JP2021132250A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化されたパッケージサイズであっても水晶デバイスのＣＩ値などの性能を向上させた水晶デバイスを提供する。【解決手段】 水晶デバイス（１００）は、長方形の水晶振動片（１３０）と、セラミックで形成された第１平面と該第１平面の反対面の第２平面とを有し、平面視で第１長さの長辺及び第２長さの短辺を有する長方形のベース平板（１２０）と、第２平面に長辺と短辺とに沿って枠状に形成される金属層（１２５）と、ベース平板（１２０）に載置され、水晶振動片を覆うキャビティ（１１１）と平面視で第３長さの長辺及び第４長さの短辺とを有し、キャビティを囲う側壁（１１２）の下端面が前記金属層に接合材を介し接合される平面視長方形の封止キャップ（１１０）とを備え、と、を備える。そして封止キャップの第３長さの長辺は、ベース平板の第１長さの長辺よりも長く、ベース平板に封止された際に、封止キャップの長辺方向の両端が、ベース平板の長辺方向の両端から出ている。【選択図】 図３

Description

本発明は、電子機器等に用いられる水晶デバイスに関する。特に接合材によりベース板と封止キャップとが接合される水晶デバイスに関する。

水晶デバイスの製造方法は、接続パッドと水晶素子とを導通させて固定した後、封止キャップとベース板とを接合させている。電気製品の小型化に伴い水晶デバイスのパッケージサイズも小型化が要求されるとともに、水晶デバイスの性能の向上も要求されている。水晶デバイスのパッケージの小型化は、水晶デバイスの性能を悪化、特にスプリアスが出やすくなる 又はＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）を悪化させることになる。

水晶振動片の主面の面積が同じである場合に、特許文献１に開示されるように、厚みすべり振動する水晶振動片、例えばＡＴカット水晶振動片は、Ｘ軸に沿う寸法を大きくした方が、設計自由度が高まり、電気的特性の改善、例えばＣＩ値の改善等が図り易い。

特開２０１７−２２０９５４号公報

しかしながら、単純に水晶デバイスのパッケージサイズをＸ軸方向に伸ばすだけでは、標準的なパッケージサイズ（ベース板を基準にした１００８（１ｍｍ×０．８ｍｍ）サイズ、０８０６（０．８ｍｍ×０．６ｍｍ）サイズ等）に合わないためコストがかかり、また実用的ではない問題があった。

そこで、簡易な構造でありながら、小型化されたパッケージサイズであっても水晶デバイスのＣＩ値などの性能を向上させた水晶デバイスを提供する。

本実施形態の水晶デバイスは、長方形の水晶振動片と、セラミックで形成された第１平面と該第１平面の反対面の第２平面とを有し、平面視で第１長さの長辺及び第２長さの短辺を有する長方形のベース平板と、第２平面に長辺と短辺とに沿って枠状に形成される金属層と、ベース平板に載置され、水晶振動片を覆うキャビティと平面視で第３長さの長辺及び第４長さの短辺とを有し、キャビティを囲う側壁の下端面が金属層に接合材を介し接合される平面視長方形の封止キャップと、を備える。そして封止キャップの第３長さの長辺は、ベース平板の第１長さの長辺よりも長く、ベース平板に封止された際に、封止キャップの長辺方向の両端が、ベース平板の長辺方向の両端から出ている水晶デバイスである。 水晶振動片は、長辺が水晶のＸ軸に沿っている水晶片である。

また封止キャップの第４長さの短辺は、ベース平板の第２長さの短辺よりも短く、ベース平板に封止された際に、ベース平板の短辺方向の両端が、封止キャップの短辺方向の両端から出ていることが好ましい。
また封止キャップは、メタライズ層に接する枠状の平面を有し、且つ枠状の平面は長辺方向に第５長さを有しており、封止キャップの長辺方向の両端の一方がベース平板の長辺方向の両端の一方から出ている第６長さは、第５長さの１／２以下であることが好ましい。
封止キャップは、金属製又はセラミック製である。

この発明に係る水晶デバイスは、特に、小型化されたパッケージサイズであっても長辺方向のキャビティが長くなるので、水晶デバイスのＣＩ値などの性能を向上させることができる。

第１実施形態の水晶デバイス１００の分解斜視図である。 （ａ）は、封止された水晶デバイス１００の斜視図であり、（ｂ）は水晶デバイス１００の底面図である。 水晶デバイス１００のＡ−Ａ断面図である。 図３における、フランジ１１４及び金属膜１２５の周辺拡大断面図である。 第２実施形態の水晶デバイス２００の断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。

