JP5907741B2

JP5907741B2 - 水晶デバイス及びその製造方法

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Publication number: JP5907741B2
Application number: JP2012018389A
Authority: JP
Inventors: 文生藤崎
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157884A

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイス及びその製造方法に関するものである。

従来の水晶デバイスは、パッケージの基板部に設けられている一対の電極パッドの各々に導電性接着剤が設けられ、水晶素子がその導電性接着剤を介して接合されたものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

なお、水晶デバイスの製造方法は、基板部に設けられている一対の電極パッドに導電性接着剤が設けられ、その導電性接着剤の上に水晶素子を載置し接合する工程を含むものである。

特開２００２−１１１４３５号公報

上述した水晶デバイスは、一対の電極パッドにそれぞれ導電性接着剤が設けられるが、小型化した水晶デバイスでは、左右の電極パッドに設けられた導電性接着剤の大きさを調整することが難しく、導電性接着剤の大きさが必要以上に異なる虞がある。そして、導電性接着剤の大きさが異なることで、導電性接着剤の左右バランスが崩れ、左右の電極パッド間で応力差が生じやすかった。さらに、左右の電極パッド間で応力差が必要以上に生じることで、水晶素子に傾きが生じ、水晶素子は、バランスが取れずに基板部に接触し、水晶素子の発振周波数が変動する虞があった。

本発明は、左右の電極パッドに設けられた導電性接着剤の熱応力を左右均等にし、水晶素子が基板部に接触しないようにバランスを取ることで、水晶素子の発振周波数を良好に維持し続けることが可能な水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法を提供する。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板部と基板部上に設けられた一対の電極パッドとを有しているパッケージと、バインダーと導電性粉末とを有する導電性接着剤と、一対の接続用電極を有しており、一対の接続用電極のそれぞれが導電性接着剤によって電極パッドに接合された水晶素子と、一対の電極パッド間の領域において導電性接着剤を分離するように、導電性接着剤の内側表面と基板部の上面から形成された直線状の溝部と、を備え、溝部内の導電性接着剤の表面に露出しているバインダーのみが炭化している。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、一対の電極パッドに設けられた導電性接着剤の熱応力を左右均等にし、水晶素子が基板部に接触しないようにバランスを取りやすくすることで、水晶素子の発振周波数を良好に維持し続けることが可能となる。

本実施形態における水晶デバイスを示す分解斜視図である。（ａ）は図１に示された水晶デバイスのＡ−Ａにおける断面図であり、（ｂ）は図１に示された水晶デバイスのＢ−Ｂにおける断面図である。図２（ｂ）に示された水晶デバイスのＣ部分を示す部分拡大図である。本実施形態における水晶デバイスの蓋体及び水晶素子を外した状態を示すパッケージの平面図である。（ａ）は、本実施形態における水晶デバイスの製造方法の導電性接着剤を設ける工程を示す断面図であり、（ｂ）は、本実施形態における水晶デバイスの製造方法の水晶素子を接合する工程を示す断面図であり、（ｃ）は、本実施形態における水晶デバイスの製造方法の導電性接着剤を除去する工程を示す断面図である。

なお、本実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態における水晶デバイスの製造方法は、図５を参照して説明する。

図１及び図２に示されているように、水晶デバイスは、パッケージ１１０と、パッケージ１１０に接合された水晶素子１２０とを含んでいる。

パッケージ１１０は、基板部１１０ａと、基板部１１０ａ上に設けられた枠部１１０ｂと、基板部１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１と、基板部１１０ａの下面に設けられた複数の外部接続用端子Ｇとを含んでいる。パッケージ１１０は、基板部１１０ａ及び枠部１１０ｂによって囲まれた凹部Ｋ１を有している。

基板部１１０ａは、第１主面（上面）で水晶素子１２０等を支持するための支持部材として機能するものである。基板部１１０ａの
第１主面（上面）には、導体膜ＨＢと、該導体膜ＨＢの内側に水晶素子１２０を接合するための電極パッド１１１とが設けられ、第２主面（下面）には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板部１１０ａは、例えば、アルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなる絶縁層を１層又は複数層積層することによって形成されている。基板部１１０ａの表面及び内部には、第１主面の電極パッド１１１と第２主面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

ここで、基板部１１０ａの作製方法について説明する。基板部１１０ａが、アルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートの表面或いは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、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、電極パッド１１１、導体膜ＨＢ及び外部接続用電極端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより、基板部１１０ａが製作される。

