JP7054177B2 - 水晶デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング加工が容易な結晶方位を有して形成される水晶デバイス及びその製造方法に関するものである。

水晶デバイスは、三次元の座標で表される水晶の結晶軸から特定の切断方位を選択してカットされた水晶ブランクを使用している。この水晶ブランクは、エッチングによって音叉型等に形状加工されることで、特有の振動モードや発振周波数を備えている（特許文献１）。

各種の振動モードの中でも、基部と、基部から延びる複数の振動腕とからなる音叉型の水晶デバイスが広く用いられている（特許文献２）。

この音叉型水晶デバイスの代表的な製造方法としては、数インチ角又は円形の水晶ウェハに、蒸着やスパッタなどで金などのプロテクト金属を成膜し、その上から感光性レジストを塗布して、音叉形状のパターンが並んだ露光マスクを使った露光、現像及び、プロテクト金属のパターニングを行った後、該ウェハをフッ酸若しくは酸性フッ化アンモニウム等の液体を浸した容器に漬け込んで、プロテクト金属及びレジスト膜でマスクされた場所以外のところを侵食させて溶解する化学的（ウェット）エッチング法が用いられている。このようなエッチング法によってＺ板を加工する場合、板厚方向に浸食が進行し、平面方向には浸食が進み難いといった異方性を有している。この異方性を利用することで、切断面に該当する部分に耐食膜をパターン形成し、切断面部分の水晶面を露出した状態でエッチングを行うと該当箇所を選択的に加工することができる。

また、水晶ウェハからエッチング法などにより形成された振動本体部及び振動本体部を支持する支持枠からなる振動片と、振動片を挟持して振動本体部を封入する一対のウェハ状の封止体が、接合などにより一体化されたウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）によって形成される水晶デバイスも知られている（特許文献３）。

特開２００１－３１３５３７号公報 特開２００４－３５７１７８号公報 特開２０１７－０５９９１８号公報

しかしながら、Ｚ板にあっては、ＸＹ平面内の溝を形成する場合、溶解する方向によって、溝の深さやその切断面形状が大きく異なるといった特性を有している。水晶は３方晶系結晶のため、ＸＹ平面内で１２０°毎に３回対称軸が現れる。３回対称軸においてＹ軸に対して平行に設定される溝は、底面近くまでほぼ垂直な側壁が形成でき、エッチング液浸漬時間に応じた深掘りエッチングが可能となるが、Ｘ軸に対して平行な溝は一定の深さまでエッチングが進行した際に、自然結晶における錐面（Ｒ面、ｒ面）の露出により深さ方向のエッチングレートが極端に遅くなり加工が進み難いといった問題を有している。

振動腕に溝を形成する場合、分極方向の関係からＹ´軸方向を長手とする矩形形状になっている。溝の底部の形状は、Ｘ軸方向に向かって逆方向より広い断面が発生することが知られている。この溝の傾斜角や逆方向の狭い断面の傾斜角は略一定であり、溝の底部に平行な面が出現する長さの短辺寸法があれば、これらのＸ軸方向への長さは自動的に略一定になる。

水晶デバイスの外形加工は、エッチングをＺ´軸方向の両面から行い、貫通させることで抜き部分を形成するが、異方性を有しているため、抜き部の周辺にエッチング残りが生じ、抜き方向の角度（方位）や面積によっては、所望の形状にならない場合もあった。そのため、デバイスの小型化及び薄型化の要請と共に、抜き部の面積はさらに狭くなり、従来の設計では所望の特性が十分に得られなくなるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、エッチング容易な水晶結晶軸に沿って、振動本体部と、この振動本体部を支持する接続部分とを形成することで、振動片の小型化及び振動特性の向上を図ることのできる水晶デバイス及びその製造方法を提供することにある。

