晶素子に付着してしまうことを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子の厚みすべり振動が阻害されることを抑えつつ、安定して水晶素子の発振周波数を出力することができる。

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。 （ａ）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り、（ｂ）図１に示された水晶デバイスのＢ−Ｂにおける断面図である。 本実施形態における水晶デバイスの水晶素子を実装した状態を示す平面図である。 （ａ）本実施形態における水晶デバイスを構成する基板を上面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を構成する基板を下面から見た平面図である。 本実施形態の第一変形例における水晶デバイスを示す分解斜視図である。 本実施形態の第一変形例における水晶デバイスの水晶素子を実装した状態を示す平面図である。

本実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２に示されているように、基板１１０と、基板１１０の上面に接合された水晶素子１２０と、水晶素子１２０を気密封止するための蓋体１３０と、を含んでいる。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１１０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１１０の上面には、基板１１０の長辺方向の外周縁に沿って設けられている一対の電極パターン１１１と、その一対の電極パターン１１１の両端から基板１１０の短辺方向の外周縁に沿ってそれぞれ延出されている四つの電極パッド１１２とが設けられている。また、基板１１０の下面の四隅には、外部端子１１３が設けられている。また、四つの外部端子１１２の内の二つが、水晶素子１２０と電気的に接続されて、水晶素子１２０の入出力端子として用いられる。

基板１１０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１１０は、絶縁層を一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１１０の上面及び下面には、上面に設けられた電極パッド１１２の内の二つと下面の外部端子１１３とを電気的に接続するための配線パターン１１４がそれぞれ設けられている。

基板１１０の電極パッド１１２は、図１〜図４に示すように、水晶素子１２０を実装するために用いられている。電極パッド１１２は、図１〜図４に示すように、基板１１０の上面の四隅の位置に設けられている。電極パッド１１２は、基板１１０の上面及び下面に設けられた配線パターン１１４及び基板１１０の角部に設けられた導体部１１５を介して、電極パッド１１２と平面視して重なる位置に設けられた外部端子１１３と電気的に接続されている。外部端子１１３は、基板１１０の下面の四隅に、基板１１０の外周縁に沿って設けられている。

電極パターン１１１は、第一電極パターン１１１ａ及び第二電極パターン１１１ｂによって構成されている。電極パッド１１２は、第一電極パッド１１２ａ、第二電極パッド１１２ｂ、第三電極パッド１１２ｃ及び第四電極パッド１１２ｄによって構成されている。また、外部端子１１３は、第一外部端子１１３ａ、第二外部端子１１３ｂ、第三外部端子１１３ｃ及び第四外部端子１１３ｄによって構成されている。配線パターン１１４は、第一配線パターン１１４ａ及び第二配線パターン１１４ｂによって構成され、導体部１１５は、第一導体部１１５ａ及び第二導体部１１５ｂによって構成されている。

第一電極パターン１１１ａは、図４に示されているように、基板１１０の長辺に沿って設けられており、その一端には第一電極パッド１１２ａと接続され、他端には第二電極パッド１１２ｂと接続されている。また、第二電極パターン１１１ｂは、図４に示されているように、基板１１０の長辺と対向する長辺に沿って設けられており、その一端には第三電極パッド１１２ｃと接続され、他端には第四電極パッド１１２ｄと接続されている。第一電極パッド１１２ａと第一外部端子１１３ａとは、基板１１０の上面及び下面に設けられた第一配線パターン１１４ａと、基板１１０の角部に設けられた第一導体部１１５ａにより接続されており、第三電極パッド１１２ｃと第三外部端子１１３ｃとは、基板１１０の上面及び下面に設けられた第二配線パターン１１４ｂと、基板１１０の角部に設けられた第二導体部１１５ｂにより接続されている。また、第二外部端子１１３ｂ及び第四外部端子１１３ｄは、どこにも接続されておらず、接続用端子として用いられている。

