CN107710602A - 压电振子的制造方法 - Google Patents

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Abstract

压电振子(1)的制造方法包括：经由导电性粘合剂(340、342)将压电振动元件(100)安装于基座部件(300)；将安装于基座部件(300)的压电振动元件(100)在与周围相比高温以及高湿的环境中维持规定时间；通过利用离子束实施的蚀刻进行压电振动元件(100)的频率调整；以及经由接合材料(350)将罩部件(200)与基座部件(300)接合以密封封闭压电振动元件(100)。

Description

压电振子的制造方法
技术领域
本发明涉及压电振子的制造方法。
背景技术
作为振荡装置、带通滤波器等所使用的压电振子的制造方法，已知例如如专利文献1所记载的那样，经由导电性粘合剂将压电振动元件(例如石英片)安装在基板上，进行压电振动元件的频率调整以具备所希望的频率特性，之后，通过凹状的金属罩将压电振动元件密封封闭在内部空间，由此制造压电振子。
然而，以往，存在如下情况：在压电振动元件的封闭工序的制造工艺或者完成后的产品使用时等，由于密封封闭的内部空间的湿度而引起导电性粘合剂的物性变化，由此压电振子的频率特性变动。这样的频率特性的变动在进行了用于得到所希望的频率特性的频率调整的工序之后发生，另外，频率特性的变动量根据每个产品存在偏差而难以预测，所以有不容易制造具备所希望的频率特性的压电振子的情况。
专利文献1：日本特开2012－191648号公报
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于容易地制造具备所希望的频率特性的压电振子。
本发明的一侧面所涉及的压电振子的制造方法包括：(a)经由导电性粘合剂将压电振动元件安装于基座部件；(b)将安装于基座部件的压电振动元件在与周围相比高温以及高湿的环境中维持规定时间；(c)通过利用离子束实施的蚀刻来进行压电振动元件的频率调整；以及(d)经由接合材料将罩部件与基座部件接合以密封封闭压电振动元件。
根据上述构成，将安装于基板上的压电振动元件维持在高温以及高湿的环境中，之后进行压电振动元件的频率调整。由此，能够使频率特性的变动显现化，并考虑这样的显现化后的每个产品的频率特性的偏差，来进行用于得到所希望的频率特性的压电振动元件的频率调整。因此，能够容易地制造具备所希望的频率特性的压电振子。
也可以在上述压电振子的制造方法中，(b)包括：将压电振动元件在40℃以上121℃以下的温度并且70％RH以上95％RH以下的湿度的环境中维持30分钟以上168小时以下的时间。
也可以在上述压电振子的制造方法中，基座部件包括形成在供压电振动元件安装的上表面的连接电极、和从连接电极朝向基座部件的上表面的外缘引出的引出电极，(a)包括经由导电性粘合剂将压电振动元件与连接电极电连接。
也可以在上述压电振子的制造方法中，压电振动元件包括压电基板和形成于压电基板的激励电极，(c)包括通过利用离子束实施的蚀刻来修整激励电极。
也可以在上述压电振子的制造方法中，压电基板是石英基板。
也可以在上述压电振子的制造方法中，罩部件是具有与基座部件对置的凹部的盖。
也可以在上述压电振子的制造方法中，接合材料是树脂粘合剂。
据此，能够抑制树脂粘合剂所引起的湿气的影响。
根据本发明，能够容易地制造具备所希望的频率特性的压电振子。
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的压电振子的分解立体图。
图2是图1的II－II线剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式所涉及的压电振子的制造方法的流程图。
图4是表示用于说明本发明的一实施方式所涉及的压电振子的制造方法的实验例的图。
图5是表示用于说明本发明的一实施方式所涉及的压电振子的制造方法的实验例的图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，相同或者类似的构成要素以相同或者类似的附图标记来进行表示。附图是例示，各部的尺寸、形状是示意性的尺寸、形状，而不应该将本申请发明的技术范围限定于该实施方式来进行解释。
参照图1以及图2，对本发明的一实施方式所涉及的压电振子进行说明。该压电振子是应用后述的本发明的一实施方式所涉及的压电振子的制造方法而制造的。这里，图1是压电振子的分解立体图，图2是图1的II－II线剖视图。此外，在图2中，省略压电振动元件的各种电极的图示。
