JP6009295B2

JP6009295B2 - 水晶デバイス

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Publication number: JP6009295B2
Application number: JP2012207659A
Authority: JP
Inventors: 慎介河森
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP2014064152A

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に関するものである。

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すべり振動を起こし、特定の周波数を発生させるものである。基板上に設けられた電極パッドに導電性接着剤を介して実装された水晶素子と、平面視した外形の大きさが基板と同じ大きさに設定され、水晶素子を囲むように基板上に接合された蓋体と、を備えた水晶デバイスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。水晶素子は、水晶素板の両主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空けた自由端とした片保持構造となる。このような水晶デバイスは、電子機器等のマザーボード上に実装されている。

特開２００３−３１８６９０号公報

上述した特許文献１に開示された水晶デバイスは、マザーボード上に実装された感温素子が水晶素子の温度を正確に検知しづらく、水晶素子の実際の温度と、感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との温度差が大きい場合がある。そのため、上述した水晶デバイスは、水晶素子を所望した発振周波数に調整することができない虞があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、水晶素子から基板への放熱性を良くし、水晶素子の実際の温度と感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との温度差を小さくし、水晶素子を所望した発振周波数に調整することが可能な水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板上に設けられた電極パッドと、基板上に設けられ、電極パッドと導電性接着剤を介して接続された、基板の上面の外周縁部内に収まる水晶素子と、蓋本体部と、蓋本体部の下面の外周縁部に沿って連続して設けられた壁部とを有し、壁部は水晶素子を囲むようにして、基板の上面の外周縁部と接合部材を介して接合された蓋体とを備え、基板の上面の外周縁部は、平面視して壁部の下端の外周縁部と壁部の下端の内周縁部の間に収まる大きさに形成されており、接合部材は壁部の下端から電極パッド上にかけて設けられ、導電性接着剤に接触するように設けられてい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デバイスは、基板の上面の外周縁部は、平面視して壁部の下端の外周縁部と壁部の下端の内周縁部の間に収まる大きさに形成されており、接合部材は壁部の下端から電極パッド上にかけて設けられていることによって、水晶素子から伝わる熱が、電極パッドから接合部材を介して基板の側面に伝わることで放熱することになる。また、電極パッドから基板に伝わった熱も基板の表面に設けられた接合部材によって、電極パッドから基板の側面に熱が伝わることを助長し、基板の側面から熱が効率よく放熱することになる。よって、水晶素子の実際の温度と、基板の周辺の温度との温度差を小さくし、水晶素子を所望した発振周波数に調整することができる。

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。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る。（ａ）本実施形態における水晶デバイスの蓋体を外した状態を示す平面図であり、（ｂ）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平面図である。（ａ）本実施形態の第一変形例における水晶デバイスの断面図であり、（ｂ）図４（ａ）に示された水晶デバイスのＸ部分拡大図である。本実施形態の第二変形例における水晶デバイスの断面図である。（ａ）本実施形態の第三変形例における水晶デバイスの断面図であり、（ｂ）図６（ａ）に示された水晶デバイスのＹ部分拡大図である。

本実施形態における水晶デバイスは、図１〜図３に示されているように、基板１１０と、基板１１０に接合された水晶素子１２０と、水晶素子１２０を覆うようにして設けられた蓋体１３０とを含んでいる。

基板１１０は、矩形状であり、上面で実装された水晶素子１２０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１１０は、基板１１０上面に、水晶素子１２０を接合するための矩形状の電極パッド１１１が設けられている。また、基板１１０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１１０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である絶縁層からなる。基板１１０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１１０の表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と下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及びビア導体が設けられている。電極パッド１１１は、一対で設けられており、基板１１０の一辺に沿うように隣接して設けられている。

外部接続用電極端子Ｇは、水晶デバイスをマザーボード上に実装する際に、半田等の導電性接合材を介して電気的に接続するための端子として機能する。外部接続用電極端子Ｇは、水晶入力端子、水晶出力端子、グランド端子又はノンコネクト端子によって構成されている。

ここで基板１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜２．５ｍｍである。また、基板１１０の一辺と平行となる電極パッド１１１の辺の長さは、０．２５〜０．４０ｍｍとなる。また、基板１１０の一辺と交わる辺と平行となる電極パッド１１１の辺の長さは、０．２５〜０．４０ｍｍとなる。

導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上に広がって形成され、水晶素子１２０の励振用電極１２２と間をあけて配置されている。水晶デバイスは、導電性接着剤１４０と励振用電極１２２とが間を空けて配置されていることにより、導電性接着剤１４０が励振用電極１２２に付着することで生じる短絡を低減することができる。

また、導電性接着剤１４０の粘度が、３５〜４５Ｐａ・ｓのものを使用されている。導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上に塗布した際に、電極パッド１１１上から基板１１０上へ流れ出ることなく、電極パッド１１１上に留まり、上下方向の厚みが維持される。

