JP4926261B2

JP4926261B2 - 水晶振動子及び水晶デバイス

Info

Publication number: JP4926261B2
Application number: JP2010086785A
Authority: JP
Inventors: 昌夫石橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2010193496A

Description

本発明は、水晶振動子を容器状の基板などに導電性ペーストを硬化して得られる導電性接着材を介して接合した水晶デバイスに関するものである。尚、水晶デバイスとは、水晶振動素子単体のみを有する発振子や、この水晶振動子とともにＩＣチップ、コンデンサ、抵抗などの電子部品素子を搭載した発振器である。また、基板とは、全体が平板状の絶縁基板、平板状部位に電極パッドを有する筐体状のセラミックパッケージなどである。

従来の水晶デバイス、例えば発振器５１は、図５〜図６に示すように、水晶振動素子を、電極パッドや電極パッドが形成された固定段部を有するセラミックパッケージなどの容器５２体に配置していた。

図５、図６に示す発振器５１は、容器体５２、水晶振動子５３、導電性接着材５４とからなり、図５では蓋体を省略している。

また、容器体５２の裏面には外部端子電極が形成されて、容器体５２の内部には長手方向の片側の端部に電極パッドが形成されている。

また、水晶振動子５３は、矩形状の圧電基板の両主面に互いに対向する矩形状の励振電極及び該励振電極から水晶基板の一方短辺側の両主面に延びる引出し電極が形成されており、前記引き出し電極は導電性接着部材５４により、前述の容器体の電極パッドと接続され、同時に導通されていた。

さらに、最終的には、図６に示すように、水晶振動子５３を気密封止にすべく、容器体５２上に蓋体を被着して、水晶発振子は構成されていた。

また、別の例としては、図７に示すように長手方向において対向する端面を連続して円弧状にした水晶振動子５３１の両主面に長手方向に対向する端部を連続して円弧状にした矩形状で、且つ両側の短辺側を半円状に形成した励振電極５３２を形成して、該水晶振動子を上述の内容と同様の方法で発振器として作製していた（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−２４６９０３号公報

しかし、上述の発振器は、高精度品としてはＩＣチップやコンデンサー、サーミスタ、抵抗などと組み合わせて温度補償回路を備えているのだが、この場合、水晶振動子固有の発振周波数の温度変化を温度補償回路で補償することで、発振周波数の温度変化を、例えば、−３０℃〜８０℃の使用温度範囲全範囲にて±１．５ｐｐｍ以内に合わせ込んでいる。

この場合、温度補償回路に用いられるコンデンサー、抵抗の値を変えることにより、発振周波数の温度変化を抑えこんでいたが、励振電極の設計によっては、上述のように発振周波数の温度による変化を合わせ込めない場合があった。

その理由を以下に説明する。図８に示すように、水晶振動子の等価回路は等価直列抵抗Ｒ１、励振電極の実際に振動している個所で形成される等価直列容量Ｃ１、等価インダクタンスＬ１が直列回路に、励振電極の面積に依存する等価並列容量Ｃ０が並列に接続された構成となっている。その水晶振動子の等価回路に不図示であるが主に発振回路で構成される負荷容量ＣＬが負荷された状態で温度補償型の発振器の等価回路が形成されることになる。ここで発振周波数の温度による変化の調整は周波数感度Ｓを上げることで行われが、その周波数感度Ｓは以下の式により表される。

Ｓ＝Ｃ１／２＊（Ｃ０＋ＣＬ）²
＝１／２＊Ｃ１＊（Ｃ０／Ｃ１＋ＣＬ／Ｃ１）²
容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１として
＝１／２＊Ｃ１＊（γ＋ＣＬ／Ｃ１）²
となる。

等価直列容量Ｃ１は励振電極の実際の振動部における容量成分であるためほぼ一定と考えてよいので、容量比γが小さければ、水晶振動子の周波数感度Ｓが大きく取れることになり、これにより、温度が変化しても発振周波数を調整することが可能な周波数範囲を広くとれることになる。即ち、温度補償型の発振器として組んだ場合に、温度変化によっても発振周波数の調整の余裕度が大きくとれることになる。

しかしながら、励振電極を概略長方形状として最適な励振電極を設計した場合に、一般的に現れる基本波振動の分布図（図３）に示すように、振動分布の四隅部である角部が弧状に現れるため、励振電極の四隅部分（角部）は実際の振動に寄与していないものであり、振動に寄与しない励振電極の面積部分が容量比γを高くして、これにより、温度補償型水晶発振器の設計の余裕度が少なく、前述のように水晶振動子とＩＣチップと組み合わせるコンデンサー、抵抗の値を変えても例えば所望の±１．５ｐｐｍ以内に合わせ込むことができないことがあった。従って、設計の効率及び生産の効率を悪くする場合があった。

