JP5101192B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスに関するものである。

図６は、従来の圧電デバイスを示す断面図である。図７は、従来の圧電デバイスを構成する容器体の主面図である。
図６に示すように、圧電デバイスの１つである圧電発振器２００は、セラミック材料等から成る容器体２０１の一方の主面に設けられた第１の凹部空間２０５内に圧電振動素子２０２が搭載されている。第１の凹部空間２０５内の基板部には、圧電振動素子搭載パッド２０６が設けられており、導電性接着剤２０９により、圧電振動素子搭載パッド２０６と圧電振動素子２０２とを接合している。
更に、容器体２０１の凹部空間２０５を覆うように金属製の蓋体２０４を載置し、容器体２０１の側壁頂部と固着することにより、第１の凹部空間２０５内が気密封止されている。
また、前記容器体２０１の他方の主面に形成されている第２の凹部空間２０７内に集積回路素子２０３が搭載されている。この第２の凹部空間２０７内の基板部に設けられた集積回路素子搭載パッド２０８が設けられており、導電性接合材によって集積回路素子２０３と集積回路素子搭載パッド２０８を接合している構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、図７に示すように、容器体２０１の第１の凹部空間内２０５底面に圧電振動素子搭載パッド２０６と接続している配線パターン２１０が形成されており、前記圧電振動素子搭載パッド２０６と集積回路素子搭載パッド２０８が前記配線パターン２１０を介して接続されている構造が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００７−１０４０３２号公報 特開２００６−４２０９６号公報

しかしながら、従来の圧電発振器２００においては、第１の凹部空間内の基板部に配線パターン２１０を形成し、圧電振動素子搭載パッド２０６と集積回路素子搭載パッド２０８が、配線パターン２１０を介して接続されているが、圧電振動素子２０２の励振用電極２０４と配線パターン２１０とが直接対向することにより、励振用電極２０４と配線パターン２１０の間に浮遊容量が発生する。この浮遊容量により、圧電デバイスの発振周波数が変動してしまうといった課題があった。

また、圧電振動素子搭載パッド２０６に塗布された導電性接着剤２０９が圧電振動素子２０２の搭載の際に、配線パターン２１０上に流れ出てしまうため、圧電振動素子２０２の励振用電極２０４の表面に配線パターン上に流れ出た導電性接着剤２０９が近接し、更に浮遊容量が増加して圧電デバイスの発振周波数が大きく変動してしまうといった課題があった。

そこで、本発明は前記課題に鑑みてなされたもので、圧電振動素子と配線パターンとの間の浮遊容量の発生を防止すると共に配線パターン上に導電性接着剤が流れ出てしまうことを防止し、発振周波数の変動を防止することが可能な圧電デバイスを提供することを課題とする。

本発明の圧電デバイスは、基板部の一方の主面に枠部を設けて第１の凹部空間が設けられた容器体と、第１の凹部空間内の基板部の一方の主面上に設けられた、２個の圧電振動素子搭載パッドと、各々の圧電振動素子搭載パッドと電気的に接続した配線パターンと、圧電振動素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子と、第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備えた圧電デバイスであって、第１の凹部空間内の基板部の一方の主面上には、圧電振動搭載パッドの主面中央領域のみが前記第１の凹部空間に露出するように、第１の凹部空間内に露出している基板部の一方の主面と、配線パターンと、圧電振動素子搭載パッドの主面縁部とのすべてを覆う絶縁層が設けられていることを特徴とするものである。

また、絶縁層が酸化アルミニウムまたは、石英ガラスによって構成されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスによれば、基板部の一方の主面に枠部を設けて第１の凹部空間が設けられた容器体と、第１の凹部空間内の基板部に設けられた圧電振動素子搭載パッドに搭載される圧電振動素子と、第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備え、第１の凹部空間内に圧電振動素子搭載パッドを残して形成される絶縁層を備えて構成されていることによって、第１の凹部空間内の基板部に形成された配線パターンが絶縁層で被覆されているので、圧電振動素子の励振用電極と配線パターンとの間に発生する浮遊容量の発生を防止し、圧電デバイスの発振周波数が変動することを防止することができる。
また、電振動素子搭載パッドに塗布された導電性接着剤が圧電振動素子の搭載の際に、絶縁層により、配線パターン上に流れ出てしまうことがないため、圧電振動素子の励振用電極の表面に配線パターン上に流れ出た導電性接着剤が近接することがなくなり、更に浮遊容量が増加して圧電デバイスの発振周波数が大きく変動することを防止することができる。

