JP2007214942A - 圧電振動片の製造方法、及び圧電振動片並びに圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】振動エネルギーの漏れを防止しつつ、耐衝撃性、その他の応力に対する耐性を高く保つことができる圧電振動片を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するための圧電振動片は、主面に励振電極１８ａ，１８ｂを形成した振動部１２と、当該振動部１２の外周側に、貫通溝１６を介して配置される枠部１４と、前記振動部１２と前記枠部１４とを接続する支持部１３とを有する。そして、前記支持部１３の幅方向に沿って表裏面に、鋸歯状の切欠き１３ａを設けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動片の製造方法、及び圧電振動片、並びにこの圧電振動片を搭載した圧電デバイスに係り、特に小型、薄型化された圧電振動片において、振動部からの振動漏れが少なく、量産性、品質を良好とすることができる圧電振動片の製造方法、及び圧電振動片、並びにこの圧電振動片を搭載した圧電デバイスに関する。

水晶振動片を用いた圧電振動子は、小型化が容易であり、温度特性が良好である等の理由から、従来よりＰＤＡや携帯電話等の移動体通信機器をはじめとする様々な電子機器の基準周波数信号源として採用されてきた。

近年では、上記のような電子機器の高機能化が進み、内部回路においては高集積化が進められてきている。このような背景の下、上記圧電振動子には更なる小型化の要求が強まり、圧電振動片と圧電振動子との実装スペース（ダイサイズ）を同一とすることができる圧電振動片の構造が開発されている。例えば特許文献１に開示されているような構造の水晶振動片等がそれに該当する。なお、特許文献１に記事されている圧電振動片は、量産性を良好とし、かつ振動部からの振動漏れを防止することを目的として開発されたものであるが、このような構成の圧電振動片が、いわゆるＣＳＰ（Chip Size Package：チップサイズパッケージ）構造の圧電振動子用の圧電振動片として用いられる。

特許文献１に開示されている圧電振動片の具体的構成は、振動部と、この振動部の周囲に貫通溝を介して配置された枠部と、前記振動部と枠部とを接続する支持部とを基本とするものである。また、特許文献１に開示されている圧電振動片は、振動部によって励起された振動が枠部へ漏れることを防止するために、前記支持部の肉厚を振動部の肉厚に比べて薄肉に形成することを特徴とするものである。
特開平７−２１２１７１号公報

上記特許文献１に開示されているような構成の圧電振動片であれば、圧電振動子の小型化にも貢献することができ、励起された振動の漏れを防止し、振動損失を少なくすることができると考えられる。

しかし、上記のような構成の圧電振動片では、支持部の肉厚を薄くするための工程が増えるため、従来に比べてフォトリソの工程が増え、歩留りの低下やそれに伴う製造コストの高騰が懸念される。また、微細部分の厚み制御をエッチングによって完全にコントロールすることは困難であり、製造ロット間でのバラツキが生じることは否めない。支持部の肉厚にバラツキが生じた場合には、製品としての機械的強度にもバラツキが生じることになる。なお、エッチング時間による制御にて支持部の肉厚をコントロールしようとした場合であっても、エッチング液の温度等によりバラツキは生じてしまうと考えられる。

また、特許文献１に開示されている圧電振動片は、支持部を薄肉とすることを特徴としていることより、落下等による衝撃や、その他の応力等に対する耐性が低いといった問題がある。さらに、高周波数に対応させるために振動部を薄肉化した場合には、支持部の強度はさらに低下することとなってしまうといった問題がある。

本発明では、上記問題点を解決し、生産性を良好にすることができ、製品としてのバラツキの少ない圧電振動片の製造方法、及び振動部によって励起された振動の漏れを防止しつつ、耐衝撃性、その他の応力に対する耐性を高く保つことができる圧電振動片、並びにこの圧電振動片を搭載した圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る圧電振動片の製造方法は、ＡＴカット水晶基板を母材とし、振動部と、当該振動部の外周側に、貫通溝を介して配置される枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とを有する圧電振動片の製造方法であって、前記貫通溝の形成はウエットエッチングで行い、前記貫通溝の形成と同一の工程にて前記支持部に、エッチングストップを利用した楔型の切欠きを形成することを特徴とする。このような方法により圧電振動片を製造するようにすれば、貫通溝の形成と切欠きの形成とを１工程で行うことができ、生産性を低下させる虞が無い。また、エッチングストップを利用して切欠きを形成するため、エッチング時間等の影響を受けて切欠きの深さがバラつくという虞が無い。