本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、励振電極を概略長方形状の励振電極を水晶振動子に用いた場合、等価回路定数の容量比γを小さくして、温度補償型の発振器に組み込んだ場合でも周波数可変感度が大きくとれ、設計や生産をする際に効率を上げられる水晶振動子及びそれを搭載した水晶デバイスを提供するものである。

本発明の一つの態様によれば、水晶振動子は、略矩形状の水晶基板と、前記水晶基板の両主面の各々に形成された励振電極と、前記励振電極から前記水晶基板の一方の短辺側に延出された引出し電極とを備えている。前記励振電極は略矩形状をなすとともに、前記引出し電極は前記励振電極の一方短辺から前記水晶基板の角部に前記水晶基板の長辺および短辺に沿った形状で前記水晶基板の前記両主面に渡って延出されており、前記励振電極の角部のうち、前記励振電極の前記一方短辺と前記引出し電極との接続部に形成される角部以外の全ての角部は、円弧状に形成されており、前記励振電極は、長方形状の励振電極を基準形状として、その基準形状の面積よりも９５％〜９８％となるように形成されている。

本発明の水晶振動子の振動について、図３に示すように、振動の基本波変位分布を等高線状に示すと、楕円ではなく、本発明のように長方形状の四隅部を円弧状に削ったような形状で励振電極外周から中央に向かって徐々に変位が大きくなって振動が発生する。

このような振動が発生するので、励振電極が基準形状となる単なる長方形状である場合と本発明のように所定の角部を切り欠き、本発明の励振電極を形成すると、実際振動に寄
与しない励振電極の不要部分がほとんど形成されていないので、励振電極の不要部分で発生する等価並列容量Ｃ０が基準形状から面積が小さくなった分だけ抑えられ、しかも、等価直列容量Ｃ１はほとんど影響がないため、容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１を減少させることができ、水晶振動子の周波数可変感度を大きくすることができ、発振周波数の合わせ込みの余裕度を大きく取れるようになる。

結局、上述の圧電デバイスを確実に、且つ簡単に構成することができる。

本発明にかかる水晶デバイスである発振器の蓋体を省略した状態の上面図である。本発明にかかる水晶デバイスの断面図である。本発明に用いる水晶振動子の振動部を示す上面図である。参考例として示す水晶デバイスの蓋体を省略した状態の上面図である。従来の水晶デバイスの蓋体を省略した状態の上面図である。従来の水晶デバイスの断面図である。従来の水晶デバイスの別の実施形態を示す上面図である。水晶振動子の等価回路を示す説明図である。

以下、本発明の水晶デバイスを図面に基づいて詳説する。

水晶は、本発明にかかる発振器である水晶デバイスの蓋体を省略した状態の上面図であり、図２はその横断面図である。

本発明の水晶デバイス１は、主に、基板２１を有する容器体２、水晶振動子３、導電性接着部材４及び蓋体６とから構成されている。

容器体２は、矩形状の単板セラミック基板２１と、セラミック基板２１の周囲にリング状基板２２を積層して、その表面に載置されたシールリング２５とから構成されているセラミックパッケージなどである。

そして、全体として、図２に示すように表面側に開口を有するとともに、水晶振動子３が収容される実質的に矩形状のキャビティー部２０が形成される。さらにキャビティー部２０の底面、即ち基板２１の上面の一方の電極パッド２３、２３が形成されている。この電極パッド２３、２３は、容器体２の短辺の幅方向に並んで夫々形成されている。その形状は概略矩形状となっている。

上述のシールリング２５はＦｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの金属からなり、基板２１の周囲にリング状基板２２を積層して、その表面に形成された封止用導体膜２４上にろう付けなどにより形成され、これにより、キャビティー部２０の厚みを規定している。

また、容器体２の底面には、電極パッド２３、２３と電気的に接続し、外部プリント配線基板と接合するための外部端子電極２６が形成されている。この電極パッド２３、２３と外部端子電極２６とは、容器体２の一部を貫くビアホール導体（不図示）によって接続されている。

