JP2020048072A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶片をパッケージに固定する際の導電性接着剤の支持位置の影響を軽減する。【解決手段】水晶片１１は、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により製造したものである。この水晶片は、水晶のＺ′軸に沿う辺を長辺、Ｘ軸に沿う辺を短辺とし、平面視で四角形状である。この水晶片は、水晶のＺ′軸に沿った両端にテーパー形状１１ｔを持つ。この水晶片は、長辺の近傍箇所であって長辺に沿う互いが離間する２箇所であって、かつ、両端のテーパー形状の部分の間で、導電性部材３１によりパッケージ２１に固定してある。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動子に関する。

ＡＴカット水晶振動子の小型化が進むに従い、機械式加工による製造方法では、水晶振動子用の水晶片の製造が困難になっている。そのため、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術を用いて製造されるＡＴカット水晶片が開発されている。

フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術を用いて製造される水晶片の場合、ウエットエッチングに対する水晶の結晶軸毎の異方性に起因して、水晶片の外周の一部にテーパー形状が生じる。特に、上記技術で製造される水晶片の場合、水晶のＸ−Ｚ′平面に当たる面を主面とし、かつ、平面視で四角形状の水晶片であるため、水晶片の水晶のＺ′軸に沿った両端でテーパー形状が顕著に生じる。例えば特許文献１には、水晶のＺ′軸に沿った両端が４つの面を持つテーパー形状となったＡＴカット水晶片が開示されている。また、特許文献１には、水晶のＺ′軸に沿った両端が３つの面持つテーパー形状となったＡＴカット水晶片が開示されている。

また、近年のＡＴカット水晶片の場合、水晶のＸ軸に沿った辺を長辺とし、Ｚ′軸に沿った辺を短辺とする、いわゆるＸロングの長方形状の水晶片が多用される。そして、この水晶片は、その短辺近傍の箇所であってこの短辺に沿う互いに離間した２箇所で、導電性接着剤によりパッケージに固定される（例えば特許文献１の図１２参照、特許文献２の図８参照）。

特開２０１４−２７５０６号公報 特開２０１６−１９７７７８号公報

しかしながら、水晶振動子の小型化が進むに従い、ＡＴカット水晶片自体も益々小さくなっている。従って、上記のように、Ｚ′軸に沿う辺を短辺とする水晶片をこの短辺に沿う２箇所で導電性接着剤によりパッケージに固定する構造であると、水晶片の導電性接着剤により固定される箇所が、上記のテーパー形状の部分になる、または、テーパー形状の部分に一部かかる場合がある。すなわち、水晶片の表裏主面が平行でない領域で、水晶片がパッケージに固定される場合がある。水晶片の表裏主面が平行でない領域で、水晶片がパッケージに固定された場合、水晶振動子の周波数バラツキ、温度特性バラツキ、および、いわゆる周波数ディップを招き易くなる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従ってこの出願の目的は上記課題を解決することにある。

この目的の達成を図るため、この発明によれば、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により製造され、水晶のＸ軸に沿う辺とＺ′軸に沿う辺とを持ち、平面視で四角形状で、かつ水晶のＺ′軸に沿った両端にテーパー形状を持つＡＴカット水晶片と、前記水晶片の一部をパッケージに２か所で固定している導電性部材と、当該パッケージと、を具える水晶振動子において、
前記ＡＴカット水晶片は、前記Ｚ′軸に沿う辺を長辺とし、前記Ｘ軸に沿う辺を短辺とする水晶片であり、
前記導電性部材は、前記長辺の近傍箇所であって前記長辺に沿う互いが離間する２箇所であって、かつ、前記両端のテーパー形状の部分の間で、前記水晶片を前記パッケージに固定していることを特徴とする。
前記水晶片は、その長辺が１．２ｍｍ以下、その短辺が１ｍｍ以下であるのが良い。このようなサイズ以下の水晶片であると、本願の効果が得られ易い。

この発明のＡＴカット水晶片は、水晶のＺ′軸に沿う辺を長辺とし、水晶のＸ軸に沿う辺を短辺とするいわゆるＺ′ロングのＡＴカット水晶片である。ここで、Ｚ′軸に沿う両端に生じるテーパー形状の部分の寸法は、水晶結晶の物性から決まるため、水晶片がＸロングかＺ′ロングいずれにおいても同じ寸法である。従って、Ｚ′方向を長辺とするいわゆるＺ′ロングであるこの発明に係るＡＴカット水晶片の場合は、Ｚ′方向を短辺とする場合に比べ、Ｚ′軸に沿う方向でのテーパー形状部分が占める割合を小さくでき、すなわち、両主面が平行となる領域の割合を大きくでき、従って、水晶片の両主面が平行となる領域で導電性接着剤による固定部を設けることができる。このため、水晶振動子の周波数バラツキ、温度特性バラツキ、および、いわゆる周波数ディップを抑制し易いと考えられる。

