JP4507551B2 - 水晶振動素子とその製造方法、及びその水晶振動素子を用いた表面実装型水晶デバイス - Google Patents

水晶振動素子とその製造方法、及びその水晶振動素子を用いた表面実装型水晶デバイス Download PDF

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Description

本発明は、水晶振動子や水晶発振器等の構成部品として使用される水晶振動素子の製造に関し、特に大型水晶母材に区画形成された水晶振動素子群を分割し複数の水晶振動素子に個片化する際に発生する種々の不具合を解決した水晶振動素子とその製造方法、及びその水晶振動素子を用いた表面実装型水晶デバイスに関するものである。
携帯電話機等の移動体通信機器の普及に伴う低価格化および小型化の急激な進展により、これらの通信機器に使用される水晶振動子や水晶発振器に対しても低価格化、小型化の要求が高まっている。
前記水晶振動子や前記水晶発振器に用いる水晶振動素子の小型化に伴い該水晶振動素子の手作業による取扱いが難しくなり、製造工程間での運搬不良(例えば水晶振動素子若しくは水晶片(ブランク)の破損や紛失)や各工程における作業性の悪化(例えば水晶振動素子若しくは水晶片(ブランク)のハンドリング、位置決め等に作業者の熟練が要求されるという問題がある。)に伴う歩留りの悪化を鑑みて、複数の水晶片(ブランク)を区画形成する大型水晶母材(水晶ウェハ)を用いるバッチ処理による生産方法で多量の水晶振動素子を得るのが一般的である。
以下、従来の水晶振動素子の製造方法について説明する。
従来の水晶振動素子の製造方法、特に水晶ウェハを分割し複数の水晶片(ブランク)に個片化する方法には、例えば特表平11−509052号公報で開示されたようなものがあり、
図6(a)はフォトリソグラフィーにより作製される水晶ウェハを個別に分離する前の上面図、図6(b)はそのA−A縦断面図である。
従来の水晶ウェハ100は、例えば図6(a)に示すように、水晶の結晶軸であるZ軸に対して垂直となるように対向する一対の短辺を備える複数の短冊状の水晶片101と、前記水晶片101夫々の一方の短辺と一定の間隙を隔てて配置する薄板状の連結部102と、前記水晶片101の一方の短辺と該短辺に対向する前記連結部102の辺部とを接続するブリッジ103と、を備えている。前記各水晶片101の一方の短辺を同一方向に載置し隣接する水晶片同士で対向する長辺同士の間に一定の間隙を備えると共に各水晶片101の他方の短辺を自由縁とする、即ち前記連結部102に前記ブリッジ103を介して前記各水晶片101の一方の短辺で片持ち支持している。前記ブリッジ103は、例えば図6(b)に示すように、前記水晶ウェハ100の各主面(上下面)からの所定のエッチングレートによるハーフエッチングを施すことで形成される溝104の底部、即ちエッチングされずに(水晶ウェハ100の厚さ方向の略中央に)残存する水晶であって、該溝104のそれぞれは水晶ウェハ100の原子面(結晶の格子面)に沿ってエッチングされたものであって相交わらない方向に形成されている。
図7は水晶ウェハの分割メカニズムを模式化した縦断面図である。
前記水晶ウェハ100の分割方法(前記連結部102と前記各水晶片101との分離方法)は、例えば図7に示すように、各水晶片101のブレークアウト・エッジ105(水晶片101の一方の短辺と前記ブリッジ103との境界)近傍の前記連結部102を固定した上で各水晶片101の自由縁近傍に上方からの(機械的な)曲げ力Fを加える。該曲げ力Fは各ブリッジ102、特に前記水晶ウェハ100の上面に形成する前記各溝104の底面104aに引張り応力を集中させ該引張り応力が底面104aにクラック(割れ目)106を発生させると共に前記原子面に沿って伝搬させることで、前記連結部102から各水晶片101を個別に分離することを容易に行なうことができる。
特表平11−509052号公報
図8は個片化した水晶片の縦断面図である。
しかしながら個別化した各水晶片の外観は、図8に示すように、前記水晶片101の一方の短辺に沿うように該水晶片101の下面に前記溝104が残存する共に上面側に段差107a(上面に形成した前記溝104の一部)を有する尖鋭な突起体107が水晶片101の一方の短辺側端面に凸設する。前記突起体107は、前記クラックを前記底面104aの所望する位置に発生させるという制御は実質的に不可能であることから、その大きさ(長さ)は一定しない。即ち従来の製造方法では、前記各水晶片101の上面と下面とで非対称になると共に、長手方向の長さがばらつくという外形加工精度の低下が避けられない。このような設計値の指定された形状にない前記水晶片101には(設計段階では予期できない)不必要な振動モードが発生し、(水晶片101を用いた水晶振動子の出力に重畳する)ノイズ信号の増大の原因となる。
