JP2009194745A - 圧電振動片の製造方法、圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器、電波時計、ウエハ及びウエハ用治具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ウエハSを利用して圧電振動片を一度に複数製造する方法であって、ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、貫通孔40を2つ以上形成すると共に、これら貫通孔の中心を基準点Gとして複数の圧電板10の外形形状を貫通孔と同時に形成する工程と、平板部上から貫通孔と同じ数だけ突出するように形成された挿入ピンを有するウエハ用治具を用意した後、貫通孔内に挿入ピンを挿入させた状態でウエハを平板部上に載置する工程と、複数の圧電板の外表面上に電極を形成する工程と、複数の圧電板をウエハから切り離して小片化する工程と、を備え、電極形成工程及び切断工程の際、貫通孔の中心を基準点としてウエハに対する位置合わせ行う圧電振動片の製造方法を提供する。
【選択図】 図7
Description
また、圧電振動片を製造する際に用いられるウエハ及び該ウエハを保持するウエハ用治具に関するものである。
ところで、この圧電振動片は、水晶、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の各種の圧電材料からなるウエハ(半導体ウエハ)から形成されている。具体的には、ウエハを所定の厚みまで研磨加工した後、フォトリソグラフィ技術によりエッチング加工して圧電振動片の外形を複数形成すると共に、外形形成したこれら複数の圧電振動片に対してそれぞれ所定の金属膜をパターニングして電極を形成する。これにより、1枚のウエハから一度に複数の圧電振動片を作製することができる。
始めに、ウエハを加工して圧電振動片を作製するためには、各種のパターンが形成されたマスクを工程に応じて使い分けると共に、その都度マスクをウエハに対して正確に位置決めする必要がある。例えば、圧電振動片を振動させるための電極をパターニングする場合や、圧電振動片の周波数調整を行うための重り金属膜28をパターニングする場合や、最後にウエハから各圧電振動片を切断する場合等である。
つまり、圧電振動片の外形をウエハに複数形成した後、各電極や重り金属膜28等を正確にパターニングする必要があるが、ウエハの外形形状は全て均一なものではなくウエハによって若干の差がどうしても生じてしまう。そのため、圧電振動片の外形形成が終了したウエハにマスクを位置合わせする際に、マスクのパターンが各圧電振動片に対して一致せず、若干のずれが生じてしまうことが多々あった。
また、別の目的としては、上記圧電振動片を有する圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計を提供することである。
更には、上記圧電振動片を製造するために用いられるウエハ及び該ウエハを保持するためのウエハ用治具を提供することである。
本発明に係る圧電振動片の製造方法は、圧電材料からなる圧電板と、該圧電板の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに圧電板を振動させる電極と、を有する圧電振動片を、ウエハを利用して一度に複数製造する方法であって、前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、ウエハを貫通する貫通孔を2つ以上形成すると共に、これら貫通孔の中心を基準点としてウエハに複数の前記圧電板の外形形状を貫通孔と同時に形成する外形形成工程と、平板部と、該平板部上から前記貫通孔と同じ数だけ突出するように形成された挿入ピンとを有するウエハ用治具を用意した後、貫通孔内に挿入ピンを挿入させた状態で前記ウエハを平板部上に載置するウエハセット工程と、複数の前記圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして、前記電極を形成する電極形成工程と、複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、前記電極形成工程及び前記切断工程の際、前記貫通孔の中心を基準点として、前記ウエハに対する位置合わせ行うことを特徴とするものである。
続いて、複数の圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして電極を形成する電極形成工程を行う。そして、電極を形成した後、複数の圧電板をウエハから切り離して小片化する切断工程を行う。これにより、1枚のウエハから、圧電板の外表面上に該圧電板を振動させる電極が形成された圧電振動片を一度に複数製造することができる。
しかも、ウエハ用治具によってウエハは安定に保持されていると共に、挿入ピンによって基準点を確実に把握できるので、位置合わせ作業を容易に行うことができる。従って、製造効率を従来に比べて遥かに高めることができ、圧電振動片の低コスト化に繋げることができる。
また、本発明に係る電子機器は、上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電波時計は、上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、貫通孔を利用して位置合わせ作業を容易に行うことができるので、製造効率を従来に比べて遥かに高めることができ、圧電振動片の低コスト化に繋げることができる。
また、本発明に係る圧電振動片によれば、上記製造方法により製造されているので、高品質化を図ることができると共に低コスト化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計によれば、上記圧電振動片を有しているので、同様に高品質化及び低コスト化を図ることができる。
本実施形態の圧電振動子1は、図1に示すように、圧電振動片2と、該圧電振動片2を内部に収納するケース3と、圧電振動片2をケース3内に密閉させる気密端子であるプラグ4と、を備えている。
