JP2019186661A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性接着剤から発生するシロキサンが電極主面に達するのを防ぎ、エージング特性を向上させることができる水晶振動子を提供する。【解決手段】 導電性接着剤４によってベース１に接続される水晶振動子であって、水晶片２又の下面において、励振電極３２ａと、導電性接着剤４に接続する接続電極３２ｂとの間に、ベース１の凹部の内側底面の方向に突出する段差部２１と、段差部２１を這うように励振電極３２ａと接続電極３２ｂとを接続する金属配線とを設けた構成として、シロキサン５の進行を妨げることができる水晶振動子としている。【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子に係り、特にシリコーン系の導電性接着剤に由来するシロキサンの影響を抑え、エージング特性を向上させることができる水晶振動子に関する。

［先行技術の説明］
従来、水晶振動子において、ベースに形成された電極に水晶片を固定する際に、シリコーン系導電性接着材が用いられている。
シリコーン系接着剤を用いた場合、硬化時にシロキサンの発生が避けられず、エージング特性に影響を及ぼすことが知られている。
ポリイミド系接着剤は、シロキサンは発生しないものの、硬化後の硬度が高く、水晶の振動を阻害してしまうため、水晶片の固定用としては不向きである。

［従来の水晶振動子におけるシロキサンの進行：図６］
従来の水晶振動子について図６を用いて説明する。図６は、従来の水晶振動子におけるシロキサンの進行を示す模式説明図であり、（ａ）は従来の水晶振動子の接着硬化前の状態を示す断面図であり、（ｂ）は接着硬化後の状態を示す断面図である。
図６（ａ）に示すように、従来の水晶振動子は、セラミック等から成るベース１に、水晶片２００が導電性接着剤４によって固定された構成である。

各部について説明する。
ベース１は、セラミック等で形成され、複数の層が積層されて、内側に凹部が設けられている。ここでは、下から第１ベース層１１と、第２ベース層１２とが積層されている状態を示している。
図示は省略するが、第１ベース層の下面には、表面実装用の端子電極が形成され、第１ベース層１１、第２ベース層１２には、必要に応じて端子電極に接続するためのスルーホール、金属配線、電極等が形成されている。

そして、ここでは、第２ベース層１２の上部に形成された電極（図示せず）上に水晶片２が導電性接着剤４によって固定された状態を示している。
尚、実際には、ベース１はより大きく、より多くの層で形成され、最上層の上部には金属製の蓋（リッド）が搭載されて内部が封止されている。

水晶片２００は、上下の両面に励振電極が形成されている。上面には、上面電極３１が形成され、下面に下面電極３２が形成されている。
上面電極３１及び下面電極３２は、金等で形成され、図６（ａ）では、上面電極３１が導電性接着剤４によって接続された状態を示している。
尚、下面電極３２は、図６（ａ）の位置より手前側又は奥側において、導電性接着剤によって第２ベース層１２に固定されている。
上面電極３１、下面電極３２の構成については後述する。

導電性接着剤４は、シリコーン系の接着材であり、図６（ａ）では、ベース第２層上の電極と、水晶片２００の上面電極３１とを電気的に接続すると共に、物理的に固定している。
ここで、水晶片２００が搭載される際に、導電性接着剤４が上から押されることにより、水晶片２００の上面側に比べて、下面側に多く接着することになる。
図６（ａ）では、接着硬化前の状態を示しており、シロキサンの発生はない。

そして、図６（ｂ）に示すように、接着硬化の処理によって、水晶片２００の下面において導電性接着剤４からシロキサン５が発生し、下面電極３２の主面（励振電極３２ａ）にまで進行する。
尚、水晶片２００の表面においてはシロキサンの進行は認められない。
このように、水晶片２００の下面において、シロキサン５が電極主面にまで進行して付着することにより、経年変化による水晶振動子の周波数特性（エージング特性）が劣化することが知られている。

［シロキサンによるエージング特性例：図７］
次に、シロキサンの影響によるエージング特性の劣化について図７を用いて説明する。図７は、シロキサンとエージング特性との関係を示す説明図である。
具体的には、製造後、一定年数を経過したサンプルについて、シロキサンの検出量と周波数特性の分布との関係を示している。

