JPWO2013128496A1 - 水晶振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子を回路基板にはんだ付けする際に、溶融したはんだが、水晶振動片の接合膜に接触すると、接合膜がはんだ中に吸収されて接続不良を起こすことがある。溶融したはんだが、水晶振動片の接合膜に接触しにくい水晶振動子を提供する。【解決手段】水晶振動子（１０）は、側面から底面にかけて第１電極（４０）が形成された下側ガラス板（３２）と、前記下側ガラス板（３２）上に設けられ、前記下側のガラス板（３２）に接する面に前記第１電極（４０）に接続する第２電極（２４，２５）が形成された水晶板（２０）と、前記水晶板（２０）上に設けられた上側ガラス板（３０）とを有し、前記下側ガラス板（３２）の電極が形成された側面には、該下側ガラス板（３２）の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる突起部（３３）が設けられ、前記第１電極（４０）は、前記突起部（３３）表面を含め前記側面に形成されている。

Description

本発明は、電子機器等に用いられる水晶振動子及びその製造方法に関する。

従来の水晶振動子の構造としては、例えば、図１（Ａ）に示すように、水晶振動片と枠とが一体的に形成された水晶振動板９１の上下面に、一対の蓋体９２、９３を例えば、金属材料からなる接合膜９４、９５、９６を介して接合した構造とした水晶振動子１００が知られている。水晶振動板９１の下側蓋体９３の側面から底面に渡って角部には、外部端子９８が形成されている。外部端子９８は、水晶振動子１００を回路基板に実装したときの、回路基板上の電極パッドと水晶振動板９１の下面の接合膜９５、９６とを電気的に接続する。水晶振動板９１の下面の接合膜９６と水晶振動板９１の上面の接合膜９４とは、図示しない貫通ビアで接続されており、回路基板の電極パッドに電圧が印加されると、接合膜９４と接合膜９５に電圧差が発生することによって、水晶振動板９１に形成された水晶振動片が共振して、所定の周波数を発生する。

特開２００１−１７６７８７号公報 特開２０００−２８６６７１号公報

通常、電子部品を回路基板に実装する際は、回路基板上の複数の電極パッドの上に、はんだペーストを塗布しておき、そのはんだペーストの上に電子部品の電極が接触するように複数の電子部品を配置し、回路基板全体をリフローして、はんだペーストを一斉に溶融させて、複数の電子部品をまとめて回路基板に固着させる。

電子部品が回路基板の片方の面にしか実装されていない場合は、１回のリフローで電子部品をまとめて実装するので、問題は起きにくいが、回路基板の両面に部品が実装されているような場合は、製造の都合上２回のリフローを行なうことになるため、問題が発生することがある。

図１（Ｂ）は、水晶振動子１００を回路基板８０に実装する際に発生する問題について説明するための図である。

通常、水晶振動子１００を回路基板８０に実装する際は、回路基板８０の電極パッド８１の上に薄くはんだ８２を塗布しておき、水晶振動子１００の外部端子９８がはんだ８２に接触するように水晶振動子１００を配置して、回路基板８０全体をリフローする。そうすると、はんだ８２が溶融し、水晶振動子１００の外部端子９８の表面全面に濡れ広がる。その際に、外部端子９８のＡｕ成分がはんだ８２に拡散してＡｕ合金が形成される。Ａｕ合金の融点は２００℃程度と鉛フリーはんだの融点２４０℃よりも低いので、Ａｕ合金がはんだ８２中に吸収される所謂半田食われを起こす。外部端子９８の一部が半田食われを起こすと、水晶振動子１００の下側の接合膜９５、９６と、外部端子９８の接触面において、接合膜９５、９６がむき出しになってしまう。

この状態で、２回目のリフローを行なうと、溶融したはんだ８２が下側の接合膜９５、９６に接触する場合が起こりえる。今度は、下側の接合膜９５、９６のＡｌ成分がはんだ８２に拡散してＡｌ合金が形成される。Ａｌ合金の融点も２００℃程度と鉛フリーはんだの融点２４０℃よりも低いので、Ａｌ合金がはんだ８２中に吸収される半田食われを起こす。

図１（Ｂ）では、図中“Ｘ”に示す箇所で、半田食われによって、水晶振動片９１の下面の接合膜９５が後退している様子を示している。このような状態では、接合膜９５は、電極パッド８１との電気的接続が無くなるので、水晶振動板９１の水晶振動片は振動しない。水晶振動子１００は、回路を動作させるための基準クロックを生成しているので、回路全体が動作不良となってしまう。