予め長手方向の長さを大きめ(長め)に形成した前記水晶片夫々が備える前記突起体107を同一方向に揃えると共に厚み方向に接着積層した水晶ブロックを作製し該水晶ブロックの突起体107を有する面を研磨加工(後、接着剤を剥離)することで高精度な外形寸法を有する複数の水晶片を得る手段もあるが、接着作業、研磨作業及び接着剤剥離等の作業工数が増加することによるコストアップが避けられない。
解決しようとする問題点は、小型化及び低価格化に対応し、且つ、高精度な外形寸法を有する水晶振動素子とその製造方法、及びその水晶振動素子を用いた表面実装型水晶デバイスを提供することができない点である。
上記課題を解決するめに本発明の適用例にかかわる水晶振動素子は、外形形状が、フォトリソグラフィーによる加工によって形成された略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、を有する短冊状のATカットの水晶素板を用いて構成された水晶振動素子であって、前記破断により形成された端面が前記水晶素板のへき開面であることを特徴とする。
上記課題を解決するために本発明の適用例にかかわる表面実装型水晶デバイスは、外形形状が、フォトリソグラフィーによる加工によって形成された略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、とを有する短冊状のATカットの水晶素板を用いて構成された水晶振動素子と、該水晶振動素子を実装するためのパッド電極を配設するプリント配線基板と、を備え、前記破断により形成された端面が前記水晶素板のへき開面であり、前記へき開面と前記パッド電極とを導電性接着剤を介して機械的及び電気的に接続固定したことを特徴とする表面実装型水晶デバイス。
上記適用例にかかわるものであって、前記水晶素板が、前記一方の短辺をZ軸に平行且つX軸のマイナス側に配設したものであって、前記へき開と前記Z軸との成す角であるへき開面角度が約+22.3度及び約−22.3度であることを特徴とする。
本発明の適用例にかかわる水晶振動素子の製造方法は、略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、を有する水晶振動素子の製造方法であって、少なくとも前記水晶振動素子に相当するATカットの水晶素板と該水晶素板の一方の短辺の角部夫々から延出する連結部と該連結部夫々の終端に接続する支持部とを水晶母材に区画形成するエッチング工程と、前記連結部を折り割る分割工程と、を含み、前記エッチング工程が、それぞれの連結部に幅方向が短辺方向を基準に互いに異なる角度に向かって伸び、且つ水晶素板のへき開角度とは異なる方向である最狭部分を形成する工程を含むことを特徴とする。
上記適用例の製造方法であって、前記連結部の最狭小部分を頂点とする前記水晶素板の辺部と前記連結部の辺部とで挟む角度がいずれも100乃至140度であることを特徴とする。
本発明に係わる請求項10記載の発明は、請求項7乃至9のいずれかにおいて、前記分割工程において、前記連結部の最狭小部分に配設した切込み部を案内にして該連結部を折り割ることを特徴とする。
本発明は、小型化及び低価格化に対応し、且つ、振動特性が優れた水晶振動素子さらに表面実装型水晶デバイスを提供することが可能である。
以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
図1(a)は本発明の第1の実施形態としてのフォトリソグラフィーにより作製される水晶ウェハを個別に分離する前の上面図、図1(b)はそのA−A縦断面図である。
第1の実施形態としての水晶ウェハ10は、例えば図1(a)に示すように、短冊状の水晶素板(ブランク)1と該水晶素板1の一方の短辺の角部夫々から互いに異なる斜め方向に延出し略ハ字状に配設する連結部3とを備える水晶基板と、一方の短辺を同一方向に向けて且つ隣接する前記水晶基板同士で対向する長辺同士の間に一定の間隙を隔てて並設する複数の前記水晶基板をそれぞれが備える前記連結部3を介して片持ち固定するための支持部2と、を備えている。前記各連結部3には、例えば図1(b)に示すように、各連結部と前記水晶素板1との境界(水晶素板1の対向する一対の短辺同士の内側で且つ一方の短辺近傍の箇所)の各主面(上下面)から互いに対向する断面形状が略V字状である直線の切込み部4a及び4bが形成されている。該切込み部4a及び4bの形成方法としては双方向(両面)ハーフエッチングが望ましい。