まず、各サンプルについてＴｏＦ−ＳＩＭＳ（Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry；飛行時間型２次イオン質量分析法）により、水晶片２００の上面及び下面の表面におけるシロキサンの量を検出した。
そして、シロキサンの検出量に応じて、サンプルをグループＡ、グループＢ、グループＣに分類した。グループＡはシロキサンの検出量が多かったグループ、グループＢは中程度のグループ、グループＣは検出量が少なかったグループとした。

次に、各サンプルの周波数特性（規定周波数に対する周波数の変化量、ΔＦ／Ｆ）を測定した。
図６に示すように、規格範囲は±１．２ppmであり、グループＣに分類されたサンプルは規格範囲内に入っている。
しかし、グループＢ及びグループＣに分類されたサンプルは周波数が低下して規格外となっており、周波数低下の程度はシロキサンの検出量が多かったグループＡの方が大きいことがわかる。

このように、シロキサンが水晶片の下面において電極面まで進行すると、水晶振動子の周波数特性に大きく影響を与え、エージング特性が劣化する。

［関連技術］
尚、シロキサンの影響を抑える水晶振動子に関する従来技術としては、特開２００８−１６６９９４号公報「圧電振動子、圧電発振器、および圧電振動子の製造方法」（特許文献１）がある。
また、水晶片に段差を形成した水晶振動子に関する従来技術としては、特開２０１７−５５４５４号公報「振動片、振動子、発振器、電子機器及び移動体」（特許文献２）がある。

特許文献１には、圧電振動素子を導電性接着剤により容器内に保持した圧電振動子において、導電性接着剤の表面に液状無機質材をコーティングして固化させた被覆層を設けることが記載されている。

特許文献２には、水晶振動片の、導電性接着剤によって固定される端部に、周囲より厚さが薄い肉薄部が形成され、肉薄部と周囲との間に段差部が形成されることが記載されている。

特開２００８−１６６９９４号公報 特開２０１７−５５４５４号公報

上述したように、従来の水晶振動子では、導電性接着剤から発生するシロキサンが水晶片の電極主面にまで達することがあり、その影響によって周波数が変動し、エージング特性が劣化してしまうという問題点があった。

尚、特許文献１及び特許文献２には、水晶片の下面において、導電性接着剤で固定される端部と電極の主面との間に、水晶板の厚みが周囲に比べて大きい段差部を形成して、シロキサンの進行を妨げることは記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、導電性接着剤から発生するシロキサンが電極主面に達するのを防ぎ、エージング特性を向上させることができる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、励振電極と、導電性接着剤で接続される接続電極とを備える水晶片と、水晶片を収納するベースとを備える水晶振動子であって、水晶片は、励振電極と接続電極との間に、ベースの内側底面に向けて突出する段差部と、段差部を這うように形成され、励振電極と接続電極を接続する金属配線とを備えることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、段差部が、水晶片を２つの部分に分ける位置に設けられ、水晶片の一方の部分に励振電極が形成され、他方の部分に接続電極が形成され、水晶片が、ベースの外周部の上に導電性接着剤によって固定されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、段差部が、ベースの内側底面に達しない高さに形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、段差部が、水晶片の端部に設けられ、接続電極が、段差部の励振電極とは反対側の側面に形成され、水晶片が、ベースの内側側面に導電性接着剤によって固定されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、段差部が、ベースの内側底面に達する高さに形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、励振電極と、導電性接着剤で接続される接続電極とを備える水晶片と、水晶片を収納するベースとを備える水晶振動子であって、水晶片は、励振電極と接続電極との間に、ベースの内側底面に向けて突出する段差部と、段差部を這うように形成され、励振電極と接続電極を接続する金属配線とを備える水晶振動子としているので、導電性接着剤からシロキサンが発生しても、段差部によってシロキサンの進行を妨げ、励振電極にまで達するのを防ぐことができ、エージング特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、段差部が、水晶片を２つの部分に分ける位置に設けられ、水晶片の一方の部分に励振電極が形成され、他方の部分に接続電極が形成され、水晶片が、ベースの外周部の上に導電性接着剤によって固定されている上記水晶振動子としているので、水晶片を安定して保持でき、容易に製造できる効果がある。

