JP6974787B2 - 圧電振動子、モジュール部品及びそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電振動子、モジュール部品及びそれらの製造方法に関する。
発振装置や帯域フィルタなどに用いられる基準信号の信号源に、例えば人工水晶からなる水晶振動子が広く用いられている。特許文献１には、平板状のベース部材と、凹状の蓋部材と、ベース部材と蓋部材が接合して形成する内部空間に収容される水晶振動素子と、で構成される水晶振動子が開示されている。ベース部材と蓋部材とで形成される内部空間は、周波数を安定化させる効果などのために、減圧される。
水晶振動子が回路基板に実装されるとき、実装姿勢を安定させ脱落や損傷から保護することを目的として、水晶振動子を樹脂製の封止部材によって覆うことがある。封止部材は、硬化する際に収縮し蓋部材を変形させる。これにより、ベース部材と蓋部材との接合部に応力が集中する課題がある。応力集中の結果、クラックが生じることがあった。このようにクラックが発生した場合、水晶振動子の内部空間の気密性が低下して気圧が変化すれば、振動子の周波数に変動が生じる要因となる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ベース部材と蓋部材との接合部に発生する応力の低減を図ることができる圧電振動子、モジュール部品及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る圧電振動子は、ベース部材と、ベース部材の上に搭載された圧電振動素子と、ベース部材に接合され、圧電振動素子を収容する内部空間をベース部材と共に形成する蓋部材と、を備え、蓋部材は、圧電振動素子を挟んでベース部材と対向する天面部と、天面部の主面と交差する方向に延在する側壁部と、を有し、天面部の厚みが、側壁部の厚みよりも大きい。
上記態様によれば、蓋部材が側壁部において変形することで、蓋部材に外力が加わった際にベース部材と蓋部材との接合部にかかる応力を低減することができる。これにより、接合部でのクラックの発生を抑制して内部空間の気密を保ち、気密性の低下を抑制することができる。
本発明の他の一側面に係る圧電振動子の製造方法は、平板状の金属部材をプレス加工することによって、天面部と、前記天面部の主面と交差する方向に延在する側壁部と、を有する蓋部材を設ける工程と、ベース部材に圧電振動素子を搭載する工程と、ベース部材に蓋部材を接合し、ベース部材及び蓋部材によって形成される内部空間に圧電振動素子を収容する工程と、を含み、天面部の厚みが、側壁部の厚みよりも大きい。
上記態様によれば、蓋部材が側壁部において変形することで、蓋部材に外力が加わった際にベース部材と蓋部材との接合部にかかる引張応力を低減することができる。これにより、接合部でのクラックの発生を抑制して内部空間の気密を保ち気密性の低下を抑制することができる。
本発明によれば、ベース部材と蓋部材との接合部に発生する応力の低減を図ることができる圧電振動子、モジュール部品及びそれらの製造方法を提供することが可能となる。
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
また、以下の説明において、圧電振動子の一例として、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を備えた水晶振動子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）を例に挙げて説明する。水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）は、印加電圧に応じて振動する圧電体として水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｂｌａｎｋ）を利用するものである。ただし、本発明の実施形態に係る圧電振動子は水晶振動子に限定されるものではなく、セラミック等の他の圧電体を利用するものであってもよい。
＜実施形態＞
図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動子について説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図である。図２は、図１に示した水晶振動子のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動子について説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図である。図２は、図１に示した水晶振動子のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る水晶振動子１は、水晶振動素子１０と、蓋部材２０と、ベース部材３０と、を備える。ベース部材３０及び蓋部材２０は、水晶振動素子１０を収容するための保持器である。一例では、蓋部材２０は凹状、具体的には開口を有する箱形状、をなしており、ベース部材３０は平板状をなしている。蓋部材２０が凹状をなしていればベース部材３０の形状は特に限定されるものではなく、ベース部材３０が蓋部材２０に対して平板状又は凹状をなしていてもよい。
