JP6762049B2 - 水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、各種の振動モードからなる水晶振動片を有する振動体と、この振動体を封止する一対の封止体とからなる水晶振動子に関するものである。

従来の一般的な水晶振動子は、所定の振動モード及び形状からなる水晶振動片と、この水晶振動片を収容するセラミック製のケース及び前記水晶振動片を封止する金属製の蓋体とによって形成されている。前記水晶振動片は、振動腕部を保持する基端部が前記ケース内に設けられている電極部に導電性の接合剤を介して電気的に接続される。

一方、前記水晶振動片を水晶ウェハからエッチング等によって形成された振動体と、この振動体を挟持することによって前記水晶振動片を封入する一対のウェハ状の封止体とを一体的に形成するウェハレベルパッケージによって製造された水晶振動子が知られている。

特許文献１，２には上記ウェハレベルパッケージによって形成された水晶振動子が開示されている。このウェハレベルパッケージによる水晶振動子は、各種振動モードの水晶振動片及びこの水晶振動片を囲うようにして一端が支持される支持枠とからなる振動体と、前記水晶振動片を封入する一対の封止体とを水晶ウェハからエッチング等によって打ち抜き形成し、前記振動体を一対の封止体で挟み込んで積層することによって形成されている。

特開２００４−３２８４４２号公報 特許第４７０７０２１号公報

上記ウェハレベルパッケージによって形成される水晶振動子は、一枚の水晶ウェハから一括して大量の水晶振動子を製造できるので、製造工数及び製造コストの低廉化や水晶振動子自体の小型化及び薄型化が図られるといった利点を有したものとなっている。

このようなウェハレベルパッケージにあっては、振動体の支持枠に水晶振動片との電気的接続を図る内部電極が形成されるが、前記振動体を一対の封止体で挟み込んで形成されるため、前記内部電極の厚み分しか外部に露出しないこととなる。このため、外部に設けられる外部電極を介して前記内部電極との電気的接続を図る場合、従来の水晶振動子の構造では振動体の内部電極とスパッタリング等で形成された外部電極との接触部分が前記内部電極の厚みと略同じ１０００Å〜２０００Åほどしかないため、導通不良が発生したり、接続部分の電気抵抗値が高くなったりするなどの電気的特性に問題が生じる場合があった。

前記内部電極の引き回しに関しては、従来であれば、基板にスルーホール配線を形成し、励振電極から延びた引出電極と外部端子を接続する方法がとられる。しかしながら、パッケージサイズが小さくなるにしたがって、スルーホールの形成が困難となる。このように、スルーホール形成の工程に時間とコストがかかると共に強度面において問題があった。

振動体の封止に関しては、水晶振動片を真空に近い状態にする必要がある。このため、上記特許文献１では、封止体の一部に通気孔を予め設けておき、減圧環境下で振動体を一対の封止体で接合した後に、前記通気孔を外側から閉塞することで前記水晶振動片を気密封止している。一方、上記特許文献２では、振動体や封止体の一部に通気孔を設け、前記封止体で振動体を接合した後に、前記通気孔を半田やスズ等で閉塞している。しかしながら、ウェハ状の振動体や封止体に対して直接通気孔を開設しようとすると、変形やクラック等が生じるといった問題があった。また、前記通気孔を後から閉塞させるための部材が必要となるなど、別途材料費や工数がかかるといった問題があった。

また、従来のウェハレベルパッケージの製造工程にあっては、振動体及び一対の封止体をダイシングで小片に分割した後に端子形成を行い、外部電極によって振動体と封止体との導通を確保する際、ダイシングによるクラックや汚れあるいはダイシングカスによって、真空引き用の通気路や振動体と外部端子との導通部分が目詰まりするなど端子形成の際の真空度の確保が難しく、導通不良が起こりやすいといった問題がある。また、パッケージが小片に分割されてしまうため、後工程（スパッタリング、周波数調整）を小片で行う必要があり、製造工数が増加するといった問題もあった。

