CN105634436A - 一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，它由石英晶片（10）、封装盖（20）和封装基座（30）封装而成，石英晶片（10）包括圆形构件（11）、连接部（12）和保护框（13），圆形构件（11）可在封装后的腔体内自由振荡，圆形构件（11）上设置有电极区（14），连接部（12）和保护框（13）上设置有金属层A（15），保护框（13）上的定位孔（16）内设置有金属层B（17），封装基座（30）上设置有引脚（31），电极区（14）通过金属层A（15）、金属层B（17）与引脚（31）电连接；本发明还公开了该结构的制作方法。本发明可用于小型化谐振器的低成本批量化生产，并能够增强石英晶片中心能陷效应、大幅度提升产品一致性。

Description

一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器及其制作方法

技术领域

本发明涉及石英晶体谐振器技术领域，特别是一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器及其制作方法。

背景技术

石英晶体谐振器通常由压电石英晶片及封装外壳构成，封装外壳材料为陶瓷、玻璃等。压电石英晶片上下两面需蒸镀电极，电极通过密封封装的引线，与封装外壳中的基座引脚相连。交流电压可通过引脚连通石英晶片的上下电极，使石英晶片产生逆压电效应，从而产生振荡。石英晶体谐振器因其频率的准确性和稳定性等特性广泛应用于移动电子设备、手机、移动通信装置等电子行业中。

石英晶体谐振器封装结构有直插式和平面贴装两种，随着移动通信电子的迅速发展，器件小型化需求越来越高，石英晶体谐振器的小型化也势在必行，其中直插式因体积大，近几年逐渐被平面贴装式取代。平面贴装式石英晶体谐振器因规格和工艺的限制，目前，只能采用矩形石英晶片。而面对谐振器小型化的需求，矩形石英晶片在设计和制造封装的过程面临诸多难题。首先，矩形石英晶片的体积越小，设计越困难，设计周期越长，且现有工艺也越难满足设计的公差要求。其次，传统的切条、腐蚀等工艺方式也难以加工出超小型石英晶片，已经不能满足小型化谐振器的需求。此外，传统谐振器封装工艺，采用点胶方式将石英晶片固定在基座中，点胶方式限制了石英晶片的尺寸，如果石英晶片过小，点胶大小不变，会对石英晶体谐振器性能产生巨大的影响。且石英晶体谐振器的小型化，提升了传统封装外壳等的制作难度，传统封装工艺越来越难以满足小型化的需求。

对比矩形石英晶片，若采用圆形石英晶片，设计难度将会降低，成品石英晶体谐振器的各项性能也会有显著提高。目前，平面贴装工艺都采用矩形石英晶片封装，若利用现有生产工艺制造圆形石英晶片，成本高、难以实现，且后道封装难度大。所以，为了实现石英晶体谐振器的小型化同时降低设计和生产成本，降低制造难度，急需对石英晶片结构及前道、后道工艺进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可用于小型化谐振器低成本批量生产，并能够增强石英晶片中心能陷效应、大幅度提升产品一致性的具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器及其制作方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，它包括石英晶片、封装盖和封装基座；所述的石英晶片包括圆形构件、连接部和保护框，圆形构件通过连接部设置在保护框内，连接部的形状为矩形或梯形等适当的形状，所述的圆形构件的上下表面上镀覆电极，形成电极区，优选地，电极区形状为圆形；连接部和保护框上设置有金属层A，保护框上还设置有定位孔，定位孔内设置有金属层B，封装基座的底面上设置有引脚，电极区通过金属层A、金属层B与引脚电连接；所述的封装盖、石英晶片和封装基座从上到下依次封装压合后形成供圆形构件自由振荡的腔体结构。石英晶片材料为石英晶体，封装盖和封装基座材料为石英晶体、玻璃、陶瓷等。最终形成的压电石英晶体谐振器的长度为0.8~3.2mm，宽度为0.6~2.5mm。

进一步地，所述的保护框为矩形形状，起到支撑和封装连接作用；所述的圆形构件位于保护框的中心处，圆形构件通过连接部与保护框的一条边框连接，圆形构件可以在封装后的腔体内自由振动，且当保护框受到外界力的作用时，力不会传递到圆形构件上，从而很好地保护了圆形构件。更进一步地，圆形构件通过连接部与保护框的任意一条短边框连接。圆形构件与保护框中间的区域材料通过化学腐蚀或物理切割石英基板去除，圆形构件、连接部和保护框的形状通过去除材料一体形成。