水晶振動素子１０は、薄片状の水晶片１１を有する。水晶片１１は、互いに対向する第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂを有する。例えば、ＡＴカット型の水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｂｌａｎｋ）である。ＡＴカット型の水晶片は、人工水晶をＸ軸及びＺ´軸によって特定される面と平行な面（以下、「ＸＺ´面」と呼ぶ。他の軸によって特定される面についても同様である。）を主面として切り出されたものである。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、人工水晶の結晶軸であり、Ｙ´軸及びＺ´軸は、それぞれ、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸である。つまり、ＡＴカット型の水晶片１１において、第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂは、それぞれＸＺ´面に相当する。なお、水晶片のカット角度は、ＡＴカット以外の異なるカット（例えばＢＴカットなど）を適用してもよい。
ＡＴカット型の水晶片１１は、Ｘ軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ´軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ´軸方向に平行な厚さが延在する厚さ方向を有する。水晶片１１は、第１主面１２ａの法線方向から平面視したときに矩形状をなしており、中央に励振に寄与する励振部１７と、Ｘ軸の負方向側で励振部１７と隣り合う周縁部１８と、Ｘ軸の正方向側で励振部１７と隣り合う周縁部１９と、を有している。励振部１７と周縁部１９との間には段差１３が設けられている。水晶片１１は、励振部１７が周縁部１８，１９よりも厚いメサ型構造である。但し、水晶片１１の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、第１主面１２ａの法線方向から平面視したときに櫛歯型であってもよい。また、水晶片１１は、Ｘ軸方向及びＺ´軸方向の厚みが略均一な平板構造であってもよく、励振部１７が周縁部１８，１９よりも薄い逆メサ型構造であってもよい。また、励振部１７と周縁部１８，１９との厚みの変化が連続的に変化するコンベックス形状又はベヘル形状であってもよい。
ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で高い周波数安定性を有し、また、経時変化特性にも優れている上、低コストで製造することが可能である。また、ＡＴカット水晶振動素子は、厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｈｅａｒ Ｍｏｄｅ）を主振動として用いられる。
水晶振動素子１０は、一対の電極を構成する第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂを有する。第１励振電極１４ａは、励振部１７の第１主面１２ａに設けられている。また、第２励振電極１４ｂは、励振部１７の第２主面１２ｂに設けられている。第１励振電極１４ａと第２励振電極１４ｂは、水晶片１１を挟んで互いに対向して設けられている。第１励振電極１４ａと第２励振電極１４ｂとは、ＸＺ´面において略全体が重なり合うように配置されている。
第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、それぞれ、Ｘ軸方向に平行な長辺と、Ｚ´軸方向に平行な短辺と、Ｙ´軸方向に平行な厚さとを有している。図１に示す例では、ＸＺ´面において、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの長辺は水晶片１１の長辺と平行であり、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの短辺は水晶片１１の短辺と平行である。また、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの長辺は水晶片１１の長辺から離れており、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの短辺は水晶片１１の短辺から離れている。
水晶振動素子１０は、一対の引出電極１５ａ，１５ｂと、一対の接続電極１６ａ，１６ｂと、を有する。接続電極１６ａは、引出電極１５ａを介して第１励振電極１４ａと電気的に接続されている。また、接続電極１６ｂは、引出電極１５ｂを介して第２励振電極１４ｂと電気的に接続されている。接続電極１６ａ及び１６ｂは、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂをベース部材３０に電気的に接続するための端子である。水晶振動素子１０は、ベース部材３０に保持されている。水晶片１１の第１主面１２ａは、ベース部材３０と対向する側とは反対側に位置し、水晶片１１の第２主面１２ｂは、ベース部材３０と対向する側に位置している。
引出電極１５ａは第１主面１２ａに設けられ、引出電極１５ｂは第２主面１２ｂに設けられている。接続電極１６ａは、周縁部１８の第１主面１２ａから第２主面１２ｂに亘って設けられ、接続電極１６ｂは、周縁部１８の第２主面１２ｂから第１主面１２ａに亘って設けられている。第１励振電極１４ａ、引出電極１５ａ、及び接続電極１６ａは、連続しており、第２励振電極１４ｂ、引出電極１５ｂ、及び接続電極１６ｂは、連続している。図１に示した構成例は、接続電極１６ａ及び接続電極１６ｂが水晶片１１の短辺方向（Ｚ´軸方向）に沿って並んでおり、水晶振動素子１０が一方の短辺で保持される、いわゆる片持ち構造である。水晶振動素子１０は両方の短辺で保持される、いわゆる両持ち構造であってもよく、このとき接続電極１６ａ及び接続電極１６ｂの一方が周縁部１８に設けられ、他方が周縁部１９に設けられる。
