JP3903698B2 - Quartz vibrating piece manufacturing method and quartz crystal device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶デバイスのパッケージ内に収容される水晶振動片を製造する方法の改良と、そのような製造方法による水晶振動片を使用した水晶デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図18は、水晶振動子等の水晶デバイスに使用される水晶振動片を製造する場合の従来の製造工程を簡単に示すフローチャートである。
【0003】
図において、先ず、電圧を印加することにより、振動を生じる圧電材料として、所定の結晶成長工程により得た人工水晶の原石を切断し、水晶ウエハを形成する。そして、この水晶ウエハを研磨して、ウエハの表裏両面の平行度を高めると共に、決められた厚みに調整する。そして、加工後の水晶ウエハを切断して、水晶振動片を形成するためのチップの大きさとすると共に、切断端面を研磨して、水晶片を得る(ST1)。
【0004】
次いで、この水晶片の表面(表裏両面)に、蒸着等により電極膜を形成する。すなわち、圧電体である水晶片に電極を形成して、所定の振動を生じさせるために、その表面には励振電極と、この励振電極と外部から駆動電圧を供給するための外部電極を接続するための引き出し電極が設けられる(ST2)。
【0005】
図19(a)は、上記電極膜8の膜構造を示している。水晶片2の上には、先ず下地層3としてCrが蒸着等により成膜され、その上に上層として、例えば銀による電極層4が形成される。
【0006】
次に、図21に示すように、外部電極である給電電極6を半田を用いて接合し(ST3)、続いて、アニール処理をして、この接合工程迄に加えられた内部応力を除去する(ST4)。
【0007】
そして、ST2で形成した電極膜8の質量を調整して、つまり、電極層4の成分を追加して重りつけしたり、あるいは電子ビームやイオンビームもしくはレーザ光を照射したりして、電極層4の金属被膜を微妙に除去してその質量を削減する周波数調整する(ST5)。すなわち、水晶振動片の所望の周波数に対して、実際の振動周波数を調整して、その所望の振動性能に合わせ込みを行う。
【0008】
周波数調整が終了したら、真空中や窒素雰囲気中で、パッケージ内に水晶振動片を封止し、水晶振動子が完成する(ST6)。そして、面実装の場合には、さらに水晶振動子を樹脂モールドする(ST7)。この時、水晶振動片には、加熱ストレスがかかることになる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような製造工程により作られた圧電振動片を利用した圧電デバイスでは、図20に示すように、その製品が高い温度環境、例えば、摂氏125度程度の環境にあると、振動周波数が変化してしまうという問題があった。
【0010】
この場合、圧電振動片の振動周波数は、低くなるように変化している。これにより、所望の振動性能が保持できないという問題がある。
【0011】
そして、このような変動の原因として、上述した製造工程上の問題が考えられる。
【0012】
すなわち、上記ST3の給電電極(リード)6の半田接合工程以降において、圧電振動片に熱が加わる(ST4ないしST7)と、図21のような過程が進行すると考えられる。先ず、給電電極6は、半田成分が熱により電極膜8の表面に拡散して接合が行われる。ところが、この半田成分は、接合後に上述した製造工程の例えばST4のアニール処理や、ST7のモールド工程等において、高温環境に置かれると、図21の矢印に示すように、電極層4の中にさらに拡散していく。
【0013】
この場合、拡散した半田成分が電極膜8の重量を増加させて、上述したような周波数の変化となって悪影響を及ぼしている。
【0014】
また、図19(b)に示されているように、この高温下では、下地層3のクロム成分も、これと接する上層の電極層4に拡散して拡散層5を形成しているが、電極層4の表面には、殆ど影響を与えていない。
【0015】
ここで、電極層4内に、クロム等の高融点金属成分が拡散していた場合に、上記半田成分の拡散が防止できることが判明している。しかしながら、図19(a)のような電極膜8の構造では、クロム成分は、下地層3の接する領域の近傍にしか拡散せず、一方、半田成分は、下地層3のある側とは反対の電極層4の表面に多く拡散するため、クロムの拡散による上述したような半田拡散の抑止効果が期待できない。
【0016】
そこで、図19(a)の電極膜構造において、下地層3と上層4の間に中間層(図示せず)を設け、この中間層に上記クロム成分を含有させるという方法も考えられる。
【0017】
そこで、このような試みについて、具体的に検討を行ったが、その結果、クロム成分を導体金属と混合させたこのような中間層を設けて、そのクロム成分を上層に十分に拡散させ、上述した周波数変化を5ppm程度に抑えるには、中間層のクロム含有量を原子量で4パーセント以上とする必要がある。
【0018】
しかし、このような膜構造とすると、CI(クリスタルインピーダンス)値が増大することから、その膜厚を150nm以上とする必要がある。尚、上記のように周波数変化を抑制するためにクロム成分を上層に十分拡散させた場合、半田流れが不十分になるという別の問題を生じてしまう。
本発明は、上記課題を解消して、電極膜中に半田成分の拡散を防止できる成分を十分に拡散混合させて、振動特性の悪化を阻止することができる水晶振動片の製造方法と、そのような特性をもつ水晶振動片を使用した水晶デバイスを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項1の発明によれば、水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属(Ag或いはAu)との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属(Ag或いはAu)からなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和すると共に、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させて、この上層の表面に析出させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整する、水晶振動片の製造方法により、達成される。
【0020】
請求項1の構成によれば、この製造方法による水晶振動片は、電極膜の膜構成として、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属(Ag或いはAu)からなる上層とを有している。
【0021】
そして、この電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和すると共に、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させて、この上層の表面に析出させている。
【0022】
つまり、この発明では、前記下地層の成分は、Ti、Cr、Niのうちの1種より選ばれているが、これらの成分は、上層内に拡散することは期待されていない。つまり、特にこれらの成分を上層の導体金属に拡散させて、半田の拡散を防止する効果を得るように意図されたものではなく、前記下地層の成分は、水晶と導体金属との接合に適したものが選ばれている。
【0023】
これに対して、高融点金属以外の効果ある成分を、電極膜の厚み方向に積極的に拡散させる条件を種々検討した結果、前記Cu成分と導体金属との混合層でなる中間層を設けることと、接合工程の後で、積極的に熱処理を行うことを案出した。
【0024】
つまり、製造後、もしくは電極膜形成後に高温度環境に置くことは、上述したように接合で利用した半田成分を電極膜に拡散させることにつながる。したがって、単純な熱処理工程の追加は、課題解決にはならない。本発明者等は、高融点金属成分以外の成分の拡散のための熱処理工程を導入しつつ、半田の拡散を阻止する条件を種々検討し、本発明では、上述したように、下地層の上に中間層を設け、この中間層の前記Cu成分を積極的に電極層の上まで析出させるような熱処理工程を工夫することで、これをなし得たものである。
【0025】
これにより、電極膜の表面まで析出したCu成分があることから、この電極膜の表面近くまで、Cu成分が混合していると考えられる。これにより、半田成分は、以後の実装工程等における高温度環境下においても、電極膜表面にそって拡散されにくく、拡散した半田成分が、電極膜の重量を増加させることがない。
【0026】
しかも、この電極膜の表面に析出する程混合されたCu成分は、CI値の上昇をともなわないので、CI値上昇のための対策を行う必要がなく、半田拡散以外の別の問題を生じることもない。
【0027】
上記目的は、請求項2の発明によれば、水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属(Ag或いはAu)との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属からなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、さらに、少なくとも前記励振電極上に、Alによる最表面層を形成し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和し、かつ、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させてこの上層の表面に析出させると共に、前記最表面層のAlを前記上層に拡散させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整する、水晶振動片の製造方法により、達成される。
【0028】
請求項2の構成によれば、この水晶振動片は、請求項1の発明と同じように、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属からなる上層とを有している電極膜の少なくとも前記励振電極部分の前記上層の上にAlによる最表面層を備えている点が請求項1の構成と異なっている。
【0029】
ここで、最表面層として、アルミニウム(Al)を選択するのは、導体金属上にAlを成膜し、かつ導体金属(AgあるいはAu)にAlを拡散することにより、半田の導体金属への拡散を抑制できること、Al成分はCI値の上昇を伴わないこと、周波数調整工程以前において、励振電極上に、予め質量増加させておくために、重り層を形成するが、この時、導体金属と重り層との接着層の役割を果たすことができること等の理由による。
【0030】
そして、この最表面層を形成した後で、積極的に熱処理して、最表面層の材料成分を、それより下の前記上層に拡散させるので、請求項1の場合と異なり、Cu成分は、中間層からは上方へ、Al成分は最表面層からは下方へと、膜厚の方向へ拡散する。
【0031】
これにより、請求項1を越える作用が発揮されて、半田成分の電極膜(上層)への拡散が抑止される。
【0032】
また、上記目的は、請求項3の発明によれば、水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属(Ag或いはAu)との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属からなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、さらに、少なくとも前記引出し電極上に、Alによる最表面層を形成し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和し、かつ、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させてこの上層の表面に析出させると共に、前記最表面層のAlを前記上層に拡散させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整する、水晶振動片の製造方法により、達成される。
【0033】
請求項3の構成によれば、この水晶振動片は、請求項1の発明と同じように、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと導体金属との混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記導体金属からなる上層とを有していて、この電極膜の少なくとも前記引出し電極部分の前記上層の上にAlによる最表面層を備えている点が請求項1の構成と異なっている。
【0034】
そして、この最表面層を形成した後で、積極的に熱処理して、最表面層の材料成分を、それより下の前記上層に拡散させるので、請求項1の場合と異なり、Cu成分は、中間層からは上方へ、最表面層からは下方へと、膜厚の方向へ拡散する。特に、請求項3では、外部電極である給電電極が半田で接合される接続電極とつながった引き出し電極部分に上記最表面層が形成されているので、半田が励振電極につたわる限られた経路中に選択的にCuに加えAl成分も拡散させている。
【0035】
これにより、請求項1を越える作用が発揮されて、半田成分の電極膜(上層)への拡散が抑止される。
【0036】
請求項4の発明は、請求項1ないし3のいずれかの構成において、前記下地層の膜厚が5nm以上、30nm以下で、前記中間層のCuと導体金属(Ag或いはAu)との混合比が、Cuの原子比で30パーセント以上、60パーセント以下であり、前記上層の膜厚が20nm以上、180nm以下であり、前記上層と中間層を合わせた膜厚が100nm以上、500nm以下であることを特徴とする。
【0037】
請求項4の構成において、前記下地層の膜厚が5nm以上、30nm以下とするのは、膜厚が5nm未満であると、電極膜の密着強度が不足してしまうからで、膜厚が30nmを越えると、CI値が許容できない範囲に上昇するからである。
【0038】
Cu(銅)が原子比で30パーセント未満であると、後述する半田拡散防止効果が低下もしくは失われる。銅が原子比で60パーセントを越えると、製品の完成後の時間経過により周波数変化が生じる。
【0039】
また、中間層と上層とを合わせた膜厚が100nm以上500nm以下としたのは、この範囲においては、製品のCI(クリスタルインピーダンス)値に関して、この範囲であれば問題がないからである。
【0040】
さらに、上層のみの膜厚が20nm以上ないと、接続電極と給電電極の接合強度が不十分となり、180nmを越えると、銅(Cu)成分の膜厚方向への拡散が不十分になるおそれがある。
【0041】
請求項5の発明は、請求項2ないし4のいずれかの構成において、前記最表面層の膜厚が、5nm以上、30nm以下であることを特徴とする。
【0042】
請求項5の構成によれば、前記最表面層の厚みが5nm以上ないと、後述するような周波数変化低減効果が表れない。また、最表面層の厚みが30nmでこの効果が一定となることから、その上限としたものである。
【0043】
