JP2018137704A

JP2018137704A - 水晶素子及び水晶デバイス

Info

Publication number: JP2018137704A
Application number: JP2017032889A
Authority: JP
Inventors: 渉村岡; Wataru Muraoka
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】水晶素子が小型化された場合にも水晶素子の等価直列抵抗値の悪化を抑制することが可能な水晶素子を提供することを課題とする。【解決手段】水晶素子は、矩形状の水晶素板１２１と、矩形状の励振用電極１２２と、水晶素板１２１の一辺に向かって設けられた第一引き出し電極１２３ａと、水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に向かって設けられた第二引き出し電極１２３ｂと、第一引き出し電極１２３ａと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺に沿って設けられた第一接続電極１２４ａと、第二引き出し電極１２３ｂと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられた第二接続電極１２４ｂと、を備え、第一引き出し電極１２３ａ及び第二引き出し電極１２３ｂは、励振用電極１２２の角部から引き出されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる水晶素子及び水晶デバイスに関する。

従来の水晶デバイスは、その例としてパッケージ、水晶素子及び蓋体とから構成されている。水晶素子は、水晶素板に励振用電極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を介して水晶素板に印加されると、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。励振用電極は、水晶素板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（例えば、特許文献１を参照）。このような水晶素子は、その両主面に被着されている励振用電極から延出する引き出し電極と電極パッドとを、導電性接着剤を介して実装されている。

特開２００９−２６７８８８号公報

しかしながら、従来の水晶デバイスを小型化すると、水晶素子も小型化されることになり、水晶素子の励振用電極の面積も小さくなることから引き出し電極の位置によって、水晶素子の振動漏れが生じ、等価直列抵抗値が悪化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、水晶素子が小型化された場合にも水晶素子の等価直列抵抗値の悪化を抑制することが可能な水晶素子を提供することを課題とする。

本発明の一つの態様による水晶素子は、矩形状の水晶素板と、水晶素板を介し対向するようにして水晶素板の表面に一対で設けられた矩形状の励振用電極と、水晶素板の一辺に向かって設けられ、水晶素板の上面に設けられた励振用電極と電気的に接続されている第一引き出し電極と、水晶素板の一辺と向かい合う一辺に向かって設けられ、水晶素板の下面に設けられた励振用電極と電気的に接続されている第二引き出し電極と、第一引き出し電極と電気的に接続され、水晶素板の一辺に沿って設けられた第一接続電極と、第二引き出し電極と電気的に接続され、水晶素板の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられた第二接続電極と、を備え、第一引き出し電極及び第二引き出し電極は、励振用電極の角部から引き出されている。

本発明の一つの態様による水晶素子は、矩形状の水晶素板と、水晶素板を介し対向するようにして水晶素板の表面に一対で設けられた矩形状の励振用電極と、水晶素板の一辺に向かって設けられ、水晶素板の上面に設けられた励振用電極と電気的に接続されている第一引き出し電極と、水晶素板の一辺と向かい合う一辺に向かって設けられ、水晶素板の下面に設けられた励振用電極と電気的に接続されている第二引き出し電極と、第一引き出し電極と電気的に接続され、水晶素板の一辺に沿って設けられた第一接続電極と、第二引き出し電極と電気的に接続され、水晶素板の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられた第二接続電極と、を備え、第一引き出し電極及び第二引き出し電極は、励振用電極の角部から引き出されている。このようにすることによって、水晶素子の振動漏れを抑えつつ、等価直列抵抗値を小さくさせることができる。

本実施形態に係る水晶素子を示す斜視図である。本実施形態に係る水晶デバイスを示す分解斜視図である。図２に示された水晶デバイスのＡ−Ａ線における断面図である。本実施形態に係る水晶デバイスの蓋部材を外した状態の平面図である。（ａ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの上面を示す平面透視図であり、（ｂ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの下面を示す平面透視図である。他の実施形態に係る水晶デバイスの蓋部材を外した状態の平面図である。

（水晶デバイス）
本実施形態における水晶デバイスは、図２〜図４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第一凹部Ｋ１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の上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド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１１０ａの表面及び内部には、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１１２とを電気的に接続するためのビア導体１１４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の上面に第一凹部Ｋ１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。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．２〜１．５ｍｍである場合を例にして、第一凹部Ｋ１の大きさを説明する。第一凹部Ｋ１の長辺の長さは、０．７〜２．０．ｍｍであり、短辺の長さは、０．５〜１．５ｍｍとなっている。また、第一凹部Ｋ１の上下方向の長さは、０．１〜０．５ｍｍとなっている。

