JP5999833B2 - 水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、接合材を介してベース板、リッド板及び水晶素子が接合された水晶デバイスに関する。

所定の振動数で振動する励振部及び励振部を囲む枠部を有する水晶素子と、水晶素子の表裏面に配置されるベース板及びリッド板とを有し、水晶素子、ベース板及びリッド板が互いに接合材を介して接合される水晶デバイスが知られている。このような水晶デバイスでは、接合材と水晶素子、ベース板及びリッド板との熱膨張係数の違いによって水晶デバイスの作製時に接合材等に応力がかかる。水晶デバイスでは、このような応力に起因した接合材の水晶素子、ベース板及びリッド板からの剥がれ、又は水晶デバイスの破損等の問題が生じている。

例えば特許文献１では、このような熱膨張係数の違いにより発生する応力に起因した接合材の剥がれ等の問題に対して対処された水晶振動子に関しての開示がある。この水晶振動子は金属材料から成る蓋とセラミックスから成るベースとが接合材により接合されて形成されており、特許文献１では、接合材の熱膨張係数が蓋及びベースの熱膨張係数の近似値もしくは同一の値とされることにより蓋とベースとの接合時に発生する応力を抑える旨が開示されている。

特開２００８−２５９０４１号公報

しかし水晶素子がベース板とリッド板との間に挟まれて形成され接合材により接合される水晶デバイスでは、水晶素子のベース板及びリッド板との接合面の熱膨張係数が接合面の方向により大きく異なる場合がある。このような場合は、接合材の熱膨張係数を水晶素子、ベース板及びリッド板の熱膨張係数の近似値もしくは同一の値とすることができない。

そこで本発明は、水晶素子の接合面の第１方向の熱膨張係数と第２方向の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する接合材が用いられることにより、接合材の剥がれが防がれた水晶デバイスを提供する。

第１観点の水晶デバイスは、電圧の印加により振動する励振部と励振部の周囲を囲む枠部とを有する水晶材により形成され枠部が第１方向と第１方向と交差する第２方向の辺を有する矩形形状の水晶素子と、枠部の一主面に接合され第１方向と第２方向の辺を有する矩形形状のベース板と、枠部の他主面に接合され第１方向と第２方向の辺を有する矩形形状のリッド板と、を備え、水晶素子の第１方向の熱膨張係数と第２方向の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する接合材が塗布される。

第２観点の水晶デバイスは、第１観点において、水晶素子がＡＴカット水晶材であり、ベース板及びリッド板がＡＴカット水晶材、Ｚカット水晶材又はガラス材である。

第３観点の水晶デバイスは、第１観点において、水晶素子がＺカット水晶材であり、ベース及びリッドがＡＴカット水晶材、Ｚカット水晶材又はガラス材である。

第４観点の水晶デバイスは、第１観点から第３観点において、接合材がポリイミド樹脂又は融点が５００度以下のガラスである。

第５観点の水晶デバイスは、第４観点において、接合材の熱膨張係数が１０．５〜１３ｐｐｍ／℃（常温から２００℃までの範囲）である

本発明によれば、水晶素子の接合面の第１方向の熱膨張係数と第２方向の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する接合材が用いられることにより、接合材の剥がれが防がれた水晶デバイスを提供することができる。

水晶デバイス１００の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示された水晶素子１３０の平面図である。 （ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示された水晶素子１３０の平面図である。 （ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベース板１２０の平面図である。 （ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベース板１２０の平面図である。 水晶材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ’軸方向の熱膨張係数と温度との関係が示されたグラフである。 水晶デバイス１００の作製方法が示されたフローチャートである。 水晶ウエハＷ１３０の平面図である。 （ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベースウエハＷ１２０の平面図である。 （ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベースウエハＷ１２０の平面図である。 リッドウエハＷ１１０の平面図である。 （ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。 （ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。 （ｃ）は、ベースウエハＷ１２０の概略平面図である。 （ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。 （ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。 水晶デバイス２００の水晶素子１３０、ベース板２２０及びリッド板２１０の結晶軸の方向の組み合わせが示された図である。 （ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ２２０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。 （ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ２２０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。 （ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ２１０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。 （ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ２１０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜水晶デバイス１００の構成＞
図１は、水晶デバイス１００の分解斜視図である。水晶デバイス１００は表面実装型の水晶デバイスであり、プリント基板等に実装されて使用される。水晶デバイス１００は主に、リッド板１１０と、ベース板１２０と、水晶素子１３０とにより構成されている。リッド板１１０、ベース板１２０及び水晶素子１３０には例えばＡＴカットの水晶材が用いられる。ＡＴカットの水晶材は、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。以下の説明では、ＡＴカットの水晶材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、水晶デバイス１００において水晶デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００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’軸方向として説明する。また、水晶デバイス１００では、リッド板１１０、ベース板１２０、及び水晶素子１３０のＸ軸方向、Ｙ’軸方向、及びＺ’軸方向の各結晶軸方向が揃えられて形成されている。

