JP2019186647A - 水晶デバイス及びその水晶デバイスを用いた電子機器 - Google Patents

水晶デバイス及びその水晶デバイスを用いた電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】水晶素子にかかる応力を低減し、ヒステリシスを小さくすることが可能な水晶デバイスを提供することを課題とする。【解決手段】水晶デバイスは、矩形状の基板110aと、基板110aの下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部K2を形成するための実装枠体110cと、基板110aの上面に設けられた電極パッド111と、実装枠体110c内の基板110aの下面に設けられた接続パッド117と、電極パッド111に実装された水晶素子120と、接続パッド117に実装された感温素子150と、水晶素子120を気密封止するための蓋体130と、を備え、平面透視した際に、電極パッド111と凹部K2が重ならない位置に設けられている。【選択図】図2

Description

本開示は、電子機器等に用いられる水晶デバイス及びその水晶デバイスを用いた電子機器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、第一凹部を設けるために基板の上面に設けられた第一枠体と、第二凹部を設けるために基板の下面に設けられた第二枠体とを有しているパッケージと、基板の上面に設けられた電極パッドに実装された水晶素子と、基板の下面に設けられた接続パッドに実装された感温素子と、を備えた水晶デバイスが提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。
特開2011−211340号公報
上述した水晶デバイスは、水晶デバイスの周波数特性の変動であるヒステリシスは、パッケージの外から伝わる熱以外にも、水晶デバイスの周囲温度変化に起因して水晶素子にかかる応力によっても変化する。そのため、水晶デバイスの周囲温度変化に起因して水晶素子にかかる応力によって、水晶デバイスの特性変動、例えば、ヒステリシスが大きくなってしまう虞があった。
本開示は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶素子にかかる応力を低減し、ヒステリシスを小さくすることが可能な水晶デバイスを提供することを課題とする。
本開示の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部を形成するための実装枠体と、基板の上面に設けられた電極パッドと、実装枠体内の基板の下面に設けられた接続パッドと、電極パッドに実装された水晶素子と、接続パッドに実装された感温素子と、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備え、平面透視した際に、電極パッドと凹部が重ならない位置に設けられている。
本開示の一つの態様による水晶デバイスは、矩形状の基板と、基板の下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部を形成するための実装枠体と、基板の上面に設けられた電極パッドと、実装枠体内の基板の下面に設けられた接続パッドと、電極パッドに実装された水晶素子と、接続パッドに実装された感温素子と、水晶素子を気密封止するための蓋体と、備え、平面透視した際に、電極パッドと凹部が重ならない位置に設けられている。このように電極パッドと凹部が重ならない位置に設けられていることで、電極パッドが設けられている位置である基板と実装枠体とを足した上下方向の厚みが確保されているため、水晶デバイスの周囲温度の変化にともなう基板の伸びまたは縮みによって発生する応力を低減することができる。よって、水晶素子に伝わる応力を低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスを低減することが可能となる。
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1のA−A断面図である。 (a)は、本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージを上面からみた透視平面図であり、(b)は、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基板を上面からみた透視平面図である。 (a)は、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基板を上面からみた透視平面図であり、(b)は、本実施形態に係る水晶デバイスを上面からみた透視平面図である。 本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを示す分解斜視図である。 図5のB−B断面図である。 (a)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを構成するパッケージを上面からみた透視平面図であり、(b)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを構成するパッケージの基板を上面からみた透視平面図である。 (a)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを構成するパッケージの基板を上面からみた透視平面図であり、(b)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを上面からみた透視平面図である。 (a)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを構成する実装枠体を上面からみた透視平面図であり、(b)は、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスを構成する実装枠体を上面からみた透視平面図である。 