JP5371387B2 - 水晶振動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いられる表面実装用の水晶振動デバイスに関するものである。

近年の電子機器の高機能化に伴い内部の電子部品の小型薄型化が進められている。水晶振動子もその例外ではなく、ディップ部品から表面実装部品となり、更には年間７割程度の面積の低下を要求されている。

このような水晶振動子のパッケージは、例えば、水晶振動板を実装するベース部材と、水晶振動子を密閉するためにベース部材に被せるキャップ部材から成り、ベース部材には、水晶振動板と電気接続するためにパッケージ内部に形成された端子電極があり、端子電極上に導電性接着剤にて水晶振動板を実装している（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−３１４０８３号公報

このような従来の水晶振動板の実装方法では、以下の理由で水晶振動デバイスの小型薄型化に限界が生じている。それは、導電性接着剤を用いて水晶振動板を固定するために生じる問題である。

まず水晶振動板を実装した際に高さが高くなる問題がある。水晶振動板の一端のみが導電性接着剤によって固定されるため、他端が下側に傾くようになる。水晶振動板の他端がベース基板に接触すると振動特性が不良となる。そのため、水晶振動板の他端を固定部より高く傾かせて固定するか、下側への傾きの許容角度を大きくするために導電性接着剤を高く盛っていた。

また、水晶振動板の実装時の姿勢や位置精度を考慮して、パッケージのｘｙ寸法を大きくとらなければならない。水晶振動板やその表面上に成膜している電極金属と導電性接着剤との濡れ方によって、また、導電性接着剤が不均一に硬化してしまう場合などに、水晶振動板が平面内で回転して固着されるためである。水晶振動板がパッケージ内部側壁に接触すると振動特性が不良となる。従って水晶振動板を収めるキャビティに、水晶振動板の位置や姿勢を加味した空間をとる必要があった。

更に導電性接着剤によると、十分な接着強度を得るために接着面を大きくする必要がある。従って有効な振動特性を得るための励振電極の面積を確保した上で、接着用の面積を大きく取る必要があるため、水晶振動板の寸法が大きくなってしまっていた。

上記三点から、導電性接着剤を用いる固定方法では水晶振動デバイスを小型薄型化することは困難である。これらを解決するためには、水晶振動板を固定する際に動かないこと、水平を保てること、小面積で十分な接着強度があることが必要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型薄型で高品質な水晶振動デバイスを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、一対の励振電極及び前記各励振電極から周縁部に向かって夫々引き出し電極が形成された水晶振動板と、
上面に端子電極を形成しており、該面側に前記水晶振動板を実装するベース部材と、
前記水晶振動板を内部に収めるキャビティを有し、前記ベース部材と接合してキャビティ内を気密封止するパッケージ部材、
を有する水晶振動デバイスであって、
前記水晶振動板と前記ベース部材とが金属接合膜により接合され、前記金属接合膜が前記引き出し電極及び前記端子電極と電気接続されてなることを特徴とする水晶振動デバイスである。

これにより、金属接合膜により水晶振動板とベース部材とが固定されるため、小面積で十分な接着強度が得られる。また金属を接合膜に使う接合では、水晶振動板とベース部材とを平行に固定した上で、熱、電界、振動などによりエネルギーを投入して行うものであるから、水晶振動板を固定する際に動くことが無く、水晶振動板とベース部材とが平行に保たれる。以上から、小型薄型の水晶振動デバイスの作製が可能となる。

本発明の第２の態様は、前記引き出し電極の上に前記金属接合膜が層状に形成していることを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。

これにより、引き出し電極と金属接合膜との電気接続を容易にとることができるようになる。

本発明の第３の態様は、前記引き出し電極が前記金属接合膜であることを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、引き出し電極を形成する際に金属接合膜を形成することができるため、製造工程を簡略化できると共に、引き出し電極と金属接合膜との界面での抵抗を考慮する必要が無くなり、工程が安定化すると共に製品の品質を向上できる。
ここで引き出し電極のみならず、励振電極も金属接合膜と同一の膜構成としても良い。更なる工程の簡略化、特性向上が可能となる。

本発明の第４の態様は、前記金属接合膜が前記水晶振動板端部まで形成されていることを特徴とする第２もしくは第３の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、接合部をより水晶振動板の端部にすることができるため、水晶振動板を小さくすることができる。
ここで、金属接合膜が水晶振動板の端部から水晶振動板の側面まで成膜されていても良い。これは金属接合膜の成膜時に、側面まで成膜されるようなマスク形状にして形成できるものである。

