JP2005167507A - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 実装基板上に、圧電振動子とチップ部品を並置し、これら部品類を含む実装基板上の空間を金属ケースにて包囲した表面実装型圧電発振器において、実装基板側のアースパターンと金属ケースの裾部とを半田接続するに際して、実装基板上のパターン配線スペースの減少や、基板層内、或いは基板下面のベタアースパターンのアース電位の不安定化といった問題を解消する。
【解決手段】 実装基板２上に搭載される圧電振動子３及び発振回路部品４と、金属ケース５と、を備えた表面実装型圧電発振器において、実装基板は、２以上の絶縁シート１５を積層した多層構造の絶縁基板１０と、実装電極１１と、配線パターン１２と、を備え、絶縁基板の最上面の端縁に沿った位置に設けた上部アースパターン１２ａに対して金属ケースの裾部を半田接続するとともに、絶縁基板の内層に設けた内部アースパターン１６の一部を上方に露出させるための切欠き部１７を絶縁基板端縁に形成して該切欠き部内に露出した露出アースパターン１６ａに金属ケースの裾部の他の部位を半田接続した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、実装基板上に並置した圧電振動子及び発振回路部品を金属ケースにより包囲した構造の圧電発振器において、実装基板上の配線面積を制限することなく、金属ケースを確実に接地することができる表面実装型圧電発振器に関する。

移動体通信市場においては、各種電装部品の実装性、保守・取扱性、装置間での部品の共通性等を考慮して、各機能毎に部品群のモジュール化を推進するメーカーが増えている。また、モジュール化に伴って、小型化、低コスト化も強く求められている。
特に、基準発振回路、ＰＬＬ回路、及びシンセサイザー回路等、機能及びハード構成が確立し、且つ高安定性、高性能化が要求される回路部品に関してモジュール化への傾向が強まっている。更に、これらの部品群をモジュールとしてパッケージ化することによりシールド構造を確立しやすくなるという利点がある。
複数の関連部品をモジュール化、パッケージ化することにより構築される表面実装用の電子デバイスとしては、例えば圧電発振器を例示することができる。圧電発振器を多品種少量生産する場合、発振回路、温度補償回路等を構成する回路素子を固有の集積回路に集積して圧電発振器を小型化することはコスト的に見合わないため、従来は発振回路、温度補償回路を構成するトランジスタ、抵抗、コンデンサ等の回路素子を個々のチップ部品として実装基板に搭載して使用していた。
即ち、図６（ａ）及び（ｂ）は従来の表面実装型圧電発振器の分解斜視図、及び実装基板の底面図であり、この圧電発振器はガラスエポキシ樹脂やセラミック等の絶縁材料を用いた実装基板１００の上面の配線パターン上に、圧電振動子１０１と、チップ部品（電子部品）１０２からなる発振回路、温度補償回路を並置するとともに、これらの搭載部品１０１、１０２を含めた実装基板上の空間を金属ケース１０３によって包囲した構成を備えている。実装基板１００は、絶縁材料から成る絶縁基板１０５の表面に部品搭載用の配線パターン１０６を備え、裏面に実装電極１０７を備えている。この例では各実装電極１０７は実装基板１００側面に設けた凹所内に形成した側部電極１０８を介して対応する配線パターン１０６と接続されている。また、チップ部品１０２からなる発振回路等のシールドを確保するために実装基板１００上に金属ケース１０３を被せ、金属ケースの裾部を実装基板１００に半田などによって固定する。

次に、発振回路等のシールドを確保する方法として、図７に示すように、実装基板１００上にかぶせた金属ケース１０３の裾部を実装基板の実装電極１０７のうちのアース用実装電極と導通させて発振回路上方のシールドを確保すると共に、実装基板の層内或いは上面に形成したベタアース膜１０９によって発振回路下面側のシールドとしている。下面の実装電極と、内層のベタアース膜１０９或いは上面の配線パターン１０６とは、側部電極或いはスルーホールにより導通される。
次に、図８（ａ）及び（ｂ）は夫々金属ケースを実装基板に半田付けする具体的な従来方法を示しており、（ａ）に示すように実装基板２０の上面端縁に形成したアースパッド１１０に金属ケース１０３の裾部を半田付け（図示せず）により固定したり（特開２００２−１８５２５６公報）、或いは（ｂ）に示すように実装基板２０の側端面に形成した凹所１１１内に形成したアース用の側部電極１１１ａに対して、金属ケース１０３の裾部に設けた突出片１０３ａを係合させた状態で半田付け（図示せず）する方法が行われている。
特開２００２−１８５２５６公報