本発明の水晶デバイスは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元の結晶方位のＸＹ平面からなるＺ板を、±１５°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、回転後のＹ´軸をＹ０軸とし、Ｚ´軸を回転軸として前記Ｙ０軸から１００°～１２０°回転させた軸をＹ１軸、前記Ｙ０軸から２４０°～２６０°回転させた軸をＹ２軸と定義したとき、これらＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸を有するＺ´板からなる振動片を備えた水晶デバイスであって、
前記振動片は、少なくとも一本の振動腕と該振動腕に繋がる基部とからなる振動本体部と、振動本体部を支持する支持部と、振動本体部と支持部とを繋ぐ接続部と、を備え、前記振動本体部の振動腕がＹ０軸に略沿って延びると共に、前記接続部を挟んで互いに対向する振動本体部及び支持部の基端面が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿ってそれぞれ形成されている。

本発明の水晶デバイスの製造方法は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元の結晶方位のＸＹ平面からなるＺ板を、±１５°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、回転後のＹ´軸をＹ０軸とし、Ｚ´軸を回転軸として前記Ｙ０軸から１００°～１２０°回転させた軸をＹ１軸、前記Ｙ０軸から２４０°～２６０°回転させた軸をＹ２軸と定義したとき、これらＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸を有するＺ´板からなる振動片を備えた水晶デバイスの製造方法であって、
前記振動片は、少なくとも一本の振動腕と該振動腕に繋がる基部とからなる振動本体部と、振動本体部を支持する支持部と、振動本体部と支持部とを繋ぐ接続部と、を備え、前記振動本体部の振動腕がＹ０軸に略沿って延びると共に、前記接続部を挟んで互いに対向する振動本体部及び支持部の基端面が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿って、フルエッチングにより貫通加工又はハーフエッチングにより非貫通加工してなる。

本発明の水晶デバイスによれば、水晶結晶が有しているＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸に沿って、振動本体部が形成されると共に、接続部を介して対向する振動本体部の基端面と支持部の基端面の一部が形成される。このように、エッチング深度の高い軸に沿って、振動片の主要部分の外形が加工できるので、設計通りの特性を有する水晶デバイスを得ることができる。

本発明の水晶デバイスの製造方法によれば、振動片を所定形状に貫通加工又は非貫通加工することができるので、バリ等の不良品の発生を低減させることができる。また、振動片の小型化及びより複雑な形状加工に対応することが可能となる。

本発明の水晶デバイスの結晶方位を示す直交座標図（ａ）、本発明において定義したＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸を示す座標図（ｂ）である。 第１実施形態（ａ）、第３実施形態（ｂ）の振動片の平面図である。 Ｙ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸に対し、実験的に作成した溝の位置関係を示す座標図である。 ウェットエッチングによって形成される図３に示されたＡ１－Ａ１断面図（ａ）、Ａ２－Ａ２断面図（ｂ）である。 Ｙ０軸とのなす角度θ３とＺ´軸方向のエッチングレートとの関係を、図４の最深部の深さＢの比を使って示したグラフである。 Ｙ０軸とのなす角度θ３とウェットエッチングによって形成された図４の壁面深さＣの比との関係を示すグラフである。 第１実施形態（ａ）、従来（ｂ）、第２実施形態（ｃ）における振動片の平面図である。 上記（ａ），（ｂ），（ｃ）における等価直列抵抗Ｒ１を比較したグラフである。 従来（ａ）、第３実施形態（ｂ）、第４実施形態（ｃ）におけるウェハレベルパッケージの振動片の平面図である。 図９の振動片を搭載した２端子構成（ａ）、４端子構成（ｂ）のウェハレベルパッケージ水晶デバイスの斜視図である。 第５実施形態（ａ）、第６実施形態（ｂ）、第７実施形態（ｃ）の振動片の平面図である。 従来（ａ）、従来のフレーム部に荷重を加えたときの変位量を有限要素法によりシミュレーションした時の平面図（ｂ）である。 第５実施形態（ａ）、第５実施形態のフレーム部に荷重を加えたときの変位量を有限要素法によりシミュレーションした時の平面図（ｂ）である。 上記各フレーム部における荷重と変位量の関係を示すグラフである。

