JP2014158157A - Piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶発振子等の圧電デバイスに関し、より詳細には、シリコンウェハ(Wafer)上に形成されてシリコン、又はガラスの蓋で覆われた圧電デバイスに関する。 The present invention relates to a piezoelectric device such as a crystal oscillator, and more particularly to a piezoelectric device formed on a silicon wafer and covered with a silicon or glass lid.
近年、半導体の小型軽量化に伴い、実装される基板を高精度に加工できる技術が必要となっている。また、半導体パッケージの製造工程において、小型軽量化を目的とした製作技術に関し、「W−CSP(Wafer Level Chip Size Package)技術」が知られている。このW−CSP技術は、半導体ウェハ上での再配線加工を行う加工技術は、シリコンウェハ上の多数のチップに回路を形成した後、ウェハ上で電極形成・再配線・樹脂封止を行い、最後にチップ毎に切り分ける技術である。このW−CSP技術の特徴は、切断した半導体チップの大きさそのものがパッケージの大きさになるため小型軽量化できる点、及びウェハ単位ですべての製造工程を行うことにより、製造コストを低減できる点にある。 In recent years, with the reduction in size and weight of semiconductors, a technique capable of processing a substrate to be mounted with high accuracy is required. Also, “W-CSP (Wafer Level Chip Size Package) technology” is known as a manufacturing technology for the purpose of reducing the size and weight in the manufacturing process of a semiconductor package. This W-CSP technology is a processing technology for performing rewiring on a semiconductor wafer. After forming circuits on a large number of chips on a silicon wafer, electrode formation, rewiring, and resin sealing are performed on the wafer. Finally, it is a technology that separates each chip. The feature of this W-CSP technology is that the size of the cut semiconductor chip itself becomes the size of the package, so that it can be reduced in size and weight, and the manufacturing cost can be reduced by performing all the manufacturing processes in units of wafers. It is in.
従来、W−CSP技術の電極形成・再配線工程においては、乾式成膜法であるスパッタリングを用いる方法が主に用いられてきた。一方、大量処理に向いている湿式成膜法であるメッキ法も知られている。また、例えば、特許文献1に記載のものは、半導体の小型軽量化の点で、実質的な実装面積を小さくした圧電デバイスに関するものである。この圧電デバイスは、パッケージの内部に圧電振動片が収容してある。この圧電振動片は、励振電極に接続した一対の接続電極を有する。各接続電極は、パッケージに形成したマウント電極に接合される。また、この圧電デバイスは、パッケージの底部外面に4つの外部電極を備える。4つのうち、パッケージの長手方向側の短辺に沿って設けた外部電極は、圧電振動片の各接続電極が接続されたマウント電極と電気的に接続される構成である。
Conventionally, a method using sputtering, which is a dry film forming method, has been mainly used in the electrode formation / rewiring process of the W-CSP technology. On the other hand, a plating method which is a wet film forming method suitable for mass processing is also known. Further, for example, the device described in
また、例えば、特許文献2に記載のものは、フェイスダウンボンディング技術を用いて、セラミックパッケージに接合され、周波数変動が抑制されるように特性を安定させるとともに、消費電流を抑制するようにした圧電デバイスに関するものである。なお、フェイスダウンボンディングとは、部品又はチップを基板に取り付ける方法の一つで、チップをひっくり返し、チップの接点をミラーイメージ配置した基板上の接点にボンディングする方法である。この圧電発振器は電子部品用パッケージであるセラミックパッケージと、当該セラミックパッケージ内部に収納される集積回路素子および水晶振動板と、セラミックパッケージを気密封止するリッドとからなる。 Further, for example, the one described in Patent Document 2 is a piezoelectric material that is bonded to a ceramic package using a face-down bonding technique, stabilizes characteristics so as to suppress frequency fluctuations, and suppresses current consumption. It is about the device. The face-down bonding is a method of attaching a component or a chip to a substrate, and is a method in which the chip is turned over and the chip contact is bonded to a contact on a substrate on which a mirror image is arranged. The piezoelectric oscillator includes a ceramic package which is a package for electronic components, an integrated circuit element and a crystal diaphragm housed in the ceramic package, and a lid for hermetically sealing the ceramic package.