本技術は、上記に鑑み、水晶振動子を回路基板に実装する際に、水晶振動板の電極がはんだに溶けて接続不良となりにくい、信頼性の高い水晶振動子及びその製造方法を提供することを目的とする。

開示の水晶振動子によれば、側面から底面にかけて第１電極が形成された下側ガラス板と、前記下側ガラス板上に設けられ、前記下側のガラス板に接する面に前記第１電極に接続する第２電極が形成された水晶板と、前記水晶板上に設けられた上側ガラス板とを有し、前記下側ガラス板の電極が形成された側面には、該下側ガラス板の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる突起部が設けられ、前記第１電極は、前記突起部表面を含め前記側面に形成されている水晶振動子が提供される。

開示の水晶振動子によれば、水晶振動板の下側のガラス板に突起部が設けられているため、はんだ接続する際に、溶融したはんだが水晶振動板の電極に接触しにくい様にしているので、電極の半田食われが起きにくいという効果を奏する。

従来の問題点を説明するための図である。 第１実施形態の水晶振動子の構造について説明する図である。 第１実施形態の水晶振動子の構造について説明する図である。 第１実施形態の水晶振動子の効果について説明する図である。 第１実施形態の水晶振動子の製造方法について説明する図である。 第１実施形態の水晶振動子の製造方法について説明する図である。 第１実施形態の水晶振動子の製造方法について説明する図である。 第２実施形態の水晶振動子の構造について説明する図である。

以下に図面を参照して、本開示の技術にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。

図２は、第１実施形態の水晶振動子１０の分解斜視図である。

本実施形態の水晶振動子１０は、例えば、水晶（ＳｉＯ₂）からなる音叉型の水晶振動片２６を有する水晶振動板２０と、この水晶振動板２０の表面の第１面に接合されて水晶振動片２６を振動可能な状態で気密封止し、水晶振動板２０の蓋体となるリッドガラス３０と、水晶振動板２０の裏面の第２面に接合されて水晶振動片２６を振動可能な状態で気密封止し、水晶振動板２０の蓋体となるベースガラス３２とを具備する。

水晶振動板２０の中心部には、開口部で囲まれた音叉型の水晶振動片２６が形成され、その表面には、水晶振動片２６を振動させるための励振電極膜２８が形成されている。水晶振動片２６の周囲を囲む枠状部表面には、励振電極膜２８と同一材料からなり、リッドガラス３０との実際の接合部となる上側接合膜２２が設けられている。

図示しないが、水晶振動板２０の裏面にも表面と同様に、水晶振動片２６の表面には、水晶振動片２６を振動させるための励振電極膜２８が形成されている。水晶振動片２６の周囲を囲む枠状部表面には、励振電極膜と同一材料からなり、ベースガラス３２との実際の接合部となる下側接合膜２４、２５が設けられている。

なお、励振電極膜２８、上側接合膜２２及び下側接合膜２４、２５は、例えばスパッタリングまたは、真空蒸着で形成された１１００ÅのＡｌ層とする。

ベースガラス３２は、３枚の例えば、ソーダライムガラス又はシリコン等で形成されたガラス板の３層構造からなる。３枚のガラス板は、ほぼその厚さは同じだが、真ん中の第２のガラス板３７の長手方向の長さは、その上の第１のガラス板３６の長手方向の長さより大きい。また、真ん中の第２のガラス板３７の長手方向の長さは、その下の第３のガラス板３８の長手方向の長さより大きい。

図３（Ａ）は、図２に示す分解斜視図の構成品をそのまま組み立てた本実施形態の水晶振動子１０の斜視図である。水晶振動子１０の短手方向の側面を見ると、水晶振動板２０の下側の３枚のガラス板のうち真ん中の第２のガラス板３７が、他の第１のガラス板３６及び第３のガラス板３８よりも突出している。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す水晶振動子１０をＡ−Ａ‘から矢印方向へ切断した場合の断面図を示す。３枚のガラス板の側面から、一番下の第３のガラス板３８の底面にかけて外部端子４０が形成されている。

