JP4938124B2 - 水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶デバイスに係り、特に周波数の微調整が可能な水晶デバイスに関する。

（発明の背景）
水晶デバイス、例えば水晶振動子は、周波数制御素子として、周知であり、通信機器やデジタル制御機器に広く内蔵されている。このようなものの一つに、メサ型の水晶片を用いた表面実装型の水晶振動子（以下、“表面実装振動子”とする）があり、その量産化が進んでいる。

（従来技術の一例、特許文献１参照)
図８は、表面実装振動子の一従来例を説明する図で、同図（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は水晶片の斜視図、同図（ｃ）は同図（ｂ）における水晶片のＡ−Ａ矢視断面図である。

図８（ａ）に示す表面実装振動子１は、凹部２ｅを有する容器本体２に水晶片３ａが収容され、容器本体２の開口端面にカバー４が接合されて構成されている。容器本体２はセラミックからなり、平板状の底壁２ａに枠壁２ｂを積層することで形成される。容器本体２の内底面２ｃには水晶保持端子５が設けられる。水晶保持端子５は導電路６を経由して、容器本体２の外底面２ｄに形成された実装端子７と電気的に接続される。

容器本体２に収容される水晶片３ａは、図８（ｂ）及び（ｃ）に示す通り、平面視略矩形状である。そして、水晶片３ａの両主面に凸部を設けることで肉厚部８と肉厚部８の周囲に肉薄部９とが形成されて、メサ型となる。肉厚部８の両主面には、励振電極１０が形成される。励振電極１０からは、水晶片３ａの一端部両側であって肉薄部９に引出電極１１が延出される。

励振電極１０及び引出電極１１は、例えば下層をＣｒ（クロム）、上層をＡｕ（金）とした、積層金属膜とする。そして、引出電極１１が容器本体２の水晶保持端子５に導電性接着剤１２によって接着される。これにより、水晶片３ａは容器本体２の内底面２ｃに固着されて、容器本体２に収容される。そして、励振電極１０は実装端子７と電気的に接続される。

容器本体２の開口端面に接合されるカバー４は、Ｆｅ（鉄）を主成分としてＮｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）を添加したコバールからなる。カバー４の表面には、例えば、電解メッキにより図示しないＮｉ膜を有する。そして、カバー４は、例えば、シーム溶接で容器本体２の開口端面に接合され、水晶片３ａが容器本体２内に密閉封入される。

このような表面実装振動子１は、次のようにして、その周波数を調整する。先ず、目標とする周波数より低い周波数になるように、水晶片３ａに励振電極１０を形成する。具体的には、励振電極１０の質量が大きいほど周波数が低くなるため、励振電極１０の質量を、目標とする周波数に対応する励振電極１０の質量以上にする。次に、励振電極１０にアルゴンイオンを照射（図９の矢印Ｂ参照）して金属を蒸散させることで、励振電極１０をトリミングする。そして、励振電極１０の質量（厚み）を減少させていく。これにより、水晶片３ａの周波数が高くなっていき、目標とする周波数に調整できる。

特開２００５−１５９７１７号公報 特開２００２−１８５２８６号公報 特開２００８−４７９８２号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記した構成の従来例の表面実装振動子１では、十分な精度を持った周波数の微調整が困難であるという問題があった。すなわち、水晶片３ａはメサ型であるため、振動エネルギーは励振電極１０が形成された肉厚部８に集中する。よって、励振電極１０の質量変化が水晶片３ａの振動に与える影響が大きい。したがって、励振電極１０のトリミングによって励振電極１０の質量を減少させると、微調整として許容される範囲を超えて水晶片３ａの周波数が高くなることが多く、周波数の微調整が困難になる問題があった。

（発明の目的）
周波数の微調整が可能なメサ型水晶片を用いた水晶デバイスの提供を目的とする。

（着目点及びその問題点）
前出の特許文献２及び３において、周波数の微調整が可能な水晶片が提案されている。具体的には、励振電極の外側領域に設けた周波数調整用金属膜をトリミングして周波数の微調整を行うものである（例えば特許文献３の段落００２３、００４９参照）。本発明は、この周波数調整用金属膜に着目したものである。

図１０を用いて、特許文献２及び３に記載された水晶片を説明する。図１０に示す水晶片３ｂは平板状である〔図１０（ａ）参照〕。そして、その両主面に励振電極１０が形成され、励振電極１０から水晶片３ｂの一端部両側に引出電極１１が延出される。また、水晶片３ｂの一主面の他端部に、励振電極１０と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜１３が形成される。