また、導電性接着剤１４０は、電極パッド１１１上から漏れ拡がりにくいため、導電性接着剤１４０の上下方向の厚みも確保することができる。導電性接着剤１４０の上下方向の厚みの長さは、２０〜４０μｍである。このように導電性接着剤１４０の厚みを確保できることによって、落下試験により加わった衝撃が水晶素子１２０に対して導電性接着剤１４０を中心にして上下方向へ加わったとしても、その衝撃を導電性接着剤１４０で十分に吸収緩和することができる。

ここで、基板１１０の作製方法について説明する。基板１１０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。また、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、一対の電極パッド１１１又は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作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又はパラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、図２及び図３（ａ）に示されているように、導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１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、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１２０は、図２（ａ）に示されているように、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及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極１２４は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の短辺に向かって延出されている。接続用電極１２３は、引き出し電極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形状で設けられている。

本実施形態においては、電極パッド１１１と接続されている水晶素子１２０の一端を基板１１０の上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０の上面と間を空けた自由端とした片保持構造にて水晶素子１２０が基板１１０上に固定されている。

水晶素板１２１の固定端側の外周縁は、図３（ａ）に示されているように、平面視して、基板１１０の一辺と平行であり、基板１１０の外周縁に近付くように設けられている。このようにすることにより、水晶素子１２０の実装位置を視覚的によりわかりやすくすることができるので、水晶デバイスの生産性を向上させることが可能となる。

ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が接続用電極１２３から引き出し電極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ようになっている。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面にフォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を形成することにより作製される。

水晶素子１２０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接着剤１４０は、例えばディスペンサによって電極パッド１１１上に塗布される。水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０上に搬送され、導電性接着剤１４０上に載置される。そして導電性接着剤１４０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。水晶素子１２０は、一対の電極パッド１１１に接合される。

導電性接着剤１４０は、シリコーン樹脂等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が用いられる。

蓋体１３０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である絶縁層からなる。蓋体１３０は、図２に示すように、蓋本体部１３０ａと壁部１３０ｂとから構成されている。蓋本体部１３０ａは、矩形状であり、平面視した形状が基板１１０よりも大きくなるように設けられている。壁部１３０ｂは、蓋本体部１３０ａの下面の外周縁部に沿って連続して設けられている。このようにすることによって、大きい水晶素子１２０を基板に実装することができると共に、水晶素子を安定して気密封止することが可能となる。

蓋本体部１３０ａの一辺は、１．０５〜２．７ｍｍとなっている。蓋本体部１３０ａの上下方向の厚みは、１５〜３０μｍとなっている。壁部１３０ｂの外表面と内表面との間の厚みは、１５〜３０μｍとなっている。壁部１３０ｂの上下方向の厚みは、１５０〜２５０μｍとなっている。よって、収容空間Ｋの上下方向の間隔は、１６０〜２８０μｍとなっている。また、蓋本体部１３０ａの一辺と基板１１０の一辺との差が５０〜２００μｍである。蓋体１３０と基板１１０との大きさの関係は、平面視した形状が蓋体１３０の方が基板１１０よりも大きくなるように設けられている。

また、基板１１０の電極パッド１１１が設けられている一辺は、電極パッド１１１が設けられている一辺に対向する一辺よりも蓋体１３０の壁部１３０ｂに寄って配置されている。このように配置されていることによって、さらに、接合部材１５０が電極パッド１１１上面に接触しやすくなるので、蓋体１３０と基板１１０との接続強度を向上させることができる。

また、蓋体１３０は、水晶素子１２０を収容できるように、蓋本体部１３０ａと壁部１３０ｂにより収容空間Ｋが形成されている。このような蓋体１３０は、真空状態にある収容空間Ｋ又は窒素ガスなどが充填された収容空間Ｋ内に水晶素子１２０を配置し、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、基板１１０上に載置され、基板１１０上面の外周縁部と壁部１３０ｂの下面との間に設けられた接合部材１５０を溶融させることによって基板１１０上面に接合される。

接合部材１５０は、蓋体１３０の壁部１３０ｂの下端から電極パッド１１１上にかけて、接合部材１５０の上下方向の厚みが薄くなるように設けられている。また、接合部材１５０は、蓋体１３０の壁部１３０ｂの下端から基板１１０の外周縁部にかけて、接合部材１５０の上下方向の厚みが厚くなるように設けられている。このようにすることによって、水晶デバイスを小型化する場合であっても、基板１１０に対する接合部材１５０の被着面積を広く確保することができ、これによって蓋体１３０を基板１１０に対し強固に接合させることができる。

接合部材１５０は、例えば、ガラスによって設けられている。ガラスは、３５０℃〜４００℃で溶融する鉛フリーガラスである例えばパナジウム系ガラスから構成されている。これらのガラスは、バインダーと溶剤とが加えられペースト状であり、溶融された後、固化されることで他の部材と接着する。

接合部材１５０の平均の厚みは１０〜３０μｍであり、最大厚みは４０〜７０μｍである。また、接合部材１５０の最小厚みは１０〜２０μｍに設定される。このようにすることによって、適度な熱エネルギーによって蓋体１３０の壁部と基板１１０の外周縁部とが効率良く接合することができ、水晶デバイスの生産性を向上させることが可能となる。