以下、本発明の水晶デバイスを構成する振動片の各種の実施形態について説明する。図１は、水晶結晶の方位をＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光軸）からなる直交座標で示したものである。図２に示す振動片１１ａ，２１ａは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元の結晶方位のＸＹ平面からなるＺ板を、±１５°の範囲でＸ軸を中心に回転（図１（ａ））させ、回転後のＹ´軸をＹ０軸として、Ｚ´軸を回転軸として該Ｙ０軸から１００°～１２０°回転させた軸をＹ１軸、前記Ｙ０軸から２４０°～２６０°回転させた軸をＹ２軸と定義したとき、これらの軸を有するＺ´板（図１（ｂ））からなる振動片によって構成されている。

図２（ａ）は、第１実施形態の振動片１１ａを示したものである。振動片１１ａは、励振電極１２が形成される振動本体部１３と、振動本体部１３を支持する支持部１４と、振動本体部１３と支持部１４とを繋ぐ接続部１５とを備えている。振動本体部１３は、基部１６と、基部１６から平行に延びる一対の振動腕１７を備えている。一対の振動腕１７には、長手方向に沿って一又は複数の溝部（図示せず）が設けられ、この溝部の壁面に沿って励振電極１２が形成されている。この励振電極１２は、基部１６の上端から振動腕先端面１８に向けて形成されている。この振動腕先端面１８を有する振動腕１７において、振動腕先端面１８側の幅広形状となる部分は、発振周波数調整用の錘部として設けられているものであり、発振周波数の調整量に応じて適宜腕幅が変動するような段差状に形成される。支持部１４は、基部１６の一端から延びる接続部１５を介して一対の振動腕１７の外側を囲うようにして延びる一対の支持腕部１９を備えている。一対の支持腕部１９の先端部には電極端子（図示せず）が設けられ、電極端子から各振動腕１７の溝部に沿って形成されている励振電極１２に電気的に接続される電極パターンが一対の支持腕部１９、接続部１５及び基部１６上に形成されている。

図２（ｂ）は、後述する第３実施形態の振動片２１ａを示したものである。この振動片２１ａは、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）によって形成される水晶デバイスの機能部を構成するものである。振動本体部１３及び接続部１５の構成は、第１実施形態と同様であるが、一対の支持腕部１９が振動本体部１３を取り囲むフレーム部２２によって形成されている点が相違している。

図２（ａ），（ｂ）において、振動本体部１３の振動腕１７がＹ０軸に沿って延びると共に、接続部１５を挟んで互いに対向する振動本体部１３の左側の基端面１３ａ及び支持部１４の左側の基端面１４ａがＹ１軸に沿って形成され、接続部１５を挟んで互いに対向する振動本体部１３の右側の基端面１３ｂ及び支持部１４の右側の基端面１４ｂがＹ２軸に沿って形成されている。なお、図２及び後述する図７，図９に示すθ１，θ２は、振動本体部１３の基端面１３ａ，１３ｂに対するＹ０軸とのなす角度θ３の調整範囲を示すものであり、０°～２０°の範囲に設定される。

水晶ブランクをエッチングによって形状加工する場合に、定義したＹ０軸、Ｙ１軸及びＹ２軸に沿った方向がＺ´方向の深堀加工に適している。このため、接続部１５を挟んで互いに対向する基部１６及び支持部１４の左右の基端面をＹ１軸及びＹ２軸に沿って形成することで、より精密な加工精度を得ることができる。エッチング加工においては、本発明では、振動片１１，２１の小型化に伴う形状加工制限や等価直列抵抗Ｒ１等の振動特性とのバランスにおいて、前述したように、一対の振動腕１７の長手方向をＹ０軸とした場合に、接続部１５を挟んで互いに対向する基部１６及び支持部１４の一方の基端面が前記Ｙ１軸の範囲内とし、他方のそれぞれの基端面が前記Ｙ２軸の範囲内とした。以下、この条件の下で検証した結果を示す。

