CN115133876A - 振动器件 - Google Patents

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Abstract

振动器件。提供输出高精度的振荡频率的振动器件。振动器件(1)具有：振动元件(60)；第1封装(31)，其收纳振动元件(60)；以及第2封装(10)，其收纳并固定第1封装(31)，第1封装(31)具有：基座基板(32)，其具有配置有振动元件(60)的第1面(32a)以及与第1面(32a)处于正反关系的第2面(32b)，包含单晶硅；集成电路(40)，其设置在第1面(32a)或第2面(32b)，包含温度传感器电路(46)以及加热器电路(47)；和盖(33)，其以与基座基板(32)一起收纳振动元件(60)的方式与基座基板(32)接合。

Description

振动器件
技术领域
本发明涉及振动器件。
背景技术
作为振动器件的一例，以往已知有通过对振动元件等进行加热而使该振动元件的温度稳定从而使谐振频率稳定的振荡器。例如，专利文献1公开了一种带恒温槽的石英振荡器(OCXO)，其将振动元件、发热元件以及作为振荡部的电路元件收纳在由陶瓷等构成的封装中，输出稳定的谐振频率。
专利文献1：日本特开2017-28360号公报
但是，专利文献1记载的振动器件存在这样的问题：振动元件的一端与发热元件连接，因此，发热元件的热难以均匀地传递到振动元件整体而在振动元件内产生温度差从而振荡频率的精度劣化。
发明内容
振动器件具有：振动元件；第1封装，其收纳所述振动元件；以及第2封装，其收纳并固定所述第1封装，所述第1封装包含：基座基板，其具有配置有所述振动元件的第1面以及与所述第1面处于正反关系的第2面，包含单晶硅；集成电路，其设置在所述第1面或所述第2面，包含温度传感器电路及加热器电路；以及盖，其以与所述基座基板一起收纳所述振动元件的方式与所述基座基板接合。
附图说明
图1是示出第1实施方式的振动器件的概要结构的俯视图。
图2是图1中的A-A线剖视图。
图3是示出振荡器的概略结构的剖视图。
图4是集成电路的功能框图。
图5是示出第2实施方式的振动器件的概要结构的剖视图。
图6是示出第3实施方式的振动器件的概要结构的剖视图。
标号说明
1、1a、1b振动器件；10第2封装；11第1基板；11a接合面；12第2基板；14连接端子；15外部端子；16盖；17接合部件；18内部空间；30振荡器；31第1封装；32基座基板；32a第1面；32b第2面；33盖；34接合部件；35钝化膜；36布线；37绝缘膜；40集成电路；41振荡电路；42倍频电路；43输出电路；44温度补偿电路；45温度控制电路；46温度传感器电路；47加热器电路；49内部连接端子；50外部连接端子；51贯穿孔；52贯穿电极；55外表面；56凹部；57内部空间；60振动元件；61石英基板；62激励电极；63连接端子；72、73导电性部件；80隔热部件。
具体实施方式
1.第1实施方式
首先，参照图1以及图2，对第1实施方式的振动器件1进行说明。
另外，在图1中，为了便于说明振动器件1的内部结构，图示了取下盖16的状态。另外，为了便于说明，在除了图4以外的以后的各图中，作为相互正交的3个轴，图示了X轴、Y轴以及Z轴。另外，将沿着X轴的方向称为“X方向”，将沿着Y轴的方向称为“Y方向”，将沿着Z轴的方向称为“Z方向”。另外，将各轴的箭头侧称为“正侧”，将与箭头相反的一侧称为“负侧”。另外，也将Z方向正侧称为“上”，将Z方向负侧称为“下”。
如图1及图2所示，振动器件1包括：具有收纳振动元件60的第1封装31的振荡器30；收纳并固定第1封装31的第2封装10；以及在与第2封装10之间形成内部空间18的盖16。因此，本实施方式的振动器件1相当于双重封装结构的带恒温槽的石英振荡器(OCXO)。
第1封装31由基座基板32和盖33构成，在基座基板32和盖33之间收纳有振动元件60。
基座基板32具有：配置有振动元件60的第1面32a；以及与第1面32a处于正反关系的第2面32b。在基座基板32的第1面32a设置有包括温度传感器电路46和加热器电路47等的集成电路40，经由金属凸块等导电性部件73固定有振动元件60。因此，振动元件60与温度传感器电路46或加热器电路47的距离较近，因此，能够更高精度地检测振动元件60的温度，从而能够更稳定地将振动元件60保持为恒定温度。另外，在基座基板32的第2面32b形成有用于将第1封装31与第2封装10接合的外部连接端子50。