また、基板１１０ａの下面には、外部端子１１２が設けられている。外部端子１１２の二つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１と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１１２は、基板１１０ａの下面の向かい合う位置になるように設けられている。

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、第一電極パッド１１１ａと第二電極パッド１１１ｂとによって構成されている。電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン１１３、導体部１１４を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２と電気的に接続されている。

外部端子１１２は、図５に示すように電気機器等の外部の実装基板上の実装パッド（図示せず）と接合するために用いられている。外部端子１１２は、基板１１０ａの下面に設けられている。また、外部端子１１２は、第一外部端子１１２ａ及び第二外部端子１１２ｂによって構成されている。

ビア導体１１４は、外部端子１１２と、電極パッド１１１とを電気的に接続するためのものである。ビア導体１１４の両端は、外部端子１１２と電極パッド１１１と接続されている。このようにすることで、外部端子１１２は、ビア導体１１４を介して、電極パッド１１１と電気的に接続されている。

封止用導体パターン１１７は、接合部材１３１を介して蓋体１３０と接合する際に、接合部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。封止用導体パターン１１７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の上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０〜２５μｍの厚みに形成されている。

導電性接着剤１４０は、水晶素子１２０の励振用電極１２２と間をあけて配置されている。水晶デバイスは、導電性接着剤１４０と励振用電極１２２とが間を空けて配置されていることにより、導電性接着剤１４０が励振用電極１２２に付着することで生じる短絡を低減することができる。

また、導電性接着剤１４０の粘度が、３５〜４５Ｐａ・ｓのものを使用することによって、塗布した際に、導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上から基板１１０ａ上面に流れ出ることなく、電極パッド１１１上に留まるので、導電性接着剤１４０の上下方向の厚みも確保することができる。導電性接着剤１４０の上下方向の厚みの長さは、１０〜２５μｍである。このように導電性接着剤１４０の厚みを確保できることによって、水晶素子１２０の基板１１０ａへの接触を抑制し、落下等により加わった衝撃が水晶素子１２０に対して導電性接着剤１４０を中心にして上下方向へ加わったとしても、その衝撃を導電性接着剤１４０で十分に吸収緩和することができる。

ここで、基板１１０ａ及び枠体１１０ｂ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、電極パッド１１１、外部端子１１２及びビア導体１１４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１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。

水晶素板１２１は、例えば、電気軸をＸ軸とし、機械軸であるＹ軸から３５．１５°変更した新たなＹ’軸とし、さらに光学軸であるＺ軸から３５．１５°変更した新たなＺ’軸として各結晶軸に沿って形成されている。つまり、水晶素板１２１は、長辺方向がＺ’軸方向になり、短辺方向がＸ軸方向になり、厚み方向がＹ’軸方向になるように形成されている。

励振用電極１２２は、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。水晶素子１２０において、励振用電極１２２は、水晶素板１２１の両主面に形成され、対向している部分が振動領域となって厚みすべり振動を行う。また、水晶素子１２０において、一対の励振用電極１２２の対向部の面積に応じて水晶素子１２０の等価直列容量の値が規定される。また、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の角部から水晶素板１２１の短辺に向かってそれぞれ延出されている。つまり、第一引き出し電極１２３ａは、第一励振用電極１２２ａの角部から水晶素板１２１の一辺に向かって延出されている。また、第二引き出し電極１２３ｂは、第二励振用電極１２２ｂの角部から水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に向かって延出されている。このような水晶デバイスでは、励振用電極１２２に電圧を印加したときに、励振用電極１２２の上下方向で挟まれている水晶素板１２１の一部分が圧電効果および逆圧電効果により振動する。励振用電極１２２に上下方向で挟まれている水晶素板１２１の一部分が圧電密度の一番高い励振用電極１２２の中心の振動エネルギーが一番大きくなっている。一方、励振用電極１２２の角部は、励振用電極１２２の中心より離れていることによって電荷密度が低く振動エネルギーが小さくなっている。よって、引き出し電極１２３が、励振用電極１２２の角部から水晶素板１２１の短辺に向かってそれぞれ延出されていることで、励振用電極１２２からの振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値を小さくすることが可能となる。