また、上記のような圧電振動片の製造方法において、前記切欠きは、前記支持部の表裏面において、鋸歯状に相互に形成すると良い。このような状態に切欠きを形成することにより、振動部からの振動エネルギーの漏れを有効に防止することができる圧電振動片とすることができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る圧電振動片は、主面に励振電極を形成した振動部と、当該振動部の外周側に、貫通溝を介して配置される枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とを有する圧電振動片であって、前記支持部の幅方向に沿って表裏面に、鋸歯状の切欠きを設けたことを特徴とする。このような構成とすることにより振動部からの振動エネルギー漏れを防止することが可能となる。また、支持部の肉厚が薄くなった場合であっても高い強度を保つことが可能となる。

また、上記のような構成の圧電振動片において、前記支持部の表裏面に設ける鋸歯状の切欠きは、表裏面において互いに切欠きの谷部をずらして形成することが望ましい。表裏面において切欠きの谷部がずれるようにして切欠きを形成することにより、支持部の肉厚が極端に薄くなる部位が生じることが無い。また、表裏面から形成する切欠きの谷部を相互にずらすことにより、切欠きの深さを深くすることが可能となる。

また、上記のような構成の圧電振動片において、前記切欠きは複数設け、前記支持部の配設方向断面の形状をＷ形状とすることが望ましい。このような構成とすることにより支持方向の応力に対してダンパ効果も期待することができるようになる。また、Ｗ形状の支持部を形成する梁部は、肉厚を薄くした場合であっても応力に対する高い強度を得ることができることとなる。このため、振動エネルギーの漏れを有効に防止することができるようになる。

また、上記のような構成の圧電振動片において、前記切欠きの深さは、前記枠部の肉厚の半分以上とすることが望ましい。このような構成とすることにより、枠部と振動部とが直線的に接続されることがなくなるため、振動や熱が伝達される際の実質的な距離が伸びることとなる。

また、上記のような構成の圧電振動片では、前記振動部の肉厚を、前記枠部の肉厚よりも薄肉としても良い。このような構成とすることにより、高い周波数帯域に対応することが可能な圧電振動片とすることができる。

また、本発明に係る圧電デバイスは、上記いずれかに記載の圧電振動片の枠部における両主面にそれぞれ蓋体を接合し、いずれかの蓋体に、前記振動部に形成した励振電極と電気的に接続された外部端子を備えたことを特徴とする。このような構成とすることにより、圧電振動片と圧電デバイスとのダイサイズを同一とすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の圧電振動片の製造方法、及び圧電振動片、並びに圧電デバイスに係る実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であり、本発明は、その主要部を変えない限度において種々の形態に対応するものとする。

まず、図１を参照して、本発明の圧電振動片に係る第１の実施形態について説明する。なお、図１において、図１（Ａ）は圧電振動片の平面図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。

本実施形態の圧電振動片１０は、振動部１２と、この振動部１２の周囲に貫通溝１６を介して配置された枠部１４と、前記振動部１２と前記枠部１４とを接続する支持部１３とから構成されることを基本とする。

本実施形態の振動部１２は、矩形状に形成され、その両主面には、金（Ａｕ）やアルミ（Ａｌ）といった導電性金属によって形成された励振電極１８ａ，１８ｂが、当該振動部１２を介して対向して形成されている。前記励振電極１８ａ，１８ｂの形状は、本実施形態では前記振動部１２の形状に合わせて矩形状としている。

