JP4938308B2 - Lame mode quartz crystal holding structure - Google Patents
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Description
本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化を実現するための素子の実装構造を改善するもので、素子の電気的特性を維持しながら落下、衝撃に対する実装時の保持強度と簡略化を向上したラーメモード水晶振動子の素子形状と容器構造に関するものである。 The present invention relates to a resonator shape of a lame mode crystal resonator, and in particular, to improve a device mounting structure for realizing miniaturization and high accuracy while maintaining the electrical characteristics of the device. The present invention relates to an element shape and a container structure of a lame mode crystal resonator that has improved holding strength and simplification during mounting against dropping and impact.
ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。 The lame mode vibrator is small and can obtain an optimum vibration mode for realizing a low frequency. Therefore, the realization of miniaturization while being a low-frequency vibrator has a large market widely used in mobile phones, portable small game devices and the like that have made remarkable progress in recent years.
ラーメモード振動子は数十μmの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、回転モーメントはあるが変位の無い振動の節を保持することが一般的である。図6に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続し、接続部を介してパッケージと実装して組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。
The lame mode vibrator is formed of a piezoelectric substrate with a thickness of several tens of μm. In order to hold the lame mode vibrator, a vibration node with a rotational moment but no displacement is used so as not to hinder vibration. It is common to hold. As shown in FIG. 6 , it is supported and held through the connecting portions at the four corners. From this node, the arm is pulled out and connected to the holding portion, and mounted on the package via the connecting portion and assembled to obtain a vibrator. At this time, by making the arm portion as thin as possible, the inhibition of vibration can be reduced and the equivalent series resistance can be reduced. Therefore, a strong structure is required at the time of drop impact.
要するに、従来は振動子を作製する際には等価抵抗値R1の上昇を避けるために振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けており、その関係で、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じてしまう。そのために支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値R1が大きくなってしまう。更に等価抵抗値R1を小さくすること則ち、等価抵抗値R1の上昇を軽減する目的で四隅からの支持部の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。 In short, conventionally, when a vibrator is manufactured, support portions are provided at the four corners of a square serving as a node of vibration in order to avoid an increase in the equivalent resistance value R1, and accordingly, the vibration portion, the support portion, Since the connecting portions are integrally formed, moment forces are generated at the four corners that are vibration nodes. Therefore, if the design of the support portion is not appropriate, vibration energy leaks to the support portion, and the equivalent resistance value R1 increases. Furthermore, in order to reduce the equivalent resistance value R1, in order to reduce the increase in the equivalent resistance value R1, if the width and thickness of the support part from the four corners are reduced, it may be affected by an impact such as dropping or an excessive excitation current. There is a risk of damage if the amplitude increases.
上述のように、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節(回転ノード)となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子は等価抵抗値R1の良い(低い)振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定しているのが現状である。 As described above, when the lame mode crystal resonator is a square plate, it is a vibration mode in which the four corners are nodes (rotation nodes) and vibrate in the same volume in the plane. In order to obtain a vibrator having a good (low) equivalent resistance value R1, it is the most effective support method to pull out the support portions from the four corners which are the nodes of vibration. The actual support method is as follows. At present, it is fixed to a substrate such as ceramic using a conductive adhesive via a connecting portion.
上述のプロセスの一例を図7に示すが、ウエハー洗浄、ライトエッチング、プロテクト蒸着膜(CrAu)、レジスト塗布、露光、現像、パターニング、エッチング、レジスト剥離、CrAu剥離、洗浄、励振電極蒸着の一連の工程で素子が形成され、セラミック材質などのパッケージに導電性接着剤にて搭載されてラーメモード振動子を得る。
An example of the above-described process is shown in FIG. 7. A series of wafer cleaning, light etching, protective vapor deposition film (CrAu), resist coating, exposure, development, patterning, etching, resist stripping, CrAu stripping, cleaning, excitation electrode deposition An element is formed in the process and is mounted on a package made of a ceramic material or the like with a conductive adhesive to obtain a lame mode vibrator.
上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。 Since the conventional lame mode quartz crystal resonator described above is a rectangular plate with an integer ratio of the vibration part, for example, when supporting the four corners of the vibration part, the vibration nodes are the four corners and the vibration displacement is small. The vibration of the lame mode due to the holding of the vibration part is not hindered.
しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるために、ラーメモード水晶振動子用の圧電素子を容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の変位から発生する回転モーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生してしまう。 However, since the vibration part, the support part, and the connection part are integrally formed, when the piezoelectric element for the lame mode crystal resonator is mounted and stored in the container, the vibration part and the support part are connected to each other. Since a rotational moment force generated from the displacement of the lame mode vibration is generated, bending vibration is generated at the connection portion under the influence of the moment force.
