超小型水晶振動子およびその製造方法

【課題】
水晶振動子の小型化・高精度化・高信頼性化と低コストを図る目的で、基本的構成として材料を水晶（人工水晶）電極材料のみで構成しようとするものである。
【解決手段】
この発明の水晶振動子は、水晶振動子用水晶板と、該水晶振動子用水晶板の両面に配され、該水晶振動子用水晶板と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板の合計３枚の水晶板で構成され、振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板を上下から挟むパッケージ用水晶板は前記水晶振動子用水晶板側の面を凹面加工されており、前記水晶振動子用水晶板を上下から挟み込む一対のパッケージ用水晶板を拡散結合法により結合封止して気密容器を構成し、結合封止後気密容器ごとに切断されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子機器の周波数制御やクロック源として重要な役割を果たしている超小型水晶振動子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在主流となっている表面実装型の水晶振動子は、一般的には下記の構造を有するものである。
図９および図１０（ａ）〜（ｃ）は水晶振動子の一例を示すものであり、ベース１０１として積層セラミックにて箱型のキャビティーを作り、その周縁に金属製リング１０２をメタライズで焼成接着し、金属製カバー１０３を真空雰囲気中で電気溶接を行って気密容器としたものである。１０４は導電性接着剤１０５によって前記キャビティー内に片持ち支持された水晶片、１０６は水晶片１０４の表面に形成された励振電極である。
また水晶振動子の他の例として、ベースおよびカバーともにセラミック製で、積層セラミックスによって箱型キャビティーを作り、両者を低融点ガラスで溶融・接着し、気密容器としたものもある。すなわち、水晶片を導電性接着剤によって前記キャビティー内に両持ち支持したものがあり、該水晶片の表面に励振電極を形成するようになっている。
【０００３】
水晶振動子に対する小型化・高精度化に対する市場要求は、他の電子デバイス同様に厳しく、競争も激化しているが、水晶振動子は、水晶片の機械的振動を利用した部品であるため、水晶片の中空保持と気密封止構造が不可欠であるという制約があるため、コンデンサーや抵抗等の他の電子部品と比較して小型薄型化が遅れていた。
水晶振動子は大きいほど加工しやすいためパッケージ自体はできるだけ大きく作りたいところではあるが、ほかのデバイスサイズによって器の大きさが決められてしまう傾向にあるため、ほかのデバイスのサイズの現状をみながら小型化が進められているが、その小型化には常に困難を伴っている。
【０００４】
また、従来の箱型セラミック容器では、主要材料であるセラミック自体が気泡を数パーセント有するため、外気を遮断して所定の気密性能を維持するためには、ある程度の厚みが必要である。この厚みが外形容積に対する内容積の比率（容積比）が小さくなって、振動子の小型化の障害となっている。
そして、水晶振動子の製造方法は、気密容器が１個単位で個別に製造しなければならないため、大きい材料に個々の製品を作り込み、気密容器の製造終了後に切断・分離する手法は採用できなかったのである。
【０００５】
さらに、気密容器を構成する水晶板に貫通した穴を開け、金属を電線として使用した場合、水晶板と密着させ、規格範囲の温度変化に対応するためには、水晶板、電線及び封止材と熱膨張係数の合ったハーメティックシールを使用した気密封止構造としなければならず、これには製造コストがかかるとともに小型化が困難であった。
また従来型の水晶振動子は全て、ハーメティックシールを用いるか、あるいは積層セラミック層の間を通したリード線を引き出して使用していた。
その際に発生するリーク不良の基本的要因は、容器本体と各構成材料、例えばセラミック、水晶板とリード線の金属と封止材料（通常はガラス系）の３種類の素材の密着性と熱膨張係数を合わせることは困難で、小型化リークパスが小さくなると、リード線周辺からリーク不良が発生する確率が高くなるという傾向があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１１８２２３公報
【特許文献２】特開平１０−２０９７９５公報
【特許文献３】特開２００７−３２６７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこでこの発明は、水晶振動子の小型化・高精度化・高信頼性化と低コストを図る目的で、基本的構成として材料を水晶（人工水晶）電極材料のみで構成しようとするものである。
また、水晶基板（ウェハー）単位で半導体製造法と同様に一括生産方式が採用できるようにしたものである。