第1封装31的构成材料是包含单晶硅的半导体例如硅。
第2封装10通过层叠平板状的第1基板11和框状的第2基板12而形成。另外，第2封装10具有向上方开放的内部空间18。
在内部空间18中收纳有第1封装31。在第1基板11的作为上表面的接合面11a上，经由金属凸点等导电性部件72固定有第1封装31。另外，在第2封装10上固定有第1封装31的状态是在第2封装10的与第1封装31接合的接合面11a上形成的连接端子14与在构成第1封装31的基座基板32的第2面32b上形成的外部连接端子50经由导电性部件72进行机械以及电气接合。
在第2封装10的下表面形成有外部端子15。外部端子15经由未图示的贯穿电极或布线与形成在第1基板11上的连接端子14电连接。
第2封装10的构成材料是具有比第1封装31的导热率低的导热率的氧化物系陶瓷、氮化物系陶瓷、碳化物系陶瓷等各种陶瓷。因此，第1封装31的导热率比第2封装10的导热率高，所以，加热器电路47的热容易传递到整个第1封装31，另外，通过用导热率低的第2封装10覆盖第1封装31，能够有效地抑制外部的温度变动。
盖16为平板状，通过接合部件17与第2封装10的上表面接合。由此，在第2封装10与盖16之间形成气密的内部空间18，在该内部空间18中收纳有第1封装31。另外，内部空间18为减压状态，优选为更接近真空的状态。由此，能够降低从第1封装31向第2封装10的对流传热，能够进一步将内部空间18保持在恒定温度。
接着，参照图3说明振荡器30的结构。
本实施方式的石英振荡器30例如被用作温度补偿型石英振荡器(TCXO)或单一封装结构的带恒温槽的石英振荡器(OCXO)。如图3所示，这样的振荡器30具有：由基座基板32和盖33构成的第1封装31；以及收纳在第1封装31的内部空间57中的振动元件60。
第1封装31具有基座基板32和与基座基板32接合的盖33，在形成于基座基板32与盖33之间的内部空间57中收纳有振动元件60。
基座基板32是包含单晶硅的半导体基板，特别是在本实施方式中为硅基板。基座基板32没有特别限定，可以使用硅以外的半导体基板例如锗、砷化镓、磷化镓、氮化镓、碳化硅等的半导体基板，也可以使用陶瓷基板那样的半导体基板以外的基板。
基座基板32为板状，具有配置有振动元件60的第1面32a和与第1面32a处于正反关系的第2面32b。另外，在基座基板32的表面形成有绝缘膜37。此外，在基座基板32的第1面32a形成有与振动元件60电连接的集成电路40、将形成在集成电路40上的温度传感器电路46、加热器电路47等功能元件彼此电连接的布线36。但是，集成电路40、布线36也可以不形成于基座基板32的第1面32a，而形成于第2面32b。
在集成电路40上形成钝化膜35，进而，在钝化膜35上形成内部连接端子49，内部连接端子49与布线36电连接，用于接合振动元件60。此外，在形成于基座基板32的第2面32b上的绝缘膜37形成有用于将从集成电路40输出的频率信号等向外部输出的外部连接端子50。而且，基座基板32具有在作为厚度方向的Z方向上贯穿基座基板32的贯穿孔51，在贯穿孔51内填充有导电性材料，形成有贯穿电极52。因而，能够利用贯穿电极52将形成于基座基板32的第1面32a的布线36与形成于基座基板32的第2面32b的外部连接端子50电连接。
收纳在内部空间57中的振动元件60具有：石英基板61；使石英基板61振动的激励电极62；向外部输出振动信号并将振动元件60固定在第1封装31上的连接端子63；以及将激励电极62和连接端子63电连接的未图示的引线电极。
振动元件60经由金属凸点等导电性部件72配置并固定在第1封装31的第1面32a上。另外，在第1封装31上固定有振动元件60的状态是形成在第1封装31的基座基板32上的内部连接端子49和形成在振动元件60的石英基板61上的连接端子63经由导电性部件72进行机械接合及电气接合。石英基板61使用AT切石英基板、SC切石英基板、BT切石英基板等。
