TW201724587A - 一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，它由石英晶片（10）、封裝蓋（20）和封裝基座（30）封裝而成，石英晶片（10）包括圓形構件（11）、連接部（12）和保護框（13），圓形構件（11）可在封裝後的腔體內自由振盪，圓形構件（11）上設置有電極區（14），連接部（12）和保護框（13）上設置有金屬層A（15），保護框（13）上的定位孔（16）內設置有金屬層B（17），封裝基座（30）上設置有引腳（31），電極區（14）透過金屬層A（15）、金屬層B（17）與引腳（31）電連接；本發明還包含了該結構的製作方法。本發明可用於小型化諧振器的低成本批量化生產，並能夠增強石英晶片中心能陷效應、大幅度提升產品一致性。

Description

一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器及其製作方法

本發明涉及石英晶體諧振器技術領域，特別是一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器及其製作方法。

按，石英晶體諧振器通常由壓電石英晶片及封裝外殼構成，封裝外殼材料為陶瓷、玻璃等。壓電石英晶片上下兩面需蒸鍍電極，電極透過密封封裝的引線，與封裝外殼中的基座引腳相連。交流電壓可透過引腳連通石英晶片的上下電極，使石英晶片產生逆壓電效應，從而產生振盪。石英晶體諧振器因其頻率的準確性和穩定性等特性廣泛應用於移動電子設備、手機、移動通信裝置等電子行業中。

石英晶體諧振器封裝結構有直插式和平面貼裝兩種，隨著移動通信電子的迅速發展，器件小型化需求越來越高，石英晶體諧振器的小型化也勢在必行，其中直插式因體積大，近幾年逐漸被平面貼裝式取代。平面貼裝式石英晶體諧振器因規格和工藝的限制，目前，只能採用矩形石英晶片。而面對諧振器小型化的需求，矩形石英晶片在設計和製造封裝的過程面臨諸多難題。首先，矩形石英晶片的體積越小，設計越困難，設計週期越長，且現有工藝也越難滿足設計的公差要求。其次，傳統的切條、腐蝕等工藝方式也難以加工出超小型石英晶片，已經不能滿足小型化諧振器的需求。此外，傳統諧振器封裝工藝，採用點膠方式將石英晶片固定在基座中，點膠方式限制了石英晶片的尺寸，如果石英晶片過小，點膠大小不變，會對石英晶體諧振器性能產生巨大的影響。且石英晶體諧振器的小型化，提升了傳統封裝外殼等的製作難度，傳統封裝工藝越來越難以滿足小型化的需求。

對比矩形石英晶片，若採用圓形石英晶片，設計難度將會降低，成品石英晶體諧振器的各項性能也會有顯著提高。目前，平面貼裝工藝都採用矩形石英晶片封裝，若利用現有生產工藝製造圓形石英晶片，成本高、難以實現，且後道封裝難度大。所以，為了實現石英晶體諧振器的小型化同時降低設計和生產成本，降低製造難度，急需對石英晶片結構及前道、後道工藝進行改進。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究石英晶體諧振器，並著手進行研發及改良，期以一較佳設作以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決克服現有技術的缺點，提供一種可用於小型化諧振器低成本批量生產，並能夠增強石英晶片中心能陷效應、大幅度提升產品一致性的具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器及其製作方法。

本發明的目的透過以下技術方案來實現：一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，它包括石英晶片、封裝蓋和封裝基座；所述的石英晶片包括圓形構件、連接部和保護框，圓形構件透過連接部設置在保護框內，連接部的形狀為矩形或梯形等適當的形狀，所述的圓形構件的上下表面上鍍覆電極，形成電極區，較佳地，電極區形狀為圓形；連接部和保護框上設置有金屬層A，保護框上還設置有定位孔，定位孔內設置有金屬層B，封裝基座的底面上設置有引腳，電極區透過金屬層A、金屬層B與引腳電連接；所述的封裝蓋、石英晶片和封裝基座從上到下依次封裝壓合後形成供圓形構件自由振盪的腔體結構。石英晶片材料為石英晶體，封裝蓋和封裝基座材料為石英晶體、玻璃、陶瓷等。最終形成的壓電石英晶體諧振器的長度為0.8~3.2mm，寬度為0.6~2.5mm。