枠部１１０ｂは、Ａｇ−Ｃｕ等のロウ材を介して基板部１１０ａの導体膜ＨＢに接合されている。枠部１１０ｂは、基板部１１０ａ上に水晶素子１２０を収容するための凹部Ｋ１を形成するためのスペーサとして機能するものである。枠部１１０ｂは、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの金属によって環状をなすように形成され、導体膜ＨＢや基板部１１０ａの配線パターン等を介して外部接続用電極端子Ｇの１つであるグランド端子と電気的に接続されている。

枠部１１０ｂは、金属板を従来周知の打ち抜き加工することによって製作される。枠部１１０ｂは、Ａｇ−Ｃｕ等のロウ材を介して基板部１１０ａの導体膜ＨＢ上に載置させ、しかる後、ロウ材を７００℃〜９００℃の温度で加熱溶融させることにより、基板部１１０ａの第１主面に接合される。

水晶素子１２０は、長方形状をなす水晶素板１２１の両主面に励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が励振用電極１２２を介して水晶素板１２１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１２１は、人工水晶体からＡＴカットアングルで切断され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。

水晶素子１２０は、パッケージ１１０の基板部１１０ａに設けられている電極パッド１１１に導電性接着剤ＤＳを介して接続されている。本形態においては、水晶素子１２０の長辺方向の一端側を固定端とし、他端側を自由端とした片保持構造にて水晶素子１２０がパッケージ１１０の基板部１１０ａ上に固定されている。

水晶素子１２０のパッケージ１１０への接合は、電極パッド１１１に導電性接着剤ＤＳを例えばディスペンサ等によって塗布し、水晶素子１２０を治具等で固定されたパッケージ１１０の凹部Ｋ１内における導電性接着剤ＤＳ上に搬送し、水晶素子１２０を導電性接着剤１２０上に載置する。そして導電性接着剤ＤＳを加熱硬化させることによって水晶素子１２０がパッケージ１１０に接合される。

導電性接着剤ＤＳは、バインダーＢ１の中に導電フィラーとして導電性粉末Ｆ１が含有されているものであり、導電性粉末Ｆ１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）又はニッケル鉄（ＮｉＦｅ）のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーＢ１としては、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等が用いられる。

また、図２（ｂ）に示されているように、直線状の溝部Ｍ１は、一対の電極パッド１１１間の領域Ａ（図４参照）において導電性接着剤ＤＳを分離するようにして設けられている。溝部Ｍ１は、直線状であって、拡大したときは平面視して矩形状に形成されている。直線状の溝部Ｍ１の深さ方向の長さは、約１０〜１５μｍである。また、溝部Ｍ１を平面視したときの一辺の長さは、約２００〜４００μｍである。直線状の溝部Ｍ１が設けられていることよって、一対の電極パッド１１１の間には、導電性接着剤ＤＳが一対の電極パッド１１１のどちらか一方に偏って被着しないようにすることができる。そして、一対の電極パッド１１１上に設けられる導電性接着剤ＤＳ同士の量に、大きな差がでるのを抑制することで、一対の電極パッド１１１上に設けられる導電性接着剤ＤＳの左右バランスを調整することができる。その結果、水晶デバイスは、一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤ＤＳの熱応力を左右均等に近づけることができ、一対の導電性接着剤ＤＳから水晶素子１２０に偏った熱応力が加わるのを抑制することで、水晶素子１２０が基板部１１０ａに接触しないようにバランスを取りやすくすることができる。

図３に示されているように、溝部Ｍ１の表面に露出しているバインダーＢ１は、炭化されている。ここで、“炭化”とは、有機材料であるバインダーＢ１にレーザ光を照射することに伴う熱が加えられ、有機材料が分解し焦げた状態になることをいう。なお、溝部Ｍ１の表面が焦げたかどうかは、黒色又は茶色になっているかで判別する。一対の電極パッド１１１上に設けられた導電性接着剤ＤＳは、炭化したバインダーＢ１の分子間の距離が、炭化する前のバインダーＢ１の分子間の距離よりも短くなることで、熱によって膨張しにくい構造となるため、溝部Ｍ１の箇所は熱膨張しにくくなる。溝部Ｍ１の表面に露出しているバインダーＢ１が炭化されていることによって、導電性接着剤ＤＳが溝部Ｍ１側に熱膨張することを抑えることができ、隣り合う導電性接着剤同士が接触することを低減することができる。

図３に示されているように、導電性粉末Ｆ１は、溝部Ｍ１の表面から露出している。例えば、導電性粉末Ｆ１の一例である銀は、凹部Ｋ１内に残っている酸素と反応し酸化銀となる。よって、水晶デバイスは、凹部Ｋ１内の酸素濃度が下がることから凹部Ｋ１内の真空度がさらに向上されることになる。

