WO2017006941A1 - 水晶振動片及び水晶振動子 - Google Patents

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WO2017006941A1
WO2017006941A1 PCT/JP2016/069935 JP2016069935W WO2017006941A1 WO 2017006941 A1 WO2017006941 A1 WO 2017006941A1 JP 2016069935 W JP2016069935 W JP 2016069935W WO 2017006941 A1 WO2017006941 A1 WO 2017006941A1
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crystal
external electrode
piece
crystal piece
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竜一 河合
山本 裕之
開田 弘明
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an AT-cut type crystal resonator element and a crystal resonator.
  • the crystal resonator includes a crystal resonator element including a crystal element and two external electrodes.
  • the crystal piece is an AT-type crystal piece having a rectangular shape.
  • the long side of the crystal piece coincides with the Z ′ direction (the direction in which the crystal piece is cut out).
  • the two external electrodes are provided so as to be arranged in the short side direction of the crystal piece.
  • the two external electrodes of the crystal vibrating piece are fixed to the two external electrodes of the ceramic substrate via a conductive adhesive. Thereby, the quartz crystal vibrating piece is fixed to the ceramic substrate in the vicinity of the short side.
  • the crystal resonator described in Patent Document 1 has a problem that a crystal impedance value (hereinafter referred to as a CI value) increases. More specifically, the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate on which the crystal piece is mounted is about 7.0 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. On the other hand, the thermal expansion coefficient in the X direction of the crystal piece is about 13.0 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C., and the thermal expansion coefficient in the Z ′ direction of the crystal piece is about 10.0 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. .
  • the difference between the thermal expansion coefficient in the X direction of the crystal piece and the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate is larger than the difference between the thermal expansion coefficient in the Z ′ direction of the crystal piece and the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate. Therefore, when the long side of the crystal piece coincides with the Z ′ direction and the short side of the crystal piece coincides with the X direction, the thermal expansion coefficient of the crystal piece and the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate at the short side of the fixed crystal piece And the difference will increase. Therefore, in the process of thermosetting the conductive adhesive when fixing the crystal vibrating piece to the ceramic substrate, there is a large difference between the elongation of the ceramic substrate and the elongation in the vicinity of the short side of the crystal piece. As a result, after the crystal vibrating piece and the ceramic substrate are cooled, a residual stress is generated in the crystal piece in the vicinity of the two external electrodes. Such residual stress causes the CI value of the crystal resonator to increase.
  • an object of the present invention is to provide a crystal resonator element and a crystal resonator that can reduce the CI value.
  • a crystal resonator includes a crystal resonator element including a crystal element, a first external electrode and a second external electrode, a plate-like substrate body, and a main surface of the substrate body
  • the first external electrode and the second external electrode are arranged in the short side direction in which the short side of the main surface extends.
  • a long side of the main surface is substantially parallel to the Z ′ axis of the crystal piece, and a short side of the main surface is substantially parallel to the X axis of the crystal piece.
  • the frequency of the main vibration of the crystal piece is 20.0 MHz or more and 60.0 MHz or less, and the first external electrode and the third external electrode are the first
  • the second external electrode and the fourth external electrode are fixed via a second conductive adhesive, and the first vibrating electrode is fixed to the quartz vibrating piece.
  • the shortest distance in the short side direction between the portion where the conductive adhesive is in contact with the portion where the second conductive adhesive is in contact with the crystal vibrating piece is P (mm), and the crystal
  • the frequency of the main vibration of the piece is F (MHz)
  • 0.050 ⁇ P ⁇ ⁇ 0.0047 ⁇ F + 1.728 is established.
  • the quartz crystal resonator element has a plate-like shape, an AT-cut crystal piece that is rectangular when viewed from the normal direction of the main surface, and the main surface.
  • the CI value can be reduced.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a crystal resonator 10.
  • 1 is an exploded perspective view of a crystal unit 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional structure diagram along AA in FIG. 1. It is the figure which planarly viewed from the -Z 'side the model used for the computer simulation which this inventor performed. It is the figure which planarly viewed from the + Y 'side the model used for the computer simulation which this inventor performed. It is the graph which showed the simulation result. It is the graph which showed the relationship between the space
  • FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram of a crystal oscillator 300.
  • FIG. 1 is an external perspective view of the crystal unit 10.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the crystal unit 10.
  • FIG. 3 is a cross-sectional structural view taken along line AA in FIG.
  • the normal direction with respect to the main surface of the crystal unit 10 is defined as the vertical direction, and the direction in which the long side of the crystal unit 10 extends when viewed from above is defined as the long side direction.
  • the direction in which the short side of the child 10 extends is defined as the short side direction.
  • each component may be described with reference to the AT cut axial direction of the crystal piece 17.
  • the crystal resonator 10 includes a substrate 12, a metal cap 14, a crystal vibrating piece 16, and a brazing material 50.
  • the width of the short side of the crystal unit 10 is 1.0 mm, and the length of the long side of the crystal unit 10 is 1.2 mm.
  • the substrate 12 (an example of a circuit board) includes a substrate body 21, external electrodes 22, 26, 40, 42, 44, 46, via-hole conductors 25, 28, 54, 56 and a metallized film 30.
  • the substrate body 21 has a plate shape, and has a rectangular shape when viewed from above.
  • the substrate main body 21 is made of, for example, a ceramic insulating material such as an aluminum oxide sintered body (so-called alumina).
  • the substrate body 21 is configured by laminating a plurality of insulator layers made of a ceramic material.
  • the substrate body 21 has two main surfaces at the top and bottom.
  • the upper main surface (the main surface on the + Y ′ side) of the substrate body 21 is referred to as the front surface
  • the lower main surface (the main surface on the ⁇ Y ′ side) of the substrate body 21 is referred to as the back surface.
  • External electrodes 22 and 26 are provided side by side in the short side direction on one end side in the long side direction on the surface of the substrate body 21.
  • the external electrode 22 is a rectangular conductor layer provided near the ⁇ Z ′ and + X side corners of the surface of the substrate body 21.
  • the external electrode 26 is a rectangular conductor layer provided in the vicinity of the ⁇ Z ′ and ⁇ X side corners of the surface of the substrate body 21.
  • External electrodes 40, 42, 44, 46 are provided in the vicinity of each corner on the back surface of the substrate body 21.
  • the external electrode 40 is a square conductor layer provided near the ⁇ Z ′ and ⁇ X side corners of the back surface of the substrate body 21 and overlaps the external electrode 26 when viewed from above.
  • the external electrode 42 is a square conductor layer provided in the vicinity of the ⁇ Z ′ and + X side corners of the back surface of the substrate body 21, and overlaps the external electrode 22 when viewed from above.
  • the external electrode 44 is a square conductor layer provided near the + Z ′ and ⁇ X side corners of the back surface of the substrate body 21.
  • the external electrode 46 is a square conductor layer provided in the vicinity of the + Z ′ and + X side corners of the back surface of the substrate body 21.
  • the via-hole conductor 25 penetrates the substrate body 21 in the vertical direction, and electrically connects the external electrode 22 and the external electrode 42.
  • the via-hole conductor 28 penetrates the substrate body 21 in the vertical direction, and electrically connects the external electrode 26 and the external electrode 40.
  • the metallized film 30 is a linear metal film provided on the surface of the substrate body 21 and has a rectangular ring shape when viewed from the upper side (normal direction to the surface).
  • the external electrodes 22 and 26 are provided in a region surrounded by the metallized film 30 when viewed from above.