また、例えば、特許文献3に記載のものは、蓋をグランド電極と電気的に接続させ、電磁波の放射を大幅に抑制することを可能にした圧電デバイスに関するものである。この圧電デバイスは、略矩形状をなす基体の上面に水晶振動子を搭載するとともに、該水晶振動子を気密封止するように金属の蓋を基体の上面側に取着させ、基体の下面に水晶振動子に電気的に接続される入力電極及び出力電極と接地電位に接続されるグランド電極とを配設してなる高周波発振子において、蓋をグランド電極と電気的に接続させている。さらに基体の側面にグランド電極と電気的に接続されたグランド配線層を被着させ、かつ該グランド配線層の基体側面に対する被着面積を基体側面の全面積の30%以上にするというものである。 Further, for example, the device described in Patent Document 3 relates to a piezoelectric device in which a lid is electrically connected to a ground electrode and radiation of electromagnetic waves can be significantly suppressed. In this piezoelectric device, a crystal resonator is mounted on the upper surface of a substantially rectangular substrate, and a metal lid is attached to the upper surface side of the substrate so as to hermetically seal the crystal resonator. In a high-frequency oscillator including an input electrode and an output electrode that are electrically connected to a crystal resonator and a ground electrode that is connected to a ground potential, a lid is electrically connected to the ground electrode. Further, a ground wiring layer electrically connected to the ground electrode is deposited on the side surface of the substrate, and the area of the ground wiring layer applied to the substrate side surface is 30% or more of the total area of the substrate side surface. .
特許文献1に記載の圧電デバイスは、小型軽量化させるため、実質的な実装面積を小さくした圧電デバイスである。しかしながら、外部の実装状態、すなわち、圧電デバイスを搭載する実装基板との関係によっては、発振周波数が期待値から外れることもあるという欠点は必ずしも根絶されていなかった。そして、外部の実装状態による寄生インピーダンスの影響を最小にすることと、圧電振動片の温度を、すぐ近くに配置された温度センサで正確に測定できるようにすることによって、発振特性を改善する余地が残されていた。
The piezoelectric device described in
また、特許文献2に記載の圧電デバイスは、フェイスダウンボンディング技術を用いて、セラミックパッケージに接合され、周波数変動が抑制されるように特性を安定させるとともに、消費電流を抑制するようにした圧電デバイスである。しかしながら、外部の実装状態による寄生インピーダンスの影響を最小にすることと、圧電振動片の温度を、すぐ近くに配置された温度センサで正確に測定できるようにすることによって、発振特性を改善する余地が残されていた。 In addition, the piezoelectric device described in Patent Document 2 is bonded to a ceramic package using a face-down bonding technique, stabilizes characteristics so as to suppress frequency fluctuations, and suppresses current consumption. It is. However, there is room to improve the oscillation characteristics by minimizing the influence of the parasitic impedance due to the external mounting state and allowing the temperature of the piezoelectric vibrating piece to be accurately measured by the temperature sensor disposed in the immediate vicinity. Was left.
また、特許文献3に記載の圧電デバイスは、蓋をグランド電極と電気的に接続させ、電磁波の放射を大幅に抑制することを可能にした圧電デバイスである。しかしながら、蓋とIC(半導体チップ)のグランド電極との接続に関して何ら記述が無く、蓋とIC(半導体チップ)のグランド電極との間に生じる寄生インピーダンスの影響により、ICのグランドと蓋との間に大きな電位差が生じるという問題があった。ICのグランドと蓋との間に大きな電位差が生じると、いくら蓋電位が安定していても安定した周波数を実現することが困難となる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、寄生インピーダンスの影響が小さい、周波数の安定した圧電デバイスを提供することにある。
In addition, the piezoelectric device described in Patent Document 3 is a piezoelectric device in which a lid is electrically connected to a ground electrode and radiation of electromagnetic waves can be significantly suppressed. However, there is no description regarding the connection between the lid and the ground electrode of the IC (semiconductor chip), and due to the influence of the parasitic impedance generated between the lid and the ground electrode of the IC (semiconductor chip), there is no gap between the IC ground and the lid. There is a problem that a large potential difference occurs. If a large potential difference occurs between the ground of the IC and the lid, it becomes difficult to realize a stable frequency no matter how stable the lid potential is.
