JP2008085957A

JP2008085957A - 音叉型水晶振動子素子

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Publication number: JP2008085957A
Application number: JP2006266770A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Ichikawa; 了一市川
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP4582718B2

Abstract

【課題】従来の音叉型水晶振動子素子は、ＥＳＤ耐圧が低く、保護膜を形成するための工程が必要であるという問題点があり、本発明は、製造工程数を増加させることなく、ＥＳＤ耐性を大幅に向上させることができる音叉型水晶振動子素子を提供する。
【解決手段】基部１０の電極１３，１４から互いに他方の電極に向かって、配線パターン１３ａ，１４ａよりも細い線幅及び間隔を有する微細な短冊状のパターンから成るＥＳＤ耐圧対策パターン２１及びＥＳＤ耐圧対策パターン２２とを設け、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２は、電極１３，１４と同一の工程で形成される音叉型水晶振動子素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、音叉型水晶振動子素子に係り、特に静電気放電に対する耐圧を向上させることができる音叉型水晶振動子素子に関する。

［先行技術の説明：図３］
従来の音叉型水晶振動子素子の構成について図３を使って説明する。図３は、従来の音叉型水晶振動子素子の概略構成図である。
図３に示すように、従来の音叉型水晶振動子素子は、水晶の単結晶を切り出されて形成されており、基部１０と、基部１０から突出した２本の腕部１１及び１２とから構成されている。

そして、基部１０の表面部及び裏面部には、金属膜から成る電極１３及び１４が形成されている。ここでは、表面部のみを示しているが、裏面部も同様に形成されているものである。
腕部１１の水晶１７の表面部及び裏面部には、基部１０に近い部分に溝部１５が形成され、溝部１５には金属膜から成る電極が設けられている。
同様に、腕部１２の水晶１８の表面部及び裏面部には、溝部１６及び電極が形成されている。
このように、腕部１１及び１２には表面部及び裏面部に溝部１５，１６が設けられているため、図示は省略するが、腕部１１及び１２の断面は略Ｈ字型となっている。

更に、腕部１１の基部１０とは反対側の端部方向には、水晶１７の表面部及び裏面部に金属膜から成る錘調整膜１９が設けられている。同様に、腕部１２の水晶１８の表面部及び裏面部には錘調整膜２０が設けられている。

そして、上記音叉型水晶振動子素子は、基部の電極１３及び１４を介して電圧が印加されると、腕部１１及び１２が振動して、例えば３２．７６８kHz等の所定の周波数を発振するものである。

［静電破壊について：図４］
ところで、発振子素子を含む電子部品の重要な信頼性の一つにＥＳＤ（Electrostatic Discharge；静電気放電）耐圧がある。ＥＳＤ耐圧が低いと、わずかな静電気によって回路内で放電が発生して配線パターンが断線する等の不良が発生してしまう。

音叉型水晶振動子素子の静電破壊の例について図４を用いて説明する。図４は、従来の音叉型水晶振動子素子で発生する静電破壊の例を示す模式説明図である。
図４に示すように、ＥＳＤ試験によって高電圧を印加すると、細い配線パターンで断線が発生する。具体的には、図３に示した基部１０の電極１３及び１４から腕部１１及び１２方向に延びて形成された配線パターン１３ａ，１４ａにおいて断線が発生しやすくなっている。

従来の音叉型水晶発振子は、音叉型水晶振動子素子をセラミックパッケージに真空封入して形成されており、素子の小型化につれて配線パターンも細くなっているため、ＥＳＤ耐圧試験では０．５ｋＶ程度しかない場合もある。

［先行技術文献］
尚、圧電振動子の電極の形状に関する先行技術としては、特開平０９−０３６６９５号公報（特許文献１）、特開平０９−２５４３８４号公報（特許文献２）、特開平１０−０９３３７４号公報（特許文献３）、特開２００４−１２９１８１号公報（特許文献４）がある。

特許文献１には、圧電振動子において、ＩＤＴ電極部の間に櫛形形状の電極パターンを有する構造が記載されており、特許文献２には、圧電素子において、内部電極を短冊状の電極パターンにする構造が記載されている。
また、特許文献３には、圧電振動子において、ＩＤＴ電極部の間に短冊状及びそれを取り囲む連結された電極パターンを有する構造が記載され、特許文献４には、音叉型水晶振動子において、基部電極部の間に突出し貫通した電極パターンを有する構造が記載されている。