そこで、本発明の目的は、各種の振動モードからなる水晶振動片を有する振動部を一対の封止体によって容易且つ確実に気密封止することができると共に、前記水晶振動片と外部との電気的接続の向上化を図ることのできる水晶振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子は、水晶振動片とこの水晶振動片の少なくとも一端を支持する支持枠とからなる振動体と、前記支持枠の上下面にそれぞれ接合される当接面及び内側に凹部を有する一対の封止体とを有し、前記支持枠の上下面にそれぞれに形成される導電層を介して前記一対の封止体の当接面が接合され、接合された前記振動体及び一対の封止体の側面に露出する前記導電層の側面を覆うようにして外部電極が被覆形成される水晶振動子であって、前記支持枠の上下面に前記一対の封止体の各当接面を接合した際には、支持枠の上面に形成された導電層の上面の一端及び支持枠の下面に形成された導電層の下面の一端が前記各当接面からそれぞれ露出し、各当接面から露出した支持枠の上面に形成された導電層の上面の一端及び支持枠の下面に形成された導電層の下面の一端が前記外部電極によって被覆されると共に、前記導電層に設けられた前記封止体の凹部と外部とを連通する通気路が前記外部電極によって閉塞される。

本発明の水晶振動子によれば、振動体と一対の封止体とを導電層を介して接合させる際、前記導電層の側面及び上下面の一端が露出することで、この露出した部分を外部電極の電気的な接続面とすることができる。これによって、小型化及び薄型化が進む水晶振動子の外部電極形成が容易になると共に、前記振動体に対して良好な導電性を得ることができる。

また、前記振動体と一対の封止体とを接合する導電層に通気路を設けた場合にあっては、振動体や一対の封止体に孔部を設けるような加工を要することなく、一対の封止体によって接合された凹部内の空気を外部に抜くことができる。また、前記振動体及び封止体の一側面において前記通気路の一端部を閉塞することで、前記振動体や封止体に変形やクラック等を生じさせることなく、容易且つ確実に振動体を気密封止することができる。

本発明の第１実施形態の水晶振動子の分解斜視図である。 上記水晶振動子を構成する振動体及び一対の封止体の積層構造を示す断面図である。 外部電極を設けた水晶振動子の斜視図である。 外部電極を設けた水晶振動子の断面図である。 振動体及び一対の封止体に形成される内部（接続）電極の形成例を示す平面図である。 上記内部電極及び外部電極が形成された水晶振動子の断面図である。 段差を有して接合される振動体及び一対の封止体の断面図である。 集合振動基板及び一対の集合封止基板の形成工程を示す平面図である。 集合振動基板及び一対の集合封止基板の積層工程及び外部電極形成工程を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態の水晶振動子の分解斜視図である。 上記水晶振動子を構成する振動体及び一対の封止体の積層構造を示す断面図である。 外部電極を設けた水晶振動子の斜視図である。 外部電極を設けた水晶振動子の断面図である。 振動体及び一対の封止体に形成される内部（接続）電極の形成例を示す平面図である。 上記外部電極とは別の封止部材によって通気路を閉塞した水晶振動子の斜視図である。 振動体の他の実施形態の平面図である。

以下、本発明の水晶振動子の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１乃至図６は、第１実施形態の水晶振動子１１を示したものである。この水晶振動子１１は、ウェハ状の振動体１２と、この振動体１２を表裏両面から挟み込んで封止する一対のウェハ状の封止体１３，１４との三層構造によって構成されている。この水晶振動子１１は、後述するように所定のカット角で形成された水晶ウェハをエッチング及びダイシングすることによって、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４を形成し、減圧環境下においてそれぞれが所定厚みの導電性の金属膜からなる導電層３０を介して溶接接合されている。

前記水晶ウェハは、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｚ軸平面から約１°Ｘ軸回転させたカット角で板状に薄くスライスすることによって形成される。そして、この水晶ウェハに対してフォトリソ工程によってマスクパターンを形成し、水晶エッチングを施すことによって、基部１８と、この基部１８から平行に延びる一対の振動腕部１９とからなる音叉型の水晶振動片１５と、この水晶振動片１５の外周を取り囲む四角形状の支持枠１６と、この支持枠１６の一端と前記基部１８の一端とを連結する連結部１７とからなる振動体１２が形成される。前記振動腕部１９は、厚みが５０〜２００μｍで、振動周波数に応じて長さ及び幅が設定される。また、一対の封止体１３，１４も同様に、エッチングによって、四角形状の当接面２１と、前記水晶振動片１５を収容するための凹部２３が形成される。なお、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４の形状は、微細加工に適したレーザやパウダービームを用いた切断や打ち抜きによって形成することもできる。

