(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化に対応した基本波振動で高周波領域（１５０ＭＨｚ以上）の圧電デバイスとその製造方法を提供する。【解決手段】圧電振動素子１と、平板状のプリント配線板５と、下面略中央の凹み部６ａを備える蓋体６と、を備え、圧電振動素子１はＡＴカット水晶基板の一方の主面を凹陥した超薄肉部２と該超薄肉部２の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部２ａを一体的に形成し、さらに環状囲繞部２ａの表面に超薄肉部２を囲繞すると共に該超薄肉部２の厚さより深い溝部２ｂを形成する。前記圧電振動素子１は前記プリント配線板５の上面に金属バンプ又は導電性接着剤を用いて機械的且つ電気的に接続する。さらに、前記蓋体６の下面略中央に形成する凹み部６ａを下方にして圧電振動素子１の平坦側に備える前記超薄肉部２と前記溝部２ｂとの上方を一定の間隙を隔てて覆うと共に、圧電振動素子１の平坦側に絶縁性接着剤９により固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板の一方の主面を凹陥することにより超薄肉部と該超薄肉部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に形成する圧電振動素子と、
上面に前記圧電振動素子と電気的且つ機械的に接続する内部接続端子を備えると共に下面に外部端子電極を備えるプリント配線板と、
前記圧電振動素子が備える超薄肉部の上方を一定の間隙を隔てて覆う蓋体と、
を備え、
前記圧電振動素子を挟んで前記プリント配線板と前記蓋体とを対向配置すると共に該圧電振動素子と該プリント配線板と該蓋体夫々の平面寸法が略一致することを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記超薄肉部を囲繞する溝部を前記環状囲繞部に形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記圧電振動素子と前記プリント配線板と前記蓋体夫々の熱膨張率が略一致する材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記プリント配線板が備える外部端子電極部分を除く外面全体に絶縁材が被覆してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電デバイス。
【請求項５】
複数の前記圧電振動素子を連接一体化した構造の圧電基板母材を形成する工程と、
複数の前記プリント配線板を連接一体化した構造のプリント配線板母材を形成する工程と、
複数の前記蓋体をを連接一体化した構造の蓋体母材を形成する工程と、
前記圧電基板母材と前記プリント配線板母材と前記蓋体母材とを個々の個片の位置関係を整合させた状態で積み重ね所要箇所を接合することにより積層母材を形成する工程と、
前記積層母材を個片毎に分割する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型化に対応するための高周波領域の圧電デバイスとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧電デバイス、特に水晶振動子は、小型、高精度の周波数、高安定性等の優れた特性を有することから、通信機器から民生機器まで多岐に渡って用いられている。近年、各種電子機器や伝送通信機器における情報量の増大と処理速度の高速化及び小型化に伴って、それらの機器に用いる基準周波数信号源として機能する水晶振動子に対して、高周波化及び小型化の要望がますます高まっている。
【０００３】
以下、従来の圧電デバイスについて説明する。
周知のように、厚み滑り振動をするＡＴカット水晶振動子の共振周波数は該ＡＴカット水晶振動子の厚さと反比例することから、機械的強度を保ちつつ高周波化を図る圧電デバイスとして、例えば特開平１１−２０５０７６号公報で開示されたようなものがあり、図５は従来の圧電デバイスの構成を示す縦断面図、図６（ａ）はその圧電デバイスを構成する圧電振動素子の下面斜視図、図６（ｂ）はその圧電振動素子の縦断面図である。