また、絶縁層が酸化アルミニウム又は石英ガラスによって構成されているので、スクリーン印刷手段により形成することが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。
尚、説明を明りょうにするため説明に不必要な構造体の一部を図示していない。さらに図示した寸法も一部誇張して示している。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスとして圧電振動子を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体主面図である。
以下、圧電デバイスとして圧電振動子を例にして説明する。

図１〜図３に示す圧電振動子１００は、容器体１０と圧電振動素子２０と蓋体３０とで主に構成されている。この圧電振動子１００は、この圧電振動子１００は、前記容器体１０の一方の主面に形成されている第１の凹部空間１１内に、圧電振動素子２０が搭載された構造となっている。

圧電振動素子２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板に励振用電極２１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２１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２１は、前記水晶素板の表裏両主面に被着・形成したものである。
このような圧電振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２１と第１の凹部空間１１内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３とを、導電性接着剤７０を介して電気的且つ機械的に接続することによって第１の凹部空間１１に搭載される。

容器体１０は、基板部１０ａと前記基板部１０ａの両主面に設けられた枠部１０ｂによって構成されている。
例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。
図１及び図２に示すように、基板部１０ａの一方の主面と枠部１０ｂによって第１の凹部空間１１が形成されている。
この容器体１０の第１の凹部空間１１を囲繞する枠部１０ｂの開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターン１６が形成されている。第１の凹部空間１１内の基板部１０ａには、圧電振動素子搭載パッド１３と配線パターン１８が設けられている。
容器体１０の基板部１０ａの他方の主面の四隅には、外部接続用電極端子１４が設けられている。
圧電振動素子搭載パッド１３と外部接続用電極端子１４は、前記容器体１０の第１の凹部空間１１内の基板部１０ａに形成された部分を有する配線パターン１８と基板部１０ａの内部に形成されたビア導体（図示せず）により接続されている。

尚、封止用導体パターン１６は、第１の凹部空間１１を形成する枠部１０ｂの内側の側面及び外側の側面にかかるように、枠部１０ｂの頂面側の端部で止められて設けられていても良い。
この封止用導体パターン１６は、後述する蓋体３０を、容器体１０に接合する際に用いられ、蓋体３０に形成された封止部材３１の濡れ性を良好にして接合しやすくしている。第１の凹部空間の気密信頼性及び生産性を向上させることができる。

励振用電極２１と接続される圧電振動素子搭載パッド１３は、前記容器体１０の第１の凹部空間１１内の基板部１０ａに設けられた配線パターン１８（図３参照）と、前記容器体１０の内部の配線導体（図示せず）やビアホール導体（図示せず）等を介して、外部接続用電極端子１４に電気的に接続される。

絶縁層１９は、酸化アルミニウム又は石英ガラスから構成されている。この絶縁層１８は、酸化アルミニウム等により構成されるアルミナコートや石英ガラス等により構成されるガラスコートにより形成されている。この絶縁層１９は、圧電振動素子搭載パッド１３の主面中央領域が露出するような構造で、圧電振動素子搭載パッド１３及び配線パターン１８を含む第１の凹部空間１１内の基板部１０ａの主面上に設けられている。又、絶縁層１９は、前記圧電振動素子搭載パッド１３の主面中央領域をマスキングするマスク治具を用いてスクリーン印刷手段により設けた後、焼成されることにより形成される。
前記絶縁層１９の厚み寸法は、１０〜５０μｍで形成されている。これは、圧電振動素子搭載パッド１３の厚み寸法よりも厚いので、導電性接着剤７０が圧電振動素子搭載パッド１３に留まる。よって、圧電振動素子２０の励振用電極２１の表面に配線パターン１８上に流れ出た導電性接着剤７０が近接することがなくなり、更に浮遊容量が増加して圧電デバイスの発振周波数が大きく変動することを防止することができる。
例えば、複数個の容器体１０が平面状に配列集合した容器体上の個々の容器体の第２の凹部空間内に、絶縁層１９をスクリーン印刷手段により一括に形成ことができる。

