JP6959083B2

JP6959083B2 - 水晶デバイス

Info

Publication number: JP6959083B2
Application number: JP2017175935A
Authority: JP
Inventors: 明大坂梨; 浩基関口
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019054347A

Description

本発明は、水晶片を容器に接着剤で固定する構造を有する水晶デバイス、例えば水晶振動子、水晶振動子を含む水晶発振器、サーミスタやＰＮダイオード等の温度センサー付の水晶振動子等の水晶デバイスに関する。

水晶振動子の一種として、励振用電極を有した水晶片を、所定容器に導電性の接着剤により固定する構造を有するものがある。この種の水晶振動子では、水晶片が容器から剥がれることは致命的なため、その対策が従来から行われている。
例えば特許文献１には、セラミック製の保持台を有したセラミック製容器の前記保持台に、水晶片を、シリコーン系の導電性接着剤で固定する際の工夫が開示されている。すなわち、前記保持台の天面に、水晶片の励振用電極に接続される配線パターンと、セラミックを露出させた部分すなわち無電極部とを設けておき、シリコーン系の導電性接着剤を、これら配線パターンと無電極部とに跨った状態で設ける構造が開示されている（特許請求の範囲、図４等）。この構造の場合、シリコーン系の導電性接着剤がセラミック自体にも接着される。シリコーン系の導電性接着剤は、配線パターン表面よりセラミック表面への食いつきが良いので、水晶片の保持台からの剥がれを生じにくくできるという。

特開２００７-２７４３３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された水晶振動子の場合、配線パターンと無電極部（セラミック表面）とに跨ってシリコーン系の導電性接着剤を塗布する必要がある。従って、剥がれを防止するため無電極部の面積をある程度広く確保する必要があり、かつ、電気的な導通を確保するため配線パターンの面積もある程度広く確保する必要があるため、導電性接着剤を塗布する平面積は、自ずと広くなる。一方、水晶振動子の特性を良好にするためには、水晶片の保持台への固定箇所は、水晶片の振動中心からなるべく遠い領域でかつ狭い方が良いが、上記の従来構造の場合は、導電性接着剤を塗布する平面積を広くする必要があるため、それらの実現は難しい。上述した課題は、水晶振動子の小型化が進むほど、深刻になる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的は、導電性接着剤の塗布面積を広くすることなく、水晶片の剥がれが生じにくく、然もＣＩ（クリスタルインピダンス）の低減が図れる水晶振動子を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この発明によれば、平面形状が長方形状の水晶片と、この水晶片を収容する容器と、前記水晶片の第１の短辺の近傍であって第１の短辺の両端付近の２箇所で前記水晶片を前記容器に固定している柔軟性を有した導電性接着剤と、前記容器の底面の前記２箇所と対応する領域各々に設けられた配線パターンと、を具える水晶デバイスにおいて、
前記容器底面の前記配線パターン領域内に設けられ、前記水晶片を前記底面から浮かしている第１の枕部と、
前記容器底面の前記水晶片の第２の短辺付近に対応する位置に設けられ、前記水晶片と対向している第２の枕部と、を具え、
前記第１の枕部の高さをｈ、前記水晶片の長辺方向をＸ方向と定義し、前記第１の枕部の前記Ｘ方向の長さをＸ１、前記配線パターンの前記第１の枕部を設けていない部分であって前記水晶片の中心側の部分の前記Ｘ方向の長さをＸ２、前記容器の前記第１の短辺に近接し前記第１の短辺と平行な縁から前記Ｘ方向の前記配線パターンの長さをＸ３と表したとき、
前記ｈを２０〜５０μｍ、前記Ｘ１を１５０μｍ以下、前記Ｘ２を５０〜１５０μｍ、前記Ｘ３を２００〜２５０μｍとしてあり、かつ、
前記柔軟性を有した導電性接着剤は、第１の枕部の、少なくとも天面及び前記水晶片の中心側の側面を、覆っていることを特徴とする。