前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４の接合は、支持枠１６の両面及び一対の当接面２１の各全周面に形成された導電層３０同士を当接した後、溶着することによって行われる。

本実施形態では、図１乃至図６に示したように、前記一対の封止体１３，１４の少なくとも一の側面１３ａ，１４ａを振動体１２に向かうように内側に向けて傾斜させた。これによって、前記側面１３ａ，１４ａ以外の他の側面を前記振動体１２の支持枠１６の側面に合わせて接合した際、前記封止体１３の側面１３ａ側には、導電層３０の側面３０ａと、上面３０ｂの一端を露出させることができる。また、前記封止体１４の側面１４ａ側には、導電層３０の側面３０ａと、下面３０ｃの一端を露出させることができる。その結果、図３及び図４に示したように、水晶振動子１１の外周面に沿って一対の外部電極２５ａ，２５ｂをスパッタリング等によって形成する際、前記導電層３０の側面３０ａから上面３０ｂ又は下面３０ｃの一端に沿って被覆させることができる。

前記導電層３０の側面３０ａは、導電層３０を形成する金属材料の厚みに依存するため、この厚み分だけでは外部電極２５ａ，２５ｂとの電気的接続が十分ではないが、前記封止体１３，１４の一部の側面１３ａ，１４ａを傾斜させることによって、導電層３０の上面３０ｂ及び下面３０ｃの一端についても電気的接続面とすることが可能となった。これによって、外部電極２５ａ，２５ｂと導電層３０との接触面積が増し、電気的な接触不良を防止することができると共に、この導電層３０と電気的に接続される水晶振動片１５に安定した電力を供給することができる。また、前記外部電極２５ａ，２５ｂと電気的な接合部分が導電層３０の側面３０ａから上面３０ｂ及び下面３０ｃの一端に広がるので、接合部分の電気抵抗が低減し、水晶振動片１５における等価直列抵抗の低減効果も得られる。

前記一対の封止体１３，１４は、図８に示すように、一対の集合封止基板４３，４４からウェットエッチングによって抜き加工をする際に、エッチング速度の異方性を利用することができる。このエッチング速度の異方性によって、エッチングの深さ方向に対して傾斜した側面１３ａ，１４ａを形成することができる。このウェットエッチングは、前記封止体１３，１４の傾斜したい側面に対して行えばよく、他の側面については、ダイシングによって切断することができる。

前記ウェットエッチングによって傾斜加工した側面１３ａ，１４ａに沿うようにスパッタリング、メッキあるいはハンダ等を施すことによって外部電極２５ａ，２５ｂを形成することができる。

前記導電層３０は、一対の外部電極２５ａ，２５ｂと振動体１２内の水晶振動片１５に形成される一対の励振電極との電気的接続を図るための内部電極として形成されている。図５は前記内部電極の構成例を示したものであり、図６は前記内部電極の断面構成を示したものである。ここで、図５（ａ）は振動体１２の支持枠１６の上面と、この上面に対向する封止体１３の当接面２１とを見開きで示したものであり、図５（ｂ）は振動体１２の支持枠１６の下面と、この下面に対向する封止体１４の当接面２１とを見開きで示したものである。前記振動体１２における水晶振動片１５の表面には、基部１８から一対の振動腕部１９にかけて一対の励振電極３１ａ，３１ｂがパターン形成されている。なお、この実施形態では支持枠１６の上下面及びこの上下面に接合される一対の封止体１３，１４の各当接面２１の両方に、それぞれ導電層３０を設けているが、一対の封止体１３，１４のそれぞれの当接面２１に形成される導電層３０は支持枠１６及び外部電極２５ａ，２５ｂとの接合に寄与するものであるので、前記導電層３０は少なくとも支持枠１６の上下面に形成されていればよい。