請求項6の発明は、請求項1ないし5のいずれかの構成において、前記熱処理の温度が摂氏200度以上摂氏300度以下で、処理時間が2分以上1.5時間以下であることを特徴とする。
【0044】
請求項6の構成によれば、摂氏200度以上で2分以上加熱しないと、前工程における応力緩和をとともに、必要なCu成分の拡散が困難となるからであり、摂氏300度以上で、1.5時間以上熱処理すると、電極の接合強度が不足することがある。また、上記目的は、請求項7の発明によれば、パッケージ内の水晶振動片が収容されて封止された水晶デバイスであって、前記水晶振動片は、表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が半田により接合されており、前記励振電極、引き出し電極、及び接続電極を構成する各電極膜は、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、この下地層の上に設けられ、Cuと、Ag或いはAuとの混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記Ag或いはAuからなる上層とを備えた電極膜と、を備え、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させて、この上層の表面に析出させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整した構成を備えている、水晶デバイスにより、達成される。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
【0046】
図1は、本発明の実施形態による水晶振動片を利用した水晶デバイスの一例としての水晶振動子を示す斜視図であり、図2はその概略平面図、図3は概略断面図である。
【0047】
これらの図において、この水晶振動子10は、空間部12aが形成されたパッケージ12と、このパッケージ内に密封される一方向に長い板状の水晶振動片11を備えている。
【0048】
水晶振動片11は、例えば水晶により短冊状に形成された板体であり、この水晶振動片11上には、後述する製造工程において、励振電極19と、接続電極13,14が形成されている。励振電極19は外部から駆動電圧を印加されることで、圧電作用に基づいて、水晶に所定の厚みすべり振動を生じさせるためのものである。この励振電極19と接続電極とは引き出し電極13a,14aにより接続されている。
【0049】
励振電極19は、図1の裏面にも同様に形成されており、接続電極14は、表面側に形成した励振電極19との間に引き出し電極14aを介して接続されている。接続電極13は、裏面側に形成した同じ形状の励振電極(図示せず)との間に引き出し電極13aを介して接続されている。
【0050】
パッケージ12は、例えば金属材料により、形成されている。具体的には、パッケージ12は、加工のしやすい洋白や、より好ましくはコバール等により形成されており、図1において手前側が開放され、奥側に底部23を有する中空の筒体として形成されている。
【0051】
パッケージ12の開放端18aから上記空間部12a内には、水晶振動片11が挿入され、その一端部には、上記接続電極13,14上に、パッケージ外部から引き込まれる給電電極としてのリード端子17,17の各先端,すなわちインナーリード17a,17aが、半田15,16を用いてそれぞれ接合されている。
【0052】
そして、パッケージ12の開放端18aは、プラグ18を嵌入されて、密閉されている。このプラグ18は、図2及び図3に示すように、パッケージ12の開放端18aの内周部に嵌入される金属製のリング18bと、このリング18bの内側に配置される例えばガラス材料等でなる絶縁部材18cとを有している。
【0053】
このプラグ18を介して、水晶振動片11の一端側が固定され、奥側が自由端21とされることにより、水晶振動片11は片持ち方式で支持された構造となっている。そして、プラグ18の絶縁部材18cは、これを貫通するリード端子17,17どうしを絶縁している。
【0054】
このように、本発明の水晶振動片は、例えば、水晶振動子や、これに集積回路を付加した構成の水晶発振器等の種々の水晶デバイスに適用される。
【0055】
次に、上記水晶振動片11の製造方法を説明する。
【0056】
図4は、本発明の第1の実施形態である水晶振動片の製造方法を示すフローチャートである。
【0057】
先ず、所定の結晶成長工程により得た人工水晶の原石を切断し、水晶ウエハを形成する。そして、この水晶ウエハを研磨して、ウエハの表裏両面の平行度を高めると共に、決められた厚みに調整する。そして、加工後の水晶ウエハを切断して、水晶振動片を形成するためのチップの大きさとすると共に、切断端面を研磨して、水晶片21を得る(ST10)。尚、図1ないし3の水晶振動片11の電極膜が形成されていない状態が水晶片21である。
【0058】
次いで、図5に示すように、この水晶片の表面(表裏両面)に、蒸着等により電極膜25を形成する。水晶片21の表面に、図1で説明した励振電極19と、この励振電極と外部から駆動電圧を供給するための外部電極を接続するための接続電極13,14が設けられる(ST11)。
【0059】
図5は、上記電極膜25の膜構造を示している。水晶片11の上には、先ず下地としてTi、Cr、Niのうちの1種より下地層22を蒸着等により成膜する。ここで、Ti、Cr、Niのうちの1種を用いるのは、導体金属としての金や銀と密着性がよく、かつ後述する中間層の機能を阻害しないで、CI値の上昇を回避できる性質からである。次に、下地層22の上に中間層として、導体金属と上記銅(Cu)との混合層23を蒸着等により形成する。次いで、中間層23の上に導体金属,例えば、金(Au)や銀(Ag)により電極層である上層24を蒸着等により成膜する。この実施形態では、上層24に銀を選択する。
【0060】
次に、電極膜25を成膜した後で、図7に示すように、給電電極(インナーリード)17aを上記電極膜25の上に当接させた状態にて、半田15,16を介して接合する(ST12)。半田15,16は、通常の半田としてPbSnでも鉛フリー半田として、例えばSnCuでもよい。ここで、鉛フリー半田を用いると、環境に対して鉛の汚染の影響を生じることがない。
【0061】
さらに、上記接合後、熱処理を行う(ST13)。この熱処理は、例えば、恒温槽内に、電極膜25を形成した水晶片21を収容して行う。
【0062】
この場合、熱処理は、ST12の接合工程までに水晶片21に加わった応力を緩和すると共に、図5及び図6に示すように、中間層23のCu成分を上層24に拡散させて、この上層24の表面に成分26として析出させるために行う。
【0063】
これにより、本実施形態では、下地層22の上に中間層23を設け、この中間層23のCu成分を積極的に上層方向に拡散させる。そして、図5及び図6に示すように、上層である電極層24の上まで析出させ、電極層24をその表面付近に銅(Cu)成分26が確実に存在する拡散混合層27とする処理をしている。
【0064】
ここで、上記ST11の電極膜25の成膜条件として、本実施形態では、好ましくは、下地層22の膜厚が5nm以上で30nm以下、中間層23の銅と導体金属,例えば銀との混合比に関して、銅の原子比が30パーセント以上、60パーセント以下であり、かつ、中間層22と上層24とを合わせた膜厚が100nm以上500nm以下で、上層24のみの膜厚が20nm以上180nm以下に設定する。
【0065】
すなわち、下地層22の膜厚が5nm未満であると、水晶21と中間層23との密着強度が不足する。下地層22の膜厚が30nmを越えると、CI値が上昇しすぎて許容範囲を越えるおそれがあるからである。
【0066】
また中間層23の銅と銀との混合比に関しては、銅が原子比で30パーセント未満であると、後述する半田拡散防止効果が低下もしくは失われる。銅が原子比で60パーセントを越えると、製品の完成後の時間経過により周波数変化が生じる。
【0067】
また、中間層23と上層24とを合わせた膜厚が100nm以上500nm以下としたのは、この範囲においては、製品のCI(クリスタルインピーダンス)値に関して、この範囲であれば問題がないからである。
【0068】
さらに、上層24のみの膜厚が20nm以上ないと、接続電極と給電電極の接合強度が不十分となり、180nmを越えると、銅(Cu)成分の図7の上層24への拡散が不十分になるおそれがある。
【0069】
また、ST13における熱処理においては、例えば、その温度が摂氏200度以上摂氏300度以下で、処理時間が2分以上1.5時間以下とされる。
【0070】
すなわち、摂氏200度以上で2分以上加熱しないと、前工程における応力緩和をとともに、必要なCu成分の拡散が困難となるからであり、摂氏300度以上で、1.5時間以上熱処理すると、電極の接合強度が不足するからである。
【0071】
次に、ST11で形成した電極膜25の質量を調整して、つまり、電極層24の成分を、さらに蒸着することで追加して重量増加したり、あるいは電子ビームやイオンビームもしくはレーザ光を照射したりして、電極層24の金属被膜を微妙に除去してその質量を削減する周波数調整を行う(ST14)。すなわち、水晶振動片11の所望の周波数に対して、実際の振動周波数を調整して、その所望の振動性能に合わせ込みを行う。
【0072】
周波数調整が終了したら、真空中や窒素雰囲気中で、図1で説明したパッケージ12内に水晶振動片を封止して、水晶振動子を完成させ(ST15)、面実装の場合には、さらに、水晶振動子を樹脂モールドする(ST16)。
【0073】
本実施形態は、以上のように構成されており、電極膜25の接続電極13に給電電極17aを当接して半田15,16により接合した後で、ST13の熱処理をすることにより、接合工程までに前記水晶片21に加わった応力を緩和すると共に、中間層23の銅(Cu)成分を上層24内に拡散させ、さらにその表面に析出させている。
【0074】
これにより、電極層である上層24の表面まで析出した銅(Cu)成分が存在することから、半田15,16の成分は、以後の実装工程等における高温度環境下においても、電極膜25表面にそって拡散されにくく、拡散した半田成分が電極膜25の重量増加となってしまうことがない。
【0075】
特に、図6の拡散混合層27と析出層26が形成されることで、従来の下地層と上層の界面及び上層と空気層との界面における半田拡散が抑止される。そして、拡散混合層27における半田拡散も抑止される。
【0076】
このため、電極膜25の重量増加により、水晶振動片11の振動周波数が所望の周波数より低くずれてしまうということが有効に防止される。
【0077】
しかも、中間層23から拡散されるCu成分は、電気抵抗が低い成分であるから、図6の拡散混合層27は、銀と銅との合金となって、抵抗値が低く、このためCI値を低く抑えることができる。
【0078】
図8は、本発明の第2の実施形態である水晶振動片の製造方法を示すフローチャートである。図9に第2の実施形態に対応した水晶振動片30の概略平面図を示すが、この図において、図1ないし3の水晶振動片11と同一の符号を付した箇所は共通する構成であり、重複する説明は省略する。
【0079】
先ず、図4のST10と同じ工程で水晶片21を得る(ST21)。
【0080】
次いで、図10に示すように、この水晶片の表面(表裏両面)に、蒸着等により電極膜36を形成する(ST22)。
【0081】
図10(a)は、上記電極膜36のうち少なくとも励振電極19の領域の構造36aを示し、図10(b)は上記電極膜36のうち励振電極19以外の領域の構造36bを示している。
【0082】
これらの図において、水晶片21の上には、先ず下地としてTi、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層32を蒸着等により成膜する。この下地層32は、第1の実施形態の下地層22と同じである。
【0083】
次に、下地層32の上に、導体金属,例えば、金(Au)や銀(Ag)と銅(Cu)の混合層である中間層33を蒸着等により成膜する。
【0084】
次いで、電極層となる上層34を成膜する。この上層34は、第1の実施形態の上層と同じものであり、導体金属,例えば、金(Au)や銀(Ag)により形成される。この実施形態では、上層34として銀を選択する。
【0085】
さらに、上層34を成膜した後で、図12に示すように、給電電極(インナーリード)17aを上記電極膜36aの上に当接させた状態にて、半田15,16を介して接合する(ST23)。半田15,16は、通常の半田としてPbSnでも鉛フリー半田として、例えばSnCuでもよい。ここで、鉛フリー半田を用いると、環境に対して鉛の汚染の影響を生じることがない。
【0086】
さらに、本実施形態では、図9に示すように、少なくとも励振電極19の上に、さらに最表面層35を形成する(ST24)。この最表面層34は、アルミニウム(Al)が選択されて、蒸着等により成膜する。
【0087】
ここで、最表面層35として、アルミニウム(Al)を選択するのは、導体金属上にAlを成膜し、かつ導体金属(AgあるいはAu)にAlを拡散することにより、半田の導体金属への拡散を抑制できること、Al成分はCI値の上昇を伴わないこと、周波数調整工程以前において、励振電極上に、予め質量増加させておくために、重り層を形成するが、この時、導体金属と重り層との接着層の役割を果たすことができること等の理由による。
【0088】
すなわち、この場合、励振電極19上では、電極膜36aは図10(a)に示すように下地層32と、中間層33と、上層34と、最表面層35を有し、励振電極19以外の電極部では、電極膜36bは、下地層32と、中間層33と、上層34を有していて、最表面層35を有していない。
【0089】
その後、熱処理を行う(ST25)。この熱処理は、例えば、恒温槽内に、電極膜36a,36bを形成した水晶片21を収容して行う。
【0090】
ここで、熱処理は、ST23の接合工程までに水晶片21に加わった応力を緩和すると共に、図11及び図12に示す作用を発揮するために行う。
【0091】
この実施形態では、図11(a)で示すように、励振電極19の領域では、上層34に対して、中間層33の銅(Cu)成分を拡散する。それとともに、最表面層35のアルミニウム(Al)成分が上層34に対して拡散し、かくして拡散混合層37を形成する。また、この拡散混合層37の上にST24で形成された最表面層35が存在している。
【0092】
また、図11(b)に示すように、励振電極19の以外の領域では、中間層の銅(Cu)成分を上層34に拡散させて、拡散混合層37を形成する。すなわち、上層34は銅(Cu)成分が拡散されて拡散混合層37とされると共に、さらにその表面に析出されて、析出層38を構成する。
【0093】
ここで、上記ST22の電極膜の成膜条件として、本実施形態では、好ましくは、下地層32の膜厚が5nm以上で30nm以下、中間層33の銅と導体金属,例えば銀との混合比に関して、銅の原子比が30パーセント以上、60パーセント以下であり、かつ、中間層32と上層34とを合わせた膜厚が100nm以上500nm以下で、上層34のみの膜厚が20nm以上180nm以下に設定する。
【0094】