前記枠部１４は、前記振動部１２の形状に沿って矩形枠状に形成されている。このため、前記振動部１２と前記枠部１４との間に介在される貫通溝１６の形状も矩形となる。枠部１４の主面には、前記支持部１３を介して前記励振電極１８ａ，１８ｂのそれぞれと電気的に接続された引出電極２０ａ，２０ｂが形成されている。なお、引出電極２０ａ，２０ｂの形成材料は、前記励振電極１８ａ，１８ｂの形成材料と同一のものとすると良い。

前記支持部１３は、支持部１３の幅方向（図１においてはＺ´軸方向）に沿って、支持部１３の一主面から対向する主面へ向けて鋸歯状の切欠き１３ａを複数形成することによって構成される。前記切欠き１３ａは、枠部１４の板厚の半分、あるいは半分を越える程度の深さとすると良い。また、前記切欠き１３ａは、支持部１３の表裏における主面から相互にずらして（互い違いに）設けられている。このため、支持部１３のＸ軸方向における断面形状は、図１（Ｂ）に示すように、Ｗ形状、Ｎ形状等のような波型の形状を成すこととなる。このような構成とすることにより、切欠き１３ａの深さを深くすることができる。

なお、上記のような構成の圧電振動片１０において、支持部１３上に配される引出電極２０ａ，２０ｂは、図１（Ｂ）にも示すように、支持部１３の形状に沿って形成されることとなる。

上記のような構成の圧電振動片１０は、ＡＴカット水晶基板を母材として製造する。ＡＴカット水晶基板は、結晶構造の特性によりウェットエッチング時には異方性エッチングが成されることとなる。すなわち、エッチングが水晶の結晶面に沿って異なるエッチングレートで進み、結晶面がエッチングの進行方向に現れた時点でエッチングが終了することとなるのである。このため、エッチング開始時における水晶面の開口幅や形状によって、エッチング深さを設定することができるのである。したがって、支持部１３に形成する切欠き１３ａの深さを高い精度で設定することが可能となり、製品のロット間におけるバラツキを小さくすることが可能となる。

例えば、図２に示すように、ＡＴカット水晶基板の主面を覆うＡｕ被膜及びレジスト膜に形成する開口部の開口幅をαとβというように変えた場合、エッチングストップ時における切欠きの深さには、γの違いが生じることとなる。つまり切欠きの深さは、振動部１２からの振動漏れ防止効果や圧電振動片１０の機械的強度等を考慮した上でレジスト膜の開口幅（α，β）を設定することで、任意に制御することができるのである。

上記のような構成の圧電振動片１０の製造は、まず、ＡＴカット水晶基板の板面にＡｕ等により金属被膜を形成し、その上層にレジスト膜を形成する。その後、貫通溝１６、及び切欠き１３ａの開口幅及び位置に合った開口を有するマスクを用いてレジスト膜を露光・現像する。レジスト膜を露光・現像した後、レジスト膜の開口部に晒された金属被膜をエッチングし、続いて開口部に晒されたＡＴカット水晶基板自体をエッチング液によってエッチングする。ＡＴカット水晶基板は上述したように、異方性エッチングの作用により、レジスト膜の開口幅等によってエッチング深さが定まる。

ここで、貫通溝１６を形成する箇所のレジスト膜は、切欠き１３ａを形成する箇所に比べ、基板の表裏面に設けるレジスト膜の開口幅を大きくしているため、エッチングストップが生じる前に基板に貫通溝１６が形成されることとなる。一方、切欠き１３ａを形成する部位に設けられたレジスト膜の開口幅は、ごく僅かであるため、エッチングが進むにつれて結晶面が露出し、エッチング時間に関わり無くある時点においてエッチングがストップすることとなる。

