(57)【要約】【課題】  封止蓋体と枠体とを間に設けられた接合部材にて、水晶素子に接合部材が付着することを低減し、安定して発振周波数を出力することが可能な水晶デバイスを提供する。【解決手段】  水晶デバイスは、基板１１０ａと、基板１１０ａ上の外周縁に沿って設けられた枠体１１０ｂと、基板１１０ａ上であって枠体１１０ｂ内に実装された水晶素子１２０と、封止基部１３０ａと、封止基部１３０ａの下面に設けられた封止枠部１３０ｂとを有している封止蓋体１３０と、枠体１１０ｂの外側面と封止枠部１３０ｂの内側面との間に設けられた接合部材１５０と、を備えている。【選択図】図２
2015070504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の外周縁に沿って設けられた枠体と、
前記基板上であって前記枠体内に実装された水晶素子と、
封止基部と、前記封止基部の下面に設けられた封止枠部とを有している封止蓋体と、
前記枠体の外側面と前記封止枠部の内側面との間に設けられた接合部材と、を備えたことを特徴とする水晶デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の水晶デバイスであって、
前記封止蓋体は、前記枠体の上面と前記封止基部の下面とが接触するように配置されていることを特徴とする水晶デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の水晶デバイスであって、
前記枠体の上面に設けられ、前記基板の下面に設けられた外部端子の内の一つと電気的に接続された導体パッドを備え、
前記導体パッドと前記封止基部とが接合されていることを特徴とする水晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
水晶デバイスは、水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。例えば、基板と枠体とで構成されたパッケージと、基板の上面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、枠体の上面に接合部材を介して接合され、水晶素子を気密封止するための蓋体と、を備えた水晶振動子が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。接合部材は、金錫が用いられ、この接合部材に熱を印加することで、蓋体と枠体の上面とを接合することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４７８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した水晶デバイスは、蓋体の下面とパッケージの枠体の上面とを接合部材により接合されているため、接合部材が溶融した際に、凹部内に接合部材が入り込み、水晶素子に接合部材が付着してしまう虞がある。また、水晶素子に接合部材が付着してしまうことで、水晶素子の厚みすべり振動が阻害され、水晶素子の発振周波数が変動してしまう虞があった。
【０００５】
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶素子に接合部材が付着することを低減し、安定して発振周波数を出力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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板上の外周縁に沿って設けられた枠体と、基板上であって枠体内に実装された水晶素子と、封止基部と、封止基部の下面に設けられた封止枠部とを有している封止蓋体と、枠体の外側面と封止枠部の内側面との間に設けられた接合部材と、を備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板上の外周縁に沿って設けられた枠体と、基板上であって前記枠体内に実装された水晶素子と、封止基部と、封止基部の下面に設けられた封止枠部とを有している封止蓋体と、枠体の外側面と封止枠部の内側面との間に設けられた接合部材と、を備えている。このようにすることによって、接合部材が溶融した際に、水晶素子に溶融した接合部材が付着することを低減することができる。また、このような水晶デバイスは、水晶素子の厚みすべり振動が阻害されず、安定して発振周波数を出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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２】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。
【図３】本実施形態における水晶デバイスを構成する封止蓋体を下面から見た斜視図である。
【図４】本実施形態の第一変形例における水晶デバイスを示す断面図である。
【図５】本実施形態の第二変形例における水晶デバイスを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に接合された水晶素子１２０と、パッケージ１１０の枠体１１０ｂの外側面と接合された封止蓋体１３０とを含んでいる。パッケージ１１０には、基板１１０ａの上面と枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた第一凹部Ｋ１が形成されている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。
【００１０】
基板１１０ａは、矩形状であり、パッケージ１１０の上面で接合された水晶素子１２０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａは、上面に、水晶素子１２０を接合するための電極パッド１１１が設けられている。