次いで、水晶片３ｂについて、次のように周波数調整を行う。先ず、前述したと同様に、励振電極１０にアルゴンイオンを照射〔図１０（ｂ）の矢印Ｄ参照〕してトリミングすることで、水晶片３ｂの周波数の粗調整を行う。次に、周波数調整用金属膜１３にアルゴンイオンを照射〔図１０（ｂ）の矢印Ｅ参照〕してトリミングすることで、水晶片３ｂの周波数の微調整を行う。周波数調整用金属膜１３のトリミングで周波数を微調整できるのは、励振電極１０が形成された領域から離れた領域に周波数調整用金属膜１３が形成されるため、周波数変化に与える影響が小さいからである（特許文献３の段落００２３参照）。

しかしながら、特許文献２及び３に開示された水晶片３ｂは平板状であるため、メサ型の水晶片において周波数調整用金属膜１３をどのように形成すればよいかは明らかでない。

一般的には、特許文献２及び３に示す水晶片３ｂと同様に、励振電極１０と同じ厚さの領域へ周波数調整用金属膜１３を形成することが考えられる。この場合の水晶片３ｃを図１１で説明する。水晶片３ｃの肉厚部８の両主面に励振電極１０が形成される。また、肉厚部８の一主面には、励振電極１０と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜１３が形成される。

しかし、このような水晶片３ｃは、メサ型であるため振動エネルギーが肉厚部８に集中する。そのため、肉厚部８に形成された周波数調整用金属膜１３の質量変化は、周波数に大きく影響する。したがって、周波数調整用金属膜１３をトリミングすることによる周波数の微調整は困難である。

また、メサ型の水晶片３ｃは、肉厚部８へ効率的に振動エネルギーを生じさせるため、肉厚部８の広い領域に励振電極１０を形成する必要がある。しかし、肉厚部８に周波数調整用金属膜１３を形成すると、その分、十分な励振電極１０の面積を確保できず、振動エネルギーの発生効率が減少する。特に近年の水晶デバイスの小型化により、水晶片３ｃの平面外形も小型化が進んでいるため、この問題が顕著である。

（解決手段）
本発明は、肉厚部と肉薄部を有し、前記肉厚部の両主面に励振電極が形成され、前記励振電極と電気的に接続した引出電極が端部に形成された水晶片と、前記水晶片を凹部に収容した容器本体と、前記容器本体の開口端面に接合して前記水晶片を密閉封入するカバーとを有する水晶デバイスにおいて、前記励振電極と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜が前記水晶片の前記肉薄部に形成された構成とする。

このような構成によれば、水晶片の振動エネルギーは肉厚部に集中する。よって、肉薄部に形成された周波数調整用金属膜の質量が変化しても振動に与える影響が小さい。したがって、周波数調整用金属膜をトリミングすることで周波数の微調整が行える。また、周波数調整用金属膜は肉薄部に形成される。したがって、肉厚部に形成する励振電極の面積を減少させる必要がない。そして、水晶片が小型化しても、十分な励振電極の面積を確保できる。

（実施態様項）
本発明では、前記周波数調整用金属膜は前記水晶片の外周部であって前記肉厚部から離間した領域に形成された構成とする。これにより、励振電極と周波数調整用金属膜との距離を確保できる。よって、周波数調整用金属膜をトリミングしたときの振動に与える影響をさらに低減できる。したがって、より精度の高い周波数の微調整が可能となる。

本発明の水晶デバイスの水晶片の第１実施形態を説明する図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。 本発明の水晶デバイスの水晶片の第１実施形態の周波数調整方法を説明する図である。 本発明の水晶デバイスの水晶片の第１実施形態の変形例を説明する平面図である。 本発明の水晶デバイスの水晶片の第１実施形態のさらなる変形例を説明する平面図である。 本発明の水晶デバイスの第２実施形態の表面実装振動子の縦断面図である。 本発明の水晶デバイスの第３実施形態の表面実装振動子の縦断面図である。 本発明の水晶デバイスの第４実施形態の表面実装振動子を説明する図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は水晶基板を上向から見た斜視図である。 表面実装振動子の一従来例を説明する図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は水晶片の斜視図、（ｃ）は（ｂ）における水晶片のＡ−Ａ矢視断面図である。 周波数調整方法の一従来例を説明する図である。 水晶片の他の従来例を説明する図で、（ａ）は斜視図、（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。 従来例を組み合わせた水晶片の図である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の水晶デバイスに用いる水晶片の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は平面図、同図（ｃ）は同図（ａ）及び同図（ｂ）におけるＦ−Ｆ矢視断面図である。なお、従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