ＡＴカット水晶基板をエッチングして貫通溝１６を設け、振動部１２と枠部１４、及び支持部１３を形成し、前記支持部１３には切欠き１３ａを設けた後、エッチング時に使用したレジスト膜及び金属被膜を剥離し、再び基板表面にＡｕ被膜を形成する。Ａｕ被膜の形成は、スパッタや蒸着によって行うようにすれば良く、支持部１３に対しては、基板に傾斜角を持たせて被膜成分を堆積させるようにすることで、エッジ部分での断線等を防止することが可能となる。Ａｕ被膜を形成した上層には、上記と同様にレジスト膜を形成し、上記励振電極１８ａ，１８ｂ及び引出電極等２０ａ，２０ｂといった電極パターンに合わせた開口部を有するマスクを用いてレジスト膜を露光・現像する。その後、レジスト膜の開口部に晒されたＡｕ被膜をエッチングすることにより電極パターンが形成される。電極パターン形成後、レジスト膜を剥離して圧電振動片１０が完成する。

上記のようにして製造する本実施形態の圧電振動片１０は、結晶構造の異方性に基づくエッチングストップを利用して支持部１３に切欠きを形成することにより、貫通溝１６の形成工程と共に切欠き１３ａを形成することを可能とした。このため、圧電振動片１０の製造工程数は従来と変わらないものとなり、歩留りが低下することは無くなる。また、製造工程数が変わらないため、エッチング時に使用される薬液等の使用頻度にも差が生じ無い。このため、製造コストの高騰を懸念する必要もなくなる。

また、圧電振動片１０の構造上の特徴として、支持部１３に切欠き１３ａを形成し、支持部１３に段差を設けたことより、振動部１２にて励起された振動エネルギーが支持部１３を介して枠部１４側へ漏れ出ることを防止することができ、エネルギー損失を低減することができる。また、支持部１３の断面形状がＷ形状等の波型であるため、枠部１４から振動部１２へ伝達されるＸ軸方向の応力等に対してダンパ作用を期待することができる。すなわち、圧電デバイスに実装された際に、枠部１４に付与された応力が振動部１２に伝達される際、指示部１３によって緩和されることを期待することができるのである。なお、切欠き１３ａの深さを枠部１４の半分以上とすることにより、枠部と振動部が直線で繋がらなくなるため、熱や応力の実質的な伝達距離が増すこととなり、大きな緩和効果を奏することとなる。

ここで、支持部１３を構成するＷ形状の梁が極端に細く（薄く）なっているように見えるが、梁に作用するせん断応力は梁の傾斜角度によって分散されるため、支持部１３全体としては十分な強度を得ることができる。つまり、支持部１３の形状を上記のようにすることにより、振動部１２と枠部１４とを接続する部材が薄肉となり、振動エネルギーの漏れを有効に防止することができ、かつ強度的にも十分な値を得ることができるのである。

また、本実施形態の圧電振動片１０では、支持部１３の長さを長短に変化させた場合であっても、図３に示すように支持部１３に設ける切欠き１３ａの数や、切欠き１３ａの深さを変えることにより、上述した圧電振動片１０と同様の効果を得ることができる。このため、安定した特性を得るために振動部１２の面積を広く採り、支持部１３の長さが短くなった場合であっても、切欠き１３ａの数を少なくし、切欠き１３ａの深さを深くすることで対応することができる。なお、図３において、図３（Ａ）は圧電振動片の平面図を示し、図３（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。

次に図４を参照して本発明の圧電振動片に係る第２の実施形態について説明する。なお、図４において、図４（Ａ）は圧電振動片の平面図を示し、図４（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。また、本実施形態の圧電振動片は、振動部と、この振動部の周囲に貫通溝を介して配置された枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とから成ることを基本とするものであるため、その機能を同様とする箇所には、図１に附した符号と同一の符号を附して、その詳細な説明は省略することとする。

本実施形態の圧電振動片１０は、図４（Ｂ）を参照すると判るように、振動部１２の肉厚を枠部１４の肉厚よりも薄く形成したことを特徴としている。振動部１２の肉厚を薄くすることにより、高い周波数帯に対応した圧電振動片１０とすることができる。