外部端子１１３は、外部の電子機器等を構成する実装基板上に実装するために用いられている。外部端子１１３は、基板１１０の下面の四隅に設けられている。外部端子１１３の内の二つの端子は、基板１１０の上面に設けられた四つの電極パッド１１２の内の二つとそれぞれ電気的に接続されている。また、二つの電極パッド１１２と電気的に接続されている外部端子１１３は、基板１１０の下面の対角に位置するように設けられている。

電極パターン１１１は、基板１１０の長辺に沿って長手方向に延出するように設けられた形状となっている。また、電極パッド１１２及び外部端子１１３は、基板１１０に沿って設けられた形状となっている。ここで基板１１０を平面視したときの長辺の寸法が、１．２〜２．５ｍｍであり、短辺の寸法が、１．０〜２．０ｍｍである場合を例にして、電極パターン１１１、電極パッド１１２及び外部端子１１３の大きさを説明する。電極パターン１１１の長辺の長さは、０．６０〜１．２０ｍｍであり、短辺の長さは、０．２０〜０．４０ｍｍとなっている。また、電極パターン１１１の上下方向の厚みは、１５〜６０μｍとなっている。電極パッド１１２の長辺の長さは、０．３０〜０．９０ｍｍであり、短辺の長さは、０．２０〜０．６０ｍｍとなっている。また、電極パッド１１２の上下方向の厚みは、１５〜６０μｍとなっている。外部端子１１３の長辺の長さは、０．３０〜０．９０ｍｍであり、短辺の長さは、０．２０〜０．６０ｍｍとなっている。また、電極パッド１１２及び電極パターン１１１の上下方向の厚みは、接合部材１５０の上下方向の厚みよりも大きくなるように設けられているため、接合部材１５０が基板１１０の長辺方向から基板１１０の中心方向に向かって入り込むことを低減することができる。

配線パターン１１４は、基板１１０の上面及び下面に設けられ、電極パッド１１２及び外部端子１１３から近傍の基板１１０の角部に向けて引き出されている。第一配線パターン１１４ａの長さと第二配線パターン１１４ｂの長さは、略等しい長さとなる。ここで、略等しい長さとは、基板１１０の上下面に設けられた第一配線パターン１１４ａの長さと基板１１０の上下面に設けられた第二配線パターン１１４ｂの長さとの差が０〜２００μｍ異なるものを含むものとする。配線パターン１１４の長さは、各配線パターン１１４の中心を通る直線の長さを測定したものとする。また、配線パターン１１４の上下方向の厚みは、１５〜６０μｍとなっている。

導体部１１５は、基板１１０の角部に設けられた切れ込みの内部に設けられている。導体部１１５の両端は、配線パターン１１４と接続されている。このようにすることで、電極パッド１１２は、配線パターン１１４及び導体部１１５を介して外部端子１１３と電気的に接続されている。

ここで、基板１１０の作製方法について説明する。基板１１０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、電極パターン１１１、電極パッド１１２、外部端子１１３、配線パターン１１４及び導体部１１５となる部位にニッケルメッキ又、金メッキ、銀パラジウム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及び図３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及び引き出し電極１２３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。励振用電極１２２は、上面に第一励振用電極１２２ａと、下面に第二励振用電極１２２ｂを備えている。引き出し電極１２３は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の向かい合う辺に向かってそれぞれ延出されている。引き出し電極１２３は、上面に第一引き出し電極１２３ａと、下面に第二引き出し電極１２３ｂとを備えている。第一引き出し電極１２３ａは、第一励振用電極１２２ａから引き出されており、水晶素板１２１の一方の辺に向かって延出するように設けられている。第二引き出し電極１２３ｂは、第二励振用電極１２２ｂから引き出されており、水晶素板１２１の他方の辺に向かって延出するように設けられている。

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引き出し電極１２３から励振用電極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。また、水晶素子１２０は、電極パッド１１２と接続されている水晶素子１２０の両端を基板１１０の上面と接続した両持ち支持構造にて基板１１０上に固定されている。