従来の圧電デバイスは、圧電振動素子５０と、上面にキャビティー部５５ａを備えるセラミックパッケージ５５と、前記キャビティー部５５ａを閉止する金属製の蓋体６０と、を備えている。
前記圧電振動素子５０は、圧電基板としてＡＴカット水晶基板の一方の主面の略中央部分をフォトエッチング手段を用いて凹陥した超薄肉部５２と該超薄肉部５２の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部５２ａを一体的に形成した超薄板圧電基板を用いる。この超薄板圧電基板の凹陥側の略中央部分、即ち超薄肉部５２の略中央部分に部分電極５３ｂと該部分電極５３ｂから基板周辺部に延在するリード電極５４とを具備する。一方、超薄板圧電基板の平坦側の全面に全面電極５３ａが形成されている。
【０００４】
前記圧電振動素子５０はセラミックパッケージ５５が有するキャビティー部５５ａに収容されており、導電性接着剤を用いて片持ち固定すると共に、前記リード電極５４とキャビティー部５５ａの内底面に配設する端子電極５６ｂとの電気的導通が図られている。一方、前記全面電極５３ａとキャビティー部５５ａの内底面に配設する端子電極５６ａとの間はボンディングワイヤー５７にて電気的導通が図られている。更に、圧電振動素子５０を収容するキャビティー部５５ａを蓋体６０によって気密封止する構造を有する。
【０００５】
【特許文献】特開平１１−２０５０７６号公報。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
厚み滑り振動をするＡＴカット水晶振動子の共振周波数ｆはｆ＝ｋ／ｔで表され、周波数ｆをＭＨｚ、厚さｔをμｍの単位で表すと、定数ｋは約１６５０ＭＨｚ・μｍとなる。従って、前記圧電振動素子５０の共振周波数を１５０ＭＨｚ以上の高周波に設定すると、超薄肉部５２の厚みが１０μｍ以下と極めて薄くなり、それに伴い超薄肉部５２に有する振動領域も小型化する。
【０００７】
しかしながら、前記超薄肉部５２の機械的強度を保つために前記環状囲繞部５２ａは一定の大きさ（厚さや幅）は必要である。従って、前記圧電振動素子５０を外部環境の雰囲気から遮断するために該圧電振動素子５０を前記セラミックパッケージ５５に収容し且つ気密封止するパッケージ方法を採用する従来の圧電デバイスでは、例えば中心周波数１００ＭＨｚではパッケージの外形寸法３ｍｍ×３ｍｍ×厚さ１ｍｍが最小の大きさであって、近年の更なる圧電デバイスの小型化の要望を満足させることが出来なかった。
【０００８】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、小型化に対応した基本波振動で高周波領域（１５０ＭＨｚ以上）の圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、圧電基板の一方の主面を凹陥することにより超薄肉部と該超薄肉部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に形成する圧電振動素子と、上面に前記圧電振動素子と電気的且つ機械的に接続する内部接続端子を備えると共に下面に外部端子電極を備えるプリント配線板と、前記圧電振動素子が備える超薄肉部の上方を一定の間隙を隔てて覆う蓋体と、を備え、前記圧電振動素子を挟んで前記プリント配線板と前記蓋体とを対向配置すると共に該圧電振動素子と該プリント配線板と該蓋体夫々の平面寸法が略一致することを特徴とする。
【００１０】
また請求項２記載の発明は、請求項１において、前記超薄肉部を囲繞する溝部を前記環状囲繞部に形成することを特徴とする。
【００１１】
また請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記圧電振動素子と前記プリント配線板と前記蓋体夫々の熱膨張率が略一致する材料からなることを特徴とする。
【００１２】
また請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記プリント配線板が備える外部端子電極部分を除く外面全体に絶縁材が被覆してあることを特徴とする。
【００１３】