【００１１】
基板１１０ａ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１１０ａは、絶縁層を一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１１０ａの表面又は内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２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。
【００１２】
枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に第一凹部Ｋ１を形成するためのものである。枠体１１０ｂ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からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。
【００１３】
電極パッド１１１は、水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿って隣接して設けられている。電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン及びビア導体を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２と電気的に接続されている。
【００１４】
外部端子１１２は、電子機器等のマザーボードに実装するためのものである。外部端子は、基板１１０ａの下面の四隅に設けられている。外部端子１１２の内の二つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１とそれぞれ電気的に接続されている。また、電極パッド１１１と電気的に接続されている外部端子１１２は、基板１１０ａの下面の対角に位置するように設けられている。
【００１５】
ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、０．８〜３．０ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．７〜１．５ｍｍである場合を例にして、第一凹部Ｋ１の大きさを説明する。第一凹部Ｋ１の長辺の長さは、０．７〜２．５ｍｍであり、短辺の長さは、０．５〜２．０ｍｍとなっている。第一凹部Ｋ１の上下方向の長さは、０．２〜０．５ｍｍとなっている。
【００１６】
ここで、パッケージ１１０の作製方法について説明する。基板１１０ａ及び枠体１１０ｂ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又は外部端子１１２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、銀又は銀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。
【００１７】
水晶素子１２０は、図２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。
【００１８】
水晶素子１２０は、図１及び図２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、引き出し電極１２３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１２３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、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。また、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１１０ａの上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０ａの上面と間を空けた自由端とした片持ち支持構造にて水晶素子１２０が基板１１０ａ上に固定されている。
【００１９】
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引き出し電極１２３から励振用電極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。
【００２０】
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及び引き出し電極１２３を形成することにより作製される。
【００２１】
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、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１に接合される。
【００２２】
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。
【００２３】
封止蓋体１３０は、図２及び図３に示すように、矩形状の封止基部１３０ａと、封止枠部１３０ｂとで構成されており、封止基部１３０ａの下面と封止枠部１３０ｂの内側側面とで第二凹部Ｋ２が形成されている。封止枠部１３０ｂは、封止基部１３０ａの下面に第二凹部Ｋ２を形成するためのものである。封止枠部１３０ｂは、封止基部１３０ａの下面の外縁に沿って設けられている。第二凹部Ｋ２内には、パッケージ１１０の枠体１１０ｂが収容されるようにして設けられている。
【００２４】
