JP2020120264A - 水晶デバイス及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極パッドに対する水晶素子の接着強度を向上し得る水晶デバイス等を提供する。【解決手段】水晶デバイス11は、基板20と、基板20の上面21に位置する電極パッド23a,23bと、水晶素子30と、水晶片31の下面34の接続電極36a,36bと電極パッド23a,23bとに挟まれた絶縁性接着剤41a,41bと、水晶片31の上面32の接続電極36a,36b又は側面33の接続電極36a,36bから絶縁性接着剤41a,41bに接して電極パッド22a,22bに達する導電性接着剤42a,42bと、を備えたものである。【選択図】図1

Description

本発明は、水晶素子を備えた水晶デバイス、及び、水晶デバイスを備えた電子機器に関する。水晶デバイスとしては、例えば水晶振動子又は水晶発振器などが挙げられる。
例えば厚みすべり振動モードの水晶素子は、ATカットの水晶片上に金属膜パターンを形成したものである。水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させる。一般的な水晶デバイスは、パッケージ内に水晶素子を収容し、これを蓋体によって気密封止した構造である。従来の水晶デバイスの製造では、パッケージ内に設けた二つの電極パッドにディスペンサで液状の導電性接着剤を塗布し、その上に水晶素子を配置した後、導電性接着剤を硬化する。これにより、水晶素子と電極パッドとの電気的導通をとると同時に、水晶素子の姿勢を保持する(例えば特許文献1参照)。
特開2016−139901号公報
しかしながら、導電性接着剤は、バインダー樹脂中に導電フィラーを混ぜたものであるため、導電フィラーを含む分、バインダー樹脂本来の接着力を十分に発揮できない。その結果、水晶デバイスの落下などにより、導通不良を起こすおそれがあった。近年、水晶デバイスがますます小型化するのに伴い、導電性接着剤の使用量も削減を強いられ、この問題は深刻化しつつある。
そこで、本発明の目的は、電極パッドに対する水晶素子の接着強度を向上し得る水晶デバイス等を提供することにある。
本発明に係る水晶デバイスは、
平面視して見える側を上面、前記上面の反対側を下面、前記上面と前記下面とを繋ぐ面を側面としたとき、
基板と、
前記基板の上面に位置する電極パッドと、
水晶片と、前記水晶片に被着した励振電極と、前記励振電極から引き出され前記水晶片の上面、側面及び下面に延びる接続電極と、を有する水晶素子と、
前記水晶片の前記下面の前記接続電極と前記電極パッドとに挟まれた絶縁性接着剤と、
前記水晶片の前記上面の前記接続電極又は前記側面の前記接続電極から前記絶縁性接着剤に接して前記電極パッドに達する導電性接着剤と、
を備えたものである。
本発明に係る電子機器は、本発明に係る水晶デバイスを備えたものである。
本発明に係る水晶デバイスによれば、絶縁性接着剤によって基板に水晶素子を固定した上で、導電性接着剤によって基板に水晶素子を電気的に接続することにより、導電性接着剤によって基板に水晶素子を固定した場合に比べて、水晶素子を強く固定できる。その理由は、絶縁性接着剤が導電フィラーを含まないことから、導電フィラーを含む導電性樹脂よりも強い接着力が得られるからである。よって、導電性接着剤を使用した場合と比較して、少ない面積で水晶素子と基板との接着強度を確保できる。
実施形態1の水晶デバイスを示す分解斜視図である。 図2[A]は図1におけるII−II線断面図であり、図2[B]は図2[A]におけるIIb部拡大図である。 実施形態1の水晶デバイスを製造する方法における接着剤塗布工程の詳細を示す概略図であり、図3[A]、図3[B]、図3[C]、図3[D]、図3[E]、図3[F]、図3[G]の順に工程が進行する。 図4[A]は実施形態2の水晶デバイスを示す断面図であり、図4[B]は図4[A]におけるIVb部拡大図である。 図5[A]は実施形態3の電子機器の第一例を示す正面図であり、図5[B]は実施形態3の電子機器の第二例を示す正面図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いることにより適宜説明を省略する。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
<実施形態1>
図面において、平面視して見える側を上面、上面の反対側を下面、上面と下面とを繋ぐ面を側面とする。「平面視」とは図面において上方から見た場合のことである。まず、本実施形態1の水晶デバイス11の概要を説明する。
図1及び図2に示すように、水晶素子30は、水晶片31と、水晶片31に被着した励振電極35a,35bと、励振電極35a,35bから引き出され水晶片31の上面32、側面33及び下面34に延びる接続電極36a,36bと、を有する。水晶デバイス11は、基板20と、基板20の上面21に位置する電極パッド23a,23bと、水晶素子30と、水晶片31の下面34の接続電極36a,36bと電極パッド23a,23bとに挟まれた絶縁性接着剤41a,41bと、水晶片31の上面32の接続電極36a,36b又は側面33の接続電極36a,36bから絶縁性接着剤41a,41bに接して電極パッド23a,23bに達する導電性接着剤42a,42bと、を備えたものである。