  • the via-hole conductor 54 penetrates the substrate main body 21 in the vertical direction, and electrically connects the metallized film 30 and the external electrode 46.
  • the via-hole conductor 56 penetrates the substrate body 21 in the vertical direction, and electrically connects the metallized film 30 and the external electrode 44.
  • a modification of the configuration (not shown) for transmitting the excitation signal to the external electrode 40 and the external electrode 46 disposed diagonally of the substrate body 21 can be used in the configuration shown in FIG.
  • the configuration of this modification can be realized by using a multilayer structure for the substrate 12.
  • the via-hole conductor 25 provided through a part of the substrate body electrically connects the external electrode 22 and the intermediate wiring provided on the intermediate wiring layer in the middle of the multilayer substrate body.
  • the via hole conductors 54 that are connected to each other and that penetrate through a part of the layer of the substrate body can be realized by electrically connecting the intermediate wiring and the external electrode 46.
  • the external electrode 22 and the external electrode 46 that are not overlapped in plan view can be electrically connected via the via-hole conductor 25, the intermediate wiring, and the via-hole conductor 54.
  • the via-hole conductor 54 is not electrically connected to the metallized film 30.
  • the surface wiring provided on the surface of the multilayer substrate is brought into contact with the external electrode 42 and the external electrode 44 so that the external electrode 42 and the external electrode 44 are electrically connected. May be.
  • a conductive path that is three-dimensionally routed inside the multilayer substrate can be realized by combining the intermediate wiring and the via-hole conductor. Further, by forming a lead electrode extending from the external electrode 22 on the main surface of the substrate and connecting a via hole electrode to the lead electrode, a more complicated conductive path can be realized.
  • the external electrodes 22, 26, 40, 42, 44, 46 and the metallized film 30 have a three-layer structure. Specifically, a molybdenum layer, a nickel layer, and a gold layer are laminated from the lower layer side to the upper layer side. It is constituted by.
  • the via-hole conductors 25, 28, 54, and 56 are manufactured by burying a conductor such as molybdenum in a via hole formed in the substrate body 21.
  • the crystal vibrating piece 16 includes a crystal piece 17, external electrodes 97 and 98, excitation electrodes 100 and 101, and lead conductors 102 and 103.
  • the crystal piece 17 has a plate shape, and has a rectangular shape when viewed from above.
  • the main surface on the upper side of the crystal piece 17 is called a front surface, and the main surface on the lower side of the crystal piece 17 is called a back surface.
  • the crystal piece 17 is, for example, an AT-cut type crystal piece cut out from a rough crystal or the like at a predetermined angle.
  • the AT-cut crystal piece 17 has an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis which are crystal axes of the artificial quartz, and the Y-axis and the Z-axis are 35 degrees 15 minutes in the direction from the Y-axis to the Z-axis around the X-axis.
  • the axes rotated for 1 minute 30 seconds are defined as the Y ′ axis and the Z ′ axis, respectively, the surfaces parallel to the surfaces specified by the X axis and the Z ′ axis are cut out. As shown in FIG.
  • the long sides of the front surface and the back surface of the crystal piece 17 are substantially parallel to the Z ′ axis of the crystal piece 17.
  • the short sides of the front and back surfaces of the crystal piece 17 are substantially parallel to the X axis of the crystal piece 17.
  • the thickness of the crystal piece 17 in the direction perpendicular to the front or back surface is substantially parallel to the Y ′ axis of the crystal piece 17.
  • substantially parallel refers to those within a range of about ⁇ 1 degree with respect to the Z ′ axis and the X axis.
  • a quartz resonator element using an AT-cut quartz piece has extremely high frequency stability over a wide temperature range, and can be manufactured with excellent temporal change characteristics.
  • the AT-cut quartz crystal resonator element includes a thickness shear vibration mode (Thickness Shear Mode) as a main vibration.
  • the crystal piece 17 is beveled.
  • FIG.2 3 the point to which bevel processing is given is not expressed.
  • the size of the crystal unit is within the range of 1.2mm in the long side direction and 1.0mm in the short side direction. Therefore, the wall thickness of the package, bleeding of the sealing material, device mounting accuracy, etc.
  • the crystal piece 17 is designed so that the length of the crystal piece 17 in the long side direction is 0.80 mm or less and the width of the crystal piece 17 in the short side direction is 0.67 mm or less.
  • the external electrode 97 is a conductor layer provided at and near the ⁇ Z ′ and + X side corners of the crystal piece 17.
  • the external electrode 97 is formed from the front surface to the back surface of the crystal piece 17 and is also formed on each side surface of the crystal piece 17 on the + X side and the ⁇ Z ′ side. Thereby, the external electrode 97 is in contact with the + X side ends of the short sides of the front and back surfaces.
  • the external electrode 98 is a conductor layer provided at and near the ⁇ Z ′ and ⁇ X side corners of the back surface of the crystal piece 17.
  • the external electrode 98 is formed from the front surface to the back surface of the crystal piece 17 and is also formed on each side surface of the crystal piece 17 on the ⁇ X side and the ⁇ Z ′ side. Thus, the external electrode 98 is in contact with the ⁇ X side ends of the short sides of the front and back surfaces. Therefore, the external electrodes 97 and 98 are arranged in the short side direction of the crystal piece 17.
  • the excitation electrode 100 is provided in the center of the surface of the crystal piece 17 and has a rectangular shape when viewed from above.
  • the excitation electrode 101 is provided in the center of the back surface of the crystal piece 17 and has a rectangular shape when viewed from above.
  • the excitation electrode 100 and the excitation electrode 101 overlap with each other when viewed from above.
  • the lead conductor 102 is provided on the surface of the crystal piece 17 and connects the external electrode 97 and the excitation electrode 100.
  • the lead conductor 103 is provided on the back surface of the crystal piece 17 and connects the external electrode 98 and the excitation electrode 101.
  • the external electrodes 97 and 98, the excitation electrodes 100 and 101, and the lead conductors 102 and 103 are produced, for example, by laminating gold on a chromium underlayer.
  • the crystal vibrating piece 16 is mounted on the surface of the substrate 12. Specifically, the external electrode 22 and the external electrode 97 are fixed in a state where they are electrically connected by the conductive adhesive 210, and the external electrode 26 and the external electrode 98 are electrically connected by the conductive adhesive 212. It is fixed in the state that was done.
  • the conductive adhesives 210 and 212 include silicone-based conductive adhesives.
  • the metal cap 14 is a casing having a rectangular opening, and is produced, for example, by applying nickel plating and gold plating to a base material of an iron nickel alloy or a cobalt nickel alloy.
  • the metal cap 14 is a rectangular parallelepiped box having an opening on the lower side, and is produced by performing nickel plating and gold plating on the surface of a base material of iron-nickel alloy.
  • the brazing material 50 is disposed on the metallized film 30.
  • the brazing material 50 has substantially the same shape as the metallized film 30 and has a rectangular ring shape.
  • the brazing material 50 has a melting point lower than that of the metallized film 30 and is made of, for example, a gold-tin alloy.
  • the brazing material 50 is formed on the metallized film 30 by printing or the like, for example.
  • the metallized film 30 is melted and solidified in a state where the outer edge of the opening of the metal cap 14 is in contact with the brazing material 50. Thereby, the metal cap 14 is bonded to the metallized film 30 through the brazing material 50 over the entire length of the outer edge of the opening.