また、電極パッド２３、２３の表面、特に、キャビティー部２０の中央部寄りには、バンプ５が形成されている。このバンプ５は、導電性金属ペーストの焼き付け、導電性樹脂ペースト、絶縁性樹脂ペーストの印刷、硬化により形成されており、例えば、１つの電極
パッド２３、２３の幅方向の全幅に渡って帯状に形成されたり、また、ドット状に形成してもよい。

水晶振動子３は、水晶基板３０と励振電極３１、３３と引き出し電極３２、３４とから構成されている。水晶基板３０は所定結晶方位角に従ってカット（ＡＴカット）されたものが用いられ、略矩形状に形成されている。励振電極３１、３３は、水晶基板３０の両主面に形成され、その平面が概略長方形状で、基準形状を長方形状とすると、基準形状の四隅部である角部が略均等に切り欠いて形成されている。また、励振電極３１、３３は基準形状の励振電極に比べて、その面積が９５〜９８％、好ましくは、９５〜９６％となるように四隅を切り欠いて形成される。その面積が９５％未満であると、実際に振動に寄与している振動部分の励振電極部を欠くことになり、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、容量比γを小さくする効果が得られなくなる。一方、９８％以上であると、励振電極３１、３３の不要部分を除去する比率が少ないために等価並列容量Ｃ０が減少させることができず容量比γを少なくすることができない。

本発明はあくまで、基準形状が長方形状の励振電極の四隅を切り欠くのであって、従来技術の図７で示した励振電極５３１の短辺を半円状にしたものとは区別される。そのような形状の場合は、基本波における振動分布まで影響して等価直列容量Ｃ１が小さくなるという理由により本発明の効果は得られない。

切り欠きの形状としては、円弧状に形成する場合（図３）や直線的に切り落とす場合（図４）が考えられるが、好ましくは、円弧状に形成したほうがよい。その理由は振動状態により近い電極形状であるため、等価直列容量Ｃ１の損失が最も少ないためである。

円弧状に切り欠く場合は、図１に示すように両主面の励振電極３１、３３夫々の四隅に略均等に円弧状の切り欠き３１ａ、３３ａを形成する。

引き出し電極３２、３４は一対の励振電極３１、３３から夫々水晶基板３０の短辺方向（図では左側）に延出され、構成されている。より具体的には、水晶基板３０の上面の短辺近傍に延出され、その短辺近傍の一方の長辺端面（図面では下側の端面）を介して下面側に延出されている。逆に、下面側の励振電極３３から延出する引き出し電極３４は、下面の短辺近傍に延出され、そして、短辺近傍の他方の長辺端面（図面では上側の端面）を介して上面側に延出されている。即ち、引出し電極３２、３４は、図には示さないが水晶基板３０の一方短辺側の端面に形成されることがなく、この一方の短辺に接する長辺側の端面３面に形成され、このように引き出し電極は長辺側の端面３面にて導通されている。そして、この引出し電極３２、３４は、水晶基板３０の両主面に夫々対向しあう位置に形成され、その形状は、所定位置に配置した時に、電極パッド２３、２３に導通し得る形状である。

このような励振電極３１、３３及び引出し電極３２、３４は、水晶基板３０の上面及び下面に、所定形状のマスクを配置して、蒸着やスパッタ等の手段を用いてＡｕ、Ａｇ、Ｃｒなどの蒸着などにより形成されている。

上述の容器体２と水晶振動子３との電気的な接続及び機械的な接合は、シリコン系、エポキシ系、ポリイミド系などの樹脂にＡｇ粉末などを添加して導電性樹脂ペーストを硬化した導電性接着部材４によって達成される。具体的には、基板２１表面の電極パッド２３、２３上に、上述の導電性樹脂ペーストをディスペンサー等により供給し、電極パッド２３、２３上に盛り上がった半球状の導電性樹脂ペースト上に、水晶振動子３の一方短辺側の下面に延出された引出し電極が当接するように、水晶振動子３を載置し、導電性樹脂ペーストを硬化する。

これにより、水晶振動子３の一対の励振電極３１、３３は、電極パッド２３、２３を介して容器体２の外面の外部端子電極２６に導通することになる。

尚、実際には、水晶振動子３を電極パッド２３、２３に電気的接続及び機械的接合を行った後、外部端子電極２６などを用いて水晶振動子３の発振周波数を測定し、必要に応じて、水晶振動子３の上面側励振電極３１の表面に、Ａｇなどを蒸着して周波数の調整をおこなう。