この圧電振動片2は、平行に配置された一対の振動腕部11、12と、該一対の振動腕部11、12の基端側を一体的に固定する基部13とからなる圧電板10と、該圧電板10の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに圧電板10を振動させる電極20と、で構成されている。
ステム30は、金属材料で環状に形成されたものである。また、充填材32の材料としては、例えば、ホウ珪酸ガラスである。また、リード端子31の表面及びステム30の外周には、それぞれ同材料の図示しないメッキが施されている。
リード端子31の直径は例えば約0.12mmであり、リード端子31の母材の材質としては、コバール(FeNiCo合金)が慣用されている。また、リード端子31の外表面及びステム30の外周に被膜させるメッキの材質としては、下地金属膜としてはCuが用いられ、仕上金属膜としては、耐熱ハンダメッキ(錫と鉛の合金で、その重量比が1:9)や、銀(Ag)や錫銅合金(SnCu)や金錫合金(AuSn)等が用いられる。
また、ステム30の外周に被膜された金属膜(メッキ層)を介在させながらケース3の内周に真空中で冷間圧接させることにより、ケース3の内部を真空状態で気密封止できるようになっている。
始めに、圧電材料からなるウエハSを利用して、圧電振動片2を一度に複数製造する工程を行う。この工程を行うにあたって、まず所定のポリッシングが終了し、所定の厚みに高精度に仕上げられた図6に示すウエハSを準備する(S10)。なお、本実施形態では、円板状のウエハSを使用する場合を例に挙げて説明する。次いで、このウエハSをフォトリソ技術によってエッチングして、ウエハSを貫通する貫通孔40を2つ以上形成すると共に、これら貫通孔40の中心を基準点GとしてウエハSに複数の圧電板10の外形形状を貫通孔40と同時に形成する外形形成工程を行う(S20)。
特に、圧電板10の外形形成と同時に貫通孔40を形成するので、全ての圧電板10の位置を基準点Gによって正確に特定することができる。
このウエハ用治具45は、図8に示すように、ウエハSを上面に載置する平板部46と、貫通孔40内に挿入可能な大きさとされ、平板部46上から該平板部46の上面に対して略直交する方向に突出した4つ(貫通孔40と同じ数)の挿入ピン47と、を備えている。よって、貫通孔40内に挿入ピン47を挿入させることで、ウエハSを平板部46上に載置することができるようになっている。
このとき、貫通孔40の中心を基準点Gとして、マスクMの位置合わせを行う。そのため、ウエハSの外形を基準としていた従来の場合とは異なり、ウエハSの外形精度に影響されることなく、マスクMを複数の圧電板10に対して高精度に位置合わせすることができる。しかも、貫通孔40が4つ形成されているので、基準点Gを4つ確保することができ、ウエハSの向きに影響されることなく位置合わせを行える。よって、ウエハSの外形精度に起因して位置ずれが生じる恐れがない。
従って、複数の圧電板10に対して高精度に電極20をパターニングすることができる。なお、ウエハSとスペーサ48との間には段差がないので、マスクMを安定してウエハS上に重ねることが可能である。
この切断工程を行うことで、1枚のウエハSから、圧電板10の外表面上に電極20、重り金属膜28が形成された圧電振動片2を一度に複数製造することができる。この時点で、圧電振動片2の製造工程が終了する。
しかも、本実施形態の挿入ピン47は円柱状に形成されているので、外周面が滑らかな曲面となっている。そのため、挿入ピン47を貫通孔40内に挿入させる際に、貫通孔40の内面が挿入ピン47の外周面に接触したとしても、ウエハSに傷等が付き難い。この点においても、ウエハSに欠けやクラック等が生じてしまうことを防止することができる。
次いで、ステム30内に、リード端子31及び充填材32をそれぞれセットするセット工程を行う(S82)。まず、作製したステム30を、図示しない専用の治具にセットした後、予めリング状に焼結された充填材32をステム30の内部にセットすると共に、充填材32を貫通するようにリード端子31をセットする。
このように、下地金属膜及び仕上金属膜からなる金属膜を被膜させることで、インナーリード31aと圧電振動片2との接続を可能にすることができる。また、圧電振動片2の接続だけでなく、ステム30の外周に被膜された金属膜が柔らかく弾性変形する特性を有しているので、ステム30とケース3との冷間圧接を可能にすることができ、気密接合を行うことができる。
なお、バンプ接続する際に、加熱・加圧を行ってマウントしたが、超音波を利用してバンプ接続を行っても構わない。
なお、この工程を行う前に、圧電振動片2、ケース3及びプラグ4を十分に加熱して、表面吸着水分等を脱離させておくことが好ましい。
更に、本実施形態の圧電振動子1は、圧電振動片2をケース3内に密閉したシリンダパッケージタイプであるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片2を振動させることができる。よって、圧電振動片2を高精度に振動させることができ、高性能化を図ることができる。
例えば、図10に示すように、厚み滑り振動片(圧電振動片)61を有する厚み滑り振動子(圧電振動子)60であっても構わない。厚み滑り振動片61は、ウエハSから一定の厚みで板状に形成された圧電板62と、励振電極63、引き出し電極64及びマウント電極65とからなる電極66と、を備えている。
圧電板62は、例えば、外形が矩形状に形成されており、両面の略中央部分に励振電極63が対向するように形成されている。圧電板62の端部には、引き出し電極64を介して励振電極63に電気的に接続されたマウント電極65が形成されている。なお、マウント電極65は、一方の励振電極63に接続されたものと、他方の励振電極63に接続されたものとが、圧電板62の両面にそれぞれ形成されている。この際、圧電板62の一方の面に形成されたマウント電極65は、他方の面に形成されたマウント電極65に対して、圧電板62の側面上に形成された側面電極67を介して電気的に接続されている。