水晶素子１３０は、所定の振動数で振動する励振部１３１と、励振部１３１を囲む枠部１３２と、励振部１３１及び枠部１３２を連結する一対の連結部１３３と、を有している。また、励振部１３１と枠部１３２との間には水晶素子１３０をＹ’軸方向に貫通する貫通溝１３６が形成されている。一対の連結部１３３は、励振部１３１の−Ｘ軸側の辺と励振部１３１の−Ｘ軸側に形成される枠部１３２とを連結している。励振部１３１の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の主面には、それぞれ励振電極１３４が形成されている。また枠部１３２には、各励振電極１３４から引き出されている一対の引出電極１３５が形成されている。−Ｙ’軸側の面に形成される励振電極１３４からは、−Ｚ’軸側の連結部１３３を通り、枠部１３２の−Ｙ’軸側の面の−Ｘ軸側の辺の−Ｚ’軸側の角まで引出電極１３５が引き出されている。また、＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３４からは、＋Ｚ’軸側の連結部１３３を通り、貫通溝１３６の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の側面及び＋Ｚ’軸側の枠部１３２を介し、枠部１３２の−Ｙ’軸側の面の＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまで引出電極１３５が引き出されている。

リッド板１１０は、−Ｙ’軸側の面に、凹部１１１と、凹部１１１を囲む接合面１１２とが形成されている。接合面１１２は、水晶素子１３０の枠部１３２の＋Ｙ’軸側の面に接合材１４０（図２参照）を介して接合される。

ベース板１２０は、＋Ｙ’軸側の面に、凹部１２１と、凹部１２１を囲む接合面１２２と、＋Ｙ’軸側の面の四隅に配置される電極パッド１２３とが形成されている。接合面１２２は、水晶素子１３０の枠部１３２の−Ｙ’軸側の面に接合材１４０（図２参照）を介して接合される。また、ベース板１２０の−Ｙ’軸側の面には一対の実装端子１２４が形成されている。さらに、ベース板１２０の側面の四隅にはキャスタレーション１２６が形成されており、キャスタレーション１２６にはキャスタレーション電極１２５が形成されている。キャスタレーション電極１２５は、電極パッド１２３と実装端子１２４とを電気的に接続している。また、−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角に形成されている電極パッド１２３は水晶素子１３０の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角に形成されている引出電極１３５に電気的に接続され、＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角に形成されている電極パッド１２３は水晶素子１３０の＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角に形成される引出電極１３５に電気的に接続される。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。水晶デバイス１００は、水晶素子１３０の＋Ｙ’軸側にリッド板１１０が配置され、−Ｙ’軸側にベース板１２０が配置されている。また、水晶デバイス１００の内部にはリッド板１１０の凹部１１１とベース板１２０の凹部１２１とによりキャビティ１５０が形成されており、キャビティ１５０には励振部１３１が配置されている。キャビティ１５０は、リッド板１１０の接合面１１２と枠部１３２の＋Ｙ’軸側の面、及びベース板１２０の接合面１２２と枠部１３２の−Ｙ’軸側の面とのそれぞれの間に接合材１４０が形成されることにより密封されている。また、枠部１３２に形成される引出電極１３５がベース板１２０に形成される電極パッド１２３に電気的に接続されることにより、励振電極１３４と実装端子１２４とが電気的に接続される。

図３（ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示された水晶素子１３０の平面図である。水晶素子１３０は、励振部１３１と、励振部１３１を囲む枠部１３２と、励振部１３１と枠部１３２とを連結する一対の連結部１３３と、により構成されている。励振部１３１の＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３４から引き出されている引出電極１３５は、＋Ｚ’軸側の連結部１３３を通り、貫通溝１３６の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の端の側面に形成されている側面電極１３７に接続されている。