特開平０９−０３６６９５号公報特開平０９−２５４３８４号公報特開平１０−０９３３７４号公報特開２００４−１２９１８１号公報

しかしながら、従来の音叉型水晶振動子素子では、ＥＳＤ耐圧が低く、ＳｉＯ₂等のパシベーション膜で保護する手法が用いられているものの、保護膜を形成するための工程が必要となる上、ＥＳＤ耐圧が不十分であるという問題点があった。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、製造工程数を増加させることなく、ＥＳＤ耐性を大幅に向上させることができる音叉型水晶振動子素子を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、基部と、基部から突出して形成されている腕部とを備え、基部に、電気信号の入出力を行う電極及び配線を備えた音叉型水晶振動子素子であって、電極に接続して、配線の線幅よりも細い線幅の複数の金属パターンを設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、並列して設けられた１組の電極を備え、両方の電極から、互いに他方の電極に向かって形成された金属パターンを設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、基部の表面部及び裏面部に金属パターンを設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、電極が設けられ、金属パターンが設けられていない部分の基部に、窪みを備えた掘り込み部が設けられていることを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、金属パターンの線幅が１μｍ以上１００μｍ未満に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、電極に接続する金属パターンの間隔が１μｍ以上５０μｍ未満に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記音叉型水晶振動子素子において、金属パターンが、電極及び配線と同一の工程で形成されることを特徴としている。

また、本発明は、水晶振動子において、上記音叉型水晶振動子素子がパッケージに収納されていることを特徴としている。

また、本発明は、水晶発振器において、上記水晶振動子と、増幅回路を備えた発振回路とがパッケージに収納されていることを特徴としている。

本発明によれば、基部に、電気信号の入出力を行う電極及び配線を備えた音叉型水晶振動子素子であって、電極に接続して、配線の線幅よりも細い線幅の複数の金属パターンを設けた音叉型水晶振動子素子としており、静電気放電が発生した場合に、当該金属パターンに断線を誘発させて、配線パターンが断線するのを防ぐことができ、音叉型水晶振動子素子のＥＳＤ耐圧及び信頼性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、電極が設けられ、金属パターンが設けられていない部分の基部に、窪みを備えた掘り込み部が設けられている音叉型水晶振動子素子としているので、素子をセラミックケースに固定する際に、電極の表面に塗布される導電性接着剤が金属パターンに流入するのを防ぐことができ、電極間のショートの発生を防ぐことができる効果がある。

また、本発明によれば、金属パターンが、電極及び配線と同一の工程で形成される音叉型水晶振動子素子としているので、工程数を増加させることなく、ＥＳＤ耐圧の高い音叉型水晶振動子素子を実現することができる。

また、本発明によれば、上記音叉型水晶振動子素子がパッケージに収納された水晶振動子としているので、ＥＳＤ耐圧の高い水晶振動子を提供することができる効果がある。

また、本発明によれば、上記水晶振動子と、増幅回路を備えた発振回路とがパッケージに収納された水晶発振器としているので、ＥＳＤ耐圧の高い水晶発振器を提供することができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子は、基部に設けられた２つの電極から、互いに他方の電極方向に向かって、配線パターンより細い線幅及び間隔を有する微細なＥＳＤ耐圧対策パターンを設けたものであり、静電気放電の発生時に、当該ＥＳＤ耐圧対策パターンに電界を集中させて意図的に破壊させることにより、配線パターンの断線を防ぐことができ、素子のＥＳＤ耐圧を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子は、電極が形成された部分に相当する基部に、窪みを備えた掘り込み部を設けたものであり、音叉型水晶振動子素子をケースに保持する際に用いる導電性接着剤がＥＳＤ耐圧対策パターンに流入して、ＥＳＤ耐圧対策パターンを介して電極間でショートしてしまうのを防ぐものである。

