JP5595196B2 - 圧電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、リッドとベースとで圧電振動片を挟む込んだ圧電デバイスに関する。
製造コストを低減させるため、ベースとリッドとの間に枠付きの圧電振動片を挟み込んだ表面実装型の圧電デバイスが提案されている。特許文献1に開示された圧電デバイスは、圧電振動片の周囲に枠体が形成されている。そして、ベースと枠体との間に低融点ガラス又はコロイダルシリカなどの封止材を厚く形成し、またリッドと枠体との間にも低融点ガラス等の封止材を厚く形成することを提案している。
特開2004−222053号公報
しかしながら、圧電デバイスが小型化されるにつれ、枠体の幅も狭くなってきている。枠体の幅が狭くなると封止材の幅も狭くなり、圧電デバイスの外側からキャビティ内へ気体又は水蒸気がリークもしくはキャビティ内から圧電デバイスの外へ気体がリークしやすくなるとともに、枠体の強度が弱くなる。枠体の幅を狭くする代わりに圧電振動片の大きさ自体を小さくしようとすると圧電振動片のCI値(クリスタルインピーダンス値)が高くなる傾向がある。このため、枠体の幅を狭くする代わりに圧電振動片の大きさを小さくすることは好ましくない。
そこで本発明は、枠体の幅も狭いながらも圧電デバイスの外側からキャビティ内へ又はその逆の気体等のリークが少なく且つ外部からの衝撃などにも強い圧電デバイスを提供する。
第1観点の圧電デバイスは、圧電振動片と圧電振動片から貫通開口を隔てて配置され圧電振動片を囲む枠体と圧電振動片を枠体に支持する支持部とが形成されそれぞれに第1面と第2面とを有する圧電フレームと、枠体の第1面と少なくとも一部が対向する第1接合面が形成されたリッド部と、一対の外部電極が形成される実装面とその実装面の反対側であって枠体の第2面と少なくとも一部が対向する第2接合面が形成された底面とを有するベース部と、第1接合面と枠体の第1面との間に環状に形成された第1封止材と、第2接合面と枠体の第2面との間に環状に形成された第2封止材と、を備える。また、第1封止材及び第2封止材の少なくともいずれか一方が、枠体の貫通開口側の側面に形成されている。
第2観点の圧電デバイスにおいて、第1封止材と第2封止材とは、側面で互いに接合している。
第3観点の圧電デバイスにおいて、リッド部、圧電フレーム及びベース部は、実装面から見ると4辺を有する矩形形状であり、1辺の長さをAとし枠体の幅をBとすると、B ≦ A×0.1の関係を有する。
第4観点の圧電デバイスにおいて、第1封止材は第1接合面に枠体の幅Bに5μm以上加えた幅で形成され、第2封止材は第2接合面に枠体の幅Bに5μm以上加えた幅で形成されており、貫通開口の幅は10μm以上である。
第5観点の圧電デバイスにおいて、枠体の貫通開口側の側面は、第1面又は第2面から厚さが薄くなるように段差部が形成されている。
第6観点の圧電デバイスにおいて、枠体の貫通開口側は、実装面から見ると連続した窪み部が形成されている。
第7観点の圧電デバイスは、電圧の印加により振動する圧電振動片と、圧電振動片が載置されるベース凹部を有するベース部と、ベース部と接合して圧電振動片を密閉封入するリッド部と、ベース部とリッド部とを封止する環状に形成された封止材と、を備える。また、封止材がベース凹部の側面に形成されている。
第8観点の圧電デバイスにおいて、リッド部はベース凹部に対応するリッド凹部を有し、封止材がリッド凹部に形成されている。
第9観点の圧電デバイスにおいて、リッド部はリッド凹部の周囲に第1接合面を有し、ベース部はベース凹部の周囲に第1接合面と接合する第2接合面を有し、リッド部及びベース部は4辺を有する矩形形状で、1辺の長さをAとし第1接合面及び第2接合面の幅をBとすると、 B ≦ A×0.1 の関係を有する。
第10観点の圧電デバイスにおいて、封止材は第1接合面及び第2接合面の幅Bに5μm以上加えた幅で形成され、ベース部及びリッド部の側面から圧電振動片からの距離は10μm以上である。
本発明の圧電デバイスは、キャビティ内へ又はキャビティ外への気体等のリークが少なく且つ外部からの衝撃などにも強い。
第1実施形態の第1水晶振動子100の分解斜視図である。 図1のS−S断面図である。 第1実施形態の第1水晶振動子100の製造を示したフローチャートである。 リッドウエハ11Wの平面図である。 水晶ウエハ10Wの平面図である。 ベースウエハ12Wの平面図である。 リッドウエハ11Wと、水晶ウエハ10Wと、ベースウエハ12Wとを接合するステップS14を示した説明図である。 第1実施形態の変形例である第1水晶振動子100’の断面図で、図1のS−S断面に対応する。 第2実施形態の第2水晶振動子200の断面図で、図1のS−S断面に対応する。 第3実施形態の第3水晶振動子300の断面図で、図1のS−S断面に対応する。 第4実施形態の水晶フレーム40の平面図である。 第5実施形態の第5水晶振動子500の分解斜視図である。 図12のT−T断面図である。 第5実施形態の第5水晶振動子500の製造を示したフローチャートである。 水晶ウエハ50Wの平面図である。 ベースウエハ52Wの平面図である。
本実施形態では、圧電振動片としてATカットの水晶振動片が使われている。ATカットの水晶振動片は、主面(YZ面)が結晶軸(XYZ)のY軸に対して、X軸を中心としてZ軸からY軸方向に35度15分傾斜されている。このため、ATカットの水晶振動片の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をY’軸及びZ’軸として用いる。すなわち、第1実施形態及び第2実施形態において水晶振動子の長手方向をX軸方向、水晶振動子の高さ方向をY’軸方向、X及びY’軸方向に垂直な方向をZ’として説明する。
(第1実施形態)
<第1水晶振動子100の全体構成>
第1水晶振動子100の全体構成について、図1及び図2を参照しながら説明する。図1は第1水晶振動子100の分解斜視図で、図2は図1のS−S断面図である。