図３（ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示された水晶素子１３０の平面図である。図３（ｂ）では、水晶素子１３０を＋Ｙ’軸側から−Ｙ’軸方向に見た図として示されている。励振部１３１の−Ｙ’軸側に形成されている励振電極１３４からは、−Ｚ’軸側の連結部１３３を通り、枠部１３２の−Ｙ’軸側の面の−Ｘ軸側の辺の−Ｚ’軸側の角まで引出電極１３５が引き出されている。また貫通溝１３６に形成されている側面電極１３７からは、＋Ｚ’軸側の枠部１３２を通り枠部１３２の−Ｙ’軸側の面の＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまで引出電極１３５が引き出されている。

図４（ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベース板１２０の平面図である。ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面には、凹部１２１及び凹部１２１を囲んでいる接合面１２２が形成されている。また、ベース板１２０の四隅の側面にはキャスタレーション１２６が形成されており、キャスタレーション１２６にはキャスタレーション電極１２５が形成されている。さらに、ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の四隅には電極パッド１２３が形成されており、各電極パッド１２３は各キャスタレーション電極１２５に電気的に接続されている。

図４（ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベース板１２０の平面図である。ベース板１２０の−Ｙ’軸側の面には、＋Ｘ軸側及び−Ｘ軸側に一対の実装端子１２４が形成されており、各実装端子１２４はベース板１２０の四隅に形成されているキャスタレーション電極１２５に電気的に接続されている。

＜水晶材の熱膨張係数＞
水晶材の結晶軸であるＸ軸とＹ軸との熱膨張係数は等しく、Ｚ軸方向の熱膨張係数はＸ軸とＹ軸との熱膨張係数よりも小さい。そのため、水晶材の結晶軸（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分傾斜して導かれるＡＴカットの水晶材の軸方向であるＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸の各軸方向の熱膨張係数はそれぞれ異なっていると考えられる。以下に図５を参照して、水晶材の熱膨張係数について説明する。

図５は、水晶材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ’軸方向の熱膨張係数と温度との関係が示されたグラフである。グラフの縦軸には熱膨張係数（ｐｐｍ）が示され、グラフの横軸には温度（℃）が示されている。熱膨張係数は、温度の上昇によって物体の長さが膨張する割合を１℃あたりで示したものである。グラフの黒塗りの四角形で表わされた点は、水晶材のＸ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数を示している。また、グラフの黒塗りの三角形で表わされた点は、水晶材のＺ’軸方向の熱膨張係数を示している。Ｚ’軸方向の熱膨脹係数は、Ｚ軸方向の熱膨張係数より大きくてＸ軸方向の熱膨張係数より小さく、これらの値より導くことができる。Ｚ’軸方向の熱膨張係数は、−２５０℃で５．６ｐｐｍであり、温度が上昇するにしたがって熱膨張係数も上昇し、５７３℃で１８．３８ｐｐｍとなる。Ｘ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数は、−２５０℃で８．６ｐｐｍであり、温度が上昇するにしたがって熱膨張係数も上昇し、５７３℃で２５．１５ｐｐｍとなる。

水晶デバイス１００の水晶素子１３０、リッド板１１０、及びベース板１２０はＡＴカットの水晶材で形成されており、図１に示されるようにリッド板１１０、ベース板１２０、及び水晶素子１３０の結晶軸方向が揃えられて形成されている。またリッド板１１０、ベース板１２０、及び水晶素子１３０はＸ軸及びＺ’軸を含む平面で互いに接合されているため、接合材１４０の剥がれ等について考える場合には水晶材のＸ軸及びＺ’軸方向の熱膨張係数が考慮される。Ｚ’軸方向の熱膨張係数は、３０℃から２００℃において約１０ｐｐｍである。また図５より、３０℃から２００℃のＸ軸方向の熱膨張係数は約１５ｐｐｍであることがわかる。水晶デバイス１００に用いられる接合材１４０には、後述の水晶デバイス１００の作製方法において説明される理由により、水晶素子１３０の短辺方向（Ｚ’軸方向）の熱膨張係数と長辺方向（Ｘ軸方向）の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する接合材が用いられる。すなわち接合材１４０は、水晶材のＺ’軸方向の熱膨張係数よりも大きくＸ軸方向の熱膨張係数よりも小さい１０〜１５ｐｐｍの熱膨張係数を有している。さらに接合材１４０の熱膨張係数は１０．５〜１３ｐｐｍの間であるものが用いられることが好ましい。また接合材１４０には、例えば融点が５００℃以下のガラスである低融点ガラスを用いることができる。