また、ST25における熱処理においては、例えば、その温度が摂氏200度以上摂氏300度以下で、処理時間が2分以上1.5時間以下とされる。
【0095】
これらの条件は第1の実施形態と同じで、その理由も共通である。
【0096】
ここで、本実施形態では、最表面層35に関して、好ましくは、その膜厚が、5nm以上、30nm以下とされる。
【0097】
すなわち、最表面層35の厚みが5nm以上ないと、後述するような周波数変化低減効果が表れない。また、最表面層35の厚みが30nmでこの効果が一定となることから、その上限としたものである。
【0098】
ST25の熱処理が終了したら、周波数調整(ST26)を行い、パッケージ12により封止し(ST27)、必要なモールド処理を行う(ST28)。これらの工程は、第1の実施形態の対応するST14、15、16と同じである。
【0099】
かくして、本実施形態においても、半田15,16の成分は、以後の実装工程等における高温度環境下においても、電極膜36a,36bの表面にそって拡散されにくく、拡散した半田成分が電極膜の重量を増加させることがない。
【0100】
特に、励振電極19の領域では、図11に示すように、最表面層34及び拡散混合層37が形成され、それ以外の領域では、拡散混合層37及び析出層38が形成されているために、従来の上層と空気層との境界及び上層と下地層との境界における半田の拡散が抑止できる。
【0101】
このため、電極膜36a,36bの重量増加により、水晶振動片11の振動周波数が所望の周波数より低くずれてしまうということが有効に防止される。
【0102】
しかも、この場合、中間層33及び最表面層35から拡散されるCu成分は、電気抵抗が低い成分であるから、拡散混合層37は、銀と銅との合金となって、抵抗値が低く、このためCI値を低く抑えることができる。
【0103】
また、特に、本実施形態では、ST26にて、最表面層34の上に重量増加方式により新たに蒸着等により金や銀の重り層を設けた場合において、従来のように、金や銀の電極表面に重り層を追加する場合と比べて、重り層の密着度が向上する。このため、製品の使用時に、追加した重り層が剥がれ落ちたりすることが未然に防止できる。さらに、質量削減処理による周波数調整方法を用いると、Alの存在により、周波数の変化速度を遅くできるために、精密な周波数調整に適している。
【0104】
図13は、本発明の第3の実施形態である水晶振動片の製造方法を示すフローチャートである。図14に第3の実施形態に対応した水晶振動片40の概略平面図を示すが、この図において、図1ないし3の水晶振動片11と同一の符号を付した箇所は共通する構成であり、重複する説明は省略する。
【0105】
図13において、ST31、32、33の工程は、図8のST21、22、23で説明した工程で同じである。
【0106】
この実施形態では、接合工程ST23の後で、図15に示すように、水晶片21の表面及び裏面に電極膜を形成する。ここで、図15(a)は、図14の水晶振動片40の引き出し電極の部分の膜構造を示しており、図15(b)は、その少なくとも励振電極19の領域の膜構造を示している。
【0107】
これらの各膜構造に関して、第2の実施形態と同じ符号を付した箇所は同一の層構造であるから、重複する説明は省略する。
【0108】
ST34では、特に、図14に示す引き出し電極14aの領域(裏側の引き出し電極13aも同様)の上層34上に、最表面層44を形成する。この場合最表面層44は、第2の実施形態の最表面層35と同じく、アルミニウムにより成膜される。
【0109】
次いで、ST35にて熱処理を行う。この熱処理の条件は、第2の実施形態のST25と同じ条件である。
【0110】
ST35の熱処理後の膜構造を図15(c)と図15(d)に示す。この場合、図15(c)は、熱処理後の図14の水晶振動片40の引き出し電極の部分の膜構造を示しており、図15(d)は、その少なくとも励振電極19の領域の膜構造を示している。
【0111】
図15(a)と図15(c)の比較によりわかるように、引き出し電極14a(13a)上では、上層34に対して、中間層33の銅(Cu)成分が膜厚方向に関して上方に拡散する。それとともに、最表面層44のアルミニウム(Al)成分が、上層34に対して膜厚方向に関して下方に拡散し、かくして拡散混合層37を形成する。
【0112】
また、図15(b)と図15(d)の比較によりわかるように、励振電極19の領域では、中間層33の銅(Cu)成分を上層34に膜厚方向に拡散させて、拡散混合層37を形成する。すなわち、上層34は銅(Cu)成分が拡散されて拡散混合層37とされるとともに、その成分が表面に析出して析出層38を形成する。
【0113】
次に、周波数調整が行われる(ST36)。この工程が特に重要であり、本実施形態では、周波数調整は、励振電極19の領域の拡散混合層37に対して、例えば、電子ビームやイオンビームもしくはレーザ光を照射したりして、拡散混合層37の金属被膜を微妙に除去してその質量を削減する周波数調整を行う。
【0114】
これは次の理由による。
【0115】
この実施形態では、引き出し電極14a(13a)の表面には、最表面層44が形成されており、この領域は、特に、膜厚方向に関して、この最表面層44と中間層33とから上層34に向かって上下の各方向に銅(Cu)とアルミニウム(Al)成分が拡散され、半田成分の拡散防止が行われている。特に、半田は、図14の接続電極13,14に適用されることから、この引き出し電極14a(13a)の箇所を選択的に処理しておけば、半田拡散のほとんどを有効に阻止できるので、他の実施形態と同様の作用効果が発揮される。
【0116】
一方、励振電極19の領域には、上記最表面層44を形成していないため、この領域の拡散混合層37の銀と銅の合金といった除去効率の高い金属を選択的に除去することができる。すなわち、励振電極19の領域には、アルミニウムによる強靱な酸化膜(酸化アルミニウム)が存在しないことから、短時間で質量削減方式の周波数調整を行うことができる。
【0117】
これにより、周波数調整時間を短くすることで、周波数調整時に大きく温度上昇しないで済み、終了後の温度下降との関係で過大な周波数変化を生じることがなく、周波数調整により調整した周波数が後で大きく変動する事態を有効に防止することができる。
【0118】
周波数調整が終了したら、真空中や窒素雰囲気中で、図1で説明したパッケージ12内に水晶振動片を封止し、水晶振動子を完成させ(ST37)、面実装の場合には、さらにこの水晶振動子を樹脂モールドする(ST38)。
【0119】
図16は、水晶振動片をいくつかの製造方法により製造したサンプルに関してまとめた表である(厚み、膜厚の単位はnmである)。この表中において、サンプル1とサンプル2は本発明とは異なる従来の製造方法により製造した比較例であり、他のサンプルについては、全て本発明の各実施形態を適用したものである。そして、この表では、各サンプルに関して、その各下地層や中間層等上述した各条件を当てはめた詳細を示しており、このうちサンプル3ないし7までは、第1の実施形態の製造方法を適用しその条件を種々変更したものである。サンプル8は上記第2の実施形態により、サンプル9は上記第3の実施形態によるものである。
【0120】
図17は、図16の各サンプルに関して、その性能をテストした結果を示している。
【0121】
製造後、摂氏125度で1000時間試したエージング特性に関しては、本発明のサンプル3ないし9は、その周波数変化がマイナス5ppm以下、サンプル14,15がマイナス2ppm以下と良好な結果を示し、CI値変化は、いずれも5Ω以下と良好であった。
本発明は上述の実施形態に限定されない。上述の各実施形態の各構成は、省略したり、適宜任意に組み合わせることができる。
【0122】
また、本発明の水晶振動片とその製造方法は、水晶振動子や水晶発振器に限らず、水晶振動片を用いたあらゆる水晶デバイスに適用することができる。
【0123】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電極膜中に半田成分の拡散を防止できる成分を十分に拡散混合させて、振動特性の悪化を阻止することができる水晶振動片の製造方法と、そのような特性をもつ水晶振動片を使用した水晶デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る水晶デバイスとしての水晶振動子の一例を示す概略斜視図。
【図2】図1の水晶振動子の概略水平断面図。
【図3】図1の水晶振動子の概略垂直断面図。
【図4】本発明の水晶振動片の製造方法の第1の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図5】図4の製造方法による電極膜の膜構造を示す概略断面図。
【図6】図4の製造方法による熱処理後の電極膜の膜構造を示す概略断面図。
【図7】図4の製造方法による電極膜の高融点金属成分が拡散する原理を示す概略断面図。
【図8】本発明の水晶振動片の製造方法の第2の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図9】図8の製造方法により製造される水晶振動片を示す概略平面図。
【図10】図8の製造方法による電極膜の膜構造を示し、(a)励振電極の領域の膜構造の概略断面図、(b)励振電極以外の領域の膜構造の概略断面図。
【図11】図8の製造方法による電極膜の熱処理後の膜構造を示し、(a)励振電極の領域の膜構造の概略断面図、(b)励振電極以外の領域の膜構造の概略断面図。
【図12】図8の製造方法による電極膜の銅やAl成分が拡散する原理を示す概略断面図。
【図13】本発明の水晶振動片の製造方法の第3の実施形態を説明するためのフローチャート。
【図14】図13の製造方法により製造される水晶振動片を示す概略平面図。
【図15】(a)図13の製造方法による電極膜の引き出し電極の領域の膜構造の概略断面図、(b)その励振電極の領域の膜構造の概略断面図、(c)図13の製造方法による熱処理後の電極膜の引き出し電極の領域の膜構造の概略断面図、(d)その励振電極の領域の膜構造の概略断面図。
【図16】本発明の各実施形態の製造方法を利用したサンプルの製造条件と比較例のサンプルの製造条件を示す表。
【図17】図16の各サンプルの性能を比較した表。
【図18】従来の水晶振動片の製造方法を説明するためのフローチャート。
【図19】従来の水晶振動片の電極膜の構造を示し、(a)製造時の膜構造を示す概略断面図、(b)製造後の熱的影響による電極膜構造の変化を示す概略断面図。
【図20】従来の水晶振動片の製造後の熱的影響による周波数変化の様子を示すグラフ。
【図21】従来の水晶振動片の製造後の熱的影響による半田成分の拡散の様子を示す概略断面図。
【符号の説明】
10 水晶振動子
11 水晶振動片
12 パッケージ
13 接続電極
13a 引き出し電極
14 接続電極
14a 引き出し電極
15 半田
16 半田
17a 給電電極
19 励振電極
21 水晶片
22 下地層
23 中間層
24 上層(電極層)
25 電極膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a method for manufacturing a crystal vibrating piece housed in a package of a crystal device, and to a crystal device using a crystal vibrating piece by such a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
FIG. 18 is a flowchart simply showing a conventional manufacturing process in the case of manufacturing a crystal resonator element used in a crystal device such as a crystal resonator.
[0003]
In the figure, first, a quartz crystal wafer is formed by cutting a raw quartz crystal obtained by a predetermined crystal growth process as a piezoelectric material that generates vibration by applying a voltage. Then, the quartz wafer is polished to increase the parallelism between the front and back surfaces of the wafer and to adjust to a predetermined thickness. Then, the processed crystal wafer is cut to the size of a chip for forming a crystal vibrating piece, and the cut end surface is polished to obtain a crystal piece (ST1).
[0004]
Next, an electrode film is formed on the surface (both front and back surfaces) of the crystal piece by vapor deposition or the like. That is, an electrode is formed on a crystal piece that is a piezoelectric body, and an excitation electrode and an external electrode for supplying a drive voltage from the outside are connected to the surface of the electrode in order to generate a predetermined vibration. For this purpose, an extraction electrode is provided (ST2).
[0005]
FIG. 19A shows the film structure of the electrode film 8. On the crystal piece 2, Cr is first formed as an underlayer 3 by vapor deposition or the like, and an electrode layer 4 made of, for example, silver is formed thereon as an upper layer.
[0006]
Next, as shown in FIG. 21, the power supply electrode 6 which is an external electrode is joined using solder (ST3), and then annealed to remove internal stress applied up to this joining step. (ST4).