前記水晶振動片１５を囲う支持枠１６の上面には、前記それぞれの励振電極３１ａ，３１ｂと対応する第１の内部電極３２ａ，第２の内部電極３２ｂが支持枠１６の一対の対向する側面に沿って設けられる絶縁部３４を隔てて形成されている（図５（ａ））。なお、前記第２の内部電極３２ｂは、支持枠１６の一方の側面１６ｂに露出させるためだけに設けられる。

一方、前記支持枠１６の裏面には、前記励振電極３１ａ，３１ｂと対応する第１の内部電極３２ａ，第２の内部電極３２ｂが支持枠１６の一対の対向する側面に沿って設けられる絶縁部３４を隔てて形成されている（図５（ｂ））。なお、前記第１の内部電極３２ａは、支持枠１６の他方の側面１６ａに露出させるためだけに設けられる。

図５（ａ）に示したように、前記支持枠１６の表面に対応する封止体１３の当接面２１には、この支持枠１６の表面に形成されている第１の内部電極３２ａ，第２の内部電極３２ｂと面対称となるような第１の内部電極３３ａ，第２の内部電極３３ｂがパターン形成される。また、図５（ｂ）に示したように、前記支持枠１６の裏面に対応する封止体１４の当接面２１には、支持枠１６の裏面に形成されている第１の内部電極３２ａ，第２の内部電極３２ｂと面対称となるような第１の内部電極３３ａ，第２の内部電極３３ｂがパターン形成される。

図７は、上記封止体１３，１４の他の実施形態を示したものである。この実施形態の水晶振動子は、封止体１３，１４の外形サイズを支持枠１６よりも小さく形成することによって、側面１３ａ，１４ａ側に段差を有した状態で積層したものである。このような段差を設けたことで、前記導電層３０の側面３０ａから上面３０ｂ及び下面３０ｃの一端に接するようにして一対の外部電極２５ａ，２５ｂを被覆形成することができる。

振動体１２と一対の封止体１３，１４との積層構造において、外周面に露出する導電層３０の側面３０ａだけで外部電極２５ａ，２５ｂとの電気的接続を図ろうとすると、十分な導電性が得られないが、上記図１乃至図７に示したような構成にすることによって、外部電極２５ａ，２５ｂから導電層３０を経て水晶振動片１５の励振電極に至る間の導電性を向上させることが可能となる。また、前記一対の外部電極２５ａ，２５ｂと導電層３０との機械的な接合強度が高まるので、外部からの衝撃や外部環境等による導電不良や導通不良なども起こり難くなる。

図８及び図９は、上記実施形態の水晶振動子１１の製造方法を示したものである。この水晶振動子１１は、複数の振動体１２が形成される集合振動基板４２と、複数の封止体１３，１４が形成される一対の集合封止基板４３，４４とによって形成される。

前記集合振動基板４２には、四角形状の支持枠１６と、この支持枠１６の内側に連結部１７を介して延びる音叉型の水晶振動片１５とからなる振動体１２が複数配列される。前記それぞれの振動体形成領域は、フォトリソ工程によって形成されたマスクパターンを介して水晶エッチングを施すことによって打ち抜き形成されると共に、前記水晶振動片１５の表面に一対の励振電極が形成され、前記支持枠１６の表裏面には前記一対の励振電極と電気的に接続される内部電極がパターン形成される。

一方、一対の集合封止基板４３，４４には、前記支持枠１６に対応する当接面２１と、この当接面２１の内部を所定の深さにエッチングして形成した凹部２３とからなる封止体１３，１４が複数配列される。前記それぞれの封止体形成領域は、フォトリソ工程によって形成されたマスクパターンを介して水晶エッチングを施すことによって打ち抜き形成されている。

また、前記集合振動基板４２に形成される各支持枠１６及び一対の集合封止基板４３，４４に形成される各当接面２１の対向する辺の外側に沿って所定幅の貫通孔４５がそれぞれ形成される。この貫通孔４５は、積層された振動体１２及び一対の封止体１３，１４の外周面に沿って外部電極２５ａ，２５ｂを形成するために設けられるものである。前記外部電極２５ａ，２５ｂは、スパッタリングによって形成される。