进一步地，所述的保护框为矩形形状，定位孔设置在矩形的四角处。

进一步地，所述的封装盖的外框上设置有防止封装液体泄漏的封装沟槽A，所述的封装基座的外框上设置有防止封装液体泄漏的封装沟槽B。

进一步地，所述的电极区包括上电极区和下电极区，上电极区和下电极区分别设置在圆形构件的上表面和下表面，金属层A包括上表面金属层和下表面金属层，上表面金属层和下表面金属层分别设置在连接部和保护框的上表面和下表面，上电极区与上表面金属层电连接，下电极区与下表面金属层电连接，上表面金属层和下表面金属层分别与不同定位孔内的金属层B连接，金属层B还与不同的引脚连接。

进一步地，所述的圆形构件的表面上设置有凸台，凸台设置在圆形构件的一面或双面上；当圆形构件的一个表面上设置有凸台时，电极区分别设置在凸台的表面和圆形构件的另一表面上；当圆形构件的两个表面均设置有凸台时，电极区均设置在凸台的表面上。凸台结构能够有效减弱边缘产生的寄生振动，并能够增强石英晶片中心的能陷效应。

一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，它包括以下步骤：

S1、以石英基板为基材，在石英基板上制备出凸台、圆形构件和定位孔，并制备出电极区和金属层A，制得的电极区与金属层A连通；凸台、圆形构件可通过湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀、物理喷砂等方式制造而成；

S2、将封装盖、石英晶片和封装基座依次堆叠并封装焊接；

S3、在定位孔的侧面上制备金属层B，金属层B连通金属层A与封装基座上的引脚；

S4、将石英晶片从石英基板上切除，从而制备出具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器。

进一步地，所述的步骤S1包括以下子步骤：

S11、以石英基板为基材，在石英基板上制备出凸台、圆形构件和定位孔，凸台在圆形构件表面上，凸台设置在圆形构件的一面或双面上；

S12、在凸台或圆形构件的上表面上制备上电极区，在凸台或圆形构件的下表面上制备下电极区，在石英基板的上下表面上分别制备上表面金属层和下表面金属层，并使上电极区与上表面金属层连接，下电极区与下表面金属层连接。

进一步地，所述的步骤S2中封装盖的外框上设置有封装沟槽A，封装基座的外框上设置有封装沟槽B，将封装盖、石英晶片和封装基座堆叠封装焊接的过程中，在封装沟槽A和封装沟槽B中添加玻璃焊料或树脂焊料，且整体在真空环境下进行封装焊接。

进一步地，所述步骤S3的详细过程为：对封装焊接后的石英基板上的定位孔的侧面进行蒸镀导电金属层B，使得上表面金属层和下表面金属层分别与不同定位孔中的金属层B相连，并使金属层B与封装基板上的引脚形成电连通。

本发明具有以下优点：

1、对比矩形石英晶片，本发明中圆形石英晶片中的圆片边缘产生寄生振动的几率下降，不易产生耦合，谐振器整体性能提高；且设计公差较大，对工艺要求降低，设计成本降低。

2、本发明将圆形石英晶片用于小型化贴片式石英晶体谐振器，对传统贴片式石英晶体谐振器整体结构进行了创造性的改进；此外，传统工艺生产圆片工艺复杂，且封装时圆片不易固定，本发明采用新型工艺加工圆片，工艺简单，且圆片与保护框直接相连，封装简单。

3、本发明可用于小型化石英晶体谐振器批量型生产，降低生产成本的同时，大幅度提升谐振器的制造效率，同时谐振器的一致性及综合质量也得到了提升。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中未封装组合时的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中封装盖的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中石英晶片的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中石英晶片的俯视图；

图5为本发明具体实施方式中封装基座的结构示意图；

图6为本发明具体实施方式中封装组合后的主剖结构示意图；

图7为本发明具体实施方式中石英基板结构示意图；

图中：10-石英晶片，11-圆形构件，12-连接部，13-保护框，14-电极区，141-上电极区，142-下电极区，15-金属层A，151-上表面金属层，152-下表面金属层，16-定位孔，17-金属层B，18-凸台，20-封装盖，21-封装沟槽A，30-封装基座，31-引脚，32-封装沟槽B，40-石英基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1~图7所示，一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，它包括石英晶片10、封装盖20和封装基座30。所述的石英晶片10包括圆形构件11、连接部12和保护框13，保护框13呈矩形状，起到支撑和封装连接作用。圆形构件11设置在保护框13的中心处，且可以自由振动，圆形构件11通过连接部12与保护框13的一条短边框连接，当保护框13受到外界力的作用时，力不会传递到圆形构件11上，从而很好地保护了圆形构件11。

所述的封装盖20、石英晶片10和封装基座30从上到下依次封装压合连接，封装盖20、石英晶片10和封装基座30封装压合后形成供圆形构件11自由振荡的腔体结构。封装盖20的外框上设置有封装沟槽A21，封装基座30的外框上设置有封装沟槽B32，采用玻璃封装时，封装沟槽可以防止封装液体外泄，使谐振器内部形成真空腔体。相比传统工艺，此封装结构简单易加工，且石英晶体谐振器的厚度有所下降。