第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの材料は、特に限定されるものではないが、例えば、下地層として水晶片１１に接する側にクロム（Ｃｒ）層を有し、表層として下地層よりも水晶片１１から遠い側に金（Ａｕ）層を有している。下地層に酸素との反応性が高い金属層を設けることで水晶片と励振電極との密着力が向上し、表層に酸素との反応性が低い金属層を設けることで励振電極の劣化が抑制され電気的信頼性が向上する。
蓋部材２０は、ベース部材３０の第１主面３２ａに向かって開口した凹状をなしている。蓋部材２０は、ベース部材３０に接合され、これによって水晶振動素子１０を内部空間２６に収容する。蓋部材２０は、水晶振動素子１０を収容することができればその形状は限定されるものではなく、例えば、天面部２１の主面の法線方向から平面視したときに矩形状をなしている。蓋部材２０は、例えば、Ｘ軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ´軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ´軸方向に平行な高さ方向とを有する。
図２に示すように、蓋部材２０は、内面２４及び外面２５を有している。内面２４は、内部空間２６側の面であり、外面２５は、内面２４とは反対側の面である。蓋部材２０は、ベース部材３０の第１主面３２ａに対向する天面部２１と、天面部２１の外縁に接続されており且つ天面部２１の主面に対して交差する方向に延在する側壁部２２と、を有する。また、蓋部材２０は、凹状の開口端部（側壁部２２のベース部材３０に近い側の端部）においてベース部材３０の第１主面３２ａに対向する対向面２３を有する。つまり、対向面２３は、開口端部に含まれている。この対向面２３は、水晶振動素子１０の周囲を囲むように枠状に延在している。
天面部２１の厚みをＴ１とし、側壁部２２の厚みをＴ２とし、開口端部の厚みをＴ３とする。図２に示したＸＹ´面と平行な断面図においては、厚みＴ１は天面部２１のＹ´軸方向と平行な方向の幅であり、厚みＴ２は側壁部２２のＸ軸方向と平行な方向の幅であり、厚みＴ３は開口端部のＸ軸方向と平行な方向の幅である。このとき、厚みＴ１は厚みＴ２よりも厚い（Ｔ１＞Ｔ２）。また、厚みＴ２は厚みＴ３以下である（Ｔ３≧Ｔ２）。Ｔ１＞Ｔ２とすることで、側壁部２２は、天面部２１よりも変形しやすくなっており、側壁部２２にかかる外力を変形により分散することができる。
天面部２１及び側壁部２２は、接続部２７によって接続されている。接続部２７は、例えば、内面２４及び外面２５が曲面となるように形成されている。また、接続部２７において、内面２４の曲率は外面２５の曲率と等しい。内面２４及び外面２５の曲率半径は、例えば、０．０４ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲で設定される。なお、接続部２７の形状は、上記に限定されるものではなく、例えば、内面２４及び外面２５の一方が屈折した平面であり他方が曲面でもよく、両方が屈折した平面であってもよい。但し、アーチ構造により蓋部材２０にかかる外力を分散するためには、接続部２７は、少なくとも外面２５が曲面であることが望ましい。また、接続部２７の内面２４及び外面２５が曲面である場合、内面２４及び外面２５の曲率は、上記の組合せに限定されるものではなく、内面２４及び外面２５の曲率が異なっていてもよく、例えば内面２４の曲率が外面２５の曲率よりも大きくてもよい。
蓋部材２０の材質は特に限定されるものではないが、例えば金属などの導電材料で構成される。これによれば、蓋部材２０を接地電位に電気的に接続させることによりシールド機能を付加することができる。例えば、蓋部材２０は、鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）を含む合金（例えば４２アロイ）からなる。また、蓋部材２０の最表面に酸化防止等を目的とした金（Ａｕ）層などが設けられてもよい。あるいは、蓋部材２０は、絶縁材料で構成されてもよく、導電材料と絶縁材料との複合構造であってもよい。
ベース部材３０は水晶振動素子１０を励振可能に支持するものである。ベース部材３０は平板状をなしている。ベース部材３０は、Ｘ軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ´軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ´軸方向に平行な厚さが延在する厚さ方向とを有する。
ベース部材３０は基体３１を有する。基体３１は、互いに対向する第１主面３２ａ（表面）及び第２主面３２ｂ（裏面）を有する。基体３１は、例えば絶縁性セラミック（アルミナ）などの焼結材である。この場合、複数の絶縁性セラミックシートを積層して焼結してもよい。あるいは、基体３１は、無機ガラス材料（例えばケイ酸塩ガラス、又はケイ酸塩以外を主成分とする材料であって、昇温によりガラス転移現象を有する材料）、水晶材料（例えばＡＴカット水晶）、耐熱性を有するエンジニアリングプラスチック（例えばポリイミドや液晶ポリマー）、又は有機無機ハイブリッド材料（例えばガラスエポキシ樹脂などの繊維強化プラスチック）などで形成してもよい。基体３１は耐熱性材料から構成されることが好ましい。基体３１は、単層であっても複数層であってもよく、複数層である場合、第１主面３２ａの最表層に形成された絶縁層を含む。