（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の水晶振動子１０の説明図である。 実施形態の水晶振動子で用いた水晶片１１のテーパー形状の部分１１ｘの付近の拡大図である。 （Ａ）、（Ｂ），（Ｃ）は実施形態の水晶振動子で用いた水晶片１１の製法例の説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図３に続く製法例の説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図４に続く製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図５に続く製法例の説明図である。 は、図６に続く製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図７に続く製法例の説明図である。 は、他の実施形態の水晶振動子５０の説明図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． 実施形態の水晶振動子
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態の水晶振動子１０の説明図である。特に、図１（Ａ）は水晶振動子１０の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＭ−Ｍ線に沿った水晶振動子１０の断面図である。なお、図１（Ａ）では、図１（Ｂ）に示してある蓋部材４１（詳細は後述する）の図示を省略してある。

ここで、図１（Ａ）中に示した座標軸Ｘ，Ｙ′、Ｚ′は、それぞれＡＴカット水晶片での水晶の結晶軸を示す。なお、ＡＴカット水晶片自体の詳細は、例えば、文献：「水晶デバイスの解説と応用」。日本水晶デバイス工業会２００２年３月第４版第７頁等に記載されているので、ここではその説明を省略する。

この発明の水晶振動子１０は、ＡＴカット水晶片１１と、この水晶片１１を収容するパッケージ２１と、この水晶片１１をパッケージ２１に固定する導電性部材３１と、蓋部材４１と、を具える。

水晶片１１は、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により製造されるものである。然も、この水晶片１１は、水晶のＺ′軸に沿う辺を長辺とし、Ｘ軸に沿う辺を短辺とし、平面視で四角形状のものであり、いわゆるＺ′ロングの水晶片である。然も、この水晶片１１は、水晶のＺ′軸に沿った両端にテーパー形状の部分１１ｔを持つものである。テーパー形状の部分１１ｔについては、後に図２を参照して説明する。
なお、図１において、１５ａは水晶片１１の表裏の主面１１ｄに設けた励振用電極であり、１５ｂは励振用電極１５ａから水晶片１１の１つの長辺側に引き出された引出電極である。

パッケージ２１は、この場合、本体２１ａと、水晶片１１を収納する平面視四角形状の凹部２１ｂと、凹部２１ｂの１つの長辺近傍に設けられ水晶片が接続固定される２つのパッド２１ｃと、本体２１ａの外部底面に設けた外部接続端子２１ｄと、パッド２１ｃ及び外部接続端子２１ｄを接続するビア配線２１ｅとを具える。このパッケージ２１は、例えば、公知のセラミックパッケージで構成できる。

導電性部材３１は、水晶片１１の所定箇所をパッケージ２１のパッド２１に電気的および機械的に接続固定するものである。詳細には、水晶片１１の長辺の近傍の、この長辺に沿った互いが離間する２箇所であって、かつ、Ｚ′方向両端の２つのテーパー状の部分１１ｔの間の２箇所で、水晶片１１をパッド２１ｃに接続固定している。従って、２つのパッド２１ｃも上記の水晶片１１の所定の固定位置に対応する位置でパッケージ２１に設けてある。なお、導電性部材３１は、典型的には、導電性接着剤である。
導電性部材３１を設ける箇所を水晶片１１の、Ｚ′方向両端の２つのテーパー状の部分１１ｔの間の２箇所としているので、導電性部材３１は、水晶片１１の表裏の主面１１ｄが平行となる部分に接続されることとなるので、導電性部材３１が、水晶片１１のテーパー形状の部分１１ｔに位置してしまった場合に懸念される水晶振動子の特性劣化、例えば周波数バラツキ、温度特性バラツキ、および、いわゆる周波数ディップを抑制し易いと考えられる。

蓋部材４１は、パッケージ２１を封止するものである。典型的には、コバール等の所定の金属材料からなる板状のものである。パッケージ２１と蓋部材４１の封止構造は、特に限定されず水晶振動子の封止方式に応じた任意のものとできる。

次に、水晶片１１のテーパー形状の部分１１ｔについて、図２を参照して説明する。なお、図２は、水晶片１１の２つのテーパー形状の部分１１ｔのうちの一方の部分付近を拡大して示した断面図である。
この実施形態の水晶片１１は、水晶のＺ′軸に交差する２つの側面（Ｚ′面）各々を、第１の面１１ａ，第２の面１１ｂおよび第３の面１１ｃの、３つの面で構成してある。しかも、第１の面１１ａは、この水晶片１１の主面１１ｄと交わっている面であり、然も、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ１回転させた面に相当する面である。