本実施形態の第二変形例に係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の下面に接合された複数の感温素子150とを含んでいる。パッケージ110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部K1が形成されている。また、基板110aの下面と実装枠体110cの内側面によって囲まれた凹部K2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。なお図3及び図4の透視平面図では、直接目視できない構成の一部が実線で描かれている。またそれらの構成のうち、他部材に覆われる一部は、点線で描かれている。後述の図7〜図9も同様である。
基板110aは、矩形状であり、上面に実装された水晶素子120及び下面に実装された感温素子150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を実装するための電極パッド111が設けられており、下面に、感温素子150を実装するための接続パッド117が設けられている。また、基板110aの一辺に沿って、水晶素子120を接合するための第一電極パッド111a及び第二電極パッド111b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を含んでいる。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、実装枠体110c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配線パターン113及びビア導体114が設けられている。また、基板110aの表面には、下面に設けられた接続パッド117と、実装枠体110c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及び接続パターン118が設けられている。
枠体110bは、基板110aの上面の外周縁に沿って配置され、基板110aの上面
に収容部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を含み、基板110aと一体的に形成されている。
実装枠体110cは、基板110aの下面の外周縁に沿って配置され、基板110aの下面に凹部K2を形成するためのものである。実装枠体110c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及び枠体110bと一体的に形成されている。実装枠体110cの下面の四隅には、外部端子112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おり、四つの外部端子112の内の残りの二つが、感温素子150と電気的に接続されている。
基板110aの短辺の中心を通り、長辺と平行な線を軸線L1とし、基板110aの長辺の中心を通り、短辺と平行な線を軸線L2する。この軸線L1と軸線L2との交点を第一中心点P1とする。また、凹部K2の長辺の中心を通り、基板110aの長辺と平行な線を軸線L1とし、凹部K2の短辺の中心を通り、基板110aの短辺と平行な線を軸線L3とする。この軸線L1と軸線L2との交点を第二中心点P2とする。
また、水晶素子120と電気的に接続されている第一外部端子112a及び第二外部端子112bは、図4に示されているように、実装枠体110cの下面の対角に位置するように設けられている。また、感温素子150と電気的に接続されている第三外部端子112c及び第四外部端子112dは、水晶素子120と接続された第一外部端子112a及び第二外部端子112bが設けられた実装枠体110cとは異なる位置に配置す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、図3及び図4に示されているように基板110aの上面に設けられた配線パターン113とビア導体114を介して、実装枠体160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。
電極パッド111は、図3に示すように、第一電極パッド111a及び第二電極パッド111bによって構成されている。また、外部端子112は、図4に示すように第一外部端子112a、第二外部端子112b、第三外部端子112c及び第四外部端子112dによって構成されている。ビア導体114は、第一ビア導体114a、第二ビア導体114b、第三ビア導体114c及び第四ビア導体114dによって構成されている。
また、配線パターン113は、第一配線パターン113a及び第二配線パターン113bによって構成されている。第一電極パッド111aは、基板110aに設けられた第一配線パターン113aの一端と電気的に接続されている。また、第一配線パターン113aの他端は、第一ビア導体114aを介して、第一外部端子112aと電気的に接続されている。よって、第一電極パッド111aは、第一外部端子112aと電気的に接続されることになる。第二電極パッド111bは、基板110aに設けられた第二配線パターン113bの一端と電気的に接続されている。また、第二配線パターン113bの他端は、第二ビア導体114bを介して、第二外部端子112bと電気的に接続されている。
外部端子112は、電子機器等の実装基板に実装するためのものである。外部端子112は、実装枠体110cの下面に設けられている。外部端子112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。外部端子112の内の残りの二つの端子は、基板110aの下面に設けられた二つ