進一步地，所述的保護框為矩形形狀，起到支撐和封裝連接作用；所述的圓形構件位於保護框的中心處，圓形構件透過連接部與保護框的一條邊框連接，圓形構件可以在封裝後的腔體內自由振動，且當保護框受到外界力的作用時，力不會傳遞到圓形構件上，從而很好地保護了圓形構件。更進一步地，圓形構件透過連接部與保護框的任意一條短邊框連接。圓形構件與保護框中間的區域材料透過化學腐蝕或物理切割石英基板去除，圓形構件、連接部和保護框的形狀透過去除材料一體形成。

進一步地，所述的保護框為矩形形狀，定位孔設置在矩形的四角處。

進一步地，所述的封裝蓋的外框上設置有防止封裝液體洩漏的封裝溝槽A，所述的封裝基座的外框上設置有防止封裝液體洩漏的封裝溝槽B。

進一步地，所述的電極區包括上電極區和下電極區，上電極區和下電極區分別設置在圓形構件的上表面和下表面，金屬層A包括上表面金屬層和下表面金屬層，上表面金屬層和下表面金屬層分別設置在連接部和保護框的上表面和下表面，上電極區與上表面金屬層電連接，下電極區與下表面金屬層電連接，上表面金屬層和下表面金屬層分別與不同定位孔內的金屬層B連接，金屬層B還與不同的引腳連接。

進一步地，所述的圓形構件的表面上設置有凸台，凸台設置在圓形構件的一面或雙面上；當圓形構件的一個表面上設置有凸台時，電極區分別設置在凸台的表面和圓形構件的另一表面上；當圓形構件的兩個表面均設置有凸台時，電極區均設置在凸台的表面上。凸台結構能夠有效減弱邊緣產生的寄生振動，並能夠增強石英晶片中心的能陷效應。

一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，它包括以下步驟：

S1、以石英基板為基材，在石英基板上製備出凸台、圓形構件和定位孔，並製備出電極區和金屬層A，製得的電極區與金屬層A連通；凸台、圓形構件可透過濕法刻蝕、乾法刻蝕、雷射刻蝕、物理噴砂等方式製造而成；

S2、將封裝蓋、石英晶片和封裝基座依次堆疊並封裝焊接；

S3、在定位孔的側面上製備金屬層B，金屬層B連通金屬層A與封裝基座上的引腳；

S4、將石英晶片從石英基板上切除，從而製備出具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器。

進一步地，所述的步驟S1包括以下子步驟：

S11、以石英基板為基材，在石英基板上製備出凸台、圓形構件和定位孔，凸台在圓形構件表面上，凸台設置在圓形構件的一面或雙面上；

S12、在凸台或圓形構件的上表面上製備上電極區，在凸台或圓形構件的下表面上製備下電極區，在石英基板的上下表面上分別製備上表面金屬層和下表面金屬層，並使上電極區與上表面金屬層連接，下電極區與下表面金屬層連接。

進一步地，所述的步驟S2中封裝蓋的外框上設置有封裝溝槽A，封裝基座的外框上設置有封裝溝槽B，將封裝蓋、石英晶片和封裝基座堆疊封裝焊接的過程中，在封裝溝槽A和封裝溝槽B中添加玻璃焊料或樹脂焊料，且整體在真空環境下進行封裝焊接。

進一步地，所述步驟S3的詳細過程為：對封裝焊接後的石英基板上的定位孔的側面進行蒸鍍導電金屬層B，使得上表面金屬層和下表面金屬層分別與不同定位孔中的金屬層B相連，並使金屬層B與封裝基板上的引腳形成電連通。

本發明具有以下優點：

1、對比矩形石英晶片，本發明中圓形石英晶片中的圓片邊緣產生寄生振動的幾率下降，不易產生耦合，諧振器整體性能提高；且設計公差較大，對工藝要求降低，設計成本降低。

2、本發明將圓形石英晶片用於小型化貼片式石英晶體諧振器，對傳統貼片式石英晶體諧振器整體結構進行了創造性的改進；此外，傳統工藝生產圓片工藝複雜，且封裝時圓片不易固定，本發明採用新型工藝加工圓片，工藝簡單，且圓片與保護框直接相連，封裝簡單。

