JP2001257560A - 超薄板圧電振動素子の電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワイヤボンディングが可能である為に量産が
容易であり、特性のばらつきが発生せず、不要なスプリ
アスを抑圧でき、しかも電極膜厚制御が容易で、且つ、
ＣＩ値の劣化を防止できる電極構造を有する超薄板圧電
振動素子を提供する。 【解決手段】 電極構成を、所望の共振モードのみをエ
ネルギー閉じ込め可能で、且つ、膜厚制御が可能で、更
に、抵抗値劣化のない膜厚にするために、圧電素板上の
励振用電極を間引き構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基本波振動で５０Ｍ
Ｈｚを超える高い共振周波数を有する超薄板圧電振動素
子の電極構造の改良に関し、特に不要なスプリアスを抑
圧するとともに、ＣＩ値劣化を防止して、良好な共振特
性を得ることができる超薄板圧電振動素子の電極構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器、通信機器において
は、取扱う情報量の増大に伴なって、使用周波数の高周
波化が求められ、更に高い周波数安定度の要求が厳しく
なっている。従来よりこれらの機器においては、基準周
波数源等として水晶振動子、水晶フィルタ等の圧電デバ
イスが多用されてきたが、一般のＡＴカット水晶振動素
子は周波数温度特性は極めて優れているもののその共振
周波数は板厚に反比例するため、製造技術及び機械的強
度の観点から５０ＭＨｚ程度が限界であった。また、Ａ
Ｔカット水晶振動素子の高調波成分を抽出して基本波共
振周波数の奇数倍の周波数を得るためのオーバトーン発
振手段も広く用いられているが、発振回路にコイルを含
むＬＣ同調回路を必要とするため発振回路を半導体集積
回路化する上で不都合がある他、容量比が大きく、且つ
インピーダンスレべルが高いため発振が困難になる場合
があるという欠陥があった。一方、インターディジタル
・トランスジューサ電極の電極指ピッチによって共振周
波数が決定される弾性表面波共振子は、フォトリソグラ
フィ技術の進歩によって１〜２ＧＨｚ程度の出力まで可
能となってはいるが、これに使用し得る圧電基板の周波
数温度特性がＡＴカット水晶振動素子に比して著しく劣
るという問題があった。上述の如き問題を解決するた
め、従来より図４（ａ）（ｂ）に示すごとき圧電振動素
子（圧電共振素子）が提案されている。即ち、この圧電
振動素子はＡＴカット水晶素板１の片面中央部に機械加
工又はエッチングによって凹陥部２を形成するととも
に、凹陥部２の底面に位置する振動部３の厚さを、例え
ば１００ＭＨｚの基本波共振周波数を得んとするならば
約１７μｍとする。凹陥部２を形成した結果、凹陥部２
側の素板面には、超薄板状の振動部３の周縁部に厚肉の
環状囲繞部４が振動部３と一体的に形成され超薄板状の
振動部を機械的に支持する。上述した如き構造を有する
圧電素板の凹陥部内側壁を含む全面に導体膜を付着して
全面電極９とすると共に、その対向面側の振動部３の表
面に主電極（励振用電極）５及びこれから延びるリード
電極６、更に、外部パッケージ端子との導通を図るため
のボンディングパッド電極７等を真空蒸着等の手法を用
いて付着すれば、共振周波数の極めて高い圧電振動素子
を得ることが出来る。