ベース部材３０は、第１主面３２ａに設けられた電極パッド３３ａ，３３ｂと、第２主面３２ｂに設けられた外部電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄと、を有する。電極パッド３３ａ，３３ｂは、ベース部材３０と水晶振動素子１０とを電気的に接続するための端子である。また、外部電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄは、図示しない回路基板と水晶振動子１とを電気的に接続するための端子である。電極パッド３３ａは、Ｙ´軸方向に延在するビア電極３４ａを介して外部電極３５ａに電気的に接続され、電極パッド３３ｂは、Ｙ´軸方向に延在するビア電極３４ｂを介して外部電極３５ｂに電気的に接続されている。ビア電極３４ａ，３４ｂは基体３１をＹ´軸方向に貫通するビアホール内に形成される。
導電性保持部材３６ａ，３６ｂは、ベース部材３０の一対の電極パッド３３ａ，３３ｂに、水晶振動素子１０の一対の接続電極１６ａ及び１６ｂをそれぞれ電気的に接続している。また、導電性保持部材３６ａ，３６ｂは、ベース部材３０の第１主面３２ａに水晶振動素子１０を励振可能に保持している。導電性保持部材３６ａ，３６ｂは、例えば、熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂等を含む導電性接着剤によって形成される。
図１に示した構成例において、ベース部材３０の電極パッド３３ａ，３３ｂは、第１主面３２ａ上においてベース部材３０のＸ軸負方向側の短辺付近に設けられ、ベース部材３０の短辺から離れてかつ当該短辺方向に沿って配列されている。電極パッド３３ａは、導電性保持部材３６ａを介して水晶振動素子１０の接続電極１６ａに接続され、他方、電極パッド３３ｂは、導電性保持部材３６ｂを介して水晶振動素子１０の接続電極１６ｂに接続される。
複数の外部電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄは、第２主面３２ｂのそれぞれの角付近に設けられている。図１に示す例では、外部電極３５ａ，３５ｂが、電極パッド３３ａ，３３ｂの直下に配置されている。これによってＹ´軸方向に延在するビア電極３４ａ，３４ｂによって、外部電極３５ａ，３５ｂを電極パッド３３ａ，３３ｂに電気的に接続することができる。図１に示す例では、４つの外部電極３５ａ〜３５ｄのうち、ベース部材３０のＸ軸負方向側の短辺付近に配置された外部電極３５ａ，３５ｂは、水晶振動素子１０の入出力信号が供給される入出力電極である。また、ベース部材３０のＸ軸正方向側の短辺付近に配置された外部電極３５ｃ，３５ｄは、水晶振動素子１０の入出力信号が供給されないダミー電極となっている。このようなダミー電極には、水晶振動子１が実装される図示しない回路基板上の他の電子素子の入出力信号も供給されない。あるいは、外部電極３５ｃ，３５ｄは、接地電位が供給される接地用電極であってもよい。蓋部材２０が導電性材料からなる場合、蓋部材２０を接地用電極である外部電極３５ｃ，３５ｄに接続することによって、蓋部材２０により遮蔽性能の高い電磁シールド機能を付加することができる。
基体３１の第１主面３２ａには、封止枠３７が設けられている。図１に示す例では、封止枠３７は、第１主面３２ａの法線方向から平面視したときに矩形の枠状をなしている。第１主面３２ａの法線方向から平面視したときに、電極パッド３３ａ，３３ｂは、封止枠３７の内側に配置されており、封止枠３７は水晶振動素子１０を囲むように設けられている。封止枠３７は、導電材料により構成されている。封止枠３７上には後述する接合部材４０が設けられ、これによって、蓋部材２０が接合部材４０及び封止枠３７を挟んでベース部材３０に接合される。
本構成例において、ベース部材３０の電極パッド３３ａ，３３ｂ、外部電極３５ａ〜ｄ及び封止枠３７はいずれも金属膜から構成されている。例えば、電極パッド３３ａ，３３ｂ、外部電極３５ａ〜ｄ及び封止枠３７は、基体３１に近接する側（下層）から離間する側（上層）にかけて、モリブデン（Ｍｏ）層、ニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層がこの順に積層されて構成されている。また、ビア電極３４ａ，３４ｂは、基体３１のビアホールにモリブデン（Ｍｏ）などの金属材料を充填して形成することができる。
なお、電極パッド３３ａ，３３ｂや外部電極３５ａ〜３５ｄの配置関係は上記例に限定されるものではない。例えば、電極パッド３３ａがベース部材３０の一方の短辺付近に配置され、電極パッド３３ｂがベース部材３０の他方の短辺付近に配置されてもよい。このような構成においては、水晶振動素子１０が、水晶片１１の長手方向の両端部においてベース部材３０に保持されることになる。
また、外部電極の配置は上記例に限るものではなく、例えば、入出力電極である２つが第２主面３２ｂの対角上に設けられていてもよい。あるいは、４つの外部電極は、第２主面３２ｂの角ではなく各辺の中央付近に配置されていてもよい。また、外部電極の個数は４つに限るものではなく、例えば入出力電極である２つのみであってもよい。また、接続電極と外部電極との電気的な接続の態様はビア電極によるものに限らず、第１主面３２ａ又は第２主面３２ｂ上に引出電極を引き出すことによってそれらの電気的な導通を達成してもよい。あるいは、ベース部材３０の基体３１を複数層で形成し、ビア電極を中間層に至るまで延在させ、中間層において引出電極を引き出すことによって接続電極と外部電極との電気的な接続を図ってもよい。