従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがある。 Therefore, if the shape of the support part and the connection part is not set to appropriate design values, vibration of the vibration part will occur, and unnecessary vibration will be transmitted to the support part and connection part that hold the vibration part. There is a risk that the vibrations of the
加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的に小型化が難しくなっている現状にある。 In addition, in order to mount the vibrating part on the container by some means, a support part and a connection part are required. For this reason, when considered in the form of a vibrator, a structure in which a support part and a connection part are integrated in addition to the vibration part is required, so that it is difficult to reduce the overall size.
また、その一方で小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、従来のラーメモード振動子の構造上、落下や衝撃に対する強度不足などのおそれも考えられる。 On the other hand, in order to promote downsizing, the support part other than the vibration part is made lighter and made fragile, so there is a risk of insufficient strength against dropping and impact due to the structure of the conventional lame mode vibrator. Conceivable.
前述の実装についてその一例を示すと、従来のラーメモード振動子の製造プロセスでは、図8のB−B断面部を拡大する図8(a)に示すように、素子とパッケージとの間に介在する接合部材(導電性接着剤)だけの実装では下電極の接着でしか素子を固着、導通することができない。
As an example of the above-described mounting, in the conventional manufacturing process of the lame mode vibrator, as shown in FIG. 8A in which the BB cross-section of FIG. 8 is enlarged, it is interposed between the element and the package. If only the bonding member (conductive adhesive) is mounted, the element can be fixed and conducted only by adhesion of the lower electrode.
また、図8(b)に示すように素子形成を行う製造プロセスに用いるプロテクト膜(CrAu膜)を、励振電極に流用することで工程の簡略化を試みるが、素子の側面に電極を形成できないことから、下電極と上電極が側面で導通できないために、素子の充分な固着と導通が難しい。それは、素子の外形全体をエッチング処理で形成することから、素子の側面である厚み方向、則ち素子の下部から上部にかけて素子外形が直角に切り立っていることと、プロテクト膜に使用しているCrAu膜では導電接着剤が有効に接着せず、素子の上部の引き出し電極との接続は十分に行えないという課題がある。
In addition, as shown in FIG. 8B , a protection film (CrAu film) used in a manufacturing process for forming an element is used for an excitation electrode to simplify the process, but the electrode cannot be formed on the side surface of the element. For this reason, since the lower electrode and the upper electrode cannot conduct on the side surfaces, it is difficult to sufficiently fix and conduct the element. This is because the entire outer shape of the device is formed by etching treatment, so that the device outer shape is perpendicular to the thickness direction, that is, from the lower side to the upper side of the device, and CrAu used for the protective film. There is a problem that the conductive adhesive does not effectively adhere to the film, and the connection with the lead electrode on the upper part of the element cannot be sufficiently performed.
そこで上述の課題を改善するために本発明は、矩形状の圧電素子に電荷を加えたときに、前記圧電素子の角部4点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に縮み、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に縮む輪郭振動の振動形態を生じる、LQ1Tカットあるいは、LQ2Tカットの水晶基板から成るラーメモード水晶振動子の保持構造において、前記圧電素子の振動領域の回転モーメントの無い無変位部に凸部が前記圧電素子と一体で形成されてなる保持部と、前記圧電素子の振動領域に形成される励振電極と、前記保持部である前記凸部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凹部構造を有する容器体と、前記保持部の表面には引き出し電極が形成されて前記励振電極と接続され、前記凹部に導通金属膜が設けられ、前記凹部構造が前記保持部に合致する形態で固着と導通とを保持されたことを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造である。 Therefore, in order to improve the above-described problem, the present invention is a short circuit when a charge is applied to a rectangular piezoelectric element and the piezoelectric element extends in the longitudinal direction of the rectangular shape with four corners of the piezoelectric element as nodes. contraction in the direction, and the resulting vibration form of contour vibration shrinks in the longitudinal direction when extending the rectangular lateral direction, LQ1T cut or the holding structure of the Lame mode quartz resonator consisting of quartz substrate LQ2T cut, A holding part in which a convex part is formed integrally with the piezoelectric element in a non-displacement part having no rotational moment in the vibration area of the piezoelectric element, an excitation electrode formed in the vibration area of the piezoelectric element, and the holding part. A container body having a concave structure that holds the piezoelectric element in a form that fits with a certain convex portion, and a lead electrode is formed on the surface of the holding portion and connected to the excitation electrode, and is guided to the concave portion. Metal film is provided, a retaining structure Lame mode quartz crystal resonator, characterized in that said recess structure is retained and electrically connected to the fixing in a form matching the holder.