さらに、この水晶片１１では、第１の面１１ａ、第２の面１１ｂおよび第３の面１１ｃがこの順で交わっている。しかも、第２の面１１ｂは、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ２回転させた面に相当する面であり、第３の面１１ｃは、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ３回転させた面に相当する面である。これらの角度θ１、θ２、θ３は、この出願に係る出願人の実験によれば、下記が好ましいことが分かっている。θ１＝４°±３．５°、θ２＝−５７°±５°、θ３＝−４２°±５°、より好ましくは、θ１＝４°±３°、θ２＝−５７°±３°、θ３＝−４２°±３°である。

このようなテーパー形状の部分１１tを持つ水晶片１１を用いると、テーパー状の部分１１ｔにおいて水晶振動子１０での不要な振動が減衰されるので、本発明に係るＺ′ロングの特徴と相俟って優れた特性の水晶振動子が期待できる。なお、水晶片１１のテーパー状の部分１１ｔの作用及び効果についての詳細は、この出願に係る出願人による他の出願である、特開２０１６−１９７７７８号公報に詳述されているので、ここでは省略する。

また、この実施の形態の水晶片１１では、水晶のＺ′軸に交差する２つの側面（Ｚ′面）各々が、水晶片１１の中心点Ｏ（図１（Ｂ）参照）を中心に、点対称の関係になっている。なお、ここでいう点対称とは、若干の形状差があったとしても実質的に同一とみなせる点対称の状態も含む。

２． ＡＴカット水晶片１１の製法例
次に、この発明の水晶振動子の理解を深めるために、図３〜図８を参照して、実施形態のＡＴカット水晶片１１の製法例について説明する。すなわち、テーパー形状の部分１１ｔが生じる理由について説明する。
この水晶片１１は、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により水晶ウエハから多数製造できる。そのため、図３〜図８では、水晶ウエハ１１ｗの平面図と、その一部分Ｐを拡大した平面図を示してある。さらに、図３〜図８中の一部の図面では、水晶ウエハ１１ｗの一部分ＰのＱ−Ｑ線に沿う断面図や、Ｒ部分(図６（Ｂ）参照)の拡大図も併用している。

この製法例では、先ず、水晶ウエハ１１ｗを用意する(図３)。ＡＴカット水晶片１１の発振周波数は、周知の通り、水晶片１１の主面（Ｘ−Ｚ′面）の厚みでほぼ決まるが、水晶ウエハ１１ｗは、最終的な水晶片１１の厚さｔ(図６（Ｂ）)より厚い、厚みＴのウエハとする(図３（Ｂ）)。

次に、この水晶ウエハ１１ｗの表裏両面に、水晶片の外形を形成するための耐エッチング性マスク１３を周知のフォトリソグラフィ技術により形成する。この実施形態の場合の耐エッチング性マスク１３は、水晶片の外形に対応する部分、各水晶片を保持するフレーム部分、および、水晶片とフレーム部分とを連結する部分（図３（Ａ）中に１１ｘで示した部分）で構成したものとしてある。また、耐エッチング性マスク１３は、水晶ウエハの表裏で対向するように形成してある。なお、ここでは連結部１１ｘは水晶片の短辺側に設けた例を示しているが、長辺側であっても良い。

耐エッチング性マスク１３の形成が済んだ水晶ウエハ１１ｗを、フッ酸を主とするエッチング液中に所定の時間浸漬する。この処理により、水晶ウエハ１１ｗの耐エッチング性マスク１３で覆われていない部分が溶解されて、水晶片１１の大まかな外形が得られる（図４）。

次に、水晶ウエハ１１ｗから耐エッチングマスク１３を除去する。この際、この製法例では、耐エッチング性マスク１３の水晶片１１に相当する部分のみを除去し、フレーム部や連結部に相当する部分は残している（図５）。フレーム部や連結部の強度を維持するためである。もちろん、設計によっては、フレーム部および連結部各々の全部又は一部上の耐エッチングマスクを除去しても良い。