図３に示されているように、溝部Ｍ１の表面には凹凸が設けられ、凹凸の算術平均粗さＲａは、約０．５〜２．０μｍである。溝部Ｍ１の表面に凹凸が設けられていることによって、水晶デバイスは、凹凸同士の間で応力を分散させることができ、溝部Ｍ１側に働く熱応力が拡散されることで、水晶素子に加わる熱応力を緩和することができ、水晶素子１２０が基板部１１０ａに接触しないようにさらにバランスを取れるようにすることができる。

蓋体１３０は、例えばＦｅ−Ｎｉ合金又はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の枠部１１０ｂ上に載置され、枠部１１０ｂの表面の金属と蓋体１３０の金属の一部とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、枠部１１０ｂに接合される。

本実施形態における水晶デバイスは、導電性接着剤ＤＳが一対の電極パッド１１１間の領域Ａ（図４参照）において基板部１１０ａにも付着していることによって、導電性接着剤ＤＳが電極パッド１１１及び基板部１１０ａとの両方に付着しているので、導電性接着剤ＤＳと電極パッド１１１及び基板部１１０ａとの剥がれを低減することができる。

本実施形態における水晶デバイスは、一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤ＤＳの熱応力を左右均等に加わるように調整することができ、水晶素子１２０が基板部１１０ａに接触しないようにバランスを取りやすくすることで、水晶素子１２０の発振周波数を良好に維持し続けることが可能となる。

本実施形態における水晶デバイスは、溝部Ｍ１の内側表面のバインダーが炭化していることによって、導電性接着剤ＤＳが溝部Ｍ１側に熱膨張することを抑えることができ、隣り合う導電性接着剤ＤＳ同士が接触することを低減することができる。よって、本実施形態における水晶デバイスは、隣り合う導電性接着剤ＤＳが接触することによって生じる導通不良を低減することができる。

本実施形態における水晶デバイスは、溝部Ｍ１の表面からが導電性粉末が露出しているため、凹部内に残っている酸素が露出した導電性粉末Ｆ１と反応し酸化物となり、凹部Ｋ１内の酸素濃度が下がることから真空度がさらに向上されるため、水晶素子１２０の電気的特性であるクリスタルインピーダンス値を下げた値にすることができる。

本実施形態における水晶デバイスは、溝部Ｍ１の表面に凹凸が設けられていることによって、表面積を大きくし、溝部Ｍ１側に働く熱応力が拡散されることで、水晶素子に加わる熱応力を緩和することができ、水晶素子１２０が基板部１１０ａに接触しないようにさらにバランスを取れるようにすることができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の発振周波数を良好に維持し続けることが可能となる。

以下、本実施形態における水晶デバイスの製造方法について説明する。

図５に示されているように、水晶デバイスの製造方法は、導電性接着剤ＤＳをパッケージ１１０の一対の電極パッド１１１に跨るように設けて、一対の電極パッド１１１に水晶素子１２０を接合する工程（図５（ａ）及び図５（ｂ））と、水晶素子１２０を透過して導電性接着剤ＤＳにレーザ光を照射し、一対の電極パッド１１１間において導電性接着剤ＤＳの一部を除去して直線状の溝部Ｍ１を形成する工程（図５（ｃ））とを含んでいる。

（接合工程）
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されているように、接合工程は、導電性接着剤ＤＳをパッケージ１１０の一対の電極パッド１１１に跨るように設けて、一対の電極パッド１１１に水晶素子１２０を接合する工程である。

パッケージ１１０の基板部１１０ａには、一対の電極パッド１１１が設けられており、一対の電極パッド１１１上に導電性接着剤ＤＳを跨るように設け、導電性接着剤ＤＳに水晶素子１２０の励振用電極１２２から延出した接続用電極１２３を付着させる形態で水晶素子１２０を載置する。

硬化炉（図示せず）に水晶素子１２０が載置されたパッケージ１１０を収容し約２５０℃まで昇温させ、導電性接着剤ＤＳを加熱硬化させることで、水晶素子１２０は電極パッド１１１に導通固着される。この状態では、一対の電極パッド１１１同士が導電性接着剤ＤＳを介して導通しており、水晶素子１２０が適切に動作しないため、水晶デバイスとしては機能していない。