本発明の第５の態様は、前記金属接合膜の端部に前記端子電極と同一組成の金属層が形成して成ることを特徴とする第４の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、端子電極と金属接合膜の電気接続が可能となる。金属接合膜が水晶振動板の端部にある場合は金属接合膜の側面に、また、金属接合膜が水晶振動板の側面まで成膜されている場合はこの側面の金属接合膜に、端子電極が成膜されることとなる。この場合、水晶振動板とベース部材とを接合した後、端子電極を成膜することにより、金属接合膜端部及びベース部材に端子電極を形成することができる。

本発明の第６の態様は、前記引き出し電極の内、一方の電極のみが前記金属接合膜と接続されており、他方の電極は導電性接着剤にて前記端子電極と電気接続されていることを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、水晶振動板の固定は金属接合膜での接合により達成されるため、導電性接着剤は引き出し電極と端子電極の電気接続のみ行えばよく、固定のための強度を必要としなくなる。つまり導電性接着剤の量を少なくできるため、従来の導電性接着剤を用いた場合とは異なり、接着用の面積を小さくしてもよく、パッケージサイズを小型薄型化できる。

本発明の第７の態様は、前記導電性接着剤が、前記水晶振動板の前記金属接合膜に対向する面と前記端子電極とを接続してなることを特徴とする第６の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、引き出し電極が水晶振動板の金属接合膜と対向する面に形成されていたとしても、引き出し電極と端子電極とを電気接続可能となる。

本発明の第８の態様は、前記各引き出し電極が、夫々前記金属接合膜を介して前記端子電極と電気接続してなることを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、接合プロセスにて引き出し電極と端子電極とを電気接続することができるようになる。

本発明の第９の態様は、前記ベース部材の線膨張率が、前記水晶振動板の線膨張率の−５×１０^-6／Ｋ以上、＋５×１０^-6／Ｋ以下であることを特徴とする第８の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、ベース部材と水晶振動板の線膨張率の違いによる振動特性の劣化が起きなくなる。
更には、ベース部材の線膨張率が水晶振動板の線膨張率の−３×１０^-6／Ｋ以上、＋３×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。より高品質の温度特性を得ることができるためである。

本発明の第１０の態様は、前記ベース部材の上面が平坦であることを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、キャビティの深さを小さくすることができるようになる。金属接合膜と引き出し電極との間で段差がある場合に振動特性上有効となる。

本発明の第１１の態様は、前記ベース部材の前記水晶振動板と相対する部位で、前記ベース部材の前記水晶振動板との接合部を除く部位に凹部を有することを特徴とする第１の態様の水晶振動デバイスである。
これにより、水晶振動板の振動をベース部材が抑制しないため、振動特性の良い水晶振動デバイスとすることが出来る。

かかる本発明では、水晶振動板とベース部材とが金属接合膜により接合され、金属接合膜が水晶振動板上の引き出し電極及びベース部材上の端子電極と電気接続されている。従って、金属膜による接合によれば小面積で十分な固定強度が得られるため、接合部の面積を小さくでき、また、水晶振動板の位置や姿勢を精度良く制御することができるようになる。従って水晶振動板やパッケージ部材を小型化できるようになるため、小型薄型の水晶振動デバイスを提供することが可能となる。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの概略構成を示す断面図である。また図２は本発明の実施形態１にかかわる水晶振動デバイスの内部の概略構成を示す平面図である。

図１、図２に示すように、水晶振動デバイスは、一対の励振電極１３、１４とそれぞれに連結している引き出し電極１１、１２が向かい合う面に形成された水晶板１０と、端子電極２１、２２と外部端子２５、２６が向かい合う面に形成されており、それぞれが貫通電極２３、２４で接続されているベース部材２０と、キャビティを有するリッド部材２７から成っており、ベース部材２０とリッド部材２７が接合されることによりリッド部材２７のキャビティが密閉空間を成しており、リッド部材側壁２７ｂに囲まれた該キャビティには水晶板１０が収まるように配置されており、ベース部材２０の端子電極２１と水晶振動板１０の引き出し電極１１とが金属接合膜３０とで接合されることにより、水晶振動板１０とベース部材２０とが接合され、固定、電気接続されているものである。また同様に端子電極２２と引き出し電極１２も金属接合膜により接合されている。

図３は本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの断面図であり、金属接合膜３０近傍を拡大した概略構成図である。

図３に示すように、水晶振動板１０に形成された引き出し電極１１と、ベース部材２０に形成された端子電極２１とを、金属接合膜３０で接合することにより、水晶振動板１０とベース部材２０とを固定すると共に各電極を電気接続している。金属接合膜３０を用いることにより端子電極２１から引き出し電極１１までの高さは数１０００Åから数μｍとなり、従来の導電性接着剤を用いた実装と比較して格段に薄型化することができるようになった。また金属膜を接合膜として用いるプロセスにおいては、水晶板１０を上部から加重し、水晶板１０がベース部材２０に対して平行に配置される。以上から水晶板１０の実装高さを低下することができ、水晶振動デバイスを小型薄型化できるようになった。