蓋体３０は、容器体１０の第１の凹部空間１１上に配置接合される。この蓋体３０は、前記第１の凹部空間１１に相対する箇所に封止部材３１が設けられている。
また、このような封止部材３１は、前記封止用導体パターン１６表面の凹凸を緩和し、気密性の低下を防ぐことが可能となる。

また、前記容器体１０上に配置される蓋体３０は、従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定形状に整形することによって製作される。蓋体３０の上面には、ニッケル（Ｎｉ）層が形成され、更にニッケル（Ｎｉ）層の上面に少なくとも封止用導体パターン１１に相対する箇所に封止部材３１である金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層が形成される。金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が８０％、錫が２０％のものが使用されている。

前記導電性接着剤７０は、シリコーン樹脂の中に導電性フィラー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（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、圧電振動素子搭載パッド１３、外部接続用電極端子１４、集積回路素子搭載パッド１５、封止用導体パターン１６等となる導体ペーストを、また、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ビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

また、前記封止用導体パターン１６は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、等から成る基層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次、第１の凹部空間１１を環状に囲繞する形態で被着させることによって、１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成されている。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体主面図である。図４は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスとして圧電発振器を示す分解斜視図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
以下、圧電デバイスとして圧電発振器を例にして説明する。

図３〜図５に示す圧電発振器１００は、容器体１０と圧電振動素子２０と蓋体３０と、集積回路素子５０とで主に構成されている。この圧電発振器１００は、前記容器体１０の一方の主面に形成されている第１の凹部空間１１内に、圧電振動素子２０が搭載され、前記容器体１０の他方の主面に形成される第２の凹部空間１２内に集積回路素子５０が搭載された構造となっている。

前記集積回路素子５０は、図４に示すように、回路形成面に圧電振動素子２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子１４の内の所定の端子を介して圧電発振器１００外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。尚、集積回路素子５０は、容器体１０の第２の凹部空間に設けられた集積回路素子搭載パッド１５に搭載されている。

容器体１０は、基板部１０ａと前記基板部１０ａの両主面に設けられた枠部１０ｂ、１０ｃによって構成されている。
例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。
図４及び図５に示すように、基板部１０ａの一方の主面と枠部１０ｂによって第１の凹部空間１１が形成されており、基板部１０ａの他方の主面と枠部１０ｃによって第２の凹部空間１２が形成されている。
この容器体１０の第１の凹部空間１１を囲繞する枠部１０ｂの開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターン１６が形成されている。第１の凹部空間１１内の基板部１０ａには、圧電振動素子搭載パッド１３が設けられている。
この容器体１０の第２の凹部空間１２内の基板部１０ａには、モニタ用電極端子１７が中央部に設けられている。
前記モニタ用電極端子１７の周辺には、前記集積回路素子５０を機械的に接合するための集積回路素子搭載パッド１５が設けられている。
また、前記外部接続用電極端子１４が、第２の凹部空間１２を囲繞する枠部１０ｃの開口側頂面の四隅に設けられている。
圧電振動素子搭載パッド１３と集積回路素子搭載パッド１５は、前記容器体１０の第１の凹部空間１２内の基板部１０ａに形成された部分を有する配線パターン１８と容器体１０の基板部１０ａの内部に形成されたビア導体（図示せず）により接続されている。
尚、モニタ用電極端子１７は、集積回路素子５０と機械的接続は行われてはいない。