この発明の水晶振動子では、第１の枕部の高さｈを２０〜５０μｍとしてあり、かつ、寸法Ｘ２を所定寸法としてあり、かつ、柔軟性を有した導電性接着剤がこの第１の枕部を所定方向において覆う構造であるため、柔軟性を有し、厚さが２０μｍより厚い導電性接着剤が、第１の枕部の脇であって水晶片の中心側の脇に存在する構造となる。従って、水晶片が第１の枕部付近を支点として上方に持ち上がるような外力に対し、この厚みの厚い導電性接着剤の柔軟性が抗力として機能する。また、第２の枕部を設けているので、水晶片が第１の枕部付近を支点として下方に振れてもその振れ幅を第２の枕部は規制する。これらのことから、水晶片の剥がれを従来に比べ生じにくくできる。
また、上記寸法Ｘ２及びＸ３を所定範囲の寸法としてあるので、第１の枕部の脇であって水晶片の中心側の脇の導電性接着剤の塗布箇所と面積を適正なものとできるから、ＣＩの低減を図ることができる。

（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態の水晶振動子２０の説明図である。実施例を説明する図であり、導電性接着剤のＸ方向の寸法とＣＩとの関係を示した図である。（Ａ）は第２の実施形態の水晶振動子４０の説明図、（Ｂ）は第３の実施形態の水晶振動子５０の説明図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施例中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明が以下の実施例のみに限定されるものではない。

１．第１の実施形態
１−１．第１の実施形態の水晶振動子
図１（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態の水晶振動子２０を説明する図である。特に（Ａ）図は、水晶振動子２０の平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＰ−Ｐ線に沿って切った水晶振動子２０の断面図である。

この水晶振動子２０は、水晶片２１と、容器２３と、柔軟性を有した導電性接着剤２５と、第１の枕部２７と、第２の枕部２９と、蓋部材３１（図１（Ｂ）のみ図示）と、を具える。
水晶片２１は、励振用電極２１ａと、引出電極２１ｂとを含むものである。水晶片２１の水晶部材自体は、平面形状が四角形状、この例の場合は長方形状のもので、例えば、ＡＴカット水晶板、ＳＣカットに代表されるいわゆる２回回転の水晶板である。また、この例の場合の水晶片２１は厚さが一様な水晶片としてある。

また、励振用電極２１ａは、水晶片２１の表裏の主面に設けてある。引出電極２１ｂは、励振用電極２１ａ各々から、水晶板２１の短辺のうちの一方の辺である第１の辺２１ｃの近傍でかつこの辺２１ｃに沿った両端にそれぞれ引き出してある。

また、容器２３は、容器本体２３ａと、凹部２３ｂと、配線パターン２３ｃと、外部接続端子２３ｄと、ビア配線２３ｅと、第１の枕部２７と、第２の枕部２９と、を具える。凹部２３ｂは、水晶片２１を収納できる平面視四角形状のものである。配線パターン２３ｃは、柔軟性を有した導電性接着剤２５を介して、水晶片２１の引出電極２１ｂと接続されるものである。この配線パターン２３ｃは、金属の薄膜パターンで構成してあり、凹部２３ｂの底面の一端側の２箇所に設けてある。すなわち、凹部２３ｂの底面の容器２３の１つの短辺近傍であって、この短辺の両端に当たる領域各々に設けてある。また、外部接続端子２３ｄは、容器本体２３ａの外部底面に設けてあり、水晶振動子２０を任意の電子機器に接続するものである。これら配線パターン２３ｃと外部接続端子２３ｄとは、容器本体２３ａに設けたビア配線２３ｅによって接続してある。

ここで、第１の枕部２７は、凹部２３ｂの底面であって、配線パターン２３ｃの一部領域上に設けてある。然も、第１の枕部２７の高さをｈとし、前記第１の辺２１ｃに直交する方向（Ｘ方向と称することもある）の長さをＸ１としたとき（図１（Ｂ）参照）、ｈを２０〜５０μｍから選ばれた値とし、Ｘ１を１５０μｍ以下としてある。
また、配線パターン２３ｃの第１の枕部２７を設けていない部分であって前記水晶片の中心側の部分の、前記Ｘ方向の長さをＸ２と表したとき、このＸ２を５０〜１５０μｍから選ばれた値としてある。さらに、容器２３の前記第１の短辺２１ｃに近接した縁からの配線パターン２３ｃの前記Ｘ方向に沿う長さをＸ３と表したとき（図１（Ｂ）参照）、このＸ３を２００〜２５０μｍとしてある。なお、第１の枕部２７の高さｈや上記の各寸法Ｘ１〜Ｘ３の数値限定の理由は、後の実施例・比較例の項において説明する。
また、第２の枕部２９は、凹部２３ｂの底面であって、水晶片２１の第１の辺２１ｃと対向している第２の辺２１ｄ付近と対向する領域に、設けてある。この第２の枕部２９の高さは、第１の枕部２７の高さに対し、例えば０．５〜１．５の範囲とするのが良い。