接続電極１２４は、電極パッドに導電性接着剤１４０を介して電気的に接続するためのものである。接続電極１２４は、引き出し電極１２３と接続されており、水晶素板１２１の一辺に沿った形状で設けられている。接続電極１２４は、第一接続電極１２４ａ及び第二接続電極１２４ｂによって構成されている。第一接続電極１２４ａは、第一引き出し電極１２３ａと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺に沿って設けられている。第二接続電極１２４ｂは、第二引き出し電極１２３ｂと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられている。

導電性接着剤１４０が、平面透視した際に、接続電極１２４の引き出し電極１２３とは離れた位置に設けられている。つまり、図４に示すように、引き出し電極１２３と接続した箇所である水晶素板１２１の短辺の角部と異なるもう一つの角部の箇所にある接続電極１２４にて接続されることになる。このようにすることで、励振用電極１２２と離れた箇所で固定することになり、振動漏れをさらに抑えることができる。

このような水晶素子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１２３に接続されている接続パッド１２４と第一凹部Ｋ１内底面に形成されている電極パッド１１１とを、導電性接着剤１４０を介して電気的且つ機械的に接続することによって第一凹部Ｋ１に搭載される。

また、図６に示すように、励振用電極１２２の角部は、円弧状に形成されるようにしても構わない。水晶素子１２０の振動は、長方形状の四隅部を円弧状に削ったような形状で、励振用電極外周から中央に向かって徐々に変位が大きくなるようにして振動が発生する。このように励振用電極１２２の角部が円弧状に形成されていることによって、水晶素子１２０の振動の基本波変位と近づけることになるので、振動が阻害されることを低減することができる。

尚、励振用電極１２２は、水晶素板１２１の両主面に第一金属膜が形成され、第一金属膜の上面に第二金属膜が積層するように形成されている。第一金属膜は、例えば、クロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）から構成され、第二金属膜は、例えば、金（Ａｕ）により構成されている。また、第一金属膜と第二金属膜の接合力を上げるために例えばニッケル（Ｎｉ）を第一金属膜と第二金属膜の間に形成する場合もある。

蓋体１３０は、矩形状であり、真空状態にある第一凹部Ｋ１、あるいは窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。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１３１の上面に載置される。枠体１１０ｂの上面に設けられた接合部材１３１に熱が印加されることで、溶融接合される。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。

接合部材１３１は、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１７に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。接合部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。金錫の場合は、その厚みは、１０〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。

接合部材１３１は、例えば、金錫の場合には、接合部材１３１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１３１は、例えば、銀ロウの場合には、接合部材１３１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。

本実施形態の水晶素子１２０は、矩形状の水晶素板１２１と、水晶素板１２１を介し対向するようにして水晶素板１２１の表面に一対で設けられた矩形状の励振用電極１２２と、水晶素板１２１の一辺に向かって設けられ、水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２と電気的に接続されている第一引き出し電極１２３ａと、水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に向かって設けられ、水晶素板１２１の下面に設けられた励振用電極１２２と電気的に接続されている第二引き出し電極１２３ｂと、第一引き出し電極１２３ａと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺に沿って設けられた第一接続電極１２４ａと、第二引き出し電極１２３ｂと電気的に接続され、水晶素板１２１の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられた第二接続電極１２４ｂと、を備え、第一引き出し電極１２３ａ及び第二引き出し電極１２３ｂは、励振用電極１２２の角部から引き出されている。このような水晶デバイスでは、励振用電極１２２に電圧を印加したときに、励振用電極１２２の上下方向で挟まれている水晶素板１２１の一部分が圧電効果および逆圧電効果により振動する。励振用電極１２２に上下方向で挟まれている水晶素板１２１の一部分が圧電密度の一番高い励振用電極１２２の中心の振動エネルギーが一番大きくなっている。一方、励振用電極１２２の角部は、励振用電極１２２の中心より離れていることによって電荷密度が低く振動エネルギーが小さくなっている。よって、引き出し電極１２３が、励振用電極１２２の角部から水晶素板１２１の短辺に向かってそれぞれ延出されていることで、励振用電極１２２からの振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値を小さくすることが可能となる。