＜水晶デバイス１００の構成＞
図１は、水晶デバイス１００の分解斜視図である。水晶デバイス１００は、金属製のキャップ１１０と、セラミック製のベース板１２０と、水晶振動片１３０と、により構成されている。水晶振動片１３０には例えばＡＴカット又はＳＣカット等の水晶振動片が用いられる。以下の説明では、圧電片である水晶振動片を使用した水晶デバイスを説明するが、水晶等の圧電フィルタ、圧電発振器などの水晶デバイスにも本実施形態を適用できる。水晶デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００の高さ方向をＹ軸方向、Ｘ及びＹ軸方向に垂直な方向をＺ軸方向として説明する。

水晶デバイス１００では、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に水晶振動片１３０が載置される。さらに水晶振動片１３０を密封するように金属製のキャップ１１０がセラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に接合される。このようにして水晶デバイス１００が完成する。水晶デバイス１００は、プリント基板等に実装される表面実装型の水晶デバイスである。

金属製のキャップ１１０は、不図示の金型でプレスされて＋Ｙ軸方向に凹んだキャビティ１１１を有する箱型形状に形成されている。また、金属製のキャップ１１０は、キャビティ１１１を囲む４枚の壁面１１２と、各壁面１１２の＋Ｙ軸側の辺に接合されている天井面１１３と、各壁面１１２の−Ｙ軸側の辺に、壁面１１２から外側に折れ曲がるようにリング状に形成されるフランジ１１４と、により構成されている。金属製のキャップ１１０は、Ｙ軸方向からみると短辺１１４ｎｓ（Ｚ軸方向）と長辺１１４ｌｓ（Ｘ軸方向）とを有する長方形状である。なお、製造及び取扱等を考慮して、フランジ１１４の角は面取りされた形状であり、金属製のキャップ１１０は、面取りされた長方形である。

水晶振動片１３０において、＋Ｙ軸側及び−Ｙ軸側の面に励振電極１３１が形成されており、それぞれ引出電極１３２が各励振電極１３１から引き出されている。水晶振動片１３０の＋Ｙ軸側の面に形成されている励振電極１３１からは引出電極１３２が−Ｘ軸側に引き出され、さらに引出電極１３２が水晶振動片１３０の−Ｚ軸側の側面を介して−Ｙ軸側の面に引き出されている。また、水晶振動片１３０の−Ｙ軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３１から−Ｘ軸側に伸び、さらに水晶振動片１３０の＋Ｚ軸側の側面を介して＋Ｙ軸側の面にまで引き出されている。

セラミック製のベース板１２０は、上下の主面を有するベース平板１２６を有する。ベース平板１２６は、Ｙ軸方向からみると短辺１２６ｎｓ（Ｚ軸方向）と長辺１２６ｌｓ（Ｘ軸方向）とを有する長方形状である。＋Ｙ軸側の主面に一対の接続パッド１２１が、セラミック製のベース平板１２６に形成されている。各接続パッド１２１は、水晶振動片１３０の各引出電極１３２に電気的に接続される。また、４つの実装端子１２４が、セラミック製のベース板１２０の−Ｙ軸側の主面に形成される。Ｙ軸方向に貫通する一対の貫通電極１２３がセラミック製のベース平板１２６に形成されている。接続パッド１２１と実装端子１２４とは、それぞれ貫通電極１２３（図３を参照）を介して、又は配線電極１２２及び貫通電極１２３を介して電気的に接続される。また、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に形成される電極の全体を囲むように、外周側に枠状の金属膜１２５が、ベース平板１２６の＋Ｙ軸側の面に形成されている。枠状の金属膜１２５は、ベース平板１２６の外周面１２６ｅから幅Ｗ２で形成されている。

金属製のキャップ１１０は、セラミック製のベース板１２０の枠状の金属膜１２５に載置されて、接合材である共晶金属ＥＡによって、封止される。図１では共晶金属ＥＡの存在を明確にするために、個別の枠状の部材として描かれているが、実際には、フランジ１１４又は金属膜１２５に共晶金属ＥＡが塗布されて、リフロー炉等の封止装置で溶融される。

図２（ａ）は、封止された水晶デバイス１００の斜視図である。また図２（ｂ）は封止された水晶デバイス１００の底面図である。図２（ａ）に示されるように、セラミック製のベース板１２０と金属製のキャップ１１０とが、接合材である共晶金属ＥＡで封止されると、Ｚ軸方向の金属膜１２５が幅Ｗ４で観察できる。図２（ａ）では、＋Ｚ軸側の金属膜１２５しか観察できないが、＋Ｚ軸側の金属膜１２５も同様である。