しかし、図８（ａ）の例では、実装基板２０の上面に設けたアースパッド１１０と、金属ケース１０３の裾部との位置合わせが困難で、半田付け工程中に位置ずれが発生し易い。
また、図１０に示すように、実装基板２０の上面に設けたアースパターン１１５上に金属ケース１０３の裾部先端を当接して半田付けするとともに、実装基板の内層（或いは基板下面）に形成したベタアース１１６と金属ケース裾部との導通を、アース用の一つの側部電極１１１ａを介して確保する構成では、ベタアース１１６を一つの側部電極１１１ａだけを介して接地しているためアース電位が不安定化し、発振回路の下方のシールド効果が低下する虞がある。
図８（ｂ）の例では、実装基板２０の端部の凹所１１１内に金属ケース１０３の突出片１０３ａを差し込むので位置合わせが容易だが、図９（ｂ）の底面図に示すように凹所１１１の底面側縁部に形成されるランド１１１ｂと、実装電極１０７との間隔ａを狭くすると、半田がブリッジしてショートしてしまうので、両者の間隔ｂを狭くすることができず、その結果小型化に限界が生じている。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、実装基板上に、圧電振動子と、発振回路等を構成するチップ部品を並置するとともに、これらの部品類を含む実装基板上の空間をシールド用金属ケースにて包囲した表面実装型圧電発振器において、実装基板側のアースパターンと金属ケースの裾部とを半田接続するに際して、実装基板上のパターン配線スペースの減少や、基板層内、或いは基板下面のベタアースパターンのアース電位の不安定化といった問題を解消することを目的としている。
特に、実装基板の端縁に凹所を形成しないので、凹所周縁のランドが実装電極と近接することによる半田ブリッジによるショート、小型化への制限、という問題が生じない。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、実装基板と、実装基板上に搭載される圧電振動子及び発振回路部品と、発振回路部品を含む実装基板上の空間を包囲する金属ケースと、を備えた表面実装型圧電発振器において、実装基板は、２以上の絶縁シートを積層した多層構造の絶縁基板と、絶縁基板底部に設けた実装電極と、絶縁基板上面及び層間に夫々設けた配線パターンと、を備え、絶縁基板の最上面の端縁に沿った位置に設けた上部アースパターンに対して金属ケースの裾部を半田接続するとともに、絶縁基板の内層に設けた内部アースパターンの一部を上方に露出させるための切欠き部を絶縁基板端縁に形成して該切欠き部内に露出した露出アースパターンに金属ケースの裾部の他の部位を半田接続したことを特徴とする。
実装基板上の発振回路部品（温度補償部品を含む）の上下両側を電磁シールドするために、回路部品の上方を金属ケースにより包囲するとともに、基板の内部、或いは下面にベタアースを配置することが多い。金属ケースを実装基板上に固定するために従来は実装基板上の配線スペースを犠牲にしていた。また、基板層内、或いは基板下面のベタアースパターンとアース用の実装電極との導通が十分でなくアース電位が不安定化するといった問題があった。
本発明では、実装基板上面に金属ケースの裾の一部を半田付けするのみならず、実装基板上部に設けた切欠き部内に露出したアースパターンに金属ケースの他の裾部分を機械的電気的に接合するようにしたので、機械的電気的接続の安定性を高めることができる。また、実装基板上の配線スペースを減少させる虞もない。
また、実装基板の端縁に金属ケース裾部を係止するために、基板厚み全体に渡る凹所を形成しないので、凹所周縁のランドが実装電極と近接することによる半田ブリッジによるショート、小型化への制限、という問題が生じない。
請求項２の発明は、請求項において、前記上部アースパターンと、前記露出アースパターンとを横方向に近接配置したことを特徴とする。
２つのアースパターンを近接配置することにより、半田塗布作業が一回で完了する。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記金属ケースの裾部は、前記上部アースパターンと当接する第１の延出部と、前記露出アースパターンと当接する第２の延出部を備えていることを特徴とする。
金属ケースの裾部には、２つの突出した延出部を設け、夫々を上部アースパターンと露出アースパターンと半田接続するので、金属ケースの位置決め、接続安定性を高めることができる。
請求項４の発明は、請求項１、２又は３において、前記実装基板の上部に内部アースパターンを露出させる切欠き部を形成し、該切欠き部内に露出した内部アースパターン上に発熱部品を搭載したことを特徴とする。
発熱部品の放熱を、大型化、複雑化せずに、実現できる。