第1の実施形態としての水晶振動素子の製造方法、特に水晶ウェハの分割方法(前記水晶素板と前記連結部との分離方法)を図1(b)を参照して説明する。
前記境界(前記切込み部)近傍の前記各連結部3を固定した上で前記各水晶素板1の他方の短辺(自由端)近傍に上方からの(機械的な)曲げ力Fを加える。該曲げ力Fは各連結部3の上面に形成する切込み部4aに引張り応力を集中させ該引張り応力が切込み部4aの(底部に相当する)先鋭箇所にクラックを発生させると共に(切込み部4aに対向すると共に下面に形成する)前記切込み部4bの先鋭箇所まで伝搬させることで、各連結部3と水晶素板1との分離面(破断面)を水晶素板1の主面に対して略垂直に形成すると共に、各連結部3から各水晶素板1を個別に分離することを容易に行なうことができる。
ただし、前記水晶ウェハ10が極薄板であって前記切込み部4a及び4bを形成するために必要な厚さを有していない場合、切込み部4a及び4bのいずれか一方若しくはいずれも形成しなくても構わない。
図2(a)は本発明の第1の実施形態に係わる水晶振動子の金属蓋を省略した状態での上面図、図2(b)はその縦断面図である。
第1の実施形態に係わる水晶振動子20は、例えば図2に示すように、ATカットの前記水晶素板1と該水晶素板1の両主面に配設する励振電極21aと該励振電極21a夫々から(水晶素板の)長手方向の一方の短辺の角部に延在するリード電極21bとを備える水晶振動素子21と、該水晶振動素子21を収容するための凹部23を上面に備えるセラミックパッケージ(プリント配線基板)22と、前記凹部23の開口を閉止するための金属蓋24と、を備えている。前記凹部23の内底面に形成したパッド電極25に導電性接着剤26を介して前記水晶振動素子21の一方の短辺で片持ち支持すると共に電気的な接続をした上で前記金属蓋24により該凹部23を気密封止する構造を有する。
前記水晶振動素子21は第1の実施形態としての分割方法(及び公知技術である蒸着や加熱処理等を)用いて作製した水晶振動素子であって、該水晶振動素子21(前記水晶素板1)の一方の短辺の角部は略三角形に欠落し該欠落部により形成された一方の短辺の両端の各斜辺の端面(前記切込み部4a及び4bにおける破断面)にバリ(結晶片)27が現出している。前記バリ27を前記導電性接着剤26で被うと共に機械的に固定する構造にすることで、前記バリ27、換言すれば水晶振動素子21の平面外形(輪郭)不良を原因とする水晶振動素子21の特性の劣化(不要振動が発生し該不要振動との結合による共振特性及び温度特性等の劣化)を抑止することが可能である。
図3は本発明の第2の実施形態としてのフォトリソグラフィーにより作製される水晶ウェハを個別に分離する前の上面図である。
第2の実施形態の水晶ウェハが第1の実施形態と異なる点は、前記連結部の形状を好適化するための数値限定をした点にある。
第2の実施形態の水晶ウェハ30では、任意の水晶基板近傍を部分的に拡大し図示した図3のように、短冊状の水晶素板1aと該水晶素板1aの一方の短辺の両角部から互いに異なる斜め方向に延出し略ハ字状に配設する連結部3aとを備える水晶基板はその一方の短辺を(該水晶基板の結晶軸である)Z軸に平行且つX軸の−(マイナス)側に配設しており、前記連結部3同士の内側に露出する前記水晶素板1の一方の短辺と各連結部3の内側(連結部3同士の内側に位置する)斜辺との交点35a及び35bと前記水晶素板1の対向する一対の長辺夫々と各連結部3の外側(前記各内側斜辺と対をなす)斜辺との交点36a及び36bとを結ぶ線分、即ち交点35a及び36aを結ぶ線分37a(図3中左側の連結部内)及び交点35b及び36bを結ぶ線分37b(図3中右側の連結部内)は、水晶素板1の一対の短辺同士の間に位置する共に一方の短辺近傍であって、各連結部における最狭小部分で水晶素板1の切断角度面、即ちATカット面に対応するへき開面と平行になっている。ちなみに、結晶構造では原子間の結合力の弱いところから割れる性質がありその特定方向に沿った割れをへき開と言い、へき開によって新しく現れた面をへき開面と呼ぶ。
さらに前記線分37a及び37bを説明すると、前記水晶素板1の一方の短辺(の線上)と前記線分37a若しくは37bとで挟む角度はへき開面角度(人工水晶原石の外表面に備えるR面とr面との接線角度を示す。)を成し、具体的には前記水晶素板1の一方の短辺(の線上)と前記線分37aとで挟む角度(へき開面角度)α1は(時計周り(右周り)を正(+)とすると)約+22.3度であって水晶素板1の一方の短辺(の線上)と前記線分37bとで挟む角度(へき開面角度)α2は約−22.3度である。なお前記へき開面角度α1及びα2の算出結果を図4に示す。