図２（ｂ）に示されるように、接合されたセラミック製のベース板１２０と金属製のキャップ１１０を−Ｙ軸方向から観察すると、±Ｘ軸方向のフランジ１１４（封止面１１４ｐ）が観察できる。ベース平板１２６から飛び出しているフランジ１１４の量は、ベース平板１２６の外周面１２６ｅから幅Ｗ１である。

図３は、図１のＡ−Ａ断面図である。図４は、図３の左側のフランジ及び平板の拡大断面図である。水晶振動片１３０が、セラミック製のベース板１２０の＋Ｙ軸側の面に載置されている。接続パッド１２１の下側（−Ｙ軸側）には金属層を積層しており、接続パッド１２１の高さをＹ軸方向に高くしている。そして、水晶振動片１３０の引出電極１３２とセラミック製のベース板１２０の接続パッド１２１とが導電性接着剤ＣＡを介して電気的に接続されている。つまり、水晶振動片１３０の励振電極１３１は実装端子１２４に電気的に接続される。

Ｘ軸方向に関して、フランジ１１４の一方の外周側１１４ｅから他方の外周側１１４ｅまでの長さは、ベース平板１２６の一方の外周面１２６ｅから他方の外周面１２６ｅの長さよりもＷ１×２だけ長くなっている。つまり、Ｘ軸方向において、金属製のキャップ１１０は、セラミック製のベース板１２０よりも長くなっている。図３では確認できないが図２（ａ）で示されたように、Ｚ軸方向に関して、フランジ１１４の一方の外周側１１４ｅから他方の外周側１１４ｅまでの長さは、ベース平板１２６の一方の外周面１２６ｅから他方の外周面１２６ｅの長さよりもＷ４×２だけ短くなっている。つまり、Ｚ軸方向において、金属製のキャップ１１０は、セラミック製のベース板１２０よりも短くなっている。なお、長さＷ４は１０μｍから３０μｍである。

厚み滑り振動する水晶振動片１３０は、小さくなればなるほどＣＩ値が悪化する。特にＸ軸方向の長さが短いとＣＩ値が悪化しやすい。本実施形態では、特に金属製のキャップ１１０の長辺方向（Ｘ軸方向）が長くなっているため、そのキャビティ内に載置される水晶振動片１３０もＸ軸方向を長くすることができる。このため、本実施形態のパッケージ（キャップ１１０及びベース板１２０）は、スプリアスを出にくくしたりＣＩ値を悪化させにくくしたりすることになる。

接合材である共晶合金ＥＡは、実装端子３４を外部電子機器等の外部基板に接続する際に用いる合金（例えば鉛フリーハンダ等）の２５０℃〜２８０℃の融点より高い融点を有する。共晶合金ＥＡとして、例えば亜鉛アルミニウム（ＺｎＡｌ）系、金スズ（ＡｕＳｎ）系又は銅スズ（ＣｕＳｎ）系で（融点３００℃。合金化後は融点が４００℃を越えるもの）が好ましい。キャップ１１０の接合面１１４ｐ又はベース板１２０の枠状の金属膜１２５の少なくともいずれか一方に共晶合金ＥＡが塗布される。共晶金属ＥＡが塗布された際は、共晶金属ＥＡは、接合面１１４に平行（ＸＺ面）もしくは金属膜１２５に平行（ＸＺ面）に塗布されている。その塗布された共晶金属ＥＡの厚さは１２〜１５μｍである。

実装端子１２４は、ベース平板１２６の外周面１２６ｅからＸ軸方向に所定幅だけ内側に４つ形成されている。４つのうちの１つの実装端子１２４はアース端子であってもよい。図２では示されていないが、実装端子１２４は、ベース板１２０の外周面１２６ｅからＺ軸方向にも幅Ｗ２だけ内側に形成されている。水晶デバイス１００は、実装端子１２４にハンダなどで、プリント基板などに実装される。

ここで図４を参照して、セラミック製のベース板１２０の枠状の金属膜１２５及び、フランジ１１４の封止面１１４ｐについて詳述する。

枠状の金属膜１２５は、メタライズ層１２５ａが形成されてその表面に貴金属層１２５ｂが形成されている。配線電極１２２も、メタライズ層１２２ａが形成されてその表面に貴金属層１２２ｂが形成されている。メタライズ層１２２ａ及びメタライズ層１２５ａは、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）又はそれらの酸化物を主成分とするペーストをセラミックス製のベース平板１２６の表面に塗布し、摂氏１３００度から１７００度での焼成でＭｏ又はＷのメタライズ層を形成する。また貴金属層１２２ｂ及び貴金属層１２５ｂは、Ａｕ（金）又は銀（Ａｇ）等でメッキされて形成される。この貴金属層１２２ｂ及び貴金属層１２５ｂは、接合材である共晶金属ＥＡが溶けて流れやすく材料である。