図1及び図2に示されたように、第1水晶振動子100は、リッド凹部111を有するリッド部11と、ベース凹部121を有するベース部12と、リッド部11及びベース部12に挟まれる矩形の水晶フレーム10とを備える。
水晶フレーム10は、両面に励振電極102a、102bが形成された水晶振動部101と、水晶振動部101を囲む枠体105とで構成されている。また、水晶振動部101と枠体105との間には、水晶振動部101からX軸方向の両側に沿ってそれぞれ伸びるように枠体105と連結した一対の支持部104a、104bを有している。このため、水晶振動部101と枠体105との間に一対の「L」字型の貫通開口部108a、108bが形成される。水晶フレーム10のX軸方向の両側に配置されたZ’軸方向に伸びる両辺には、角丸長方形の水晶貫通孔CH(図5を参照)を形成した際の水晶キャスタレーション106a、106bが形成されている。水晶キャスタレーション106a、106bには水晶側面電極107a、107bがそれぞれ形成されている。ここで、水晶側面電極107aは水晶フレーム10の裏面Miにまで伸びて接続パッド107Mが形成されることが好ましい。接続パッド107Mは、後述するベース側面電極123aの接続パッド123Mに確実に電気的に接続する。
支持部104a及び枠体105の表面Meには励振電極102aから引き出された引出電極103aが形成されている。引出電極103aは水晶キャスタレーション106aの水晶側面電極107aに接続される。また、支持部104b及び枠体105の裏面Miには励振電極102bから引き出される引出電極103bが形成されている。引出電極103bは後述するベース側面電極123bの接続パッド123Mに接続される。
図2に示されるように、水晶フレーム10のX軸方向の長さAは2000μm程度で、Z’軸方向の長さ(図示しない)は1600μm程度である。本明細書では外形寸法が2000μm×1600μmの水晶フレーム10が用いられているが、例えばより小型の1600μm×1200μm又は1200μm×1000μmの水晶フレーム10が用いられてもよい。また、圧電振動子の小型化につれ、枠体105の幅Bは狭くなり0.1×A以下、すなわち200μm以下となっている。さらに、「L」字型の貫通開口部108a、108bの幅Dは10μm以上にすることが好ましい。

ベース部12はガラス又は圧電材料で形成され、その表面(+Y’側の面)にベース凹部121の周囲に形成された第2接続面M2を有している。ここで、第2接続面M2はその幅が水晶フレーム10の枠体105の幅Bより幅Cだけ広く形成されている。すなわち、ベース部12の第2接続面M2の幅は(B+C)で、幅Cは5μm以上である。また、ベース部12のX軸方向の両側には、ベース貫通孔BH(図6を参照)を形成した際のXZ’平面で窪んだ角丸長方形のベースキャスタレーション122a、122bが形成されている。ベース部12において、実装面(水晶振動子の実装面)M4のX軸方向の両側には一対の外部電極125a、125bがそれぞれ形成されている。また、ベースキャスタレーション122a、122bにはベース側面電極123a、123bがそれぞれ形成されている。ベース側面電極123a、123bの一端は外部電極125a、125bに接続する。ここで、ベース側面電極123a、123bの他端はベース部12の第2接続面M2にまで伸びて接続パッド123Mが形成される。接続パッド123Mは水晶側面電極107a及び引出電極103bに確実にそれぞれ電気的に接続する。
ベース部12に設けられた外部電極125a、125bは、ベース側面電極123a、123b、水晶側面電極107a及び引出電極103bを介して水晶フレーム10の励振電極102a、102bにそれぞれ電気的に接続される。つまり、外部電極125a、125bに交番電圧(正負を交番する電位)を印加したときに、水晶振動片10は厚みすべり振動する。
なお、水晶フレーム10とベース部12とは例えば封止材である低融点ガラスLG2により接合される。低融点ガラスは、350℃〜410℃で溶融する鉛フリーのバナジウム系ガラスを含む。バナジウム系ガラスはバインダーと溶剤とが加えられペースト状であり、溶融された後固化されることで他の部材と接着する。また、このバナジウム系ガラスは接着時の気密性と耐水性・耐湿性などの信頼性が高い。さらに、バナジウム系ガラスはガラス構造を制御することにより熱膨張係数も柔軟に制御できる。
第1実施形態において、水晶フレーム10の枠体105の幅Bがベース部12の第2接続面M2の幅(B+C)より狭く形成されている。このため、水晶フレーム10が押圧されることで、ベース部12の第2接続面M2に形成された低融点ガラスLG2は水晶フレーム10の枠体105に対応される部分及び支持部104a及び支持部104bに対応される部分が薄くなる。一方、水晶フレーム10の枠体105に押圧されなかった幅Cに対応する低融点ガラスLG2は薄くならず貫通開口部108a、108bの側面M3に盛り上がって接着される。これにより、低融点ガラスLG2は図1に示された貫通開口部108a、108bに対応する形状で盛り上がった低融点ガラス領域126a、126bが形成される。
第1水晶振動子100は、水晶フレーム10の表面Meに接合されるガラス又は圧電材料である水晶からなるリッド部11をさらに備えている。リッド部11はリッド凹部111の周囲に形成された第1接続面M1を有している。ここで、第1接続面M1はその幅が水晶フレーム10の枠体105の幅Bより幅C程度広く形成されている。すなわち、ベース部12の第2接続面M2の幅は(B+C)で、幅Cは5μm以上である。
また、図2に示されたようにリッド部11、水晶フレーム10の枠体105及びベース部12により水晶フレーム10の水晶振動部101を収納するキャビティCTが形成される。キャビティCTは窒素ガスで満たされたり又は真空状態にされたりする。