如图1所示，本实施方式所涉及的压电振子1具备：压电振动元件100、作为罩部件的一个例子的盖200以及作为基座部件的一个例子的基板300。盖200以及基板300是用于收纳压电振动元件100的壳体或者封装体。
压电振动元件100包括压电基板110和形成于压电基板110的第一以及第二激励电极120、130。第一激励电极120形成于压电基板110的第一面112，另外，第二激励电极130形成于压电基板110的与第一面112相反的第二面114。
压电基板110由给定的压电材料形成，其材料并不特别限定。在图1所示的例子中，压电振动元件100是具有作为AT切割石英基板的压电基板110的石英振动元件。AT切割的石英基板是在分别将使作为人工石英的结晶轴的X轴、Y轴、Z轴中的Y轴以及Z轴绕X轴从Y轴向Z轴的方向旋转35度15分±1度30分后的轴设为Y′轴以及Z′轴的情况下，将与由X轴以及Z′轴确定的面(以下，称为“XZ′面”。对于由其它的轴确定的面也相同。)平行的面作为主面而切出的。在图1所示的例子中，作为AT切割石英基板的压电基板110具有与Z′轴方向平行的长边方向、与X轴方向平行的短边方向以及与Y′轴方向平行的厚度方向，并且在XZ′面上大致呈矩形形状。使用了AT切割石英基板的石英振动元件在较宽的温度范围具有极高的频率稳定性，另外，经时变化特性也优异，而且能够以低成本进行制造。另外，AT切割石英振动元件使用厚度剪切振动模式(Thickness Shear Mode)作为主振动的情况较多。
此外，本实施方式所涉及的压电基板并不限定于上述构成，例如也可以应用具有与X轴方向平行的长边方向和与Z′轴方向平行的短边方向的AT切割石英基板，也可以是AT切割以外的不同切割的石英基板，或者也可以应用石英以外的陶瓷等其它的压电材料。
第一激励电极120形成于压电基板110的第一面112(Y′轴正方向侧的XZ′面)，另外，第二激励电极130形成于压电基板110的与第一面112相反的第二面114(即，Y′轴负方向侧的XZ′面)。第一以及第二激励电极120、130是一对电极，被配置为在XZ′面相互大致整体重合。
在压电基板110形成有经由引出电极122与第一激励电极120电连接的连接电极124和经由引出电极132与第二激励电极130电连接的连接电极134。具体而言，引出电极122在第一面112从第一激励电极120朝向Z′轴负方向侧短边引出，并通过压电基板110的Z′轴负方向侧的侧面，与形成于第二面114的连接电极124连接。另一方面，引出电极132在第二面114从第二激励电极130朝向Z′轴负方向侧短边引出，并与形成于第二面114的连接电极134连接。连接电极124、134沿着Z′轴负方向侧的短边配置，这些连接电极124、134经由后述的导电性粘合剂340、342实现与基板300的电导通并且被机械地保持于基板。此外，在本实施方式中，并不限定连接电极124、134以及引出电极122、132的配置、图案形状，能够考虑与其它的部件的电连接而适当地变更。
包括第一以及第二激励电极120、130的上述各电极例如可以利用铬(Cr)层形成基底，并在铬层的表面形成金(Au)层，并不限定其材料。
盖200具有与基板300的第一面302对置地开口的凹部204。在凹部204，遍及开口的整周而设置有形成为从凹部204的底面竖起的边缘部202，边缘部202具有与基板300的第一面302对置的端面205。如图2所示，该端面205可以是从凹部204的底面大致垂直地竖起突出的边缘部202的前端面。盖200的材料例如也可以是金属。据此，通过使盖200与接地电位电连接，从而能够附加屏蔽功能。或者，盖200也可以是绝缘材料或者金属·绝缘材料的复合结构。
作为变形例，盖200也可以具有从凹部开口中心朝向开口边缘从开口边缘突出的凸缘部。在该情况下，凸缘部也可以具有与基板的第一面对置的端面。根据具有凸缘部的盖，能够增大端面的尺寸、即盖与基板的接合区域的面积，所以能够实现两者的接合强度的提高。
在基板300的第一面302搭载压电振动元件100。在图1所示的例子中，基板300具有与Z′轴方向平行的长边方向、与X轴方向平行的短边方向以及与Y′轴方向平行的厚度方向，在XZ′面上大致呈矩形形状。基板300例如由绝缘性陶瓷形成。更具体而言，通过层叠多个绝缘性陶瓷片并进行烧制来形成。或者，基板300也可以由玻璃材料(例如硅酸盐玻璃、或者以硅酸盐以外为主要成分的材料且是由于升温而具有玻璃化转移现象的材料)、石英材料(例如AT切割石英)或者玻璃环氧材料等形成。优选基板300由耐热性材料构成。基板300既可以是单层也可以是多层，在多层的情况下，也可以包括形成在第一面302的最表层的绝缘层。另外，基板300既可以呈平板的板状，或者也可以呈向与盖200对置的方向开口的凹状。如图2所示，盖200以及基板300两者经由接合材料350接合，由此压电振动元件100被密封封闭于由盖200的凹部204和基板300围起的内部空间(腔)206。