＜水晶デバイス１００の作製方法＞
図６は、水晶デバイス１００の作製方法が示されたフローチャートである。以下、図６のフローチャートに沿って水晶デバイス１００の作製方法について説明する。

ステップＳ１０１では、水晶ウエハＷ１３０が用意される。水晶ウエハＷ１３０には複数の水晶素子１３０が形成されている。以下、図７を参照して水晶ウエハＷ１３０について説明する。

図７は、水晶ウエハＷ１３０の平面図である。水晶ウエハＷ１３０はＡＴカットの水晶材を基材として形成されている。また、水晶ウエハＷ１３０には複数の水晶素子１３０が形成されている。図７では、各水晶素子１３０が、後述される図６のステップＳ１０６でウエハが切断される線であり二点鎖線で示されたスクライブライン１５１に囲まれることにより示されている。また、各水晶素子１３０には貫通溝１３６が形成されることにより励振部１３１、枠部１３２、及び連結部１３３が形成される。励振部１３１の＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面には励振電極１３４が形成され、枠部１３２には各励振電極１３４から引き出された引出電極１３５が形成されている。

ステップＳ１０２では、ベースウエハＷ１２０が用意される。ベースウエハＷ１２０には複数のベース板１２０が形成されている。以下、図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照してベースウエハＷ１２０について説明する。

図８（ａ）は、＋Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベースウエハＷ１２０の平面図である。ベースウエハＷ１２０はＡＴカットの水晶材を基材とし、複数のベース板１２０が形成されている。また図８（ａ）ではベースウエハＷ１２０にスクライブライン１５１が記載されており、各ベース板１２０はスクライブライン１５１に囲まれて形成されている。各ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面には凹部１２１が形成されており、凹部１２１を囲むように接合面１２２が形成されている。また、スクライブライン１５１の交点には、ベースウエハＷ１２０を貫通する貫通穴１２７が形成されている。貫通穴１２７は各ベース板１２０のキャスタレーション１２６（図４（ａ）参照）となる。また、ベースウエハＷ１２０の＋Ｙ’軸側の面の貫通穴１２７の周囲には電極パッド１２３が形成され、貫通穴１２７の側面にはキャスタレーション電極１２５（図１参照）が形成される。

図８（ｂ）は、−Ｙ’軸側の面に形成される電極が示されたベースウエハＷ１２０の平面図である。図８（ｂ）には、＋Ｙ’軸側から見たベースウエハＷ１２０が示されており、−Ｙ’軸側の面に形成された実装端子１２４が示されている。ベースウエハＷ１２０では、各ベース板１２０の実装端子１２４はＺ’軸方向につながって形成されており、貫通穴１２７の側面に形成されるキャスタレーション電極１２５（図１参照）に電気的に接続される。

ステップＳ１０３では、リッドウエハＷ１１０が用意される。リッドウエハＷ１１０には複数のリッド板１１０が形成されている。以下、図９を参照してリッドウエハＷ１１０について説明する。

図９は、リッドウエハＷ１１０の平面図である。リッドウエハＷ１１０はＡＴカット水晶材を基材とし、複数のリッド板１１０が形成されている。また図８ではリッドウエハＷ１１０にスクライブライン１５１が記載されており、各リッド板１１０がスクライブライン１５１に囲まれて形成されている。各リッド板１１０には−Ｙ’軸側の面に凹部１１１が形成されており、凹部１１１を囲むように接合部１１２が形成されている。

ステップＳ１０４では、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合される。以下、図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）を参照して水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０との接合について説明する。

図１０（ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。また、図１０（ａ）は、図７、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図１０（ｃ）のＤ−Ｄ断面を含んだ断面図である。水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とは枠部１３２の−Ｙ’軸側の面に接合面１２２が重なるように位置合わせされ、接合材１４０を介して互いに接合される。

この接合は、接合材１４０に例えば融点が３８０℃以下の低融点ガラスが用いられた場合には、水晶ウエハＷ１３０の枠部１３２の−Ｙ’軸側の面又はベースウエハＷ１２０の接合面１２２に接合材１４０が塗布され、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが枠部１３２の−Ｙ’軸側の面に接合面１２２が重なるように位置合わせされ、ウエハ及び接合材１４０の温度が３８０℃以上の接合材１４０が溶融した状態でウエハ同士が接合されることにより行われる。ウエハは接合された後に室温まで冷却される。