3、本發明可用於小型化石英晶體諧振器批量型生產，降低生產成本的同時，大幅度提升諧振器的製造效率，同時諧振器的一致性及綜合品質也得到了提升。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入瞭解並認同本發明。

下面結合附圖對本發明做進一步的描述，但本發明的保護範圍不局限於以下所述。

請先參閱第1圖至第7圖所示，本發明係一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，它包括石英晶片10、封裝蓋20和封裝基座30。所述的石英晶片10包括圓形構件11、連接部12和保護框13，保護框13呈矩形狀，起到支撐和封裝連接作用。圓形構件11設置在保護框13的中心處，且可以自由振動，圓形構件11透過連接部12與保護框13的一條短邊框連接，當保護框13受到外界力的作用時，力不會傳遞到圓形構件11上，從而很好地保護了圓形構件11。

所述的封裝蓋20、石英晶片10和封裝基座30從上到下依次封裝壓合連接，封裝蓋20、石英晶片10和封裝基座30封裝壓合後形成供圓形構件11自由振盪的腔體結構。封裝蓋20的外框上設置有封裝溝槽A21，封裝基座30的外框上設置有封裝溝槽B32，採用玻璃封裝時，封裝溝槽可以防止封裝液體外泄，使諧振器內部形成真空腔體。相比傳統工藝，此封裝結構簡單易加工，且石英晶體諧振器的厚度有所下降。

石英晶體諧振器的工作原理是基於壓電效應，本實施例中的電連接關係如下：圓形構件11的上表面上設置有凸台18，凸台18的上表面上鍍覆電極形成上電極區141，圓形構件11的下表面上鍍覆電極形成下電極區142，上電極區141和下電極區142的合理設置，以及凸台18的設計能夠有效減弱邊緣產生的寄生振動，並能夠增強石英晶片中心的能陷效應，降低耦合；連接部12和保護框13的上表面和下表面上分別設置有上表面金屬層151和下表面金屬層152，保護框13的四角處設置有定位孔16，定位孔16內設置有金屬層B17；封裝基座30的底面上設置有引腳31。所述的上電極區141與上表面金屬層151電連接，下電極區142與下表面金屬層152電連接，上表面金屬層151和下表面金屬層152還分別與不同定位孔16內的金屬層B17連接，金屬層B17又與不同的引腳31連接。所述的電極區141和下電極區142的形狀均為圓形，所述的連接部12的形狀為矩形。

凸台18的設計是為了減弱邊緣產生的寄生振動，並增強石英晶片中心的能陷效應，降低耦合；實際生產時可在圓形構件11的上表面和下表面的任意一面設置，也可以在兩個表面上均設置凸台18，或者可根據實際應用情況不設置凸台18。

所述的石英晶片10採用AT切型，此切型普遍應用於石英晶體諧振器中。其中石英晶片10的長邊平行於X軸，X軸是石英晶體的電軸，短邊平行於Z'軸，厚度方向平行於Y'軸。亦可以讓石英晶片的長邊平行於Z'軸，寬度平行於X軸，厚度方向平行於Y'軸。

AT切型石英晶片的主振動模式為厚度切邊模式，因石英晶片越來越小，產生的寄生振動如彎曲振動和面剪切振動增多，易產生耦合，對石英晶體諧振器的性能影響極大。對比矩形片，圓片的邊緣產生寄生振動的幾率下降，相比不易產生耦合，設計公差較大，對工藝要求降低，設計成本降低。

本實施例中，石英晶片10、封裝蓋20和封裝基座30的材料均為石英晶體。根據實際需要可生產出長度在0.8~3.2mm，寬度為0.6~2.5mm的壓電石英晶體振盪器；本實施例中壓電石英晶體振盪器的長度為1.6mm，寬度為1.2mm，該石英晶體振盪器的諧振頻率為t=1664/F，t表示石英晶片的厚度，單位為μm，F表示諧振頻率，單位為MHz，本實例中的石英晶體振盪器的諧振頻率在8MHz ~70MHz之間。

一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，它包括以下步驟：

S1、以石英基板40為基材，在石英基板40上製備出凸台18、圓形構件11和定位孔16，並製備出電極區14和金屬層A15，製得的電極區14與金屬層A15連通，具體包括以下子步驟：