【０００３】しかしながら、上記の如き電極構造を備え
た超薄板圧電振動素子において、高周波化に伴って振動
部の板厚が薄くなるに連れて、所望の共振周波数のみを
得るためには、質量負荷効果によるエネルギー閉じ込め
を図るための励振用電極の膜厚もこれに伴い薄くする必
要がある。例えば、５０ＭＨｚを超える周波数において
は、不要なスプリアスを抑圧して所望の共振周波数のみ
を得るために、設計上電極膜厚は数３０ｎｍ以下と薄膜
化する必要があるが、膜厚の制御が非常に難しく、又、
超音波によるボンディングができない、更に、電極膜の
抵抗値が著しく増大し圧電振動素子のＣＩ値が極端に劣
化してしまう等の不具合が生じる。これを更に詳述する
と、図５はコンベンショナルな平板状の圧電振動素子の
正面図であり、この圧電振動素子１０は例えば肉厚が８
０μｍの圧電素板１１の表裏両主面に夫々対向し合うよ
うに励振用電極１２、１３を形成するとともに、各励振
用電極１２、１３から素板端縁に向かってリード電極１
２ａ，１３ａを夫々引き出した構成を有する。この圧電
振動素子１０はパッケージ１５内に収納されてパッケー
ジ内底面の段差１６上のパッド１７と下側のリード電極
１３ａを電気的に接続した状態で導電性接着剤１８によ
り接続される一方で、上側のリード電極１２ａは上側段
差２０上のパッド２１に対してボンディングワイヤ２２
を介して接続される。励振用電極１２、１３の膜厚は、
質量負荷によるエネルギー閉じ込め現象をもたらすが、
膜厚が過大であると、必要な共振周波数を得る為の振動
以外に不要な振動が発生するため、所定の範囲に制限さ
れる。この許容範囲の膜厚を有した励振用電極１２、１
３を備えた圧電振動素子１０の各リード電極１２ａ，１
３に対して夫々交番電流を流すと、圧電素板２２は励振
し、所定の周波数を出力することができる。また、励振
用電極１２、１３が形成された振動部の肉厚が８０μｍ
程度である場合には、励振用電極の膜厚も十分厚くでき
るので、励振用電極と同時に真空蒸着により形成される
リード電極１２ａ，１３ａも同じ厚さに形成でき、この
リード電極１２ａ，１３ａに対してボンディングワイヤ
２２を接続する際に各リード１２ａ，１３ａは十分にボ
ンディングワイヤ２２の一端を支持し続けるに足る強度
を発揮する。

【０００４】これに対して、図４に示した超薄板圧電振
動素子にあっては、例えば圧電素板１の最大肉厚を８０
μｍとすると共に、振動部３の肉厚を１７μｍとするの
で、励振用電極５、リード電極６及びボンディングパッ
ド電極７の膜厚を、図５に示した圧電振動素子１０に形
成した励振用電極１２、１３及びリード電極１２ａ，１
３ａの膜厚と同等にすると、振動部３の肉厚との関係で
は励振用電極５等の膜厚が相対的に厚くなり過ぎ、質量
負荷に伴うエネルギー閉じ込め効果が過大となる。この
ような不具合を解消するには、励振用電極５等の膜厚を
振動部３の肉厚に応じて薄く構成すれば良いが、大面積
の圧電母材を用いたバッチ処理によって多数の圧電振動
素子を一括形成する量産工程においては、すべての圧電
素板上に励振用電極５、リード電極６及びボンディング
パッド電極７を真空蒸着時に同一のマスクを用いて一括
して形成するので膜厚が一定にならざるを得ない。従っ
て、超薄肉の振動部３の肉厚に対応させて励振用電極５
等の膜厚を薄膜化すると、ボンディングパッド７の膜厚
がボンディングワイヤ２２との接続に耐えることができ
ない程度に薄くなる。この為、ボンディングワイヤ２２
の一端をボンディングする時にボンディングパッド７が
剥離し接続不良が発生する。また、各電極５、６、７の
膜厚を振動部膜厚に応じて薄く構成すると、ボンディオ
ングばかりでなく、電極膜厚の制御が困難となる。また