の接続パッド117と電気的に接続されている。また、第三外部端子112cは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランド電位と接続されている実装パッドと接続されている。これにより、封止用導体パターン119に接合された蓋体130がグランド電位となっている第三外部端子112cに接続される。よって、蓋体130による収容部K1内のシールド性が向上する。
配線パターン113は、基板110aの上面に設けられ、電極パッド111から近傍のビア導体114に向けて引き出されている。また、配線パターン113は、図3に示すように、第一配線パターン113a及び第二配線パターン113bによって構成されている。
ビア導体114は、基板110aの内部に設けられ、その両端は、配線パターン113、接続パターン118又は封止用導体パターン119と電気的に接続されている。ビア導体114は、基板110aに設けられた貫通孔の内部に導体を充填することで設けられている。また、ビア導体114は、図3及び図4に示すように、第一ビア導体114a、第二ビア導体114b、第三ビア導体114c及び第四ビア導体114dによって構成されている。
凸部115は、基板110aの一辺と平行となる直線に対して同一直線上に並ぶようにして、一対の電極パッド111の上にそれぞれ設けられている。このようにすることによって、水晶素子120の引き出し電極123を一対の凸部115に接触させながら電極パッド111に実装する際に、水晶素子120が傾くことなく安定した状態で実装することができる。
突起部116は、基板110aの長辺方向に延出するようにして外部端子112の一つに設けられている。突起部116は、外部端子112の目印として機能するため、各外部端子112の方向と種別を判別することができ、電子機器等のマザーボード上への実装する際に用いるものである。
接続パッド117は、矩形状であり、後述する感温素子150を実装するために用いられている。また、接続パッド117は、図4に示すように、第一接続パッド117a及び第二接続パッド117bによって構成されている。また、導電性接合材170は、接続パッド117の下面と感温素子150の接続端子151との間にも設けられている。
ここで基板110a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、接続パッド117の大きさを説明する。接続パッド117の基板110aの短辺と平行な辺の長さは、0.8〜2.0mmであり、基板110aの長辺と平行な辺の長さは、0.25〜0.55mmとなっている。また、第一接続パッド117aと第二接続パッド117bとの間の長さは、0.1〜0.3mmとなっている。
第二接続パッド117bと第三外部端子112cとは、基板110aの下面に設けられた第二接続パターン118b及び第三ビア導体114cにより接続されている。また、第一接続パッド117aと第四外部端子112dとは、基板110aの下面に設けられた第一接続パターン118a及び第四ビア導体114dにより接続されている。
接続パターン118は、基板110aの下面に設けられ、接続パッド117からビア導体114を介して所定の外部端子112に向けて引き出されている。また、接続パターン118は、図4に示すように、第一接続パターン118a及び第二接続パターン118bによって構成されている。
接続パターン118は、隣接する接続パッド117を電気的に接続し、ビア導体114に接続するためのものである。接続パターン118は、第一接続パターン118a及び第二接続パターン118bによって構成されている。第一接続パターン118aは、第一接続パッド117aと電気的に接続し、第二接続パターン118bは、第二接続パッド117bと電気的に接続している。
また、第一接続パターン118aは、図3及び図4に示すように、平面透視して、一対の電極パッド111の間に位置するようにして設けられている。また、このようにすることによって、水晶素子120から伝わる熱が、電極パッド111から直下にある基板110aを介して、第一接続パターン118aから第一接続パッド117aに伝わることになる。よって、このような水晶デバイスは、熱伝導経路をさらに短くすることができるので、水晶素子120の温度と感温素子150の温度とが近似することになり、感温素子150から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の水晶素子120の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。
封止用導体パターン119は、蓋体130と接合部材131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。封止用導体パターン119は、図3及び図4に示すように、第三ビア導体114cを介して、第三外部端子112cと電気的に接続されている。封止用導体パターン119は、例えばタングステン又はモリブデン等から成る接続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。
凹部K2は、平面透視した際に電極パッド111と重ならない位置に設けられている。このように電極パッド111と凹部K2が重ならない位置に設けられていることで、電極パッド111が設けられている位置である基板110aと実装枠体110cとを足した上下方向の厚みが確保されているため、水晶デバイスの周囲温度の変化に伴う基板110aの伸びまたは縮みによって発生する応力を低減することができる。よって、水晶素子120に伝わる応力を低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスを低減することが可能となる。