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、引き出し電極１２３を形成することにより作製される。

水晶素子１２０の基板１１０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１１２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、電極パッド１１１に接合される。つまり、水晶素子１２０の第一引き出し電極１２３ａは、第一電極パッド１１２ａと接合され、水晶素子１２０の第二引き出し電極１２３ｂは、第一第三電極パッド１１２ｃと接合される。これによって、第一外部端子１１３ａと第三外部端子１１３ｃが水晶素子１２０と電気的に接続されることになる。

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。

封止蓋体１３０は、矩形状の封止基部１３０ａと、封止枠部１３０ｂとで構成されており、封止基部１３０ａの下面と封止枠部１３０ｂの内側側面とで収容空間Ｋが形成されている。封止枠部１３０ｂは、封止基部１３０ａの下面に収容空間Ｋを形成するためのものである。封止枠部１３０ｂは、封止基部１３０ａの下面の外縁に沿って設けられている。

封止基部１３０ａ及び封止枠部１３０ｂ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り、一体的に形成されている。このような封止蓋体１３０は、真空状態にある収容空間Ｋ又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。具体的には、封止蓋体１３０は、所定雰囲気で、基板１１０の上面に載置され、基板１１０の上面と封止蓋体１３０の封止枠部１３０ｂの下面との間に設けられた接合部材１５０とが熱が印加されることで、溶融接合される。

接合部材１５０は、図２に示すように、封止枠部１３０ｂの下面から基板１１０上の外周縁に沿って設けられている。接合部材１５０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ガラス又は酸化鉛系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が加えられペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接着する。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。また、この酸化鉛系ガラスの組成は、酸化鉛、フッ化鉛、二酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化第二鉄、酸化銅及び酸化カルシウムとから構成されている。また、接合部材１５０の上下方向の厚みは、１０〜５０μｍとなっている。この厚みにすることにより、収容空間Ｋ内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は、矩形状の基板１１０と、基板１１０の長辺方向の外周縁に沿って基板１１０の上面に設けられている一対の電極パターン１１１と、電極パターン１１１の両端から基板１１０の短辺方向にそれぞれ延出されている電極パッド１１２と、基板１１０の下面に設けられた外部端子１１３と、電極パッド１１２上に設けられた水晶素子１２０と、基板１１０上の外縁に沿って、電極パターン１１１及び電極パッド１１２の外側を囲むようにして設けられた接合部材１５０と、接合部材１５０を介して、基板１１０と接合された封止蓋体１３０と、を備えている。このようにすることより、水晶デバイスは、接合部材１５０を溶融させて接合する際に、接合部材１５０が、基板１１０の長辺方向から基板１１０の中心方向に向かって入り込むことを、電極パターン１１１及び電極パッド１１２における基板１１０の外周縁に向いている外側側面と、基板１１０の上面とによってなされた段差によって遮られるため、接合部材１５０が水晶素子１２０に付着してしまうことを低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の厚みすべり振動が阻害されることを抑えつつ、安定して水晶素子１２０の発振周波数を出力することができる。

（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。なお、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５に示されているように、配線パターン１１５を被覆するように設けられたガラス保護部材１６０を備えている点において本実施形態と異なる。

ガラス保護部材１６０は、金属製の封止蓋体１３０を用いた場合に、配線パターン１１４が金属製の封止蓋体１３０と接触して短絡することを低減するために用いられている。また、ガラス保護部材１６０は、図５及び図６に示すように、基板１１０の上面に設けられた配線パターン１１４を被覆するように、基板１１０の外周縁に沿って設けられている。ガラス保護部材１６０は、接合部材１５０よりも融点が高くなるように設けられ、その融点が５００〜８００℃のものを用いている。これにより、接合部材１５０で接合する際には、ガラス保護部材１６０は溶融せずに、形成時の形状を保ち、上下方向の厚みを確保することができる。よって、金属製の封止蓋体１３０又は基板１１０に圧力がかかり押し付けられても、ガラス保護部材１６０の上下方向の厚み分確保できているので、接合部材１５０が押しつぶされて薄くなることを抑えることができる。このようにすることで、金属製の封止蓋体１３０と基板１１０の配線パターン１１４とが接触することを抑えつつ、この接触による金属製の封止蓋体１３０と配線パターン１１４の短絡を低減することが可能となる。