具体的には、前記圧電素子の振動領域内にある回転モーメントの無い無変位部に凸部を形成し、前記凸部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凹部構造を有する容器体に実装し、そして保持部には圧電素子に形成する励振電極からの引き出し電極の一部が形成されており、前記容器体との実装と同時に電気的な接続をされていることを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造である。 Specifically, a container having a concave structure that holds the piezoelectric element in a form in which a convex part is formed in a non-displacement part having no rotational moment within the vibration region of the piezoelectric element and is fitted to the convex part. A part of the extraction electrode from the excitation electrode formed on the piezoelectric element is formed on the holding portion, and the holding portion is electrically connected simultaneously with the mounting of the container body. It is a holding structure of a mode crystal resonator.
上述により、従来の課題として挙げられている、素子の小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることによる発生する落下や衝撃に対する強度不足を改善し、更に保持部には軟質接合用金属を処理して電気的な接続構造を形成することで、圧電素子を容器体に実装すると同時に電気的な接続をも実現することによりラーメモード振動子全体を小型化する上で耐衝撃性の向上と圧電素子の容器体への実装時の簡略化を実現することができる。 Based on the above, in order to promote downsizing of the element, which has been cited as a conventional problem, the supporting part other than the vibration part is reduced in weight, and the lack of strength against dropping and impact caused by making it fragile is improved. Furthermore, the entire lame mode vibrator can be made compact by processing the soft bonding metal in the holding part to form an electrical connection structure so that the piezoelectric element can be mounted on the container body and at the same time the electrical connection can be realized. Therefore, it is possible to improve the impact resistance and simplify the mounting of the piezoelectric element on the container.
上述のように本発明は、ラーメモード水晶振動子の製造方法でエッチング溶液を用い、LQ1Tカットあるいは、LQ2Tカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法により、素子外形を形成すると同時に圧電素子の振動領域内の回転モーメントの無い無変位部に保持部を形成し支持し導通をとることで、各振動領域の重心箇所である変位も回転モーメントも無い保持部を支持することにより、支持が点接触となり圧電素子への拘束力を低減することで、落下や衝撃に対する機械的強度を高める素子の実装強度を確保し、落下衝撃時の電気的特性の変動を低減する。その結果、耐衝撃性を強化することにより、ラーメモード振動子の品質の向上と製造歩留まりの向上、更には製造プロセスの簡略化を実現できる。 As described above, the present invention uses the etching solution in the manufacturing method of the lame mode crystal resonator, and the LQ1T cut or LQ2T cut crystal substrate forms the element outline by the processing method by wet etching and at the same time within the vibration region of the piezoelectric element. By forming and supporting the holding part in the non-displaced part with no rotational moment, and supporting the holding part without displacement and rotational moment at the center of gravity of each vibration region, the support becomes point contact and piezoelectric By reducing the restraining force on the element, the mounting strength of the element, which increases the mechanical strength against dropping and impact, is ensured, and fluctuations in electrical characteristics at the time of dropping impact are reduced. As a result, by improving the impact resistance, it is possible to improve the quality of the lame mode vibrator, improve the manufacturing yield, and simplify the manufacturing process.
以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板を基板にした圧電素子1で、その基板の辺比の一方の寸法を1(L)としたとき、もう一方の寸法が整数比(1(L)〜n)を満たす板に無数に存在する振動モードをラーメモード振動子と呼んでいる。図1に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う2辺Aが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の2辺Bが正方形の外方向に変位し、また向かい合う2辺Aが正方形の外方向に変位したときはもう一方の2辺Bが正方形の中心方向に変位する振動形態である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same numerals indicate the same objects.
A
従って、図1(a)と図1(b)の動作を繰り返す形態で振動する。この図1は正方形板の最低次の振動モードと呼ぶ。また図1(c)には振動板の寸法概念を示す。そして図2にはその振動モードの模式図を示している。また、図3については、基本形を元にして高次の振動モードを例にしたものである。考え方は図1の基本形と同様であり、図3(a)は二次の場合を示し、図3(b)は三次の場合を示したものである。なお、図1と図3に示す△マークはラーメモード振動子の無振動部を表すものである。 Therefore, it vibrates in the form of repeating the operations of FIG. 1A and FIG. This FIG. 1 is called the lowest order vibration mode of a square plate. FIG. 1C shows a dimensional concept of the diaphragm. FIG. 2 shows a schematic diagram of the vibration mode. FIG. 3 shows an example of a high-order vibration mode based on the basic shape. The idea is the same as the basic form of FIG. 1, FIG. 3 (a) shows the secondary case, and FIG. 3 (b) shows the tertiary case. 1 and 3 indicate a non-vibrating portion of the lame mode vibrator.