フランジ１１４の接合面１１４ｐの幅Ｗ３は、金属膜１２５の幅Ｗ２とほぼ同じ幅である。また枠状の金属膜１２５の幅Ｗ２は、金属膜１２５の厚さＴ２の１倍から３倍である。例えば、接合面１１４ｐの幅Ｗ３が７０μｍから８０μｍであり、金属膜１２５の幅Ｗ２も７０μｍから８０μｍであり、金属膜１２５のＴ２は２０μｍから３０μｍである。そして、フランジ１１４の接合面１１４ｐが、ベース平板１２６の外周面１２６ｅから外側に飛び出ている幅Ｗ１は、接合面１１４ｐの幅Ｗ３の１／２以下が好ましい。接合面１１４ｐが、１／２以上出てしまうと封止不良が出る可能性が高くなるからである。なお、フランジ１１４の接合面１１４ｐはベース平板１２６の主面と平行な面である。また接合面１１４ｐの内側（キャビティ側）には、曲面部１１４ｃが形成されている。

金属製のキャップ１１０とベース板１２０とが封止される際に、接合面１１４ｐが枠状の金属膜１２５に載置されて、キャップ１１０とベース板１２０とは所定の封止装置に入れられる。そして共晶合金ＥＡが溶けると、溶けた共晶合金ＥＡが金属膜１２５の外周端１２５ｅにも流れてフィレットＦＴが形成される。また溶けた共晶合金ＥＡが金属膜１２５の内周端１２５ｉにも流れ、それとともに接合面１１４ｐから曲線状につながった金属製のキャップ１１０の曲面部１１４ｃにも共晶金属ＥＡが流れてフィレットＦＴが形成される。共晶合金ＥＡのフィレットＦＴが外周端１２５ｅ及び内周端１２５ｉにも形成されるため、金属製のキャップ１１０と枠状の金属膜１２５とが強固に封止され、水晶振動片１３０はキャビティ１１１内に密封されることになる。

＜水晶デバイス２００の構成＞
図５は、水晶デバイス２００の断面図である。図１から図４と同じ部材には同じ符号を付している。水晶デバイス２００は、セラミック製のキャップ２１０と、セラミック製のベース板１２０と、水晶振動片１３０とにより構成されている。つまり図１から図４では金属製のキャップであったが、水晶デバイス２００はセラミック製のキャップ２１０に代わっている。また図３で示された金属製のキャップと同様に、セラミック製のキャップ２１０は、ベース平板１２６の外周面１２６ｅから幅Ｗ１だけ飛び出ている。セラミック製のキャップ２１０は、平板の天井板２１３と枠状の枠板２１２とからなり、水晶振動片を収容するキャビティ２１１を形成している。天井板２１３は上面２１３Ｕとその反対の下面２１３Ｂとを有する。天井板２１３の下面２１３Ｂはその面の全体にわたって金属膜２１５が形成される。

天井板２１３は、短辺（Ｚ軸方向）と長辺（Ｘ軸方向）とからなる長方形の平板である。天井板２１３の長辺の長さは、ベース平板１２６の長辺の長さよりもＷ１×２長いことが好ましい。図５では図示されていないが、図２（ａ）と同様に、天井板２１３の短辺の長さは、ベース平板１２６の短辺の長さよりもＷ４×２短いことが好ましい。つまり−Ｙ軸方向から見て、セラミック製のキャップ２１０は長辺が飛び出しており、長辺が隠れるようになっている。

枠板２１２は、短辺と長辺とからなる長方形の枠体である。枠板２１２の長辺の長さは、ベース平板１２６の長辺の長さよりもＷ１×２長いことが好ましい。枠板２１２の短辺の長さは、ベース平板１２６の短辺の長さよりもＷ４×２短いことが好ましい。枠板２１２は上面２１２Ｕとその反対の下面２１２Ｂとを有する。