本発明の水晶デバイスである本実施形態の表面実装振動子１は、図８（ａ）に示した従来例と同様に、凹部２ｅを有する容器本体２に水晶片３ｄが収容され、容器本体２の開口端面にカバー４が接合されて構成される。容器本体２はセラミックからなり、カバー４はコバールからなる。

水晶片３ｄは、図１に示す通り、平面視略矩形状である。そして、水晶片３ｄの両主面に凸部を設けることで、肉厚部８と肉厚部８の周囲に肉薄部９とが形成される。肉厚部８の両主面には励振電極１０が形成され、励振電極１０から、水晶片３ｄの一端部両側であって肉薄部９に引出電極１１が延出される。また、水晶片３ｄの一主面における外周部の他端であって、肉厚部８から離間した領域に、励振電極１０と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜１３が形成される。励振電極１０、引出電極１１及び周波数調整用金属膜１３は、例えば下層をＣｒ（クロム）、上層をＡｕ（金）とした積層金属膜とする。

このようなものでは、先ず、水晶ウェハから、例えばウェットエッチングすることにより、水晶片３ｄの肉厚部８を形成する。次に、蒸着法又はスパッタ法等により、下層をＣｒ、上層をＡｕとした励振電極１０、引出電極１１及び周波数調整用金属膜１３を形成する。次に、水晶ウェハをダイシングして水晶片３ｄの個片を形成する。さらに、導電性接着剤１２を用いて、水晶片３ｄを容器本体２の内底面２ｃに固着させる。

次に、周波数調整を行う。先ず、励振電極１０にレーザーやイオンビームを照射（図２の矢印Ｇ参照）することで励振電極１０をトリミングして、水晶片３ｄの周波数を粗調整する。次に、周波数調整用金属膜１３にレーザーやイオンビームを照射（図２の矢印Ｈ参照）することで、周波数調整用金属膜１３をトリミングして、水晶片３ｄの周波数を微調整する。ここで、イオンビームとしては、例えばアルゴンイオンのビームを用いる。

次に、例えばシーム溶接によって、容器本体２の開口端面にカバー４を接合する。これによって、水晶片３ｄが容器本体２内に密閉封入される。

このような構成によれば、水晶片３ｄの振動エネルギーは肉厚部８に集中する。そのため、肉薄部９に形成された周波数調整用金属膜１３の質量が変化しても、振動に与える影響が小さい。したがって、周波数調整用金属膜１３をトリミングすることで水晶片３ｄの周波数の微調整が行える。また、周波数調整用金属膜１３は肉薄部９に形成される。したがって、肉厚部８に形成する励振電極１０の面積を減少させる必要がない。そして、水晶片３ｄが小型化しても、十分な励振電極１０の面積を確保できるようになる。

また、周波数調整用金属膜１３は水晶片３ｄの肉厚部８から離間した水晶片３ｄの外周部に形成される。これにより、励振電極１０と周波数調整用金属膜１３との間に所定の距離を確保できる。よって、周波数調整用金属膜１３をトリミングしたときの振動に与える影響をさらに低減できる。したがって、より精度の高い水晶片３ｄの周波数の微調整が可能となる。

（第１実施形態の変形例）
本発明では、周波数調整用金属膜１３の形成場所は種々考えられる。例えば、周波数調整用金属膜１３は、図３（ａ）のように、水晶片３ｄの一端部であって、肉薄部９における肉厚部８との縁部に形成してもよい。これにより、トリミングより周波数調整用金属膜１３から蒸散した金属は、肉厚部８の側面が壁となり、励振電極１０に付着する可能性が低減する。したがって、周波数調整用金属膜１３のトリミングが表面実装振動子１の周波数特性に与える影響を低減できる。

また、周波数調整用金属膜１３は、図３（ｂ）のように、水晶片３ｄの一端部であって、肉薄部９における肉厚部８との縁部から水晶片３ｄの外縁部に亘って形成してもよい。これにより、周波数調整用金属膜１３の量が多くなり、周波数の調整範囲が広がる。また、図４（ａ）ないし（ｃ）のように、周波数調整用金属膜１３を肉厚部８を囲むように形成してもよい。さらに、周波数調整用金属膜１３を水晶片３ｄの両主面に形成してもよい。レーザーの照射が水晶片３ｄの一主面からであっても、両主面の周波数調整用金属膜１３をトリミングすることが可能であるため、周波数の調整範囲が広がる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の水晶デバイスに相当する表面実装振動子の第２実施形態を説明する縦断面図である。なお、上記実施形態と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