また、本発明によれば、段差部が、ベースの内側底面に達しない高さに形成されている上記水晶振動子としているので、厚みが比較的薄い水晶ウェハを用いて製造でき、低コストで実現できる効果がある。

また、本発明によれば、段差部が、水晶片の端部に設けられ、接続電極が、段差部の励振電極とは反対側の側面に形成され、水晶片が、ベースの内側側面に導電性接着剤によって固定されている上記水晶振動子としているので、水晶振動子全体の厚さを低減して低背化を図ることができる効果がある。

第１の水晶振動子の構成を示す断面図である。 第１の水晶振動子の電極の構成例を示す平面図であり、 水晶片２の下面（裏面）の構成を示す模式説明図である。 第２の水晶振動子の構成を示す断面図である。 水晶片２０の裏面の構成を示す模式説明図である。 従来の水晶振動子におけるシロキサンの進行を示す模式説明図である。 シロキサンとエージング特性との関係を示す説明図である。

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水晶振動子は、水晶片の下面において、導電性接着剤で固定される端部と下面電極の主面との間に、厚みが水晶片下面における導電性接着剤の厚みより大きい段差部が形成された構成としており、導電性接着剤から発生するシロキサンが電極主面にまで進行するのを妨げ、エージング特性を向上させることができるものである。

［第１の実施の形態に係る水晶振動子の構成：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る水晶振動子（第１の水晶振動子）の構成について図１を用いて説明する。図１は、第１の水晶振動子の構成を示す断面図である。
図１に示すように、第１の水晶振動子の基本的な構成は、図６に示した従来の水晶振動子と同様であり、凹部を備えたセラミックベース１に、水晶片２が導電性接着剤４によって搭載されている。

セラミックベース１は、従来と同様の構成である。
水晶片２は、上面電極３１と、下面電極３２と、第１の水晶振動子の特徴部分である段差部２１とを備えている。
導電性接着材４は、従来と同様のシリコーン系の接着剤である。
尚、ここではセラミックベースの一部とリッドが省略されている。

第１の水晶振動子の特徴部分について説明する。
段差部２１は、水晶片２の下面に突出するよう、水晶片２と一体に形成された部分であり、導電性接着剤４によって固定される端部と、下面電極３２の主面（励振電極）との間に形成されている。

段差部２１を導電性接着剤４と下面電極３２の主面との間に設けることにより、シロキサン５が発生しても、段差部２１によってシロキサン５をせき止め、シロキサン５が下面電極３２の主面にまで達するのを防ぐことができ、エージング特性を向上させることができるものである。

段差部２１は、水晶ウェハにおいて水晶片２を形成する際に一緒に形成される。
具体的には、出来上がり寸法の厚さよりも厚みの大きい水晶ウェハにおいて、フォトリソグラフィ及びエッチングによって段差部２１以外の部分を削って除去し、水晶片２の外形を切り出すことにより、段差部２１を備えた水晶片２を形成する。
水晶ウェハの厚みは８０μｍ程度であり、水晶片２の厚みは１０〜５０μｍ、段差部２１の高さは５０μｍ程度としている。

第１の水晶振動子では、導電性接着剤４から段差部２１までの距離を十分確保できるため、段差部２１の高さは、ベース１の凹部内側底面に達しない程度にしている。導電性接着剤４から段差部２１までのスペースが広いため、段差部２１の高さがそれほど高くなくても、発生するシロキサン５をスペース内に溜めておくことができるものである。
そのため、第１の水晶振動子は、比較的厚みの小さい（薄い）水晶ウェハであっても製造することができ、エッチング量も少なくて済む。
更に、第１の水晶振動子では、従来と同様に、水晶片２の端部をベース１の凹部外周部の上に搭載して固定するので、水晶片２を安定して保持することができ、製造が容易で、低コストで実現できるものである。