ここで、リッド部11と水晶フレーム10とは例えば封止材である低融点ガラスLG1により接合される。水晶フレーム10の枠体105の幅Bがリッド部11の第1接続面M1の幅(B+C)より狭く形成されている。このため、リッド部11が押圧されることで、リッド部11の第1接続面M1に形成された低融点ガラスLG1は水晶フレーム10の枠体105に対応される部分及び支持部104a及び支持部104bに対応される部分が薄くなる。一方、水晶フレーム10の枠体105に押圧されなかった幅Cに対応する低融点ガラスLG1は薄くならず貫通開口部108a、108bの側面M3に盛り上がって接着される。これにより、低融点ガラスLG1は図1に示された貫通開口部108a、108bに対応する形状で盛り上がった低融点ガラス領域116a、116bが形成される。
なお、第1実施形態においてリッド部11側に形成された盛り上がった低融点ガラス領域116a、116bとベース部12側に形成された盛り上がった低融点ガラス領域126a、126bとは、必ずしもつながっている必要はない。
このような構成によれば、水晶フレーム10の枠体105が幅狭く形成されても盛り上がった低融点ガラス領域116a、116b及び盛り上がった低融点ガラス領域126a、126bにより水晶フレーム10がより広い接続面積でより確実にリッド部11及びベース部12に接合することができる。したがって、盛り上がった低融点ガラス領域分だけ接続面積が大きくなり、第1水晶振動子100の外側からキャビティCTへの水蒸気又は気体など外気のリーク又はキャビティCT内から第1水晶振動子100の外側への気体のリークが発生しにくくなる。さらに、第1水晶振動子100は外部からの衝撃などにも強くなる。
<第1水晶振動子100の製造方法>
図3は、第1水晶振動子100の製造を示したフローチャートである。図3において、リッド部11の製造ステップS11と、水晶フレーム10の製造ステップS12と、ベース部12の製造ステップS13とは別々に並行して行うことができる。また、図4は第1実施形態のリッドウエハ11Wの平面図で、図5は第1実施形態の水晶ウエハ20Wの平面図で、図6は第1実施形態のベースウエハ12Wの平面図である。
ステップS11ではリッド部11が製造される。ステップS11はステップS111及びS112を含んでいる。
ステップS111において、図4に示されたように、均一厚さの水晶平板のリッドウエハ11Wにリッド凹部111が数百から数千個形成される。リッドウエハ11Wには、エッチング又は機械加工によりリッド凹部111が形成され、リッド凹部111の周囲には第1接続面M1が形成される。
ステップS112において、図4に示されたように、スクリーン印刷でリッドウエハ11Wの第1接続面M1に封止材として低融点ガラスLG1が形成される。その後、低融点ガラスLG1を仮硬化することで、低融点ガラスLG1膜がリッドウエハ11Wの第1接続面M1に形成される。低融点ガラス膜は水晶貫通孔CH(水晶キャスタレーション106a、106b)に対応する箇所113には形成されていない。ここで、低融点ガラスLG1の厚さG(図7(c)を参照)は接続パッド107Mの厚さより厚く形成される。
ステップS12では、水晶フレーム10が製造される。ステップS12はステップS121及びS122を含んでいる。
ステップS121において、図5に示されたように、均一の水晶ウエハ10Wにエッチングにより複数の水晶フレーム10の外形が形成される。すなわち、水晶振動部101と、外枠105と、一対の貫通開口部108a、108bとが形成される。同時に、各水晶フレーム10のX軸方向の両側には水晶ウエハ10Wを貫通するように角丸長方形の水晶貫通孔CHが形成される。水晶貫通孔CHが半分割されると1つの水晶キャスタレーション106a、106b(図1を参照)になる。
ステップS122において、まずスパッタリングまたは真空蒸着によって水晶ウエハ10Wの両面及び水晶貫通孔CHに金属層が形成される。そして、金属層の全面にフォトレジストが均一に塗布される。その後、露光装置(不図示)を用いて、フォトマスクに描かれた励振電極102a、102b、引出電極103a、103b及び水晶側面電極107a、107bのパターンが水晶ウエハ10Wに露光される。次に、フォトレジストから露出した金属層がエッチングされる。これにより、水晶ウエハ10W両面には励振電極102a、102b及び引出出極103a、103bが形成され、水晶貫通孔CHには水晶側面電極107a、107bが形成される(図1及び図2を参照)。
ステップS13では、ベース部12が製造される。ステップS13はステップS131〜S133を含んでいる。
ステップS131において、図6に示されたように、均一厚さの水晶平板のベースウエハ12Wにベース凹部121が数百から数千個形成される。ベースウエハ12Wには、エッチング又は機械加工によりベース凹部121が形成され、ベース凹部121の周囲には第2接続面M2が形成される。同時に、各ベース部12の四隅にはベースウエハ12Wを貫通するように円形のベース貫通孔BHが形成される。ベース貫通孔BHが半分割されると1つのベースキャスタレーション122a、122b(図1を参照)になる。
ステップS132において、ステップS122で説明されたスパッタ及びエッチング方法によって図6に示されたようにベース部12の実装面に一対の外部電極125a、125bが形成される。同時に、ベース貫通孔BHにはベース側面電極123a、123bが形成される(図1及び図2を参照)。
ステップS133において、スクリーン印刷でベースウエハ12Wの第2接続面M2に封止材として低融点ガラスLG2が形成される。その後、低融点ガラスLG2を仮硬化することで、低融点ガラスLG2がベースウエハ12Wの第2接続面M2に形成される。
ここで、低融点ガラスLG2の厚さG(図7(a)を参照)は接続パッド107M及び123Mの合計厚さより厚く形成される。また、低融点ガラスLG2は接続パッド123Mと距離F(図7(a)を参照)離れて形成される。
ステップS14では、低融点ガラスLG1、LG2が加熱されリッドウエハ11Wと、水晶ウエハ10Wと、ベースウエハ12Wとを加圧することで接合する。具体的には、図7を参照しながら説明する。図7は、リッドウエハ11Wと、水晶ウエハ10Wと、ベースウエハ12Wとを接合するステップS14を示した説明図である。図7において、左側はステップS14の詳細を示したフローチャートで、右側は左側のフローチャートの各ステップに対応する図1のA−A断面におけるベースウエハ12Wの部分断面図である。