S11、以石英基板40為基材，在石英基板40上製備出凸台18、圓形構件11和定位孔16，凸台18在圓形構件11表面上，本實施例中凸台18設置在圓形構件11的上表面。

凸台18可以透過濕法刻蝕或乾法刻蝕而得，具體製備過程如下：首先，取出一定規格的石英基板40，並對石英基板40的上、下表面進行研磨、拋光處理；其次，透過旋塗或噴淋方式在石英基板40表面形成厚度均勻的光刻抗刻蝕保護層ER，並使用光刻曝光在光刻抗刻蝕保護層ER表面形成待刻蝕圖形；最後，透過濕法刻蝕或乾法刻蝕方式在石英基板40上表面刻蝕，從而在石英基板40表面形成凸台18。凸台18的刻蝕深度透過控制濕法刻蝕或乾法刻蝕的反應時間決定。

圓形構件11可以透過濕法刻蝕、乾法刻蝕、雷射刻蝕、物理噴砂等方式得到，具體製備過程如下：首先，去除製作凸台18過程中形成的光刻抗刻蝕保護層ER並將石英基板40表面清洗乾淨；其次，透過旋塗或噴淋方式再次在石英基板40表面形成厚度均勻的光刻抗刻蝕保護層ER，並利用光刻曝光在光刻抗刻蝕保護層ER上表面形成待刻蝕圖形；最後，透過濕法刻蝕、乾法刻蝕、雷射刻蝕、物理噴砂等方式在石英基板40上表面刻蝕，得到圓形構件11，並去除光刻抗刻蝕保護層ER並將石英基板40表面清洗乾淨，從而製得具有圓形晶片結構的石英晶片10。

S12、在凸台18的上表面上製備上電極區141，在圓形構件11的下表面上製備下電極區142，在石英基板40的上下表面上分別製備上表面金屬層151和下表面金屬層152，並使上電極區141與上表面金屬層151連接，下電極區142與下表面金屬層152連接。

S2、將封裝蓋20、石英晶片10和封裝基座30依次堆疊並封裝焊接；為防止封裝液的洩露，封裝蓋20的外框上設置有封裝溝槽A21，封裝基座30的外框上設置有封裝溝槽B32，將封裝蓋20、石英晶片10和封裝基座30堆疊封裝焊接的過程中，在封裝溝槽A21和封裝溝槽B32中添加玻璃焊料或樹脂焊料，且整體在真空環境下進行封裝焊接。

S3、對封裝焊接後的石英基板40上的定位孔16的側面進行蒸鍍導電金屬層B17，使得上表面金屬層151和下表面金屬層152分別與不同定位孔16中的金屬層B17相連，並使金屬層B17與封裝基板30上的引腳31形成電連通。

S4、將石英晶片10從石英基板40上切除，從而製備出具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

〔本發明〕
10‧‧‧石英晶片
11‧‧‧圓形構件
12‧‧‧連接部
13‧‧‧保護框
14‧‧‧電極區
141‧‧‧上電極區
142‧‧‧下電極區
15‧‧‧金屬層A
151‧‧‧上表面金屬層
152‧‧‧下表面金屬層
16‧‧‧定位孔
17‧‧‧金屬層B
18‧‧‧凸台
20‧‧‧封裝蓋
21‧‧‧封裝溝槽A
30‧‧‧封裝基座
31‧‧‧引腳
32‧‧‧封裝溝槽B
40‧‧‧石英基板

第1圖係本發明具體實施方式中未封裝組合時的結構示意圖。 第2圖係本發明具體實施方式中封裝蓋的結構示意圖。 第3圖係本發明具體實施方式中石英晶片的結構示意圖。 第4圖係本發明具體實施方式中石英晶片的俯視圖。 第5圖係本發明具體實施方式中封裝基座的結構示意圖。 第6圖係本發明具體實施方式中封裝組合後的主剖結構示意圖。 第7圖係本發明具體實施方式中石英基板結構示意圖。

10‧‧‧石英晶片

20‧‧‧封裝蓋

30‧‧‧封裝基座

Claims (10)