金属製蓋体６は、実質的に平板状の金属、例えばＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなる。このような金属製蓋体６は、水晶振動子３の収容領域（キャビティー部）２０を、窒素ガスや真空などでシーム溶接などの手法により、気密的に封止する。

上述の構造によれば、容器体２の一部である基板２１の表面に、電極パッド２３、２３が形成されており、水晶振動子３の引出し電極３２、３４が、導電性樹脂ペーストを硬化して成る導電性接着部材４を介して電気的且つ機械的に接合されている。

上述の水晶発振子は以下のようにして製造される。まず、水晶基板３０の両主面に励振電極３１、３３、一方の短辺側の両主面に延出された引出し電極３２、３４を有する水晶振動子３を用意する。また、同時に、容器体２の底面、即ち、基板２１の表面に一対の電極パッド２３、２３が形成され、また、キャビティー部２０の開口周囲の表面に封止用導体膜２４、シールリング２５が形成された容器体２、及び金属製蓋体６を用意する。
次に、電極パッド２３、２３に導電性接着部材４となる導電性樹脂ペーストをディスペンサーなどで供給・塗布する。この時、供給された導電性樹脂ペーストは、概略半球状に全体盛り上がった形状となる。次に、水晶振動子３を概略半球状に盛り上がった形状に供給された導電性樹脂ペーストに載置する。具体的には、導電性樹脂ペーストの供給した部分に、一対の引出し電極３２、３４が当接するように水晶振動子３を載置する。次に、導電性樹脂ペーストを硬化して、容器体２と水晶振動子３とを接合固定する。具体的には、熱による印加により硬化する。その後、所定雰囲気中で、シールリング２５に金属製蓋体６を載置し、両者をシーム溶接にて封止する。

かくして、本発明の構成によれば、励振電極３１、３３の四隅部を長方形状の基準形状から略均等に切り欠き、励振電極３１、３３の面積を９５％〜９８％にした概略長方形状に形成してある。これにより、等価並列容量Ｃ０は励振電極３１、３３の面積に比例して決まるため、基準形状の励振電極を使用した場合と比較して、励振電極３１、３３の振動に寄与しない不要面積が小さくなった分、等価並列容量Ｃ０は小さくなり、しかも、等価直列容量Ｃ１については、振動に寄与していない部分をカットしているので一定とみなされるため、容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１を小さくすることができ、この水晶振動子３を使用して温度補償型水晶発振器を作製した場合、周波数可変感度を大きくできるため、発振周波数の合わせ込みの余裕度を大きく取れるようになる。結局、温度特性を満足する温度補償型水晶発振器を効率良く生産できるようになる。

以上のように、本発明では、圧電振動子の励振電極の形状を、長方形状を基本形状として、その四隅を略均等に切り落としたために、容量比γをさらに小さな値にすることができ、その結果、例えば、水晶振動子を用いて温度補償型の発振器を作製した場合に、−３０℃〜８０℃といった使用される温度範囲の全範囲にて問題なく温度補償させることができ、効率良く生産することができるようになる。

１・・・水晶デバイス（発振器）
２・・・容器体
２０・・・キャビティー部
２１・・・基板
２２・・・リング状基板
２３・・・電極パッド
２４・・・封止用導体膜
２５・・・シールリング
２６・・・外部端子電極
３・・水晶振動子
３１、３３・・・励振電極
３２、３４・・・引出し電極
４・・・導電性接着部材
５・・・バンプ
５１・・・発振器
５２・・・容器体
５３・・・水晶振動子
５４・・・電極パターン
５７・・・導電性接着部材

Claims

略矩形状の水晶基板と、前記水晶基板の両主面の各々に形成された励振電極と、前記励振電極から前記水晶基板の一方の短辺側に延出された引出し電極と、を備えた水晶振動子において、
前記励振電極は略矩形状をなすとともに、前記引出し電極は前記励振電極の一方短辺から前記水晶基板の角部に前記水晶基板の長辺および短辺に沿った形状で前記水晶基板の前記両主面に渡って延出されており、
前記励振電極の角部のうち、前記励振電極の前記一方短辺と前記引出し電極との接続部に形成される角部以外の全ての角部は、円弧状に形成されており、
前記励振電極は、長方形状の励振電極を基準形状として、その基準形状の面積よりも９５％〜９８％となるように形成されていることを特徴とする水晶振動子。
請求項１に記載の水晶振動子と、前記水晶振動子を収容する容器体と、前記水晶振動子の収容領域を気密封止するための金属製蓋体と、を備えた水晶デバイス。