換言すると、水晶デバイス11は、パッケージとも呼ばれる基体51、水晶素子30及び蓋体53を備えた水晶振動子である。なお、水晶デバイス11は、半導体ICチップを付設した水晶発振器、電圧制御型水晶発振器(VCXO:Voltage Controlled Crystal Oscillator)、温度補償型水晶発振器(TCXO:Temperature Compensated Crystal Oscillator)又は恒温槽付水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Crystal Oscillator)などであってもよい。
次に、水晶デバイス11の各構成要素について詳しく説明する。
基体51は、上面21及び下面22を有する矩形状の基板20と、上面21の周縁と一体化された枠体52と、上面21に設けられた電極パッド23a,23bと、下面22の四隅に設けられた外部接続端子24とを備えている。
図1では、枠体52の一部を切除して示している。枠体52は、基板20の周縁に沿って矩形枠状になっている。基板20及び枠体52には、一対の電極パッド23a,23b及び蓋体53と四つの外部接続端子24とを、電気的に接続する導体(図示せず)が形成されている。四つの外部接続端子24のうち、二つが電極パッド23a,23bに接続され、残りの二つが蓋体53に接続されている。基板20及び枠体52は、例えば積層セラミックスからなる。その場合、複数の矩形状のグリーンシートを重ね、その上に複数の矩形枠状のグリーンシートを重ね、全体を焼成することにより、基板20及び枠体52が得られる。
枠体52の上端面521には、環状に例えば10〜25μmの厚みに、封止用導体パターン(図示せず)が形成されている。封止用導体パターンは、蓋体53の下面周縁に形成された接合部材(図示せず)を介して蓋体53と接合する際に、接合部材の濡れ性を良好にする役割を果たす。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な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施すことによって得られる。
基体51について寸法の一例を述べると、基体51を平面視したときの一辺は1.0〜3.0mmであり、基体51の上下方向の厚みは0.2〜1.5mmである。この場合、収容部54の長辺の長さは0.7〜2.0mm、収容部54の短辺の長さは0.5〜1.5mm、収容部54の上下方向の深さは0.1〜0.5mmである。
電極パッド23a,23bは、例えばタングステン等のメタライズに金メッキ等を施した導体からなり、水晶素子30の接続電極36a,36bに対向する位置に設けられ、導電性接着剤42a,42bによって接続電極36a,36bに電気的に接続される。
導電性接着剤42a,42bは、例えばバインダー樹脂としてのシリコーン樹脂等と導電フィラーとしての導電性粉末とを含むもの(例えば銀ペースト、カーボンペーストなど)からなり、硬化前は流動性を有する。その硬化方法には、加熱や光照射などが挙げられる。導電性粉末としては、銀、カーボン、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、チタン、ニッケル及びニッケル鉄のうちのいずれか一つ又はこれらの組み合わせを含むものが用いられる。また、バインダー樹脂としては、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。
絶縁性接着剤41a,41bは、例えば導電性接着剤42a,42bのバインダー樹脂のみを含み導電フィラーを含まないものからなり、硬化前は流動性を有する。その硬化方法には、加熱や光照射などが挙げられる。バインダー樹脂としては、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。
水晶素子30は、水晶片31、一対の励振電極35a,35b及び一対の接続電極36a,36bを有する。水晶片31は、フォトリソグラフィー技術及びウェットエッチング技術を用いて、一枚の水晶ウェハから多数個が得られる。励振電極35a,35b及び接続電極36a,36bは、水晶片31上に金属膜を形成し、この金属膜を例えばフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術で加工することにより得られる。