［実施の形態の構成：図１］
図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子の概略構成図である。尚、図３と同様の構成をとる部分については同一の符号を付して説明する。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子（本素子）の基本的な構成は、図３に示した従来の音叉型水晶振動子素子とほぼ同様であり、水晶の単結晶から成る基部１０及び腕部１１及び１２とから構成されている。

そして、腕部１１の水晶１７の表面及び裏面には、溝部１５が形成され、溝部１５には金属膜から成る電極が設けられている。同様に、腕部１２の水晶１８の表面及び裏面には、溝部１６及び金属電極が形成されている。腕部１１及び１２には表面及び裏面に溝部１５，１６が設けられているため、図示は省略するが、腕部１１及び１２の断面は略Ｈ字型となっている。

更に、腕部１１の基部１０とは反対側の端部方向には、水晶１７の表面及び裏面に金属膜から成る錘調整膜１９が設けられており、同様に、腕部１２の水晶１８の表面及び裏面には錘調整膜２０が設けられている。

基部１０には、従来と同様の金属膜から成る電極１３及び１４が設けられ、電極１３及び１４から腕部１１及び１２に向かって配線パターン１３ａ及び１４ａが形成されている。

そして、本音叉型水晶振動子素子の特徴として、隣接する電極１３及び１４から、互いに他方の電極に向かって、複数の枝状のＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２が形成されている。
更に、本素子の特徴部分として、基部１０の、電極１３及び１４が形成されたエリアの中央部分に、掘り込み部３１及び３２が形成されている。

［ＥＳＤ耐圧対策パターン］
ＥＳＤ耐圧対策パターン２１は、電極１３から電極１４の方向に向かって形成された複数の短冊状のパターンから成る櫛歯状の金属パターンであり、配線パターン１３ａ、１４ａよりも細い線幅及びパターン間隔を有している。同様に、ＥＳＤ耐圧対策パターン２２は、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１に対向するように、電極１４から電極１３の方向に向かって形成された複数の短冊状のパターンから成る櫛歯状の金属パターンであり、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１と同等のパターン線幅及び間隔を備えている。

一般に、半導体素子や電子部品では、電極配線の線幅及び間隔が狭くなるほど電極間の電子同士の干渉が大きくなり、静電破壊が起きやすい。また、静電気放電時には、電子の供給源である電極に近いほど断線が発生しやすくなることが知られている。
本素子では、このことを利用して、腕部に信号を伝送する配線パターン１３ａ、１４ａよりも電極１３，１４に近い位置に、配線パターン１３ａ、１４ａよりも細い線幅及び間隔を備えたＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２を設け、静電気放電が発生した場合には、ＥＳＤ耐圧対策パターンに２１，２２電界を集中させてこの部分に意図的に静電破壊を誘発させようとするものである。

ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２の線幅は、素子の寸法及び配線パターンの線幅、更に使用プロセスの精度に応じて適切な線幅を選択すればよいが、１〜１００μｍ程度が望ましい。
また、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２の、略平行に形成された短冊状のパターン同士の間隔も適宜選択可能であるが、１〜５０μｍ程度が望ましい。
そして、対向するＥＳＤ耐圧対策パターン２１とＥＳＤ耐圧対策パターン２２との間の間隔は、電極間のショートを防ぐ程度に広く形成することが望ましい。

また、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２の形状や、電極間間隔を変えることによって、耐圧可能な範囲が変わるため、所望の耐圧が得られるパターン形状や電極間間隔を選択することができるものである。

これにより、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２を断線させて放電のエネルギーを吸収することができ、音叉型水晶振動子素子の動作にかかわる配線パターン１３ａ、１４ａで断線が発生するのを防ぐものである。ＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２は、素子の動作に関与する信号を伝送する配線パターンではないため、ここで断線が発生しても素子への影響はない。

また、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２を、配線パターン１３ａ，１４ａよりも電極１３，１４に近い位置に形成することにより、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２における断線の可能性を向上させることができ、配線パターン１３ａ，１４ａを静電破壊から確実に保護することができ、音叉型水晶振動子素子のＥＳＤ耐圧を向上させることができるものである。