さらに、水晶振動子と外部回路との接続は、貫通穴（スルホール）を設けず、かつリード線やハーメティックシール等を用いないで、気密容器に構成するコンデンサーにより容量結合（キャパシター結合）することとしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわちこの発明の水晶振動子は、水晶振動子用水晶板と、該水晶振動子用水晶板の両面に配され、該水晶振動子用水晶板と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板の合計３枚の水晶板で構成され、振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板を上下から挟むパッケージ用水晶板は前記水晶振動子用水晶板側の面を凹面加工されており、前記水晶振動子用水晶板を上下から挟み込む一対のパッケージ用水晶板を拡散結合法により結合封止して気密容器を構成し、結合封止後気密容器ごとに切断されていることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明の水晶振動子は、前記水晶振動子用水晶板は、その表面に形成した電極と外部との接続に貫通穴を用いることなく、前記気密容器の一部にコンデンサーを成膜することにより容量結合によって信号を授受するようにしたことをも特徴とするものである。
【００１０】
またこの発明の水晶振動子は、前記気密容器に構成されるコンデンサーの容量を、スパッター法により、または高誘電体材料を追加して容量を調整するようにしたことをも特徴とするものである。
【００１１】
この発明の水晶振動子の製造方法は、水晶振動子用水晶板と、該水晶振動子用水晶板の両面に配され、該水晶振動子用水晶板と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板の合計３枚の多数個どり可能な水晶板を準備し、
振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板を所定の形状に形成した上、電極等を成膜工程する工程と、
該水晶振動子用水晶板を上下から挟むパッケージ用水晶板に前記水晶振動子用水晶板側の面をエッチング法により凹面加工する工程と、
前記水晶振動子用水晶板を一対のパッケージ用水晶板で挟み込んで、該パッケージ用水晶板の周囲を拡散結合法により結合封止して気密容器を構成する工程と、結合封止後、各気密容器ごとに切断して検査する工程とからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、構造的にも単純化することができ、したがって信頼性が向上するとともに、小型化を極めた構造として商業的にも非常に有利な水晶振動子を得ることができる。
またこの発明の水晶振動子の製造方法によれば、従来の半導体の製造方法と同様の手法で量産化することができ、したがって非常に低コストな水晶振動子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の水晶振動子の実施の形態を示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は各水晶板のそれぞれ説明図である。
【図２】（ａ）は前記各水晶板の組み付け前の状態を示す概略横断面図，（ｂ）は組み付けた状態の概略横断面図である。
【図３】（ａ）は前記各水晶板の組み付け前の状態を示す概略縦断面図，（ｂ）は組み付けた状態の概略縦断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は水晶板からなる各パーツのそれぞれ説明図である。
【図５】（ａ）は底板部分を示す平面図，（ｂ）はその底面図である。
【図６】（ａ）は水晶振動子部分を示す平面図，（ｂ）はその底面図である。
【図７】各水晶振動子を切断する工程を説明するための平面図である。
【図８】コンデンサー回路の説明図である。
【図９】従来の水晶振動子の形態を示すものであり、片持ち式水晶振動子の平面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は図９のそれぞれＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の超小型水晶振動子およびその製造方法を実施するための形態について、図面を用いて詳述する。
【実施例１】
【００１５】
図１はこの発明の超小型水晶振動子に使用される各水晶板の平面図、図２および図３はそれぞれ横断面図および縦断面図である。
そして水晶振動子１１は、図４に示すように、上蓋となるパッケージ用水晶板１２、中間枠となる水晶振動子用水晶板１３および底板となるパッケージ用水晶板１４からなり、内部に水晶振動子用水晶板１３から切り出された振動板１５を収納し、パッケージ用水晶板１４の底部には電極１６を備えている。
【００１６】
図１ないし図３に示すように、前記水晶振動子１１は３枚の水晶板で構成されている。それらは図示しない一般的な方法により、水晶原石（人工水晶）から水晶振動子の仕様に合わせ水晶板（いわゆるウェハー）を切出す。その寸法は、原石の大きさや製品の大きさを勘案し、最適寸法を適宜決定されて切り出される。