また、凹部K2の第二中心点P2が、平面透視した際に、基板110aの第一中心点P1から電極パッド111が設けられている方向と反対の方向に設けられている。つまり、基板の第一中心点P1と凹部K2の第二中心点P2とが平面視した際に、重ならない位置に設けられている。このようにすることで、平面透視した際に、電極パッド111と凹部K2とがさらに重なりにくくなるため、電極パッド111が設けられている位置である基板110aと実装枠体110cとを足した上下方向の厚みが十分に確保されることになり、水晶デバイスの周囲温度の変化に伴う基板110aの伸びまたは縮みによって発生する応力をさらに低減することができる。よって、水晶素子120に伝わる応力をさらに低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスをさらに低減することが可能となる。
凹部K2の開口部の形状は、平面視して、矩形状となっている。ここで基板110a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、凹部K2の開口部の大きさを説明する。凹部K2の長辺の長さは、0.6〜1.2mmであり、短辺の長さは、0.3〜1.0mmとなっている。
ここで、基板110aの作製方法について説明する。基板110a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、接続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、配線パターン113、ビア導体114、接続パッド117、接続パターン118及び封止用導体パターン119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及び図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。
また、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。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の一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、第一引き出し電極123a及び第二引き出し電極123b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の一辺に向かって延出するように設けられている。つまり、引き出し電極123は、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、第一電極パッド111a及び第二電極パッド111b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。
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第一電極パッド111a及び第二電極パッド111b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111aと接合され、第二引き出し電極123bは、第二電極パッド111bと接合される。これによって、水晶素子120
が実装枠体110cの第一外部端子112a及び第二外部端子112bと電気的に接続される。
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。
感温素子150は、凹部K2内に設けられた接続パッド117に実装されている。感温素子150の長辺が、基板110aの長辺と直交する方向に配置されている。このようにすることにより、水晶素子120と電気的に接続されている第一外部端子112aは、第一接続パッド117aとの間隔を長くすることができ、水晶素子120と電気的に接続されている第二外部端子112bは、第二接続パッド117bとの間隔を長くすることができるので、感温素子150を接合している導電性接合材170が溢れ出たとしても、導電性接合材170が付着することを抑えることができる。よって、感温素子150と水晶素子120と電気的に接続されている外部端子112との短絡を低減することができる。
感温素子150は、サーミスタ、白金測温抵抗体又はダイオード等が用いられている。サーミスタ素子の場合、感温素子150は、直方体形状であり、両端に接続端子151が設けられている。感温素子150は、温度変化によって電気抵抗が顕著な変化を示すものであり、この抵抗値の変化から電圧が変化するため、抵抗値と電圧との関係及び電圧と温度との関係により、出力された電圧から温度情報を得ることができる。感温素子150は、後述する接続端子151間の電圧が、実装枠体110cの第三外部端子112c及び第四外部端子112dを介して水晶デバイスの外へ出力されることにより、例えば、電子機器等のメインIC(図示せず)で出力された電圧を温度に換算することで温度情報を得ることができる。このような感温素子150を水晶デバイスの近くに配置して、これによって得られた水晶デバイスの温度情報に応じて、メインICにより水晶デバイスを駆動する電圧を制御し、いわゆる温度補償をすることができる。
また、白金測温抵抗体が用いられている場合、感温素子150は、直方体形状のセラミック板上の中央に白金を蒸着し、白金電極が設けられている。また、セラミック板の両端には接続端子151が設けられている。白金電極と接続端子とは、セラミック板上面に設けられた引き出し電極により接続されている。白金電極の上面を被覆するようにして絶縁性樹脂が設けられている。
また、ダイオードが用いられている場合、感温素子150は、半導体素子を半導体素子用基板の上面に実装し、その半導体素子及び半導体素子用基板の上面を絶縁性樹脂で被覆された構造である。半導体素子用基板の下面から側面には、アノード端子及びカソード端子となる接続端子151が設けられている。感温素子150は、アノード端子からカソード端子へは電流を流すが、カソード端子からアノード端子へはほとんど電流を流さない順方向特性を有している。感温素子の順方向特性は、温度によって大きく変化する。感温素子に一定電流を流しておいて順方向電圧を測定することによって、電圧情報を得ることができる。その電圧情報から換算することで水晶素子の温度情報を得ることができる。ダイオードは、電圧と温度との関係が直線を示している。接続端子151のカソード端子及びアノード端子間の電圧が、第三外部端子112c及び第四外部端子112dを介して水晶デバイスの外へ出力される。