［掘り込み部］
掘り込み部３１及び３２について説明する。
掘り込み部３１，３２は、基部１０の水晶を適当な深さに削って、窪み（凹部）を形成したものである。
本素子は、完成後、一片ずつ切り離してセラミックケースに入れて保持されるが、本素子では水晶片の両面に電極を形成しているため、図２に示した表面又は裏面のいずれか一方の面の電極１３，１４の表面の一部に、導電性接着剤を塗布してケースに固定するようになっている。この場合、導電性接着材が流れてＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２にまで達してしまうと、電極１３と１４との間でショートが発生してしまう。

そこで、本素子では、掘り込み部３１及び３２を設けて、導電性接着剤を掘り込み部３１及び３２に溜めて、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２の方に流入しないようにして、ショートを防ぐようにしているものである。

［製造方法：図２］
次に、本素子の製造方法について図２を用いて説明する。図２は、本素子の基部１０の断面説明図である。
本素子を製造する際には、まず、Ｚ−ｃｕｔ水晶板（厚み：１００μｍ〜１５０μｍ）を音叉型に加工する。加工には、機械加工や、フォトリソグラフィとエッチングの組合せの技術が用いられる。

そして、本素子では、更に、基部１０の電極１３及び１４が形成されるエリアの中央部を、機械加工又はフォトリソグラフィ及びエッチング等により適当な深さに削って、窪み（凹部）を形成して、掘り込み部３１及び３２を形成する。ここで、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２が形成されるエリアには、掘り込み部３１，３２は形成されない。

掘り込み部の加工は裏面も同様に行われ、図２の例では、基部１０を形成する水晶の表面（図２の上側）には、掘り込み部３１ａ及び３２ａが設けられ、裏面（下側）には、掘り込み部３１ｂ及び３２ｂが形成されている。

そして、掘り込み部３１及び３２を形成後、電極１３，１４、配線パターン１３ａ，１４ａ、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２となる金属膜を真空蒸着やスパッタリング等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングエッチングによりそれぞれ所望の形状にパターニングする。金属膜としては、例えば、下段に水晶との密着性のよいクロム（Ｃｒ）、上段に金（Ａｕ）を用いて２層に形成された金属膜が形成される。

本素子では、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２を形成する際は、電極１３，１４及び配線パターン１３ａ，１４ａと同一の工程で、金属膜の形成及びパターニングを行うようにしており、特別な工程を追加することなく、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２を形成することができるものである。

ＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２の加工は裏面も同様に行われ、図２の例では、基部１０の表面部（図２の上側）には、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１ａ及び２２ａが形成され、裏面部（図２の下側）には、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１ｂ及び２２ｂが形成されている。

また、同一面内で対向して設けられているＥＳＤ耐圧対策パターン２１ａと２２ａとの間隔、及びＥＳＤ耐圧対策パターン２１ｂと２２ｂとの間隔は、十分な間隔をとって形成されており、電極１３，１４間のショートを防ぐようになっている。

そして、通常では、この後、ＥＳＤ耐圧対策用のパッシベーション膜としてＳｉＯ₂膜等を形成するが、本素子では、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２を形成したことにより十分なＥＳＤ耐圧が得られるために、パッシベーション膜は不要となる。これにより、工程を削減でき、装置コストを低減できるものである。尚、従来通りパッシベーション膜を設けることも可能であり、この場合には一層ＥＳＤ耐圧を向上させることができるものである。

［ＥＳＤ耐圧試験結果］
ＥＳＤ耐圧対策パターンを設けた本素子と、パシベーション膜による静電破壊対策を施した一般的な素子についてＥＳＤ耐圧試験を行って比較した。
ＥＳＤ耐圧試験項目は、ＭＭ（Machine Model；マシンモデル）、ＨＢＭ（Human Body Model；人体帯電モデル）、ＣＤＭ（Charged Device Model；デバイス帯電モデル）とし、サンプル数は各５０個とした。