封止基部１３０ａ及び封止枠部１３０ｂ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り、一体的に形成されている。このような封止蓋体１３０は、真空状態にある第一凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、封止蓋体１３０は、所定雰囲気で、封止基部１３０ａが枠体１１０ｂの上面に載置され、枠体１１０ｂの外側面と封止蓋体１３０の封止枠部１３０ｂの内側面との間に設けられた接合部材１５０とが熱が印加されることで、溶融接合される。このようにすることにより、封止蓋体１３０を枠体１１０ｂに接合する際に、溶融した接合部材１５０が枠体１１０ｂの上面まで溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に接合部材１５０が入り込むことを低減することができる。
【００２５】
ここで封止蓋体１３０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜３．２ｍｍである場合を例にして、第二凹部Ｋ２の大きさを説明する。第二凹部Ｋ２の長辺の長さは、１．４〜３．０ｍｍであり、短辺の長さは、０．８〜２．３ｍｍとなっている。第二凹部Ｋ２の上下方向の長さは、０．２〜０．５ｍｍとなっている。第二凹部Ｋ２の大きさが、パッケージ１１０の外形寸法よりも大きくなるように設けられており、パッケージ１１０が封止蓋体１３０の第二凹部Ｋ２内に収容されるようにして接合されることになる。
【００２６】
接合部材１５０は、図２に示すように、封止枠部１３０ｂの内側面から枠体１１０ｂの外側面にかけて設けられている。接合部材１５０は、例えば、ガラスの場合には、３００℃〜４００℃で溶融するガラスであり、例えばバナジウムを含有した低融点ガラス又は酸化鉛系ガラスから構成されている。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は、例えば、ガラスフリットペーストをスクリーン印刷法で封止枠部１３０ｂの内側面又は枠体１１０ｂの外側面に塗布され乾燥することで設けられる。また、この酸化鉛系ガラスの組成は、酸化鉛、フッ化鉛、二酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化第二鉄、酸化銅及び酸化カルシウムとから構成されている。
【００２７】
接合部材１５０は、例えば、絶縁性樹脂の場合には、エポキシ樹脂又はポリイミド樹脂から構成されている。枠体１１０ｂの外側面と封止蓋体１３０の封止枠部１３０ｂの内側面との間に設けられた接合部材１５０の厚みは、３０〜１００μｍとなっている。
【００２８】
接合部材１５０は、例えば、金錫の場合には、接合部材１５０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、金が７０〜８０％、錫が２０〜３０％のものを使用しても良い。また、接合部材１５０は、例えば、銀ロウの場合には、接合部材１５０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、銀が７０〜８０％、銅が２０〜３０％のものを使用しても良い。
【００２９】
本実施形態における水晶デバイスは、基板１１０ａと、基板１１０ａ上の外周縁に沿って設けられた枠体１１０ｂと、基板１１０ａ上であって枠体１１０ｂ内に実装された水晶素子１２０と、封止基部１３０ａと、封止基部１３０ａの下面に設けられた封止枠部１３０ｂとを有している封止蓋体１３０と、枠体１１０ｂの外側面と封止枠部１３０ｂの内側面との間に設けられた接合部材１５０と、を備えている。このようにすることによって、封止蓋体１３０の封止枠部１３０の内側面と枠体１１０ｂの外側面とを接合させるので、溶融した接合部材１５０が枠体１１０ｂの上面まで溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に接合部材１５０が入り込むことを低減することができる。よって、水晶素子１２０に溶融した接合部材１５０が付着することを低減することができる。また、水晶素子１２０に接合部材が付着することを抑えるので、水晶素子１２０の厚みすべり振動が阻害されず、水晶デバイスは、安定して発振周波数を出力することが可能となる。
【００３０】
（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。尚、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、封止蓋体２３０が、枠体１１０ｂの上面と封止基部２３０ｂの下面とが接触するように配置されている点で実施形態と異なる。
【００３１】
封止蓋体２３０は、図４に示されているように、枠体１１０ｂの上面と封止基部２３０ｂの下面とが接触するように配置され、枠体１１０ｂの外側面と封止蓋体２３０の封止枠部２３０ｂの内側面とが接合部材１５０を介して接合されている。このようにすることにより、封止蓋体２３０は、パッケージ１１０の枠体１１０ｂと位置ズレを起こすことなく、安定して接合することができる。
【００３２】
本実施形態の第一変形例における水晶デバイスは、枠体１１０ｂの上面と封止蓋体２３０の封止基部２３０ｂの下面とが接触するように配置されていることによって、封止蓋体２３０がパッケージ１１０の枠体１１０ｂと位置決めを容易にすることができ、安定して接合することが可能となる。このようにすることで、パッケージ１１０の第一凹部Ｋ１内の気密封止性を維持することができる。また、封止蓋体２３０をパッケージ１１０の枠体１１０ｂに接合する際に、接合部材１５０が溶融して飛散したとしても、枠体１１０ｂの上面と封止蓋体２３０の封止基部２３０ｂの下面とが接触していることで、接合部材１５０が第一凹部Ｋ１内に入り込むことをさらに低減することができる。よって、水晶デバイスは、水晶素子１２０に接合部材１５０が被着することをさらに低減し、安定して発振周波数を出力することができる。
【００３３】