集積回路素子搭載パッド１５は、前記容器体１０の第２の凹部空間１２内の基板部１０ａの中央部に設けられたモニタ用電極端子１７の周辺に設けられている。
また、集積回路素子搭載パッド１５は、集積回路素子５０に形成されている接続パッドが半田や導電性接着剤等の導電性接合材６０（図５参照）を介して電気的且つ機械的に接続される。また、集積回路素子搭載パッド１５は、容器体１０の第２の凹部空間１２内の基板部１０ａに形成されている配線パターンや容器体１０の第１の凹部空間１１内の基板部１０ａに形成されている配線パターン１８や容器体１０の内部に形成されている配線導体（図示せず）やビアホール導体（図示せず）等を介して集積回路素子５０内の電子回路が水晶振動素子２０や外部接続用電極端子１４に電気的に接続される。

モニタ用電極端子１７は、前記容器体１０の他方の主面の第２の凹部空間１２内の基板部１０ａの中央部に設けられており、集積回路素子搭載パッド１５よりも大きい形状で形成されている。
また、前記モニタ用電極端子１７は、前記容器体１０の第１の凹部空間１１内の基板部１０ａに設けられている圧電振動素子搭載パッド１３を介して、前記圧電振動素子２０と接続されており、前記圧電振動素子２０のＣＩ（クリスタルインピーダンス）値や共振周波数値等の電気的特性を測定するために用いる。

また、前記絶縁層１９を前記容器体１０の第１の凹部空間１１の基板部１０ａに形成することによって、前記絶縁層１９の膨張により前記容器体１０の反りが緩和されることになり、前記容器体１０の第２凹部空間１２内底面に集積回路素子５０を搭載する際に、集積回路素子５０を確実に搭載し、接合強度を確保することが可能となる。

また、４つの外部接続用電極端子１４のうち、グランド端子と発振出力端子を近接に配置するようにすれば、発振出力端子より出力される発振信号にノイズが干渉するのを有効に防止することができる。従って、グランド端子と発振出力端子は近接させて配置することが好ましい。

（第３の実施形態）
圧電発振器は、第１の容器体と第２の容器体と圧電振動素子と蓋体と、集積回路素子とで主に構成されている。この圧電発振器は、第１の容器体の一方の主面に形成されている凹部空間内に、圧電振動素子が搭載され、第２の容器体の一方の主面に形成される凹部空間１２内に集積回路素子５０が搭載されており、前記第１の容器体の他方の主面に形成されている第２の容器体接続用端子と前記第２の容器体の主面に形成された第１の容器体接続用電極端子が接合された構造となっていても構わない。

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。
例えば、前記した本実施形態では、圧電振動素子２０を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスとして圧電振動子を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体主面図である。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスとして圧電発振器を示す分解斜視図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 従来における圧電デバイスを示す断面図である。 従来における圧電デバイスを構成する容器体主面図である。

符号の説明

１０・・・容器体
１０ａ・・・基板部
１０ｂ、１０ｃ・・・枠部
１１・・・第１の凹部空間
１２・・・第２の凹部空間
１３・・・圧電振動素子搭載パッド
１４・・・外部接続用電極端子
１５・・・集積回路素子搭載パッド
１６・・・封止用導体パターン
１７・・・モニタ用電極端子
１８・・・配線パターン
１９・・・絶縁層
２０・・・圧電振動素子
２１・・・励振用電極
３０・・・蓋体
３１・・・封止部材
５０・・・集積回路素子
６０・・・導電性接合材
７０・・・導電性接着剤
１００・・・圧電デバイス（圧電振動子 圧電発振器）

Claims (2)

1. 基板部の一方の主面に枠部を設けて第１の凹部空間が設けられた容器体と、
   前記第１の凹部空間内の前記基板部の一方の主面上に設けられた、２個の圧電振動素子搭載パッドと、各々の前記圧電振動素子搭載パッドと電気的に接続した配線パターンと、
   前記圧電振動素子搭載パッドに搭載された圧電振動素子と、
   前記第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備えた圧電デバイスであって、
   前記第１の凹部空間内の前記基板部の一方の主面上には、前記圧電振動搭載パッドの主面中央領域のみが前記第１の凹部空間に露出するように、前記第１の凹部空間内に露出している前記基板部の一方の主面と、前記配線パターンと、前記圧電振動素子搭載パッドの主面縁部とのすべてを覆う絶縁層が設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記絶縁層が酸化アルミニウム又は石英ガラスによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。

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