  • a sealed space Sp is formed by the surface of the substrate body 21 and the metal cap 14. Therefore, the crystal vibrating piece 16 is accommodated in the sealed space Sp. Further, the sealed space Sp is kept in a vacuum state by the metal cap 14 being in close contact with the substrate body 21 via the metallized film 30 and the brazing material 50. However, it may be in atmospheric conditions. Instead of the brazing material 50, for example, an adhesive such as low melting glass or resin may be used. At this time, the metallized film 30 is not necessarily required.
  • the external electrodes 40 and 42 are electrically connected to an oscillation circuit, and a timing signal is output from the oscillation circuit.
  • a ground potential is applied to the external electrodes 44 and 46.
  • the crystal resonator 10 satisfies the conditions described below in order to reduce the CI value.
  • Condition 1 The frequency of the main vibration of the crystal piece 17 is 20.0 MHz or more and 60.0 MHz or less.
  • Condition 2 The long side of the front surface and the back surface of the crystal piece 17 is substantially parallel to the Z ′ axis of the crystal piece 17.
  • Condition 3 The short sides of the front surface and the back surface of the crystal piece 17 are substantially parallel to the X axis of the crystal piece 17.
  • Condition 4 The shortest distance in the short side direction between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal vibrating piece 16 is P (mm). Yes, when the frequency of the main vibration of the quartz piece 17 is F (MHz), 0.050 ⁇ P ⁇ ⁇ 0.0047 ⁇ F + 1.728 is established.
  • the frequency of the main vibration of the crystal piece 17 depends on the thickness T of the crystal piece 17. Therefore, the thickness T of the crystal piece 17 is set in the range of 0.0278 mm or more and 0.0835 mm or less.
  • the quartz piece is generally fixed to the substrate with a conductive adhesive in the vicinity of the short side, and the AT-cut quartz piece is known to have the vibration direction of thickness shear vibration in the X-axis direction. It has been. Therefore, the conventional crystal piece whose long side is parallel to the X-axis direction is susceptible to vibration leakage on the substrate via the conductive adhesive on the short side.
  • the AT-cut type crystal piece 17 according to the present embodiment has a long side parallel to the Z′-axis direction, so that there is little vibration leakage to the Z′-axis region, and in the vicinity of the short side of the crystal piece 17.
  • the influence of vibration leakage on the substrate is small. Therefore, according to the AT-cut type crystal piece according to the present embodiment, the influence of vibration leakage is less and the CI value is better than the crystal piece whose long side is parallel to the X-axis direction.
  • ⁇ Condition 4> The shortest distance in the short side direction between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal vibrating piece 16 is P (mm).
  • the frequency of the main vibration of the piece 17 is F (MHz)
  • 0.050 ⁇ P ⁇ ⁇ 0.0047 ⁇ F + 1.728 is established.
  • the frequency of the main vibration of the crystal piece 17 is 37.4 MHz, it is more preferable that 0.370 ⁇ P ⁇ 0.683 is established.
  • the portion in which the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal vibrating piece 16 and the portion in which the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal vibrating piece 16 are the crystal vibrating piece 16 through the conductive adhesives 210 and 212.
  • the conductive adhesives 210 and 212 are applied so as not to protrude from the external electrodes 97 and 98 when viewed from above.
  • the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the quartz vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the quartz vibrating piece 16 are respectively in contact with the external electrode 97. And the conductive adhesive 212 is in contact with the external electrode 98 and the external electrode 98.
  • a mother substrate in which a plurality of substrate bodies 21 are arranged in a matrix is prepared.
  • the mother substrate is made of, for example, a ceramic insulating material such as an aluminum oxide sintered body (so-called alumina).
  • a beam is irradiated to the position where the via-hole conductors 25, 28, 54, 56 of the substrate body 21 are formed to form a through hole. Further, the through hole is filled with a conductive material such as molybdenum and dried. Thereafter, the via-hole conductors 25, 28, 54, and 56 are formed by sintering the conductive material.
  • the base electrodes of the external electrodes 40, 42, 44, 46 are formed on the back surface of the mother substrate. Specifically, a molybdenum layer is printed on the back surface of the mother substrate and dried. Thereafter, the molybdenum layer is sintered. As a result, the base electrodes of the external electrodes 40, 42, 44, 46 are formed.
  • the base electrodes of the external electrodes 22 and 26 and the metallized film 30 are formed on the surface of the mother substrate.
  • a molybdenum layer is printed on the surface of the mother substrate and dried. Thereafter, the molybdenum layer is sintered. Thereby, the base electrodes of the external electrodes 22 and 26 and the metallized film 30 are formed.
  • the filling of the conductive material into the through holes and the printing of the external electrodes and the like on the mother substrate can be simultaneously formed by using vacuum printing or the like. At this time, the conductive material and the external electrode are fired simultaneously.
  • the mother substrate is a ceramic-based sintered insulating material
  • the through-holes are formed, the conductive material is filled, the external electrodes 22, 26, 40, 42, 44, 46, and metallized in a sheet state before firing.
  • the film 30 is printed and dried, it is press-contacted in a state where a plurality of sheets are laminated to form a laminated sheet, which is baked to form via hole conductors, external electrodes 22, 26, 40, 42, 44, 46, and metallized films.
  • 30 and the substrate body 21 can be completed simultaneously. Thereafter, the same plating as described above is performed.
  • the mother substrate is divided into a plurality of substrate bodies 21 by a dicer.
  • a dividing groove is formed in the mother substrate with a laser or the like, and mechanically divided along this.
  • a quartz crystal ore is cut out by AT cut to obtain a rectangular plate-shaped crystal piece 17.
  • the long sides of the front and back surfaces of the crystal piece 17 are substantially parallel to the Z ′ axis of the crystal piece 17, and the short sides of the front and back surfaces of the crystal piece 17 are substantially parallel to the X axis of the crystal piece 17. Cut the rough crystal so that
  • bevel processing is performed on the crystal piece 17 using a barrel processing apparatus. Thereby, the vicinity of the ridgeline of the crystal piece 17 is scraped off, and the crystal piece 17 has a cross-sectional shape whose thickness decreases as the distance from the center of the surface increases.
  • external electrodes 97 and 98, excitation electrodes 100 and 101, and lead conductors 102 and 103 are formed on the crystal piece 17. Note that the formation of the external electrodes 97 and 98, the excitation electrodes 100 and 101, and the lead conductors 102 and 103 is a general process and will not be described.
  • the crystal vibrating piece 16 is mounted on the surface of the substrate body 21. Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the external electrode 22 and the external electrode 97 are bonded by the conductive adhesive 210, and the external electrode 26 and the external electrode 98 are bonded by the conductive adhesive 212. To do. At this time, in order to cure the thermosetting resin in the conductive adhesives 210 and 212, the substrate 12, the crystal vibrating piece 16 and the conductive adhesives 210 and 212 are heated to 180 ° C.
  • the metal cap 14 is attached to the substrate 12 with the brazing material 50.
  • the crystal resonator 10 is completed.
  • FIG. 4 is a plan view of the model used for the computer simulation performed by the present inventor as viewed from the left side.
  • FIG. 5 is a plan view of the model used in the computer simulation performed by the present inventor as viewed from above.
  • the simulation conditions are described below.
  • the inventor of the present application created a model in which the crystal piece 17 is fixed on the substrate 12 with conductive adhesives 210 and 212.
  • the inventors of the present application changed the frequency F of the main vibration by changing the thickness of the crystal piece 17 into three types.
  • the interval P was changed to five types.