ステップS141において、水晶ウエハ10Wとベースウエハ12Wとが位置決めされる。具体的には、図5に示された水晶ウエハ10W及び図6に示されたベースウエハ12Wは、その周縁部の一部に水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットOFがそれぞれ形成されている。したがって、オリエンテーションフラットOFを基準として、ステップS12で製造された水晶ウエハ10WとステップS13で製造されたベースウエハ12Wとが精密に重ね合わせる。
ステップS142において、低融点ガラスLG2が例えば350℃〜410℃程度に加熱され、水晶ウエハ10Wがベースウエハ12Wに向かって押圧される。これにより水晶ウエハ10Wとベースウエハ12Wとが接合される。このとき、水晶ウエハ10Wの接続パッド107Mとベースウエハ12Wの接続パッド123Mとが当接するまで、水晶ウエハ10Wが押圧される。低融点ガラスLG2の厚さGが接続パッド107M及び123Mの合計厚さより厚いので、低融点ガラスLG2が水晶ウエハ10Wの枠体105に押圧されて部分的に薄くなる。低融点ガラスは一定の粘度を有しているので、水晶ウエハ10Wの貫通開口部108a、108bの側面M3に低融点ガラス領域126a、126b(図2を参照。)が盛り上がる。また、低融点ガラスLG2が押圧されると、XZ’平面で伸びる。低融点ガラスLG2が接続パッド123Mと距離F離れて形成されているので、低融点ガラスLG2がXZ’平面で伸びても接続パッド107M及び123Mとの所定の間隔Eを保つことができる。
ステップS143において、リッドウエハ11Wと水晶ウエハ10Wとが位置決めされる。具体的には、図4に示されたリッドウエハ11W及び図5に示された水晶ウエハ10Wは、その周縁部の一部に水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットOFがそれぞれ形成されている。したがって、オリエンテーションフラットOFを基準として、ステップS11で製造されたリッドウエハ11WとステップS142で接合された水晶ウエハ10W及びベースウエハ12Wとが重ね合わせる。
ステップS144において、低融点ガラスLG1が例えば350℃〜410℃程度に加熱され、リッドウエハ11Wが水晶ウエハ10Wに向かって押圧される。これによってリッドウエハ11Wと水晶ウエハ10Wとが接合される。このとき、低融点ガラスLG1の厚さGが接続パッド107Mの厚さより厚いので、低融点ガラスLG1が水晶ウエハ10Wの枠体105に押圧されて部分的に薄くなる。これにより、水晶ウエハ10Wの貫通開口部108a、108bの側面M3に低融点ガラス領域116a、116b(図2を参照。)が盛り上がる。
再び図3に戻り、ステップS15では、接合されたリッドウエハ11Wと水晶ウエハ10Wとベースウエハ12Wとが第1水晶振動子100の大きさで個々に切断される。切断工程では、レーザーを用いたダイシング装置、または切断用ブレードを用いたダイシング装置などを用いて図4〜図6に示された一点鎖線のスクライブラインSLに沿って切断される。これにより、数百から数千の第1水晶振動子100が製造される。
(第1実施形態の変形例)
第1実施形態の変形例である第1水晶振動子100’の全体構成について、図8を参照しながら説明する。図8は、第1実施形態の変形例である第1水晶振動子100’の断面図で、図1のS−S断面に対応する。
図8に示されたように、第1水晶振動子100’はリッド凹部111’を有するリッド部11’と、ベース凹部121’を有するベース部12’と、リッド部11’とベース部12’とに挟まれた水晶フレーム10とを備えている。
第1実施形態の変形例では、リッド部11’のリッド凹部111’の周囲に形成された第1断面M1’と、水晶フレーム10の枠体105と、ベース部12’のベース凹部121’の周囲に形成された第2断面M2’とは同じ幅である。したがって、リッド凹部111’の側面M5と、貫通開口部108a、108bの側面M3と、ベース凹部121’の側面M6とはY’軸方向で一致している。但し、図8はキャスタレーションを通過する断面図であるので、キャスタレーション以外では第1断面M1’と、枠体105と、第2断面M2’とは点線で示されている幅である。
これにより、例えば水晶フレーム10とベース部12’とが押圧されると、一定の粘度を有する低融点ガラスLG2’は貫通開口部108a、108bの側面M3及びベース凹部121’の側面M6まで盛り上がって、側面の低融点ガラス領域126a’、126b’が形成される。同様に、リッド部11’と、水晶フレーム10とが押圧されると、一定の粘度を有する低融点ガラスLG1’はリッド凹部111’の側面M5及び貫通開口部108a、108bの側面M3まで盛り上がって、低融点ガラス領域116a’、116b’が形成される。ここで、低融点ガラス領域116a’、116b’及び126a’、126b’の厚さC’は、5μm以上である。
このような構成によれば、水晶フレーム10の枠体105が幅狭く形成されても盛り上がった低融点ガラス領域116a’、116b’及び126a’、126b’により水晶フレーム10がより広い接続面積でより確実にリッド部11’及びベース部12’に接合することができる。したがって、第1水晶振動子100’の外側からキャビティCTへの外気のリークもしくはその逆が発生しにくくなり、且つ第1水晶振動子100’は外部からの衝撃などにも強くなる。第1水晶振動子100’の製造方法は、図3に示されたフローチャートと同じである。
(第2実施形態)
<第2水晶振動子200の全体構成>
第2水晶振動子200の全体構成について、図9を参照しながら説明する。図9は第2水晶振動子200の断面図で、第1実施形態の図1のS−S断面に対応する。また、第1実施形態と同じ構成要件については、同じ符号を付して説明する。