この容器２３は、例えばセラミックパッケージで構成できる。また、第１の枕部２７及び第２の枕部２９各々は、容器２３を製造する際に形成できる。具体的には、セラミックパッケージ形成時にアルミナペースト又は導電性ペーストをスクリ−ン印刷により印刷し、それを焼成することで形成できる。好ましくは、第１の枕部２７は導電性を有したものが良い。引出電極２１ｂ、シリコーン系の導電性接着剤２５及び配線パターン２３ｃとの電気的接続に有利だからである。
このような構成において、柔軟性を有する導電性接着剤２５は、第１の枕部２７を、その少なくとも天面および水晶片２１の中心側の側面において覆うように設けてある。ここで、配線パターン２３ｃと容器２３の底面とが連なる構造において、導電性接着剤２５が持つ濡れ性の性質から、導電性接着剤２５は、容器の底面まで至らずに、配線パターン２１ｃ上に留まり易くなるので、配線パターン２３ｃのＸ方向の長さを工夫することで、導電性接着剤２５の水晶片２１の中心側への流れ具合を調整できる。なお、柔軟性を有した導電性接着剤２５は、典型的には、シリコーン系の導電性接着剤である。ただし、これに限られず、これと同様な物性を持つ任意のものとできる。
また、蓋部材３１は、容器２３の凹部２３ａを囲う土手部分の天面で容器と接し、容器２３を封止するものである。この蓋部材３１は、封止方式に応じた任意のもので構成する。

上述したように、この発明では、水晶片２１、第１の枕部２７、配線パターン２３ｃ及び第２の枕部２９を上述したように配置し、然も、第１の枕部２７の高さｈや長さＸ１や配線パターン２３ｃの寸法Ｘ２，Ｘ３を所定値とし、かつ、柔軟性を有した導電性接着剤２５により第１の枕部２７を所定状態で覆ってある。
従って、この水晶振動子２０によれば、柔軟性を有した導電性接着剤２５は、第１の枕部２７の脇であって水晶片２１の中心側の脇に、厚みが２０μｍを越える厚い状態で存在する構造が得られる。そのため、水晶片２１が第１の枕部２７付近を支点として第２の枕部２９側が上方に持ち上がるような外力を受けても、この導電性接着剤２５の柔軟性がより強く機能するため、水晶片２１の剥がれは従来に比べ生じにくい。一方、水晶片２１が第１の枕部２７付近を支点として第２の枕部１９側が下方に振れるような外力を受けても、水晶片２１の振れ幅は第２の枕部２９によって規制されるため、当該下方の外力による水晶片の剥がれも従来に比べ生じにくい。また、第１の枕部２７の長さＸ１を１５０μｍ以下としてあるので、第１の枕部２７自体が長さＸ１の方向に沿う方向で無用に長くなることを防止できる。そのため、導電性接着剤の塗布面積が増加することも防止できる。また、第１の枕部の高さは２０μｍ以上であるから、水晶片２１と、容器２３の底面との間に少なくとも２０μｍの空隙が生じる。従って、導電性接着剤１７が毛細管現象によって、水晶片２１の中心側に流れることは、第１の枕部の高さが低い場合に比べて、生じにくい。この点でも、導電性接着剤の塗布面積が増加することも防止できる。
なお、この第１の枕部２７の長さＸ１を１５０μｍ以下と述べたが、この長さＸ１は、枕として機能できれば、短い程良い。長さＸ１を短くするほど、第１の枕部の脇に厚さの厚い導電性導電性接着剤が残る領域を確保し易いからである。

また、配線パターン２３ｃのＸ方向に関する寸法Ｘ２やＸ３を所定寸法としてあること、また、第１の枕部２７の高さを従来より高くしたため上記の毛細管現象が起きにくいことから、導電性接着剤２５は、水晶片２１の端部付近で留まり、水晶片２１の中心側に至らない。このため、水晶振動子２０のＣＩの悪化を抑制できる。