盖33与基座基板32同样为硅基板。由此，基座基板32与盖33的线膨胀系数相等，抑制由热膨胀引起的热应力的产生，成为具有优良振动特性的振荡器30。另外，能够通过半导体工艺形成振荡器30，因此，能够高精度地制造振荡器30，并且能够实现其小型化。但是，盖33没有特别限定，也可以使用硅以外的半导体基板例如锗、砷化镓、磷化镓、氮化镓、碳化硅等的半导体基板。另外，例如也可以使用可伐合金等的金属基板、玻璃基板等半导体基板以外的基板。
盖33在与作为盖33的上表面的外表面55相反的一侧开口，在内部具有收纳振动元件60的带底的凹部56。盖33在其下表面经由接合部件34与基座基板32的第1面32a接合。由此，盖33与基座基板32一起形成收纳振动元件60的内部空间57。基座基板32和盖33的接合方法也可以不通过接合部件34，而是利用了基座基板32或盖33所包含的金属彼此的扩散的扩散接合等接合方法。
另外，内部空间57是气密的，为减压状态，优选为更接近真空的状态。由此，粘性阻力减少，振动元件60的振荡特性提高。但是，内部空间57的环境没有特别限定，例如可以是封入了氮或氩等惰性气体的环境，也可以不是减压状态而是大气压状态或加压状态。
接着，参照图4说明集成电路40的结构。
如图4所示，本实施方式的集成电路40具有振荡电路41、倍频电路42、输出电路43、温度补偿电路44、温度控制电路45、温度传感器电路46以及加热器电路47。
振荡电路41与振动元件60电连接，对振动元件60的输出信号进行放大，并将放大后的信号反馈给振动元件60，由此，使振动元件60振荡。倍频电路42对从振荡电路41输出的频率信号进行倍频。输出电路43将倍频后的频率信号从外部连接端子50输出到外部。
温度补偿电路44根据从温度传感器电路46输出的温度信息进行温度补偿，以使振荡电路41的振荡信号的频率变动小于振动元件60自身的频率温度特性。由此，能够发挥优异的温度特性。温度补偿电路44例如可以通过调整与振荡电路41连接的可变电容电路的电容来调整振荡电路41的振荡频率，也可以通过PLL(Phase Locked Loop)电路或直接数字合成器电路来调整振荡电路41的输出信号的频率。
温度控制电路45是这样的电路：根据从温度传感器电路46输出的温度信息对流过加热器电路47的电流量进行控制，从而将振动元件60保持为恒度温度。例如，温度控制电路45进行控制，使得在根据温度传感器电路46的输出信号判定的当前温度低于设定的基准温度的情况下，使期望的电流流过加热器电路47，在当前温度高于基准温度的情况下，不使电流流过加热器电路47。
另外，例如，温度控制电路45也可以以根据当前温度与基准温度之差而使流过加热器电路47的电流量增减的方式进行控制。在此，温度传感器电路46兼作温度补偿电路44用的温度传感器和温度控制电路45用的温度传感器。因此，能够削减部件数量，实现振荡器30的小型化。但不限于此，也可以分别设置温度补偿电路44用的温度传感器和温度控制电路45用的温度传感器。
温度传感器电路46是检测温度的元件，可以通过在集成电路40内设置Si二极管或PNP晶体管来形成。另外，通过形成铂，能够基于电阻值随温度而变化的特性来检测温度。另外，温度传感器电路46在从Z方向俯视时配置在与振动元件60重叠的位置处。
加热器电路47是发热元件，通过在集成电路40内设置由ITO(氧化铟锡)构成的电阻体而形成，通过通电而发热，通过调整流过电阻体的电流，能够调整发热量。另外，加热器电路47在从Z方向俯视时配置在与振动元件60重叠的位置处。
如上所述，本实施方式的振动器件1将振动元件60收纳在形成有加热器电路47的导热性高的第1封装31内，因此，通过来自被加热器电路47加热的第1封装31整体的热辐射，加热器电路47的热被传递至振动元件60，因此，能够抑制振动元件60内的温度不均。此外，在第1封装31内形成有温度传感器电路46，因此，能够抑制振动元件60与温度传感器电路46的温度差，从而能够实现高精度的温度控制，能够提高从振动器件1输出的振荡频率的精度。
此外，在第1封装31与第2封装10的电连接中使用了金属凸点等导电性部件72，因此，与使用焊线的情况相比，能够实现振动器件1的小型化。
2.第2实施方式
接下来，参照图5对第2实施方式的振动器件1a进行说明。