蓋部材２０及びベース部材３０の両者が封止枠３７及び接合部材４０を挟んで接合されることによって、水晶振動素子１０が、蓋部材２０とベース部材３０とによって囲まれた内部空間（キャビティ）２６に封止される。この場合、内部空間２６の圧力は大気圧力よりも低圧な真空状態であることが好ましく、これにより第１励振電極１４ａ，第２励振電極１４ｂの酸化による水晶振動子１の周波数特性の経時変化などが低減できるため好ましい。
接合部材４０は、蓋部材２０及びベース部材３０の各全周に亘って設けられている。具体的には、接合部材４０は封止枠３７上に設けられている。封止枠３７及び接合部材４０が、蓋部材２０の側壁部２２の対向面２３と、ベース部材３０の第１主面３２ａと、の間に介在することによって、水晶振動素子１０が蓋部材２０及びベース部材３０によって封止される。
接合部材４０は、例えばろう部材である。具体的には、接合部材４０は、金（Ａｕ）‐錫（Ｓｎ）共晶合金からなる。こうして、蓋部材２０とベース部材３０とを金属接合とする。金属接合によれば封止性を向上させることができる。なお、接合部材４０は、導電材料に限らず、例えば低融点ガラス（例えば鉛ホウ酸系や錫リン酸系等）などのガラス接着材料又は樹脂接着剤などの絶縁性材料であってもよい。これによれば、金属接合に比べて低コストであり、また加熱温度を抑えることができ、製造プロセスの簡易化を図ることができる。
本実施形態に係る水晶振動素子１０は、水晶片１１の長辺方向の一方端（導電性保持部材３６ａ，３６ｂが配置される側の端部）が固定端であり、その他方端が自由端となっている。また、水晶振動素子１０、蓋部材２０、及びベース部材３０は、ＸＺ´面において、それぞれ矩形状をなしており、互いに長辺方向及び短辺方向が同一である。
但し、水晶振動素子１０の固定端の位置は特に限定されるものではなく、後述する様に、水晶振動素子１０は、水晶片１１の長辺方向の両端においてベース部材３０に固定されていてもよい。この場合、水晶振動素子１０を水晶片１１の長辺方向の両端において固定する態様で、水晶振動素子１０及びベース部材３０の各電極を形成すればよい。
本実施形態に係る水晶振動子１においては、ベース部材３０の外部電極３５ａ，３５ｂを介して、水晶振動素子１０を構成する第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの間に交番電界を印加する。これにより、厚みすべり振動モードなどの所定の振動モードによって水晶片１１が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
次に、図３を参照しつつ、本実施形態に係る水晶振動子１の実装された態様を説明する。このとき、図３は、回路基板に実装された水晶振動子を示す断面図である。ここでいう断面図とは、図２に示した水晶振動子１のＸＹ´断面を含むものである。図３に示すモジュール部品は、水晶振動子１と、少なくとも水晶振動子１が搭載された回路基板５０とを備え、水晶振動子１は回路基板５１上の封止部材５０で覆われている。なお、回路基板５１には、水晶振動子１のほかに例えば半導体チップやチップキャパシタなどの他の電子部品が搭載されていてもよい。
回路基板５１は、互いに対向する実装表面５２ａと実装裏面５２ｂとを有し、実装表面５２ａに水晶振動子１が実装されている。一例では、はんだ部材５５ａ，５５ｃが、それぞれ、実装表面５２ａの図示しない端子と、水晶振動子１の外部電極３５ａ，３５ｃと、を電気的に接続し、且つ、水晶振動子１を回路基板５１に固着させている。
水晶振動子１は、封止部材５０によって覆われている。封止部材５０は、蓋部材２０の外面２５、ベース部材３０、及び回路基板５１の実装表面５２ａの上に設けられ、水晶振動子１と回路基板５１との固着力を高めている。これにより、封止部材５０は、水晶振動子１を衝撃から保護し、水晶振動子１の損傷や回路基板５１からの剥離を抑制する。
封止部材５０は、例えば熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂などを含む、絶縁性を有する樹脂材料で形成されている。つまり、水晶振動子１の実装工程は、はんだ部材５５ａ，５５ｃによって水晶振動子１を回路基板５１に固着させる工程と、未硬化の封止部材５０を例えば塗布や滴下によって水晶振動子１を覆うように配置する工程と、封止部材５０を硬化させる工程と、を含む。封止部材５０は、硬化に際して収縮し、蓋部材２０を変形させる。これによって、接合部材４０には引張応力がかかることとなる。
＜変形例＞
図４を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動子の変形例について説明する。ここで、図４は、図４は、水晶振動子の変形例を示す断面図である。本変形例は、蓋部材２０の開口端部がフランジ部２８となっている点で、本実施形態の構成例と相違している。
図４を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動子の変形例について説明する。ここで、図４は、図４は、水晶振動子の変形例を示す断面図である。本変形例は、蓋部材２０の開口端部がフランジ部２８となっている点で、本実施形態の構成例と相違している。