図中左側の外部端子４０は、水晶振動板２０の下面の下側接合膜２５に接触していて、下側接合膜２５は、水晶振動板２０の上面の上側接合膜２２とは、図示しない貫通ビアで接続されている。さらに、上側接合膜２２は、水晶振動片２６上面の励振電極膜２８と導通している。

図中右側の外部端子４０は、水晶振動板２０の下面の下側接合膜２４に接触している。下側接合膜２４は、水晶振動片２６下面の励振電極膜２８と導通している。

よって、水晶振動子１０を回路基板に実装した時に、回路基板の電極パッドに電圧を印加すると、水晶振動片２６上下面の励振電極膜２８に電位差が生じ、水晶振動片２６
が共振して、所定の周波数を発生する。

次いで、図４を用いて、本実施形態の水晶振動子１０の効果について説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、水晶振動子１０を回路基板８０に実装した場合の回路基板８０の電極バッド８１と、水晶振動子１０の外部端子４０の接合部を側面から見た拡大図である。

本実施形態の水晶振動子１０を回路基板８０に実装する際は、回路基板８０の電極パッド８１の上に薄くはんだを塗布しておき、水晶振動子１０の外部端子４０の底面がはんだに接触するように水晶振動子１０を配置する。

次いで、リフローを行なうと、はんだ８２は、突起部３３の下部で濡れ拡がり、そのまま温度を下げると、図４（Ａ）に示す様に、突起部３３の下部で固まる。外部電極４０が多少半田食われしたとしても、水晶振動板２０の下側接合膜２４の境界はそのままである。次に２回目のリフローをしたとしても、溶融したはんだ８２は、突起部３３より上にまで達することはないので、下側接合膜２４の半田食われは起きない。

図４（Ｂ）に示す様に、仮に回路基板８０の電極パッド８１の上に塗布するはんだ８２の量が多すぎたとしても、溶融したはんだ８２は、前記突起部３３上部の窪み部３４に流れこむため、下部電極２４にまで接触することはない。外部電極４０が多少半田食われしたとしても、水晶振動板２０の下側接合膜２４の境界はそのままである。次に２回目のリフローをしたとしても、溶融したはんだ８２は、突起部３３上部の窪み部３４で留まるので、下側接合膜２４にまで達することはないので、下側接合膜２４の半田食われは起きない。

本実施形態の水晶振動子１０によれば、回路基板８０にはんだ付けする際に、実装側のベースガラス３２の側面に突起部３３によって、溶融したはんだが水晶振動板２０の下側電極２４、２５に接触しにくい様にしているので、電極の半田食われが起きにくい、信頼性の高い水晶振動子１０を提供することが可能である。

以下、このような水晶振動子１０の製造工程について、図５、６及び図７のフローチャートを用いて説明する。本水晶振動子１０は、図２の分解斜視図を用いて説明した通り５層構造からなる。

まず、図５（Ａ）に示すように、リッドガラス３０の材料となるリッド用ガラスウェハ３０Ｗと、水晶振動板２０の材料となる水晶ウェハ２０Ｗ、第１のガラス板３６の材料となる第１のガラスウェハ３６Ｗ、第２のガラス板３７の材料となる第２のガラスウェハ３７Ｗ、第３のガラス板３８の材料となる第３のガラスウェハ３８Ｗの５枚のウェハを準備する。ウェハと呼ぶのは、半導体ウェハと同等のサイズにした板状の材料という意味で、半導体装置の製造装置を用いて製造するのに都合がよいためである。

本実施形態では、リッド用ガラスウェハ３０Ｗには、例えば厚みが０．４ｍｍのガラス板を用いる。また、水晶ウェハ２０Ｗには、例えば厚みが０．１３ｍｍの水晶板を用いる。また、第１のガラスウェハ３６Ｗ、第２のガラスウェハ３７Ｗ、第３のガラスウェハ３８Ｗには、それそれ例えば、０．１３ｍｍのガラス板を用いる。

リッド用ガラスウェハ３０Ｗ、水晶ウェハ２０Ｗ、第１のガラスウェハ３６Ｗ、第２のガラスウェハ３７Ｗ、第３のガラスウェハ３８Ｗのそれぞれの同じ位置に、本水晶振動子１０の構成物を形成する。

まず、図５（Ｂ）に示すように、水晶ウェハ２０Ｗに複数の水晶振動板領域２０Ｓを形成する。次いで、各々の水晶振動板領域２０Ｓ内の略中央部に“Ｅ”形状の開口部２９を形成する。開口部２９でかこまれた部分が水晶振動片２６となり、開口部２９の周囲を囲む部分が枠状部となる（図７のステップＳ１）。

