CN1197236C - 压电器件 - Google Patents

Abstract

组件(1)具有由陶瓷基板(7)构成的基底，该基板在一个主面上具有第一区域(7a)和第二区域(7b)，且形成有连接水晶振动片(2)及驱动用IC芯片(3)的配线图形(14)。基底在基板的上表面上设置第一侧壁部(9)，水晶振动片安装到在其内部划分的第一空腔(8)内，IC芯片安装到由第二侧壁部(11)划分的第二空腔(10)内。第一侧壁部高于第二侧壁部，金属制的盖(13)缝焊在其上端，第一空腔封装在真空或氮气氛围中。第二区域的IC芯片用树脂封装。除小型化、薄型化以及高精度地进行频率调整之外，可消除寄生电容，防止频率可变量的降低，发挥高的频率稳定性及老化特性、特别适用于频率可变量大的高频振荡器。

Description

压电器件

技术领域

本发明涉及用于各种电子设备的压电振荡器，特别是涉及装载有水晶及其它压电振动片，以及具有驱动所述振动片的振荡回路的IC芯片等半导体IC元件及/或分立的电子部件的压电振荡器。

现有技术

在现有技术中，在信息通信设备，个人电脑等OA(办公自动化)设备，民用设备等各种电子设备上，广泛使用例如以电子回路作为时钟信号源的压电振子，以及将压电振子和IC芯片封装到同一组件内的振荡器等压电器件。同时，伴随着这些电子设备的小型化，薄型化，要求压电器件进一步地小型化和薄型化，同时，大多采用适合于向装置的电路基板上安装的表面安装型的压电器件。特别是在最近，与伴随着便携式电话等信息通信领域中信息传送的大容量化及高速化相应的通信频率的高频化及系统的高速化，要求以基波在80MHz或更高的高频动作的压电器件。

例如，在实开平6-48216号公报中，公开了一种表面安装型水晶振荡器，其中，在由至少三层绝缘层构成的叠层电路基板上形成中空部，在形成于其底部的腔内配置IC芯片及电子零部件(电阻)，而且在中空部上部配置水晶振动片，在该叠层电路基板的上端接合有盖体并气密地封装的同时，在叠层电路基板的背面形成与外部连接用的端子电极。此外，在特开平11-186850号公报中所述的可表面安装的压电振荡器，把水晶振动片及其驱动IC芯片容纳在同一个箱体中，把驱动IC芯片直接用焊料块连接到形成于该箱体里面底部上的配线图形上，并且通过将水晶振动片固定保持在其上方电连接到前述配线图形上，在可以小型化、薄型化的同时，可以减少因配线造成的电抗分量，提高其高频特性。进而，特开平9-107186号公报所述的水晶振荡器，为了防止向其它设备的安装基板上安装时热膨胀率之差引起的断线，把振荡元件及其控制元件安装到陶瓷基板上，把外面设置连接到该陶瓷基板的电极的外部连接用端子的树脂制箱体覆盖在陶瓷基板上并将其封装。

发明内容

为了在使用压电振荡器时保持高精度的频率，需要利用其它参照频率与之同步，总是把其频率保持在所需的数值或范围内。此外，与温度等环境变化相应地，需要对因温度变化等造成的频率偏差进行修正。为了实现这一点例如要求压电振荡器具有可以利用通过控制电压改变电容量的可变电容器等，能够充分修正与参照频率的频率差的功能。

在特开平10-22735号公报中，作为TCXO(温度补偿型水晶振荡器)的一个例子，描述了把形成连接压电振动片及IC芯片的电路图形的底壁和容纳它们的具有开口部的环形侧壁叠层烧结形成陶瓷基底、在其一端上设置把底壁和环形侧壁成一整体地延长的调整用辅助部且在其外表面上形成连接到前述电路图形上的调整用端子的压电振荡器。这种压电振荡器通过中间经过前述调整用端子向IC芯片的存储电路中写入补偿数据后将调整用辅助部分割，可以防止在制造陶瓷基底时发生变形和弯曲。

这种电压控制型数据振荡器的等效电路模型示于图5。这里，相对于负载容量CL的变化水晶振子的频率变化量用下面的(1)式表示。特别是在用于在高频率时使用的便携式电话机等通信设备中优选地使水晶振荡器的频率的可变宽度，即ΔF尽可能地大，从而γ＝C0/C1小。