また、本実施形態の圧電振動片１０は、第１の実施形態と同様に、支持部１３のＸ軸方向における断面形状をＷ形状としているため、第１の実施形態に示した圧電振動片と同様に、振動部１２からの振動エネルギーの漏れを有効に防止することができる。さらに、機械的強度等についても、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。ここで、本実施形態の圧電振動片１０では、支持部１３をＷ形状としているため、背景技術の項で紹介した特許文献１に開示されている圧電振動片と異なり、振動部１２を薄くした場合であっても支持部１３の肉厚を第１の実施形態に示した圧電振動片の支持部と同等に設定することができる。したがって、振動部１２の肉厚の薄肉化に伴って支持部１３の機械的強度が極端に低下するといった事態が生じる虞が無い。

図４に示す圧電振動片１０では、振動部１２の片側主面のみをエッチングしたタイプの逆メサ形状であったが、本実施形態の圧電振動片１０としては、図５に示すような形状のものであっても良い。なお、図５は例えば図４（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。このように、所望する振動部１２の肉厚を得るために、振動部１２を両主面からエッチングした場合であっても同様の効果を得ることができる。また、振動部１２を両主面からエッチングして圧電振動片１０を製造することによれば、エッチング時間を短縮することができ、振動部等に生じるいわゆるエッチング喰われの影響を緩和することができる。

次に、図６を参照して本発明の圧電振動片に係る第３の実施形態について説明する。本実施形態の圧電振動片も、振動部と、この振動部の周囲に貫通溝を介して配置した枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とを備えることを基本とする点で、上述した第１、第２の実施形態と同様である。したがって、その機能を同様とする箇所には、図１に附した符号と同一の符号を附してその詳細な説明は省略することとする。

本実施形態は、上述した第１、第２の実施形態と異なり、支持部１３の配置方向をＺ´軸方向としたことを特徴とする。ＡＴカット水晶基板では、エッチングレートに違いはあるが、Ｚ´方向に支持部１３を配置して切欠き１３ａを形成する場合であっても、上記第１、第２の実施形態と同様に、エッチングストップの作用を得ることができる。このため、支持部１３の配置方向に限ることなく上記第１、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。このように本発明の圧電振動片の製造方法によれば、支持部１３の配置方向を問わないため、圧電振動片１０の設計自由度を高くすることができる。

上記実施形態では図面において、振動部１２及び枠部１４の形状を全て矩形に示しているが、振動部１２の形状等はこれに限定するものでは無い。例えば振動部１２の形状を円形や楕円形とした場合であっても、本発明の圧電振動片の一部とみなすことができる。また、上記実施形態においては、振動部の肉厚を枠部の肉厚に比べて薄くする逆メサ型の圧電振動片を第２の実施形態で紹介しているが、振動部の肉厚を枠部に比べて厚くしたメサ型、あるいは振動部に厚肉部形成したメサ型の圧電振動片であっても、本発明に係る圧電振動片とみなすことができる。

次に、図７を参照して本発明の圧電デバイスに係る実施の形態について説明する。なお、図７において、図７（Ａ）は同図（Ｂ）におけるＢ−Ｂ断面を示す図であり、図７（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す図である。

本実施形態の圧電デバイス１００は圧電振動子であり、上述した圧電振動片１０の表裏にそれぞれ蓋体（リッド）１１０，１２０を接合したことを基本とする。また、本実施形態では、一方のリッド１２０にプリント基板等への実装用の外部端子１２６を設ける構成とした。このため、本実施形態の圧電振動片１０は、枠部１４にスルーホール２２を設けて電極を片側側面へと引き回す構成を採ることとした。また、本実施形態で使用する圧電振動片１０は、リッド１１０，１２０との接合を行うため、枠部１４全周に亙って引出電極２０ａ，２０ｂを形成する構成を採ることとした。なお、枠部１４に対するスルーホール２２の形成は、エッチングの他、ブラスト加工等によって行っても良い。