この表面実装型振動子70は、図11及び図12に示すように、圧電振動子1と、該圧電振動子1を所定の形状で固定するモールド樹脂部71と、一端側がアウターリード31bに電気的に接続されると共に、他端側がモールド樹脂部71の底面に露出して外部に電気的に接続される外部接続端子72と、を備えている。
この外部接続端子72は、銅等の金属材料で断面コ形に形成されている。このように圧電振動子1をモールド樹脂部71で固めることで、回路基板等に安定して取り付けることができるので、より使用し易く、使い易さが向上する。
本実施形態の発振器100は、図13に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
本実施形態の電波時計130は、図15に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
また、ウエハSを平面視したときに、貫通孔40を円形状に形成したが、この場合に限られず、四角形等の多角形状でも構わない。但し、直線と直線とが交わる角部がR状(滑らかな曲線)となるように貫通孔を形成することが好ましい。このようにすることで、角部を起点としてウエハSに割れが入り難い。従って、ウエハSに欠けやクラック等が生じてしまうことを防止することができる。なお、上記実施形態のように円形状に形成することがより好ましい。
S…ウエハ
1…圧電振動子
2…圧電振動片
10、62…圧電板
20、66…電極
40…ウエハの貫通孔
45…ウエハ用治具
47…ウエハ用治具の挿入ピン
46…ウエハ用治具の平板部
60…厚み滑り振動子(圧電振動子)
62…厚み滑り振動片(圧電振動片)
101…発振器の集積回路
100…発振器
113…電子機器の計時部
110…電子機器
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部
Claims (14)
- 圧電材料からなる圧電板と、該圧電板の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに圧電板を振動させる電極と、を有する圧電振動片を、ウエハを利用して一度に複数製造する方法であって、
前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、ウエハを貫通する貫通孔を2つ以上形成すると共に、これら貫通孔の中心を基準点としてウエハに複数の前記圧電板の外形形状を貫通孔と同時に形成する外形形成工程と、
平板部と、該平板部上から前記貫通孔と同じ数だけ突出するように形成された挿入ピンとを有するウエハ用治具を用意した後、貫通孔内に挿入ピンを挿入させた状態で前記ウエハを平板部上に載置するウエハセット工程と、
複数の前記圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして、前記電極を形成する電極形成工程と、
複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、
前記電極形成工程及び前記切断工程の際、前記貫通孔の中心を基準点として、前記ウエハに対する位置合わせ行うことを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項1に記載する圧電振動片の製造方法において、
前記外形形成工程の際、前記ウエハを平面視したときに、角部がR状になるように前記貫通孔を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項1に記載する圧電振動片の製造方法において、
前記外形形成工程の際、前記ウエハを平面視したときに、円形状となるように前記貫通孔を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片の製造方法により製造されたことを特徴とする圧電振動片。
- 請求項4に記載の圧電振動片を有することを特徴とする圧電振動子。
- 請求項5に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
- 請求項5に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項5に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
- 圧電材料からなる圧電板と、該圧電板の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに圧電板を振動させる電極と、を有する圧電振動片を製造する際に用いられるウエハであって、
フォトリソ技術によってエッチングされ、前記ウエハを貫通する2つ以上の貫通孔と、
これら貫通孔の中心を基準点として前記エッチングにより貫通孔と同時に外形形状が形成された複数の前記圧電板と、を備え、
前記貫通孔の中心は、前記圧電振動片が製造されるまでの間の基準点として利用されることを特徴とするウエハ。 - 請求項9に記載するウエハにおいて、
前記貫通孔は、前記ウエハを平面視したときに角部がR状になるように形成されていることを特徴とするウエハ。 - 請求項9に記載するウエハにおいて、
前記貫通孔は、前記ウエハを平面視したときに円形状となるように形成されていることを特徴とするウエハ。 - 請求項9から11のいずれか1項に記載されたウエハを保持するウエハ用治具であって、
前記ウエハを上面に載置する平板部と、
前記貫通孔内に挿入可能なサイズとされ、前記平板部上から前記貫通孔と同じ数だけ突出するように形成された挿入ピンと、を備えていることを特徴とするウエハ用治具。 - 請求項12に記載されたウエハ用治具において、
前記挿入ピンは、先端が先細りするように形成されていることを特徴とするウエハ用治具。 - 請求項12又は13に記載されたウエハ用治具において、
前記挿入ピンは、円柱状に形成されていることを特徴とするウエハ用治具。
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