図9に示されたように、第2水晶振動子200はリッド部21とベース部22とに挟まれた水晶フレーム10を備えている。ここで、リッド部21及びベース部22は第1実施形態で説明された凹部が形成せず平板状となっている。
また、第2実施形態では第1実施形態で説明された盛り上がった低融点ガラス領域116aと盛り上がった低融点ガラス領域126aと(図2を参照)が一体となり上下つながった低融点ガラス領域206aが形成される。同様に、盛り上がった低融点ガラス領域116bと盛り上がった低融点ガラス領域126bと(図2を参照)が一体となり上下つながった低融点ガラス領域206bが形成される。
このような構成によれば、水晶フレーム10の枠体105が幅狭く形成されても盛り上がった低融点ガラス領域206a、206bにより水晶フレーム10がより広い接続面積で確実にリッド部21及びベース部22に接合することができる。したがって、第2水晶振動子200の外側からキャビティCTへの外気のリークもしくはその逆が発生しにくくなり、且つ第2水晶振動子200は外部からの衝撃などにも強くなる。
第2実施形態において、リッド部21及びベース部22には凹部が形成されていないので、水晶振動部の振動に影響を与えないように、水晶振動部を逆メサ型に形成してもよい。
<第2水晶振動子200の製造方法>
第2水晶振動子200の製造方法について、第1実施形態の図3を参照しながら説明する。
リッド部21の製造ステップS11において、凹部の形成ステップS111は必要せず、ステップS112で後述する水晶フレーム10の枠体105に対応される形状の低融点ガラスLG1がリッドウエハに形成される。
水晶フレーム10の製造ステップS12は、第1実施形態と同じである。
ベース部22の製造ステップS13において、ステップS131ではベース貫通孔BHが形成されるがベース凹部121が形成されない。その後、ステップS132により各電極が形成され、ステップS133により水晶フレーム10の枠体105に対応される形状の低融点ガラスLG2がベースウエハに形成される。
ステップS14では、リッドウエハと、水晶ウエハと、ベースウエハとが接合される。このとき、リッドウエハに形成された低融点ガラス領域116a、116b(図2を参照)とベースウエハに形成された低融点ガラス領域126a、126b(図2を参照)が互いに盛り上がって一体につながる。これにより、貫通開口部108a、108bの側面M3に低融点ガラス領域206a、206b(図9を参照)が形成される。
ステップS15は、第1実施形態と同じである。
(第3実施形態)
<第3水晶振動子300の全体構成>
第3水晶振動子300の全体構成について、図10を参照しながら説明する。図10は第3水晶振動子300の断面図で、第1実施形態の図1のS−S断面に対応する。また、第1実施形態と同じ構成要件については、同じ符号を付して説明する。
図10に示されたように、第3水晶振動子300はリッド部11とベース部12とに挟まれた水晶フレーム30を備えている。第3実施形態において、水晶フレーム30の枠体305は、その内側(水晶振動部側)及び外側(キャスタレーション側)の側面に、表面Me及び裏面Miから凹んだ段差部309を有している。このため、一対の貫通開口部308a、308bの面積がより大きくなる。これにより、貫通開口部308a、308bに形成された低融点ガラスLG1、LG2がより広い面積でリッド部11と、水晶フレーム30と、ベース部12とを確実に接合することができる。
このような構成によれば、水晶フレーム30の枠体305が幅狭く形成されても水晶フレーム30がより広い接続面積でより確実にリッド部11及びベース部12に接合することができる。したがって、第3水晶振動子300の外側からキャビティCTへの外気のリークもしくはその逆が発生しにくくなり、且つ第3水晶振動子300は外部からの衝撃などにも強くなる。
また水晶フレーム30の枠体305において、その中央部が両側より厚く形成されている。つまり、水晶キャスタレーション側が中央部より薄く形成されているので、水晶側面電極307aとベース側面電極123aとが確実に電気的に接続できない場合がある。このため、第3実施形態の水晶フレーム30は、外部電極125a、125bの全部又は一部と、ベース側面電極123a、123bと、水晶側面電極107a、107bとを覆うように外側に接続電極14a、14bが形成される。これにより、外部電極125a、125bは、ベース側面電極123a、123b、接続電極14a、14b、水晶側面電極107a、107b及び引出電極303a、303bを介して、励振電極102a、102bと確実に電気的に接続される。
第3実施形態では、外部電極125a、125bにも接続電極14a、14bが形成されているが、ベース側面電極123a、123b及び水晶側面電極107a、107bのみに形成されてもよい。
<第3水晶振動子300の製造方法>
第3水晶振動子300の製造方法について、第1実施形態の図3及び図7を参照しながら説明する。
リッド部11の製造ステップS11及びベース部12の製造ステップS13は、第1実施形態と同じである。
水晶フレーム30の製造ステップS12において、ステップS121でエッチングによって貫通開口部308a、308b、水晶キャスタレーション306a、306b及び段差部309が形成される。その後、ステップS122で励振電極102a、102b及び引出電極103a、103bが形成される。
ステップS14では、リッドウエハと、水晶ウエハと、ベースウエハとが接合される。なお、水晶ウエハとベースウエハとを接合した後に接続電極14a、14bが形成される。接続電極14a、14bは、外部電極125a、125bの全部又は一部と、ベース側面電極123a、123bと、水晶側面電極107a、107bとを覆うように形成される。具体的には、接合された水晶ウエハとベースウエハとは水晶ウエハが下向きになるように載置される。その後、外部電極125a、125bに対応する領域及びベース貫通孔BHに対応する領域に開口が形成されたマスク(図示しない)が、ベースウエハの実装面M4側に配置される。そして、スパッタ又は真空蒸着されることで、接続電極14a、14bが形成される。これにより、ベース側面電極123a、123bと水晶側面電極107a、107bとが確実に電気的に接続される。