感温素子150は、図2及び図4に示すように、基板110aの下面に設けられた接続
パッド117に半田等の導電性接合材170を介して実装されている。また、感温素子150の第一接続端子151aは、第一接続パッド117aに接続されている。また、感温素子150の第二接続端子151bは、第二接続パッド117bに接続されている。第二接続パッド117bは、基板110aの下面に設けられた第二接続パターン118bを介して第三外部端子112cと接続されている。また、第三外部端子112cは、電子機器等の実装基板上の基準電位である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。よって、感温素子150の第一接続端子151aは、基準電位であるグランドに接続されることになる。
感温素子150の基板110aへの接合方法について説明する。まず、導電性接合材170は、例えばディスペンサによって接続パッド117に塗布される。感温素子150は、導電性接合材170上に載置される。そして導電性接合材170は、加熱させることによって溶融接合される。よって、感温素子150は、接続パッド117にそれぞれ接合される。
また、感温素子150がサーミスタ素子の場合には、図1及び図2に示すように、直方体形状の両端にそれぞれ一つずつ接続端子151が設けられている。第一接続端子151aは、感温素子150の右側側面及びその右側側面と接続された面に設けられている。また、第二接続端子151bは、感温素子150の左側側面及びその左側側面と接続された面に設けられている。このような感温素子150の長辺の長さは、0.4〜0.6mmであり、短辺の長さは、0.2〜0.3mmとなっている。感温素子150の厚み方向の長さは、0.1〜0.3mmとなっている。
導電性接合材170は、例えば、銀ペースト又は鉛フリー半田により構成されている。また、導電性接合材170には、塗布し易い粘度に調整するための添加した溶剤が含有されている。鉛フリー半田の成分比率は、錫が95〜97.5%、銀が2〜4%、銅が0.5〜1.0%のものが使用されている。
絶縁性樹脂180は、電子機器等の実装基板上に実装する際に用いる半田等が、感温素子150に被着することを抑えつつ、感温素子150の接続端子151と実装枠体160の外部端子112との間で短絡することを低減するためのものである。また、このような水晶デバイスをモジュール部品の実装基板上に実装してモールド樹脂を形成した際に、モールド樹脂が凹部K2内に入り込んでモールド樹脂にボイドが形成された状態で感温素子150が覆われてしまうと、この水晶デバイスに熱が印加することで、ボイド内の空気が膨張し、感温素子150の剥がれなどが発生する場合がある。よって、感温素子150を絶縁性樹脂180で覆っておくことにより、モールド樹脂が感温素子150を覆うことを防ぐことができるため、感温素子150が接続パッド117から剥がれてしまうことを抑えることが可能となる。
次に、絶縁性樹脂180の塗布方法は、未硬化状態の絶縁性樹脂180が凹部K2の開口部を介して、感温素子150の表面並びに感温素子150と基板110aとの間に充填される。充填は、例えば、ディスペンサによって行われる。また、感温素子150を接合している導電性接合材170の周囲にも絶縁性樹脂180が設けられているので、半田の付着等により電子機器等に実装されている他の電子部品との短絡を低減することができる。
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。このような蓋体130は、真空状態にある収容部K1又は窒素ガスなどが充填された収容部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、パッケージ110の枠体110b上に載置され、枠体110bの封止用導体パ
ターン119と蓋体130の接合部材131とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、枠体110bに接合される。また、蓋体130は、封止用導体パターン119及び第三ビア導体114cを介して実装枠体110cの下面の第三外部端子112cに電気的に接続されている。よって、蓋体130は、パッケージ110の第三外部端子112cと電気的に接続されている。
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119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。
本実施形態における水晶デバイスは、矩形状の基板110aと、基板110aの下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部K2を形成するための実装枠体110cと、基板110aの上面に設けられた電極パッド111と、実装枠体110c内の基板110aの下面に設けられた接続パッド117と、電極パッド111に実装された水晶素子120と、接続パッド117に実装された感温素子150と、水晶素子120を気密封止するための蓋体130と、を備え、平面透視した際に、電極パッド111と凹部K2が重ならない位置に設けられている。
このような水晶デバイスは、電極パッド111と凹部K2が重ならない位置に設けられていることで、電極パッド111が設けられている位置である基板110aと実装枠体110cとを足した上下方向の厚みが確保されているため、水晶デバイスの周囲温度の変化にともなう基板110aの伸びまたは縮みによって発生する応力を低減することができる。よって、水晶素子120に伝わる応力を低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスを低減することが可能となる。