[0007]
Then, the mass of the electrode film 8 formed in ST2 is adjusted, that is, the components of the electrode layer 4 are added and overlapped, or the electrode layer is irradiated with an electron beam, an ion beam, or a laser beam. The frequency is adjusted to remove the metal coating 4 and reduce its mass (ST5). In other words, the actual vibration frequency is adjusted with respect to the desired frequency of the quartz crystal vibrating piece to match the desired vibration performance.
[0008]
When the frequency adjustment is completed, the crystal resonator element is sealed in the package in a vacuum or a nitrogen atmosphere to complete the crystal resonator (ST6). In the case of surface mounting, a crystal resonator is further resin-molded (ST7). At this time, a heating stress is applied to the crystal vibrating piece.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the piezoelectric device using the piezoelectric vibrating piece made by the manufacturing process as described above, as shown in FIG. 20, when the product is in a high temperature environment, for example, an environment of about 125 degrees Celsius, the vibration frequency There was a problem that changed.
[0010]
In this case, the vibration frequency of the piezoelectric vibrating piece changes so as to be low. Thereby, there exists a problem that desired vibration performance cannot be hold | maintained.
[0011]
And the problem in the manufacturing process mentioned above can be considered as a cause of such a fluctuation | variation.
[0012]
That is, it is considered that the process shown in FIG. 21 proceeds when heat is applied to the piezoelectric vibrating piece after the soldering step of the feeding electrode (lead) 6 in ST3 (ST4 to ST7). First, the power supply electrode 6 is joined by diffusion of solder components to the surface of the electrode film 8 by heat. However, when this solder component is placed in a high-temperature environment in the above-described manufacturing process such as ST4 annealing process or ST7 molding process after bonding, as shown by the arrow in FIG. It will spread further.
[0013]
In this case, the diffused solder component increases the weight of the electrode film 8 and changes the frequency as described above, which has an adverse effect.
[0014]
Further, as shown in FIG. 19B, under this high temperature, the chromium component of the underlayer 3 also diffuses into the upper electrode layer 4 in contact therewith to form the diffusion layer 5. The surface of the electrode layer 4 is hardly affected.
[0015]
Here, it has been found that when the high melting point metal component such as chromium is diffused in the electrode layer 4, the diffusion of the solder component can be prevented. However, in the structure of the electrode film 8 as shown in FIG. 19A, the chromium component diffuses only in the vicinity of the region in contact with the underlayer 3, while the solder component is opposite to the side where the underlayer 3 is present. Therefore, the above-described effect of suppressing solder diffusion due to the diffusion of chromium cannot be expected.
[0016]
Therefore, in the electrode film structure shown in FIG. 19A, a method of providing an intermediate layer (not shown) between the base layer 3 and the upper layer 4 and including the chromium component in the intermediate layer is also conceivable.
[0017]
Therefore, specific studies were made on such an attempt. As a result, such an intermediate layer in which a chromium component was mixed with a conductive metal was provided, and the chromium component was sufficiently diffused into the upper layer. In order to suppress the frequency change to about 5 ppm, the chromium content of the intermediate layer needs to be 4 percent or more in terms of atomic weight.
[0018]
However, with such a film structure, the CI (crystal impedance) value increases, so the film thickness must be 150 nm or more. In addition, when the chromium component is sufficiently diffused in the upper layer in order to suppress the frequency change as described above, another problem that the solder flow becomes insufficient occurs.
The present invention eliminates the above-mentioned problems, and sufficiently diffuses and mixes components capable of preventing the diffusion of the solder component in the electrode film, thereby preventing the deterioration of the vibration characteristics, and its manufacturing method, An object of the present invention is to provide a quartz crystal device using a quartz crystal vibrating piece having such characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, there is provided an excitation electrode to which a drive voltage is applied to the surface of a crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via a lead electrode. On the other hand, a method for manufacturing a crystal vibrating piece to which a feeding electrode for applying an external driving voltage is bonded, wherein the crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block. An intermediate layer made of a mixed layer of Cu and a conductive metal (Ag or Au), and an intermediate layer formed on the surface of the base layer made of one of Ti, Cr, and Ni. An electrode film provided with an upper layer made of the conductive metal (Ag or Au) is formed, the power feeding electrode is brought into contact with the connection electrode of the electrode film and joined by soldering, and then heat-treated The water before the joining step. While relieving the stress applied to the piece, the material component of the intermediate layer is diffused into the upper layer and deposited on the surface of the upper layer, and the mass of the electrode film is increased or reduced. This is achieved by a method of manufacturing a quartz crystal vibrating piece that is frequency adjusted by performing.
[0020]
According to the configuration of claim 1, the quartz crystal resonator element according to this manufacturing method is provided as a film configuration of the electrode film on the base layer made of one of Ti, Cr, and Ni, and on the base layer. And an intermediate layer made of a mixed layer of conductor metal and an upper layer made of the conductor metal (Ag or Au) provided on the intermediate layer.
[0021]
Then, the power supply electrode is brought into contact with the connection electrode of the electrode film, joined by soldering, and then subjected to heat treatment to relieve the stress applied to the crystal piece until the joining step, and the material of the intermediate layer Components are diffused into the upper layer and deposited on the surface of the upper layer.