本実施形態の水晶素子１２０は、励振用電極１２２の角部が円弧状になっている。水晶素子１２０の振動は、長方形状の四隅部を円弧状に削ったような形状で、励振用電極外周から中央に向かって徐々に変位が大きくなるようにして振動が発生するのに対してこのように励振用電極１２２の角部が円弧状に形成されていることによって、水晶素子１２０の振動の基本波変位と近づけることになるので、振動が阻害されることを低減することができる。

また、本実施形態の水晶デバイスは、請求項１記載の水晶素子１２０と、上面に電極パッド１１１を有する基板１１０ａと、基板１１０ａの外周縁に沿って設けられた枠体１１０ｂとで構成されたパッケージ１１０と、パッケージ１１０と接合された蓋体１３０とを備えている。本実施形態に係る水晶素子１２０により等価直列抵抗値を低減させることができるので、水晶デバイスの等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることができる。

また、本実施形態の水晶デバイスは、電極パッド１１１と接続電極１２４とを電気的に実装するための導電性接着剤１４０を有し、導電性接着剤１４０が、平面透視した際に、接続電極１２４の引き出し電極１２３の接続した箇所とは離れた位置に設けられている。このようにすることにより、導電性接着剤１４０による影響をより低減させることが可能となる。この結果、導電性接着剤１４０による影響、具体的には、導電性接着剤１４０の保持による振動部２２２の振動阻害を低減させることができ、導電性接着剤１４０で接着することによる等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。

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。本実施形態においては、水晶デバイスの一例である水晶振動子として説明したが、水晶発振器でも構わない。水晶発振器は、第一パッケージと第二パッケージと水晶素子と蓋体と、集積回路素子とで主に構成されている。その水晶発振器の第１のパッケージの第一主面に形成されている第一凹部内に水晶素子が搭載され、第一凹部は蓋体により気密封止されている。また、第二パッケージの第１の主面に形成される第二凹部内に集積回路素子が搭載されており、第一パッケージの他方の主面に形成されている第二パッケージ接続用端子と第二パッケージの主面に形成された第一パッケージ接続用電極端子が接合された構造となっている。

前記実施形態においては、水晶デバイスの一例である水晶振動子として説明したが、水晶発振器でも構わない。水晶発振器は、一つのパッケージに第一凹部と第二凹部を設けられている点が前述した水晶発振器と相違する。この水晶発振器は、パッケージの第１の主面に形成される第一凹部内に、圧電振動素子が搭載され、パッケージの他方の主面に形成される第二凹部内に集積回路素子が搭載されており、第一凹部が蓋体により気密封止されている構造となっている。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・枠体
１１１・・・電極パッド
１１２・・・外部端子
１１４・・・ビア導体
１１７・・・封止用導体パターン
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・引き出し電極
１２４・・・接続電極
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着剤
Ｋ１・・・第一凹部

Claims

矩形状の水晶素板と、
前記水晶素板を介し対向するようにして前記水晶素板の表面に一対で設けられた矩形状の励振用電極と、
前記水晶素板の一辺に向かって設けられ、前記水晶素板の上面に設けられた前記励振用電極と電気的に接続されている第一引き出し電極と、
前記水晶素板の一辺と向かい合う一辺に向かって設けられ、前記水晶素板の下面に設けられた前記励振用電極と電気的に接続されている第二引き出し電極と、
前記第一引き出し電極と電気的に接続され、前記水晶素板の一辺に沿って設けられた第一接続電極と、
前記第二引き出し電極と電気的に接続され、前記水晶素板の一辺と向かい合う一辺に沿って設けられた第二接続電極と、を備え、
前記第一引き出し電極及び前記第二引き出し電極は、前記励振用電極の角部から引き出されていることを特徴とする水晶素子。
請求項１記載の水晶素子であって、
前記励振用電極の角部が円弧状になっていることを特徴とする請求項１記載の水晶素子。
請求項１記載の水晶素子と、
上面に電極パッドを有する基板と、前記基板の外周縁に沿って設けられた枠体とで構成されたパッケージと、
前記パッケージと接合された蓋体とを備えたことを特徴とする水晶デバイス。
請求項３記載の水晶デバイスであって、
前記電極パッドと前記接続電極とを電気的に実装するための導電性接着剤を有し、
前記導電性接着剤が、平面透視した際に、前記接続電極の前記引き出し電極の接続した箇所とは離れた位置に設けられている特徴とする水晶デバイス。