また、本実施形態に係る水晶デバイスは、感温素子150が基板110aの長辺と直交する方向に配置されている。このようにすることにより、水晶素子120と電気的に接続されている第一外部端子112aは、第一接続パッド117aとの間隔を長くすることができ、水晶素子120と電気的に接続されている第二外部端子112bは、第二接続パッド117bとの間隔を長くすることができるので、感温素子150を接合している導電性接合材170が溢れ出たとしても、導電性接合材170が付着することを抑えることができる。よって、感温素子150と水晶素子120と電気的に接続されている外部端子112との短絡を低減することができる。
また、本実施形態における水晶デバイスは、凹部K2の第二中心点P2が、平面透視した際に、基板110aの第一中心点P1から電極パッド111が設けられている方向と反対の方向に設けられている。このようにすることで、平面透視した際に、電極パッド111と凹部K2とがさらに重なりにくくなるため、電極パッド111が設けられている位置である基板110aと実装枠体110cとを足した上下方向の厚みが十分に確保されることになり、水晶デバイスの周囲温度の変化に伴う基板110aの伸びまたは縮みによって発生する応力をさらに低減することができる。よって、水晶素子120に伝わる応力をさらに低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスをさらに低減することが可能となる。
また、本実施形態の水晶デバイスは、感温素子150を被覆するようにして設けられた絶縁性樹脂180を備えている。このような水晶デバイスは、感温素子150が絶縁性樹脂180にて保護されているため、感温素子150に金属屑が付着して接続端子151間
が短絡してしまうことを抑えることができる。
(第一変形例)
以下、本実施形態の変形例における水晶振動子について説明する。なお、本実施形態の変形例における水晶振動子のうち、上述した水晶振動子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係る水晶デバイスは、図5〜図9に示すように、実装枠体260が、パッケージ210とは別に形成されている点で異なっている。
実装枠体260は、基板210aの下面の外周縁に沿って接合され、基板210aの下面に凹部K2を形成するためのものである。実装枠体260は、例えばガラスエポキシ樹脂等の絶縁性基板からなり、基板210aの下面と導電性接合材170を介して接合される。実装枠体260の内部には、図9に示すように、上面に設けられた接合パッド261と、実装枠体260の下面に設けられた外部端子262とを電気的に接続するための導体部263が設けられている。
実装枠体260の上面には、接合パッド261が設けられ、下面の両端には、外部端子262が設けられている。また、四つの外部端子262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。また、四つの外部端子262の内の二つが、感温素子150と電気的に接続されている。また、水晶素子120と電気的に接続されている第一外部端子262a及び第二外部端子262bは、実装枠体260の下面の対角に位置するように設けられている。また、感温素子150と電気的に接続されている第三外部端子262c及び第四外部端子262dは、水晶素子120と接続されている第一外部端子262a及び第二外部端子262bが設けられている対角とは異なる実装枠体260の対角に位置するように設けられている。
接合パッド261は、基板210aの接合端子212と導電性接合材170を介して電気的に接合するためのものである。接合パッド261は、図9に示すように、第一接合パッド261a、第二接合パッド261b、第三接合パッド261c及び第四接合パッド261dによって構成されている。
外部端子262は、電子機器等の実装基板に実装するためのものである。外部端子262は、実装枠体260の下面に設けられている。外部端子262の内の二つの端子は、基板210aの上面に設けられた一対の電極パッド211とそれぞれ電気的に接続されている。外部端子262の内の残りの二つの端子は、基板210aの下面に設けられた接続パッド215と電気的に接続されている。また、第三外部端子262cは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランド電位と接続されている実装パッドと接続されている。これにより、封止用導体パターン219に接合された蓋体130がグランド電位となっている第三外部端子262cに接続される。よって、蓋体130による収容部K1内のシールド性が向上する。
また、外部端子262は、図9に示すように、第一外部端子262a、第二外部端子262b、第三外部端子262c及び第四外部端子262dによって構成されている。導体部263は、第一導体部263a、第二導体部263b、第三導体部263c及び第四導体部263dによって構成されている。第一接合パッド261aは、第一導体部263aを介して、第一外部端子262aと電気的に接続され、第二接合パッド262bは、第二導体部263bを介して、第二外部端子262bと電気的に接続されている。第三接合パッド261cは、第三導体部263cを介して、第三外部端子262cと電気的に接続され、第四接合パッド261dは、第四導体部263dを介して、第四外部端子262dと電気的に接続されている。
導体部263は、実装枠体260の上面の接合パッド261と、下面の外部端子262を電気的に接続するためのものである。導体部263は、実装枠体260の四隅に貫通孔を設け、貫通孔の内壁面に導電部材を形成し、その上面を接合パッド261で塞ぎ、その下面を外部端子262で塞ぐことにより形成されている。
