JP5936950B2

JP5936950B2 - 水晶素子及び水晶デバイス

Info

Publication number: JP5936950B2
Application number: JP2012181983A
Authority: JP
Inventors: 茂幸槇本
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2014042084A

Description

本発明は、電子機器などに用いられる水晶デバイス及びその水晶デバイスに実装されている水晶素子に関する。

水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、水晶素板の両面が互いにずれるように厚み滑り振動を起こし、特定の周波数を発生させるものである。現在では、基板上に設けられた電極パッドに実装された水晶素子を備えた水晶デバイスが提案されている。水晶素子は、水晶素板の両面に励振用電極を有しており、水晶素子の一端を基板の上面と接続した固定端とし、他端を基板の上面と間をあけた自由端とした片保持構造となる（特許文献１参照）。また、水晶素子は、質量の大きい中央部に振動エネルギーが集中することを利用し、中央部の質量を増大させて中央部にエネルギーを閉じ込めやすくすることができる。また、水晶素子は、水晶素板の表裏の中央部に励振用電極を設け、信号電流を流して振動を取り出す（特許文献２参照）。

近年の水晶デバイスの小型化に伴い、内部に搭載する水晶素子のサイズも小さくなる。それにより、振動変位の大きい水晶素板中央部と外縁の保持部との距離が近くなってしまう。

特開２００２−１１１４３５号公報特開２０１０−１９３４９６号公報

上述した水晶デバイスの小型化に伴い、導電性接着剤の塗布径のバラつきの影響が大きくなり、水晶素子の水晶特性の調整が非常に困難となっている。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶特性を調整することが可能な水晶デバイス及びそれに搭載される水晶素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の水晶素子の態様は、水晶素板と、水晶素板の上面及び下面に設けられた一対の励振用電極と、一対の励振用電極それぞれから延びる引出電極を介して一対の励振用電極と接続する接続用電極とを備え、一対の励振用電極は同一形状及び同一サイズを有し、一対の励振用電極が平面透視して重なる位置から、水晶素板の下面に設けられた励振用電極が、水晶素板の上面に設けられた励振用電極に対して、接続用電極から離れる方向にずれて配置されることを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による水晶素子は、同一形状及び同一サイズの一対の励振用電極のうち水晶素板の下面に設けられた励振用電極を、水晶素板の上面に設けられた励振用電極に対して、接続用電極から離れる方向に水晶素板に、平面透視してずらして配置することにより、水晶素子の水晶特性を調整することができる。

本発明の実施の形態における水晶デバイスの分解斜視図である。図１の水晶デバイスのＡ−Ａ線における横断面図である。図１の水晶デバイスの蓋体を省略した状態の上面図である。振動の変位の等高線を表す図である。励振用電極をずらして配置することによるクリスタルインピーダンスのばらつきを示す正規分布図である。

以下，図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら，かかる実施の形態例が，本発明の技術的範囲を限定するものではない。

水晶デバイスは、パッケージ１１０、該パッケージ１１０内に実装される水晶素子１２０、パッケージ１１０を封止する蓋体１３０とを備えて構成される。パッケージ１１０は、基板１１１、基板１１１上に設けられた枠体１１２とを含んでいる。パッケージ１１０には、基板１１１の上面と枠体１１２の内側面によって囲まれた凹部Ｋが形成されている。

基板１１１は長方形状であり、凹部Ｋ内に実装される水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能する。基板１１１の上面には、水晶素子１２０と接合するための一対の電極バッド１１３が設けられている。また、基板１１１の下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板１１１は、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックなどのセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１１は、絶縁層を１層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１１の表面及び内部には、基板１１１の上面の一対の電極パッド１１３と下面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続する配線パターン（図示せず）及びビアホール導体（図示せず）が設けられている。

枠体１１２は、基板１１１上に凹部Ｋを形成するためのものである。枠体１１２は、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックスなどのセラミック材料からなり、基板１１１と一体的に形成されている。枠体１１２の上面には、封止用導体パターン１１４が設けられている。