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric device having a stable frequency with little influence of parasitic impedance.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、基板に対し所定隙間を保ちながら一方の端部が片持ち支持された圧電振動片と、前記基板の内面に形成されて前記圧電振動片を固有の周波数で持続的に振動させる回路部と、前記基板上に設けられ、前記回路部のグランドと電気的に接続するグランドパッドと、前記基板に取り付けられて導電性を有する蓋と、前記基板と前記蓋との接合面に沿って設けられる額縁状の配線パターンと、前記蓋と前記額縁状の配線パターンとを接合する導電性接合部材とを備え、前記グランドパッドと前記額縁状の配線パターンとが配線パターンにより電気的に接続されることを特徴とする。
The present invention was made in order to achieve such an object, and the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記グランドパッドと前記額縁状の配線パターンとが直線状の配線パターンで電気的に接続されることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記グランドパッドと前記額縁状の配線パターンとが最短距離の配線パターンで電気的に接続されることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is characterized in that, in the invention according to
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the ground pad and the frame-shaped wiring pattern are electrically connected by a wiring pattern having the shortest distance.
本発明によれば、寄生インピーダンスの影響が小さい、周波数の安定した圧電デバイスを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric device having a stable frequency with little influence of parasitic impedance.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明に係る圧電デバイスの一実施形態を説明するために蓋を外した状態の概略平面図である。本発明の圧電デバイス100は、薄片状の圧電振動片1が、IC基板50の表層の絶縁膜7に対面する状態で、規定の隙間dを保ちながら長辺方向の一方の端部1aを、片持ち支持されている。圧電振動片1の両面には、一方の端部1aから他方の端部1bまでの半分以上に亘って金メッキによる励振電極2a,2bが形成されている。この励振電極2a,2bは、導電性の接着材(以下、銀ペーストという)3aにより、IC基板50の表層に配置されたバンプ4及び電極6aを介して回路部51に電気的接続されている。上述したように、圧電デバイス100は、圧電振動片1の励振電極2aと、IC基板50の表層の絶縁膜7との間は、概ね規定の隙間dを保って片持ち支持される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic plan view of a state in which a lid is removed to describe an embodiment of a piezoelectric device according to the present invention. In the
完成した圧電デバイス100における圧電振動片1は、回路部51から適切な電気信号を、励振電極2a,2bに与えられることにより、固有の周波数で持続的に振動することが可能である。なお、圧電振動片1として、薄片状の水晶振動素子が用いられている。また、圧電デバイス100を構成するIC基板50の回路部51には、発振回路、温度補償回路、温度センサ及びその他の回路素子が含まれており、全体としてTCXO(temperature−compensated crystal oscillator:温度補償型水晶発振器)を構成している。なお、温度センサにはサーミスタ等が用いられる。
The
図2は、図1の圧電デバイスのA−A線断面図である。なお、A−A線は不等辺台形状に屈曲している。平面視した圧電デバイス100のほぼ中央部に、圧電振動片1が配置されている。図1に沿って詳述したように、この圧電振動片1は、励振電極2a,2bを含む長辺方向の一方の端部1aを、銀ペースト3aにより、IC基板50の表層に配置されたバンプ4及び電極6aを介して回路部51に電気的接続されている。一方、IC基板50の長辺において、電極6aと反対側に位置する電極6bは、励振電極2a,2bとは直接に接続されていないが、回路部51の発振回路等に電気的接続されているほか、配線基板30のグランドパターン31に低インピーダンスで接続されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the piezoelectric device of FIG. The AA line is bent in an unequal side trapezoidal shape. The piezoelectric vibrating