（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。尚、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、パッケージ２１０には、基板２１０ａの下面に設けられた外部端子２１２の内の一つと電気的に接続された導体パッド２１３が枠体２１０ｂ上に設けられ、その導体パッド２１３と封止蓋体１３０の封止基部１３０ａと導電性接合材１６０にて接合されている点で実施形態と異なる。
【００３４】
枠体２１０ｂの上面には、導体パッド２１３が少なくとも一つ設けられている。この導体パッド２１３は、基板２１０ａの下面に設けられた外部端子２１２の内の一つと基板２１０ａ及び枠体２１０ｂの内部に設けられたビア導体及び配線パターンを介して電気的に接続されている。導体パッド２１３は、封止蓋体１３０の封止基部１３０ａと導電性接合材１６０を介して機械的及び電気的に接合されている。また、外部端子２１２の内の一つが、外部の実装基板上の基準電位であるグランド電位と接続されている実装パッドと接続されることによって、封止蓋体１３０は、グランド電位と接続されることになる。このようにすることによって、外部電磁波ノイズが水晶素子１２０に重畳することを低減することができる。また、封止蓋体１３０がグランド電位と接続されていることで、上から金属板等が水晶デバイスに近接しても、近接した金属板と水晶素子１２０との間で浮遊容量が発生しにくくなり、水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することができる。
【００３５】
導電性接合材１６０は、例えば、金錫の場合には、導電性接合材１６０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、金が７０〜８０％、錫が２０〜３０％のものを使用しても良い。また、導電性接合材１６０は、例えば、銀ロウの場合には、導電性接合材１６０の層の厚みは、１０〜４０μｍであり、例えば、成分比率が、銀が７０〜８０％、銅が２０〜３０％のものを使用しても良い。
【００３６】
本実施形態の第二変形例における水晶デバイスは、基板２１０ａの下面に設けられた外部端子２１３の内の一つと電気的に接続された導体パッド２１３が枠体２１０ｂ上に設けられ、その導体パッド２１３と封止蓋体１３０の封止基部１３０ａと導電性接合材１６０にて接合されている。このようにすることで、封止蓋体１３０は、グランド電位と接続されることになり、外部電磁波ノイズが水晶素子１２０に重畳することを低減することができる。また、封止蓋体１３０がグランド電位と接続されていることで、上から金属板等が水晶デバイスに近接しても、近接した金属板と水晶素子１２０との間で浮遊容量が発生しにくくなり、水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することができる。
【００３７】
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。上記の実施形態の第一変形例では、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１１０ｂ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。
【００３８】
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。音叉型屈曲水晶素子は、水晶片と、その水晶片の表面に設けられた励振電極と、引き出し用電極と、周波数調整用金属膜とにより構成されている。水晶片は、水晶基部と水晶振動部とからなり、水晶振動部が第一水晶振動部及び第二水晶振動部とから成る。水晶基部は、結晶の軸方向として電気軸がＸ軸、機械軸がＹ軸、及び光軸がＺ軸となる直交座標系としたとき、Ｘ軸回りに−５°〜＋５°の範囲内で回転させたＺ′軸の方向が厚み方向となる平面視略四角形の平板である。第一水晶振動部及び第二水晶振動部は、水晶基部の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。このような水晶片は、水晶基部と各水晶振動部とが一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィー技術と化学エッチング技術により製造される。
【００３９】
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ことで、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。
【００４０】
また、上記実施形態においては、加熱炉を用いて接合部材を溶融させ接合しているが、接合部材にレーザ等を照射することにより接合部材を加熱溶融させて気密封止をする方法でも構わない。このレーザの種類としては、例えば、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、半導体レーザ、エキシマレーザ等を用いる。
【符号の説明】
【００４１】
１１０ａ、２１１ａ・・・基板
１１０ｂ、２１０ｂ・・・枠体
１１０、２１０・・・パッケージ
１１１、２１１・・・電極パッド
１１２、２１２・・・外部端子
２１３・・・導体パッド
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・引き出し電極
１３０、２３０・・・封止蓋体
１３０ａ、２３０ａ・・・封止基部
１３０ｂ、２３０ｂ・・・封止枠部
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・接合部材
１６０・・・導電性接合材
Ｋ１・・・第一凹部
Ｋ２・・・第二凹部
【図１】
2015070504.tif 000003
【図２】
2015070504.tif 000004
【図３】
2015070504.tif 000005
【図４】
2015070504.tif 000006
【図５】
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