[0022]
That is, in the present invention, the component of the underlayer is selected from one of Ti, Cr, and Ni, but these components are not expected to diffuse into the upper layer. In other words, these components are not intended to be diffused in the upper conductive metal and prevent the solder from being diffused, and the underlying layer is suitable for bonding the crystal and the conductive metal. Is selected.
[0023]
On the other hand, as a result of various studies on conditions for actively diffusing effective components other than the refractory metal in the thickness direction of the electrode film, an intermediate layer composed of a mixed layer of the Cu component and the conductor metal is provided. He devised a positive heat treatment after the joining process.
[0024]
That is, placing in a high temperature environment after manufacturing or after forming the electrode film leads to diffusion of the solder component used for bonding into the electrode film as described above. Therefore, the addition of a simple heat treatment process does not solve the problem. The inventors have studied various conditions for preventing the diffusion of solder while introducing a heat treatment step for the diffusion of components other than the refractory metal component, and in the present invention, as described above, This is achieved by devising a heat treatment step in which an intermediate layer is provided on the intermediate layer and the Cu component of the intermediate layer is positively deposited on the electrode layer.
[0025]
Thereby, since there is a Cu component deposited to the surface of the electrode film, it is considered that the Cu component is mixed to the vicinity of the surface of the electrode film. Thus, the solder component is not easily diffused along the surface of the electrode film even in a high temperature environment in the subsequent mounting process and the like, and the diffused solder component does not increase the weight of the electrode film.
[0026]
In addition, since the Cu component mixed so as to be deposited on the surface of the electrode film does not increase the CI value, it is not necessary to take measures for increasing the CI value, which causes another problem other than solder diffusion. Nor.
[0027]
According to the second aspect of the present invention, there is provided an excitation electrode to which a driving voltage is applied to the surface of a crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via a lead electrode. On the other hand, a method for manufacturing a crystal vibrating piece to which a feeding electrode for applying an external driving voltage is bonded, wherein the crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block. An intermediate layer made of a mixed layer of Cu and a conductive metal (Ag or Au), and an intermediate layer formed on the surface of the base layer made of one of Ti, Cr, and Ni. An electrode film provided with an upper layer made of the conductive metal is formed, and the feeding electrode is brought into contact with the connection electrode of the electrode film by soldering, and at least on the excitation electrode, Forming the outermost layer with Al, then By treating, the stress applied to the crystal piece by the joining step is relaxed, and the material component of the intermediate layer is diffused into the upper layer to be deposited on the surface of the upper layer, and the outermost layer This is achieved by a method of manufacturing a quartz crystal vibrating piece in which Al is diffused into the upper layer and the frequency is adjusted by performing mass increase or mass reduction processing on the surface of the electrode film.
[0028]
According to the configuration of claim 2, the quartz crystal resonator element is provided on the base layer made of one of Ti, Cr, and Ni, and on the base layer, as in the first aspect of the invention. And an upper layer of at least the excitation electrode portion of the electrode film provided on the intermediate layer and having an upper layer made of the conductive metal. The point of having an outermost surface layer is different from that of the first aspect.
[0029]
Here, aluminum (Al) is selected as the outermost surface layer by forming Al on the conductive metal and diffusing Al in the conductive metal (Ag or Au), thereby applying the solder to the conductive metal. Diffusion can be suppressed, the Al component does not accompany an increase in CI value, and a weight layer is formed on the excitation electrode in advance to increase the mass in advance before the frequency adjustment step. This is because it can serve as an adhesive layer with the weight layer.
[0030]
And after forming this outermost surface layer, since it heat-processes actively and the material component of an outermost surface layer is diffused in the said upper layer below it, Cu component is different from the case of Claim 1, The Al component diffuses in the film thickness direction upward from the intermediate layer and downward from the outermost surface layer.
[0031]
As a result, an effect exceeding that of the first aspect is exhibited and diffusion of the solder component to the electrode film (upper layer) is suppressed.
[0032]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an excitation electrode to which a driving voltage is applied to the surface of a crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via an extraction electrode. A method for manufacturing a crystal vibrating piece in which a feeding electrode for applying an external driving voltage to an electrode is bonded. The crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block. On the surface of the crystal piece, an underlayer made of one of Ti, Cr, and Ni, an intermediate layer provided on the underlayer and made of a mixed layer of Cu and a conductor metal (Ag or Au), An electrode film provided on the intermediate layer and having an upper layer made of the conductive metal is formed, the power feeding electrode is brought into contact with the connection electrode of the electrode film and joined by solder, and at least on the extraction electrode And forming an outermost surface layer of Al, In addition, by heat treatment, the stress applied to the crystal piece by the joining step is relieved, and the material component of the intermediate layer is diffused into the upper layer and deposited on the surface of the upper layer, and the outermost surface This is achieved by a method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece in which Al in the layer is diffused into the upper layer and the frequency is adjusted by performing mass increase or mass reduction treatment on the surface of the electrode film.
[0033]
According to the configuration of claim 3, the quartz crystal resonator element is provided on the base layer made of one of Ti, Cr, and Ni, and on the base layer, as in the invention of claim 1. An intermediate layer made of a mixed layer of metal and a conductor metal, and an upper layer made of the conductor metal provided on the intermediate layer, and at least on the upper layer of the lead electrode portion of the electrode film The point of having an outermost surface layer made of Al is different from that of the first aspect.
[0034]
And after forming this outermost surface layer, since it heat-processes actively and the material component of an outermost surface layer is diffused in the said upper layer below it, Cu component is different from the case of Claim 1, It diffuses in the direction of film thickness upward from the intermediate layer and downward from the outermost surface layer. In particular, in the third aspect, the outermost surface layer is formed in the lead electrode portion where the power supply electrode as the external electrode is connected to the connection electrode to be joined by solder, and therefore, in a limited path where the solder leads to the excitation electrode. In addition to Cu, Al component is also diffused.
[0035]
As a result, an effect exceeding that of the first aspect is exhibited and diffusion of the solder component to the electrode film (upper layer) is suppressed.
[0036]
The invention according to claim 4 is the structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the film thickness of the underlayer is 5 nm or more and 30 nm or less, and the mixing ratio of Cu and conductor metal (Ag or Au) of the intermediate layer However, the atomic ratio of Cu is 30% or more and 60% or less, the film thickness of the upper layer is 20 nm or more and 180 nm or less, and the total film thickness of the upper layer and the intermediate layer is 100 nm or more and 500 nm or less. It is characterized by.
[0037]
In the configuration of claim 4, the film thickness of the underlayer is 5 nm or more and 30 nm or less because if the film thickness is less than 5 nm, the adhesion strength of the electrode film is insufficient, so the film thickness is 30 nm. This is because the CI value rises to an unacceptable range.
[0038]
When Cu (copper) is less than 30 percent by atomic ratio, the solder diffusion preventing effect described later is reduced or lost. If copper exceeds 60 percent by atomic ratio, a change in frequency occurs over time after the product is completed.
[0039]
The reason why the total film thickness of the intermediate layer and the upper layer is 100 nm or more and 500 nm or less is that, in this range, there is no problem with respect to the CI (crystal impedance) value of the product in this range.
[0040]
Furthermore, if the film thickness of only the upper layer is not more than 20 nm, the bonding strength between the connection electrode and the feeding electrode becomes insufficient, and if it exceeds 180 nm, the diffusion of the copper (Cu) component in the film thickness direction may be insufficient. is there.
[0041]
According to a fifth aspect of the present invention, in the structure according to any one of the second to fourth aspects, the film thickness of the outermost surface layer is 5 nm or more and 30 nm or less.
[0042]
According to the structure of Claim 5, unless the thickness of the said outermost surface layer is 5 nm or more, the frequency change reduction effect as mentioned later will not appear. Moreover, since this effect becomes constant when the thickness of the outermost surface layer is 30 nm, this is the upper limit.
[0043]
The invention according to claim 6 is the structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat treatment temperature is 200 degrees Celsius or more and 300 degrees Celsius or less, and the treatment time is 2 minutes or more and 1.5 hours or less. And
[0044]
According to the configuration of claim 6, if heating is not performed at 200 degrees Celsius or more for 2 minutes or more, stress relaxation in the previous process is difficult and diffusion of a necessary Cu component becomes difficult. When heat-treated for 5 hours or more, the bonding strength of the electrode may be insufficient. According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a quartz crystal device in which a quartz crystal vibrating piece in a package is accommodated and sealed, wherein the quartz crystal vibrating piece is excited so that a driving voltage is applied to a surface thereof. An electrode and a connection electrode connected to the excitation electrode via an extraction electrode, and a power supply electrode for applying a driving voltage from the outside is joined to the connection electrode by solder, and the excitation Each electrode film constituting the electrode, the extraction electrode, and the connection electrode is provided on a base layer made of one of Ti, Cr, and Ni, and a mixture of Cu and Ag or Au. And an electrode film provided on the intermediate layer and provided with the upper layer made of Ag or Au, the material component of the intermediate layer being diffused into the upper layer, and the upper layer Precipitate on the surface of the To the surface of the electrode film, and a structure in which the frequency adjustment by performing a mass increase or mass reduction process, the quartz crystal device is achieved.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0046]
FIG. 1 is a perspective view showing a crystal resonator as an example of a crystal device using a crystal resonator element according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic plan view, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view.
[0047]
In these drawings, the crystal resonator 10 includes a package 12 in which a space portion 12a is formed and a plate-like crystal vibrating piece 11 that is long in one direction and is sealed in the package.
[0048]
The quartz crystal vibrating piece 11 is a plate formed in a strip shape, for example, using quartz. On the quartz vibrating piece 11, an excitation electrode 19 and connection electrodes 13 and 14 are formed in a manufacturing process described later. . The excitation electrode 19 is for applying a driving voltage from the outside to generate a predetermined thickness shear vibration in the crystal based on the piezoelectric action. The excitation electrode 19 and the connection electrode are connected by extraction electrodes 13a and 14a.
[0049]
The excitation electrode 19 is similarly formed on the back surface of FIG. 1, and the connection electrode 14 is connected to the excitation electrode 19 formed on the front surface side via an extraction electrode 14a. The connection electrode 13 is connected to an excitation electrode (not shown) of the same shape formed on the back surface side via an extraction electrode 13a.
[0050]
The package 12 is formed of, for example, a metal material. Specifically, the package 12 is formed of easily processed white or more preferably Kovar, etc., and is formed as a hollow cylinder having a front side open in FIG. 1 and a bottom 23 on the back side. ing.