水晶片31は、例えば矩形状のATカット板からなる。すなわち、水晶において、X軸(電気軸)、Y軸(機械軸)及びZ軸(光軸)からなる直交座標系XYZを、X軸回りに30°以上かつ50°以下(一例として、35°15′)回転させて直交座標系XY’Z’を定義したとき、XZ’平面に平行に切り出されたウェハが水晶片31の原材料となる。そして、水晶片31の長辺がX軸に平行、水晶片31の短辺がZ’軸に平行、水晶片31の厚み方向がY’軸に平行である。水晶片31の外形寸法を例示すれば、長辺は650〜920μm、短辺は550〜690μm、厚みは59〜62μmである。
励振電極35a,35bは、ともに矩形状であり、それぞれ水晶片31の上面32の略中央及び下面34の略中央に設けられ、互いに電気的に絶縁されている。すなわち、励振電極35aと励振電極35bとが、水晶片31を挟んで向かい合っている。励振電極35aは水晶片31の下面34において接続電極36aと電気的に接続され、接続電極36aは下面34から側面33を跨いで上面32まで延びている。励振電極35bは水晶片31の上面32において接続電極36bと電気的に接続され、接続電極36bは上面32から側面33を跨いで下面34まで延びている。
なお、水晶素子30は、厚みすべり振動素子であるが、それに代えて音叉型屈曲振動素子又は輪郭すべり振動素子などを用いることもできる。
蓋体53は、例えばコバール(Kovar)などの金属からなる矩形状の平板であり、基体51の枠体52の上端面521に重ねられる。つまり、蓋体53は、基体51へ封止材などにより接合され、気密封止された凹部空間からなる収容部54を形成する。収容部54は、本実施形態1では基体51側に形成しているが、蓋体53側に形成してもよい。
蓋体53の下面周縁には、接合部材(図示せず)が形成されている。接合部材は、枠体52の上端面521に設けられた封止用導体パターン(図示せず)に相対する。接合部材は、例えば、銀ロウ又は金錫からなる。銀ロウは、例えば、厚みが10〜20μm、成分比率が銀72〜85%、銅15〜28%のものが使用される。金錫は、例えば、厚みが10〜40μm、成分比率が金78〜82%、錫18〜22%のものが使用される。
電極パッド23a,23bは、それぞれ絶縁性接着剤41a,41b及び導電性接着剤42a,42bを介して接続電極36a,36bに電気的及び機械的に接続することにより、水晶素子30を片持ち梁状に固定する。つまり、水晶デバイス11は、水晶素子30が基体51に搭載された状態で、基体51と蓋体53とがガラス封止材又はろう材(どちらも図示せず)などによって接合され、水晶素子30が収容部54内に気密封止された構造を有する。
次に、水晶デバイス11の動作について説明する。
励振電極35a、接続電極36a、導電性接着剤42a、電極パッド23a及び一つの外部接続端子24は導通しており、励振電極35b、接続電極36b、導電性接着剤42b、電極パッド23b及び他の一つの外部接続端子24は導通している。この状態で二つの外部接続端子24から入力した交番電圧を、励振電極35a,35bを介して水晶片31に印加する。これにより、水晶片31が所定の振動モード及び周波数で励振を起こす。このように、水晶デバイス11は、水晶片31の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、水晶片31に上面32及び下面34が互いにずれる厚みすべり振動を起こし、特定の周波数を発生させる。
次に、水晶デバイス11の製造方法の一例について説明する。
図1及び図2に示すように、水晶デバイス11の製造方法は、基体51に設けられた電極パッド23a,23bに、水晶素子30に設けられた接続電極36a,36bを絶縁性接着剤41a,41b及び導電性接着剤42a,42bを介して接続し、基体51と蓋体53とによって水晶素子30を気密封止する方法であって、次の工程を含む。
・絶縁性接着剤塗布工程:電極パッド23a,23b上に絶縁性接着剤41a,41bを塗布する。
・素子載置工程:電極パッド23a,23b上に絶縁性接着剤41a,41bを介して接続電極36a,36bを載置する。
・導電性接着剤塗布工程:接続電極36a,36b上及び接続電極36a,36bの周囲の絶縁性接着剤41a,41b上から電極パッド23a,23b上にかけて、導電性接着剤42a,42bを塗布する。
・接着剤硬化工程:絶縁性接着剤41a,41b及び導電性接着剤42a,42bを硬化することにより、基体51に水晶素子30を実装する。
・蓋体接合工程:蓋体53を基体51に接合することにより、水晶素子30を気密封止する。
次に、図3を中心に、水晶デバイス11の製造方法における絶縁性接着剤塗布工程及び導電性接着剤塗布工程の一例について説明する。図3中の矢印↓↑→は、ディスペンサ用ノズル80の動きを示す。
ディスペンサ用ノズル80は、電極パッド23a,23bに絶縁性接着剤41a,41bを塗布するものであって、ディスペンサ用ノズル80の絶縁性接着剤41a,41bが吐出される吐出端83に、吐出口81が設けられている。