次いで、水晶振動片２６の上下表面をエッチングして、その厚さを枠状部より薄くする（ステップＳ２）。

次いで、水晶振動板片２６の表面及び枠状部表面に金属膜をスパッタリング等によって成膜して形成する（ステップＳ３）。この金属膜の材質は特に限定されないが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）及びクロム（Ｃｒ）等を用いることが好ましく、本実施形態では、アルミニウムを用いている。

次いで、次に、金属膜をパターニングして、水晶振動片２６上に励振電極膜２８及びその周囲の枠状部に対応する部分に全周に亘って上側接合膜２２を形成する（ステップＳ４）。

同様にして、各々の水晶振動板領域２０Ｓの裏側の、水晶振動片２６上に励振電極膜２８及びその周囲の枠状部に対応する部分に全周に亘って下側接合膜２４，２５を形成する。

図５（Ａ）を参照して、第１のガラスウェハ３６Ｗの第１のガラス板３６を形成する両脇には、開口部３６Ｈを形成する（ステップＳ６）。

同様に、第３のガラスウェハ３８Ｗの第３のガラス板３８を形成する両脇には、開口部３８Ｈを形成する（ステップＳ７）。

次いで、図６（Ａ）示す様に、第３のガラスウェハ３８Ｗ、第２のガラスウェハ３７Ｗ、第１のガラスウェハ３６Ｗ、水晶ウェハ２０Ｗ、リッド用ガラスウェハ３０を位置合わせして、積層する（ステップＳ８）。

次いで、図６（Ｂ）示す様に，積層したウェハ群に電圧を印加しながら、不活性ガス中で陽極接合する（ステップＳ９）。このとき、各ウェハ群をガラスの軟化点よりも低い、例えば、１００℃〜１５０℃に加熱すると共に、３〜５ｋＶの直流電圧を印加することが好ましい。例えば、本実施形態では、各ウェハを約１２０℃に加熱すると共に約３．５ｋＶの直流電圧を印加した。

次いで、半導体ウェハをダイシングする装置を用いて、陽極接合されたウェハ群を、図６（Ｂ）の矢印の位置でダイシングして、図６（Ｃ）に示すように、個片化する（ステップＳ１０）。

最後に、第１のガラス板３６、第２のガラス板３７、第３のガラス板３８の側面及び第３のガラス板３８の底面にかかる部分に、水晶振動板２０下面の下側接合膜２４に接続する様に、Ｃｒ６００Å、Ａｕ１５００Åのスパッタを３回繰り返し、厚み０．６３μの外部電極４０を形成する（ステップＳ１１）。

最後に、図８を用いて第２実施形態の水晶振動子１０Ｂの構造について説明する。

図８（Ａ）は、第２実施形態の水晶振動子１０Ｂの斜視図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す水晶振動子１０ＢをＡ−Ａ‘から矢印方向へ切断した場合の断面図を示す。

第２実施形態の水晶振動子１０Ｂは、水晶振動板２０の下側のガラス板を２枚構成としている。図８（Ｂ）を参照して、２枚のガラス板のうち、下側ガラス板３８Ｂの左右の端面が、上側ガラス板３７Ｂの端面より窪んでいる。図中左右の２枚のガラス板の側壁から下側ガラス３８Ｂの底面にかけて外部端子４０が形成されている。

外部端子４０は、水晶振動板２０の下側電極２４、２５の側面を覆う様に形成されているので、１回目のはんだ付けの際に、外部端子４０の一部が半田食われしたとしても、２回目のリフローの際に、溶融したはんだが水晶振動板２０の下側電極２４、２５に直接触れることはないので、電極のはんだに食われが起きにくい、信頼性の高い水晶振動子１０Ｂを提供することが可能である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０、１０Ｂ、１００ 水晶振動子
２０、９１ 水晶振動板
２０Ｗ 水晶ウェハ
２２ 上側接合膜
２４、２５ 下側接合膜
２６ 水晶振動片
２８ 励伸電極膜
３０ リッドガラス
３０Ｗ リッド用ガラスウェハ
３２ ベースガラス
３６ 第１のガラス板
３６Ｗ 第１のガラスウェハ
３７ 第２のガラス板
３７Ｗ 第２のガラスウェハ
３８ 第３のガラス板
３８Ｗ 第３のガラスウェハ
８０ 回路基板
８１ 電極パッド
９２、９３ 蓋体
９４、９５、９６ 接合膜