フランジ部２８は、側壁部２２のベース部材３０に近い側に設けられている。フランジ部２８は、天面部２１の主面の法線方向から平面視したときに、側壁部２２に重畳し、且つ側壁部２２の外側にも位置している。フランジ部２８の厚み（Ｘ軸方向と平行な方向の幅）をＴ３とすると、厚みＴ３は側壁部２２の厚みＴ２よりも厚い（Ｔ２＜Ｔ３）。図示した例では、側壁部２２及びフランジ部２８は、外面２５が曲面を形成するように接続されている。また、側壁部２２及びフランジ部２８は、内面２４が屈曲せずに連続するように接続されている。本変形例では、図２に示した構成例と比べて、対向面２３の面積が大きい。このため、ベース部材３０と蓋部材２０の接合強度を向上させることができる。
次に、図５を参照しつつ、水晶振動子１を封止部材５０で覆った際に接合部材４０にかかる応力のシミュレーション結果について説明する。このとき、図５は、水晶振動子が封止部材で覆われたときの、蓋部材の厚み比率と、接合部にかかる応力と、の相関を示す図である。縦軸は接合部（封止枠３７や接合部材４０）にかかる応力の最大応力を示し、横軸は側壁部２２の天面部２１に対する厚み比率（Ｔ２／Ｔ１）を示す。丸い点はフランジ部の無い図２に示した構成例におけるシミュレーション結果を示し、四角い点はフランジ部の有る図４に示した変形例におけるシミュレーション結果を示したものである。縦軸の最大応力が小さいほど、接合部でのクラックに起因したリークを抑制することができる。なお、以下の表１は、厚み比率に対する最大応力のシミュレーション結果を示したものであり、この表１に示した数値をプロットしたものが図５のグラフである。
フランジ部の有無に関わらず、最大応力は、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９の範囲内において極小となる。また、Ｔ２／Ｔ１≦０．５の範囲では側壁部２２の変形が大きく、蓋部材が水晶振動子に接触する恐れがある。このため、接合部にクラックが生じるリスクを低減するための厚み比率の望ましい範囲は、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９である。さらには、Ｔ２／Ｔ１がおよそ０．７以上０．８以下のときに最大応力が極小となるので、より望ましい。
フランジ部の無い構成では、０．６５＜Ｔ２／Ｔ１＜１．０の範囲において、１．０≦Ｔ２／Ｔ１のときと比べて最大応力が減少する。また、最大応力が、Ｔ２／Ｔ１＝０．７５のときに極小となり、その前後の厚み比率では最大応力がＴ２／Ｔ１＝０．７５のときと比べて上昇する。最大応力は、例えば、０．６５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９の範囲において、Ｔ２／Ｔ１＝１．０のときと比べて充分に減少する。図５に示した例では、最大応力は、０．６５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９の範囲で３．０×１０-7以下となり、Ｔ２／Ｔ１＝１．０のときの３．７１×１０-7と比べて約８０％以下となっている。Ｔ２／Ｔ１＜０．６５の範囲では、最大応力がＴ２／Ｔ１＝１．０のときよりも大きく、厚み比率が小さいほど最大応力が大きい。なお、０．７＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５の範囲では、フランジ部の無い構成の方が、フランジ部の有る構成よりも、最大応力が小さい。つまり、０．７＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５の範囲では、接合部にかかる最大応力という観点において、フランジ部の無い構成の方が有る構成よりも有利である。
フランジ部の有る構成では、Ｔ２／Ｔ１＜１．０の範囲において、１．０≦Ｔ２／Ｔ１のときと比べて最大応力が減少する。また、最大応力が、Ｔ２／Ｔ１＝０．７５のときに極小となり、その前後の厚み比率では最大応力がＴ２／Ｔ１＝０．７５のときと比べて上昇する。最大応力は、例えば、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５の範囲において、Ｔ２／Ｔ１＝１．０のときと比べて充分に減少する。図５に示した例では、最大応力は、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５の範囲で３．０×１０-7以下となり、Ｔ２／Ｔ１＝１．０のときの５．８８×１０-7と比べて約５０％以下となっている。なお、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．７の範囲では、フランジ部の有る構成の方が、フランジ部の無い構成よりも、最大応力が小さい。つまり、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．７の範囲では、接合部にかかる最大応力という観点において、フランジ部の有る構成の方が無い構成よりも有利である。
次に、本発明に係る圧電振動子の製造方法について、図６〜図８を参照しつつ説明する。なお、ここで説明するのは蓋部材の製造工程であり、その他の、ベース部材に圧電振動素子を搭載する工程、ベース部材に蓋部材によって形成される内部空間に圧電振動素子を収容する工程、蓋部材を覆うように樹脂を硬化させ封止部材を設ける工程、等については上記の図１〜図３の説明を参照可能であるため省略する。このとき、図６は、金属部材を治具で固定する工程を示す図である。図７は、金属部材をプレスして変形させる工程を示す図である。図８は、成形された蓋部材を取得する工程を示す図である。
まず、平板状の金属部材１１１を治具１０１で固定する（図６）。治具１０１は、金属部材１１１の両主面１１２ａ，１１２ｂの中央部を空けて、端部を挟むようにセットされる。