まず、図3[A]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23aの上方へ位置決めし、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23aに向けて降下させる。続いて、図3[B]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23aの直前で停止させ、空気圧を加えて吐出口81から一定量の絶縁性接着剤41aを吐出させる。続いて、図3[C]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を上昇させると、一定量の絶縁性接着剤41aが表面張力によって丸くなり電極パッド23aに塗布される。続いて、図3[D]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23aの上方から電極パッド23bの上方へ移動させる。
続いて、図3[E]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23bの上方へ位置決めし、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23bに向けて降下させる。続いて、図3[F]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を電極パッド23bの直前で停止させ、空気圧を加えて吐出口81から一定量の絶縁性接着剤41bを吐出させる。最後に、図3[G]に示すように、ディスペンサ用ノズル80を上昇させると、一定量の絶縁性接着剤41bが表面張力によって丸くなり電極パッド23bに塗布される。
水晶デバイス11の製造方法における導電性接着剤塗布工程も、この絶縁性接着剤塗布工程に準ずる。つまり、導電性接着剤塗布工程では、絶縁性接着剤塗布工程における電極パッド23a,23b及び絶縁性接着剤41a,41bが、それぞれ接続電極36a,36b及び導電性接着剤42a,42bに置き換わる。
次に、水晶デバイス11の作用及び効果について説明する。
水晶デバイス11によれば、絶縁性接着剤41a,41bによって基板20に水晶素子30を固定した上で、導電性接着剤42a,42bによって基板20に水晶素子30を電気的に接続することにより、導電性接着剤42a,42bによって基板20に水晶素子30を固定した場合に比べて、水晶素子30を強く固定できる。その理由は、絶縁性接着剤41a,41bが導電フィラーを含まないことから、導電フィラーを含む導電性接着剤42a,42bよりも接着力を増強できるからである。つまり、絶縁性接着剤41a,41bは、バインダー樹脂中に導電フィラーを混ぜていないので、バインダー樹脂本来の接着力を十分に発揮できる。したがって、導電性接着剤42a,42bによって基板20に水晶素子30を固定した場合に比べて、少ない面積で水晶素子30と基板20との接着強度を確保できるので、水晶デバイス11の小型化に寄与できる。
また、導電性接着剤42a,42bを塗布した際に、導電性接着剤42a,42bが水晶片31の下面34を伝わって励振電極35aに付着すると、水晶素子30の周波数特性に悪影響を及ぼすことがある。このような場合でも、絶縁性接着剤41a,41bが導電性接着剤42a,42bに対してダムの役割を果たすため、導電性接着剤42a,42bの不要な広がりを抑えることができる。
導電性接着剤42a,42bはバインダー樹脂と導電フィラーとを含む組成からなり、絶縁性接着剤41a,41bは導電性接着剤42a,42bから導電フィラーを除いた組成からなる、としてもよい。この場合は、絶縁性接着剤41a,41bと導電性接着剤42a,42bとを同時に硬化できるので、製造工程を簡素化できる。また、両者の熱膨張率差を小さくできるので、熱膨張ストレスによる劣化も抑制できる。
導電性接着剤42a,42bの粘度が絶縁性接着剤41a,41bの粘度よりも低い、としてもよい。この場合は、導電性接着剤42a,42bが絶縁性接着剤41a,41bよりも流れやすくなることにより、絶縁性接着剤41a,41bの周囲を導電性接着剤42a,42bが覆って電極パッド23a,24bに広がる構造を容易に実現できる。その結果、水晶片31の下面34を伝わって励振電極35aに向かう導電性接着剤42a,42bを低減でき、水晶素子30に対する振動阻害を抑制できる。
絶縁性接着剤41a,41bは励振電極35a,35bに電圧を印加したときに振動変位が少ない部分に位置する、としてもよい。この場合は、絶縁性接着剤41a,41bの接着による水晶素子30の振動阻害を低減できる。なお、「振動変位が少ない部分」とは、水晶片31において励振電極35a,35bから漏れ伝搬した振動の変位が少ない場所で、かつ、屈曲振動の変位が少ない場所(屈曲振動の節となる場所)のことを指す。
<実施形態2>