枠板２１２の上面２１２Ｕは、金属膜２１５に接合され、また下面２１２Ｂはその面の全体にわたって金属膜２１７が形成される。枠板２１２の内周面及び外周面にも金属膜２１６が形成される。金属膜２１６を含む枠板２１２の幅は幅Ｗ３で形成されることが好ましい。また枠板２１２の内周面に４面及び外周面に４面があるが、すべての面に金属膜２１６が形成されてもよいし、金属膜２１６が形成されていない面があってもよい。水晶デバイスのシールド効果を高めるためには、枠板２１２の内周面、外周面のすべての面に金属膜２１６又は金属膜２１７が形成されていることが好ましい。また、シールド効果を高めるため、枠板２１２の内周面又は外周面すべてに金属膜２１７が形成されていることが好ましい。金属膜２１５、金属膜２１６及び金属膜２１７は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、またはスズ（Ｓｎ）等からなり、印刷、スパッタ、蒸着、メッキまたはこれらの組み合わせ等によって形成される。

金属膜２１６を含む枠板２１２の幅Ｗ３は、幅Ｗ２と同じ長さである。所定の封止装置で共晶合金ＥＡが溶けると、溶けた共晶合金ＥＡが金属膜１２５の外周端１２５ｅにも流れてフィレットが形成される。共晶合金ＥＡのフィレットが外周端１２５ｅにも形成されるため、セラミック製のキャップ２１０と枠状の金属膜１２５とが強固に封止され、水晶振動片１３０はキャビティ２１１内に密封されることになる。

また第２実施形態では、セラミック製のパッケージとしてアルミナ製を本実施形態に適用してもよいし、アルミナに限らず、窒化アルミニウム、ムライト、ガラス等のセラミックあるいはその他の絶縁材料製のパッケージに適用してもよい。

また本実施形態では、片端固定方式の表面実装型の水晶振動片を提示したが、両端固定方式の表面実装型の水晶振動片に適用可能なことはいうまでもない。

また本実施形態では、パッケージ内に水晶振動片を単体で収容したものを例に説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、パッケージ内に水晶振動片とともにＩＣ等の発振回路を備えて構成した発振器等の電子部品、あるいは半導体素子やチップコンデンサ等の電子部品に適用してもよい。

１００、２００ … 水晶デバイス
１１０ … 金属製のキャップ
１１１ … キャビティ、 １１２ … 壁面
１１３ … 天井面、 １１４ … フランジ
１１４ｐ … 接合面、 １１４ｌｓ … 長辺、 １１４ｎｓ … 短辺
１２０ … セラミック製のベース板
１２１ … 接続パッド、 １２２ … 配線電極
１２３ … 貫通電極、 １２４ … 実装端子
１２５ … 枠状の金属膜 １２５ｅ … 外周端 １２５ｉ … 内周端
１２６ … ベース平板 １２６ｅ … 外周面
１２６ｌｓ … 長辺、 １２６ｎｓ … 短辺
１３０ … 水晶振動片、 １３１ … 励振電極、 １３２ … 引出電極
２１０ … セラミック製のキャップ
ＣＡ … 導電性接着剤
ＥＡ … 接合材（共晶合金）
ＦＴ … フィレット?

Claims (4)

1. 長方形の水晶振動片と、
   セラミックで形成された第１平面と該第１平面の反対面の第２平面とを有し、平面視で第１長さの長辺及び第２長さの短辺を有する長方形のベース平板と、
   前記第２平面に、前記長辺と短辺とに沿って枠状に形成される金属層と、
   前記ベース平板に載置され、前記水晶振動片を覆うキャビティと平面視で第３長さの長辺及び第４長さの短辺とを有し、前記キャビティを囲う側壁の下端面が前記金属層に接合材を介し接合される平面視長方形の封止キャップとを備え、
   前記封止キャップの第３長さの長辺は、前記ベース平板の第１長さの長辺よりも長く、前記ベース平板に封止された際に、前記封止キャップの長辺方向の両端が、前記ベース平板の長辺方向の両端から出ている水晶デバイス。
2. 前記封止キャップの第４長さの短辺は、前記ベース平板の第２長さの短辺よりも短く、前記ベース平板に封止された際に、前記ベース平板の短辺方向の両端が、前記封止キャップの短辺方向の両端から出ている請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記封止キャップは、前記メタライズ層に接する枠状の平面を有し、且つ前記枠状の平面は長辺方向に第５長さを有しており、
   前記封止キャップの長辺方向の両端の一方が前記ベース平板の長辺方向の両端の一方から出ている第６長さは、前記第５長さの１／２以下である請求項１又は請求項２に記載の水晶デバイス。
4. 前記封止キャップは、金属製又はセラミック製である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水晶デバイス。
   

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