次に、金属部材１１１の中央部を金型１０２で押し込む（図７）。このとき、主面１１２ａは凹状、主面１１２ｂは凸状になるように、金属部材１１１を変形させる。この結果、金属部材１１１は蓋部材１２０となり、主面１１２ａは内面１２４となり、主面１１２ｂは外面１２５となる。金属部材１１１は、治具１０１に挟まれた部分がフランジ部１２８となり、金型１０２によって押し込まれる部分が天面部１２１となり、治具１０１と金型１０２との間に位置する部分が側壁部１２２となる。また、金型１０２の角部と接触する部分が、天面部１２１と側壁部１２２との接続部１２７となる。主面１１２ａに金型１０２の形状が転写されて内面１２４となるため、角が丸い金型１０２を用いることで、接続部１２７の内面１２４が曲面となるように加工することができる。
天面部１２１の厚みはＴ１１であり、側壁部の厚みはＴ１２であり、フランジ部１２８の厚みはＴ１３であるとする。側壁部１２２は金属部材１１１が延伸されることによって形成されるため、側壁部１２２の厚みＴ１２は、天面部１２１の厚みＴ１１よりも薄くなる。なお、厚みＴ１１，Ｔ１２，Ｔ１３は、加工の条件を変更することで調整することができる。プレス加工の条件とは、例えば、金属部材１１１の温度、金型１０２の押し込み速度、治具１０１と金型１０２との距離、等である。
次に、金型１０２及び治具１０１を取り外すことで、蓋部材１２０が取得される（図６）。
以上のとおり、本実施形態によれば、ベース部材３０と、ベース部材３０の上に搭載された圧電振動素子１０と、ベース部材３０に接合され、圧電振動素子１０を収容する内部空間２６をベース部材３０と共に形成する蓋部材２０と、を備え、蓋部材２０は、圧電振動素子１０を挟んでベース部材３０と対向する天面部２１と、天面部２１の主面と交差する方向に延在する側壁部２２と、を有し、天面部２１の厚みＴ１が、側壁部２２の厚みＴ２よりも厚い、圧電振動子１、が提供される。
上記の実施形態によれば、蓋部材が側壁部において変形することで、蓋部材に外力が加わった際にベース部材と蓋部材との接合部にかかる応力を低減することができる。これにより、接合部でのクラックの発生を抑制して内部空間の気密を保ち、圧電振動子の周波数の変動を抑制することができる。
さらに、圧電振動子、半導体チップ、チップキャパシタなどの電子部品を回路基板に搭載する。次に、圧電振動子など電子部品を覆うように、加熱によって流動性を増した封止部材を回路基板に供給する。次に、封止部材を冷却して硬化する。このような製造工程によって、少なくとも圧電振動子が回路基板に搭載され、回路基板上に搭載された圧電振動子を含む電子部品が封止部材で覆われているモジュール部品を得ることができる。
天面部２１の厚みをＴ１、側壁部２２の厚みをＴ２としたとき、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９を満たしていてもよい。これによれば、厚み比率が、蓋部材とベース部材との接合部にかかる応力の最大値（最大応力）が極小となり得る範囲であるため、接合部でのクラックの発生を抑制することができる。
０．６５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９を満たしていてもよい。これによれば、１≦Ｔ２／Ｔ１の範囲における接合部の最大応力に比べて、充分に最大応力を低減することができる。
０．７＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５を満たしていてもよい。これによれば、開口端部がフランジ部となっている構成よりも、接合部の最大応力を低減することができる。
蓋部材２０は、天面部２１の主面の法線方向から平面視したときに天面部２１の外側に位置し、側壁部２２に接続されたフランジ部２８を有し、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５を満たしていてもよい。これによれば、接合部と対向する対向面を広くすることができ、接合強度を向上させることができる。また、１≦Ｔ２／Ｔ１の範囲における接合部の最大応力に比べて、充分に最大応力を低減することができる。
蓋部材２０がフランジ部２８を有し、さらに、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．７を満たしていてもよい。これによれば、フランジ部を有しない構成よりも、接合部の最大応力を低減することができる。また、１≦Ｔ２／Ｔ１の範囲に比べて、最大応力を１／２以下とすることができる。
蓋部材２０は、天面部２１と側壁部２２とを接続する接続部２７を有し、接続部２７は、少なくとも外面２５が曲面であってもよい。これによれば、蓋部材の外面にかかる外力を分散することができる。
接続部２７は、内面２４の曲率が外面２５の曲率よりも大きくてもよい。これによれば、ベース部材と蓋部材によって形成される内部空間を広くすることができ、蓋部材と圧電振動素子とが接触するリスクを低減することができる。また、圧電振動子のサイズを小さくすることができる。
接続部２７は、内面２４及び外面２５の曲率が等しくてもよい。これによれば、蓋部材の外面にかかる外力を分散することができる。また、接続部の厚みが均一になることで、接続部の一部への応力の集中を抑制することができる。
側壁部２２とフランジ部２８との接続部の外面２５が曲面であってもよい。これによれば、蓋部材の外面にかかる外力を分散することができる。
圧電振動子１は、樹脂製の封止部材５０によって覆われていてもよい。これによれば、封止部材の硬化収縮によって蓋部材に応力がかかるが、本実施形態によれば、この硬化収縮の際に接合部でクラックが生じることを抑制できる。