仮に、膜厚制御やボンディングが可能となったとして
も、各電極の薄膜化により抵抗値が著しく増大し、圧電
振動素子のＣＩ値が極端に劣化してしまい、実用不可能
となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の超
薄板圧電振動素子の欠点を除去するためになされたもの
であって、超薄肉振動部の周縁を厚肉の環状囲繞部にて
包囲一体化した圧電振動素子の一方の主面に一括して同
膜厚に形成する励振用電極、リード電極、ボンディング
パッドの膜厚を、ボンディングワイヤの一端をボンディ
ングパッドにボンディングした時に剥離が発生しない程
度に厚くしたとしても、質量負荷に伴うエネルギー閉じ
込め効果が過大となることがない超薄板圧電振動素子の
電極構造を提供することを目的とする。また、量産が容
易であり、特性のばらつきが発生せず、不要なスプリア
スを抑圧でき、しかも電極膜厚制御が容易で、且つ、Ｃ
Ｉ値の劣化を防止できる電極構造を有する超薄板圧電振
動素子を提供することを他の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、超薄肉の振動部、及び該振動部
の周縁に一体化されて該振動部を補強する厚肉の環状囲
繞部を備え、且つ一方の面に凹陥部を、他方の面に平坦
面を夫々備えた圧電素板と、前記圧電素板の凹陥部側面
に形成した全面電極と、前記平坦面側に形成した励振用
電極と、を備えた超薄板圧電振動素子において、前記励
振用電極を間引き構造としたことを特徴とする。請求項
２の発明は、前記圧電素板としてＡＴカット水晶素板を
用いたことを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の理解を
容易にするため従来のＡＴカット水晶基板を用いた超薄
板圧電振動素子を製造する工程について少しく説明す
る。即ち、従来の超薄板圧電振動素子の製造工程は、ま
ず図３（ａ）に示す如くＡＴカット水晶素板３１の表裏
両面に夫々保護膜３８、３９をフォトリソグラフィ技術
により形成し、一方の面の保護膜３９に形成された開口
３９ａを介して水晶素板３１の露出面をエッチングす
る。（ｂ）はエッチングの結果、開口３９ａから露出し
ている水晶素板３１の面に凹陥部３２が形成された状態
を示している。このように凹陥部３２を形成した結果、
薄板状の振動部３３と、その周囲を支持する環状囲繞部
３４とが一体的に形成される。続いて、保護膜３８、３
９を剥離除去した後、（ｃ）に示す如く凹陥部３２側全
面に導体膜を蒸着等により付着して全面電極４０とし、
対向する平坦面側の振動部３３のほぼ中央には主電極
（励振用電極）３５及びこれから延びるリード電極３
６、更に、外部パッケージ端子との導通を図るためのボ
ンディングパッド電極３７等を蒸着等により同膜厚に同
時形成する。この様にして製造した従来の超薄板圧電振
動素子において、１００ＭＨｚ以上の共振特性を得るた
めには、設計上の各電極３５、３６、３７の膜厚は３０
ｎｍ以下と非常に薄くなり、電極膜厚の制御やボンデイ
ング結線が困難となる。例え膜厚制御やボンディングが
可能となったとしても、電極の薄膜化により抵抗値が著
しく増大し、圧電振動素子のＣＩ値が極端に劣化してし
まい、実用化が不可能であったこと前述の通りである。
この欠陥を除去し上述の目的を達成するために、本発明
では、例えば図１（ａ），（ｂ）に示す如く超薄板圧電
振動素子の振動部３３上の主電極３５を間引き電極構造
とすることで、各電極３５、３６、３７の膜厚をボンデ
ィング可能な膜厚である５０ｎｍ以上とすることがで
き、水晶素板３１の平坦面側に形成する電極膜厚制御を
容易化することができる。