ステップS15では、接合されたリッドウエハと、水晶ウエハと、ベースウエハとが個々に切断される。これにより、数百から数千の第3水晶振動子300が製造される。
(第4実施形態)
<水晶振動子の全体構成>
第4実施形態の水晶振動子(不図示)は、リッド部11と、ベース部12と、リッド部11とベース部12とに挟まれた水晶フレーム40を備えている。水晶フレーム40について、図11を参照しながら説明する。図11は、水晶フレーム40の平面図である。なお、理解を助けるために、水晶フレーム40に付属されていないが、図11ではリッド部11と水晶フレーム40との間に形成された低融点ガラスLG1及び水晶フレーム40とベース部12との間に形成された低融点ガラスLG2を点線で描いて説明する。
図11に示されたように、水晶フレーム40はほぼ「L」字型となった一対の貫通開口部408a、408bを有している。一対の貫通開口部408a、408bは、その枠体405側の側面M3に複数の連続した窪み部409が形成されている。
また、低融点ガラスLG1及びLG2によってリッド部11と、水晶フレーム40と、ベース部12とを接合する際、低融点ガラスLG1及びLG2がXZ’平面で貫通開口部408a、408bの窪み部409内まで盛り上がった低融点ガラス領域406が形成される。ここで、盛り上がった低融点ガラス領域406は第1実施形態で説明されたようにZ軸方向で離れていてもよいし、第2及び第3実施形態で説明されたようにZ軸方向につながって一体となってもよい。
このような構成によれば、水晶フレーム40の枠体405が幅狭く形成されても水晶フレーム40がより広い接続面積でより確実にリッド部及びベース部に接合することができる。したがって、第4水晶振動子400の外側からキャビティCTへの外気のリークもしくはその逆が発生しにくくなり、且つ第4水晶振動子400は外部からの衝撃などにも強くなる。
<第4実施形態の水晶振動子の製造方法>
第4実施形態の水晶振動子の製造方法について、図3で説明されたフローチャートとほぼ同じであるので、説明を省略する。
(第5実施形態)
<第5水晶振動子500の全体構成>
第5水晶振動子500の全体構成について、図12及び図13を参照しながら説明する。図12は第5水晶振動子500の分解斜視図で、図13は図12のT−T断面図である。
図12及び図13に示されたように、第5水晶振動子500は、リッド凹部511を有するリッド部51と、ベース凹部521を有するベース部52と、ベース部52内に載置される矩形の水晶振動片50とを備える。
水晶振動片50は、水晶片501により構成され、その水晶片501の中央付近の両主面に一対の励振電極502a、502bが対向して配置されている。また、励振電極502aには水晶片501底面の−X側の+Z’軸方向の一隅まで伸びた引出電極503aが接続され、励振電極502bには水晶片501底面の+X側の−Z’軸方向の他隅まで伸びた引出電極503bが接続されている。水晶振動片50は、導電性接着剤53により後述するベース部52のベース凹部521内に接着される。
第5水晶振動子500は、リッド凹部511とリッド凹部511の周囲に形成された第1接続面M1とを有するガラス又は圧電材料からなるリッド部51を備える。また、ベース凹部521とベース凹部521の周囲に形成された第2接続面M2とを有するガラス又は圧電材料からなるベース部52を備えている。また、ベース部52のベース凹部521とリッド部51のリッド凹部511とは圧電振動片50を収納するキャビティCTが形成される。キャビティCTは、窒素ガスで満たされたり又は真空状態にされたりすることで、気密的に封止される。
ここで、リッド部51及びベース部52のX軸方向の長さAは2000μm程度で、Z’軸方向の長さ(図示しない)は1600μm程度である。本明細書では外形寸法が2000μm×1600μmのリッド部51及びベース部52が用いられているが、例えばより小型の1600μm×1200μm又は1200μm×1000μmのリッド部51及びベース部52が用いられてもよい。また、圧電振動子の小型化につれ、リッド部51の第1接続面M1及びベース部52の第2接続面M2の幅Bは狭くなり0.1×A以下、すなわち200m以下となっている。
また、ベース凹部521において、その底面M9の−X側の+Z’軸方向の一隅にはベース部52を貫通したスルーホール522aが形成されている。同様に、ベース凹部521において、その底面M9の+X側の−Z’軸方向の他隅にはベース部52を貫通したスルーホール522bが形成されている。なお、スルーホール522a、522bは図13に示されたように−Y’側が広い円錐台形状となっている。これは、リッド部51とベース部52とを接合した後、流体の充填材524によりスルーホール522a、522bを充填しやすくするためである。ここで、充填材524としては金スズ(Au-Sn)合金、金ゲルマニウム(Au-Ge)もしくは金シリコン(Au−Si)合金、又は金ペースト及び銀ペーストから焼成して作成したものが用いられる。さらに第5水晶振動子500では、スルーホール522a、522bが円形となっているが、その他の矩形などの多角形となってもよい。
スルーホール522a、522bには、ベース凹部521の底面M9まで伸びた接続パッド523Mを有するスルーホール電極523a、523bがそれぞれ形成されている。さらに、ベース部52の実装面(水晶振動子の実装面)のX軸方向の両側にはスルーホール電極523a、523bとそれぞれに電気的に接続された一対の外部電極525a、525bが形成されている。
一方、図13に示された水晶振動片50は、引出電極503aがスルーホール電極523aに、引出電極503bがスルーホール電極523bに電気的に接続される(接続パッド523Mを介して)ように、導電性接着剤53によりベース部52の底面M9に固定される。