[0051]
The quartz crystal resonator element 11 is inserted into the space 12a from the open end 18a of the package 12, and at one end thereof, a lead terminal 17 as a power supply electrode drawn from the outside of the package onto the connection electrodes 13,14. , 17, that is, inner leads 17 a, 17 a are joined using solders 15, 16, respectively.
[0052]
The open end 18a of the package 12 is sealed with a plug 18 inserted therein. As shown in FIGS. 2 and 3, the plug 18 is made of a metal ring 18b fitted into the inner peripheral portion of the open end 18a of the package 12, and a glass material or the like disposed inside the ring 18b. And an insulating member 18c.
[0053]
The crystal vibrating piece 11 is supported by a cantilever system by fixing one end side of the crystal vibrating piece 11 through the plug 18 and setting the back side as a free end 21. The insulating member 18c of the plug 18 insulates the lead terminals 17, 17 penetrating therethrough.
[0054]
Thus, the crystal resonator element of the present invention is applied to various crystal devices such as a crystal resonator and a crystal oscillator having an integrated circuit added thereto.
[0055]
Next, a method for manufacturing the crystal vibrating piece 11 will be described.
[0056]
FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece according to the first embodiment of the present invention.
[0057]
First, the raw quartz crystal obtained by a predetermined crystal growth process is cut to form a quartz wafer. Then, the quartz wafer is polished to increase the parallelism between the front and back surfaces of the wafer and to adjust to a predetermined thickness. Then, the processed crystal wafer is cut to the size of a chip for forming a crystal vibrating piece, and the cut end face is polished to obtain a crystal piece 21 (ST10). A state in which the electrode film of the crystal vibrating piece 11 of FIGS. 1 to 3 is not formed is a crystal piece 21.
[0058]
Next, as shown in FIG. 5, an electrode film 25 is formed on the surface (both front and back surfaces) of this crystal piece by vapor deposition or the like. The excitation electrode 19 described in FIG. 1 and connection electrodes 13 and 14 for connecting the excitation electrode and an external electrode for supplying a drive voltage from the outside are provided on the surface of the crystal piece 21 (ST11).
[0059]
FIG. 5 shows the film structure of the electrode film 25. On the crystal piece 11, first, a base layer 22 is formed by evaporation or the like from one of Ti, Cr, and Ni as a base. Here, the use of one of Ti, Cr, and Ni has good adhesion to gold or silver as a conductor metal, and can avoid an increase in CI value without inhibiting the function of the intermediate layer described later. Because of the nature. Next, a mixed layer 23 of a conductor metal and the copper (Cu) is formed on the base layer 22 as an intermediate layer by vapor deposition or the like. Next, an upper layer 24 which is an electrode layer is formed on the intermediate layer 23 by vapor deposition or the like with a conductive metal such as gold (Au) or silver (Ag). In this embodiment, silver is selected for the upper layer 24.
[0060]
Next, after the electrode film 25 is formed, the power supply electrode (inner lead) 17a is brought into contact with the electrode film 25 through the solders 15 and 16 as shown in FIG. Joining (ST12). The solders 15 and 16 may be PbSn as normal solder or SnCu, for example, as lead-free solder. Here, when lead-free solder is used, the influence of lead contamination on the environment does not occur.
[0061]
Further, heat treatment is performed after the bonding (ST13). This heat treatment is performed, for example, by accommodating the crystal piece 21 on which the electrode film 25 is formed in a thermostat.
[0062]
In this case, the heat treatment relaxes the stress applied to the crystal piece 21 until the joining step of ST12 and diffuses the Cu component of the intermediate layer 23 into the upper layer 24 as shown in FIGS. This is carried out in order to deposit as component 26 on the surface of 24.
[0063]
Thereby, in this embodiment, the intermediate | middle layer 23 is provided on the base layer 22, and the Cu component of this intermediate | middle layer 23 is actively diffused to an upper layer direction. Then, as shown in FIGS. 5 and 6, the electrode layer 24 is deposited on the upper electrode layer 24 to form a diffusion mixed layer 27 in which the copper (Cu) component 26 is surely present in the vicinity of the surface. I am doing.
[0064]
Here, as the film formation conditions of the electrode film 25 in ST11, in the present embodiment, preferably, the film thickness of the base layer 22 is 5 nm or more and 30 nm or less, and the intermediate layer 23 is a mixture of copper and a conductive metal such as silver. Regarding the ratio, the atomic ratio of copper is 30% or more and 60% or less, the film thickness of the intermediate layer 22 and the upper layer 24 is 100 nm or more and 500 nm or less, and the film thickness of only the upper layer 24 is 20 nm or more and 180 nm or less. Set to.
[0065]
That is, if the thickness of the underlayer 22 is less than 5 nm, the adhesion strength between the crystal 21 and the intermediate layer 23 is insufficient. This is because if the film thickness of the underlayer 22 exceeds 30 nm, the CI value may increase excessively and exceed the allowable range.
[0066]
In addition, regarding the mixing ratio of copper and silver in the intermediate layer 23, if the copper is less than 30 percent by atomic ratio, the solder diffusion preventing effect described later is reduced or lost. If copper exceeds 60 percent by atomic ratio, a change in frequency occurs over time after the product is completed.
[0067]
In addition, the reason why the total film thickness of the intermediate layer 23 and the upper layer 24 is 100 nm or more and 500 nm or less is that, in this range, there is no problem with respect to the CI (crystal impedance) value of the product in this range. .
[0068]
Furthermore, if the film thickness of only the upper layer 24 is not more than 20 nm, the bonding strength between the connection electrode and the feeding electrode is insufficient, and if it exceeds 180 nm, the diffusion of the copper (Cu) component into the upper layer 24 in FIG. 7 is insufficient. There is a risk.
[0069]
In the heat treatment in ST13, for example, the temperature is 200 degrees Celsius or more and 300 degrees Celsius or less, and the treatment time is 2 minutes or more and 1.5 hours or less.
[0070]
That is, if it is not heated at 200 degrees Celsius or more for 2 minutes or more, it becomes difficult to diffuse the necessary Cu component together with stress relaxation in the previous process. When heat treatment is performed at 300 degrees Celsius or more for 1.5 hours or more, This is because the bonding strength of the electrodes is insufficient.
[0071]
Next, the mass of the electrode film 25 formed in ST11 is adjusted, that is, the component of the electrode layer 24 is further evaporated to further increase the weight, or the electron beam, ion beam, or laser beam is irradiated. In other words, the metal film of the electrode layer 24 is subtly removed to adjust the frequency to reduce its mass (ST14). In other words, the actual vibration frequency is adjusted with respect to the desired frequency of the crystal vibrating piece 11 to match the desired vibration performance.
[0072]
When the frequency adjustment is completed, the quartz crystal resonator element is sealed in the package 12 described with reference to FIG. 1 in a vacuum or a nitrogen atmosphere to complete the quartz crystal resonator (ST15). Then, the crystal unit is resin-molded (ST16).
[0073]
The present embodiment is configured as described above, and after the power supply electrode 17a is brought into contact with the connection electrode 13 of the electrode film 25 and bonded by the solders 15 and 16, the heat treatment of ST13 is performed, and thereby the bonding process is completed. In addition, the stress applied to the crystal piece 21 is relaxed, and the copper (Cu) component of the intermediate layer 23 is diffused into the upper layer 24 and further deposited on the surface thereof.
[0074]
As a result, since there is a copper (Cu) component deposited up to the surface of the upper layer 24 that is the electrode layer, the components of the solder 15 and 16 remain on the surface of the electrode film 25 even in a high temperature environment in the subsequent mounting process or the like. Accordingly, the diffused solder component does not increase in weight of the electrode film 25.
[0075]
In particular, the diffusion mixture layer 27 and the precipitation layer 26 shown in FIG. 6 are formed, so that the conventional solder diffusion at the interface between the underlayer and the upper layer and the interface between the upper layer and the air layer is suppressed. And solder diffusion in the diffusion mixed layer 27 is also suppressed.
[0076]
For this reason, it is effectively prevented that the vibration frequency of the quartz crystal vibrating piece 11 shifts lower than a desired frequency due to an increase in the weight of the electrode film 25.
[0077]
In addition, since the Cu component diffused from the intermediate layer 23 is a component having a low electrical resistance, the diffusion mixed layer 27 in FIG. 6 is an alloy of silver and copper and has a low resistance value. Can be kept low.
[0078]
FIG. 8 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 shows a schematic plan view of the quartz crystal vibrating piece 30 corresponding to the second embodiment. In this figure, the portions denoted by the same reference numerals as those of the quartz crystal vibrating piece 11 in FIGS. The overlapping description is omitted.
[0079]
First, the crystal piece 21 is obtained by the same process as ST10 of FIG. 4 (ST21).
[0080]
Next, as shown in FIG. 10, an electrode film 36 is formed on the surface (front and back surfaces) of this crystal piece by vapor deposition or the like (ST22).
[0081]
10A shows at least the structure 36a of the region of the excitation electrode 19 in the electrode film 36, and FIG. 10B shows the structure 36b of the region other than the excitation electrode 19 in the electrode film 36. .
[0082]
In these figures, first, a base layer 32 made of one of Ti, Cr, and Ni is formed on the crystal piece 21 by vapor deposition or the like. This foundation layer 32 is the same as the foundation layer 22 of the first embodiment.
[0083]
Next, an intermediate layer 33 that is a mixed layer of a conductive metal, for example, gold (Au) or silver (Ag) and copper (Cu) is formed on the base layer 32 by vapor deposition or the like.
[0084]
Next, an upper layer 34 to be an electrode layer is formed. The upper layer 34 is the same as the upper layer of the first embodiment, and is formed of a conductive metal such as gold (Au) or silver (Ag). In this embodiment, silver is selected as the upper layer 34.
[0085]
Further, after the upper layer 34 is formed, as shown in FIG. 12, the power supply electrode (inner lead) 17a is joined via the solders 15 and 16 with the electrode film 36a being in contact therewith. (ST23). The solders 15 and 16 may be PbSn as normal solder or SnCu, for example, as lead-free solder. Here, when lead-free solder is used, the influence of lead contamination on the environment does not occur.
[0086]
Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 9, the outermost surface layer 35 is further formed on at least the excitation electrode 19 (ST24). The outermost surface layer 34 is formed by vapor deposition or the like by selecting aluminum (Al).
[0087]
Here, aluminum (Al) is selected as the outermost surface layer 35 by depositing Al on the conductor metal and diffusing Al into the conductor metal (Ag or Au), thereby forming the conductor metal of the solder. In order to suppress the diffusion of Al, the Al component does not increase the CI value, and before the frequency adjustment process, a weight layer is formed on the excitation electrode to increase the mass in advance. This is because it can serve as an adhesive layer between the weight layer and the weight layer.