  • Table 1 is a table showing the conditions of the crystal piece 17
  • Table 2 is a table showing the conditions of the substrate 12
  • Table 3 is a table showing the conditions of the conductive adhesives 210 and 212.
  • Table 4 is a table showing the interval P between the first model to the fifteenth model.
  • FIG. 6 is a graph showing the simulation results.
  • the vertical axis represents the maximum stress (MPa), and the horizontal axis represents the interval P (mm).
  • a general crystal resonator In a general crystal resonator, the long sides of the front and back surfaces are substantially parallel to the X axis of the crystal piece (hereinafter referred to as X long).
  • An X-long crystal resonator having a width in the short side direction of 2.0 mm and a width in the long side direction of 2.5 mm is designed so that the maximum stress is 50 MPa or less.
  • the CI value of the crystal resonator is suppressed to a sufficiently low value (specifically, 70 ⁇ or less). Therefore, the inventors of the present application read the interval P at which the maximum stress is 50 MPa for each main vibration frequency (that is, for each thickness) of the crystal piece 17 in the graph of FIG.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the interval P (mm) and the main vibration frequency F (MHz).
  • the vertical axis indicates the interval P, and the horizontal axis indicates the frequency F.
  • the lower limit of the interval P is 0.050 mm. This is because if the distance P is smaller than 0.050 mm, the conductive adhesive 210 and the conductive adhesive 212 are too close to each other and may cause a short circuit.
  • FIG. 8 is a diagram showing the stress distribution of the crystal piece 17 in the fourth sample.
  • FIG. 9 is a diagram showing the stress distribution of the crystal piece 17 in the ninth sample.
  • FIG. 10 is a diagram showing the stress distribution of the crystal piece 17 in the fourteenth sample.
  • FIG. 11 is a diagram showing the stress distribution of the crystal piece 17 in the ninth sample. In FIGS. 8 to 10, each sample is viewed from the left side.
  • FIG. 11 is a view of the sample as viewed from above.
  • the stress is concentrated in the crystal piece 17 in the vicinity of the ⁇ X side end of the conductive adhesive 210 and in the vicinity of the + X side end of the conductive adhesive 212.
  • the length of the portion on the + X side of the conductive adhesive 210 in the crystal piece 17 and the length of the portion on the ⁇ X side of the conductive adhesive 212 in the crystal piece 17 may be any.
  • the length of the portion on the + Z ′ side from the conductive adhesives 210 and 212 in the crystal piece 17 may be any.
  • the length of the long side (that is, the length in the long side direction) of the front and back surfaces of the crystal piece 17 is preferably 2.0 mm or less. This is because if the length of the crystal piece 17 in the long side direction becomes too long, the crystal piece 17 becomes heavy and a load applied to the conductive adhesives 210 and 212 becomes large.
  • the present inventor conducted an experiment described below in order to obtain a more preferable value of the interval P. More specifically, first to third samples described below were prepared, and CI values were measured. The CI value was measured with a network analyzer (E5100A, manufactured by Agilent Technologies). The experiment was performed at 25 ° C. (normal temperature). Table 5 is a table showing the conditions of the length, width, and interval P of the crystal piece 17 and the excitation electrodes 100 and 101 of the first to third samples. As shown in Table 5, the interval P was changed in the first to third samples.
  • FIG. 12 is a graph showing an experimental result of each sample having a frequency of 37.4 MHz shown in Table 5.
  • the vertical axis represents the CI value
  • the horizontal axis represents the interval P.
  • the CI value can be suppressed to 70 ⁇ or less when the interval P is 0.370 mm or more and 0.683 mm or less. From the above, it is preferable that 0.370 mm ⁇ P ⁇ 0.683 mm is satisfied when the frequency of the main vibration of the crystal piece 17 is 37.4 MHz.
  • FIG. 13 is a cross-sectional structure diagram of a crystal resonator 10a according to a modification.
  • the crystal resonator 10 a includes a crystal resonator element 16 including a crystal element 17, and is different from the crystal oscillator 10 described in the above embodiment with a thermistor on the back surface of the substrate 12. The difference is that 60 is provided.
  • the crystal piece 17 can apply the structure demonstrated in the said embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional structure diagram of the crystal oscillator 300.
  • the crystal oscillator 300 includes a crystal resonator element 16 including a crystal element 17, and differs from the crystal oscillator 10 of FIG. 3 in that an IC 302 is mounted on the back surface of the substrate 12. ing.
  • the crystal piece 17 can apply the structure demonstrated in the said embodiment.
  • the quartz crystal vibrating piece and the quartz crystal resonator according to the present invention are not limited to the quartz crystal vibrating piece 16 and the quartz crystal resonator 10 and can be changed within the scope of the gist thereof.
  • the shortest interval P is the shortest interval in the short side direction between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal vibrating piece 16.
  • the shortest distance in the short side direction between the external electrode 97 and the external electrode 98 may be used for the following reason.
  • the conductive adhesive 210 is applied so as to be in contact with the ⁇ X side of the external electrode 97, and the conductive adhesive 212 is applied so as to be in contact with the + X side of the external electrode 98.
  • the shortest distance in the short side direction between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the quartz vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the quartz vibrating piece 16, and the external electrode 97 and the shortest distance in the short side direction of the external electrode 98 coincide with each other. Therefore, the shortest distance P may be the shortest distance between the external electrode 97 and the external electrode 98 in the short side direction.
  • the conductive adhesives 210 and 212 may be applied so as to protrude from the external electrodes 97 and 98 when viewed from above.
  • the conductive adhesive 210 may protrude to the ⁇ X side with respect to the external electrode 97
  • the conductive adhesive 212 may protrude to the + X side with respect to the external electrode 98.
  • the shortest distance P in the short side direction between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal vibrating piece 16 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal vibrating piece 16 is: This is the shortest distance between the portion where the conductive adhesive 210 is in contact with the crystal piece 17 and the portion where the conductive adhesive 212 is in contact with the crystal piece 17. From the above, the portion where the conductive adhesives 210 and 212 are in contact with the crystal vibrating piece 16 means the portion where the conductive adhesives 210 and 212 are in contact with the crystal piece 17 or the external electrodes 97 and 98. ing.
  • the present invention is useful for a crystal resonator element and a crystal resonator, and is particularly excellent in that the CI value can be reduced.