図３乃至図６は、水晶ウェハ１０にエッチングで溝２３を形成する場合の加工速度や加工形状をＹ０軸、Ｙ１軸、Ｙ２軸に対して検証したものである。実験は図３に示したように、Ｙ０軸を０°としたＺ板に対して、このＹ０軸とのなす角度θ３が１５０°まで１０°刻みにＺ´軸を中心に右回りに回転させた。そして、水晶ブランクに一定時間エッチングを施し、各角度における溝２３の状態を観察した。図４は図３に示したような形状の溝２３をエッチングによって形成した場合の断面形状例を示したものである。図４（ａ）は溝２３ａにおけるＡ－Ａ断面図、図４（ｂ）は溝２３ｂにおけるＢ－Ｂ断面図である。これらの断面形状は、エッチングレートの最も大きな角度でも貫通しないようにエッチング制御した状態のものである。ここで、Ａは溝幅、ＢはＺ軸方向の中心深さ、ＣはＺ軸方向の壁面深さを示す。なお、溝２３の長さについては、溝幅Ａに対して約７倍とした。

図５は、Ｙ０軸とのなす角度θ３とＺ´軸とのエッチングレートの関係を示したものである。この実験結果によれば、同時間のエッチングで掘れるＺ´軸方向の中心深さＢは、０°，６０°，１２０°の中心深さＢの平均値を１００％としたとき、これらの角度から±２０°の範囲で、概ね９０％以上のエッチングレートが得られることが確認された。

図６は、Ｙ０軸とのなす角度θ３とエッチング後の略垂直な壁面深さＣとの関係を示したものである。この実験結果によれば、同時間のエッチングにおけるＺ´軸方向の壁面深さＣは、０°，６０°，１２０°の壁面深さＣの平均値を１００％としたとき、これらの角度から±２０°の範囲で、概ね８０％以上の深さが確保できることが確認された。このような８０％以上の深堀が可能となることで、エッチング残りによるバリ等の発生を抑えることができる。

図７は、従来の振動片を１１ｂ、図２に示した本発明の第１実施形態の振動片を１１ａ、第２実施形態の振動片を１１ｃとして、比較して示したものである。（ｂ）は接続部１５を介して繋がる基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと、この基端面１３ａ，１３ｂと対向する支持部１４の下部内側の基端面１４ａ，１４ｂと、がＹ０軸に対して略直交するように形成されている。（ａ）は基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと、支持部１４の基端面１４ａ，１４ｂと、がそれぞれＹ１軸及びＹ２軸の範囲内で、Ｙ０軸とのなす角度θ３が左右とも７５°に傾斜して形成されている。（ｃ）は基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと、支持部１４の基端面１４ａ，１４ｂと、がそれぞれＹ１軸上及びＹ２軸の範囲内で、Ｙ０軸とのなす角度θ３が左右とも６０°傾斜して形成されている。

図８は図７に示した、全長を揃えたそれぞれの振動片１１ａ，１１ｂ，１１ｃにおける等価直列抵抗Ｒ１を測定したものである。（ｂ）に示した振動片１１ｂに比べて（ａ）及び（ｃ）に示した振動片１１ａ，１１ｃでは、振動本体部１３の基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと同様に、対向する支持部１４の基端面１４ａ，１４ｂをＹ１軸及びＹ２軸から所定の角度に傾斜させたため、エッチング残りが出難くなるので接続部１５を短くでき、その分振動本体部１３の基部１６側を支持部１４の下方側に向けて延伸させて形成することができる。これによって、一対の振動腕１７に形成される励振電極長Ｌ１，Ｌ３をＬ２に対して、α１又はα２分だけ下方側に延長させることができるので、励振効果が増し、等価直列抵抗Ｒ１を低減させることができる。