また請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、複数の前記圧電振動素子を連接一体化した構造の圧電基板母材を形成する工程と、複数の前記プリント配線板を連接一体化した構造のプリント配線板母材を形成する工程と、複数の前記蓋体をを連接一体化した構造の蓋体母材を形成する工程と、前記圧電基板母材と前記プリント配線板母材と前記蓋体母材とを個々の個片の位置関係を整合させた状態で積み重ね所要箇所を接合することにより積層母材を形成する工程と、前記積層母材を個片毎に分割する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明実施形態の圧電デバイスの構成を示す縦断面図、図２（ａ）はその圧電デバイスを構成する圧電振動素子の上面斜視図、図２（ｂ）は圧電振動素子の下面斜視図、図２（ｃ）はその圧電振動素子の縦断面図である。
図１に示すように、本発明実施形態の圧電デバイス１０は、圧電振動素子１と、上面に前記圧電振動素子１と電気的且つ機械的に接続する内部接続端子５ａを備えると共に下面に外部端子電極５ｂを備える平板状のプリント配線板５と、下面略中央の凹み部６ａを備える蓋体６と、を備えている。
図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、前記圧電振動素子１は圧電基板としてＡＴカット水晶基板の一方の主面をフォトエッチング手段を用いて凹陥した超薄肉部２と該超薄肉部２の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部２ａを一体的に形成し、さらに環状囲繞部２ａの表面、即ちＡＴカット水晶基板の一方の主面（凹陥側）に超薄肉部２を囲繞すると共に該超薄肉部２の厚さより深い溝部２ｂをフォトエッチング手段を用いて形成する。この超薄板圧電基板の平坦側の略中央部分、即ち超薄肉部２の略中央部分に部分電極３ｂと該部分電極３ｂから前記溝部２ｂの内壁、基板端面部を経由して裏面（環状囲繞部２ａの表面）辺縁部に延在するリード電極４を形成し、超薄板圧電基板の凹陥側の前記リード電極４近傍を除く全面に全面電極２３ａを形成する。
前記プリント配線板５と前記蓋体６夫々の本体部材は該本体部材が有する熱膨張率が前記圧電振動素子１の熱膨張率とほぼ同等となる材料、最適は水晶から成ると共に、圧電振動素子１の平面寸法（厚さ寸法を除く外形寸法）と略一致する大きさを有する。
【００１６】
前記圧電振動素子１の凹陥側に備える前記リード電極４と全面電極３ａとは該リード電極４と該全面電極３ａ夫々に対向配置する前記プリント配線板５の上面に備える前記内部接続端子５ａとに金バンプやはんだバンプ等の金属バンプ又は導電性接着剤を用いて機械的且つ電気的に接続する。さらに、前記蓋体６が備える凹み部６ａを下方にして圧電振動素子１の平坦側に備える前記超薄肉部２と前記溝部２ｂとの上方を一定の間隙を隔てて覆うと共に、圧電振動素子１の平坦側の周縁近傍に絶縁性接着剤９により固定する。
【００１７】
前記プリント配線板５と前記蓋体６夫々の基材が有する熱膨張率が前記圧電振動素子１の熱膨張率とほぼ同等となる材料にすることで、各部材間を接合する導電性接着剤等の収縮硬化によって圧電振動素子の固着箇所に発生する内部応力を消散させるために形成したものであって、導電性接着剤等の硬化工程であるリフロー工程などの極端な温度変化を与えた場合には内部応力が変化してしまうために共振周波数が変化してしまうことなど、圧電デバイスの特性が著しく劣化させる問題を排除する。
【００１８】
前記溝部２ｂは各部材間を接合する導電性接着剤等の収縮硬化によって圧電振動素子の固着箇所に発生する内部応力を消散させるために形成したものであって、前記圧電振動素子１に溝部２ｂを形成する、特に超薄肉部２を囲繞すると共に該超薄肉部２の厚さより深い溝部２ｂを形成し前記内部応力が超薄肉部２に伝搬することが無くなることで該超薄肉部２与える影響が大きいために温度特性が大きく劣化してしまうなど、圧電デバイスの特性が著しく劣化させる問題を排除する。
また、溝部２ｂを形成することで前記内部応力が超薄肉部２に伝搬することが無くなることから、前記内部応力が前記プリント配線板５と前記蓋体６夫々の本体部材が有する熱膨張率が前記圧電振動素子１の熱膨張率と異なる材料、例えばガラスエポキシ製であっても構わない。
【００１９】