第2の実施形態としての水晶振動素子の製造方法、特に水晶ウェハの分割方法は、第1の実施形態と同様に、前記線分37a及び37b近傍の前記連結部3を固定した上で前記水晶素板1の他方の短辺(自由端)近傍に上方からの前記曲げ力Fを加え、(該曲げ力Fを集中させるために連結部の最狭小部分であってへき開面に平行な)前記線分37a及び37bに沿って連結部3と水晶素板1とが分離(へき開)する。「へき開」現象を利用することで、前記各連結部3から前記各水晶素板1を個別に分離することを容易に行なうことができる。ちなみに、前記線分37a及び37b上の少なくとも一方の主面側に溝を形成しても構わない。
第2の実施形態としての製造方法(及び前述する公知技術)によって作製した水晶振動素子は、第1の実施形態と同様にその一方の短辺の角部が略三角形に欠落し該欠落部により形成された一方の短辺の両端の各斜辺の端面(破断面)がへき開面であることから前記水晶振動素子21とは異なり前記バリが現出することがなく、さらに(該水晶振動素子の対向する短辺同士の二等分線に関して)線対称の外形形状を有することから、第2の実施形態に係わる水晶振動子はその振動特性が劣化することがない。
図5は本発明の第3の実施形態としてのフォトリソグラフィーにより作製される水晶ウェハを個別に分離する前の上面図である。
第3の実施形態の水晶ウェハが第1及び第2の実施形態と異なる点は、前記連結部の形状を好適化するためのその他の数値限定をした点にある。
まず図5における符号を説明する。前記連結部3a同士の内側に露出する前記水晶素板1の一方の短辺と連結部3aの内側斜辺との交点を55a及び55bと、前記水晶素板1aの対向する一対の長辺夫々と各連結部3aの外側斜辺との交点56a及び56bと、交点55a及び56aを結ぶ線分57aと、交点55b及び56bを結ぶ線分57bと、前記水晶素板1の一方の短辺に対向する前記支持部2の辺部と連結部3aの内側斜辺との交点を58a及び58bと、前記支持部2の前記辺部と連結部3aの外側斜辺との交点を59a及び59bと、前記水晶素板1aの他方の短辺の端部のそれぞれを54a及び54bと、示す。
第3の実施形態の水晶ウェハ50では、任意の水晶基板近傍を部分的に拡大し図示した図5のように、前記水晶基板夫々は一方の短辺を前記Z軸に平行且つ前記X軸の−方向に配設しており、前記連結部3aの最狭小部分の幅方向の前記線分57a(図5中の左側)と前記水晶素板1の一方の短辺(の線上)とで挟む角度は約+22度であって、前記連結部3aの最狭小部分の幅方向の前記線分57b(図5中の右側)と水晶素板1aの一方の短辺(の線上)とで挟む角度は約−19度である。さらに、前記交点55a及び55bを結ぶ線分と前記交点55a及び58aを結ぶ線分とで挟む角度と、前記交点56a及び54aを結ぶ線分と前記交点56a及び59aを結ぶ線分とで挟む角度と、前記交点55b及び55aを結ぶ線分と前記交点55b及び58bを結ぶ線分とで挟む角度と、前記交点56b及び54bを結ぶ線分と前記交点56b及び59bを結ぶ線分とで挟む角度と、は100乃至140度である。このように、幅方向が短辺方向を基準に互いに異なる角度を有し最狭小部分の両端を鈍角にする前記連結部3aで前記水晶素板1aを支持することで、前記水晶ウェハ50への(偶発的な)振動や衝撃によって水晶ウェハ50からの水晶素板1aの脱落を防止することが可能になる。また、最狭小部分の両端を鈍角にすることで、前記水晶基板を形成するためのエッチング加工による加工面(前記水晶素板1a等の端面に相当する面。)のダレを生じにくく(水晶ウェハ主面と加工面との直角精度の低下を抑止)し且つ前記曲げ力Fが線分57a及び57bに集中しやすくしている。

第3の実施形態としての製造方法(及び前述する公知技術)によって作製した水晶振動素子は、少なくとも第2の実施形態とは異なり(該水晶振動素子の対向する短辺同士の二等分線に関して)非線対称の外形形状を有するが、第2の実施形態と同様にその一方の短辺の角部が略三角形に欠落し該欠落部により形成された一方の短辺の両端の各斜辺の端面がへき開面であることから、第3の実施形態に係わる水晶振動子はその振動特性が劣化することがない。
前述する本発明実施例である水晶振動子のほかに、発振回路および温度補償回路を構成する回路素子(ICチップ、ディスクリート部品)や該回路素子に供給される電源電圧に重畳される高周波ノイズを除去するためのコンデンサ等を備える水晶発振器であっても構わない。また、水晶基板に部分電極を配設する多重モード水晶フィルタ、弾性表面波フィルタ、基本波若しくはオーバートーンの水晶発振子、TCXO、VC−TCXO、VCXO、OCXO等のデバイスに適用できることは云うまでもない。