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Abstract

本発明に係る水晶振動片は、板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているATカット型の水晶片と、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第1の外部電極及び第2の外部電極と、を備えており、前記主面の長辺が前記水晶片のZ'軸と実質的に平行であり、前記主面の短辺が前記水晶片のX軸と実質的に平行であり、前記水晶片の主振動の周波数が、20.0MHz以上60.0MHz以下であり、前記第1の外部電極と前記第2の外部電極との前記短辺方向における間隔がP(mm)であり、前記水晶片の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立していること、を特徴とする。

Description

水晶振動片及び水晶振動子
 本発明は、ATカット型の水晶振動片及び水晶振動子に関する。
 従来の水晶振動子に関する発明としては、例えば、特許文献1に記載の水晶振動子が知られている。該水晶振動子は、水晶片及び2個の外部電極を含む水晶振動片を備えている。水晶片は、矩形状をなすAT型の水晶片である。水晶片の長辺は、Z′方向(水晶片が切り出される方向)と一致している。また、2個の外部電極は、水晶片の短辺方向に並ぶように設けられている。そして、水晶振動片の2個の外部電極が導電性接着剤を介してセラミック基板の2個の外部電極に固定される。これにより、水晶振動片がその短辺近傍においてセラミック基板に固定される。
 しかしながら、特許文献1に記載の水晶振動子では、クリスタルインピーダンス値(以下、CI値)が大きくなるという問題がある。より詳細には、水晶片が実装されるセラミック基板の熱膨張係数は、約7.0×10-6/℃である。一方、水晶片のX方向の熱膨張係数は、約13.0×10-6/℃であり、水晶片のZ′方向の熱膨張係数は、約10.0×10-6/℃である。したがって、水晶片のX方向の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差は、水晶片のZ’方向の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差よりも大きくなる。そのため、水晶片の長辺がZ′方向と一致し水晶片の短辺がX方向と一致すると、固定されている水晶片の短辺において、水晶片の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差が大きくなってしまう。よって、水晶振動片をセラミック基板に固定する際の導電性接着剤を熱硬化させる工程において、セラミック基板の伸びと水晶片の短辺近傍における伸びとに大きな差が生じる。その結果、水晶振動片及びセラミック基板の冷却後に、2個の外部電極近傍において水晶片に残留応力が発生する。このような残留応力は、水晶振動子のCI値が大きくなる原因となる。
特開2014-179770号公報
 そこで、本発明の目的は、CI値を低減できる水晶振動片及び水晶振動子を提供することである。
 本発明の一形態に係る水晶振動子は、水晶片と、第1の外部電極及び第2の外部電極と、を含む水晶振動片と、板状の基板本体と、該基板本体の主面上に設けられている第3の外部電極及び第4の外部電極と、を含む基板と、を備えており、前記水晶片は、板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているATカット型の水晶片であり、前記第1の外部電極及び前記第2の外部電極は、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられており、前記主面の長辺が前記水晶片のZ′軸と実質的に平行であり、前記主面の短辺が前記水晶片のX軸と実質的に平行であり、前記水晶片の主振動の周波数が、20.0MHz以上60.0MHz以下であり、前記第1の外部電極と前記第3の外部電極とが第1の導電性接着剤を介して固定され、かつ、第2の外部電極と前記第4の外部電極とが第2の導電性接着剤を介して固定されており、前記水晶振動片に前記第1の導電性接着剤が接触している部分と該水晶振動片に前記第2の導電性接着剤が接触している部分との前記短辺方向における最短間隔がP(mm)であり、前記水晶片の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立していること、を特徴とする。
 また、本発明の一形態に係る水晶振動片は、板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているATカット型の水晶片と、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第1の外部電極及び第2の外部電極と、を備えており、前記主面の長辺が前記水晶片のZ′軸と実質的に平行であり、前記主面の短辺が前記水晶片のX軸と実質的に平行であり、前記水晶片の主振動の周波数が、20.0MHz以上60.0MHz以下であり、前記第1の外部電極と前記第2の外部電極との前記短辺方向における間隔がP(mm)であり、前記水晶片の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立していること、を特徴とする。
 本発明によれば、CI値を低減できる。
水晶振動子10の外観斜視図である。 水晶振動子10の分解斜視図である。 図1のA-Aにおける断面構造図である。 本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを-Z′側から平面視した図である。 本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを+Y′側から平面視した図である。 シミュレーション結果を示したグラフである。 間隔P(mm)と主振動の周波数F(MHz)との関係を示したグラフである。 第4のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。 第9のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。 第14のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。 第9のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。 実験結果を示したグラフである。 変形例に係る水晶振動子10aの断面構造図である。 水晶発振器300の断面構造図である。
(水晶振動子の構造)
 以下に、本発明の一実施形態に係る水晶振動片を備えた水晶振動子について図面を参照しながら説明する。図1は、水晶振動子10の外観斜視図である。図2は、水晶振動子10の分解斜視図である。図3は、図1のA-Aにおける断面構造図である。
 以下では、水晶振動子10の主面に対する法線方向を上下方向と定義し、上側から見たときに、水晶振動子10の長辺が延在する方向を長辺方向と定義し、水晶振動子10の短辺が延在する方向を短辺方向と定義する。また、以下では、水晶片17のATカットの軸方向を基準として各構成を説明することもある。
 水晶振動子10は、図1ないし図3に示すように、基板12、金属キャップ14、水晶振動片16及びろう材50を備えている。水晶振動子10の短辺の幅が1.0mmであり、水晶振動子10の長辺の長さが1.2mmである。
 基板12(回路基板の一例)は、基板本体21、外部電極22,26,40,42,44,46、ビアホール導体25,28,54,56及びメタライズ膜30を含んでいる。
 基板本体21は、板状をなしており、上側から見たときに、矩形状をなしている。基板本体21は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体(いわゆるアルミナ)等のセラミックス系絶縁性材料により作製されている。本実施形態では、基板本体21は、セラミック材料により作製された複数の絶縁体層が積層されて構成されている。基板本体21は、上下に2つの主面を有している。基板本体21の上側の主面(+Y′側の主面)を表面と呼び、基板本体21の下側の主面(-Y′側の主面)を裏面と呼ぶ。
 外部電極22,26は、基板本体21の表面において、長辺方向の一方端側で短辺方向に並んで設けられている。具体的には、外部電極22は、基板本体21の表面の-Z′及び+X側の角近傍に設けられている矩形状の導体層である。外部電極26は、基板本体21の表面の-Z′及び-X側の角近傍に設けられている矩形状の導体層である。
 外部電極40,42,44,46は、基板本体21の裏面の各角近傍に設けられている。外部電極40は、基板本体21の裏面の-Z′及び-X側の角近傍に設けられている正方形状の導体層であり、上側から見たときに、外部電極26と重なっている。外部電極42は、基板本体21の裏面の-Z′及び+X側の角近傍に設けられている正方形状の導体層であり、上側から見たときに、外部電極22と重なっている。外部電極44は、基板本体21の裏面の+Z′及び-X側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極46は、基板本体21の裏面の+Z′及び+X側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。
 ビアホール導体25は、基板本体21を上下方向に貫通しており、外部電極22と外部電極42とを電気的に接続している。ビアホール導体28は、基板本体21を上下方向に貫通しており、外部電極26と外部電極40とを電気的に接続している。