石英晶体谐振器的工作原理是基于压电效应，本实施例中的电连接关系如下：圆形构件11的上表面上设置有凸台18，凸台18的上表面上镀覆电极形成上电极区141，圆形构件11的下表面上镀覆电极形成下电极区142，上电极区141和下电极区142的合理设置，以及凸台18的设计能够有效减弱边缘产生的寄生振动，并能够增强石英晶片中心的能陷效应，降低耦合；连接部12和保护框13的上表面和下表面上分别设置有上表面金属层151和下表面金属层152，保护框13的四角处设置有定位孔16，定位孔16内设置有金属层B17；封装基座30的底面上设置有引脚31。所述的上电极区141与上表面金属层151电连接，下电极区142与下表面金属层152电连接，上表面金属层151和下表面金属层152还分别与不同定位孔16内的金属层B17连接，金属层B17又与不同的引脚31连接。所述的电极区141和下电极区142的形状均为圆形，所述的连接部12的形状为矩形。

凸台18的设计是为了减弱边缘产生的寄生振动，并增强石英晶片中心的能陷效应，降低耦合；实际生产时可在圆形构件11的上表面和下表面的任意一面设置，也可以在两个表面上均设置凸台18，或者可根据实际应用情况不设置凸台18。

所述的石英晶片10采用AT切型，此切型普遍应用于石英晶体谐振器中。其中石英晶片10的长边平行于X轴，X轴是石英晶体的电轴，短边平行于Z'轴，厚度方向平行于Y'轴。亦可以让石英晶片的长边平行于Z'轴，宽度平行于X轴，厚度方向平行于Y'轴。

AT切型石英晶片的主振动模式为厚度切边模式，因石英晶片越来越小，产生的寄生振动如弯曲振动和面剪切振动增多，易产生耦合，对石英晶体谐振器的性能影响极大。对比矩形片，圆片的边缘产生寄生振动的几率下降，相比不易产生耦合，设计公差较大，对工艺要求降低，设计成本降低。

本实施例中，石英晶片10、封装盖20和封装基座30的材料均为石英晶体。根据实际需要可生产出长度在0.8~3.2mm，宽度为0.6~2.5mm的压电石英晶体振荡器；本实施例中压电石英晶体振荡器的长度为1.6mm，宽度为1.2mm，该石英晶体振荡器的谐振频率为t=1664/F，t表示石英晶片的厚度，单位为μm，F表示谐振频率，单位为MHz，本实例中的石英晶体振荡器的谐振频率在8MHz~70MHz之间。

一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，它包括以下步骤：

S1、以石英基板40为基材，在石英基板40上制备出凸台18、圆形构件11和定位孔16，并制备出电极区14和金属层A15，制得的电极区14与金属层A15连通，具体包括以下子步骤：

S11、以石英基板40为基材，在石英基板40上制备出凸台18、圆形构件11和定位孔16，凸台18在圆形构件11表面上，本实施例中凸台18设置在圆形构件11的上表面。

凸台18可以通过湿法刻蚀或干法刻蚀而得，具体制备过程如下：首先，取出一定规格的石英基板40，并对石英基板40的上、下表面进行研磨、抛光处理；其次，通过旋涂或喷淋方式在石英基板40表面形成厚度均匀的光刻抗刻蚀保护层ER，并使用光刻曝光在光刻抗刻蚀保护层ER表面形成待刻蚀图形；最后，通过湿法刻蚀或干法刻蚀方式在石英基板40上表面刻蚀，从而在石英基板40表面形成凸台18。凸台18的刻蚀深度通过控制湿法刻蚀或干法刻蚀的反应时间决定。

圆形构件11可以通过湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀、物理喷砂等方式得到，具体制备过程如下：首先，去除制作凸台18过程中形成的光刻抗刻蚀保护层ER并将石英基板40表面清洗干净；其次，通过旋涂或喷淋方式再次在石英基板40表面形成厚度均匀的光刻抗刻蚀保护层ER，并利用光刻曝光在光刻抗刻蚀保护层ER上表面形成待刻蚀图形；最后，通过湿法刻蚀、干法刻蚀、激光刻蚀、物理喷砂等方式在石英基板40上表面刻蚀，得到圆形构件11，并去除光刻抗刻蚀保护层ER并将石英基板40表面清洗干净，从而制得具有圆形晶片结构的石英晶片10。

S12、在凸台18的上表面上制备上电极区141，在圆形构件11的下表面上制备下电极区142，在石英基板40的上下表面上分别制备上表面金属层151和下表面金属层152，并使上电极区141与上表面金属层151连接，下电极区142与下表面金属层152连接。