硬化炉（図示せず）は、炉本体と、加熱部と、供給部、制御部によって構成されている。炉本体は、内部空間を有し、パッケージ１１０を格納する役割を果たす。加熱部は、内部空間を所定の温度に加熱する役割を果たす。加熱部は、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ等が用いられている。供給部は、内部空間にガスを供給する役割を果たす。ガスは、例えば窒素等が用いられている。制御部は、炉本体の内部空間の温度や酸素濃度、加熱部の昇温速度、供給部のガスの供給量の制御を行うものである。

（溝部形成工程）
図５（ｃ）に示されているように、除去工程は、水晶素子１２０を透過して導電性接着剤ＤＳにレーザ光を照射し、一対の電極パッド１１１間において導電性接着剤ＤＳの一部を除去して直線状の溝部Ｍ１を形成する工程である。

隣り合う電極パッド１１１の間の領域Ａ（図４参照）に形成された導電性接着剤ＤＳに対して水晶素子１２０上から水晶素子１２０を透過して、レーザ光を直線に照射することより、一対の電極パッド１１１間において導電性接着剤ＤＳの一部が除去され、直線状の溝部Ｍ１が形成される。その結果、一対の電極パッド１１１同士は、導電性接着剤ＤＳを介して導通しなくなるため、水晶素子１２０が適切に動作可能になり、水晶デバイスとして機能する。

水晶素子１２０の隣り合う接続用電極１２３の間にレーザ光を照射すると、水晶素子１２０はレーザ光を透過するため、一対の接続用電極１２３の間の領域と対向する位置に形成された導電性接着剤ＤＳの一部にレーザ光が照射される。よって、レーザ光が照射された箇所の導電性接着剤ＤＳが除去され、直線状の溝部Ｍ１が形成される。

また、溝部Ｍ１は、水晶素子１２０の接続用電極１２３の間の領域で、励振用電極１２２が形成されている側から枠部１１０ｂ側の方向に向かって、間欠的にレーザ光を照射することによって、直線状に形成される。

レーザ光は、レーザ発振装置（図示せず）より発振される。レーザ発振装置は、ステージに固定されるパッケージに対し、レーザ発振部で発振されて光路で伝送されて集光光学系で集光されたレーザ光をパッケージの平面の法線方向より照射する。

レーザ発振部としては、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、半導体レーザ、エキシマレーザ等を用いる。例えばＹＶＯ４レーザの場合には、そのレーザの３倍波で、波長が例えば３００〜４００ｎｍのものを用いる。

本実施形態における水晶デバイスの製造方法は、水晶素子１２０を透過して導電性接着剤ＤＳにレーザ光を照射し、一対の電極パッド１１１間において導電性接着剤ＤＳの一部を除去して直線状の溝部Ｍ１を形成することで、一対の電極パッド１１１間の領域において導電性接着剤ＤＳを分離することになり、隣り合う電極パッド１１１の短絡を低減しつつ、生産性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態における水晶デバイスの製造方法は、一対の電極パッド１１１間において左右の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤ＤＳの量を調整することができ、水晶素子１２０が基板部１１０ａに接触しないようにバランスを取ることで、水晶素子１２０の発振周波数を良好に維持し続けることが可能となる。

尚、本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。上記の実施形態では、枠部１１０ｂが金属製である場合を説明したが、基板部１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成しても構わない。この場合、枠部１１０ｂの開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターンが形成され、蓋体は、この封止用導体パターン上に配置接合される。この際の蓋体は、パッケージの凹部を囲むように設けられた封止用導体パターンに相対する箇所に封止部材が設けられている。

上記の実施形態では、水晶素子は、ＡＴ用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる２本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・枠部
１１１・・・電極パッド
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・接続用電極
１３０・・・蓋体
Ｋ１・・・凹部
Ｍ１・・・溝部
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｂ１・・・バインダー
Ｆ１・・・導電性粉末
ＨＢ・・・導体膜
Ｇ・・・外部接続用端子

Claims

基板部と前記基板部上に設けられた一対の電極パッドとを有しているパッケージと、
バインダーと導電性粉末とを有する導電性接着剤と、
一対の接続用電極を有しており、前記一対の接続用電極のそれぞれが前記導電性接着剤によって前記電極パッドに接合された水晶素子と、
前記一対の電極パッド間の領域において前記導電性接着剤を分離するように、前記導電性接着剤の内側表面と前記基板部の上面から形成された直線状の溝部と、を備え、
前記溝部内の前記導電性接着剤の表面に露出している前記バインダーのみが炭化していることを特徴とする水晶デバイス。
前記溝部内の前記導電性接着剤の表面から前記導電性粉末が露出していることを特徴とする請求項１記載の水晶デバイス。
前記溝部内の前記導電性接着剤の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の水晶デバイス。