図９は、真空度が１．０×１０Ｐａ以下の減圧環境下での製造工程を示したものである。このような減圧環境の下で図９（ａ）に示すように、前記支持枠１６の両面と一対の当接面２１とが重なるように位置合わせし、集合振動基板４２を一対の集合封止基板４３，４４で挟み込むようにして積層し、導電層３０を介して溶接接合する。なお、前記導電層３０は、図５及び図６に示したように、一対の内部電極によってパターン形成されるが、ここではそれぞれの内部電極の形状を省略して示す。

次に、図９（ｂ）に示すように、前記積層された前記集合振動基板４２及び一対の集合封止基板４３，４４の共通する貫通孔４５に対してスパッタリングを施すことによって、支持枠１６及び当接面２１に沿って形成されている導電層３０の側面及び上面あるいは下面の一端と電気的に接続される一対の外部電極２５ａ，２５ｂを形成する。この外部電極２５ａ，２５ｂを形成することによって、水晶振動片１５を気密状態で封止することができる。

最後に、前記集合振動基板４２及び一対の集合封止基板４３，４４の積層体をダイシングライン４６に沿ってダイシングすることで、図３に示した三層構造の水晶振動子１１を一括して複数製造することができる。

次に、第２実施形態の水晶振動子５１の実施形態を図１０乃至図１４に基づいて説明する。この実施形態は、振動体１２に形成されている導電層３０の少なくとも一箇所に、水晶振動片１５が収容される凹部２３を開放するスリット状の通気路２２を形成したものである。図１２及び図１３に示したように、前記通気路２２は、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４の一対の対向する側面に設けられる外部電極２５ａ，２５ｂのうち一方の外部電極２５ａによって閉塞される。

次に、前記水晶振動子５１における導電層３０の構成例を図１４に示す。この実施形態では、振動体１２の表面側の支持枠１６に形成される第１の内部電極３２ａの一部を貫くようにスリット状の通気路２２が設けられる。この通気路２２は、支持枠１６の水晶面の一部に筋状パターンが形成されたマスクを施して第１の内部電極３２ａをスパッタリングすることによって形成することができる。また、前記支持枠１６の表面に第１の内部電極３２ａを形成するための薄膜状の金属材料を一様に形成しておいて、後からその金属材料の一部をスリット状に除去することによって形成することもできる。なお、前記通気路２２は、前記振動体１２を一対の封止体１３，１４によって封止した際にその一部が解放可能な位置であれば、前記支持枠１６に形成される第１の内部電極３２ａ，第２の内部電極３２ｂあるいは当接面２１に形成される内部電極３３ａ，３３ｂのどの位置に設けてもよく、また、複数設けてもよい。

前記通気路２２を設けることで、振動体１２と一対の封止体１３，１４とを接合した際に、水晶振動片１５が封止されている凹部２３から外部に通じる空気の通り道を確保することができ、これによって、前記凹部２３内を減圧させることができる。この減圧の下、図１２に示したように、前記通気路２２を外側から塞ぐようにして、一対の外部電極２５ａ，２５ｂを形成することで、前記水晶振動片１５を高減圧環境の下で封止することが可能となる。

前記通気路２２を塞ぐ外部電極２５ａ，２５ｂは、前述したようにスパッタリングによって形成されるため、その金属成分の一部が通気路２２内に入り込んで電気的及び機械的な接合をより一層高めることができる。

本実施形態では、前記通気路２２を支持枠１６の表面及び裏面のいずれか一方に設けたが、両方に対向させるなどして複数形成することができる。また、図１５に示すように、前記通気路２２を外部電極２５ａ，２５ｂが形成されていない長辺側の接合面に設けてもよい。この場合は、減圧を行う際に、別の金属膜や樹脂膜等の封止体材２６によって、通気路２２を塞ぐようにする必要がある。

この第２実施形態の水晶振動子５１によれば、通気路２２を振動体１２と一対の封止体１３，１４との電気的接続を図る導電層３０に形成するため、外部電極２５ａ，２５ｂの形成工程と同時に前記通気路２２を封止することができる。これによって、気密封止をより確実に行うことができると共に、水晶振動片１５に形成されている一対の励振電極との電気的特性を良好に維持することができる。