ATカットの水晶振動素子を用いて本発明を説明したが、本発明はATカットに限定するものではなくBTカット、CTカット、DTカット、SCカット、GTカット等のカットアングルの水晶素板に適用できることは云うまでもない。
本発明の第1の実施形態としての水晶ウェハを個別に分離する前の図面であって、(a)は上面図、(b)はそのA−A縦断面図である。 本発明の第1の実施形態に係わる水晶振動子の図面であって、(a)は金属蓋を省略した状態での上面図、(b)はその縦断面図である。 本発明の第2の実施形態としての水晶ウェハを個別に分離する前の上面図である。 本発明の第2の実施形態に係わるへき開面角度の算出結果を示したものである。 本発明の第3の実施形態としての水晶ウェハを個別に分離する前の上面図である。 従来の水晶ウェハを個別に分離する前の図面であって、(a)は上面図、(b)はそのA−A縦断面図である。 従来の水晶ウェハの分割メカニズムを模式化した縦断面図である。 従来の個片化した水晶片の縦断面図である。
符号の説明
1、1a・・水晶素板 2・・支持部 3・・連結部 3a・・境界
4a、4b・・切込み部 10・・水晶ウェハ 20・・水晶振動子
21・・水晶振動素子 21a・・励振電極 21b・・リード電極
22・・セラミックパッケージ 23・・凹部 24・・金属蓋
25・・パッド電極 26・・導電性接着剤 27・・バリ 30・・水晶ウェハ
36a、36b・・交点 37a、37b・・線分 50・・水晶ウェハ
54a、54b・・端部 56a、56b、58a、58b、59a、59b・・交点
57a、57b・・線分 100・・水晶ウェハ 101・・水晶片(ブランク)
102・・連結部 103・・ブリッジ 104・・溝 104a・・底面
105・・ブレークアウト・エッジ 106・・クラック 107・・突起体
107a・・段差

Claims (5)

  1. 外形形状が、フォトリソグラフィーによる加工によって形成された略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、を有する短冊状のATカットの水晶素板を用いて構成された水晶振動素子であって、
    前記破断により形成された端面が前記水晶素板のへき開面であることを特徴とする水晶振動素子。
  2. 外形形状が、フォトリソグラフィーによる加工によって形成された略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、を有する短冊状のATカットの水晶素板を用いて構成された水晶振動素子と、
    該水晶振動素子を実装するためのパッド電極を配設するプリント配線基板と、を備え、
    前記破断により形成された端面が前記水晶素板のへき開面であり、
    前記へき開面と前記パッド電極とを導電性接着剤を介して機械的及び電気的に接続固定したことを特徴とする表面実装型水晶デバイス。
  3. 前記水晶素板が、前記一方の短辺をZ軸に平行且つX軸のマイナス側に配設したものであって、前記へき開と前記Z軸との成す角であるへき開面角度が約+22.3度及び約−22.3度であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動素子または、請求項2に記載の表面実装型水晶デバイス。
  4. 略平行する2つの長辺と前記2つの長辺と略直行するように延びる2つ短辺と、前記2つの短辺のうち一方の短辺の両端と前記長辺の端とを結ぶような破断により形成された斜辺と、を有する水晶振動素子の製造方法であって、
    少なくとも前記水晶振動素子に相当するATカットの水晶素板と該水晶素板の一方の短辺の角部夫々から延出する連結部と該連結部夫々の終端に接続する支持部とを水晶母材に区画形成するエッチング工程と、前記連結部を折り割る分割工程と、を含み、前記エッチング工程が、それぞれの連結部に幅方向が短辺方向を基準に互いに異なる角度に向かって伸び、且つ水晶素板のへき開角度とは異なる方向である最狭部分を形成する工程を含むことを特徴とする水晶振動素子の製造方法。
  5. 前記エッチング工程において、
    前記連結部の最狭小部分を頂点とする前記水晶素板の辺部と前記連結部の辺部とで挟む角度がいずれも100乃至140度であることを特徴とする請求項4に記載の水晶振動素子の製造方法。
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