公式1       ΔF＝1/[2γ(1+CL/C0))]...(1)

其中，γ＝C0/C1

然而，实际的水晶振荡器如图6所示，具有寄生电容CPP。在这种情况下，表现的并联电容成为(C0+CPP)，水晶振荡器的频率变化量ΔF′被修正为下面的(2)式。

公式2       ΔF′＝1/{2γ′[(1+CL/(C0+Cpp)]}...(2)

这里，            γ′＝(C0+Cpp)/C1

从公式(2)可以看出，当寄生电容量CPP大时，频率相对于负载容量CL的变化量ΔF变小，以及频率越高寄生电容量CPP越大。特别是，在高频工作的AT切割水晶振子，由于要求它具有很高的精度，所以这将成为很大的问题。

作为这种寄生电容的原因，有水晶振子片本身的静电容，由形成于水晶振动片上的引出电极间的直接电流产生的静电容。组件的端子之间产生的静电容，以及水晶振动片与组件之间产生的静电容等。根据发明人证实，在各种压电材料中，特别是水晶的情况下，在8MHz以上，与组件相关的寄生电容Cpp≈C0，给予频率变化的影响很大。

此外，如上述特开平11-186850号公报，特开平9-107186号公报后面所描述的水晶振荡器那样，利用把水晶振子与驱动用IC等电子部件装载到同一个组件内的结构，有利于减少发生在两者之间的寄生电容，但是，电子部件的焊料块及电极垫片以及固定它们的粘接剂等产生的气体被吸附到水晶振动片的表面，会对其振动特性造成恶劣的影响。这里由于气体吸附引起的频率降低的量由下面的公式(3)表示，频率越高其降低的数量越大。例如，在水晶振子吸附相同量的气体时，在频率为20MHz时，频率降低1ppm，而当频率为100MHz时，其频率则降低25ppm。

公式3       Δf＝(Wab/pq·Vq)·f²...(3)

其中，Wab：电极表面吸附的气体的重量(g/cm²)

      Pq：水晶的密度(g/cm³)

      Vq：水晶中的传播速度

      f：共振频率

这样，特别是在高频下工作的水晶振子，对周围的气体非常敏感，很容易受到影响，所以最好不要在相同的氛围内装载其它的电子部件。特开平8-316732号描述的水晶振荡器，为了防止在箱体封装后吸附从接合盖用的粘接剂产生的气体引起的频率偏移，在箱内设置第一容纳部以及在其底部设置第二容纳部，把IC等振荡电路容纳在第一容纳部内，把水晶振子片装载到第二容纳部内，并且用罩封装，组装到箱体内之后，在与压电振子等效的状态下测定频率并调整IC，可以相对于水晶振子元件片制造时的残留形变及由于固定到箱体上时产生的变形调整频率。但是，该公报所描述的水晶振荡器，在气密性封装的容器内还进一步另外设置气密封装的水晶振子用的空间，盖变成双重结构，所以存在着组件总体的薄型化，小型化受到限制的问题。

因此，本发明是鉴于上述现有技术中存在的问题而提出的，其目的是提供一种把压电振动片和构成其振荡回路的电子部件装载到同一个组件中的压电器件，可以有效地防止由吸附电子部件及配线所产生的气体、以及因组件和配线结构等造成的寄生电容等所引起的频率可变量的下降，在满足小型化、薄型化要求的同时，可以高精度地调整频率，特别适合于基波在80MHz或高于80MHz的高频振荡器的压电器件。

根据本发明，为了达到上述目的，提供一种压电器件，其特征为，配备有：具有在包含第一区域和第二区域的一个主面上形成配线图形的基板，以围绕该第一区域且在其内部划分出第一空腔的方式设置在基板上的第一侧壁部，接合到所述第一侧壁部的上端、气密地封装第一空腔的盖的组件；连接到前述配线图形上，安装到第一空腔内的压电振动片；连接到前述配线图形上，安装到第二区域内的电子部件；其中，前述第二区域的电子部件及配线图形是由树脂封装的。