ウエハが室温まで冷却されるときに、各ウエハ及び接合材１４０の間には熱膨張係数の違いにより応力が発生する。水晶デバイス１００に用いられる接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＺ’軸方向の熱膨張係数よりも大きいため、水晶材のＺ’軸方向に於いては、水晶材に比べて接合材１４０の収縮が大きい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０及びベース板１２０との接合面にはＺ’軸方向に水晶素子１３０及びベース板１２０から引っ張られる応力である引張応力１６０がかかる。この引張応力１６０は接合材１４０をＺ’軸方向に引き伸ばす向きに働いている。

図１０（ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。また、図１０（ｂ）は、図７、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図１０（ｃ）のＥ−Ｅ断面を含んだ断面図である。水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０とが接合され室温に冷却されるときに、各ウエハ及び接合材１４０の間には熱膨張係数の違いにより応力が発生する。水晶デバイス１００に用いられる接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数よりも小さいため、水晶材のＸ軸方向に於いては、水晶材に比べて接合材１４０の収縮が小さい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０及びベース板１２０との接合面にはＸ軸方向に水晶素子１３０及びベース板１２０から圧縮される応力である圧縮応力１６１がかかる。この圧縮応力１６１は接合材１４０をＸ軸方向に圧縮する向きに働いている。

図１０（ｃ）は、ベースウエハＷ１２０の概略平面図である。図１０（ｃ）では、ベースウエハＷ１２０の＋Ｙ’軸側の面の凹部１２１及び貫通穴１２７以外の領域に塗布された接合材１４０がハッチングされて示されている。この接合材１４０のベースウエハＷ１２０との接合面には、Ｚ’軸方向に引張応力１６０がかかっており、Ｘ軸方向に圧縮応力１６１がかかっている。

図６に戻って、ステップＳ１０５では、接合材１４０により水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とが接合される。以下、図１１（ａ）、及び図１１（ｂ）を参照して水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０との接合について説明する。

図１１（ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。また、図１１（ａ）は、図７、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図９のＤ−Ｄ断面を含んだ断面図である。水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とは、接合材１４０を介して接合される。このステップＳ１０５における接合は、ステップＳ１０４で説明された水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０との接合と同様である。各ウエハ及び接合材１４０は、ステップＳ１０４で説明されたように、ウエハ同士は接合材１４０を介して接合された後に室温まで冷却される。接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＺ’軸方向の熱膨張係数よりも大きく、水晶材のＺ’軸方向に於いては、水晶材に比べて接合材１４０の収縮が大きい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０及びリッド板１１０との接合面にはＺ’軸方向に水晶素子１３０及びリッド板１１０から引っ張られる応力である引張応力１６０がかかる。この引張応力１６０は接合材１４０をＺ’軸方向に引き伸ばす向きに働いている。

図１１（ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ１１０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。また、図１１（ｂ）は、図７、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図９のＥ−Ｅ断面を含んだ断面図である。図１０（ｂ）で説明されたように、水晶デバイス１００に用いられる接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数よりも小さく、水晶材のＸ軸方向に於いては、水晶材に比べて接合材１４０の収縮が小さい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０及びリッド板１１０との接合面にはＸ軸方向に水晶素子１３０及びリッド板１１０から圧縮される応力である圧縮応力１６１がかかる。この圧縮応力１６１は接合材１４０をＸ軸方向に圧縮する向きに働いている。

図６に戻って、ステップＳ１０６では、ウエハがダイシングにより切断される。ダイシングはスクライブライン１５１に沿ってウエハが切断されることにより、個々の水晶デバイス１００が作製される。