１−２．第１の実施形態の実施例、比較例
上述した第１の実施形態の構造に沿って以下のような実施例１，実施例２、比較例１
及び比較例２の各試料をそれぞれ作製して水晶片の剥がれの発生率を比較した。各試料の相違点は下記の表１に示したものである。なお、剥がれ試験条件及び評価法は下記とした。すなわち、水晶振動子２０を所定治具に取り付けて高さ３ｍの位置から床に５０回落下させ、落下の都度、水晶振動子の特性を確認し、特性が出ないものを解析して水晶片の剥がれ数を調査した。なお、実施例、比較例いずれの試料も、水晶片２１として、長辺寸法が約９００μｍ、短辺寸法が約８００μｍのＡＴカット水晶片を用いている。また、容器２３として、その凹部２３ｂの長辺寸法が１０００±４０μｍ、短辺寸法が９００±４０μｍのものを用いた。なお、水晶片２１は、凹部２３ｂ内に、水晶片の中心と凹部の中心とが極力一致するように、実装した。

表１に示した結果から分かるように、比較例１の試料では水晶片の剥がれが１８個発生したのに対し、実施例１及び実施例２の試料では、水晶片の剥がれは生じていない。また、比較例２の試料では第１の枕部２７の高さｈを１０μｍと低くしたが、配線パターン２３ｃの寸法Ｘ３を３００μｍまで拡張したことで、剥がれは発生しないが、詳細は後述するがＣＩの規格外のものが多発した。これに対し、実施例１、実施例２の場合は、剥がれは発生せず、然も、ＣＩの規格外のものも発生しなかった。
また、別の検討として、実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の試料の中からＣＩ値が小さいものから大きいものまで任意に２２個サンプリングし、それらを開封し、容器２３の前記第１の短辺２１ｃに近接した縁から導電性接着剤２５が水晶片２１の中心方向においてどの位置まで及んでいるか、すなわち、上記のＸ３に準じた寸法（これを、導電性接着剤のＸ方向の寸法と呼ぶ）を測定し、このＸ方向の寸法とＣＩ値との関係を調べた。その結果を図２に示す。図２において、縦軸はＣＩ値、横軸は導電性接着剤のＸ方向の寸法であり、ＴＨはＣＩ値の規格である。

この図２から、導電性接着剤のＸ方向の寸法が２５０μｍより大きくなるとＣＩ値は大きくなり、かつ、規格外になる率が急増することが分かった。なお、導電性接着剤のＸ方向の寸法が２００μｍより小さいと、水晶片２１を容器２３接着する面積が小さくなりすぎて水晶片を保持できない危険性が高まるので好ましくないことも分かった。

上記表１の結果及び図２の結果から、第１の枕部の長さＸ１を１５０μｍ以下とした条件において、第１の枕部２７の高さｈを２０μｍ以上とすることで、水晶片の剥がれを防止できると考えられる。なお、この高さｈの上限は５０μｍが良い。この高さｈが高すぎては、容器２３内に水晶片を実装する際の高さ方向の余裕度を低くする等、好ましくない現象が起きるからである。
また、寸法Ｘ２、Ｘ３は、それら広い方が剥がれ防止効果は高まるが、広くし過ぎると導電性接着剤が水晶片の中心側に及び易くなりＣＩ値を悪化させる。従って、寸法Ｘ２は５０〜１５０μｍが良く、より好ましくは５０〜１００μｍが良い。また、寸法Ｘ３は２００〜２５０μｍが良い。また、上記の結果及び発明者の検討によれば、本発明を適用して好適な水晶片の大きさは、長辺寸法が１，０００μｍ以下、かつ、短辺寸法が９００μｍ以下、より好ましくは長辺寸法が９００μｍ以下、かつ、短辺寸法が８００μｍ以下、である。

２．他の実施形態
２−１．第２の実施形態
図３（Ａ）は第２の実施形態の水晶振動子４０を説明する図であり、図１（Ｂ）同様な断面図を用いてそれを示した図である。
第１の実施形態の水晶振動子２０では、第１の枕部２７として、その長さＸ１の方向に沿った断面が四角形状の枕部を用いていたが、この第２の実施形態の水晶振動子４０では、第１の枕部２７ｘとして、その長さＸ１の方向に沿った断面が三角形状の枕部を用いている。断面形状が三角形状の第１の枕部２７ｘを用いた場合、第１の枕部２７ｘの脇の導電性接着剤の形成領域は、三角形状の斜辺の部分に沿って広くなるので、断面形状が四角形状の第１の枕部２７に比べて、柔軟性を有する導電性接着剤２５の柔軟性の寄与効果がより高まると考えられる。