電極6a,6bは、シリコン貫通電極(through−silicon via:以下TSVという)により、IC基板50の表面から裏面に貫通して、別の配線基板30に設けられた回路部51に配線されている。なお、TSVとは、シリコン製半導体チップの内部を垂直に貫通する電極のことである。
回路部51の上層は、絶縁膜(Passivation:パッシベーション膜)7が被覆されている。その絶縁膜7の上層に、再配線で電極6a,6bを形成している。それら電極6a,6bのうち電極6aは、図1の楕円J及び図2の該当箇所で示すように、最短距離で圧電振動片1とパッド82,83とをつなげることにより、寄生インピーダンスが小さくなる。寄生インピーダンスを小さくすれば、圧電デバイス100の発振周波数を不安定にする要因が低減されるので、発振特性を向上させることができる。
The
The upper layer of the
IC基板50の表面には、蓋20とIC基板50との接合面に沿って額縁状の配線パターン80(以下、蓋接合パターン80ともいう)が設けられている。本実施形態では、蓋接合パターン80は蓋20の縁部21とIC基板50の縁部52との間に額縁状の配線パターンとして設けられている。
そして、IC基板50の表面には、IC基板50の基準電位(以下、基板電位ともいう)に電気的に接続されるグランドパッド85が設けられている。
On the surface of the
A
そして、図1の楕円K及び図2の該当箇所で示すように、グランドパッド85は、直線状の配線パターン81により蓋接合パターン80と最短距離で電気的に接続されている。従って、額縁状の配線パターンである蓋接合パターン80は、IC基板50の基準電位を形成する。ここで、配線パターン81はIC基板50表面の再配線によって形成されているが、IC基板50内の半導体プロセスによって形成されてもよい。
As shown by the ellipse K in FIG. 1 and the corresponding portion in FIG. 2, the
そして、蓋接合パターン80の上層に、導電性の接合部3bが形成され、この接合部3bを介して蓋20の縁部21が接合される。この蓋20及びその縁部21は、半導体のシリコンであり、導電性を有する。そのため、蓋20と、IC基板50の配線パターン81、蓋接合パターン80、グランドパッド85、電極6d(TSV)、及び配線基板30のグランドパターン31は、グランドパッド85を中心とする1点放射状のグランドGNDが形成されている。
And the
そして、蓋接合パターン80は額縁状の配線パターンとなっているため、グランドパッド85がどのような位置にあっても蓋接合パターン80とグランドパッド85とを最短距離で電気的に接続することが可能となる。つまり、IC基板50の配線パターン81,蓋接合パターン80と、配線基板30のグランドパターン31と、蓋20とを同一のグランドパッド85から、1点放射状に低インピーダンスで電気的に接続することが可能となる。そのため、蓋電位と、基板電位との間に生じる電位差が小さくなり、シールド効果が非常に高くなり、圧電振動片1の周波数が安定する。なお、蓋20の抵抗率は、0.02Ωcm以上0.2Ωcm以下が好ましい。また、本実施形態で使用する配線パターンは全て金属製であることが好ましい。
Since the
以下、圧電デバイス100の製造工程を簡単に説明する。
まず、IC基板50を作成する。次に、IC基板50の表層の絶縁膜7の表面に再配線で電極6a,6bおよび蓋接合パターン80を形成する。次に、高さ調整用のバンプ4を電極6a,6b上に形成する。次に、銀ペースト3aをバンプ4上に塗布する。次に、圧電振動片1を搭載する。次に、電極6a,6bにICテスタのプローブを接触して実際の発振周波数を測定しながら、設定周波数からずれていれば調整する。ちなみに、圧電振動片1を薄く削るほど、周波数を高くすることができる。例えば、測定値が設定周波数から低い方にずれている場合、圧電振動片1にアルゴンイオンを照射するアルゴンイオンエッチングにより、圧電振動片1の表面を削って周波数を高い方に調整する。本発明の圧電デバイス100は、寄生インピーダンスを少なくする構成であるため、設定周波数に対するずれも少ないので、周波数調整の負担も軽減できる。
Hereinafter, the manufacturing process of the
First, the
周波数調整が済んだ後、接合部3bが形成された蓋20の縁部21を蓋接合パターン80と一致させるように、蓋20をIC基板50に被せて接合する。この蓋20は、圧電振動片1に対して非接触状態を保持する。次に、調整研磨(grinding)加工により、IC基板50(ウェハ)を薄くする。次に、シリコン貫通電極(TSV)6c,6dを形成する。複数のチップ等が、1つのパッケージに収められている場合、このTSV6c,6dにより、階層で隔てられた別のチップ同士で配線接続を行なう。このように形成されたTSVに接続するように、IC基板50の裏面側に再配線により電極6c,6dが形成される。