［電極の構成例：図２］
ここで、水晶振動子の電極の構成例について図２を用いて説明する。図２は、第１の水晶振動子の電極の構成例を示す平面図であり、（ａ）は下面電極３２、（ｂ）は上面電極３１を示している。
図２（ａ）に示すように、第１の水晶振動子の水晶片２の下面に形成される下面電極３２は、励振電極３２ａと、接続電極３２ｂと、電極３２ｃとを備えている。
励振電極３２ａは、電極主面となる部分である。
接続電極３２ｂは、導電性接着剤４に接続する部分である。励振電極３２ａと接続電極３２ｂとは、金属配線によって接続されている。
電極３２ｃは、他の電極とは離れて配置されている。

電極３２ｃの裏面（上面）には、上側電極３１の接続電極３１ｂが配置されており、励振電極３２ａの裏側に相当する位置に、接続電極３１ｂに連続して励振電極３１ａが形成されている。
そして、接続電極３２ｂの裏面には、電極３１ｃが配置されている。

つまり、図２（ｂ）に示すように、段差部２１のない水晶片２の上面において、上面電極３１の励振電極３１ａ、接続電極３１ｂ、電極３１ｃが、図２（ａ）に示した下面電極３１と同様に配置されている。

［水晶片２の下面（裏面）の構成：図３］
次に、水晶片２（第１の水晶片）の裏面の構成について図３を用いて説明する。図３は、水晶片２の下面（裏面）の構成を示す模式説明図である。尚、図３では、図１の水晶片２を裏返して、裏面側が上を向いた状態を示している。尚、ここでは段差部２２を強調して描画しているため、水晶片２の形状は実際とは異なっている。

図３に示すように、水晶片２の裏面には、段差部２１が形成されている。
そして、水晶片２の裏面において、励振電極３２ａは、段差のない平らな部分に形成されており、接続電極３２ｂは、段差部２１の左側の領域に形成されている。
つまり、段差部２１は、励振電極３２ａと接続電極３２ｂとの間に設けられている。

また、金属配線が、励振電極３２ａの端部から段差部２１を這うように、段差部２１の右側面、上面、及び左側面を通って、図３の左端の端部に設けられた接続電極３２ｂに接続するよう形成されている。
そして、接続電極３２ｂが、導電性接着剤４によってベース１上の電極に固定される。

［第２の実施の形態に係る水晶振動子の構成：図４］
本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子（第２の水晶振動子）の構成について図４を用いて説明する。図４は、第２の水晶振動子の構成を示す断面図である。
第２の水晶振動子は、上述した第１の水晶振動子と段差部の位置及び高さが異なっている。
図４に示すように、第２の水晶振動子では、水晶片２０の先端部に段差部２２が形成されている。
段差部２２の高さは、ベース１の凹部内側底面に達する高さとしており、段差部２２によって、振動面が水平となるよう水晶片２０が支持されている。

そして、上面電極３１は、水晶片２０の上側から、段差部２２の左側面（導電性接着剤４と接続する面）に亘って形成され、導電性接着剤４によって、ベース１の凹部内側側面の電極に接続されている。具体的には、水晶片２０の上面には励振電極３１ａが形成され、段差部２２には接続電極３１ｂが形成され、励振電極３１ａと接続電極３１ｂとは金属配線で接続されている。

また、図４の手前側又は奥側の位置において、下面電極３２は、励振電極３２ａが水晶片２０の下面の平らな部分に形成され、金属配線が、励振電極３２ａの端部から段差部２２の右側面、更に段差部２２の底面を介して段差部２２の左側面に引き出されて形成されている。
そして、段差部２２の左側面において、金属配線に接続して接続電極３２ｂが形成されており、接続電極は、上面電極３１の接続電極３１ｂと同様に、導電性接着剤４によってベース１の凹部内側側面の電極に接続されている。
つまり、第２の水晶振動子の段差部２２は、励振電極３２ａと接続電極３２ｂとの間に設けられている。