【０００８】図２はエネルギー閉じ込め型振動子の共振
周波数スペクトラムであり、以下、図２を参照しながら
図１の実施形態を説明する。振動部３３に励振用電極３
５を形成することにより、目標とする共振周波数のみを
閉じ込め、不要なスプリアスを抑圧するとすれば、励振
用電極３５を形成することによる質量負荷効果は、エネ
ルギー閉じ込め係数Ｋ（１／２ｈ）・（△） ^1/2により
決まる。図２によれば、この係数値を約２以下とする必
要がある。ここで、係数を決めるＫ、ｈ、１の値は用い
る振動モード、所望の共振周波数、必要な等価回路定数
等により決定されるので、これらの値を一定にすると、
電極による周波数低下率△を小さくすること、つまり、
電極膜厚を薄くすることによって、上記スプリアスを抑
圧できることとなる。そこで、励振用電極３５の全面積
をａ１、個々の間引き部３５ａの面積をａ２、該間引き
部３５ａの個数をｎ、励振用電極の膜厚をｔとすると、
エネルギー閉じ込め係数に起因する励振用電極３５の見
かけ上の膜厚ｔ’は以下の式で算出できる。 ｔ’＝（ａ１−ａ２×ｎ）×ｔ／ａ１

【０００９】例えば、ＡＴカット水晶振動子の厚み滑り
振動モードで共振周波数１００ＭＨｚを得る場合、電極
材料として金（密度１９．３ｋｇ／ｍ³、尚、水晶の密
度２．６５ｋｇ／ｍ³）を用いれば、電極膜厚５０ｎ
ｍ、電極面積０．３６ｍｍ²のエネルギー閉じ込め係数
は５．４１となるが、個々の間引き部３５ａの面積ａ２
が０．０２２５ｍｍ²である間引き部３５ａを９個有す
る場合にはエネルギー閉じ込め係数は３．５８となり、
質量負荷効果によるエネルギー閉じ込め係数を小さくで
きる。尚、間引き部を有した励振用電極３５は、従来の
フォトリゾグラフィ技術によって容易に形成することが
できる。従って、製造工程を大幅に変えることなく振動
部３３上の励振用電極３５を間引き電極構造とすること
で、不要なスプリアスの発生を抑圧し、且つ、共振子の
ＣＩ値劣化を防止することができるのみならず、フォト
リソグラフィ技術を用いたバッチ処理により間引き電極
構造を備えた水晶振動素子を製造できるため大量生産に
適し、高周波帯の基本波振動で動作する超薄板水晶振動
子を低価格で提供できる。以上、ＡＴカット水晶素板３
１を用いた超薄板圧電振動素子を実施形態として本発明
を説明してきたが、本発明はこれのみに限定される必要
はなくエッチングが可能な圧電素板、例えばランガサイ
ト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）或いは四ホウ酸リチウム（Ｌ
ｉ₂Ｂ₄０₇）の如き他の圧電材料を用いてもよいこと自
明である。

【００１０】

【発明の効果】本発明は、以上説明した如く、励振用電
極を間引き構造とし、凹陥部側に全面電極を設けること
で良好な共振特性を有し、また、従来のバッチ処理方式
で大量生産することが可能であるため、超薄板圧電振動
素子を量産する上で著しい効果を発揮する。つまり、薄
肉の振動部と振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部
とを一体的に構成した圧電素板の凹陥部側に全面電極を
設け、反対側の平坦面に形成する励振用電極を間引き構
造としたので、電極材料の薄膜化による抵抗値劣化が生
じない膜厚で、且つ、必要な電極面積を維持したまま、
見かけ上の膜厚を減少させ、質量負荷効果によるエネル
ギー閉じ込め係数Ｋ（１／２ｈ）・（△） ^1/2を小さく
し、不要なスプリアスが発生しない最適値に近づけるこ
とで、エネルギー閉じ込めを十分達成し不要なスプリア
スを抑圧し、且つ、ＣＩ値の劣化が無い良好な特性を得
ることができる。このように本発明によれば、超薄肉振
動部の周縁を厚肉の環状囲繞部にて包囲一体化した圧電
振動素子の一方の主面に一括して同肉厚に形成する励振
用電極、リード電極、ボンディングパッドの膜厚を、ボ
ンディングワイヤの一端をボンディングパッドにボンデ
ィングした時に剥離が発生しない程度に厚くしたとして
も、質量負荷に伴うエネルギー閉じ込め効果が過大とな
ることがない超薄板圧電振動素子の電極構造を提供する
ことができる。また、量産が容易であり、特性のばらつ
きが発生せず、不要なスプリアスを抑圧でき、しかも電
極膜厚制御が容易で、且つ、ＣＩ値の劣化を防止できる
電極構造を有する超薄板圧電振動素子を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明に係わる不要なスプ
リアスを抑圧した超薄板圧電振動素子の一実施形態例を
示す平面図及び断面図。

【図２】エネルギー閉じ込め型振動子の共振周波数スペ
クトラムを示す図。

【図３】（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は従来の超薄板圧電振
動素子の製造工程を説明する断面図。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は従来の超薄板圧電振動素子
を示す平面図及び断面図。

【図５】従来の平板状の圧電振動素子の正面図。

【符号の説明】

３１ ＡＴカット水晶素板（圧電素板）、３２ 凹陥
部、３３ 振動部、３４環状囲繞部、３５ 主電極（励
振用電極）、３５ａ 間引き部、３６ リード電極、３
７ ボンディングパッド電極、３８、３９ 保護膜、３
９ａ 開口、４０全面電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超薄肉の振動部、及び該振動部の周縁に
   一体化されて該振動部を補強する厚肉の環状囲繞部を備
   え、且つ一方の面に凹陥部を、他方の面に平坦面を夫々
   備えた圧電基板と、 前記圧電基板の凹陥部側面に形成した全面電極と、前記
   平坦面側に形成した励振用電極と、 を備えた超薄板圧電振動素子において、 前記励振用電極を間引き構造としたことを特徴とする超
   薄板圧電振動素子の電極構造。
2. 【請求項２】 前記圧電素板としてＡＴカット水晶素板
   を用いたことを特徴とする請求項１記載の超薄板圧電振
   動素子の電極構造。