図4に示すように、本実施形態2の水晶デバイス12は、水晶片61の断面形状が実施形態1と異なる。つまり、水晶片61の側面63は、水晶片61の上面32から外側へ傾斜する傾斜面631を含む。接続電極36a,36bは、水晶片61の上面32、傾斜面631及び下面34に延びる。導電性接着剤42a,42bは、水晶片61の上面32の接続電極36a,36b又は傾斜面631の接続電極36a,36bから絶縁性接着剤41a,41bに接して電極パッド23a,23bに達する.なお、水晶片61の側面63は、傾斜面631から水晶片61の下面34へ傾斜する傾斜面632も含む。このような水晶片61の断面形状は、例えば水晶片61の中央部に比べて周辺部を薄くするベベル加工又はフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって得られる。また、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術によって水晶片61を形成した場合には、水晶片61の長辺がX軸に平行、水晶片61の短辺がZ’軸に平行、水晶片61の厚み方向がY’軸に平行である。水晶片61の中心から導電性接着剤42a、42b側に向かう方向を+X軸側とし、水晶片61の中心から先端側に向かう方向を−X軸側とする。
水晶デバイス12によれば、導電性接着剤42a,42bが傾斜面631に沿って流れやすくなることにより、絶縁性接着剤41a,41bの周囲を導電性接着剤42a,42bが覆って電極パッド23a,24bに広がる構造を容易に実現できる。その結果、水晶片61の下面34を伝わって励振電極35aに向かう導電性接着剤42a,42bを低減でき、水晶素子30に対する振動阻害を抑制できる。
本実施形態2のその他の構成、作用及び効果は、実施形態1のそれらと同様である。
<実施形態3>
図5[A]及び図5[B]に示すように、本実施形態3の電子機器71,72はそれぞれ実施形態1の水晶デバイス11を備えている。図5[A]に例示した電子機器71はスマートフォンであり、図5[B]に例示した電子機器72はパーソナルコンピュータである。
図1及び図2に示すように構成された水晶デバイス11は、はんだ付け、金(Au)バンプ又は導電性接着剤などによってプリント基板に外部接続端子24の底面が固定されることによって、電子機器71,72を構成するプリント基板の表面に実装される。このように、水晶デバイス11は、スマートフォン又はパーソナルコンピュータの他、例えば、時計、ゲーム機、通信機、又は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。
電子機器71,72によれば、水晶デバイス11を備えたことにより、高信頼性の動作を実現できる。なお、各電子機器は、水晶デバイス11に代えて、実施形態2の水晶デバイス12を備えてもよい。
<その他>
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
11,12 水晶デバイス
20 基板
21 上面
22 下面
23a,23b 電極パッド
24 外部接続端子
30 水晶素子
31,61 水晶片
32 上面
33,63 側面
631,632 傾斜面
34 下面
35a,35b 励振電極
36a,36b 接続電極
41a,41b 絶縁性接着剤
42a,42b 導電性接着剤
51 基体
52 枠体
521 上端面
53 蓋体
54 収容部
71,72 電子機器
80 ディスペンサ用ノズル
81 吐出口
83 吐出端

Claims (6)

  1. 平面視して見える側を上面、前記上面の反対側を下面、前記上面と前記下面とを繋ぐ面を側面としたとき、
    基板と、
    前記基板の上面に位置する電極パッドと、
    水晶片と、前記水晶片に被着した励振電極と、前記励振電極から引き出され前記水晶片の上面、側面及び下面に延びる接続電極と、を有する水晶素子と、
    前記水晶片の前記下面の前記接続電極と前記電極パッドとに挟まれた絶縁性接着剤と、
    前記水晶片の前記上面の前記接続電極又は前記側面の前記接続電極から前記絶縁性接着剤に接して前記電極パッドに達する導電性接着剤と、
    を備えた水晶デバイス。
  2. 前記導電性接着剤はバインダー樹脂と導電フィラーとを含む組成からなり、前記絶縁性接着剤は前記導電性接着剤から前記導電フィラーを除いた組成からなる、
    請求項1記載の水晶デバイス。
  3. 前記導電性接着剤の粘度が前記絶縁性接着剤の粘度よりも低い、
    請求項1又は2記載の水晶デバイス。
  4. 前記水晶片の前記側面は、前記水晶片の前記上面から外側へ傾斜する傾斜面を含み、
    前記接続電極は、前記水晶片の前記上面、前記傾斜面及び前記下面に延び、
    前記導電性接着剤は、前記水晶片の前記上面の前記接続電極又は前記傾斜面の前記接続電極から前記絶縁性接着剤に接して前記電極パッドに達する、
    請求項1乃至3のいずれか一つに記載の水晶デバイス。
  5. 前記絶縁性接着剤は、前記励振電極に電圧を印加したときに振動変位が少ない部分に位置する、
    請求項1乃至4のいずれか一つに記載の水晶デバイス。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の水晶デバイスを備えた電子機器。
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