[0088]
That is, in this case, on the excitation electrode 19, the electrode film 36 a has the base layer 32, the intermediate layer 33, the upper layer 34, and the outermost surface layer 35 as shown in FIG. In the electrode portion, the electrode film 36 b has the base layer 32, the intermediate layer 33, and the upper layer 34, and does not have the outermost surface layer 35.
[0089]
Thereafter, heat treatment is performed (ST25). This heat treatment is performed, for example, by accommodating the crystal piece 21 on which the electrode films 36a and 36b are formed in a thermostat.
[0090]
Here, the heat treatment is performed in order to relieve the stress applied to the crystal piece 21 until the bonding step ST23 and to exhibit the action shown in FIGS.
[0091]
In this embodiment, as shown in FIG. 11A, the copper (Cu) component of the intermediate layer 33 is diffused with respect to the upper layer 34 in the region of the excitation electrode 19. At the same time, the aluminum (Al) component of the outermost surface layer 35 diffuses into the upper layer 34, thus forming a diffusion mixed layer 37. Further, the outermost surface layer 35 formed in ST24 exists on the diffusion mixed layer 37.
[0092]
In addition, as shown in FIG. 11B, in the region other than the excitation electrode 19, the copper (Cu) component of the intermediate layer is diffused into the upper layer 34 to form a diffusion mixed layer 37. That is, the upper layer 34 is diffused with a copper (Cu) component to form a diffusion mixed layer 37 and further deposited on the surface thereof to constitute a deposited layer 38.
[0093]
Here, as the film formation conditions of the electrode film of ST22, in the present embodiment, the film thickness of the base layer 32 is preferably 5 nm or more and 30 nm or less, and the mixing ratio of copper and conductor metal such as silver in the intermediate layer 33 is preferable. , The atomic ratio of copper is 30% or more and 60% or less, and the total film thickness of the intermediate layer 32 and the upper layer 34 is 100 nm or more and 500 nm or less, and the film thickness of only the upper layer 34 is 20 nm or more and 180 nm or less. Set.
[0094]
In the heat treatment in ST25, for example, the temperature is 200 degrees Celsius or more and 300 degrees Celsius or less, and the treatment time is 2 minutes or more and 1.5 hours or less.
[0095]
These conditions are the same as in the first embodiment, and the reason is also common.
[0096]
Here, in the present embodiment, the thickness of the outermost surface layer 35 is preferably 5 nm or more and 30 nm or less.
[0097]
That is, unless the thickness of the outermost surface layer 35 is 5 nm or more, a frequency change reducing effect as described later does not appear. Further, since this effect becomes constant when the thickness of the outermost surface layer 35 is 30 nm, this is the upper limit.
[0098]
When the heat treatment of ST25 is completed, frequency adjustment (ST26) is performed, sealing is performed with the package 12 (ST27), and necessary mold processing is performed (ST28). These steps are the same as the corresponding ST14, 15, 16 in the first embodiment.
[0099]
Thus, also in this embodiment, the components of the solders 15 and 16 are not easily diffused along the surfaces of the electrode films 36a and 36b even in a high temperature environment in the subsequent mounting process, and the diffused solder components are not diffused into the electrode film. No increase in weight.
[0100]
In particular, in the region of the excitation electrode 19, as shown in FIG. 11, the outermost surface layer 34 and the diffusion mixed layer 37 are formed, and in the other regions, the diffusion mixed layer 37 and the precipitation layer 38 are formed. In addition, it is possible to suppress the diffusion of solder at the conventional boundary between the upper layer and the air layer and the boundary between the upper layer and the underlayer.
[0101]
For this reason, it is effectively prevented that the vibration frequency of the crystal vibrating piece 11 is shifted lower than a desired frequency due to the increase in weight of the electrode films 36a and 36b.
[0102]
In addition, in this case, since the Cu component diffused from the intermediate layer 33 and the outermost surface layer 35 is a component having a low electric resistance, the diffusion mixed layer 37 is an alloy of silver and copper, and has a low resistance value. Therefore, the CI value can be kept low.
[0103]
In particular, in this embodiment, in ST26, when a weight layer of gold or silver is newly provided on the outermost surface layer 34 by vapor deposition or the like by a weight increase method, as in the conventional case, gold or silver is used. Compared with the case where a weight layer is added to the electrode surface, the adhesion of the weight layer is improved. For this reason, it is possible to prevent the added weight layer from peeling off when the product is used. Furthermore, if the frequency adjustment method using the mass reduction process is used, the frequency change speed can be reduced due to the presence of Al, which is suitable for precise frequency adjustment.
[0104]
FIG. 13 is a flowchart showing a method for manufacturing a quartz crystal resonator element according to the third embodiment of the present invention. FIG. 14 shows a schematic plan view of the quartz crystal vibrating piece 40 corresponding to the third embodiment. In this figure, the portions denoted by the same reference numerals as those of the quartz crystal vibrating piece 11 of FIGS. The overlapping description is omitted.
[0105]
In FIG. 13, the processes of ST31, 32, and 33 are the same as the processes described in ST21, 22, and 23 of FIG.
[0106]
In this embodiment, after the bonding step ST23, as shown in FIG. 15, electrode films are formed on the front and back surfaces of the crystal piece 21. Here, FIG. 15A shows the film structure of the extraction electrode portion of the quartz crystal vibrating piece 40 of FIG. 14, and FIG. 15B shows the film structure of at least the excitation electrode 19 region. Yes.
[0107]
With respect to each of these film structures, the portions denoted by the same reference numerals as those in the second embodiment have the same layer structure, and thus redundant description is omitted.
[0108]
In ST34, in particular, the outermost surface layer 44 is formed on the upper layer 34 of the region of the extraction electrode 14a shown in FIG. 14 (the same applies to the extraction electrode 13a on the back side). In this case, the outermost surface layer 44 is formed of aluminum in the same manner as the outermost surface layer 35 of the second embodiment.
[0109]
Next, heat treatment is performed in ST35. The conditions for this heat treatment are the same as those in ST25 of the second embodiment.
[0110]
The film structure after the heat treatment of ST35 is shown in FIGS. 15 (c) and 15 (d). In this case, FIG. 15C shows the film structure of the extraction electrode portion of the crystal vibrating piece 40 of FIG. 14 after the heat treatment, and FIG. 15D shows the film structure of at least the region of the excitation electrode 19. Is shown.
[0111]
As can be seen from a comparison between FIG. 15A and FIG. 15C, on the extraction electrode 14a (13a), the copper (Cu) component of the intermediate layer 33 diffuses upward in the film thickness direction with respect to the upper layer 34. To do. At the same time, the aluminum (Al) component of the outermost surface layer 44 diffuses downward in the film thickness direction with respect to the upper layer 34, thus forming a diffusion mixed layer 37.
[0112]
Further, as can be seen from a comparison between FIG. 15B and FIG. 15D, in the region of the excitation electrode 19, the copper (Cu) component of the intermediate layer 33 is diffused in the upper layer 34 in the film thickness direction to perform diffusion mixing. Layer 37 is formed. That is, in the upper layer 34, a copper (Cu) component is diffused to form a diffusion mixed layer 37, and the component is deposited on the surface to form a deposited layer 38.
[0113]
Next, frequency adjustment is performed (ST36). This step is particularly important. In this embodiment, the frequency adjustment is performed by, for example, irradiating the diffusion mixed layer 37 in the region of the excitation electrode 19 with an electron beam, an ion beam, or a laser beam. A frequency adjustment is performed to finely remove the metal coating of the layer 37 and reduce its mass.
[0114]
This is due to the following reason.
[0115]
In this embodiment, an outermost surface layer 44 is formed on the surface of the extraction electrode 14a (13a), and this region is formed from the outermost surface layer 44 and the intermediate layer 33 to the upper layer 34 particularly in the film thickness direction. In this way, copper (Cu) and aluminum (Al) components are diffused in the upper and lower directions to prevent the diffusion of solder components. In particular, since solder is applied to the connection electrodes 13 and 14 in FIG. 14, if the portion of the lead electrode 14a (13a) is selectively processed, most of the solder diffusion can be effectively prevented. The same effect as other embodiments is exhibited.
[0116]
On the other hand, since the outermost surface layer 44 is not formed in the region of the excitation electrode 19, it is possible to selectively remove a metal having a high removal efficiency such as an alloy of silver and copper in the diffusion mixed layer 37 in this region. . That is, since there is no tough oxide film (aluminum oxide) made of aluminum in the region of the excitation electrode 19, it is possible to adjust the frequency of the mass reduction method in a short time.
[0117]
Thus, by shortening the frequency adjustment time, it is not necessary to increase the temperature greatly during frequency adjustment, and an excessive frequency change does not occur due to the temperature decrease after completion. It is possible to effectively prevent large fluctuations.
[0118]
When the frequency adjustment is completed, the quartz crystal resonator element is sealed in the package 12 described in FIG. 1 in a vacuum or a nitrogen atmosphere to complete the quartz crystal resonator (ST37). A crystal resonator is resin-molded (ST38).
[0119]
FIG. 16 is a table summarizing samples of quartz crystal resonator pieces manufactured by several manufacturing methods (units of thickness and film thickness are nm). In this table, sample 1 and sample 2 are comparative examples manufactured by a conventional manufacturing method different from the present invention, and all other embodiments of the present invention are applied to other samples. In this table, each sample is shown in detail with the above-described conditions such as each underlayer and intermediate layer applied thereto, and among these samples, the manufacturing method of the first embodiment is applied to samples 3 to 7. However, the conditions are variously changed. Sample 8 is according to the second embodiment, and sample 9 is according to the third embodiment.
[0120]
FIG. 17 shows the results of testing the performance of each sample in FIG.
[0121]
Regarding the aging characteristics tested for 125 hours at 125 degrees Celsius after production, Samples 3 to 9 of the present invention showed a good result that the frequency change was minus 5 ppm or less and Samples 14 and 15 were minus 2 ppm or less. The changes were all as good as 5Ω or less.
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Each structure of each above-mentioned embodiment can be abbreviate | omitted, or can be combined arbitrarily arbitrarily.
[0122]
Further, the quartz crystal resonator element and the manufacturing method thereof according to the present invention can be applied not only to the crystal resonator and the crystal oscillator but also to any crystal device using the quartz crystal resonator element.
[0123]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece that can sufficiently prevent the deterioration of the vibration characteristics by sufficiently diffusing and mixing the components capable of preventing the diffusion of the solder component in the electrode film, It is possible to provide a quartz crystal device using a quartz crystal vibrating piece having such characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a crystal resonator as a crystal device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic horizontal cross-sectional view of the crystal resonator of FIG.