Claims (10)

1. 側面から底面にかけて第１電極が形成された下側ガラス板と、
   前記下側ガラス板上に設けられ、前記下側のガラス板に接する面に前記第１電極に接続する第２電極が形成された水晶板と、
   前記水晶板上に設けられた上側ガラス板と
   を有し、
   前記下側ガラス板の電極が形成された側面には、該下側ガラス板の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる突起部が設けられ、
   前記第１電極は、前記突起部表面を含め前記側面に形成されている
   ことを特徴とする水晶振動子。
2. 前記下側ガラス板の、前記突起部と前記水晶板の前記第２電極との間の前記側面には、前記下側ガラス板の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる窪み部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記下側ガラス板は、
   第１のガラス板と、
   前記第１のガラス板上に積層され、１辺のサイズが、前記第１のガラス板の１辺のサイズより長い第２のガラス板と
   を有し、
   前記第２のガラス板の両端部が、前記第１のガラス板の端部より突出して前記突起部となる
   ことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
4. さらに、前記第２のガラス板上に積層され、１辺のサイズが、前記第２のガラス板の１辺のサイズより短い第３のガラス板
   を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の水晶振動子。
5. 第１のガラス板に第１の貫通孔を形成する工程と、
   第１のガラス板上に、第２のガラス板を積層する工程と、
   第３のガラス板に、前記第１のガラス板に形成された前記第１の貫通孔と同じ位置に第２の貫通孔を形成する工程と、
   前記第２のガラス板上に前記第３のガラス板を積層する工程と、
   水晶板に、水晶振動片と、両面に接合膜を形成する工程と、
   前記第３のガラス板上に前記水晶板を積層する工程と、
   前記水晶板上に第４のガラス板を積層する工程と、
   前記第１のガラス板と、前記第４のガラス板との間に電圧を印加して、前記第１乃至第３のガラス板、前記水晶板及び第４のガラス板を陽極接合する工程と、
   を含む
   ことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
6. さらに、前記陽極接合された前記第１乃至第３のガラス板、前記水晶板及び第４のガラス板を一括してダイシングして、複数の水晶振動子を形成する
   ことを特徴とする請求項５に記載の水晶振動子の製造方法。
7. 第１のガラス板に第１の貫通孔を形成する工程と、
   第１のガラス板上に、第２のガラス板を積層する工程と、
   水晶板に、水晶振動片と、両面に接合膜を形成する工程と、
   前記第２のガラス板上に前記水晶板を積層する工程と、
   前記水晶板上に第３のガラス板を積層する工程と、
   前記第１のガラス板と、前記第３のガラス板との間に電圧を印加して、前記第１ガラス板、前記第２のガラス板、前記水晶板及び第３のガラス板を陽極接合する工程と、
   を含む
   ことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
8. さらに、前記陽極接合された前記第１のガラス板、前記第２のガラス板、前記水晶板及び第３のガラス板を一括してダイシングして、複数の水晶振動子を形成する
   ことを特徴とする請求項７に記載の水晶振動子の製造方法。
9. 電子機器は、以下を含む
   複数の電極パッドを有する回路基板と、
   前記回路基板上に実装された水晶振動子、該水晶振動子は以下を含む。
   側面から底面にかけて第１電極が形成された下側ガラス板と、
   前記下側ガラス板上に設けられ、前記下側のガラス板に接する面に前記第１電極に接続する第２電極が形成された水晶板と、
   前記水晶板上に設けられた上側ガラス板と
   を有し、
   前記下側ガラス板の電極が形成された側面には、該下側ガラス板の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる突起部が設けられ、
   前記第１電極は、前記突起部表面を含め前記側面に形成されている
   そして、
   該第１電極と、前記電極パッドとは、前記突起部と前記電極パッド間に設けられたはんだによって接合されている。
10. 請求項９に記載の電子機器であって、さらに
    前記下側ガラス板の前記突起部と前記水晶板の第２電極との間の前記側面には、
    前記下側ガラス板の上下面に平行で該側面の端部から端部にわたる窪み部
    を有し、
    そして、前記はんだは、前記窪み部にも設けられている。