基部１６の基端面１３ａ，１３ｂ及び支持部１４の基端面１４ａ，１４ｂの傾斜角度をＹ１軸及びＹ２軸の角度範囲に設定することで、エッチング加工の容易性を高めることができる。一方、単純にエッチングの加工容易性だけを考えるなら、Ｙ０軸とのなす角が６０°に近くなる図７（ｃ）に示した振動片１１ｃが最も優れているが、図７（ａ）と同じ振動腕長にした場合、振動の緩衝場所となっている基部の総面積が小さくなることで支持部に振動が漏れ安くなることが予想される。図８に示した実験結果によれば、（ｂ）の振動片１１ｂのＲ１値が約７５ｋΩであるのに対し、（ａ）の振動片１１ａのように、Ｙ０軸とのなす角が７５°の場合はＲ１値が６８ｋΩ程度に低下する。一方、（ｃ）の振動片１１ｃのように、Ｙ０軸に対する傾斜角度が６０°の場合はＲ１値が７１ｋΩであった。よってこれよりＹ０軸とのなす角を小さくすると、更に基部面積が小さくなり特性が悪化することが考えられるので、緩衝場所となる基部面積との兼ね合いを考え、Ｙ１軸、Ｙ２軸を特性の向上に有効な範囲とした。

図９は、完成すると図１０となるウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）によって形成されるＷＬＰ水晶デバイスの振動片２１の各種形態を示したものである。（ａ）は従来の振動片２１ｂ、（ｂ）は図２（ｂ）に示した本発明の第３実施形態の振動片２１ａ、（ｃ）は本発明の第４実施形態の振動片２１ｃである。（ｂ）に示した振動片２１ａでは、一対の振動腕１７の長手方向をＹ０軸とした場合、基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと、この基端面１３ａ，１３ｂと対向するフレーム部２２のフレーム下部基端面２２ａ，２２ｂとが、それぞれＹ１軸及びＹ２軸の範囲内でＹ０軸とのなす角度θ３が左右とも７５°傾斜している。

ＷＬＰ水晶デバイスは、振動片２１と一対の封止部の接合により形成されるが、この接合に金属同士の拡散現象を使った場合、パッケージとして気密性や機械強度の保持のため、振動片のフレーム部に一定の面積が必要になる。よって、振動片２１ａ，２１ｂ、２１ｃとも、フレーム部２２の総面積は略同じとした。

図９（ａ），（ｂ），（ｃ）を比較すると、（ａ）に示した振動片２１ｂに比べて（ｂ）及び（ｃ）に示した振動片２１ａ，２１ｃでは、振動本体部１３の基部１６の基端面１３ａ，１３ｂと同様に、対向するフレーム部２２のフレーム下部基端面２２ａ，２２ｂをＹ１軸及びＹ２軸の各範囲に沿って傾斜させたため、振動本体部１３の基部１６側をフレーム部２２の下方側に向けて延伸させて形成することができる。更に傾斜させた分、エッチング残りが出難くなるので、接続部１５を短くでき、その分も振動本体部１３の基部１６側をフレーム部２２の下方側に向けて延伸させて形成することができる。これによって、一対の振動腕１７に形成される励振電極１２の励振電極長Ｌ２，Ｌ３をＬ１に対して、β１分だけ下方側に延長させることができるので、励振効果が増し、等価直列抵抗Ｒ１を低減させることができる。

更に図９（ｃ）は、振動片２１ｃの一対の振動腕１７の先端となる振動腕先端面１８の角面と対向するフレーム部２２のフレーム上部角面２２ｃ，２２ｄをＹ２軸及びＹ１軸に沿って傾斜させている。図９（ｂ）に示した振動片２１ａと比較すると、振動腕先端面１８の振動腕先端角部１８ａと対向するフレーム部２２のフレーム上部角面２２ｃ，２２ｄをＹ２軸及びＹ１軸の各範囲に沿って傾斜させたことで、フレーム部２２内の上方スペースが広がり、その分一対の振動腕１７の上方を延伸させることができる。この時フレーム上部の中央付近の幅は細くなるが、後に示すシミュレーションでの証明により強度も保てる。これによって、（ｂ）に示した振動片２１ａの励振電極長Ｌ２の励振電極１２に対して、（ｃ）に示した振動片２１ｃでは、励振電極１２の上方側をβ２分だけ延長させることができる。このため、振動片２１ｃは、従来の振動片２１ａに対して、β１とβ２分の励振電極長Ｌ３を備えた励振電極１２を形成することができ、等価直列抵抗Ｒ１のさらなる低減化を図ることが可能となる。