ＭＭで５００Ｖを印加した場合、一般的な素子では不良率１００％であったのに対し、本素子では不良率０％であった。
ＨＢＭで２ｋＶを印加した場合、一般的な素子では不良率１００％であったのに対し、本素子では不良率０％であった。
また、ＣＤＭについては一般的な素子についての実験は行わなかったが、本素子について５００Ｖを印加した場合、不良率は０％であった。
この実験により、本素子は、静電気放電に対する耐圧が著しく向上していることが認められた。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子によれば、基部１０の電極１３，１４から互いに他方の電極に向かって、配線パターン１３ａ，１４ａよりも細い線幅及び間隔を有する微細な短冊状のパターンから成るＥＳＤ耐圧対策パターン２１及びＥＳＤ耐圧対策パターン２２とを設けた音叉型水晶振動子素子としているので、静電気放電が発生した場合には、配線パターンより細いＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２に断線を誘発させて放電のエネルギーを発散させ、配線パターン１３ａ及び１４ａが断線するのを防ぐことができ、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる効果がある。

また、本素子によれば、ＥＳＤ耐圧対策パターン２１及び２２によって十分なＥＳＤ耐圧が得られるので、ＥＳＤ耐圧対策用のＳｉＯ₂等のパッシベーション膜が不要になり、工程数を削減することができ、装置コストを低減することができる効果がある。

更に、本素子によれば、電極１３，１４の中央部分に相当する基部１０に、基部１０を削って形成された掘り込み部３１及び３２を設けているので、本素子をセラミックケースに固定する際に、電極１３，１４の表面に塗布される導電性接着剤がＥＳＤ耐圧対策パターン２１，２２部分に流入するのを防ぐことができ、電極１３，１４間のショートの発生を防ぐことができる効果がある。

また、本素子の製造方法によれば、ＥＳＤ耐圧対策パターンを形成する際には、電極１３，１４及び配線パターン１３ａ，１４ａと同一の金属膜形成工程とパターニング工程によって形成するようにしているので、工程数を増加させることなく、ＥＳＤ耐圧の高い音叉型水晶振動子素子を製造することができる。

更にまた、本素子をセラミックケースに封入して水晶振動子とすれば、ＥＳＤ耐圧の高い水晶振動子を提供することができる効果がある。

また、上記本素子を用いた水晶振動子と、増幅回路等を備えた発振回路とを組み合わせて、パッケージに収納することにより水晶発振器を作成することも可能であり、水晶発振器のＥＳＤ耐圧及び信頼性を向上させることができる効果がある。

本発明は、静電気放電に対する耐圧を向上させることができる音叉型水晶振動子素子に適している。

本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子素子の概略構成図である。本素子の基部１０の断面説明図である。従来の音叉型水晶振動子素子の概略構成図である。従来の音叉型水晶振動子素子で発生する静電破壊の例を示す模式説明図である。

符号の説明

１０…基部、１１，１２…腕部、１３，１４…電極、１３ａ，１４ａ…配線パターン、１５，１６…溝部、１７，１８…水晶、１９，２０…錘調整膜、２１，２２…ＥＳＤ耐圧対策パターン、３１，３２…掘り込み部

Claims

基部と、基部から突出して形成されている腕部とを備え、
前記基部に、電気信号の入出力を行う電極及び配線を備えた音叉型水晶発振子素子であって、
前記電極に接続して、前記配線の線幅よりも細い線幅の複数の金属パターンを設けたことを特徴とする音叉型水晶発振子素子。
並列して設けられた１組の電極を備え、
両方の電極から、互いに他方の電極に向かって形成された金属パターンを設けたことを特徴とする請求項１記載の音叉型水晶発振子素子。
基部の表面部及び裏面部に金属パターンを設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の音叉型水晶発振子素子。
電極が設けられ、金属パターンが設けられていない部分の基部に、窪みを備えた掘り込み部が設けられていることを特徴とする請求項３記載の音叉型水晶発振子素子。
金属パターンの線幅が１μｍ以上１００μｍ未満に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の音叉型水晶発振子素子。
同一の電極に接続する金属パターンの間隔が１μｍ以上５０μｍ未満に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の音叉型水晶発振子素子。
金属パターンが、電極及び配線と同一の工程で形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の音叉型水晶発振子素子。
請求項１乃至７のいずれか記載の音叉型水晶発振子素子がパッケージに収納されていることを特徴とする水晶振動子。
請求項８記載の水晶振動子と、増幅回路を備えた発振回路とがパッケージに収納されていることを特徴とする水晶発振器。