図４は本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの断面図であり、接合部の膜組成を示す概略構成図である。

図４に示すように、接合部は多層の金属層から成っている。水晶板１０側から記載すると、引き出し電極１１のクロム、金、次に、ニッケル層３２、金錫層３１、ニッケル層３３、そして端子電極２１の金、クロムとなっている。ニッケル層３２、３３は厚み１μｍ、金錫層３１は厚み５μｍである。

作製方法は次の通りである。水晶板１０とベース部材２０に夫々引き出し電極１１と端子電極２１をスパッタにて形成した後、湿式めっきのストライクニッケルめっき、ニッケルめっき、金めっき、錫めっきを施し、次に互いの錫めっき層を向かい合わせ、３５０℃にて加熱圧着した。また水晶板１０側のみ、もしくは、ベース部材２０側のみに錫めっきを施し、この錫めっきと他方の金めっきとを向かい合わせて熱圧着する方法も試みた。いずれの場合においても、金と錫とが拡散し、接合することができた。ちなみにニッケル層３２、３３は錫が引き出し電極１１、端子電極２１に拡散しないようにするためのバリア層である。

さて、上記では引き出し電極１１、端子電極２１の金層の上に密着良くニッケルめっきをするためにストライクニッケルを行った。図示していないが、接合部の引き出し電極１１、端子電極２１の組成をクロム、銅という組成にすることにより、銅上に直接ニッケルめっきを施した。この場合も密着性が良い接合を行うことが出来た。

本実施形態では、引き出し電極１１と引き出し電極１２の二箇所で水晶板１０とベース部材２０とが接合されている。両者の熱膨張率が異なると温度特性に重大な影響を及ぼす。したがって、熱膨張率が比較的近いソーダライムガラスをベース部材２０に用いた。
以上の通り、引き出し電極１１と端子電極２１との間に高さ７μｍの接合部を形成した。従来の導電性接着剤では高さが１００μｍと成ってしまっていたのに対し、極めて低い実装高さが得られた。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る水晶振動デバイスを示す断面図であり、金属接合膜３０近傍を拡大した概略構成図である。水晶板１０、ベース部材２０、リッド部材２７の配置は図１、図２と同様である。

図５に示すように、本実施形態では接合部の膜組成は、水晶板１０側から、引き出し電極１１のクロム、金、次に、アルミニウム層３４となっている。アルミニウム層３４は直接ベース部材２０と接合している。接合方法は陽極接合であり、アルミニウム層厚みは１０００Åである。作製方法は、引き出し電極１１とアルミニウム層３４を水晶板１０の端部に接して形成し、ベース部材２１とアルミニウム層３４とを接合した後に端子電極２１を水晶板１０、引き出し電極１１、アルミニウム層３４の側面とベース部材２０表面とに形成した。このように、少なくともアルミニウム層３４に接して端子電極２１を形成することにより、電気接続も可能となった。
以上の通り、接合部高さは１０００Åと低く、薄型の水晶振動デバイスを作製することができた。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る水晶振動デバイスを示す断面図であり、金属接合膜３０近傍を拡大した概略構成図である。水晶板１０、ベース部材２０、リッド部材２７の配置は図１、図２と同様である。

図６に示すように、本実施形態では、引き出し電極１１をアルミニウムで形成した。またこれを接合膜として用い、ベース部材２０と水晶板１０とを接合した。接合後端子電極２１を引き出し電極１１側面に接するようにして形成し、電気接続を行った。

本実施携帯では、水晶板１０の接合部以外の部位と相対するベース部材２０の部位に凹部２８を設けた。凹部深さは１μｍである。これは引き出し電極をそのまま接合部として用いたため、接合時に水晶板１０とベース部材２０とが接触してしまわないようにするためである。図示していないが、同様の目的で、ベース部材２０の接合部を凸状にしても良いし、引き出し電極１１の厚みを接合部のみ厚くしても良い。

図７は、図６とは異なる構造の実施形態２に係る水晶振動デバイスを示す断面図であり、金属接合膜３０近傍を拡大した概略構成図である。水晶板１０、ベース部材２０、リッド部材２７の配置は図１、図２と同様である。

図７に示すように、図６と同様に、引き出し電極１１をアルミニウムで形成した。またこれを接合膜として用い、ベース部材２０と水晶板１０とを接合した。引き出し電極１１は水晶板１０側面まで成膜した。接合後端子電極２１を、水晶板１０側面の引き出し電極１１に接するようにして形成し、電気接続を行った。図７は電気接続を確実に行うための構造である。
以上の通り、水晶板１０とベース部材２０とを近接して実装することにより、薄型の水晶振動デバイスを作製することができた。