２−２．第３の実施形態
図３（Ｂ）は第３の実施形態の水晶振動子５０を説明する図であり、図１（Ｂ）同様な断面図を用いてそれを示した図である。
第１の実施形態の水晶振動子２０では、第１の枕部２７として、その長さＸ１の方向に沿った断面が四角形状の枕部を用いていたが、この第３の実施形態の水晶振動子５０では、第１の枕部２７ｙとして、その長さＸ１の方向に沿った断面が上に凸の半球状の枕部を用いている。断面形状が上に凸の半球状の第１の枕部２７ｙを用いた場合、第１の枕部２７ｙの脇の導電性接着剤の形成領域は、球面部分に沿って広くなるので、断面形状が四角形状の第１の枕部２７に比べて、柔軟性を有する導電性接着剤２５の柔軟性の寄与効果がより高まると考えられる。

上述においては、いくつかの実施形態を説明したが、この発明は以下のような変更も可能である。水晶片２１として厚さが一様な水晶片を用いたが、水晶片の端部の厚さが中央より薄くなっているいわゆるベベル形状を持つ水晶片に対しても本発明は適用できる。また、容器２３として凹部２３ｂを持つ容器を用いた例を説明したが、平板状の容器本体と、キャップ状の蓋部材とによる封止構造の水晶振動子に対しても本発明は適用できる。
また、第１の枕部２７、２７ｘ、２７ｙは、配線パタンに対し第１の枕部が容器の壁側に偏心した配置、すなわち、図１（Ｂ）中の長さＸ２が拡大するような配置としても良い。こうすると、第１の枕部２７の脇であって水晶片の中心側の脇の面積を広くできるため、導電性接着剤の剥がれ防止効果を高め易いからである。

２０：第１の実施形態の水晶振動子、２１：水晶片
２１ａ：励振用電極、２１ｂ：引出電極
２３：容器、２３ａ：容器本体
２３ｂ：凹部、２３ｃ：配線パターン
２３ｄ：外部実装端子、
２５、２５ｘ、２５ｙ：柔軟性を有する導電性接着剤
２７，２７ｘ、２７ｙ：第１の枕部、２９：第２の枕部
３１：蓋部材、４０：第２の実施形態の水晶振動子
５０：第３の実施形態の水晶振動子
ｈ：第１の枕部の高さ、Ｘ１：第１の枕部の長さ
Ｘ２：第１の枕部の脇の配線パターンの長さ、
Ｘ３：配線パターンの長さ

Claims

平面形状が長方形状の水晶片と、この水晶片を収容する容器と、前記水晶片の第１の短辺の近傍であって第１の短辺の両端付近の２箇所で前記水晶片を前記容器に固定しているシリコーン系の導電性接着剤と、前記容器の底面の前記２箇所と対応する領域各々に設けられた配線パターンと、を具える水晶デバイスにおいて、
前記容器の底面の前記配線パターンの領域内に設けられ、前記水晶片を前記底面から浮かしている第１の枕部と、
前記容器の底面の前記水晶片の第２の短辺付近に対応する位置に設けられ、前記水晶片と対向している第２の枕部と、を具え、
前記第１の枕部の高さをｈ、前記水晶片の長辺方向をＸ方向と定義し、前記第１の枕部の前記Ｘ方向の長さをＸ１、前記配線パターンの前記第１の枕部を設けていない部分であって前記水晶片の中心側の部分の前記Ｘ方向の長さをＸ２、前記容器の前記第１の短辺に近接し前記第１の短辺と平行な縁から、前記配線パターンの前記水晶片の中心側の端までの長さをＸ３と表したとき、
前記ｈを２０〜５０μｍ、前記Ｘ１を１５０μｍ以下であって前記第１の枕部が枕として機能できる長さ、前記Ｘ２を５０〜１５０μｍ、前記Ｘ３を２００〜２５０μｍとしてあり、
前記水晶片は、長辺が０．９０ｍｍ以下、短辺が０．８ｍｍ以下であり、かつ
前記導電性接着剤は、前記第１の枕部の少なくとも天面を覆うと共に、前記配線パターンの前記Ｘ２の長さの領域に、前記第１の枕部の高さｈに起因する、厚さが前記ｈを超える厚さの前記導電性接着剤の部分を構成していることを特徴とする請求項１に記載の水晶デバイス。
前記容器は前記水晶片を収容する凹部を有したものであることを特徴とする請求項１に記載の水晶デバイス。
以上