这样，通过把压电振动片气密地封装到与电子部件的氛围不同的第一空腔内，在封装后，不会产生因吸收从电子部件等产生的气体引起的寄生电容，同时，由于它具有将压电振动片及电子部件直接连接到形成于作为组件底板的基板上的配线图形上的配线结构，所以它不会产生像把叠层的多层薄板上分别形成的配线图形在层与层之间连接形成的配线结构中那样的寄生电容，不存在因这类寄生电容造成频率偏移的问题，所以获得很高的频率稳定性及老化特性。而且，在把压电振动片气密封装的状态下通过调整第二区域的电子部件，可以进行高精度的频率调整。此外，由于无需像上述特开平8-316732号公报中所述的水晶振荡器那样把盖制成双重结构，所以能够使整个组件薄型化，小型化。

在一个实施例中，通过把前述电子部件构成驱动压电振动片的振荡回路，获得具有上述特征的良好的压电振荡器，特别是在高频振荡器中可以增大频率可变幅度。进而，通过使前述电子部件包括可变电容器，得到良好的电压控制式振荡器。

在另一个实施例中，上述组件还具有比形成于基板上的第一侧壁部的高度低的第二侧壁部，以便划分出包围第二区域、且在其内部容纳电子部件的第二空腔。由于第一侧壁部具有处于第二侧壁部上方的高度，所以可以容易地进行盖的接合，且能够容易地进行第二区域的可靠的树脂封装。特别是，当前述盖是用金属板材制成、利用缝焊接合到第一侧壁部上时，可以在第二侧壁部的上方确保把夹具与盖及密封环咬合所必需的空间。进而，由于在这种情况下，可以把第一空腔保持在不存在像用低熔点玻璃接合盖时产生的不良气体的氛围中，所以在压电振荡片封装之后，不会产生因吸附气体而引起的频率偏移，可以获得因高的频率稳定性带来的优异的老化特性。

进而，当利用注入到第二侧壁部内侧的浇注封装材料把第二区域的电子部件及配线图形树脂封装时，浇注封装材料不会从第二区域流出，能够以简单的操作可靠地进行封装。

此外，在一个实施例中，前述配线图形具有配置在第二区域且用树脂封装的压电振动片用测试端子。在第二区域用树脂封装之前，可经过专用的测试端子精密地测定封装在第一空腔内的压电振动片的频率，且在第二区域用树脂封装之后，不会露出到组件的外面，所以不存在受到外部噪音的影响，也不会被腐蚀，确保频率及振动特性的稳定性。

进而，在另一个实施例中，第一侧壁部通过把第一空腔的具有开口部的陶瓷板叠层在前述基板上形成，借此可简化组件的结构及装配。

本发明借助上面所述的结构可以获得下面所述的特殊效果。

根据本发明，由于压电振动片被气密地封装在与电子部件隔离开的氛围的第一空腔内，所以不会吸附从电子部件等产生的气体，而且由于压电振动片及电子部件直接连接到形成于基板上的配线图形上，从而不存在因压电振动片吸附气体及因组件的配线结构而产生的寄生电容，不会产生频率偏移，可以发挥高的频率稳定性及老化特性，与此同时，可以获得通过调整第二区域的电子部件，可以高精度地进行频率调整的、可小型化、薄型化的表面安装型压电器件。特别是，在应用电压控制型的高频振荡器时，可以加大频率可变幅度，有利于用于通信设备等。

附图的简单说明

图1(A)是表示根据本发明的水晶振荡器的平面图，(B)是其纵向剖面图。

图2是图1所示的基底的分解透视图。

图3是表示在根据本发明的电压控制型水晶振荡器中，频率相对于外加电压的可变量的曲线图。

图4是表示水晶振荡器的理论上的等效回路模型的电路图。

图5是表示实际的水晶振荡器中的等效回路模型的电路图。

具体实施形式

下面参照附图详细说明本发明的优选实施例。

图1(A)及(B)概略地表示作为应用本发明的压电器件的实施例的水晶振荡器的结构。该水晶振荡器将AT切割的水晶振动片2及构成驱动该水晶振动片2用的振荡回路IC芯片3装载到由绝缘材料构成的组件1上。本实施例的AT切割水晶振动片2具有所谓倒台面结构，在设于成矩形的水晶元件片的表面和背面的凹陷的薄壁部4的大致中央部位处形成激振电极5，且在它们的一个端部侧上引出一对连接电极6。