（実施形態４）
図８は本発明の実施形態４に係る水晶振動デバイスの内部の概略構成を示す平面図である。水晶板１０、ベース部材２０、リッド部材２７の配置は図１、図２と同様であるが、引き出し電極１１と端子電極２１とが金属接合膜で接合されているのに対し、引き出し電極１２と端子電極２２とは導電性接着剤３５で電気接続されている。

図９は、実施形態４に係る水晶振動デバイスを示す断面図であり、引き出し電極１２と端子電極２２との導電性接着剤３５での電気接続部位を拡大したものである。引き出し電極１２は、水晶板１０側面を経てベース板２０側まで形成した。導電性接着剤３５を引き出し電極１２と端子電極２２の間に挿入して固着させた。これは、引き出し電極１１と端子電極２１との金属接合後に、導電性接着剤３５を注入して硬化させることにより作製した。

図１０は、図９とは異なる構造の実施形態４に係る水晶振動デバイスを示す断面図であり、引き出し電極１２と端子電極２２との導電性接着剤３５での電気接続部位を拡大したものである。引き出し電極１２は、水晶板１０側面まで形成した。導電性接着剤３５は引き出し電極１２上部から端子電極２２に連結させて固着させた。これも図９の場合と同様に、引き出し電極１１と端子電極２１との金属接合後に導電性接着剤３５を塗布し、硬化させた。

金属接合後に、他方の電極の接続を導電性接着剤３５にて行う方法は、従来の導電性接着剤で固定、電気接続する方法と比較して、導電性接着剤３５の量を極めて少なく出来る。理由は、接合部高さが低いこと、水晶板１０の固定は金属膜による接合にて行っているために、導電性接着剤にて強度を高くする必要がないためである。

また金属による接合が一方の電極であり、他方の電極は固着強度の弱い導電性接着剤によるため、水晶板１０とベース部材２０との間で熱膨張率をそろえる必要がない。ベース部材２０をセラミックにしても良い。
上記の通り、導電性接着剤の量を少なくした構造とすることで、小型の水晶振動デバイスを作製することが可能となった。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、上述の各実施形態の構成を組み合わせてもよいことは言うまでもない。

本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの内部の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態１に係る水晶振動デバイスの接合部の膜組成の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態３に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る水晶振動デバイスの内部の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施形態４に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態４に係る水晶振動デバイスの接合部の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 水晶板
１１ 引き出し電極
１２ 引き出し電極
１３ 励振電極
１４ 励振電極
２０ ベース部材
２１ 端子電極
２２ 端子電極
２３ 貫通電極
２４ 貫通電極
２５ 外部端子
２６ 外部端子
２７ リッド部材
２７ｂ リッド部材側壁
２８ 凹部
３０ 金属接合膜
３１ 金錫層
３２ ニッケル層
３３ ニッケル層
３４ アルミニウム層
３５ 導電性接着剤

Claims (7)

1. 上面に端子電極を形成するベース部材と、前記ベース部材と接合し、前記ベース部材との間に気密封止されたキャビティを形成するリッド部材と、一対の励振電極及び前記各励振電極から周縁部に向かって夫々引き出し電極を形成するとともに、前記ベース部材に実装され、前記キャビティの内部に収められる水晶振動板と、を有する水晶振動デバイスであって、
   前記水晶振動板と前記ベース部材とは、金属接合膜で接合され、
   前記金属接合膜は、前記引き出し電極及び前記端子電極に電気接続し、前記水晶振動板の前記周縁部側の端部に接して形成されるとともに、前記ベース部材の前記上面に接合され、
   前記端子電極は、前記金属接合膜の前記端部側の側面に接し、
   前記引き出し電極の内、一方の電極のみが前記金属接合膜と接続されており、他方の電極は導電性接着剤にて前記端子電極と電気接続されていることを特徴とする水晶振動デバイス
2. 前記導電性接着剤が、前記水晶振動板の前記金属接合膜に対向する面と前記端子電極とを接続してなる請求項１に記載の水晶振動デバイス。
3. 前記引き出し電極が前記金属接合膜である請求項１又は請求項２に記載の水晶振動デバイス。
4. 前記金属接合膜の端部に前記端子電極と同一組成の金属層が形成して成る請求項１から３のいずれか一項に記載の水晶振動デバイス。
5. 前記各引き出し電極が、夫々前記金属接合膜を介して前記端子電極と電気接続してなる請求項１記載の水晶振動デバイス。
6. 前記ベース部材の上面が平坦である請求項１記載の水晶振動デバイス。
7. 前記ベース部材の前記水晶振動板と相対する部位で、前記ベース部材の前記水晶振動板との接合部を除く部位に凹部を有する請求項１記載の水晶振動デバイス。

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