1. 一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：它包括石英晶片（10）、封裝蓋（20）和封裝基座（30），所述的石英晶片（10）包括圓形構件（11）、連接部（12）和保護框（13），圓形構件（11）透過連接部（12）設置在保護框（13）內，所述的圓形構件（11）的上下表面上設置有電極區（14），連接部（12）和保護框（13）上設置有金屬層A（15），保護框（13）上還設置有定位孔（16），定位孔（16）內設置有金屬層B（17），封裝基座（30）的底面上設置有引腳（31），電極區（14）透過金屬層A（15）、金屬層B（17）與引腳（31）電連接，所述的封裝蓋（20）、石英晶片（10）和封裝基座（30）從上到下依次封裝壓合後形成供圓形構件（11）自由振盪的腔體結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：所述的保護框（13）為矩形形狀，所述的圓形構件（11）位於保護框（13）的中心處，圓形構件（11）透過連接部（12）與保護框（13）的一條邊框連接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：所述的保護框（13）為矩形形狀，定位孔（16）設置在矩形的四角處。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：所述的封裝蓋（20）的外框上設置有防止封裝液體洩漏的封裝溝槽A（21），所述的封裝基座（30）的外框上設置有防止封裝液體洩漏的封裝溝槽B（32）。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：所述的電極區（14）包括上電極區（141）和下電極區（142），上電極區（141）和下電極區（142）分別設置在圓形構件（11）的上表面和下表面，金屬層A（15）包括上表面金屬層（151）和下表面金屬層（152），上表面金屬層（151）和下表面金屬層（152）分別設置在連接部（12）和保護框（13）的上表面和下表面，上電極區（141）與上表面金屬層（151）電連接，下電極區（142）與下表面金屬層（152）電連接，上表面金屬層（151）和下表面金屬層（152）分別與不同定位孔（16）內的金屬層B（17）連接，金屬層B（17）還與不同的引腳（31）連接。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器，其特徵在於：所述的圓形構件（11）的表面上設置有凸台（18），電極區（14）設置在凸台（18）的表面上。
7. 一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，其特徵在於：它包括以下步驟： S1、以石英基板（40）為基材，在石英基板（40）上製備出凸台（18）、圓形構件（11）和定位孔（16），並製備出電極區（14）和金屬層A（15），製得的電極區（14）與金屬層A（15）連通； S2、將封裝蓋（20）、石英晶片（10）和封裝基座（30）依次堆疊並封裝焊接； S3、在定位孔（16）的側面上製備金屬層B（17），金屬層B（17）連通金屬層A（15）與封裝基座（30）上的引腳（31）； S4、將石英晶片（10）從石英基板（40）上切除，從而製備出具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，其特徵在於：所述的步驟S1包括以下子步驟： S11、以石英基板（40）為基材，在石英基板（40）上製備出凸台（18）、圓形構件（11）和定位孔（16），凸台（18）在圓形構件（11）表面上，凸台（18）設置在圓形構件（11）的一面或雙面上； S12、在凸台（18）或圓形構件（11）的上表面上製備上電極區（141），在凸台（18）或圓形構件（11）的下表面上製備下電極區（142），在石英基板（40）的上下表面上分別製備上表面金屬層（151）和下表面金屬層（152），並使上電極區（141）與上表面金屬層（151）連接，下電極區（142）與下表面金屬層（152）連接。
9. 如申請專利範圍第7項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，其特徵在於：所述的步驟S2中封裝蓋（20）的外框上設置有封裝溝槽A（21），封裝基座（30）的外框上設置有封裝溝槽B（32），將封裝蓋（20）、石英晶片（10）和封裝基座（30）堆疊封裝焊接的過程中，在封裝溝槽A（21）和封裝溝槽B（32）中添加玻璃焊料或樹脂焊料，且整體在真空環境下進行封裝焊接。
10. 如申請專利範圍第8項所述之一種具有圓形晶片結構的石英晶體諧振器的製作方法，其特徵在於：所述步驟S3的詳細過程為：對封裝焊接後的石英基板（40）上的定位孔（16）的側面進行蒸鍍導電金屬層B（17），使得上表面金屬層（151）和下表面金屬層（152）分別與不同定位孔（16）中的金屬層B（17）相連，並使金屬層B（17）與封裝基板（30）上的引腳（31）形成電連通。