封止用導体パターン１１４は、蓋体１３０と封止部材１３１を介して接合する際に、封止部材１３１の濡れ性をよくする機能を果たしている。また、封止用導体パターン１１４は、基板１１１の内部に形成された配線パターン（図示せず）とビアホール導体（図示せず）により少なくとも一つの外部接続用電極端子Ｇに接続されている。少なくとも一つの外部接続用電極端子Ｇは、外部の実装基板上のグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の機能を果たす。そのため、封止用導体パターン１１４に接合される蓋体１３０がグランドに接続されることにより、蓋体１３０による凹部Ｋ内のシールド性が向上する。封止用導体パターン１１４は、例えばタングステン又はモリブデンなどからなる導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、枠体１１２の上面を環状に囲む形態で施すことによって形成される。水晶素子１２０は、導電性接着剤を介して、基板１１１上の電極パッド１１３上に接合されている。水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置などの基準信号を発振する機能を果たしている。

水晶素子１２０は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引出電極１２４を、例えば蒸着技術又はスパッタリング技術などによって所定パターンの金属膜として被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、上面側の励振用電極１２２ａと下面側の励振用電極１２２ｂで構成されている。尚、励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引出電極１２４は、水晶素板１２１の両主面に第１の金属膜が形成され、第１の金属膜の上面に第２の金属膜が積層するように形成されている。第１の金属膜は、例えば、クロム又はチタンから構成され、第２の金属膜は、例えば、金により構成されている。また、第１の金属膜と第２の金属膜の接合力を上げるために例えばニッケルを第１の金属膜と第２の金属膜の間に形成する場合もある。

引出電極１２４は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の長辺に沿って短辺に向けて延出されている。接続用電極１２３は、引出電極１２４と接続されており、水晶素板１２１の長辺又は短辺に沿った位置、好ましくは長辺と短辺の角部で、上面側と下面側を導通させるように両面に設けられている。図１では、上面側の励振用電極１２２ａから延出する引出電極１２４が一方の接続用電極１２３と接続する構成が示されているが、図１に示されない下面側の励振用電極１２２ｂから延びる引出電極１２４は、下面側で他方の接続用電極１２３と接続する。

水晶素子１２０において、電極パッド１１３と接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１１の上面と接続した固定端とし、他端を基板１１１の上面と間をあけた自由端として片保持構造にて、水晶素子１２０が基板１１１上に固定されている。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が接続用電極１２３から引出電極１２４及び励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１が所定の振動モード及び周波数で励振を起こす。

水晶素板１２１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長辺と短辺を有する長方形状となっており、全面にわたって平坦であり、上下方向の厚みは均一である。また、水晶素板１２１の中央領域よりも、その周囲の外周領域を薄くするいわゆるベベル加工が施されてもよい。水晶素板１２１の中央部は、例えば水晶素板１２１が長方形の場合は、その対角線の交点であり、円又は楕円である場合は中心点である。水晶素板１２１の両面に被着される一対の励振用電極１２２の形状及びサイズは、上面及び下面において同一であり、その形状は四角形、円、楕円などに形成される。また、同一サイズとは、長方形の場合、一方の励振用電極１２２を構成する一辺の長さと比し、他方の励振用電極１２２を構成する一辺の長さが０〜２０μｍ異なるものを含むものとする。円の場合、一方の励振用電極１２２を構成する半径に対して、他方の励振用電極１２２を構成する半径の長さが０〜２０μｍ異なるものを含むものとする。水晶素子１２０の振動（厚みすべり振動）は、励振用電極１２２の外周側から中央に向けて徐々に変位が大きくなるようにして発生する。

図４に示すように、変位が同じ値を示す箇所を結ぶように等高線を引くと、等高線は楕円形状に分布し、水晶素板１２１の上面及び下面それぞれの中央が最も変位が大きい箇所となる。この場合において、励振用電極１２２は、その中心部位が水晶素板１２１の中央部と重なり且つ上面及び下面において互いに対向するように、すなわち、水晶素板１２１を平面透視して、一対の励振用電極１２２が重なる位置に被着され、交番電圧を印加することで、最も効率よく振動を発生させることができ、クリスタルインピーダンスを小さくすることができる。