接合材料350遍及盖200或者基板300的整周地设置为环状，被夹在盖200的边缘部202的端面205与基板300的第一面302之间。接合材料350是树脂粘合剂(例如环氧粘合剂)。此外，接合材料350也可以是低熔点玻璃(例如硼酸铅类、磷酸锡类等)。
在图2所示的例子中，压电振动元件100的一端(导电性粘合剂340、342侧的端部)为固定端，另一端为自由端。此外，作为变形例，压电振动元件100也可以在长边方向的两端固定于基板300。
如图1所示，基板300包括形成在第一面302(上表面)的连接电极320、322和从连接电极320、322朝向第一面302的外缘引出的引出电极320a、322a。连接电极320、322被配置在与基板300的外缘相比靠内侧，以使压电振动元件100能够配置在基板300的第一面302的大致中央。
在连接电极320经由导电性粘合剂340连接有压电振动元件100的连接电极124，另一方面，在连接电极322经由导电性粘合剂342连接有压电振动元件100的连接电极134。
引出电极320a从连接电极320朝向基板300的任意一个角部引出，另一方面，引出电极322a从连接电极322朝向基板300的另一个角部引出。另外，在基板300的各角部形成有多个外部电极330、332、334、336，在图1所示的例子中，引出电极320a与形成在X轴负方向以及Z′轴负方向侧的角部的外部电极330连接，另一方面，引出电极322a与形成在X轴正方向以及Z′轴正方向侧的角部的外部电极332连接。另外，如图1所示，也可以在剩余的角部形成外部电极334、336，这些外部电极也可以是不与压电振动元件100电连接的虚设图案。虚设图案也可以与设置于安装压电振子的安装基板(未图示)的端子(不与其它的任何的电子元件连接的端子)电连接。通过形成这样的虚设图案，用于形成外部电极的导电材料的给予变得容易，另外，由于能够在全部的角部形成外部电极，所以将压电振子与其它的部件电连接的处理工序也变得容易。
在图1所示的例子中，基板300的角部具有其一部分被切断为圆筒曲面状(也称为雉堞形。)而形成的切口侧面，外部电极330、332、334、336连续地形成在这样的切口侧面以及第二面304(下表面)。此外，基板300的角部的形状并不限定于此，切口的形状也可以是平面状，也可以没有切口，而残存角部的角。
此外，基板300的连接电极、引出电极以及外部电极的各构成并不限定于上述的例子，能够进行各种变形来进行应用。例如，也可以连接电极320、322的一方形成在Z′轴正方向侧，另一方形成在Z′轴负方向侧等，而在基板300的第一面302上配置在相互不同的侧。在这样的构成中，压电振动元件100在长边方向的一端以及另一端的两方被支承于基板300。另外，外部电极的个数并不限于四个，例如也可以是配置在对角上的两个。另外，外部电极并不限定于配置在角部，也可以形成在除了角部之外的基板300的任意的侧面。在该情况下，也可以如已经说明的那样，形成将侧面的一部分切断为圆筒曲面状的切口侧面，并在除了角部之外的该侧面形成外部电极。并且，也可以不形成作为虚设图案的其它的外部电极334、336。另外，也可以在基板300形成从第一面302贯通到第二面304的贯通孔，并通过该贯通孔实现从形成在第一面302的连接电极到第二面304的电导通。
在图1所示那样的压电振子1中，通过经由外部电极330、332对压电振动元件100中的一对第一以及第二激励电极120、130之间施加交流电压，从而压电基板110以厚度剪切振动模式等规定的振动模式振动，得到伴随着该振动的共振特性。
接下来，基于图3的流程图对本发明的一实施方式所涉及的压电振子的制造方法进行说明。在本实施方式中，作为一个例子，对制造图1以及图2所示的压电振子的方法进行说明。
如图3所示，经由导电性粘合剂340、342将压电振动元件100安装于基板300(S10)。
首先，分别准备压电振动元件100以及基板300。在压电振动元件100为石英振子的情况下，从人工石英或者天然石英的原石以规定的切割角将石英材料切出为晶圆状，并通过切割或者蚀刻形成为规定的矩形的外形形状，之后，通过溅射法或者真空蒸镀法等形成以第一以及第二激励电极120、130为首的各种电极。另外，在基板300的第一面302，例如在规定区域涂覆膏状的导电材料，并对涂覆的导电材料进行烧制，由此形成包括连接电极、引出电极以及外部电极的电极图案。这些电极图案也能够适当地组合溅射法、真空蒸镀法或者电镀法来形成。