组件1在其一个主面，即，上表面上具有安装水晶振动片2用的第一区域7a和安装IC芯片3用第二区域7b，并具有由陶瓷材料制成的基板7构成的基底。在基板7的上表面上，相互邻接地一体设置矩形形状的第一侧壁部9以及矩形的第二侧壁部11，其中，所述第一侧壁部9围绕第一区域7a并划分出在其内部容纳水晶振动片2用的第一空腔8，所述第二侧壁部11围绕第二区域7b且划分出在其内部容纳IC芯片3用的第二空腔10。第一侧壁部9高于第二侧壁部11，且在其上端中间经由密封环12气密地接合有金属制的盖13。

在基板7的前述主面上，形成连接水晶振动片2及IC芯片3用的配线图形14，并且与在基板7的另一个主面、即背面上设置的外部端子连接。这些配线图形及外部端子一般通过将W，Mo等金属配线材料用丝网印刷在陶瓷基板表面上并在其上面镀以Ni、Au形成。

配线图形14具有配置在第一区域7a上的一对水晶振动片用的接线端子16。在各接线端子16上，分别形成用适当的导电材料构成的、且表面镀金等的基本上为矩形的电极垫片17。用导电性粘接剂18将水晶振动片2以使其各连接电极6与之相对应的方式单臂地基本上水平地固定支承在前述接线端子的电极垫片17上，并且进行电连接。在本实施例中，两个接线端子16配置在中央附近靠近第二区域7b的第一侧壁部9的紧内侧。借此，由于使连接水晶振动片2与IC芯片3的配线的路线的长度最短，可使噪音等的影响最小，所以的优选的。

进而，配线图形14具有配置在第二区域7b内的IC芯片用的接线端子(图中省略)，为了与之连接，IC芯片3例如以倒装片的方式进行倒装接合。前述IC芯片也可以借助引线接合进行连接，但是从降低高度使组件整体薄型化的角度考虑，倒装接合更为有利。IC芯片3及露出到第二区域7b的配线图形14借助填充到第二空腔10内的浇注封装材料19树脂封装。借此，在保护前述IC芯片及配线图形的同时，防止因异物等造成的电极及配线之间的短路。

本实施例的前述基底如图2所示，由陶瓷材料薄板的叠层结构构成，将具有构成第一空腔8的下侧部分的开口部20a和构成第二空腔10的开口部20b的陶瓷薄板20，和具有构成第一空腔8的上侧部分的开口部21a的陶瓷板21叠层在预先形成配线图形14的基板7的前述一个主面上，使之成一整体。进而，将金属制密封环12一体接合到陶瓷薄板21上。这种叠层结构在现有技术的压电器件的制造中是公知的，由于可以用大型的陶瓷薄板同时制造多个基底，所以是十分有利的。

本实施例的水晶振荡器按照以下顺序进行装配。首先，与图2相关地如上面所述，准备将陶瓷薄板叠层制成的基底，用导电性粘接剂18将AT切割水晶振动片2粘接到与其连接电极6对应的各个电极垫片17上，以单臂支撑的方式固定在第一空腔8内。在使导电性粘接剂18充分固化并充分地把有害的气体从第一空腔8的内部排除之后，把该基底配置在真空氛围或氮气氛围中，中间经由密封环12把盖13缝焊在第一侧壁部9上，把第一空腔8封装到真空或氮气氛围中。由于第一侧壁部9被设置得高于第二侧壁部11，所以，在缝焊时，可在第二侧壁部的上方确保将夹具与盖13和密封环12咬合所必需的空间。进而，由于不会像用树脂或低熔点玻璃进行盖的接合时那样产生有害气体，而且可以把第一空腔维持在不存在这种气体的氛围中，不会因封装后水晶振动片吸附气体造成频率偏移，可以获得高的频率稳定性及优异的老化特性。