水晶デバイス１００では、ウエハ同士の接合に水晶素子１３０のＸ軸方向の熱膨張係数とＺ’軸方向の熱膨張係数との間の値の熱膨張係数を有する接合材１４０が用いられた。そのため、接合材１４０の各ウエハとの接合面のＸ軸方向及びＺ’軸方向にそれぞれ圧縮応力１６１及び引張応力１６０が働いている。このように、水晶デバイス１００では接合材１４０にかかる応力が圧縮応力１６１及び引張応力１６０に分けられる事により各応力の大きさが小さくなっており、特定の方向に大きな応力がかからない状態になっている。また、ガラスは引張応力には弱いが圧縮応力には強い特性がある。そして、接合材１４０に働く応力は単位長さの応力と形成される接合材１４０の長さとの積になり、水晶デバイス１００の長辺に平行であるＸ軸方向には短辺方向であるＺ’軸方向よりも強い応力が働くことが予想されるため、水晶デバイス１００の長辺に平行であるＸ軸方向には引張応力よりも圧縮応力がかかることが望ましい。水晶デバイス１００では、接合材１４０の熱膨張係数を水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数よりも小さくすることにより接合材１４０のＸ軸方向に圧縮応力がかかるようにされている。これらのことを考慮すると、接合材１４０の熱膨張係数の大きさは、水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数である１５ｐｐｍとＺ’軸方向の熱膨張係数である１０ｐｐｍの間の値であることが望ましい。さらに、Ｚ’軸方向には引張応力がかかっているため、引張応力の大きさが小さくなるように接合材１４０の熱膨張係数がＺ’軸方向の熱膨張係数に近い値とされて引張応力の大きさが小さくされることが望ましい。また、低融点ガラスには圧縮応力がかかると水晶材との接合強度が強くなることからも、低融点ガラスの熱膨張係数は水晶材の熱膨張係数よりも小さい方が望ましい。しかし、Ｘ軸方向の熱膨張係数である１５ｐｐｍとは大きく異なる熱膨張係数である１０〜１０．５ｐｐｍ以下の低融点ガラスを使用すると、水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数と低融点ガラスとの熱膨張係数の差が大きくなるため、ウエハがたわんで水晶デバイスの作製が困難になる場合がある。そのため接合材１４０の熱膨張係数の大きさは、Ｘ軸方向の熱膨張係数よりも引張応力が働くＺ’軸方向の熱膨張係数に近い値であり、１０〜１０．５ｐｐｍが除かれた１０．５〜１３ｐｐｍであることが好ましい。

また水晶デバイス１００では、水晶素子１３０、ベース板１２０及びリッド板１１０の結晶軸が揃えて形成されていることにより、水晶素子１３０、ベース板１２０及びリッド板１１０の間の応力の発生が小さく抑えられている。そのため、水晶デバイス１００の作製過程において、各ウエハ間の熱膨張係数の違いによるウエハの反り等の発生が防がれている。さらに、ベース板１２０及びリッド板１１０に同じ基材が用いられていることにより、水晶素子１３０とベース板１２０、及び水晶素子１３０とリッド板１１０との接合に用いられる接合材１４０に同一の熱膨張係数を有する同一の接合材を用いることができるため好ましい。

（第２実施形態）
ベース板及びリッド板にはＺカット水晶材又はガラス材が用いられても良い。Ｚカット水晶材又はガラス材は安価であるという利点がある。以下に、ベース板及びリッド板にＺカット水晶材又はガラス材が用いられた水晶デバイスについて説明する。また以下の説明では第１実施形態と同じ部分には同じ記号を用いその説明を省略し、水晶デバイスの結晶軸の説明は水晶素子の結晶軸を用いて説明する。

図１２は、水晶デバイス２００の水晶素子１３０、ベース板２２０及びリッド板２１０の結晶軸の方向の組み合わせが示された図である。水晶デバイス２００は、Ｚカットの水晶材を基材としたリッド板２１０及びベース板２２０と、ＡＴカットの水晶材を基材とした水晶素子１３０とにより構成されている。リッド板２１０及びベース板２２０はＺカットの水晶材を基材としていること以外の構成はそれぞれリッド板１１０及びベース板１２０と同様である。Ｚカットの水晶材はＺ軸方向をウエハの法線方向として切り出されているため、水晶デバイス２００は、水晶素子１３０のＸ−Ｚ’軸平面と、ベース板２２０及びリッド板２１０のＸ−Ｙ軸平面とが接合されることにより構成される。

図１２に示される第１例ＥＸ１は、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、リッド板２１０及びベース板２２０のＹ軸、Ｚ軸、Ｘ軸とがそれぞれ平行である組み合わせの例である。

第２例ＥＸ２は、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、リッド板２１０及びベース板２２０のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸とがそれぞれ平行である組み合わせの例である。

第３例ＥＸ３は、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、リッド板２１０のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸とがそれぞれ平行であり、さらに、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、ベース板２２０のＹ軸、Ｚ軸、Ｘ軸とがそれぞれ平行である組み合わせの例である。

第４例ＥＸ４は、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、リッド板２１０のＹ軸、Ｚ軸、Ｘ軸とがそれぞれ平行であり、さらに、水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸と、ベース板２２０のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ軸方向とがそれぞれ平行である組み合わせの例である。