また、前記導電層３０の一部に通気路２２を設けたことで、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４に孔開け等の加工を加えることなく、減圧環境の下で容易且つ確実に気密封止を行うことができる。これによって、水晶振動片１５を気密封止する際に、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４に亀裂やクラック等が生じることがないので、所定の振動特性を備えた薄型の水晶振動子を安定的に量産することができる。

図１６は様々な形状の支持枠６２，７２を有する振動体６１，７１の形成例を示したものである。この振動体６１，７１は、支持枠６２，７２がそれぞれ四角形状の外周部６３，７３と、水晶振動片１５を囲う内周部６４，７４とを有し、前記内周部６４，７４を曲面形成することによって、前記水晶振動片１５を封入するスペース６５，７５を規制するものである。図１６（ａ）は水晶振動片１５の上端側及び下端側のスペースに余裕を持たせる一方、水晶振動片１５の中央側のスペース６５をすぼめたひょうたん形に形成したものであり、図１６（ｂ）は水晶振動片１５の中央部との間隔に余裕を持たせ、水晶振動片１５の上端側及び下端側に向けて間隔を狭くした卵形に形成したものである。なお、前記振動体６１，７１を挟持する一対の封止体の封止枠に対しても、同様な対応する曲面形状に形成される。

上記図１６（ａ），（ｂ）に示した実施形態では、いずれも支持枠６２，７２の内周部６４，７４によって、水晶振動片１５を囲うスペース６５，７５を図１乃至図１５に示した振動体１２に比べて狭くすることができる。これによって、特に、支持枠６２，７２の四隅の面積が広く確保することができるので、水晶振動子が受ける外部からの衝撃に対する変形や破壊を有効に防止することができ、安定した振動モードを維持することができる。また、前記支持枠と重なる一対の封止枠との密接面が広がることで、接合強度が増し、気密封止をより確実に行うことができる。

１１ 水晶振動子
１２ 振動体
１３，１４ 封止体
１３ａ，１４ａ 側面
１５ 水晶振動片
１６ 支持枠
１６ａ，１６ｂ 側面
１７ 連結部
１８ 基部
１９ 振動腕部
２１ 当接面
２２ 通気路
２３ 凹部
２５ａ，２５ｂ 外部電極
２６ 封止部材
３０ 導電層
３０ａ 側面
３０ｂ 上面
３０ｃ 下面
３１ａ，３１ｂ 励振電極
３２ａ，３３ａ 第１の内部電極
３２ｂ，３３ｂ 第２の内部電極
３４ 絶縁部
４２ 集合振動基板
４３，４４ 集合封止基板
４５ 貫通孔
４６ ダイシングライン
５１ 水晶振動子
６１，７１ 振動体
６２，７２ 支持枠
６３，７３ 外周部
６４，７４ 内周部
６５，７５ スペース

Claims (2)

1. 水晶振動片とこの水晶振動片の少なくとも一端を支持する支持枠とからなる振動体と、
   前記支持枠の上下面にそれぞれ接合される当接面及び内側に凹部を有する一対の封止体とを有し、前記支持枠の上下面にそれぞれに形成される導電層を介して前記一対の封止体の当接面が接合され、接合された前記振動体及び一対の封止体の側面に露出する前記導電層の側面を覆うようにして外部電極が被覆形成される水晶振動子であって、
   前記支持枠の上下面に前記一対の封止体の各当接面を接合した際には、支持枠の上面に形成された導電層の上面の一端及び支持枠の下面に形成された導電層の下面の一端が前記各当接面からそれぞれ露出し、
   各当接面から露出した支持枠の上面に形成された導電層の上面の一端及び支持枠の下面に形成された導電層の下面の一端が前記外部電極によって被覆されると共に、前記導電層に設けられた前記封止体の凹部と外部とを連通する通気路が前記外部電極によって閉塞される水晶振動子。
2. 前記導電層が前記一対の封止体の各当接面に接合される前記支持枠の上面及び下面の各全周面、及び前記一対の封止体の各当接面の少なくとも一方の当接面の全周面に設けられ、前記導電層に前記通気路がスリット状に形成される請求項１に記載の水晶振動子。

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