导电性粘合剂340、342例如被预先设置于基板300的连接电极320、322或者压电振动元件100的连接电极124、134，并在将压电振动元件100搭载于基板300之后使其热固化。导电性粘合剂340、342的热固化例如通过在约180℃以上190℃以下的温度维持大约30分钟来进行。
此外，压电振动元件100既可以安装于将晶圆状的基板单片化后的各个基板300，或者也可以安装在晶圆状的基板的各个区域。在晶圆状的基板安装压电振动元件100的情况下，在后工序中通过按照各个压电振动元件100将基板300切割等来单片化。
接下来，将安装于基板300的压电振动元件100维持在高温以及高湿的环境(S11)。
具体而言，将基板300上的压电振动元件100收纳于烤箱等处理装置的封闭空间。该封闭空间与作为压电振子的制造环境的周围独立，能够在大气中控制其温度以及湿度。
这里，步骤S11中的温度环境例如也可以是40℃以上121℃以下的范围。在小于40℃时，与制造环境的周围的温度(例如25℃)没有太大的温度差，另外，若超过121℃，则有构成压电振动元件100、基板300的材料劣化的担心。优选温度环境也可以是92℃以上98℃以下的范围(即95℃附近)。
另外，步骤S11中的湿度环境例如也可以是70％RH以上95％RH的范围。在小于70％RH时，与制造环境的周围的湿度没有太大的湿度差，另外，若超过95％RH，则有在压电振动元件100、基板300产生凝露的担心。优选湿度环境也可以是82％RH以上88％RH的范围(即85％RH附近)。
另外，步骤S11中的处理时间例如也可以是30分钟以上168小时以下的范围。若小于30分钟，则有不容易得到高温以及高湿的效果的情况，另外，若超过168小时，则有成为压电振子的制造工序的高效化的妨碍的情况。处理时间越长越能够得到高温以及高湿的效果。优选处理时间也可以是30分钟以上24小时以下的范围。
此外，步骤S11中的温度以及湿度的环境也可以是与导电性粘合剂340、342的处理(步骤S10)或者接合材料350的处理(步骤S13)相比较低的温度并且较高的湿度的环境。另外，步骤S11中的处理时间也可以比导电性粘合剂340、342的处理(步骤S10)或者接合材料350的处理(步骤S13)的各处理时间长。
这样一来，通过将基板300上的压电振动元件100在与周围相比高温以及高湿的环境中维持规定时间，能够强制引起导电性粘合剂340、342的湿度所引起的物性变化，另外，能够使残存于导电性粘合剂340、342的热应力缓和。导电性粘合剂340、342是将压电振动元件100与基板300两者机械并且电连接的部位，所以湿度所引起的物性变化、残存的热应力容易成为导致压电振子的频率特性的变动的重要因素。因此，通过步骤S11的处理，在进行后述的频率调整之前，使压电振子的频率特性的变动显现化。
上述步骤S11在安装盖200之前，并且在基板300上的压电振动元件100在外部露出的状况下进行，所以能够容易地将导电性粘合剂340、342控制为目标的温度以及湿度。
接下来，进行用于得到所希望的频率特性的压电振动元件100的频率调整(S12)。
具体而言，通过在真空下形成等离子体，并对等离子体中的Ar离子施加高电压，从而形成基于Ar离子的离子束，将该离子束照射到压电振动元件100中的第一激励电极120(即与面向基板300的一侧相反侧的激励电极)。压电振动元件100的第一激励电极120通过利用离子束实施的蚀刻而被修整，其厚度逐渐变薄，压电振动元件100的频率向朝向所希望的目标值逐渐提高的方向被调整。离子束的照射量能够通过使设置在离子束的照射源与压电振动元件100之间的闸门(未图示)进行开闭动作来控制。这样的利用离子束实施的照射工序例如能够根据频率调整前的测定值与目标值的差分进行一次或者进行多次，在进行多次的情况下，也可以按每次照射来测定频率，并基于这样的测定值和目标值反复进行。
这样，通过在上述步骤S11的使频率特性的变动显现化的工序结束后的任意的时刻进行上述步骤S12的压电振动元件100的频率调整，能够也考虑通过上述步骤S11而显现化后的每个产品的频率特性的偏差，来容易地进行频率特性的调整以得到所希望的频率特性。
之后，经由接合材料350将盖200与基板300接合(S13)。
例如，在接合材料350为树脂粘合剂的情况下，能够通过浸渍法等将膏状的树脂粘合剂设置在盖200的端面205，之后，将盖200与基板300接合。在接合材料350为树脂粘合剂的情况下，在搭载盖后，例如在150℃以上180℃以下的范围进行加热并使其固化，从而将盖200与基板300接合。或者，也可以使用低熔点玻璃作为接合材料350，在该情况下，在搭载盖后，例如在300℃以上360℃以下的范围进行加热而使其烧制，从而将盖200与基板300接合。虽然树脂粘合剂与玻璃材料相比容易将湿气收进内部空间206，但由于根据本实施方式，能够抑制这样的树脂粘合剂所引起的湿气的影响，所以在使用树脂粘合剂作为接合材料350的情况下也有益。