そして水晶振動子の製造条件であるＡＴカット板（水晶の温度特性を有利にするための切出し角度）を３枚１セットとして切断方位をあわせ、鏡面仕上げ加工する。
この際に、水晶は結晶軸ごとに異なる熱膨張率係数を持つため、３枚の水晶板は振動子として使用される水晶板の切断角度（結晶から切出す角度）を同じくすることが、後述の分子間結合で封止するための必須条件である。
すなわち、水晶は結晶軸によって熱膨張係数が異なるため、異なる結晶軸のものを接合すると、温度変化で割れたりリークする可能性がある。そのため、実際にはＡＴカット以外は採用されない。
【００１７】
前記積層される３枚の水晶板において、上部部材はパッケージ用水晶板１２として、中間部材は水晶振動子用水晶板１３として、そして下部部材はパッケージ用水晶板１４としてそれぞれ使用される。
前記蓋となるパッケージ用水晶板１２には、図１ないし図３に示すように、下面の一部に凹部１７をエッチング加工により設け、振動を阻害しないようにしてある。
【００１８】
また、水晶振動子用水晶板１３は、上下からエッチング加工によりトリミングし、振動板（通称ブランク）１５を貫通した分離溝１８を設けることで枠部１９と隔離してある。すなわち、連結部２０を残し、分離溝１８で枠部１９から隔離する。そして前記連結部２０からなる２本の橋梁２０ａ、２０ｂを残して振動する部分を周囲の枠部１９から浮かせ、なおかつ前記橋梁２０ａ、２０ｂを上下電極配線を引き出す経路とする。
もちろん、製造仕様に即して所定の周波数に仕上がるよう、通常の振動子工程で厚みを調整する。
その上で、図４に示すように、振動板１５の上下両面に電極２１、２２をスパッター法により成膜してある。
【００１９】
前記底板となるパッケージ用水晶板１４は、前記蓋用のパッケージ用水晶板１２と同様に、上面の一部に凹部１２をエッチング加工により設け、振動を阻害しないようにしてある。
このパッケージ用水晶板１４は、その底部にスパッター法により成膜した電極１６を備えている。
この発明の水晶振動子１１では、振動板１５上の電極２１、２２と外部との接続にリード線を用いず、図５（ａ），（ｂ）に示すように、前記底板となるパッケージ用水晶板１４に上下一対になるコンデンサー用の容量電極２３，２４を左右に２組確保してある。
【００２０】
すなわち、水晶振動子の小型化の課題は、振動板１５が小さくなるに比例してＣＩ値（ＣｒｙｓｔａｌＩｎｐｅｄａｎｃｅ）が大きくなることにあり、この課題を克服するためこの発明ではセラミック容器を使用せず、振動板と同じ水晶板で容器となる前記底板となるパッケージ用水晶板１４を構成することにより、外形サイズに対する相対的なコンデンサー容量（キャパシター）を最大化できるようにしたものである。
そのため、コンデンサー用の容量電極２３，２４とリード部分２５をスパッター法（例えばクローム＋金等の組み合わせ）で成膜しておく。
【００２１】
前記底板となるパッケージ用水晶板１４において構成されるコンデンサーの容量は周波数に依存するため、コンデンサー容量は蒸着膜の面積で調整し、最適化するが、小型化を極めると容量が十分得られない。この場合はコンデンサー電極の中間に強誘電材料、例えばＫＦ添加チタン酸バリウム系物質（ＢａＫＴｉＯＦ）をスパッターで追加加工する。
例えば、図７に示すように、水晶板（ウエハー）のＡＴカット４０ｍｍ×４２ｍｍ×０．３８ｔｍｍからは、０．６ｍｍ×０．５の製品として、１枚当たり９００〜１２００個が生産可能となり、周波数３０ＭＨｚの製品が得られる。
以上のように加工されたそれぞれの板状部材２、３、４すなわち切断方位を同じくする水晶板（ウェハー）は、熱膨張係数が揃っているので面接着に適し、温度差に対して順応する特徴を有する。
【００２２】
そして各水晶板１２，１３，１４は、拡散結合法により所定の温度と圧力をもって真空雰囲気内で接合し封止される。
水晶板のような結晶の張り合わせ接合については従来多種報告されているが、加熱条件が３００℃以下であることが必要であることから、この発明では接着面にニッケル・クロムをスパッター法で極薄膜を成膜し、さらに銀をスパッターする２層構造の極薄膜を使用する。この方法によれば、真空雰囲気内において２００℃程度の加熱で安定して封止することができるので、水晶板には最適な加工法である。
製品の周波数の最終調整は封止後、各水晶板（ウェハー）ごとに、ＸＹテーブル上で、底部を通してレーザーエッチング法で行うことができる。
また、周波数やＣＩ（クリスタルインピーダンス）、その他所定の完成品検査は、ウェハー単位で行えばよい。
【実施例２】
【００２３】
次にこの発明の超小型水晶振動子の製造方法について説明する。
工程１：人工水晶からなる水晶原石から、推奨振動子の仕様に合わせて水晶板を切り出す。なお、切り出す際の寸法は水晶原石の大きさや製品の大きさを勘案して最適寸法を適宜決定する。
この発明の水晶振動子１１を構成する水晶振動子用水晶板１２およびパッケージ用水晶板となるそれぞれの水晶板１３，１４には厚み指定をする必要はないが、平坦度・鏡面研磨可能な厚みに加工する。