After the frequency adjustment is completed, the
それから、蓋(キャップともいう)20を研磨してキャップ厚を薄くする。次にIC基板50の裏面側に再配線で形成された電極6c,6dに、それぞれ不図示の半田ボール等を電気的接続するように付着させる。次に、半完成状態の圧電デバイス100に対してプローブ検査する。次に、ウェハ上に多数連結状態で量産された多数の圧電デバイス100を、個別に切り離して完成させる。完成後の圧電デバイス100は、図2に示すように、IC基板50の裏面を、別の配線基板30の表面に合わせるように組み立てられる。
Then, the lid (also referred to as a cap) 20 is polished to reduce the cap thickness. Next, solder balls (not shown) are attached to the
上述した手順で製造された圧電デバイス100は、IC基板50のグランドパターン81,80と、配線基板30のグランドパターン31と、蓋20とは同一のグランドパッド85を中心とする1点放射状のグランドGNDが形成されている。そのグランドGNDから、低インピーダンスで1点放射状に接続されているため、グランドGNDに対する蓋電位と、基板電位との間には、電位差が生じ難くなる。その結果、圧電デバイス100は、蓋20とIC基板50とに囲まれた内外に対するシールド効果が非常に高くなる。
以上のように、本発明によれば、蓋電位と基板電位の間の電位差を最小にすることが可能となるため、シールド効果が非常に高く、周波数の安定した圧電デバイスを提供することが可能となる。
In the
As described above, according to the present invention, since the potential difference between the lid potential and the substrate potential can be minimized, it is possible to provide a piezoelectric device having a very high shielding effect and a stable frequency. It becomes.
1 圧電振動片
1a 一方の端部
1b 他方の端部
2a,2b 励振電極
3a 導電性の接着材(銀ペースト)
3b 導電性の接合部
4 バンプ
6a,6b,6c,6d 電極
7 絶縁膜
8 パッド
20 蓋
30 配線基板
31 配線基板のグランドパターン
50 IC基板
51 回路部
80,配線パターン(蓋接合パターン)
81,配線パターン
82,83,84, パッド
85,グランドパッド
DESCRIPTION OF
3b Conductive bonding portion 4
81,
Claims (3)
前記基板の内面に形成されて前記圧電振動片を固有の周波数で持続的に振動させる回路部と、
前記基板上に設けられ、前記回路部のグランドと電気的に接続するグランドパッドと、
前記基板に取り付けられて導電性を有する蓋と、
前記基板と前記蓋との接合面に沿って設けられる額縁状の配線パターンと、
前記蓋と前記額縁状の配線パターンとを接合する導電性接合部材と、
を備え、
前記グランドパッドと前記額縁状の配線パターンとが配線パターンにより電気的に接続されることを特徴とする圧電デバイス。 A piezoelectric vibrating piece in which one end is cantilevered while maintaining a predetermined gap with respect to the substrate;
A circuit part formed on the inner surface of the substrate to continuously vibrate the piezoelectric vibrating piece at a specific frequency;
A ground pad provided on the substrate and electrically connected to the ground of the circuit unit;
A lid attached to the substrate and having conductivity;
A frame-like wiring pattern provided along the joint surface between the substrate and the lid;
A conductive bonding member for bonding the lid and the frame-shaped wiring pattern;
With
The piezoelectric device, wherein the ground pad and the frame-like wiring pattern are electrically connected by a wiring pattern.
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