 メタライズ膜30は、基板本体21の表面上に設けられている線状の金属膜であり、上側(表面に対する法線方向)から見たときに、長方形状の環状をなしている。外部電極22,26は、上側から見たときに、メタライズ膜30に囲まれた領域内に設けられている。
 ビアホール導体54は、基板本体21を上下方向に貫通しており、メタライズ膜30と外部電極46とを電気的に接続している。ビアホール導体56は、基板本体21を上下方向に貫通しており、メタライズ膜30と外部電極44とを電気的に接続している。
 ここで、図2で示す構成に対して、基板本体21の対角に配置された外部電極40と外部電極46とに励振信号を伝達する構成(図示しない)の変形例を用いることができる。この変形例の構成は、基板12に多層構造を用いて実現できる。この場合、基板本体の一部の層を貫通して設けられたビアホール導体25が、外部電極22と多層構造の基板本体の中間にある中間配線層上に設けられた中間配線とを電気的に接続する構成であって、かつ、基板本体の一部の層を貫通して設けられたビアホール導体54が、中間配線と外部電極46とを電気的に接続する構成で実現できる。このような多層構造の基板を用いれば、平面視して重ならない位置にある外部電極22と外部電極46とが、ビアホール導体25、中間配線、ビアホール導体54を介して、電気的に接続できる。このとき、ビアホール導体54はメタライズ膜30と電気的に接続されない。
 この変形例のさらに別の構成では、多層構造の基板の表面に設けられた表面配線が外部電極42と外部電極44とに接触させて、外部電極42と外部電極44とが電気的に接続されてもよい。このように、中間配線とビアホール導体とを組み合わせによって、多層構造の基板の内部に立体的に引き回された導電経路が実現できる。さらに、外部電極22から基板主面上で延びる引き出し電極を形成して、この引き出し電極にビアホール電極を接続することで、より複雑な導電経路が実現できる。
 外部電極22,26,40,42,44,46及びメタライズ膜30は、3層構造をなしており、具体的には、下層側から上層側へとモリブデン層、ニッケル層及び金層が積層されることにより構成されている。ビアホール導体25,28,54,56は、基板本体21に形成されたビアホールに対してモリブデン等の導体が埋め込まれて作製される。
 水晶振動片16は、水晶片17、外部電極97,98、励振電極100,101及び引き出し導体102,103を含んでいる。水晶片17は、板状をなしており、上側から見たときに、矩形状をなしている。水晶片17の上側の主面を表面と呼び、水晶片17の下側の主面を裏面と呼ぶ。
 水晶片17は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたATカット型の水晶片である。ATカットの水晶片17は、人工水晶の結晶軸であるX軸、Y軸、Z軸のうち、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秒回転させた軸をそれぞれY′軸及びZ′軸とした場合、X軸及びZ′軸によって特定される面と平行な面を主面として切り出されたものである。図2に示すように、水晶片17の表面及び裏面の長辺は、水晶片17のZ′軸と実質的に平行である。水晶片17の表面及び裏面の短辺は、水晶片17のX軸と実質的に平行である。水晶片17の表面又は裏面に垂直な方向の厚さは、水晶片17のY′軸と実質的に平行である。実質的に平行とは、Z′軸、X軸に対し、およそ±1度の範囲内のものをいう。ATカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で極めて高い周波数安定性を有し、また、経時変化特性にも優れて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、主要振動として厚みすべり振動モード(Thickness Shear Mode)を含む。なお、水晶片17には、べベル加工が施されている。ただし、図2,3では、べベル加工が施されている点については表現されていない。
 水晶振動子のサイズは、長辺方向の長さが1.2mm、短辺方向の幅が1.0mmの範囲に収めるため、パッケージの壁厚さ、封止材のにじみ、素子のマウント精度等を考慮して、例えば、水晶片17の長辺方向の長さが0.80mm以下となり、水晶片17の短辺方向の幅が0.67mm以下となるように水晶片17が設計される。
 外部電極97は、水晶片17の-Z′及び+X側の角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極97は、水晶片17の表面から裏面に跨って形成されており、水晶片17の+X側及び-Z′側の各側面にも形成されている。これにより、外部電極97は、表面及び裏面の短辺の+X側の端部に接している。外部電極98は、水晶片17の裏面の-Z′及び-X側の角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極98は、水晶片17の表面から裏面に跨って形成されており、水晶片17の-X側及び-Z′側の各側面にも形成されている。これにより、外部電極98は、表面及び裏面の短辺の-X側の端部に接している。よって、外部電極97,98は、水晶片17の短辺方向に並んでいる。
 励振電極100は、水晶片17の表面の中央に設けられており、上側から見たときに矩形状をなしている。励振電極101は、水晶片17の裏面の中央に設けられており、上側から見たときに矩形状をなしている。励振電極100と励振電極101とは、上側から見たときに、一致した状態で重なっている。
 引き出し導体102は、水晶片17の表面に設けられており、外部電極97と励振電極100とを接続している。引き出し導体103は、水晶片17の裏面に設けられており、外部電極98と励振電極101とを接続している。外部電極97,98、励振電極100,101及び引き出し導体102,103は、例えば、クロムの下地層上に金が積層されることにより作製される。
 水晶振動片16は、基板12の表面に実装される。具体的には、外部電極22と外部電極97とが導電性接着剤210により電気的に接続された状態で固定され、外部電極26と外部電極98とが導電性接着剤212により電気的に接続された状態で固定される。導電性接着剤210,212としては、例えば、シリコーン系導電性接着剤が挙げられる。
 金属キャップ14は、矩形状の開口を有する筺体であり、例えば、鉄ニッケル合金又はコバルトニッケル合金の母材にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。本実施形態では、金属キャップ14は、下側が開口した直方体状の箱であり、鉄ニッケル合金の母材の表面にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。
 ろう材50は、メタライズ膜30上に配置される。ろう材50は、メタライズ膜30と実質的に同じ形状を有しており、長方形状の環状をなしている。ろう材50は、メタライズ膜30よりも低い融点を有しており、例えば、金-すず合金により作製されている。ろう材50は、例えば、印刷等によりメタライズ膜30上に形成される。そして、金属キャップ14の開口の外縁がろう材50に接触した状態で、メタライズ膜30が溶融及び固化させられる。これにより、金属キャップ14は、開口の外縁の全長においてメタライズ膜30にろう材50を介して接合する。その結果、基板本体21の表面及び金属キャップ14により、密閉空間Spが形成されている。よって、水晶振動片16は、密閉空間Sp内に収容されている。また、密閉空間Spは、金属キャップ14がメタライズ膜30及びろう材50を介して基板本体21に密着することによって、真空状態に保たれている。ただし、大気状態でもよい。なお、ろう材50の代わりに、例えば、低融点ガラス、樹脂等の接着剤が用いられてもよく、このとき、メタライズ膜30は必ずしも必要ではない。
 水晶振動子10では、外部電極40,42は発振回路に電気的に接続され、発振回路からはタイミング信号が出力される。また、外部電極44,46には接地電位が印加される。
 ところで、本実施形態に係る水晶振動子10は、CI値を低減するために、以下に説明する条件を満足している。
条件1:水晶片17の主振動の周波数が20.0MHz以上60.0MHz以下である。
条件2:水晶片17の表面及び裏面の長辺が水晶片17のZ′軸と実質的に平行である。
条件3:水晶片17の表面及び裏面の短辺が水晶片17のX軸と実質的に平行である。
条件4:水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分と水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分との短辺方向における最短間隔がP(mm)であり、水晶片17の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立している。
<条件1について>
 水晶片17の主振動の周波数は、水晶片17の厚さTに依存している。したがって、水晶片17の厚さTは、0.0278mm以上0.0835mm以下の範囲に設定されている。
<条件2及び条件3について>
 水晶片は、その短辺近傍において導電性接着剤で基板に固定されることが一般的であり、また、ATカットの水晶片は、厚みすべり振動の振動方向がX軸方向であることが知られている。したがって、従来の長辺がX軸方向と平行となる水晶片は、短辺側の導電性接着剤を介して基板に振動漏れの影響を受けやすい。これに対して本実施形態に係るATカット型の水晶片17は、長辺がZ′軸方向と平行であるため、Z′軸領域への振動漏れが少なく、水晶片17の短辺近傍において導電性接着剤210,212で基板12に固定した場合であっても、基板への振動漏れの影響が少ない。したがって、本実施形態に係るATカット型の水晶片によれば、長辺がX軸方向と平行である水晶片より、振動漏れの影響が少なく、CI値が良い。