接続パッド217は、平面透視した際に、基板210aの第一中心点P1に対して電極パッド211が設けられている方向と反対の方向にずれるようにして設けられている。接続パッド217は、第一接続パッド217a及び第二接続パッド217bによって構成されている。
また、基板210aの接合端子212と実装枠体260の接合パッド261とを導電性接合材170を介して接合されることで、図6及び図8に示すように、基板210aと実装枠体260との間に導電性接合材170の厚みと、接合端子212と接合パッド261の厚みとを足した分の間隙部Gが設けられ、その間隙部Gに感温素子150を被覆する絶縁性樹脂180が設けられている。これにより、例えば、本実施形態の水晶振動子が電子機器等の実装基板に実装されている場合に、この実装基板に実装されている他のパワーアンプ等の電子部品が発熱し、その熱が実装基板を介して凹部K2内に伝わったとしても、その熱が凹部K2内の絶縁性樹脂180に伝わり、間隙部Gに設けられた絶縁性樹脂180が外部に露出しているので、熱が外部に放出される。このようにすることで、凹部K2内に実装された感温素子150に対して熱の影響を緩和することができる。よって、このような水晶振動子は、感温素子150から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の水晶素子120の周囲の温度との差異を低減することができる。
このような間隙部Gに絶縁性樹脂180が設けられているので、感温素子150が絶縁性樹脂180により、確実に固定されることになるので、感温素子150が基板210aから剥がれることを低減することができる。
ここで、実装枠体260の作製方法について説明する。実装枠体260がガラスエポキシ樹脂である場合は、ガラス繊維から成る基材にエポキシ樹脂の前駆体を含浸させ、このエポキシ樹脂前駆体を所定の温度で熱硬化させることによって製作される。また、導体パターンの所定部位、具体的には、接合パッド261及び外部端子262は、例えば、ガラスエポキシ樹脂から成る樹脂シート上に、所定の形状に加工した銅箔を転写し、銅箔が転写された樹脂シートを積層して接着剤で接着することによって形成する。また、導体部263は、導体ペーストの印刷又はめっき法によって樹脂シートに形成した貫通孔の内面に金属を被着形成するか、貫通孔内に金属を充填して形成する。このような導体部263は、例えば金属箔又は金属柱を樹脂成形によって一体化させたり、スパッタリング法,蒸着法等を用いて被着させたりすることで形成される。
本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスは、実装枠体260と基板210aとの間に間隙部Gが設けられている。これにより、本実施形態の水晶デバイスが電子機器等の実装基板に実装されている場合に、この実装基板に実装されている他のパワーアンプ等の電子部品が発熱し、その熱が実装基板を介して凹部K2内に伝わったとしても、その熱が凹部K2内に伝わり、間隙部Gにより熱が外部に放出される。このようにすることで、凹部K2内に実装された感温素子150に対して熱の影響を緩和することができる。よって、このような水晶振動子は、感温素子150から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の水晶素子120の周囲の温度との差異を低減することができる。
本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスは、間隙部Gには、絶縁性樹脂180が設けられている。これにより、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスが電子機器等の
実装基板に実装されている場合に、この実装基板に実装されている他のパワーアンプ等の電子部品が発熱し、その熱が実装基板を介して凹部K2内に伝わったとしても、その熱が凹部K2内の絶縁性樹脂180に伝わり、間隙部Gに設けられた絶縁性樹脂180が外部に露出しているので、熱が外部に放出される。このようにすることで、凹部K2内に実装された感温素子150に対して熱の影響をさらに緩和することができる。よって、このような水晶振動子は、感温素子150から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の水晶素子120の周囲の温度との差異を低減することができる。
また、本実施形態の第一変形例に係る水晶デバイスは、間隙部Gに絶縁性樹脂180が設けられている。このように感温素子150が絶縁性樹脂180により、確実に固定されることになるので、感温素子150が基板210aから剥がれることを低減することができる。
(第二変形例)
以下、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶振動子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。本実施形態の第二変形例に係る水晶デバイスは、図10に示すように、パッケージに収容部が設けられておらず、蓋体230に収容部K1が設けられている点で異なっている。
蓋体230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230の外形形状は、収容部K1を備えた箱状部材を逆さまにした形状で、基板310aに形成される封止用導体パターン319との接触部分がL字状のフランジとなっている。蓋体230は、基板310aの外周内側に形成された封止用導体パターン319の帯状領域にフランジ部を接触させると共に、収容部K1内に水晶素子120が収納されるようにして基板310aの上面に載置される。このような蓋体230は、真空状態にある収容部K1又は窒素ガスなどが充填された収容部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230は、所定雰囲気で、基板310aの上面に載置され、基板310aの封止用導体パターン319と蓋体230のフランジ部分に設けられた封止部材231とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、基板310aに接合される。また、蓋体230は、封止用導体パターン319及びビア導体を介して実装枠体160の下面の第三外部端子に電気的に接続されている。