図１０は、図９の振動片２１ａを機能部として、この機能部を一対の封止部４３で挟んで形成されたＷＬＰ水晶デバイス４１ａ，４１ｂを実装面側から見た斜視図である。（ａ）に示すＷＬＰ水晶デバイス４１ａは一対の端子電極部４２ａ，４２ｂを備えた構成例であり、（ｂ）に示すＷＬＰ水晶デバイス４１ｂは一対の端子電極部に加えて、接地電極部ＧＮＤ又はＮＣからなる端子を備えた構成例である。

図１１（ａ）の振動片３１ａは、第３の実施例である２１ａのフレーム部基端面２２ａ、２２ｂの傾斜を、フレーム上部角面２２ｄ、２２ｃにとり、２１ａのフレーム部を上下対称形状としたものである。この時フレーム上部角面２２ｃと振動腕先端角部１８ａの距離は、２１ａの振動腕先端面１８と対向する内側面と略同じ距離γ１となるが、図１１（ｂ）の振動片３１ｂの左右の振動腕における振動腕先端角部１８ａを、フレーム上部角面２２ｃ,２２ｄの角度に合わせて傾斜させ、振動腕先端角外面１８ｃとすることで、前記振動腕先端角部１８ａより、フレーム上部角面２２ｃ，２２ｄとの距離を広げることができる。次に振動腕先端角外面１８ｃとフレーム上部角面２２ｃ，２２ｄの距離及び振動腕先端角部１８ｂとフレーム上部角面２２ｃ，２２ｄに挟まれた水平なフレーム部の距離を、共にエッチングに支障の出ない距離であるγ１にすれば、振動腕長を延伸でき、その分振動腕１７に形成される励振電極１２の長さを延長できるので、励振効果が増し、等価直列抵抗Ｒ１を低減させることができる。

図１１（ｃ）の振動片３１ｃは、一対の振動腕先端面１８の振動腕先端角外面１８ｃと振動腕先端角内面１８ｄの傾斜角度が均等となるように、左右対称な山型状にカットして形成したものである。また、振動腕先端角外面１８ｃ，１８ｄは、Ｙ２軸及びＹ１軸に沿って傾斜している。このように振動腕先端面１８の角面を、フレーム部２２の内側角面の傾斜に合わせて傾斜させることで、一対の振動腕１７に内向きの振動が大きく掛かった場合でも、隣接する振動腕の振動腕先端角内面１８ｄ同士を接触し難くできる。言い換えると振動腕の接触を防ぐために、（ｂ）形状ではｄ１の間隔が必要な場合でも、（ｃ）形状ではｄ２の様にｄ１より間隔を狭くすることができる。よって、基部側の振動腕より、先端側の振動腕が幅広な錘効果を持たせた形状のとき、その分、先端側を幅広にして錘効果部の面積を増やすことができる。またこれにより、振動片３１ｂより励振電極１２を有する基部側振動腕を延伸でき、励振電極１２の長さを延長できるので、更に励振効果が増し、等価直列抵抗Ｒ１を低減させることができる。また、振動腕１７がＹ０軸に対して線対称になることで、励振時のバランスも向上し、振動をより安定させることができる。

上記各実施形態における検証結果によれば、接続部１５を介して対向する振動本体部１３の基端面１３ａ，１３ｂと、支持部の基端面１４ａ，１４ｂとのなす角度をＹ１軸及びＹ２軸に対してθ１及びθ２の範囲内に設定することによって、エッチングレートでＹ０軸とのなす角度θ３が０°，６０°、１２０°に設定した場合の９０％以上が確保できることが確認された。また、エッチング残りの制御の目安となる壁面深さに対しても、８０％以上が確保できるので、エッチング残りを減少すると共に、接続部１５を短小化することができるといった水晶デバイスの小型化に有利な効果があることが確認された。