また、本実施形態の別の態様によれば、平板状の金属部材１１１をプレス加工することによって、天面部１２１と、天面部１２１の主面と交差する方向に延在する側壁部１２２と、を有する蓋部材１２０を設ける工程と、ベース部材３０に圧電振動素子１０を搭載する工程と、ベース部材３０に蓋部材１２０（２０）を接合し、ベース部材３０及び蓋部材２０によって形成される内部空間２６に圧電振動素子１０を収容する工程と、を含み、天面部１２１の厚みが、側壁部１２２の厚みよりも厚い、圧電振動子１の製造方法、が提供される。
上記の態様によれば、蓋部材が側壁部において変形することで、蓋部材に外力が加わった際にベース部材と蓋部材との接合部にかかる応力を低減することができる。これにより、接合部でのクラックの発生を抑制して内部空間の気密を保ち、圧電振動子の周波数の変動を抑制することができる。
以上説明したように、本発明によれば、周波数の変動の抑制を図ることができる圧電振動子及びその製造方法を提供することが可能となる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１…水晶振動子（圧電振動子） １０…水晶振動素子（圧電振動素子）
２０…蓋部材 ２１…天面部 ２２…側壁部 ２３…対向面
２４…内面 ２５…外面 ２６…内部空間 ２７…接続部 ２８…フランジ部
Ｔ１…天面部の厚み Ｔ２…側壁部の厚み Ｔ３…フランジ部の厚み
Ｔ２／Ｔ１…厚み比率
３０…ベース部材 ３７…封止枠 ４０…接合部材 ５０…封止部材
５１…回路基板
２０…蓋部材 ２１…天面部 ２２…側壁部 ２３…対向面
２４…内面 ２５…外面 ２６…内部空間 ２７…接続部 ２８…フランジ部
Ｔ１…天面部の厚み Ｔ２…側壁部の厚み Ｔ３…フランジ部の厚み
Ｔ２／Ｔ１…厚み比率
３０…ベース部材 ３７…封止枠 ４０…接合部材 ５０…封止部材
５１…回路基板
Claims (12)
- 圧電振動子であって、
ベース部材と、
前記ベース部材の上に搭載された圧電振動素子と、
前記ベース部材に接合され、前記圧電振動素子を収容する内部空間を前記ベース部材と共に形成する蓋部材と、を備え、
前記蓋部材は、前記圧電振動素子を挟んで前記ベース部材と対向する天面部と、前記天面部の主面と交差する延在方向に延在するとともに前記延在方向と交差する方向の寸法が前記延在方向の全域に亘って一定である側壁部と、を有し、
前記圧電振動子は封止部材によって覆われており、
前記天面部の厚みが、前記側壁部の厚みよりも大きく、
前記天面部の厚みをＴ１、前記側壁部の厚みをＴ２としたとき、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９を満たしている、圧電振動子。 - ０．６５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９を満たしている、請求項１に記載の圧電振動子。
- ０．７＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５を満たしている、請求項２に記載の圧電振動子。
- 前記蓋部材は、前記天面部の主面の法線方向から平面視したときに前記天面部の外側に位置し、前記側壁部に接続されたフランジ部を有し、
０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．８５を満たしている、請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電振動子。 - ０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．７を満たしている、請求項４に記載の圧電振動子。
- 前記蓋部材は、前記天面部と前記側壁部とを接続する接続部を有し、
前記接続部は、少なくとも外面が曲面である、請求項１から５のいずれか１項に記載の圧電振動子。 - 前記接続部は、内面の曲率が外面の曲率よりも大きい、請求項６に記載の圧電振動子。
- 前記接続部は、内面及び外面の曲率が等しい、請求項６に記載の圧電振動子。
- 前記側壁部と前記フランジ部との接続部の外面は曲面である、請求項４又は５に記載の圧電振動子。
- 少なくとも、請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電振動子が、回路基板に搭載されており、
前記圧電振動子を覆うように前記回路基板に前記封止部材が設けられている、モジュール部品。 - 圧電振動子の製造方法であって、
平板状の金属部材をプレス加工することによって、天面部と、前記天面部の主面と交差する延在方向に延在するとともに前記延在方向と交差する方向の寸法が前記延在方向の全域に亘って一定である側壁部と、を有する蓋部材を設ける工程と、
ベース部材に圧電振動素子を搭載する工程と、
前記ベース部材に前記蓋部材を接合し、前記ベース部材及び前記蓋部材によって形成される内部空間に前記圧電振動素子を収容する工程と、
を含み、
前記圧電振動子は封止部材によって覆われており、
前記天面部の厚みが、前記側壁部の厚みよりも大きく、
前記天面部の厚みをＴ１、前記側壁部の厚みをＴ２としたとき、０．５＜Ｔ２／Ｔ１＜０．９を満たしている、圧電振動子の製造方法。 - 請求項１１記載の圧電振動子の製造方法を含み、
前記圧電振動子を回路基板に搭載する工程と、
前記圧電振動子を覆うように前記回路基板に流動性を有する前記封止部材を設ける工程と、
前記流動性を有する前記封止部材を硬化する工程とを含む、モジュール部品の製造方法。
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