封止部材231は、基板310aの上面に設けられた封止用導体パターン319に相対する蓋体230のフランジ部分に設けられている。封止部材231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。
本実施形態の第二変形例に係る水晶デバイスは、矩形状の基板310aと、基板310aの下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部K2を形成するための実装枠体310cと、基板310aの上面に設けられた電極パッド311と、実装枠体310c内の基板310aの下面に設けられた接続パッド317と、電極パッド311に実装された水晶素子120と、接続パッド317に実装された感温素子150と、水晶素子120を気密封止するための蓋体230と、を備え、平面透視した際に、電極パッド311と凹部K2が重ならない位置に設けられている。このように電極パッド311と凹部K2が重ならない位置に設けられていることで、電極パッド311が設けられている位置である基板310aと実装枠体310cとを足した上下方向の厚みが十分に確保されているため、水晶デバイスの周囲温度の変化にともなう基板310aの伸びまたは縮みによって発生する応力を
低減することができる。よって、水晶素子120に伝わる応力を低減することができ、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスを低減することが可能となる。
以上のように構成された水晶デバイスは、外部端子の底面がプリント基板にはんだ付け、Auバンプ、導電性接着剤などによって固定されることにより、電子機器を構成するプリント基板の表面に実装される。そして、水晶デバイスは、例えば、パーソナルコンピュータ、時計、ゲーム機、通信機、カーナビゲーションシステム等の車載機器などの種々の電子機器で発振源として用いられる。このように実装された状態で、仮にプリント基板が変形したとしても、電極パッドの直下にある基板と実装枠体とを足した上下方向の厚みが十分に確保されているため、基板と実装枠体により応力が吸収され、水晶素子に作用する応力が低減される。よって、このような電子機器は、水晶デバイスの特性変動、例えば、周波数温度特性の変動であるヒステリシスを低減することが可能となるため、電子機器として温度安定性を確保することができる。
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。
上記実施形態では、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。
110、210・・・パッケージ
110a、210a、310a・・・基板
110b、210b、310b・・・枠体
110c、260、310c・・・実装枠体
111、211・・・電極パッド
112、262、312・・・外部端子
212・・・接合端子
113、213・・・配線パターン
114、214、314・・・ビア導体
115、215、315・・・凸部
116・・・突出部
117、217、317・・・接続パッド
118、218・・・接続パターン
119、219、319・・・封止用導体パターン
261・・・接合パッド
263・・・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、230・・・蓋体
131、231・・・接合部材
140・・・導電性接着剤
150・・・感温素子
151・・・接続端子
180・・・絶縁性樹脂
K1・・・収容部
K2・・・凹部
G・・・間隙部

Claims (7)

  1. 矩形状の基板と、
    前記基板の下面の短辺側の外周縁に沿って設けられ、凹部を形成するための実装枠体と、
    前記基板の上面に設けられた電極パッドと、
    前記実装枠体内の前記基板の下面に設けられた接続パッドと、
    前記電極パッドに実装された水晶素子と、
    前記接続パッドに実装された感温素子と、
    前記水晶素子を気密封止するための蓋体と、備え、
    平面透視した際に、前記電極パッドと前記凹部が重ならない位置に設けられている水晶デバイス。
  2. 請求項1記載の水晶デバイスであって、
    前記感温素子が前記基板の長辺と直交する方向に配置されている水晶デバイス。
  3. 請求項1記載の水晶デバイスであって、
    前記凹部の第二中心点が、平面透視した際に、前記基板の第一中心点から電極パッドが設けられている方向と反対の方向に設けられている水晶デバイス。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか1つの請求項に記載の水晶デバイスであって、
    前記感温素子が、絶縁性樹脂により被覆されている水晶デバイス。
  5. 請求項1乃至請求項3の何れか1つの請求項に記載の水晶デバイスであって、
    前記実装枠体と前記基板との間に間隙部が設けられている水晶デバイス。
  6. 請求項5記載の水晶デバイスであって、
    前記間隙部には、絶縁性樹脂が設けられている水晶デバイス。
  7. 請求項1乃至請求項6の何れか1つの請求項に記載の水晶デバイスを有することを特徴とする電子機器。
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