このとき、前記水晶振動子用水晶板１２と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板１３，１４は、切断方位を同じくするとともに熱膨張係数が揃っているので面接着に適し、温度差に対して順応する。
【００２４】
工程２：振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板１２を、図１に示すように、所定の形状に形成する。このような加工には、前記水晶振動子用水晶板１２の両面を湿式エッチング法で加工して貫通させて分離溝１８を形成すればよい。
その後、図４および図６に示すように、振動板１５上に電極２１、２２をスパッター法により成膜する。
【００２５】
工程３：前記水晶振動子用水晶板１２を上下から挟むパッケージ用水晶板１３，１４に対し、図１ないし図３に示すように、前記水晶振動子用水晶板１２側の面を湿式エッチング法によりそれぞれ凹面加工を施して、所定深さの凹部１７を形成する。
【００２６】
工程４：図２（ｂ），図３（ｂ）に示すように、前記水晶振動子用水晶板１２を一対のパッケージ用水晶板１３，１４で挟み込んで、該パッケージ用水晶板１２周囲の枠部１９に拡散結合法により結合封止し、気密容器を構成する。
水晶板のような結晶の張り合わせ接合については、上述のように加熱条件が３００℃以下であることが必要である。そこで、この発明では接着面にニッケル・クロムをスパッター法で極薄膜を成膜し、さらに銀をスパッターする２層構造の極薄膜を形成した上、真空雰囲気内において２００℃程度で加熱して結合封止する。
【００２７】
工程５：前記工程によって３枚の水晶板１２，１３，１４を結合封止した後、図７に示すように、各気密容器ごとに切断して検査する。
なお、製品の周波数の最終調整は前記封止後、各水晶板（ウェハー）ごとに、ＸＹテーブル上で底部を通してレーザー照射するレーザーエッチング法で行うことができる。
また、周波数やＣＩ（クリスタルインピーダンス）、その他所定の完成品検査は、各ウェハー単位で行えばよい。
【００２８】
図８はコンデンサー回路の説明図である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
この発明の超小型水晶振動子およびその製造方法は以上のように構成されているので、水晶を使用するものであれば水晶振動子に限定されることはなく、各種の電子部品にも応用することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１１水晶振動子
１２パッケージ用水晶板
１３水晶振動子用水晶板
１４パッケージ用水晶板
１５振動板
１６電極
１７凹部
１８分離溝
１９枠部
２０連結部
２０ａ，２０ｂ橋梁
２１，２２電極
２３，２４容量電極
２５リード部分

【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子用水晶板と、該水晶振動子用水晶板の両面に配され、該水晶振動子用水晶板と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板の合計３枚の水晶板で構成され、振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板を上下から挟むパッケージ用水晶板は前記水晶振動子用水晶板側の面を凹面加工されており、前記水晶振動子用水晶板を上下から挟み込む一対のパッケージ用水晶板を拡散結合法により結合封止して気密容器を構成し、結合封止後気密容器ごとに切断されていることを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記水晶振動子用水晶板は、その表面に形成した電極と外部との接続に貫通穴を用いることなく、前記気密容器の一部にコンデンサーを成膜することにより容量結合によって信号を授受するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記気密容器に構成されるコンデンサーの容量を、スパッター法により、または高誘電体材料を追加して容量を調整するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
水晶振動子用水晶板と、該水晶振動子用水晶板の両面に配され、該水晶振動子用水晶板と同一の結晶方位角度を持つパッケージ用水晶板の合計３枚の多数個どり可能な水晶板を準備し、
振動子機能を有する中間の水晶振動子用水晶板を所定の形状で溝加工した上、表面に電極を成膜工程する工程と、
該水晶振動子用水晶板を上下から挟むパッケージ用水晶板に前記水晶振動子用水晶板側の面をエッチング法により凹面加工する工程と、
前記水晶振動子用水晶板を一対のパッケージ用水晶板で挟み込んで、該パッケージ用水晶板の周囲を拡散結合法により結合封止して気密容器を構成する工程と、結合封止後、各気密容器ごとに切断して検査する工程とからなることを特徴とする水晶振動子の製造方法。

【図１】