図１２に示された４つの例では、水晶素子１３０のＸ軸及びＺ’軸が、リッド板２１０及びベース板２２０のＸ軸又はＹ軸に平行になっている。水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数はＺ’軸方向の熱膨張係数よりも大きく、図５に示されるように水晶材のＸ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数は同じである。すなわち、水晶デバイス２００では、Ｚ’軸方向で水晶素子１３０とリッド板２１０及びベース板２２０との熱膨張係数が異なることになる。また、Ｘ軸とＹ軸との熱膨張係数が同じであるため、リッド板２１０及びベース板２２０の軸の方向は第１例ＥＸ１から第４例ＥＸ４に示されるような様々な向きに形成されることができる。

水晶デバイス２００に於いても、図６に示されたフローチャートと同様の方法により作製することができる。特にステップＳ１０４及びステップＳ１０５の接合材１４０が用いられる工程について、図１２の第１例ＥＸ１の構成を基にして、図１３及び図１４を用いることにより以下に説明する。

図１３（ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ２２０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。ベースウエハＷ２２０は、複数のベース板２２０が形成されておりＺカットの水晶材が基材とされているウエハである。図１３（ａ）では、図６のステップＳ１０４における接合材１４０により水晶ウエハとベースウエハとが接合される工程が説明されており、また、図１３（ａ）は、図７のＤ−Ｄ断面を含んだ断面図である。水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ２２０とは枠部１３２の−Ｙ’軸側の面と接合面１２２とが重なり、水晶ウエハＷ１３０のＺ’軸とベースウエハＷ２２０のＸ軸とが平行になるように位置合わせされ、接合材１４０を介して互いに接合される。

図１０（ａ）において説明されたように、図１３（ａ）においても、ウエハの冷却時に、水晶デバイス２００のＺ’軸方向では、接合材１４０の水晶ウエハＷ１３０との接合面に引張応力１６０がかかっている。また、水晶デバイス２００のＺ’軸方向はベースウエハＷ２２０のＸ軸方向であるため、接合材１４０のベースウエハＷ２２０との接合面には圧縮応力１６１がかかる。

図１３（ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ２２０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。図１３（ｂ）は、図７のＥ−Ｅ断面を含んだ断面図である。図１０（ｂ）において説明されたように、ウエハの冷却時に、水晶デバイス２００のＸ軸方向では、接合材１４０の水晶ウエハＷ１３０との接合面に圧縮応力１６１がかかる。また、水晶材のＸ軸方向とＹ軸方向との熱膨張係数は等しいため、接合材１４０のベースウエハＷ２２０との接合面にも接合材１４０の水晶ウエハＷ１３０との接合面に大きさの等しい圧縮応力１６１がかかる。

図１４（ａ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ２１０とが接合されたウエハのＺ’軸方向の断面図である。リッドウエハＷ２１０は、複数のリッド板２１０が形成されておりＺカットの水晶材が基材とされているウエハである。また、図１４（ａ）は、図７のＤ−Ｄ断面を含んだ断面図である。図１４（ａ）では図６のステップＳ１０５における接合材１４０により水晶ウエハとリッドウエハとが接合される工程が説明される。水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ２１０とは、接合材１４０を介して接合される。このステップＳ１０５における接合の方法は、図１０（ａ）で説明されたステップＳ１０４の水晶ウエハＷ１３０とベースウエハＷ１２０との接合と同様である。接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＺ’軸方向の熱膨張係数よりも大きいため、水晶材のＺ’軸方向に於いては水晶材に比べて接合材１４０の収縮が大きい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０との接合面ではＺ’軸方向に水晶素子１３０から引っ張られる応力である引張応力１６０がかかる。この引張応力１６０は接合材１４０をＺ’軸方向に引き伸ばす向きに働いている。また、接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＸ軸方向の熱膨張係数よりも小さいため、水晶材のＸ軸方向に於いては水晶材に比べて接合材１４０の収縮が小さい。そのため、接合材１４０のリッド板２１０との接合面ではＸ方向にリッド板２１０から圧縮される応力である圧縮応力１６１がかかる。この圧縮応力１６１は接合材１４０をＸ軸方向に圧縮する向きに働いている。