これにより、水晶振動片50の励振電極502a、502bが引出電極503a、503b、導電性接着剤53及びスルーホール電極523a、523bを介して外部電極525a、525bに電気的に接続される。つまり、第5水晶振動子500の一対の外部電極525a、525bに交番電圧(正負を交番する電位)が印加されると、外部電極525a、スルーホール電極523a、引出電極503a及び励振電極502aが同じ極性となる。同様に、外部電極525b、スルーホール電極523b、引出電極503b及び励振電極502bが同じ極性となる。
また、リッド部51とベース部52とは、封止材である低融点ガラスLGによって接合される。低融点ガラスLGは、350℃〜410℃で溶融する鉛フリーのバナジウム系ガラスを含む。
なお、例えばリッド部51とベース部52とが対向に押圧されると、一定の粘度を有する低融点ガラスLGはリッド凹部511の側面M7及びベース凹部521の側面M8まで盛り上がって、側面の低融点ガラス領域506が形成される。ここで、低融点ガラス領域506の厚さCは、5μm以上である。したがって、低融点ガラス領域506が水晶振動片50に接触しないように、リッド凹部511の側面M7又はベース凹部521の側面M8から水晶振動片50までの距離Dは10μm以上にすることが好ましい。
このような構成によれば、リッド部51の第1接続面M1及びベース部52の第2接続面M2が幅狭く形成されても盛り上がった低融点ガラス領域506によってより広い接続面積でより確実にリッド部51とベース部52とを接合することができる。したがって、盛り上がった低融点ガラス領域分だけ接続面積が大きくなり、リッド部51とベース部52との接合領域を介してから第5水晶振動子500の外側からキャビティ内への気体のリーク又はその逆のリークが発生しにくくなり、且つ第5水晶振動子500は外部からの衝撃などにも強くなる。
なお、第5実施形態では、リッド部51とベース部52とに凹部が形成されているが、リッド部は凹部が形成されていない平板状でもよい。
<第5水晶振動子500の製造方法>
図14は、第5水晶振動子500の製造を示したフローチャートである。図14において、水晶振動片50の製造ステップT50と、リッド部51の製造ステップT51と、ベース部52の製造ステップT52とは別々に並行して行うことができる。また、図15は第5実施形態の水晶ウエハ50Wの平面図で、図16は第5実施形態のベースウエハ52Wの平面図である。
ステップT50では、水晶振動片50が製造される。ステップT50はステップT501〜T503を含んでいる。
ステップT501において、図15に示されたように、均一の水晶ウエハ50Wにエッチングにより複数の水晶振動片50の外形が形成される。ここで、各水晶振動片50は連結部504により水晶ウエハ50Wに連接されている。
ステップT502において、まずスパッタリングまたは真空蒸着によって水晶ウエハ50Wの両面及び側面にクロム層及び金層が順に形成される。ここで、下地としてのクロム層の厚さは例えば500Å程度であり、金層の厚さは例えば2500Å程度である。そして、金属層の全面にフォトレジストが均一に塗布される。その後、露光装置(図示しない)を用いて、フォトマスクに描かれた励振電極502a、502b、引出電極503a、503bのパターンが水晶ウエハ50Wに露光される。次に、フォトレジストから露出した金属層がエッチングされる。これにより、図15に示されたように水晶ウエハ50W両面及び側面には励振電極502a、502b及び引出出極503a、503bが形成される(図12を参照)。
ステップT503において、水晶振動片50が個々に切断される。切断工程では、レーザーを用いたダイシング装置、または切断用ブレードを用いたダイシング装置などを用いて図15に示された一点鎖線のカットラインCLに沿って切断する。
ステップT51では、リッド部51が製造される。ステップT51はステップT511及びT512を含んでいる。
ステップT511において、均一厚さの水晶平板のリッドウエハ(図4を参照)にリッド凹部511が数百から数千個形成される。リッドウエハには、エッチング又は機械加工によりリッド凹部511が形成され、リッド凹部511の周囲には第1接続面M1が形成される。
ステップT512において、スクリーン印刷でリッドウエハの第1端面M1上に低融点ガラスLGが印刷される。ここで、スクリーンとしてナイロン、テトロン(登録商標)、ステンレスなどの織物が使用される。その後、低融点ガラスLGを仮硬化することで、低融点ガラスLGがリッドウエハの第1接続面M1に形成される。
ステップT52では、ベース部52が製造される。ステップT52はステップT521及びT522を含んでいる。
ステップT521において、図16に示されたように、均一厚さの水晶平板のベースウエハ52Wにベース凹部521が数百から数千個形成される。ベースウエハ52Wには、エッチング又は機械加工によりベース凹部521が形成され、ベース凹部521の周囲には第2接続面M2が形成される。同時に、各ベース部52のX軸方向の両側にはベースウエハ52Wを貫通するようにスルーホール522a、522bが形成される。
ステップT522では、スパッタ及びエッチング方法によってベース部52の実装面(水晶振動子の実装面)に外部電極525a、525bが形成される。同時に、スルーホール522a、522bにはスルーホール電極523a、523bが形成される(図13を参照)。
ステップT53では、ステップT50で製造された水晶振動片50が導電性接着剤53でベース凹部521の底面M9に載置される。このとき、水晶振動片50の引出電極503a、503bとベース部52の底面M9に形成された接続パッド523Mとの位置が合うように水晶振動片50がベース部52の底面M9に載置される(図13を参照)。
ステップT54では、低融点ガラスLGを加熱させリッドウエハとベースウエハ52Wとを加圧することで、リッドウエハとベースウエハ52Wとが低融点ガラスLGにより接合される。このとき、リッド部51とベース部52とが押圧されると、一定の粘度を有する低融点ガラスLGはリッド凹部511の側面M7及びベース凹部521の側面M8まで盛り上がって、側面の低融点ガラス領域506が形成される(図13を参照)。