接合部材１５０の熱伝導率は、０．５５〜０．７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、基板１１０の熱伝導率は、３０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋである。接合部材１５０及び基板１１０が、このような熱伝導率を示すことにより、水晶素子１２０から伝わる熱は、電極パッド１１１から接合部材１５０を介して基板１１０の側面に伝わることで放熱することになる。また、電極パッド１１１から基板１１０に伝わった熱も基板１１０の表面に設けられた接合部材１５０によって、電極パッド１１１から基板１１０の側面に熱が伝わることを助長し、基板１１０の側面から熱が効率よく放熱することになる。

また、接合部材１５０は、図３に示されているように、基板１１０の外周縁部に沿って連続して設けられている。このようにすることによって、蓋体１３０の収容空間Ｋ内を気密封止し、水晶素子１２０の発振周波数が安定して出力される。

本実施形態における水晶デバイスは、基板１１０の上面の外周縁部は、平面視して壁部１３０ｂの下端の外周縁部と壁部１３０ｂの下端の内周縁部の間に収まる大きさに形成されており、接合部材１５０は壁部１３０ｂの下端から電極パッド１１１上にかけて設けられていることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１から接合部材１５０を介して基板１１０の側面に伝わることで放熱することになる。また、電極パッド１１１から基板１１０に伝わった熱も基板１１０の表面に設けられた接合部材１５０によって、電極パッド１１１から基板１１０の側面に熱が伝わることを助長し、基板１１０の側面から熱が効率よく放熱することになる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０の実際の温度と、基板１１０の周辺の温度との温度差を小さくし、水晶素子１２０を所望した発振周波数に調整することができる。

（第一変形例）
以下、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、図４に示されているように、接合部材１５０が基板１１０の側面の上端の一部にまで設けられている点で本実施形態と異なる。

本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、接合部材１５０が基板１１０の側面の上端の一部にまで設けられていることによって、基板１１０に対する接合部材１５０の被着面積をさらに広く確保することができ、これによって蓋体１３０を基板１１０に対しての接合強度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、接合部材１５０が基板１１０の側面の上端の一部にまで設けられていることによって、電極パッド１１１から基板１１０の側面に熱が伝わることをさらに助長し、基板の側面から熱が効率よく放熱することを向上させることができる。よって、水晶素子の実際の温度と、基板の周辺の温度との温度差を小さくし、水晶素子を所望した発振周波数に調整することができる。

（第二変形例）
以下、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスについて説明する。なお、本実施形態の第二変形例における水晶デバイスのうち、上述した水晶デバイスと同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、図５に示されているように、接合部材１５０が、導電性接着剤１４０に接触するように設けられている点で本実施形態と異なる。

本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、接合部材１５０が、導電性接着剤１４０に接触するように設けられていることによって、導電性接着剤１４０が接合部材１５０によって押さえつけられることになり、導電性接着剤１４０と電極パッド１１１との接合強度を向上させることができる。よって、水晶デバイスは、落下試験により、導電性接着剤１４０と電極パッド１１１との界面が剥がれることを低減し、水晶素子１２０の発振周波数が安定して出力することができる。

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二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。

また、水晶素子１２０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１２１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１２１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１２１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１２１が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

上記実施形態では、水晶素子が片保持されている構造の場合を説明したが、両保持構造でも構わない。両保持構造における引き出し電極は、励振用電極から水晶素板のそれぞれの短辺に向かって延出されている。また、接続用電極は、引き出し電極と接続されており、水晶素板の短辺に沿った形状でそれぞれ１つずつ設けられている。

また、図６に示されているように、接合部材１５０が基板１１０の側面の上端の一部にまで設けられると共に、接合部材１５０が、導電性接着剤１４０に接触するように設けられていても構わない。このようにすることによって、第一変形例及び第二変形例の両方の効果を奏する。

１１０・・・基板
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
１２４・・・引き出し電極
１３０・・・蓋体
１３０ａ・・・蓋本体部
１３０ｂ・・・壁部
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・接合部材
Ｋ・・・収容空間
Ｇ・・・外部接続用端子

Claims

基板と、
前記基板上に設けられた電極パッドと、
前記基板上に設けられ、前記電極パッドと導電性接着剤を介して接続された、前記基板の上面の外周縁部内に収まる水晶素子と、
蓋本体部と、前記蓋本体部の下面の外周縁部に沿って連続して設けられた壁部とを有し、前記壁部は前記水晶素子を囲むようにして、前記基板の上面の外周縁部と接合部材を介して接合された蓋体とを備え、
前記基板の上面の外周縁部は、平面視して前記壁部の下端の外周縁部と前記壁部の下端の内周縁部の間に収まる大きさに形成されており、
前記接合部材は前記壁部の下端から前記電極パッド上にかけて設けられ、前記導電性接着剤に接触するように設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
請求項１記載の水晶デバイスであって、
前記接合部材が前記基板の外周縁部に沿って連続して設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
請求項１又は請求項２記載の水晶デバイスであって、
前記接合部材が前記基板の側面の上端の一部にまで設けられていることを特徴とする水晶デバイス。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の水晶デバイスであって、
前記接合部材の熱伝導率は、０．５５〜０．７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、前記基板の熱伝導率は、３０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とする水晶デバイス。