根据本实施方式所涉及的压电振子的制造方法，将安装在基板300上的压电振动元件100维持在高温以及高湿的环境，之后进行压电振动元件100的频率调整。由此，能够使频率特性的变动显现化，并考虑这样的显现化后的每个产品的频率特性的偏差，来进行用于得到所希望的频率特性的压电振动元件100的频率调整。因此，能够容易地制造具备所希望的频率特性的压电振子。
接下来，参照图4以及图5，针对压电振动元件100的维持在高温以及高湿的环境的工序(图3的步骤S11)说明实验例。
图4的图表示出高温高湿处理(步骤S11)的试验数据。具体而言，示出作为之后的环境试验，将高温高湿处理(条件：温度95℃以及湿度85％RH)维持了(1)不进行处理(处理0分钟)、(2)处理时间30分钟、(3)处理时间2小时以及(4)处理时间24小时的四个种类的各样本在温度85℃以及湿度85％RH下放置了规定时间时的频率变动。图4的图表的纵轴表示频率变动率[ppm](高温高湿处理前后的共振频率的差分相对于高温高湿处理前的共振频率的比例)，横轴表示试验时间[hr](环境试验的放置时间)。
图5的图表示出图4的图表中的环境试验的放置时间经过500小时的数据的正态分布(表示±3σ的范围以及平均值)。
如图4所示，与高温高湿处理的处理时间为0分钟的情况相比，在处理时间为30分钟的情况下，能够减小频率变动率的绝对值。另外，如图5所示，若从平均值观察环境试验的放置时间经过了500小时的数据，可知高温高湿处理的时间越长，频率变动率的绝对值越小，越接近于0[ppm]。
此外，以上说明的各实施方式是用于使本发明的理解变得容易的实施方式，并不是用于限定本发明来进行解释的实施方式。本发明在不脱离其主旨的范围内，能够进行变更/改进，并且本发明也包括其等效方式。即，只要具备本发明的特征，则本领域技术人员对各实施方式适当地施加设计变更后的实施方式也包括于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的方式，而能够适当地变更。另外，各实施方式具备的各要素只要在技术上可能则能够组合，将它们组合后的实施方式只要包括本发明的特征则包括于本发明的范围。
附图标记说明：1…压电振子，100…压电振动元件，110…压电基板，120…第一激励电极，130…第二激励电极，200…盖(罩部件)，204…凹部，300…基板(基座部件)，320、322…连接电极，320a、322a…引出电极，340、342…导电性粘合剂，350…接合材料。

Claims (7)

1.一种压电振子的制造方法，其中，包括：
(a)经由导电性粘合剂将压电振动元件安装于基座部件；
(b)将安装于所述基座部件的压电振动元件在与周围相比高温以及高湿的环境中维持规定时间；
(c)通过利用离子束实施的蚀刻来进行所述压电振动元件的频率调整；以及
(d)经由接合材料将罩部件与所述基座部件接合以密封封闭所述压电振动元件。
2.根据权利要求1所述的压电振子的制造方法，其中，
所述(b)包括：将所述压电振动元件在40℃以上121℃以下的温度并且70％RH以上95％RH以下的湿度的环境中维持30分钟以上168小时以下的时间。
3.根据权利要求1或者2所述的压电振子的制造方法，其中，
所述基座部件包括形成在供所述压电振动元件安装的上表面的连接电极、和从该连接电极朝向所述基座部件的上表面的外缘引出的引出电极，
所述(a)包括：经由所述导电性粘合剂将所述压电振动元件与所述连接电极电连接。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的压电振子的制造方法，其中，
所述压电振动元件包括压电基板和形成于所述压电基板的激励电极，
所述(c)包括：通过利用离子束实施的蚀刻来修整所述激励电极。
5.根据权利要求4所述的压电振子的制造方法，其中，
所述压电基板是石英基板。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的压电振子的制造方法，其中，
所述罩部件是具有与所述基座部件对置的凹部的盖。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的压电振子的制造方法，其中，
所述接合材料是树脂粘合剂。
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