励振用電極１２２の中心部位は、例えば励振用電極１２２が長方形の場合は、その対角線の交点であり、円又は楕円である場合は中心点である。

本発明の実施の形態においては、水晶素板１２１の上面及び下面に被着される一対の励振用電極１２２の配置位置によってクリスタルインピーダンスが変化することに着目し、一対の励振用電極１２２を平面透視して互いにずらして配置することで、クリスタルインピーダンスを調整する。具体的には、図２及び図３に示すように、クリスタルインピーダンスを高くするために、両面の励振用電極１２２が重なる位置から励振用電極１２２の一方を他方に対してずらして配置する。好ましくは、図２及び図３に示されるように、下面側の励振用電極１２２ｂが、上面側の励振用電極１２２ａに対して接続用電極１２３から離れる方向（水晶素板１２１の自由端の方向）にずらして配置される。上面側の励振用電極１２２ａは、その中心部位が水晶素板１２１の中央部と重なる位置に配置される。下面側の励振用電極１２２ｂと接続用電極１２３との間隔を離すことによって、水晶素子１２０をパッケージに実装する際に、接続用電極１２３に付着された導電性接着剤ＤＳの塗布径がばらついて拡がったとしても、下面側の励振用電極１２２ｂと接続用電極１２３とが短絡してしまう可能性を低減することができる。接続用電極１２３との間隔について、長方形状の水晶素板１２１の一辺の寸法を０．８〜２．０ｍｍ、励振用電極１２２の一辺の寸法（長方形の場合）を０．６〜１．５ｍｍとすると、水晶素板１２１の上面側の励振用電極１２２ａと水晶素板１２１の上面側の接続用電極１２３との間隔は、例えば１００〜１５０μｍであり、水晶素板１２１の下面側の励振用電極１２２ｂと水晶素板１２１の下面側の接続用電極１２３との間隔は、例えば１２０〜２００μｍである。つまり、水晶素板１２１の上面側の励振用電極１２２ａと水晶素板１２１の下側の励振用電極１２２ｂとのずれている間隔は、２０〜１００μｍである。よって、水晶素板１２１の下面側の励振用電極１２２ｂと水晶素板１２１の下面側の接続用電極１２３との間隔が、１２０μｍより小さいときのように、下面側の励振用電極１２２ｂと接続用電極１２３とが短絡する可能性がでることもなく、また、２００μｍより大きいときのように水晶素板１２１の上面の励振用電極１２２ａと水晶素板１２１の下面の励振用電極１２２ｂの重なりあう面積が小さくなることから生じる水晶素子１２０のエネルギーの閉じ込め精度の劣化も低減することができる。

図５は、励振用電極１２２をずらして配置することによるクリスタルインピーダンスのばらつきを示す正規分布図である。両面の励振用電極１２２を一致させて水晶素板１２１に配置した場合のクリスタルインピーダンスのばらつきを示す正規分布曲線が点線Ａで示され、励振用電極１２２を互いにずらして水晶素板１２１に配置した場合のクリスタルインピーダンスのばらつきを示す正規分布曲線が実線Ｂで表される。励振用電極１２２を互いにずらすことで、全体的にクリスタルインピーダンスが高くなる方向に正規分布曲線がシフトする。従って、意図して比較的高いクリスタルインピーダンスを有する水晶デバイスを製造する場合、励振用電極１２２を水晶素板１２１に被着・形成する工程において、一対の励振用電極１２２の少なくとも一方を他方に対してずらして被着させることで、クリスタルインピーダンスを調整することが可能となり、設計範囲内のクリスタルインピーダンスを有する水晶デバイスの歩留まりが最も高くなるように（製造工程におけるクリスタルインピーダンスのばらつきにより、クリスタルインピーダンスの設計上限値超及び設計下限値未満の製品が最小になるように）、励振用電極１２２のずらす方向及び長さを調整する。クリスタルインピーダンスの異なる水晶デバイスの設計を一からやり直す必要はなく、平面透視して励振用電極１２２がずれずにぴったり重なって配置されている既存の水晶デバイスの製造工程にわずかな変更を加えるだけで、異なるクリスタルインピーダンスを有する水晶デバイスの製造が可能となる。

また、水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａは、その中心部位が水晶素板１２１の中央部と重なる位置に配置される。水晶素板１２１の下面に設けられた励振用電極１２２ｂが水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａに対して、接続用電極１２３から離れる方向に配置される。このようにすることによって、上面の励振用電極１２２ａが最も効率よく振動を発生させることができると共に、クリスタルインピーダンスを細かく調整することが可能となる。