本発明によれば、実装基板上に、圧電振動子と、発振回路等を構成するチップ部品群を並置し、更にこれら部品を包囲する金属ケースを実装基板上に固定した発振器において、実装基板側のアースパターンと金属ケースの裾部とを半田接続するに際して、実装基板上のパターン配線スペースの減少や、基板層内、或いは基板下面のベタアースパターンのアース電位の不安定化といった問題を解消することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電発振器の構成を示す斜視図であり、ここでは水晶発振器を一例として説明する。図２（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は図１の発振器を構成する実装基板の斜視図、第３の導電層の平面図、及び実装基板の断面図、図３（ａ）及び（ｂ）は分解斜視図、及び要部拡大図である。
この表面実装型水晶発振器１は、実装基板２上に、パッケージ化された水晶振動子（圧電振動子）３と、発振回路、温度補償回路等を構成するチップ部品（発振回路部品）４群を並置するとともに、水晶振動子３とチップ部品４を含む実装基板上の空間を金属ケース５によって包囲した構成を備えている。
本発明の水晶発振器１の特徴的な構成は、実装基板２と、実装基板２上に搭載される圧電振動子３及び発振回路部品４と、発振回路部品４を含む実装基板上の空間を包囲する金属ケース５と、を備え、実装基板２は、２以上の絶縁シート１５を積層した多層構造の絶縁基板１０と、絶縁基板１０底部に設けた実装電極１１と、絶縁基板上面及び層間に夫々設けた配線パターン１２、１２ａと、を備え、絶縁基板の最上面の端縁に沿った位置に設けた上部アースパターン１２ａに対して金属ケースの裾部５ａを半田接続するとともに、絶縁基板の内層に設けた内部アースパターン１６の一部を上方に露出させるための切欠き部１７を絶縁基板端縁に形成して該切欠き部内に露出した露出アースパターン１６ａに金属ケースの裾部の他の部位５ｂを半田接続した点にある。

図２（ｃ）に示すように実装基板２は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０底部に設けた実装電極１１と、絶縁基板上面に設けた配線パターン（ランド）１２等を備える。絶縁基板１０は、ガラスエポキシ、或いはセラミック等から成る２枚以上の絶縁シート１５（１５ａ、１５ｂ）を積層した多層構造を備えており、上側の絶縁シート（第１の絶縁シート）１５ａの上面には配線パターン１２、アースパターン１２ａ等から成る第１の導電層Ｌ１が形成されるとともに、その下面には第２の導電層Ｌ２が形成されている。更に、下側の絶縁シート（第２の絶縁シート）１５ｂの上面には内部アースパターン（ベタアースパターン）１６からなる第３の導電層Ｌ３が形成されるとともに、その下面には実装電極１１等の所要配線パターンから成る第４の導電層Ｌ４が形成されている。
また、第２の導電層Ｌ２と第３の導電層Ｌ３との間には絶縁のためのプリプレグ層ｐｐが介在している。
第１と第２の導電層Ｌ１、Ｌ２間、及び第３と第４の導電層Ｌ３、Ｌ４間は、ビアホール２０を介して接続し、第１〜第４の導電層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４間は貫通スルーホール２１にて接続する。
通常、第１の導電層Ｌ１と第３の導電層Ｌ３との電気的接続は、貫通スルーホールによる必要があるが、本発明は、金属ケース５を接続手段として兼用することによって貫通スルーホールを用いることなく第１の導電層Ｌ１を構成するアースパターン１２ａと、第３の導電層Ｌ３上の内部アースパターン１６との導通を確保するようにした点が特徴的である。
水晶振動子３は、セラミック等から成る容器内に図示しない水晶振動素子を封止した構成を備え、容器底部の電極を配線パターン１２に搭載することにより実装電極１１などと電気的に接続されている。
チップ部品群４も配線パターン１２上に搭載されている。
実装基板２の対向する２つの端縁に沿った上面には、金属ケースを半田付け固定するための上部アースパターン１２ａが形成され、更に上部アースパターンと近接した端縁に設けた切欠き部１７内には第３の導電層Ｌ３を構成する内部アースパターン１６と導通した（或いは内部アースパターンの一部としての）露出アースパターン１６ａが露出配置されている。切欠き部１７は、上側の絶縁シート１５ａの端縁適所にミーリング加工によって形成し、切欠き部１７を形成することによって露出した内部アースパターン１６の露出部分（露出アースパターン）１６ａにはメッキ処理を施して金属ケースの裾部を半田付けできるように加工しておく。
実装基板の他の２つの側面にはアース用を含む側部電極１８が配置され、側部電極１８は実装電極１１とアースパターン１２などとを電気的に接続している。