本实施方式的振动器件1a与第1实施方式的振动器件1相比，与第2封装10a的第1基板13接合的第1封装31的位置不同、且外部连接端子50与连接端子14a的电连接为导电性引线72a以外，其余与第1实施方式的振动器件1相同。另外，以与上述第1实施方式的不同点为中心进行说明，对相同事项标注相同的标记并省略其说明。
如图5所示，在振动器件1a中，第1封装31的盖33的外表面55与第2封装10a的第1基板13的接合面11a经由接合部件74进行机械连接。即，与第1实施方式的振动器件1相比，第1封装31以上下反转的方式固定在接合面11a。另外，在第1封装31的第2面32b上形成的外部连接端子50和在第1基板13的接合面11a上形成的连接端子14a经由导电性引线72a进行电连接。
通过采用这种结构，能够使形成有加热器电路47的基座基板32远离第1封装31与第2封装10a的接合部，因此，能够有效地对第1封装31进行加热，此外，能够抑制外部的温度变动对温度传感器电路46的影响，可获得与第1实施方式的振动器件1相同的效果。
3.第3实施方式
接下来，参照图6对第3实施方式的振动器件1b进行说明。
本实施方式的振动器件1b与第1实施方式的振动器件1相比，与第2封装10b的第1基板13b接合的第1封装31的位置不同、外部连接端子50与连接端子14b的电连接为导电性引线72b、在第1封装31与第2封装10b的第1基板13b之间设置有隔热部件80，除此以外，与第1实施方式的振动器件1相同。另外，以与上述第1实施方式的不同点为中心进行说明，对相同事项标注相同的标记并省略其说明。
如图6所示，在振动器件1b中，在第1封装31的盖33的外表面55与第2封装10b的第1基板13b的接合面11a之间设有隔热部件80。隔热部件80经由接合部件75固定于第1基板13b，在隔热部件80上经由接合部件76固定有第1封装31。另外，在第1封装31的第2面32b上形成的外部连接端子50和在第1基板13b的接合面11a上形成的连接端子14b通过导电性引线72b电连接。
隔热部件80由导热率比第2封装10b低的材料构成。这样的隔热部件80没有特别限定，例如可优选使用各种树脂材料，其中特别是多孔质聚酰亚胺等多孔质树脂材料，除了树脂材料以外，例如可使用各种玻璃材料、二氧化硅气凝胶等无机多孔质材料等。另外，隔热部件80的导热率没有特别限定，优选为1.0W/m·K以下。由此，成为导热率足够低的隔热部件80。
另外，在隔热部件80中也可以含有硅胶等导热率足够低的间隙材料。由此，能够控制隔热构件80的厚度，能够更可靠地发挥隔热效果。
通过采用这种结构，能够充分地抑制形成在第1封装31的集成电路40上的加热器电路47的热量向第2封装10b传递，可获得与第1实施方式的振动器件1相同的效果。

Claims (6)

1.一种振动器件，其具有：
振动元件；
第1封装，其收纳所述振动元件；以及
第2封装，其收纳并固定所述第1封装，
所述第1封装包含：
基座基板，其具有配置有所述振动元件的第1面以及与所述第1面处于正反关系的第2面，包含单晶硅；
集成电路，其设置在所述第1面或所述第2面，包含温度传感器电路及加热器电路；以及
盖，其以与所述基座基板一起收纳所述振动元件的方式与所述基座基板接合。
2.根据权利要求1所述的振动器件，其中，
所述集成电路设置于所述第1面。
3.根据权利要求1或2所述的振动器件，其中，
所述第1封装的导热率高于所述第2封装的导热率。
4.根据权利要求1或2所述的振动器件，其中，
所述第1封装在所述第2面具有外部连接端子，
所述第2封装在与所述第1封装接合的接合面具有连接端子，
所述外部连接端子与所述连接端子经由导电性部件进行机械接合和电气接合。
5.根据权利要求1或2所述的振动器件，其中，
所述第1封装在所述第2面具有外部连接端子，
所述第2封装在与所述第1封装接合的接合面具有连接端子，
所述外部连接端子与所述连接端子经由导电性引线进行电连接，
所述盖的外表面与所述第2封装的所述接合面经由接合部件进行机械连接。
6.根据权利要求1或2所述的振动器件，其中，
所述第1封装隔着隔热部件固定于所述第2封装。
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