励振用電極１２２が互いにずれて被着された水晶素子１２０は、パッケージ１１０に実装される。導電性接着剤ＤＳが、例えばディスペンサによって、一対の電極パッド１１３上に所定高さに盛り上がるように塗布される。水晶素子１２０が塗布された導電性接着剤ＤＳの頂部に搬送され、導電性接着剤ＤＳと水晶素子１２０の固定端側に設けられた接続用電極１２３とが接触するように、導電性接着剤ＤＳの頂部に載置される。そして、水晶素子１２０は、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１１３と電気的に接続して、パッケージ１１０内に実装される。

導電性接着剤ＤＳは、シリコン樹脂などのバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末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、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、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、バインダーとしては、例えばシリコン樹脂、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。

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。蓋体１３０は、真空状態又は窒素ガスなどが充填された状態の凹部Ｋを気密的に封止するためのものである。具体的には、所定雰囲気で、パッケージ１１０の枠体１１２上に載置され、枠体１１２の封止用導体パターン１１４と蓋体１３０の封止部材１３１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、枠体１１２に接合される。

封止部材１３１は、パッケージ１１０の枠体１１２上面に設けられた封止用導体パターン１１４に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。封止部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。金錫の場合は、その厚みは、１０μｍ〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。

本実施の形態における水晶素子１２０は、一対の励振用電極１２２が平面透視して重なる位置から、水晶素板１２１の下面に設けられた励振用電極１２２ｂが、水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａに対して、接続用電極１２３から離れる方向に配置する。これにより、水晶素子１２０の特性の１つであるクリスタルインピーダンスを調整できる。

本実施の形態における水晶素子１２０は、水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａは、その中心部位が水晶素板１２１の中央部と重なる位置に配置される。水晶素板１２１の下面に設けられた励振用電極１２２ｂが水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａに対して、接続用電極１２３から離れる方向に配置される。このようにすることによって、上面の励振用電極１２２ａが最も効率よく振動を発生させることができると共に、クリスタルインピーダンスを細かく調整することが可能となる。

本実施の形態における水晶デバイスは、一対の励振用電極１２２が平面透視して重なる位置から、水晶素板の下面に設けられた励振用電極１２２ｂが、水晶素板１２１の上面に設けられた励振用電極１２２ａに対して、接続用電極１２３から離れる方向に配置した水晶素子１２０と、その水晶素子１２０が実装される凹部Ｋを有するパッケージ１１０とを備えていることによって、マザーボード上に配置された発振回路に適したクリスタルインピーダンスに調整することができ、安定した発振周波数を出力することが可能となる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。

枠体１１０ｂが基板１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠体１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

尚、水晶素子のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

１１０：パッケージ、１１１：基板、１１２：枠体、１１３：電極パッド、１１４：封止用導体パターン、１２０：水晶素子、１２１：水晶素板、１２２：励振用電極、１２３：接続用電極、１２４：引出電極、１３０：蓋体、１３１：封止部材

Claims

水晶素板と、
前記水晶素板の上面及び下面に設けられた一対の励振用電極と、
前記一対の励振用電極それぞれから延びる引出電極を介して前記一対の励振用電極と接続する接続用電極とを備え、
前記一対の励振用電極は同一形状及び同一サイズを有し、前記一対の励振用電極が平面透視して重なる位置から、前記水晶素板の下面に設けられた励振用電極が、前記水晶素板の上面に設けられた励振用電極に対して、前記接続用電極から離れる方向にずれて配置されることを特徴とする水晶素子。
請求項１において、
前記水晶素板の上面に設けられた励振用電極は、その中心部位が前記水晶素板の中央部と重なる位置に配置されることを特徴とする水晶素子。
請求項１又は２において、
前記水晶素板の上面に設けられた励振用電極と前記水晶素板の上面側の接続用電極との間隔は、１００〜１５０μｍであり、前記水晶素板の下面に設けられた励振用電極と前記水晶素板の下面側の接続用電極との間隔は、１２０〜２００μｍであることを特徴とする水晶素子。
請求項１乃至３いずれかに記載の水晶素子と、前記水晶素子が実装される凹部を有するパッケージとを備え、
前記パッケージ内に設けられる電極パッドに、導電性接着剤により前記接続用電極が接続することを特徴とする水晶デバイス。