上記のように圧電振動素子１、プリント配線板５及び蓋体６間を接着等により接合した場合、各部材間に微細な空隙が発生し、特に超薄肉部２の上下面近傍の気密化が不十分となる虞れがある。そのため、完成した圧電デバイス１０の外面全体（プリント配線板５の外部端子電極５ｂを除く）にＳｉＯ２等のシリコン（Ｓｉ）系の薄膜（絶縁膜）を蒸着、スパッタリング等の手法により均一に成膜して各所に散在する微細な空隙を封止し内部の気密性を保持する。また、外部端子電極５ｂを除いた導体が外面に露出している部分をシリコン系の薄膜により被覆して絶縁する上でも有効である。そしてこのような構成は、圧電振動素子１、プリント配線板５、蓋体６及び蒸着膜がシリコン系材料であり、それぞれの熱膨張係数がほぼ等しいので、加熱等の温度変化によって蒸着膜に亀裂が発生し、気密性が低下するということが起きない。或いは、プリント配線板５の外部端子電極５ｂを除いた圧電デバイス１０外面全体に絶縁樹脂膜（絶縁膜）をモールド被覆して微細な空隙を封止し、且つ露出した導体部分を絶縁被覆するようにしてもよい。又、モールド被覆することにより各部材間の結合強度を高めることができる。
【００２０】
前記蓋体６を圧電振動素子１の平面寸法と略一致する大きさではなく前記超薄肉部２と前記溝部２ｂとの上方のみを一定の間隙を隔てて覆う大きさで該蓋体６により被覆することができない、即ち露出する前記圧電振動素子１の一方の主面に形成する導体（前記リード電極４）を前述する前記圧電デバイス１０の外面全体にシリコン系の薄膜を成膜する若しくは絶縁樹脂膜をモールド被覆しても構わない。
【００２１】
前記圧電デバイス１０はそれぞれが個片である圧電振動素子１とプリント配線板５と蓋体６夫々を積み重ねる手法で説明したが、複数個の圧電振動素子１を連接一体化した構造の圧電基板母材と複数個のプリント配線板５を連接一体化した構造の配線基板母材と複数個の蓋体６を連接一体化した構造の蓋体母材とを用いる。圧電基板母材と配線基板母材夫々に含まれる個々の個片の位置関係を整合させた状態で積み重ねて所要箇所を接合し蒸着等により個々の圧電デバイスの周波数調整を行なう。さらに蓋体母材に含まれる個々の個片の位置関係を整合させた状態で積み重ねて所要箇所を接合してから個片毎に分割する。その後、個々の圧電デバイスの外面に所要の薄膜形成若しくはモールド樹脂の被覆等を施すことにより、圧電デバイス１０をバッチ処理による量産することも可能である。
【００２２】
図３は本実施形態のその他の圧電デバイスの構成を示す縦断面図、図４（ａ）はその圧電デバイスを構成する圧電振動素子の上面斜視図、図４（ｂ）はその圧電振動素子の下面斜視図、図４（ｃ）はその圧電振動素子のＡ−Ａ縦断面図である。
図３に示すように、本発明実施形態の圧電デバイス２０は、圧電振動素子２１と、上面に前記圧電振動素子２１と電気的且つ機械的に接続する内部接続端子２５ａを備えると共に下面に外部端子電極２５ｂを備える平板状のプリント配線板２５と、平板状の蓋体２６と、を備えている。
図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、前記圧電振動素子２１は圧電基板としてＡＴカット水晶基板の一方の主面をフォトエッチング手段を用いて凹陥した超薄肉部２２と該超薄肉部２２の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部２２ａを一体的に形成し、さらに環状囲繞部２２ａの表面、即ちＡＴカット水晶基板の一方の主面（凹陥側）に超薄肉部２２を囲繞すると共に該超薄肉部２２の厚さより深い溝部２２ｂをフォトエッチング手段を用いて形成する超薄板圧電基板を用いる。この超薄板圧電基板の凹陥側の略中央部分、即ち超薄肉部２２の略中央部分に部分電極２３ｂと該部分電極２３ｂから基板端面部を経由して裏面（超薄板圧電基板の平坦側）辺縁部に延在するリード電極２４を形成し、超薄板圧電基板の平坦側の前記リード電極４近傍を除く全面に全面電極２３ａを形成する。
前記プリント配線板２５と前記蓋体２６は、それぞれが有する熱膨張率が前記圧電振動素子２１の熱膨張率とほぼ同等となる材料、最適は水晶から成ると共に、圧電振動素子２１の平面寸法と略一致する大きさを有する。
【００２３】