さて本発明の特徴として、図4に示す斜視図を一例として説明する。高次の振動形態を持つ素子の回転モーメントの無い無変位部2(以下、無変位部)に形成する保持部3と、保持部3に合致する形態で圧電素子1を保持する構造を特徴とするラーメモード水晶振動子である。このとき、ラーメモード振動子の1次の形態の振動領域の重心箇所を保持するもので、高次の場合であっても、各振動領域の重心箇所を保持する構造となる。
Now, as a feature of the present invention, a perspective view shown in FIG. 4 will be described as an example. Features a holding
保持部3については、圧電素子1の振動領域内にある無変位部2に凸部を素子と一体的に形成し、凸部と嵌合する形態で圧電素子1を保持する凹部(受け4)構造を有する容器体7に実装する形態となっている。
Concerning the holding
図5は図4の断面A−Aを描画したもので、図5(a)にはその断面を示したものである。また図5(a)丸部に示す要部を拡大した図5((b)、(c))で説明すると、ラーメモード水晶振動子の振動領域内にある無変位部2に形成する保持部3の表面には、引き出し電極が形成されて前記励振電極と接続されており、保持部3に嵌合する容器体7の受け4部分からは圧電素子1の引き出し電極6と導通が取れるように形成され、受け4部に導通金属膜が設けられることで、保持部3により圧電素子1の固着と導通を実現するものである。なお、図5(b)は圧電素子1と容器体7の受け4部分がかみ合う形態であり、図5(c)は容器体7にへこみを設けて、構造を簡略化したものである。なお、励振電極は、前記圧電素子の振動領域に形成される。
FIG. 5 is a drawing of section AA of FIG. 4, and FIG. 5 (a) shows the section. 5A is an enlarged view of the main part shown in FIG. 5A, and FIG. 5B is a enlarged view of the holding part formed in the
要するに、圧電素子1側の保持部3を円柱あるいは円錐形状にし例えば励振電極5を含めCr−Au、Ti−Auのような電極金属で導通を図り、受け4から導通金属膜をパターンニングし、導通金属膜の一部からガラスの埋め込み貫通導電体10を経由して容器体7の外に引き回して容器体7の電極端子に接続する。従って、容器体7は圧電素子1の上下(表裏)に配置し保持部3が容器体の受け4部と嵌合する形態で封止を行う構造となる。
In short, the holding
以上保持部3については、前述する圧電素子1の無変位部2に形成する保持部3は、いわゆるラーメモード振動子から伝搬する振動(変位と回転モーメントの無い)がゼロの場所に適宜配置ができ、大きさや形状に拘るものでは無い。また、高次の場合の圧電素子1においては、保持部3は圧電素子1の振動領域内にある全ての無変位部2で保持する必要は無く、無変位部2を適当に選択しても良い。なお、保持部3と受け部4の形状は問わない。また、保持部には軟質接合用金属9としてアルミ、金、銅、ハンダ材料を施すことで、容器体7と圧電素子1の保持部での接触を緩和することができる。
As described above, the holding
以上、前述する圧電素子1の実装に関する技術であるが、容器体1の構造や材質を問うものでは無い。しかしながら、小型化容器を実現するにはウエハレベルの封止技術が必要であることから、例えばガラス材料を使った陽極接合、直接接合などを用いることが将来的には考えられる。また、当然ながらセラミック材料や有機材料などの利用でも充分に適用できる。
As mentioned above, although it is the technique regarding mounting of the
1 圧電素子
2 無変位部(回転モーメントの無い無変位部)
3 保持部
4 受け部
5 励振電極
6 引き出し電極
7 容器体
8 振動領域
9 軟質接合用金属
1
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記圧電素子の振動領域の回転モーメントの無い無変位部に凸部が前記圧電素子と一体で形成されてなる保持部と、
前記圧電素子の振動領域に形成される励振電極と、
前記保持部である前記凸部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凹部構造を有する容器体と、
前記保持部の表面には引き出し電極が形成されて前記励振電極と接続され、
前記凹部に導通金属膜が設けられ、
前記凹部構造が前記保持部に合致する形態で固着と導通とを保持されたことを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。 When a charge is applied to the rectangular piezoelectric element, the corners of the four corners of the piezoelectric element are nodes, and when extending in the longitudinal direction of the rectangular shape, it contracts in the short direction, and the rectangular short direction In the holding structure of the lame mode quartz crystal resonator made of the LQ1T cut or LQ2T cut quartz substrate, which generates the vibration form of the contour vibration that shrinks in the longitudinal direction when extended to
A holding part in which a convex part is formed integrally with the piezoelectric element in a non-displaceable part without a rotational moment in the vibration region of the piezoelectric element;
An excitation electrode formed in a vibration region of the piezoelectric element;
A container body having a concave structure that holds the piezoelectric element in a form that fits with the convex part that is the holding part;
A lead electrode is formed on the surface of the holding portion and connected to the excitation electrode,
A conductive metal film is provided in the recess,
A holding structure for a lame mode crystal resonator, wherein the concave structure is held in a fixed state and in conduction in a form that matches the holding portion.
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