其次，利用配置在第二区域7b中的IC芯片连接用配线图形14测定水晶振动片2的基本振动特性。借此，可以事先清除不能发挥所需振动特性的次品，可以提高整个水晶振荡器的制造工艺的成品率，降低成本。然后，将IC芯片3倒装接合到第二区域7b内。进而，用基板7背面的外部端子15确认IC芯片3的振荡特性，根据需要调整IC芯片3以便进行频率的调整后，把适当的浇注封装材料18注入到第二侧壁部11中，以把前述IC芯片及配线图形14的露出部分完全封装的方式将第二空腔10填充。这样，制成根据本发明的水晶振荡器。

根据本发明的另外的实施例，进而除IC芯片3之外，可以把可变电容器作为独立的电子部件安装到基板7的第二区域7b中，同样进行树脂封装。借此，可以获得具有和上述实施例同样的高的频率稳定性及优异的老化特性、且能够小型化、薄型化的电压控制型水晶振荡器。

图3表示对于这种电压控制型水晶振荡器测定频率可变量(ppm)的结果，横轴为外加电压(V)，纵轴为频率偏差(ppm)＝频率可变量(ΔF′)/2。在同一个图中，表示出了把水晶振动片封装在组件中并且把其振荡电路作为另外的分立的部件连接的现有技术结构的水晶振荡器所进行的比较，如从图中可以看出的，在本发明的水晶振荡器中，由于实质上没有因水晶振动片的气体吸附和组件以及配线结构引起的寄生电容，所以频率可变量可大幅度增大，约增加20％。

同时，对于同样的本发明的电压控制型水晶振荡器，测定相对于所经过的时间的频率偏差，并分析其老化特性。其结果，与把水晶振动片及作为其振荡回路的IC芯片装载到同一组件的同一氛围中的水晶振荡器进行比较，可以确认，随着时间的推移，实质上未看出频率偏差的变化或者其变化非常小，能够发挥优异的老化特性。

此外，在另外的实施例中，配线图形14具有配置在基板7的第二区域7b中的水晶振动片专用的测试端子。通过设置这种单独的测试用端子，在把IC芯片3安装到第二区域7b中的状态下，可以测定水晶振动片2的振动特性。

在另外一个实施例中，可以省略从基板7的上表面围绕第二区域7b的第二侧壁部11。在这种情况下，安装到第二区域7b上的IC芯片3及配线图形14优选地使用比在图1的实施例中所使用的浇注封装材料粘度更高的成型树脂。

上面，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但如从事本领域的人员所能够理解的，在本发明及其技术范围内，可以对上述各实施例进行变更或变形加以实施。此外，本发明同样也适用于由除水晶之外的各种压电材料制成的振动片的情况。

Claims (8)

1、一种压电器件，其特征为，配备有：

具有以下部分的组件，所述部分为，在具有第一区域和第二区域的一个主面上形成配线图形的基板，以围绕前述第一区域且在其内部划分出第一空腔的方式设置在前述基板上的第一侧壁部，接合在前述第一侧壁部的上端、气密地封装前述第一空腔的盖，

连接到前述配线图形上，安装到前述第一空腔内的压电振动片，

连接到前述配线图形上、安装到前述第二区域的电子部件；

前述第二区域的前述电子部件及配线图形是由树脂封装的。

2、如权利要求1所述的压电器件，其特征为，前述电子部件构成前述压电振动片的振荡回路。

3、如权利要求1所述的压电器件，其特征为，前述电子部件还包括可变电容器。

4、如权利要求1至3中任何一个所述的压电器件，其特征为，前述组件还具有比形成于前述基板上的前述第一侧壁部的高度低的第二侧壁部，以便划分出包围前述第二区域并在其内部容纳电子部件的第二空腔。

5、如权利要求4所述的压电器件，其特征为，通过向前述第二侧壁部的内侧注入的浇注封装材料，用树脂将前述第二区域的前述电子部件及配线图形封装起来。

6、如权利要求1至3中任何一个所述的压电器件，其特征为，前述配线图形具有配置在前述第二区域上，且用树脂封装的前述压电振动片用的测试端子。

7、如权利要求1至3中任何一个所述压电器件，其特征为，前述盖由金属板制成，通过缝焊接结合到前述第一侧壁部上。

8、如权利要求1至3中任何一个所述的压电器件，其特征为，前述第一侧壁部通过把前述第一空腔的具有开口部的陶瓷板材叠层在前述基板上形成。

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