3 is a schematic vertical sectional view of the crystal resonator of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a flowchart for explaining a first embodiment of a method for producing a quartz crystal resonator element according to the invention.
5 is a schematic cross-sectional view showing a film structure of an electrode film by the manufacturing method of FIG.
6 is a schematic cross-sectional view showing the film structure of the electrode film after the heat treatment by the manufacturing method of FIG. 4;
7 is a schematic cross-sectional view showing the principle of diffusion of a refractory metal component of an electrode film by the manufacturing method of FIG.
FIG. 8 is a flowchart for explaining a second embodiment of the method for producing a quartz crystal resonator element according to the invention.
9 is a schematic plan view showing a quartz crystal vibrating piece manufactured by the manufacturing method of FIG. 8. FIG.
10 shows a film structure of an electrode film by the manufacturing method of FIG. 8, (a) a schematic sectional view of a film structure in a region of an excitation electrode, and (b) a schematic sectional view of a film structure in a region other than the excitation electrode.
11 shows a film structure after heat treatment of the electrode film by the manufacturing method of FIG. 8, (a) a schematic cross-sectional view of the film structure in the region of the excitation electrode, and (b) a schematic cross-sectional view of the film structure in the region other than the excitation electrode. Figure.
12 is a schematic cross-sectional view showing the principle of diffusion of copper and Al components in the electrode film by the manufacturing method of FIG.
FIG. 13 is a flowchart for explaining a third embodiment of the method for producing a quartz crystal resonator element according to the invention.
14 is a schematic plan view showing a quartz crystal vibrating piece manufactured by the manufacturing method of FIG.
15A is a schematic cross-sectional view of the film structure of the extraction electrode region of the electrode film by the manufacturing method of FIG. 13, FIG. 15B is a schematic cross-sectional view of the film structure of the region of the excitation electrode, and FIG. The schematic sectional drawing of the film | membrane structure of the area | region of the extraction electrode of the electrode film after the heat processing by a manufacturing method, (d) The schematic sectional drawing of the film | membrane structure of the area | region of the excitation electrode.
FIG. 16 is a table showing sample manufacturing conditions using the manufacturing method according to each embodiment of the present invention and comparative sample manufacturing conditions.
FIG. 17 is a table comparing the performance of each sample in FIG. 16;
FIG. 18 is a flowchart for explaining a conventional method of manufacturing a quartz crystal vibrating piece.
19A and 19B show the structure of an electrode film of a conventional crystal vibrating piece, (a) a schematic cross-sectional view showing the film structure during manufacture, and (b) a schematic cross-section showing changes in the electrode film structure due to thermal effects after manufacture. Figure.
FIG. 20 is a graph showing a state of frequency change due to thermal influence after manufacturing a conventional crystal resonator element;
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing a state of diffusion of a solder component due to a thermal influence after manufacturing a conventional crystal resonator element.
[Explanation of symbols]
10 Crystal resonator
11 Crystal vibrating piece
12 packages
13 Connection electrode
13a Lead electrode
14 Connection electrode
14a Lead electrode
15 Solder
16 Solder
17a Feed electrode
19 Excitation electrode
21 Crystal fragment
22 Underlayer
23 Middle layer
24 Upper layer (electrode layer)
25 Electrode membrane

Claims (7)

水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと、Ag或いはAuとの混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記Ag或いはAuからなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和すると共に、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させて、この上層の表面に析出させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整することを特徴とする、水晶振動片の製造方法。  An excitation electrode to which a drive voltage is applied to the surface of the crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via the extraction electrode, and for applying an external drive voltage to the connection electrode A method of manufacturing a crystal vibrating piece to which a feeding electrode is bonded, wherein the crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block, and one of Ti, Cr, and Ni is formed on the surface of the crystal piece. An underlayer made of seed, an intermediate layer provided on the underlayer and made of a mixed layer of Cu and Ag or Au, and an upper layer made of Ag or Au provided on the intermediate layer The electrode film is formed, the power supply electrode is brought into contact with the connection electrode of the electrode film and joined by soldering, and then heat treatment is performed to relieve stress applied to the crystal piece until the joining step, The material component of the intermediate layer A quartz crystal vibrating piece manufactured by diffusing into an upper layer and precipitating on the surface of the upper layer, and further adjusting the frequency by performing mass increase or mass reduction processing on the surface of the electrode film. Method. 水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと、Ag或いはAuとの混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記Ag或いはAuからなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、さらに、少なくとも前記励振電極上に、Alによる最表面層を形成し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和し、かつ、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させてこの上層の表面に析出させると共に、前記最表面層のAlを前記上層に拡散させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整することを特徴とする、水晶振動片の製造方法。  An excitation electrode to which a drive voltage is applied to the surface of the crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via the extraction electrode, and for applying an external drive voltage to the connection electrode A method of manufacturing a crystal vibrating piece to which a feeding electrode is bonded, wherein the crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block, and one of Ti, Cr, and Ni is formed on the surface of the crystal piece. An underlayer made of seed, an intermediate layer provided on the underlayer and made of a mixed layer of Cu and Ag or Au, and an upper layer made of Ag or Au provided on the intermediate layer Forming an electrode film, abutting the power feeding electrode on the connection electrode of the electrode film and bonding with solder, and further forming an outermost surface layer of Al on at least the excitation electrode, and then heat-treating By the joining process The stress applied to the crystal piece is relaxed, and the material component of the intermediate layer is diffused into the upper layer to be deposited on the surface of the upper layer, and Al of the outermost surface layer is diffused into the upper layer. A method of manufacturing a quartz crystal vibrating piece, wherein the frequency is adjusted by performing mass increase or mass reduction processing on the surface of the electrode film. 水晶片の表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が接合される水晶振動片の製造方法であって、水晶ブロックを切断して得た水晶ウエハから前記水晶片を形成し、この水晶片の表面に、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、下地層の上に設けられ、Cuと、Ag或いはAuとの混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記Ag或いはAuからなる上層とを備えた電極膜を形成し、前記電極膜の接続電極に前記給電電極を当接して半田により接合し、さらに、少なくとも前記引出し電極上に、Alによる最表面層を形成し、次いで、熱処理することにより、前記接合工程までに前記水晶片に加わった応力を緩和し、かつ、前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させてこの上層の表面に析出させると共に、前記最表面層のAlを前記上層に拡散させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整することを特徴とする、水晶振動片の製造方法。  An excitation electrode to which a drive voltage is applied to the surface of the crystal piece, and a connection electrode connected to the excitation electrode via the extraction electrode, and for applying an external drive voltage to the connection electrode A method of manufacturing a crystal vibrating piece to which a feeding electrode is bonded, wherein the crystal piece is formed from a crystal wafer obtained by cutting a crystal block, and one of Ti, Cr, and Ni is formed on the surface of the crystal piece. An underlayer made of seed, an intermediate layer provided on the underlayer and made of a mixed layer of Cu and Ag or Au, and an upper layer made of Ag or Au provided on the intermediate layer Forming an electrode film, abutting the power supply electrode on the connection electrode of the electrode film and joining with solder, and further forming an outermost surface layer of Al on at least the extraction electrode, and then heat-treating Until the joining process Relieving the stress applied to the crystal piece, and diffusing the material component of the intermediate layer into the upper layer and precipitating it on the surface of the upper layer, and diffusing Al of the outermost surface layer into the upper layer, A method of manufacturing a quartz crystal vibrating piece, wherein the frequency is adjusted by performing mass increase or mass reduction processing on the surface of the electrode film. 前記下地層の膜厚が5nm以上、30nm以下で、前記中間層のCuと、Ag或いはAuとの混合比が、Cuの原子比で30パーセント以上、60パーセント以下であり、前記上層の膜厚が20nm以上、180nm以下であり、前記上層と中間層を合わせた膜厚が100nm以上、500nm以下であることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の水晶振動片の製造方法。  The film thickness of the underlayer is 5 nm or more and 30 nm or less, the mixing ratio of Cu and Ag or Au of the intermediate layer is 30% or more and 60% or less in terms of Cu, and the film thickness of the upper layer 4. The method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece according to claim 1, wherein a thickness of the upper layer and the intermediate layer is not less than 100 nm and not more than 500 nm. . 前記最表面層の膜厚が、5nm以上、30nm以下であることを特徴とする、請求項2ないし4のいずれかに記載の水晶振動片の製造方法。  5. The method for manufacturing a quartz crystal vibrating piece according to claim 2, wherein the film thickness of the outermost surface layer is 5 nm or more and 30 nm or less. 前記熱処理の温度が摂氏200度以上摂氏300度以下で、処理時間が2分以上1.5時間以下であることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の水晶振動片の製造方法。  6. The quartz crystal resonator element according to claim 1, wherein a temperature of the heat treatment is 200 degrees Celsius or more and 300 degrees Celsius or less, and a treatment time is 2 minutes or more and 1.5 hours or less. Method. パッケージ内の水晶振動片が収容されて封止された水晶デバイスであって、前記水晶振動片は、その表面に駆動電圧が印加される励振電極と、この励振電極と引き出し電極を介して接続された接続電極とを備え、この接続電極に対して、外部からの駆動電圧を印加するための給電電極が半田により接合されており、
前記励振電極、引き出し電極、及び接続電極を構成する各電極膜は、Ti、Cr、Niのうちの1種よりなる下地層と、この下地層の上に設けられ、Cuと、Ag或いはAuとの混合層でなる中間層と、この中間層の上に設けられ、前記Ag或いはAuからなる上層とを備えた電極膜と、を備え、
前記中間層の材料成分を前記上層に拡散させて、この上層の表面に析出させ、さらに、前記電極膜の表面に対して、質量増加または質量削減処理を行うことで周波数調整した構成を備えていることを特徴とする、水晶デバイス。
A quartz crystal device in which a quartz crystal vibrating piece in a package is accommodated and sealed, and the quartz crystal vibrating piece is connected to an excitation electrode to which a driving voltage is applied on a surface thereof, and the excitation electrode and an extraction electrode. A power supply electrode for applying an external driving voltage to the connection electrode by soldering.
Each of the electrode films constituting the excitation electrode, the extraction electrode, and the connection electrode is provided on a base layer made of one of Ti, Cr, and Ni, and is provided on the base layer. And an electrode film provided on the intermediate layer and provided with the upper layer made of Ag or Au.
The material component of the intermediate layer is diffused into the upper layer and deposited on the surface of the upper layer, and the frequency adjustment is performed by performing mass increase or mass reduction treatment on the surface of the electrode film. A crystal device characterized by comprising:
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