ステップT55では、金スズ(Au-Sn)合金、金ゲルマニウム(Au-Ge)もしくは金シリコン(Au−Si)合金、又は金ペースト及び銀ペーストから焼成して作成した充填材524(図13を参照)がスルーホール522a、522bに充填される。そして、真空中もしくは不活性ガス中のリフロー炉に保持し封止する。これにより、キャビティCT内が真空になった又は不活性ガスで満たされた複数の第5水晶振動子500が得られる。
ステップT56では、接合されたリッドウエハと、ベースウエハ52Wとが個々に切断される。切断工程では、レーザーを用いたダイシング装置、または切断用ブレードを用いたダイシング装置などを用いて図16に示された一点鎖線のスクライブラインSLに沿って第5水晶振動子500を単位として個片化する。これにより、数百から数千の第5水晶振動子500が製造される。
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。
例えば、本明細書ではキャスタレーションがX軸方向の両側に形成されているが水晶フレーム及びベース部の四隅にキャスタレーションを形成した構成となってもよい。
また、本明細書では低融点ガラスによりベースウエハと、水晶ウエハと、リッドウエハとが接合されているが、低融点ガラスの代わりにポリイミド樹脂を用いられてもよい。ポリイミド樹脂が用いられる場合においては、スクリーン印刷でもよいし、感光性のポリイミド樹脂を全面に塗布した後に露光することもできる。
また、本明細書では外部電極がベース部の底面のX軸方向の両側に形成されているが、四隅に形成された外部電極でもよい。このとき、余分の外部電極はアースに用いられる。
さらに、本明細書ではATカット型の圧電振動片を一例として説明したが、基部の一端から伸びた一対の振動腕を有する音叉型の圧電振動片にも適用できる。
また、本明細書では水晶振動片が使用されたが、水晶以外にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料を利用することができる。さらに圧電デバイスとして、発振回路を組み込んだICなどをパッケージ内に配置させた圧電発振器にも本発明は適用できる。
10、30、40 … 水晶フレーム、 10W … 水晶ウエハ
11、21、51 … リッド部、 11W … リッドウエハ
12、22、52 … ベース部、 12W … ベースウエハ
14a、14b … 接続電極
50 … 水晶振動片、 501 … 水晶片
53 … 導電性接着剤
100、200、300、500 … 水晶振動子
101 … 水晶振動部
102a、102b、502a、502b … 励振電極
103a、103b、303a、303b、503a、503b … 引出電極
104a、104b … 支持部
105、305、405 … 枠体
106a、106b、122a、122b … キャスタレーション
107a、107b、123a、123b … 側面電極
107M、123M … 接続パッド
108a、108b、308a、308b、408a、408b … 貫通開口部
111、121、511、521 … 凹部
116a、116b、126a、126b、206a、206b、406a、406b … 盛り上がった低融点ガラス領域
125a、125b、525a、525b … 外部電極
309 … 段差部
409 … 窪み部
522a、522b … スルーホール
523a、523b … スルーホール電極
524 … 充填材
A … 水晶振動子の長さ
B … 枠体の幅
C … 低融点ガラス領域幅
D … 貫通開口部の幅
E … 低湯点ガラスと接続パッドとの間隔
F … 低融点ガラスの最初幅
G … 低融点ガラスの最初厚さ
CT … キャビティ
LG1、LG2、LG … 低融点ガラス

Claims (5)

  1. 圧電振動片と、前記圧電振動片から貫通開口を隔てて配置され前記圧電振動片を囲む枠体と、前記圧電振動片を前記枠体に支持する支持部とが形成され、それぞれに第1面と第2面とを有する圧電フレームと、
    前記枠体の前記第1面と少なくとも一部が対向する第1接合面が形成されたリッド部と、
    一対の外部電極が形成される実装面と、その実装面の反対側であって前記枠体の前記第2面と少なくとも一部が対向する第2接合面が形成された底面とを有するベース部と、
    前記第1接合面と前記枠体の前記第1面との間に環状に形成された第1封止材と、
    前記第2接合面と前記枠体の前記第2面との間に環状に形成された第2封止材と、を備え、
    前記第1封止材及び前記第2封止材前記枠体の前記貫通開口側の側面に形成され
    前記第1封止材と前記第2封止材とは、前記側面で互いに接合している圧電デバイス。
  2. 前記リッド部、前記圧電フレーム及び前記ベース部は、前記実装面から見ると4辺を有する矩形形状であり、
    前記4辺のうちの1辺の長さをAとし前記枠体の幅をBとすると、
    B ≦ A×0.1 の関係を有する請求項1に記載の圧電デバイス。
  3. 前記第1封止材は前記第1接合面に前記枠体の幅Bに5μm以上加えた幅で形成され、
    前記第2封止材は前記第2接合面に前記枠体の幅Bに5μm以上加えた幅で形成されており、
    前記貫通開口の幅は10μm以上である請求項2に記載の圧電デバイス。
  4. 前記枠体の前記貫通開口側の側面は、前記第1面又は前記第2面から厚さが薄くなるように段差部が形成されている請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
  5. 前記枠体の前記貫通開口側は、前記実装面から見ると連続した窪み部が形成されている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
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