また、振動本体部１３の外周をフレーム部２２で囲うＷＬＰ水晶デバイスにあっては、平行に延びる振動腕１７を短くしたり、フレーム部２２の幅を広げたりすることなく、接続部１５と繋がる部分のフレーム部２２をアーチ状にすることで、外部からの衝撃に対する強度を高めることができる。通常、小型の水晶デバイスは、樹脂モールドされることが多いが、この樹脂モールドにおいては、例えば１２ＭＰａほどの荷重に耐える必要がある。特にパッケージに水晶などの脆性材料が使用される場合、振動本体部を取り囲む壁は十分な厚みが必要になる。一方で音叉型振動子は、Ｙ´軸に相当するＹ０軸方向に延びる振動腕が長い程、等価直列抵抗値の低Ｒ１化に有利となるが、その場合、振動腕を含む振動本体部が接続部を介して直角に繋がる、パッケージの壁厚に相当するフレーム幅Ｔが、その分細くなってしまい、相反する課題が発生する。この課題についても本実施形態で示した形状が有効であることの証明として、有限要素法によるシミュレーションを図１２、図１３に、その計算結果を図１４に示す。

図１２（ａ）は、図９（ａ）に示した従来の振動片２１ｂの、接続部１５に繋がるフレーム部２２の幅をＴとした場合の形態を示したものであり、図１２（ｂ）は（ａ）のフレーム部２２のみをモデル化し、エリアＥで示す箇所に任意の荷重Ｆを矢線方向から加えたときのフレーム部２２の変位を有限要素法によりシミュレーションしたものである。また、図１３（ａ）は図１１（ａ）に示した振動片３１ａにおいて接続部１５に繋がるフレーム部２２の最小幅をＴとした場合の形態を示したものであり、図１３（ｂ）は（ａ）のフレーム部２２のみをモデル化し、エリアＥで示す箇所に任意の荷重Ｆを矢線方向から加えたときのフレーム部２２の変位を有限要素法によりシミュレーションしたものである。なお、図１３（ａ），（ｂ）では、最小幅Ｔのフレーム部２２の長さについては、Ｙ０軸方向に延びるフレーム２２の両端部までの長さをＷとしたときの約３０％の長さ０．３Ｗとした。図１４は、図１２における加重Ｆを１０Ｎとした場合の変位量を１００％としたとき、エリアＥにおける変位率を有限要素法によるシミュレーションによって求めた計算値のグラフである。その結果、図１３に示した振動片３１ａは図１２に示した振動片に対して、半分以下の変位率となり、倍以上耐荷重強度が大きいことが確認された。

先にも述べたように、図１２（ａ）に示した振動片のフレーム部２２は、耐荷重が小さいだけでなく、金属同士の拡散現象による接合方法によって接合した場合に接合面積が不十分になるおそれがあり、気密不良や接合強度不足による破損を発生させる可能性が高くなる。そのため特に小型化製品において、デバイス性能と、気密性や機械的強度などの信頼性を同時に向上させるには、新規の手法が必要になる。本発明の図１３に示した振動片３１ａのフレーム部２２の構造は、接続部１５に繋がる付近のみフレーム部２２を細くし、この細くしたフレーム部２２の左右に位置するフレーム下部基端面２２ａ，２２ｂと、振動本体部基端面１３ａ，１３ｂと、を、平行に対向させつつ、Ｙ１及びＹ２軸方向に略沿わせることで、エッチング残りが減り接続部１５が短小化できる。これによって、振動腕長が延ばせ、同時に励振電極長も延ばせるので、等価直列抵抗値Ｒ１が小さくなりデバイス性能が向上する。さらに、フレーム下部基端面２２ａ，２２ｂがＹ１軸及びＹ２軸の角度でＹ０軸方向に延びるフレームまで広がるので、フレーム面積が大きくなり、気密性や接合強度及び耐荷重も向上する。