本実施形態の圧電デバイス１００では、外部端子１２６を形成するリッド１２０に、上述した圧電振動片１０同様にスルーホール１２４を形成する。振動部１２に形成された励振電極１８ａ，１８ｂと、外部端子１２６との電気的導通を図るためである。また、本実施形態では、リッド１１０，１２０における振動部１２と対向する側の主面に、凹部１１２，１２２を形成し、接合時にリッド１１０，１２０と振動部１２とが接触することを防止するようにした。リッド１１０，１２０の構成材料は、圧電振動片１０の構成材料と熱膨張係数が近似するものを選択することが望ましい。リフロー時を含む加熱時や常温での温度変化に伴う膨張収縮により接合面の剥離や部材の損傷を防止する他、膨張率、あるいは収縮率の違いにより圧電振動片１０に余分な応力が負荷されて特性が劣化することを防止するためである。本実施形態の場合、圧電振動片１０を水晶基板としていることより、リッド材料としては、ソーダガラスや水晶等を選択することが望ましい。

なお、リッド１１０，１２０と圧電振動片１０との接合は、陽極接合や直接接合等によれば良い。陽極結合は静電引力による結合、直接接合は水素結合によって結合されるため、結合が強固となり、高い信頼性を得ることができる。

上記のようにして構成される圧電デバイス１００は、圧電振動片１０単体でのダイサイズと、パッケージとしてのリッド１１０，１２０を含む圧電振動子自体でのダイサイズとが略同一となる。

なお、圧電振動片１０として第２の実施形態に係るものを用いた場合には、リッド１１０，１２０の主面に凹部１１２，１２２を形成しなくても良い。振動部１２の肉厚が枠部１４の肉厚に比べて薄肉であるため、凹部を形成しなくとも振動部１２とリッド１１０，１２０とが接触しないからである。このような構成とすることにより、リッド１１０，１２０の肉厚を薄肉化することが可能となり、圧電デバイス１００を薄型化することが可能となる。

第１の実施形態に係る圧電振動片を示す図である。 切欠きを形成する際の、開口幅の違いと切欠き深さの違いとの関係を示す図である。 第１の実施形態に係る圧電振動片の応用例を示す図である。 第２の実施形態に係る圧電振動片を示す図である。 第２の実施形態に係る圧電振動片の応用例を示す図である。 第３の実施形態に係る圧電振動片を示す図である。 本発明に係る圧電デバイスを示す図である。

符号の説明

１０………圧電振動片、１２………振動部、１３………支持部、１４………枠部、１６………貫通溝、１８ａ，１８ｂ………励振電極、２０ａ，２０ｂ………引出電極、１００………圧電デバイス、１１０………リッド、１２０………リッド、１２６………外部端子。

Claims (8)

1. ＡＴカット水晶基板を母材とし、振動部と、当該振動部の外周側に、貫通溝を介して配置される枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とを有する圧電振動片の製造方法であって、
   前記貫通溝の形成はウエットエッチングで行い、
   前記貫通溝の形成と同一の工程にて前記支持部に、エッチングストップを利用した楔型の切欠きを形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
2. 前記切欠きは、前記支持部の表裏面において、鋸歯状に相互に形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片の製造方法。
3. 主面に励振電極を形成した振動部と、当該振動部の外周側に、貫通溝を介して配置される枠部と、前記振動部と前記枠部とを接続する支持部とを有する圧電振動片であって、
   前記支持部の幅方向に沿って表裏面に、鋸歯状の切欠きを設けたことを特徴とする圧電振動片。
4. 前記支持部の表裏面に設ける鋸歯状の切欠きは、表裏面において互いに切欠きの谷部をずらして形成したことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動片。
5. 前記切欠きは複数設け、前記支持部の配設方向断面の形状をＷ形状としたことを特徴とする請求項４に記載の圧電振動片。
6. 前記切欠きの深さは、前記枠部の肉厚の半分以上としたことを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の圧電振動片。
7. 前記振動部の肉厚を、前記枠部の肉厚よりも薄肉としたことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の圧電振動片。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の圧電振動片の枠部における両主面にそれぞれ蓋体を接合し、
   いずれかの蓋体に、前記振動部に形成した励振電極と電気的に接続された外部端子を備えたことを特徴とする圧電デバイス。

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