S2、将封装盖20、石英晶片10和封装基座30依次堆叠并封装焊接；为防止封装液的泄露，封装盖20的外框上设置有封装沟槽A21，封装基座30的外框上设置有封装沟槽B32，将封装盖20、石英晶片10和封装基座30堆叠封装焊接的过程中，在封装沟槽A21和封装沟槽B32中添加玻璃焊料或树脂焊料，且整体在真空环境下进行封装焊接。

S3、对封装焊接后的石英基板40上的定位孔16的侧面进行蒸镀导电金属层B17，使得上表面金属层151和下表面金属层152分别与不同定位孔16中的金属层B17相连，并使金属层B17与封装基板30上的引脚31形成电连通。

S4、将石英晶片10从石英基板40上切除，从而制备出具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器。

Claims (10)

1.一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：它包括石英晶片（10）、封装盖（20）和封装基座（30），所述的石英晶片（10）包括圆形构件（11）、连接部（12）和保护框（13），圆形构件（11）通过连接部（12）设置在保护框（13）内，所述的圆形构件（11）的上下表面上设置有电极区（14），连接部（12）和保护框（13）上设置有金属层A（15），保护框（13）上还设置有定位孔（16），定位孔（16）内设置有金属层B（17），封装基座（30）的底面上设置有引脚（31），电极区（14）通过金属层A（15）、金属层B（17）与引脚（31）电连接，所述的封装盖（20）、石英晶片（10）和封装基座（30）从上到下依次封装压合后形成供圆形构件（11）自由振荡的腔体结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：所述的保护框（13）为矩形形状，所述的圆形构件（11）位于保护框（13）的中心处，圆形构件（11）通过连接部（12）与保护框（13）的一条边框连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：所述的保护框（13）为矩形形状，定位孔（16）设置在矩形的四角处。

4.根据权利要求1所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：

所述的封装盖（20）的外框上设置有防止封装液体泄漏的封装沟槽A（21），所述的封装基座（30）的外框上设置有防止封装液体泄漏的封装沟槽B（32）。

5.根据权利要求1所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：

所述的电极区（14）包括上电极区（141）和下电极区（142），上电极区（141）和下电极区（142）分别设置在圆形构件（11）的上表面和下表面，金属层A（15）包括上表面金属层（151）和下表面金属层（152），上表面金属层（151）和下表面金属层（152）分别设置在连接部（12）和保护框（13）的上表面和下表面，上电极区（141）与上表面金属层（151）电连接，下电极区（142）与下表面金属层（152）电连接，上表面金属层（151）和下表面金属层（152）分别与不同定位孔（16）内的金属层B（17）连接，金属层B（17）还与不同的引脚（31）连接。

6.根据权利要求1所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器，其特征在于：所述的圆形构件（11）的表面上设置有凸台（18），电极区（14）设置在凸台（18）的表面上。

7.一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、以石英基板（40）为基材，在石英基板（40）上制备出凸台（18）、圆形构件（11）和定位孔（16），并制备出电极区（14）和金属层A（15），制得的电极区（14）与金属层A（15）连通；

S2、将封装盖（20）、石英晶片（10）和封装基座（30）依次堆叠并封装焊接；

S3、在定位孔（16）的侧面上制备金属层B（17），金属层B（17）连通金属层A（15）与封装基座（30）上的引脚（31）；

S4、将石英晶片（10）从石英基板（40）上切除，从而制备出具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器。

8.根据权利要求7所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述的步骤S1包括以下子步骤：

S11、以石英基板（40）为基材，在石英基板（40）上制备出凸台（18）、圆形构件（11）和定位孔（16），凸台（18）在圆形构件（11）表面上，凸台（18）设置在圆形构件（11）的一面或双面上；

S12、在凸台（18）或圆形构件（11）的上表面上制备上电极区（141），在凸台（18）或圆形构件（11）的下表面上制备下电极区（142），在石英基板（40）的上下表面上分别制备上表面金属层（151）和下表面金属层（152），并使上电极区（141）与上表面金属层（151）连接，下电极区（142）与下表面金属层（152）连接。

9.根据权利要求7所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述的步骤S2中封装盖（20）的外框上设置有封装沟槽A（21），封装基座（30）的外框上设置有封装沟槽B（32），将封装盖（20）、石英晶片（10）和封装基座（30）堆叠封装焊接的过程中，在封装沟槽A（21）和封装沟槽B（32）中添加玻璃焊料或树脂焊料，且整体在真空环境下进行封装焊接。

10.根据权利要求8所述的一种具有圆形晶片结构的石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤S3的详细过程为：对封装焊接后的石英基板（40）上的定位孔（16）的侧面进行蒸镀导电金属层B（17），使得上表面金属层（151）和下表面金属层（152）分别与不同定位孔（16）中的金属层B（17）相连，并使金属层B（17）与封装基板（30）上的引脚（31）形成电连通。