本実施形態は前出の第１実施形態と異なって、カバー４はガラスからなり透光性を有する。ガラスのカバー４とセラミックの容器本体２との接合には、半田接合などが利用できる。

このようなものでは、次のように周波数調整を行う。先ず、カバー４を容器本体２に接合する前に、励振電極１０をトリミングすることで粗調整をする。次に、カバー４を容器本体２に接合する。次に、カバー４越しにレーザーを周波数調整用金属膜１３へ照射（図５の矢印Ｉ参照）することで周波数調整用金属膜１３をトリミングして、水晶片３ｄの周波数を微調整する。

このような構成によれば、精度良く目標とする周波数に調整できる。すなわち、カバー４の接合前後では、水晶片３ｄにかかる圧力の変化などにより、周波数が変化することが知られている。本第２実施形態では、上記の通り、カバー４の接合後に周波数を微調整する。したがって、精度良く目標とする周波数に調整できる。

（第３実施形態）
図６は、本発明の水晶デバイスに相当する表面実装振動子の第３実施形態を説明する縦断面図である。

本実施形態は、前出の第１実施形態と異なり、カバー４に代えて断面形状が凹部４ｂを有するリッド（蓋体）４ａを被せて水晶片３ｄを密閉する。

すなわち、この第３実施形態では、図６に示すように、ガラスまたは水晶からなるベース２ａの上面２ｃに水晶保持端子５を介して導電性接着剤１２により、水晶片３ｄを載置し、凹部４ｂを有するガラスまたは水晶からなるリッド４ａをベース２ａに被せて、水晶片３ｄを凹部４ｂ中に密閉する。そして、ベース２ａとリッド４ａの周縁部とが、陽極接合あるいは各種接合材により接合される。

次に第３実施形態の表面実装振動子１の製造方法を説明すると、まず、ベース用のウェハ上に電極等を形成する。次に、リッド用のウェハにエッチングによって凹部を形成する。さらに、ベース用のウェハに個片化した水晶片３ｄを搭載する。その後、ベース用のウェハにリッド用のウェハを前述した方法により接合し、次いで、ダイシングにより接合したウェハ切断して、水晶振動子１の個片を形成する。

また、第３実施形態の変形例として、水晶片３ｄを密閉して収容する凹部４ｂをリッド４ａに形成するのに代えて、ベース２ａの上面に形成してもよい。

このようなものでは、前出の第２実施形態と同じようにして、励振電極１０をトリミングして粗調整し（矢印Ｇ）、次のリッド４ａ越しにレーザーを周波数調整用金属膜１３へ照射して（矢印Ｈ）、水晶片３ｄの周波数を微調整する。

（第４実施形態）
図７は、本発明の水晶デバイスに相当する表面実装型水晶振動子の第４実施形態を説明する縦断面図である。

本実施形態では、リッド（蓋体）用ウェハと枠付き水晶片ウェハを接合し、次いで、枠付き水晶ウェハ片にベースウェハを張り合わせて形成する。

すなわち、図７に示すように、水晶デバイス２０は、その内部に振動部２２ａを含む、パッケージ型水晶振動子として構成されている。この水晶デバイス２０は、ベース体２１、水晶基板２２及びリッド（蓋体）２３を積層して形成され、水晶基板２２に枠部２２ｇと振動部２２ａが形成されて、振動部２２ａが真空雰囲気とされ、気密に封止されている収納空間２２ｄに収納されている。

そして、振動部２２ａの両主面には、肉厚部２２ｅが形成され、肉厚部２２ｅの両主面には、励振電極２２ｂが形成されている。さらに、肉厚部２２ｅの周囲には肉薄部２２ｆが形成され、自由端側の肉薄部２２ｆには、周波数調整用金属膜２２ｃが形成されている。

また、ベース体２１には、孔内配線２１ａが形成されて、振動部２２ａの下面に設けた内部電極２２ｈとベース体２１の外底面に設けた電極パッド２１ｂとを電気的に接続するようになっている。

第４実施形態の表面実装型水晶振動子の水晶片の周波数調整を行うには、まず、リッド用ウェハと枠付き水晶片用ウェハとを接合した後、矢印Ｊの方向から励振電極２２ｂをトリミングして粗調整し、次いで、枠付き水晶片ウェハにベース用ウェハを接合した後、透光性を有するリッド（蓋体）２３の上方からレーザーを周波数調整用金属膜２２ｃに照射して（矢印Ｋ方向）、リッド２３を透過されてトリミングし、振動部２２ａの周波数の微調整をする。