<条件4について>
 水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分と水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分との短辺方向における最短間隔がP(mm)であり、水晶片17の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立している。また、水晶片17の主振動の周波数が37.4MHzである場合において、0.370≦P≦0.683が成立していることがより好ましい。水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分及び水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分とは、水晶振動片16が導電性接着剤210,212を介して基板12に固定されている部分である。すなわち、最短間隔Pとは、水晶振動片16が導電性接着剤210を介して基板12に固定されている部分と水晶振動片16が導電性接着剤212を介して基板12に固定されている部分との最短間隔を意味する。なお、本実施形態では、導電性接着剤210,212は、上側から見たときに、外部電極97,98からはみ出さないように塗布されている。したがって、水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分及び水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分とはそれぞれ、外部電極97に導電性接着剤210が接触している部分及び外部電極98に導電性接着剤212が接触している部分である。
(水晶振動子の製造方法)
 以下に、水晶振動子10の製造方法について図面を参照しながら説明する。
 まず、基板12の製造方法について説明する。複数の基板本体21がマトリクス状に配列されたマザー基板を準備する。マザー基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体(いわゆるアルミナ)等のセラミックス系絶縁性材料により作製されている。
 次に、マザー基板において、基板本体21のビアホール導体25,28,54,56が形成される位置にビームを照射して、貫通孔を形成する。更に、貫通孔にモリブデン等の導電性材料を充填し、乾燥させる。その後、導電性材料を焼結することにより、ビアホール導体25,28,54,56を形成する。
 次に、外部電極40,42,44,46の下地電極をマザー基板の裏面に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板の裏面上に印刷し、乾燥させる。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、外部電極40,42,44,46の下地電極が形成される。
 次に、外部電極22,26及びメタライズ膜30の下地電極をマザー基板の表面に形成する。モリブデン層をマザー基板の表面上に印刷し、乾燥する。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、外部電極22,26及びメタライズ膜30の下地電極が形成される。
 次に、外部電極40,42,44,46,22,26及びメタライズ膜30の下地電極に、ニッケルめっき及び金めっきをこの順に施す。これにより、外部電極40,42,44,46,22,26及びメタライズ膜30が形成される。
 ここで、貫通孔への導電性材料の充填とマザー基板への外部電極等の印刷は真空印刷などを用いることで、同時に形成することができる。このとき、導電性材料と外部電極等を同時に焼成する。
 また、マザー基板がセラミックス系焼結体絶縁性材料の場合は、焼成前のシート状態で、貫通孔の形成、導電性材料の充填、外部電極22,26,40,42,44,46及びメタライズ膜30の印刷、乾燥を行い、その後、複数枚積層した状態で加圧密着し積層シートとし、これを焼成して、ビアホール導体、外部電極22,26,40,42,44,46及びメタライズ膜30及び基板本体21を同時に完成させることができる。この後、前記同様のめっきを施す。
 次に、ダイサーにより、マザー基板を複数の基板本体21に分割する。または、レーザーなどでマザー基板に分割溝を形成し、これに沿って機械的に分割する。
 次に、水晶振動片16の製造方法について説明する。水晶の原石をATカットにより切り出して、矩形状の板状の水晶片17を得る。この際、水晶片17の表面及び裏面の長辺が水晶片17のZ′軸と実質的に平行となり、水晶片17の表面及び裏面の短辺が水晶片17のX軸と実質的に平行となるように、水晶の原石をカットする。
 次に、水晶片17に対してバレル加工装置を用いてべベル加工を施す。これにより、水晶片17の稜線付近が削り取られて、表面の中央から離れるにしたがって厚さが小さくなる断面形状を水晶片17が有するようになる。
 次に、水晶片17に外部電極97,98、励振電極100,101及び引き出し導体102,103を形成する。なお、外部電極97,98、励振電極100,101及び引き出し導体102,103の形成については、一般的な工程であるので説明を省略する。
 次に、基板本体21の表面に水晶振動片16を実装する。具体的には、図2及び図3に示すように、外部電極22と外部電極97とを導電性接着剤210により接着するとともに、外部電極26と外部電極98とを導電性接着剤212により接着する。この際、導電性接着剤210,212中の熱硬化性樹脂を硬化させるために、180℃まで基板12、水晶振動片16及び導電性接着剤210,212を加熱する。
 次に、金属キャップ14をろう材50により基板12に取り付ける。以上の工程を経て、水晶振動子10が完成する。
(効果)
 本実施形態に係る水晶振動片16及び水晶振動子10によれば、条件1ないし条件4を満足することにより、CI値を低減できる。図4は、本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを左側から平面視した図である。図5は、本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを上側から平面視した図である。
 本願発明者は、表面及び裏面の長辺が水晶片17のZ′軸と実質的に平行である(以下、Zロングと呼ぶ)水晶片17において、適切な間隔Pを調べるために、以下に説明するコンピュータシミュレーションを行った。本願発明者は、以下に説明する第1のモデルないし第15のモデルを作成し、水晶片17にかかる最大応力を演算した。最大応力は、導電性接着剤210,212と水晶片17とが接する部分で生じる。また、応力は、ミーゼスの相当応力である。
 以下に、シミュレーション条件について説明する。本願発明者は、図4及び図5に示すように、基板12上に導電性接着剤210,212により水晶片17が固定されているモデルを作成した。この際、本願発明者は、水晶片17の厚みを3種類に変化させて、主振動の周波数Fを変化させた。更に、3種類の厚みの水晶片17のモデルのそれぞれにおいて、間隔Pを5種類に変化させた。表1は、水晶片17の条件を示した表であり、表2は、基板12の条件を示した表であり、表3は、導電性接着剤210,212の条件を示した表である。表4は、第1のモデルないし第15のモデルの間隔Pを示した表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 図6は、シミュレーション結果を示したグラフである。縦軸は最大応力(MPa)を示し、横軸は間隔P(mm)を示す。
 一般的な水晶振動子では、表面及び裏面の長辺が水晶片のX軸と実質的に平行である(以下、Xロングと呼ぶ)。短辺方向の幅が2.0mm、長辺方向の幅が2.5mmであるXロングの水晶振動子は、最大応力が50MPa以下となるように設計されている。これにより、水晶振動子のCI値が十分に低い値(具体的には70Ω以下)に抑制されることが経験則上で分かっている。そこで、本願発明者は、図6のグラフにおいて、水晶片17の主振動の周波数毎(すなわち、厚み毎)に、最大応力が50MPaとなる間隔Pを読み取ったところ、以下の結果を得た。
20MHz:P=1.63mm
37.4MHz:P=1.56mm
60MHz:P=1.44mm
 そこで、本願発明者は、上記結果に基づいて、図7に示すグラフを作成した。図7は、間隔P(mm)と主振動の周波数F(MHz)との関係を示したグラフである。縦軸は間隔Pを示し、横軸は周波数Fを示す。
 図7を参照すると、3点は実質的に1つの直線上に位置している。そこで、該直線を最小二乗法で数式化すると、P=-0.0047×F+1.728となった。したがって、間隔Pが該直線以下の範囲であれば、最大応力が50MPa以下となることが分かる。すなわち、P≦-0.0047×F+1.728が成立していれば、CI値が低い値(70Ω以下)に抑えられることが分かる。
 ただし、間隔Pの下限は、0.050mmである。間隔Pが0.050mmよりも小さくなると、導電性接着剤210と導電性接着剤212とが近接し過ぎて短絡するおそれがあるからである。
 ところで、水晶片17の短辺方向の幅及び長辺方向の長さは、以下に説明するように、CI値の低減に殆ど寄与しないことが分かっている。図8は、第4のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。図9は、第9のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。図10は、第14のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。図11は、第9のサンプルにおける水晶片17の応力分布を示した図である。図8ないし図10では、各サンプルを左側から見た図である。図11は、サンプルを上側から見た図である。