図１４（ｂ）は、水晶ウエハＷ１３０とリッドウエハＷ２１０とが接合されたウエハのＸ軸方向の断面図である。また、図１４（ｂ）は、図７のＥ−Ｅ断面を含んだ断面図である。図１３（ｂ）で説明されたように、水晶デバイス２００に用いられる接合材１４０の熱膨張係数は水晶材のＸ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数よりも小さいため、水晶材のＸ軸及びＹ軸方向に於いては水晶材に比べて接合材１４０の収縮が小さい。そのため、接合材１４０の水晶素子１３０及びリッド板２１０との接合面には水晶デバイス２００のＸ軸方向に水晶素子１３０及びリッド板２１０から圧縮される応力である圧縮応力１６１がかかる。この圧縮応力１６１は接合材１４０を水晶デバイス２００のＸ軸方向に圧縮する向きに働いている。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１４（ａ）、及び図１４（ｂ）では、図１２の第１例ＥＸ１の例を示したが、第２例ＥＸ２から第４例ＥＸ４のいずれであっても良い。また、ベース板及びリッド板は、ガラス材で形成されていても良い。このときガラス材は、水晶素子のＸ軸方向の熱膨張係数とＺ’軸方向の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有していることが望ましい。

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、上記の実施形態では、接合材として低融点ガラスを使用した場合について説明したが、接合材にはポリイミド樹脂等の樹脂が用いられても良い。この場合も、上記実施形態と同様に、ポリイミド樹脂の熱膨張係数は、水晶素子の長辺方向の熱膨張係数と短辺方向の熱膨張係数との間の値を取る樹脂が用いられる事が望ましい。水晶デバイスには、水晶デバイスをプリント基板に実装する場合等に熱がかかることがある。このような場合に、ポリイミド樹脂の熱膨張係数が水晶素子の長辺方向の熱膨張係数と短辺方向の熱膨張係数との間の値に取られることにより、接合材の剥がれ等によるキャビティの密封の破れ等を防ぐことができる。

また、水晶素子にＡＴカットの水晶材が用いられた場合を示したが、水晶素子にはＺカットの水晶材又はＢＴカットの水晶材などが用いられても良い。さらに水晶素子は水晶材のみならず、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムあるいは圧電セラミックを含む圧電材が用いられても良い。

１００、２００ … 水晶デバイス
１１０、２１０ … リッド板
１１１、１２１ … 凹部
１１２、１２２ … 接合面
１２０、２２０ … ベース板
１２３ … 電極パッド
１２４ … 実装端子
１２５ … キャスタレーション電極
１２６ … キャスタレーション
１２７ … 貫通穴
１３０ … 水晶素子
１３１ … 励振部
１３２ … 枠部
１３３ … 連結部
１３４ … 励振電極
１３５ … 引出電極
１３６ … 貫通溝
１３７ … 側面電極
１４０ … 接合材
１５０ … キャビティ
１５１ … スクライブライン
１６０ … 引張応力
１６１ … 圧縮応力
Ｗ１１０、Ｗ２１０ … リッドウエハ
Ｗ１２０、Ｗ２２０ … ベースウエハ
Ｗ１３０ … 水晶ウエハ

Claims (5)

1. 電圧の印加により振動する励振部と前記励振部の周囲を囲む枠部とを有する水晶材により形成され、前記枠部が第１方向と該第１方向に交差する第２方向との辺を有する矩形形状の水晶素子と、
   前記枠部の一主面に接合され、前記第１方向と前記第２方向との辺を有する矩形形状のベース板と、
   前記枠部の他主面に接合され、前記第１方向と前記第２方向との辺を有する矩形形状のリッド板と、を備え、
   前記水晶素子の前記第１方向の熱膨張係数は前記水晶素子の前記第２方向の熱膨張係数よりも大きく、
   前記水晶素子の前記第１方向の熱膨張係数よりも小さく前記第２方向の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する接合材が塗布される水晶デバイス。
   
2. 前記水晶素子はＡＴカット水晶材であり、前記ベース板及び前記リッド板はＡＴカット水晶材、Ｚカット水晶材又はガラス材である請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記水晶素子はＺカット水晶材であり、前記ベース及び前記リッドはＡＴカット水晶材、Ｚカット水晶材又はガラス材である請求項１に記載の水晶デバイス。
4. 前記接合材は、ポリイミド樹脂又は融点が５００度以下のガラスである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
5. 前記接合材は、熱膨張係数が１０．５〜１３ｐｐｍ／℃（常温から２００℃までの範囲）である請求項４に記載の水晶デバイス。