前記圧電振動素子２１の平坦側に備える前記リード電極２４と全面電極２３ａとは該リード電極２４と該全面電極２３ａ夫々に対向配置する前記プリント配線板２５の上面に備える前記内部接続端子２５ａと導電性接着剤、はんだバンプや金バンプ等の金属バンプを用いて機械的且つ電気的に接続する。さらに、前記蓋体２６を圧電振動素子２１の凹陥開口面、即ち前記環状囲繞部２２ａの最上面に絶縁性接着剤２９により固定する。
【００２４】
前記圧電デバイス２０の作用効果、各連接部材によるバッチ処理による量産手段等は前述する圧電デバイス１０と同様であるのは云うまでもない。
【００２５】
以上では水晶を用いて本発明を説明したが、本発明は水晶のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料に適用できることは云うまでもない。
【００２６】
ＡＴカット水晶基板を圧電材料とした超薄肉部を備えた圧電振動子について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、超薄肉部を備えた２重モードフィルタや、その他の水晶基板から製造される一般的な水晶振動子及びフィルタ、或いは他の圧電材料を用いた圧電振動子やフィルタなど、圧電デバイス全般にわたって適用することができる。
【００２７】
このように構成することにより、小型化に対応した基本波振動で高周波領域（１５０ＭＨｚ以上）の圧電デバイスとその製造方法が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、セラミックパッケージが備えるキャビティー部の開口面に金属蓋を溶接により固着する構成を採用しない為、少なくともパッケージ本体外枠の幅の合計に相当する面積を小さくし、圧電デバイス全体の平面積を小型化することが可能となる。しかも、本発明における圧電デバイスの小型化は、圧電振動素子の面積の減縮を伴わない、即ち超薄肉部の機械的強度を確保することが可能となるという効果を有する。
【００２９】
請求項２又は３記載の発明によれば、前記圧電振動素子が備える超薄肉部を囲繞する溝部を前記環状囲繞部に形成することで、導電性接着剤、はんだ等によって部材間を接合した時に導電性接着剤等の収縮硬化によって圧電振動素子の固着箇所に発生する内部応力を消散させることで該内部応力に起因する共振周波数が変化してしまうことなど圧電デバイスの特性が著しく劣化する欠点を排除することができるという効果を有する。
【００３０】
請求項４記載の発明によれば、前記圧電振動素子、前記プリント配線板及び蓋体間に微細な空隙が発生する際、本発明実施形態の圧電デバイスの外面全体に絶縁材を成膜若しくは被覆することで気密性を保持ことができるという効果を有する。
【００３１】
請求項５記載の発明によれば、各連接部材によって本発明実施形態の圧電デバイスをバッチ処理による量産することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態としての圧電デバイスの構成図。
【図２】本発明の実施の形態における圧電振動素子の構成図。
（ａ）上面斜視図。
（ｂ）下面斜視図。
（ｃ）Ａ−Ａ縦断面図。
【図３】本発明実施形態のその他の圧電デバイスの構成図。
【図４】本発明実施形態のその他の圧電振動素子の構成図。
（ａ）上面斜視図。
（ｂ）下面斜視図。
（ｃ）Ａ−Ａ縦断面図。
【図５】従来の圧電デバイスの構成図。
【図６】従来における圧電振動素子の構成図。
（ａ）下面斜視図。
（ｂ）Ａ−Ａ縦断面図。
【符号の説明】
１、２１…圧電振動素子    ２、２２…超薄肉部    ２ａ、２２ａ…環状囲繞部
２ｂ、２２ｂ…溝部    ３ａ、２３ａ…全面電極    ３ｂ、２３ｂ…部分電極
４、２４…リード電極    ５、２５…プリント配線板
５ａ、２５ａ…内部接続端子    ５ｂ、２５ｂ…外部端子電極
６、２６…蓋体    ６ａ…凹み部    ９、２９…絶縁性接着剤
１０、２０…圧電デバイス
５０…圧電振動素子    ５２…超薄肉部    ５２ａ…環状囲繞部
５３ａ…全面電極    ５３ｂ…部分電極    ５４…リード電極
５５…セラミックパッケージ    ５５ａ…キャビティー部
５６ａ、５６ｂ…端子電極    ５７…ボンディングワイヤー    ６０…蓋体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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