 図8ないし図10に示すように、応力は、水晶片17において、導電性接着剤210の-X側の端部近傍及び導電性接着剤212の+X側の端部近傍に集中していることが分かる。すなわち、水晶片17における導電性接着剤210よりも+X側の部分及び導電性接着剤212よりも-X側の部分には殆ど応力が発生していない。したがって、水晶片17における導電性接着剤210よりも+X側の部分及び水晶片17における導電性接着剤212よりも-X側の部分の長さはいくらであってもよい。
 図11に示すように、応力は、水晶片17において、導電性接着剤210,212の上側近傍に集中していることが分かる。すなわち、水晶片17における導電性接着剤210,212よりも+Z′側の部分には殆ど応力が発生していない。そのため、水晶片17における導電性接着剤210,212よりも+Z′側の部分の長さはいくらであってもよい。ただし、水晶片17の表面及び裏面の長辺の長さ(すなわち、長辺方向の長さ)は2.0mm以下であることが好ましい。水晶片17の長辺方向の長さが長くなり過ぎると、水晶片17が重くなり、導電性接着剤210,212に加わる負荷が大きくなるためである。
 次に、本願発明者は、間隔Pのより好ましい値を求めるために以下に説明する実験を行った。より詳細には、以下に説明する第1のサンプルないし第3のサンプルを作成し、CI値を測定した。CI値の測定は、ネットワークアナライザー(アジレントテクノロジー製、E5100A)で行った。また、実験は、25℃(常温)で行った。表5は、第1のサンプルないし第3のサンプルの水晶片17及び励振電極100,101の長さ、幅、間隔Pの条件を示した表である。表5に示すように、第1のサンプルないし第3のサンプルでは、間隔Pを変化させた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 図12は、表5に示す周波数が37.4MHzの各サンプルの実験結果を示したグラフである。縦軸はCI値を示し、横軸は間隔Pを示している。図12によれば、主振動の周波数が37.4MHzである水晶振動子10では、間隔Pが0.370mm以上0.683mm以下であれば、CI値を70Ω以下に抑えることができる。以上より、水晶片17の主振動の周波数が37.4MHzである場合には、0.370mm≦P≦0.683mmが成立していることが好ましい。
(変形例)
 以下に変形例に係る水晶振動子10aについて図面を参照しながら説明する。図13は、変形例に係る水晶振動子10aの断面構造図である。
 図13に示すように、本変形例に係る水晶振動子10aは水晶片17を含む水晶振動片16を備えており、上記実施形態で説明した水晶振動子10とは、基板12の裏面にサーミスタ60が設けられている点で異なっている。なお、水晶片17は、上記実施形態で説明した構成を適用することができる。
(水晶発振器)
 以下に水晶片17を備えた水晶発振器300について図面を参照しながら説明する。図14は、水晶発振器300の断面構造図である。
 図14に示すように、水晶発振器300は、水晶片17を含む水晶振動片16を備えており、図3の水晶振動子10とは、基板12の裏面にIC302が実装されている点で異なっている。なお、水晶片17は、上記実施形態で説明した構成を適用することができる。
(その他の実施形態)
 本発明に係る水晶振動片及び水晶振動子は、水晶振動片16及び水晶振動子10に限らずその要旨の範囲内において変更可能である。
 なお、最短間隔Pは、水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分と水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分との短辺方向における最短間隔であるとしたが、以下の理由により、外部電極97と外部電極98との短辺方向における最短間隔であってもよい。
 導電性接着剤210が外部電極97の-X側の辺に接するように塗布され、導電性接着剤212が外部電極98の+X側の辺に接するように塗布される場合がある。この場合には、水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分と水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分との短辺方向における最短間隔と、外部電極97と外部電極98との短辺方向における最短間隔とが、一致する。そのため、最短間隔Pは、外部電極97と外部電極98との短辺方向における最短間隔であってもよい。
 なお、導電性接着剤210,212はそれぞれ、上側から見たときに、外部電極97,98からはみ出すように塗布される場合がある。特に、導電性接着剤210が外部電極97に対して-X側にはみ出し、導電性接着剤212が外部電極98に対して+X側にはみ出す場合がある。この場合には、水晶振動片16に導電性接着剤210が接触している部分と水晶振動片16に導電性接着剤212が接触している部分との短辺方向における最短間隔Pとは、水晶片17に導電性接着剤210が接触している部分と水晶片17に導電性接着剤212が接触している部分との最短間隔である。以上より、水晶振動片16に導電性接着剤210,212が接触している部分とは、水晶片17又は外部電極97,98に導電性接着剤210,212が接触している部分を意味している。
 以上のように、本発明は、水晶振動片及び水晶振動子に有用であり、特に、CI値を低減できる点において優れている。
10,10a:水晶振動子
12:基板
14:金属キャップ
16:水晶振動片
17:水晶片
21:基板本体
22,26,40,42,44,46,97,98:外部電極
210,212:導電性接着剤
300:水晶発振器

Claims (7)

  1.  水晶片と、第1の外部電極及び第2の外部電極と、を含む水晶振動片と、
     板状の基板本体と、該基板本体の主面上に設けられている第3の外部電極及び第4の外部電極と、を含む基板と、
     を備えており、
     前記水晶片は、板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているATカット型の水晶片であり、
     前記第1の外部電極及び前記第2の外部電極は、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられており、
     前記主面の長辺が前記水晶片のZ′軸と実質的に平行であり、
     前記主面の短辺が前記水晶片のX軸と実質的に平行であり、
     前記水晶片の主振動の周波数が、20.0MHz以上60.0MHz以下であり、
     前記第1の外部電極と前記第3の外部電極とが第1の導電性接着剤を介して固定され、かつ、第2の外部電極と前記第4の外部電極とが第2の導電性接着剤を介して固定されており、
     前記水晶振動片に前記第1の導電性接着剤が接触している部分と該水晶振動片に前記第2の導電性接着剤が接触している部分との前記短辺方向における最短間隔がP(mm)であり、前記水晶片の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立していること、
     を特徴とする水晶振動子。
  2.  前記水晶片の主振動の周波数が37.4MHzであり、かつ、
     0.370≦P≦0.683が成立していること、
     を特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。
  3.  前記主面の長辺の長さは、2.0mm以下であること、
     を特徴とする請求項1または請求項2に記載の水晶振動子。
  4.  前記第1の外部電極は、前記主面の短辺の一端に接しており、
     前記第2の外部電極は、前記主面の短辺の他端に接していること、
     を特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の水晶振動子。
  5.  前記基板本体の材料は、セラミックであること、
     を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の水晶振動子。
  6.  前記基板本体上に設けられ、前記水晶振動片を覆うキャップを、
     更に備えていること、
     を特徴とする請求項1ないし請求項5いずれか1項に記載の水晶振動子。
  7.  板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているATカット型の水晶片と、
     前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第1の外部電極及び第2の外部電極と、
     を備えており、
     前記主面の長辺が前記水晶片のZ′軸と実質的に平行であり、
     前記主面の短辺が前記水晶片のX軸と実質的に平行であり、
     前記水晶片の主振動の周波数が、20.0MHz以上60.0MHz以下であり、
     前記第1の外部電極と前記第2の外部電極との前記短辺方向における間隔がP(mm)であり、前記水晶片の主振動の周波数がF(MHz)である場合に、0.050≦P≦-0.0047×F+1.728が成立していること、
     を特徴とする水晶振動片。
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