このように、本願発明のフレーム部２２を備えた第３から第７実施形態の振動片にあっては、エッチングによる加工の容易性及び励振特性の向上に加えて、フレーム部２２の強度の向上も図ることができる。

上記各実施形態の振動片は、一対の振動腕を備えた構成としたが、３以上の複数の振動腕を備えた構成の振動片であっても、同様の作用効果を得ることができる。

Ａ 溝幅
Ｂ 最深部の深さ
Ｃ 壁面深さ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ 励振電極長
１０ 水晶ウェハ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 振動片
１２ 励振電極
１３ 振動本体部
１３ａ，１３ｂ 基端面
１４ 支持部
１４ａ，１４ｂ 基端面
１５ 接続部
１６ 基部
１７ 振動腕
１８ 振動腕先端面
１８ａ，１８ｂ 振動腕先端角部
１８ｃ 振動腕先端角外面
１８ｄ 振動腕先端角内面
１９ 支持腕部
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 振動片
２２ フレーム部
２２ａ，２２ｂ フレーム下部基端面
２２ｃ，２２ｄ フレーム上部角面
２３ 溝
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 振動片
４１ａ，４１ｂ ＷＬＰ水晶デバイス
４２ａ，４２ｂ 端子電極部
４３ 封止部

Claims (7)

1. Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元の結晶方位のＸＹ平面からなるＺ板を、±１５°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、回転後のＹ´軸をＹ０軸とし、
   Ｚ´軸を回転軸として前記Ｙ０軸から１００°～１２０°回転させた軸をＹ１軸、前記Ｙ０軸から２４０°～２６０°回転させた軸をＹ２軸と定義したとき、
   これらＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸を有するＺ´板からなる振動片を備えた水晶デバイスであって、
   前記振動片は、少なくとも一本の振動腕と該振動腕に繋がる基部とからなる振動本体部と、振動本体部を支持する支持部と、振動本体部と支持部とを繋ぐ接続部と、を備え、
   前記振動本体部の振動腕がＹ０軸に略沿って延びると共に、前記接続部を挟んで互いに対向する振動本体部及び支持部の基端面が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿ってそれぞれ形成されている水晶デバイス。
2. 請求項１において、
   前記支持部は、前記Ｙ０軸に略沿って延びる少なくとも一本の支持腕部に繋がっている水晶デバイス。
3. 請求項１において、
   前記支持部は、前記振動本体部の外周を囲うフレーム部によって形成されている水晶デバイス。
4. 請求項３において、
   前記フレーム部は、前記Ｙ０軸方向に対して前記基部と逆方向に位置する前記振動腕の振動腕先端面と対向する内側面が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿ってそれぞれ形成されている水晶デバイス。
   
5. 請求項１において、
   前記振動腕は、前記振動腕先端面の少なくとも一部が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿ってそれぞれ形成されている水晶デバイス。
6. 請求項１において、
   前記振動片は、ウェハレベルパッケージの機能部として構成されている水晶デバイス。
7. Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を有する三次元の結晶方位のＸＹ平面からなるＺ板を、±１５°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、回転後のＹ´軸をＹ０軸とし、
   Ｚ´軸を回転軸として前記Ｙ０軸から１００°～１２０°回転させた軸をＹ１軸、前記Ｙ０軸から２４０°～２６０°回転させた軸をＹ２軸と定義したとき、
   これらＹ０軸，Ｙ１軸，Ｙ２軸を有するＺ´板からなる振動片を備えた水晶デバイスの製造方法であって、
   前記振動片は、少なくとも一本の振動腕と該振動腕に繋がる基部とからなる振動本体部と、振動本体部を支持する支持部と、振動本体部と支持部とを繋ぐ接続部と、を備え、
   前記振動本体部の振動腕がＹ０軸に略沿って延びると共に、前記接続部を挟んで互いに対向する振動本体部及び支持部の基端面が、前記Ｙ１軸及びＹ２軸に略沿って、フルエッチングにより貫通加工又はハーフエッチングにより非貫通加工してなる水晶デバイスの製造方法。

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