そして、第２の水晶振動子では、導電性接着剤４からシロキサン５が発生したとしても、段差部２２によってシロキサン５の拡散を防ぐことができ、励振電極３１ａ、３２ａにまでシロキサンが進行するのを防ぎ、エージング特性の劣化を抑えることができるものである。

また、第２の水晶振動子では、水晶片２０をベース１の凹部外周部分の上に搭載せず、凹部の内側側面に固定する構成としているので、水晶振動子全体の高さを低くすることができ、低背化を図ることができるものである。

［水晶片２０の下面（裏面）の構成：図５］
次に、水晶片２０（第２の水晶片）の下面（裏面）の構成について図５を用いて説明する。図５は、水晶片２０の裏面の構成を示す模式説明図である。
図５に示すように、水晶片２０は、水晶板の左端部に段差部２２を備えており、段差部２２より右側の平らな部分に下側電極３２の励振電極３２ａが形成され、図では見えていないが、段差部２２の左側面に接続電極３２ｂが形成されている。段差部２２の左側面は、励振電極３２ａとは反対側の側面に相当する。

また、励振電極３２ａと接続電極３２ｂとを接続するように、金属配線が、段差部２２を這うように、段差部２２の右側面、上面、左側面に亘って形成されている。
そして、段差部２２の左側面に形成された接続電極３２ｂが、導電性接着剤４によって、ベース１の凹部の内側側面に接続される。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶振動子によれば、導電性接着剤４によってベース１に接続される水晶振動子であって、水晶片２又は２０の下面において、励振電極３２ａと、導電性接着剤４に接続する接続電極３２ｂとの間に、ベース１の凹部の内側底面の方向に突出する段差部２１又は２２を設けた構成としているので、導電性接着剤から発生するシロキサンが励振電極３２ａにまで進行するのを妨げ、エージング特性を向上させることができる効果がある。

また、第１の水晶振動子によれば、段差部２１の高さを凹部の内側底面に達しない高さとしているので、比較的薄い水晶ウェハでも製造することができ、更にベース１の凹部外周部の上に水晶片２を搭載するため、製造が容易であり、低コストで実現することができる効果がある。

また、第２の水晶振動子によれば、段差部２２を水晶片２０の端部に設け、段差部の高さを凹部の内側底面に達する高さとして、段差部２２によって振動面を保持する構成とし、ベース１の凹部内側の側面に導電性接着剤で固定する構成としているので、水晶振動子全体の高さを低減し、低背化を図ることができる効果がある。

本発明は、導電性接着剤から発生するシロキサンの影響を抑え、エージング特性を向上させることができる水晶振動子に適している。

１…ベース、 ２，２０，２００…水晶片、 ４…導電性接着剤、 ５…シロキサン、 １１…第１ベース層、 １２…第２ベース層、 ２１，２２…段差部、 ３１…上面電極、 ３２…下面電極、 ３１ａ，３２ａ…励振電極、 ３１ｂ，３２ｂ…接続電極、 ３１ｃ，３２ｃ…電極

Claims (5)

1. 励振電極と、導電性接着剤で接続される接続電極とを備える水晶片と、前記水晶片を収納するベースとを備える水晶振動子であって、
   前記水晶片は、前記励振電極と前記接続電極との間に、前記ベースの内側底面に向けて突出する段差部と、前記段差部を這うように形成され、前記励振電極と前記接続電極を接続する金属配線とを備えることを特徴とする水晶振動子。
2. 段差部が、水晶片を２つの部分に分ける位置に設けられ、前記水晶片の一方の部分に励振電極が形成され、他方の部分に接続電極が形成され、
   水晶片が、ベースの外周部の上に導電性接着剤によって固定されていることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
3. 段差部が、ベースの内側底面に達しない高さに形成されていることを特徴とする請求項２記載の水晶振動子。
4. 段差部が、水晶片の端部に設けられ、接続電極が、前記段差部の励振電極とは反対側の側面に形成され、
   水晶片が、ベースの内側側面に導電性接着剤によって固定されていることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
5. 段差部が、ベースの内側底面に達する高さに形成されていることを特徴とする請求項４記載の水晶振動子。

Images