（他の事項）
本発明の水晶デバイスでは、励振電極１０と周波数調整用金属膜１３とに異なる金属を用いてもよい。また、発振回路が形成されたＩＣチップを用いる水晶発振器に、上記した実施形態で示した水晶片３ｄを用いても、上記第２実施形態と同じ効果を奏することはもちろんである。

１ 水晶デバイス（表面実装振動子）
２ 容器本体
２ａ 底壁
２ｂ 枠壁
２ｃ 内底面
２ｄ 外底面
２ｅ 凹部
３ 水晶片
４ カバー
５ 水晶保持端子
６ 導電路
７ 実装端子
８ 肉厚部
９ 肉薄部
１０ 励振電極
１１ 引出電極
１２ 導電性接着剤
１３ 周波数調整用金属膜
２０ 水晶デバイス（表面実装型水晶振動子）
２１ ベース体
２１ａ 孔内配線
２１ｂ 電極パッド
２２ 水晶基板
２２ａ 振動部
２２ｂ 励振電極
２２ｃ 周波数調整用金属膜
２２ｄ 収納空間
２２ｅ 肉厚部
２２ｆ 肉薄部
２２ｇ 枠部
２２ｈ 内部電極
２３ リッド（蓋体）

Claims (7)

1. 肉厚部と肉薄部を有し、前記肉厚部の両主面に励振電極が形成され、前記励振電極と電気的に接続した引出電極が端部に形成された水晶片と、前記水晶片を収容する凹部を有する容器本体と、前記容器本体の開口端面に接合して前記水晶片を密閉封入するカバーと、を有する水晶デバイスにおいて、
   前記励振電極と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜が、前記水晶片の前記肉薄部に形成されることを特徴とする水晶デバイス。
2. 請求項１において、前記周波数調整用金属膜が、前記水晶片の外周部であって前記肉厚部から離間した領域に形成される水晶デバイス。
3. 上面に水晶保持端子が形成され、かつ、前記水晶保持端子と電気的に接続した実装端子が外底面に形成されたベースと、
   前記ベースに載置されて、両主面に励振電極が形成され、前記励振電極と接続電極を用いて電気的に接続した支持電極が一端部の両側に形成され、かつ、前記支持電極が導電性接着剤で前記水晶保持端子に接着された水晶片と、
   前記ベースの外縁端面に接合して前記水晶片を密閉封入する凹部を有する蓋体とからなる水晶デバイスにおいて、
   前記水晶片が、肉厚部と肉薄部を有し、前記肉厚部の両主面に励振電極が形成され、前記励振電極と電気的に接続した引出電極が端部に形成され、
   前記励振電極と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜が、前記水晶片の前記肉薄部に形成されることを特徴とする水晶デバイス。
4. 請求項３において、前記周波数調整用金属膜が、前記水晶片の外周部であって前記肉厚部から離間した領域に形成される水晶デバイス。
5. 上面に凹部を有して、前記凹部の内底面に水晶保持端子が形成され、かつ、前記水晶保持端子と電気的に接続した実装端子が外底面に形成されたベースと、
   前記凹部に収容されて、両主面に励振電極が形成され、前記励振電極と接続電極を用いて電気的に接続した支持電極が一端部の両側に形成され、かつ、前記支持電極が導電性接着剤で前記水晶保持端子に接着された水晶片と、
   前記ベースの外縁端面に接合して前記水晶片を密閉封入するカバーと、からなる水晶デバイスにおいて、
   前記水晶片が、肉厚部と肉薄部を有し、前記肉厚部の両主面に励振電極が形成され、かつ、前記励振電極と電気的に接続した引出電極が端部に形成され、
   前記励振電極と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜が、前記水晶片の前記肉薄部に形成されることを特徴とする水晶デバイス。
6. 請求項５において、前記周波数調整用金属膜が、前記水晶片の外周部であって前記肉厚部から離間した領域に形成される水晶デバイス。
7. 両主面に励振電極が形成された振動部と前記振動部を取り囲む枠部とが一体に形成された水晶基板と、
   前記枠部の上面に接合された蓋体と、
   前記枠部の下面に接合されたベースと、を有し、
   前記枠部、前記蓋体及び前記ベースで前記振動部が気密封止された水晶デバイスにおいて、
   前記振動部が、肉厚部と肉薄部を有し、前記肉厚部の両主面に前記励振電極が形成され、
   前記励振電極と電気的に分離して独立した周波数調整用金属膜が、前記振動部の前記肉薄部に形成されることを特徴とする水晶デバイス。