また、ガラス保護部材１６０は、例えば、ガラスフリットペーストをスクリーン印刷法で、配線パターン１１４を被覆し、基板１１０の外周縁を囲むようにして塗布され乾燥することで設けられる。また、ガラス保護部材１６０の上下方向の厚みは、１０〜６５ｍｍとなっている。

また、導体部１１５が設けられている切欠き内には、ガラス保護部材１６０が設けられていない。このようにすることにより、基板１１０が電子機器等を構成する実装基板上に実装される際に、外部端子１１２に付着した半田が、導体部１１５に這い上がるようにして形成されるため、半田フィレットが形成される。また、半田が、ガラス保護部材１６０で覆われている基板１１０の配線パターン１１４上には、這い上がらないため、半田と封止蓋体１３０との短絡を低減することができる。

本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、基板１１０には、外部端子１１３と電極パッド１１２とを電気的に接続するための配線パターン１１４が設けられ、その配線パターン１１４を被覆するように設けられたガラス保護部材１６０を備えている。このようにすることにより、水晶デバイスは、金属製の封止蓋体１３０と基板１１０に圧力がかかったとしても、金属製の封止蓋体１３０が、配線パターンを被覆するようにして設けられたガラス保護部材１６０とが確実に密着されることになり、金属製の封止蓋体１３０と基板１１０の上面に設けられている配線パターン１１３とが短絡してしまうことを低減することができる。

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、上記実施形態では、電極パッド１１２と接続されている水晶素子１２０の両端を基板１１０の上面と接続した両持ち支持構造にて基板１１０上に固定されている場合を説明したが、水晶素子が片持ち支持構造であっても構わない。このような水晶素子は、水晶素板の上面及び下面のそれぞれに励振用電極及び引き出し電極を被着させた構造を有している。励振用電極は、水晶素板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。引き出し電極は、励振用電極から水晶素板の短辺に向かって延出されており、水晶素板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、電極パッドと接続されている水晶素子の一端を基板の上面と接続した固定端とし、他端を基板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が基板上に固定されている。

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、上記実施形態では、ガラス保護部材１６０が配線パターン１１４を被覆するように、基板１１０の外周縁に沿って設けられている場合を説明したが、ガラス保護部材１６０が、基板１１０の角部に位置する配線パターン１１４上のみを被覆し、平面視して円弧状になるように設けられても構わない。このようにすることでも、金属製の封止蓋体と基板の上面に設けられている配線パターンとが短絡してしまうことを低減することができる。

１１０・・・基板
１１１・・・電極パターン
１１２・・・電極パッド
１１３・・・外部端子
１１４・・・配線パターン
１１５・・・導体部
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・引き出し電極
１３０・・・封止蓋体
１３１・・・封止基部
１３２・・・封止枠部
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・接合部材
１６０・・・ガラス保護部材
Ｋ・・・収容空間

Claims (3)

1. 矩形状の基板と、
   前記基板の長辺方向の外周縁に沿って、前記基板の上面に設けられている一対の電極パターンと、
   前記一対の電極パターンの両端から前記基板の短辺方向の外周縁に沿ってそれぞれ延出されている電極パッドと、
   前記基板の下面に設けられた外部端子と、
   前記電極パッド上に設けられた水晶素子と、
   前記基板上の外縁に沿って、前記電極パターン及び前記電極パッドの外側を囲むようにして設けられた接合部材と、
   前記接合部材を介して、前記基板の上面と接合された封止蓋体と、を備えた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、
   前記基板には、前記外部端子と前記電極パッドとを電気的に接続するための配線パターンが設けられ、
   前記配線パターンに被覆するように設けられたガラス保護部材を備えていることを特徴とする水晶デバイス。
3. 請求項２記載の水晶デバイスであって、
   前記ガラス保護部材の融点が、前記接合部材の融点よりも高いことを特徴とする水晶デバイス。

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