次に、この水晶ウエハ１１ｗを、フッ酸を主とするエッチング液中に、再度、所定の時間浸漬する。ここで、所定の時間とは、水晶片１１の形成予定領域の厚みｔ（図６（Ｂ））がこの水晶片１１に要求される発振周波数の仕様を満たすことができ、かつ、この水晶片１１のＺ′側面が第１〜第３の面１１ａ〜１１ｃを有したテーパー状の部分１１ｔで構成できる時間である。これら時間は事前の実験によって決めることができる。発明者の実験によれば、水晶片１１のＺ′面は、エッチングが進むにしたがい、水晶片のＺ′方向の両端に突起が残る状態、第１〜第４の４つの面で構成される状態(、そして、本発明でいうテーパー形状の部分１１ｔが生じる状態に、この順に変化することが分かった。しかも、この発明でいう第１〜第３の３つの面で構成される側面を得るためには、所定エッチング液およびエッチング温度等の場合では、水晶ウエハ１１ｗの初期厚みＴに対し、５５％〜２５％の範囲の厚みまでエッチングする必要があることが分かった。従って、発振周波数の仕様および第１〜第３の３つの面が得られるように、初期厚みＴや上記のエッチング時間等を決める。

次に、上記のエッチングが終了した水晶ウエハから、耐エッチングマスクを除去して、水晶面を露出する（図７）。その後、この水晶ウエハ全面に、周知の成膜方法により、水晶振動子の励振電極および引出電極形成用の金属膜(図示せず)を形成する。次に、この金属膜を、周知のフォトリソグラフィ技術およびメタルエッチング技術により、電極形状にパターニングして、励振電極１５ａおよび引出電極１５ｂを形成する（図８）。これにより、水晶片１１を得ることができる（図８）。実際は、水晶ウエハ１１ｗから連結部１１ｘの箇所で水晶片を折り取って個片化することで水晶片１１を得ることができる。この水晶片１１を公知の方法でパッケージ２１に実装することで、水晶振動子１０を得ることができる。

３．他の実施形態
上述においては、この発明の水晶振動子の実施形態を説明したが、この発明は上述の実施形態に限られない。例えば、図９に示したように、平板状のパッケージ２３とキャップ状の蓋部材４３とを用いたパッケージ構造の水晶振動子５０に対し、本発明を適用することもできる。また、本発明で用い得る水晶片は上述した水晶片１１に限られず、Ｚ′方向の両端にテーパー形状の部分を持つ水晶片であれば任意である。ただし、テーパー形状の部分が大きくなり易い水晶片１１の場合は、本発明を適用して特に好適である。

１０：実施形態の水晶振動子、 １１:実施形態の水晶振動子で用いた水晶片
１１ａ：第１の面、 １１ｂ：第２の面
１１ｃ：第３の面、 １１ｄ:ＡＴカット水晶片の主面（Ｘ−Ｚ′面）
１１ｔ：テーパー形状の部分、 １１ｗ：水晶ウエハ、
１１ｘ：連結部、 １１ｙ：貫通部、
１１ｚ：枠部
θ１〜θ３：ＡＴカットの主面を水晶のＸ軸を回転軸として回転させる角度
１３：耐エッチング性マスク、 １５：電極
１５ａ：励振電極、 １５ｂ：引出電極
２１：パッケージ）、 ２１ａ：本体
２１ｂ：凹部、 ２１ｃ：バンプ
２１ｄ：外部実装端子、 ２１ｅ：ビア配線
２３：他の実施形態のパッケージ、 ３１：導電性部材
４１：蓋部材、 ４３：他の実施形態の蓋部材
５０：他の実施形態の水晶振動子

Claims (3)

1. フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により製造され、水晶のＸ軸に沿う辺とＺ′軸に沿う辺とを持ち、平面視で四角形状で、かつ水晶のＺ′軸に沿った両端にテーパー形状を持つＡＴカット水晶片と、前記水晶片の一部をパッケージに２か所で固定している導電性部材と、当該パッケージと、を具える水晶振動子において、
   前記ＡＴカット水晶片は、前記Ｚ′軸に沿う辺を長辺とし、前記Ｘ軸に沿う辺を短辺とする水晶片であり、
   前記導電性部材は、前記長辺の近傍箇所であって前記長辺に沿う互いが離間する２箇所であって、かつ、前記両端のテーパー形状の部分の間で、前記水晶片を前記パッケージに固定していることを特徴とする水晶振動子。
2. 前記水晶片は、水晶の結晶軸のＺ′軸と交差する側面の少なくとも一方を、第１〜第３の３つの面で構成してあり、
   前記第１の面、前記第２の面および前記第３の面はこの順で交わっており、かつ、
   前記第１の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として４±３．５°回転させた面に相当する面であり、
   前記第２の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−５７±５°回転させた面に相当する面であり、
   前記第３の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−４２±５°回転させた面に相当する面であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記水晶振動子は、パッケージの長辺が１．２ｍｍ以下、短辺が１．０ｍｍ以下である
   請求項１又は２に記載のＡＴカット水晶片。
   
   
   
   
   
   

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