次に、図３に示す如く金属ケース５の対向し合う２つの裾部は、夫々、上部アースパターン１２ａと当接して半田接続される第１の延出部５ａと、露出アースパターン１６ａと当接して半田接続される第２の延出部５ｂを備えている。第１の延出部５ａよりも第２の延出部５ｂの方が下方へ突出するように構成する。金属ケース５を実装基板上に組み付ける際には、第１の延出部５ａの先端を上部アースパターン１２ａに当接させるとともに、第２の延出部５ｂの先端を露出アースパターン１６ａと当接させて、各当接部を半田により固定する。これにより、上部アースパターン１２ａと第３の導電層Ｌ３を構成する内部アースパターン１６を導通させることができ、内部アースパターン１６の電位を安定させることができる。このように実装基板表面にパターン配線の制約となるスルーホールランドを形成することなく、発振回路部品の下側のシールドを強化することができる。
実装基板の同じ端縁に沿って形成する上部アースパターン１２ａと露出アースパターン１６ａとは、横方向に離間させてもよいが、図示のように近接配置することにより両当接部に対する半田付けを一回の作業で同時に行うことができるため、工数を削減して生産性を高めることができる。
なお、上部及び露出アースパターン１２ａ、１６ａは、３組以上設けてもよく、多いほど電磁シールド効果を強化できる。
また、図面では第１の延出部５ａを金属ケースの他の裾部よりも下方へ突出させているが、同じレベルとしてもよい。

図４（ａ）の断面図、及び（ｂ）の側面図に示すように切欠き部１７の内壁と金属ケースの第２の延出部５ｂとを嵌合させることにより、金属ケースの位置決めができるため、位置決めのために格別の切欠き部を基板に形成したり、位置決め治具を使用する必要が無くなる。従って、生産性を高め、コストを低減できる。
また、本発明では、実装基板の端縁に金属ケース裾部を係止するために基板厚み全体に渡る凹所を形成しないので、凹所周縁のランドが実装電極と近接することによる半田ブリッジによるショート、小型化への制限、という問題が生じない。従って、図９（ｂ）に示した如き寸法ｂを狭くすることが可能となり、実装基板面積の小型化を実現できる。
なお、図５は本発明の変形実施形態に係る実装基板構造を示す断面図であり、従来上側絶縁シート１５ａの上面の配線パターン１２上に直接搭載していた発熱部品２５（トランジスタ等）を、上側絶縁シート１５ａの適所に形成した切欠き部２６内に露出した内部アースパターン１６の一部上に搭載している。発熱部品２５の電極と配線パターン１２との接続はボンディングワイヤ２７により確保する。
これによれば、発熱部品２５からの熱を内部アースパターン１６を介して金属ケース５に放熱することができる。
なお、上記実施形態では、圧電発振器の代表例として水晶発振器を例示したが、本発明は圧電材料から成る圧電振動素子を使用した発振器一般に適用できる。

本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電発振器の構成を示す斜視図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は図１の発振器を構成する実装基板の斜視図、第３の導電層の平面図、及び実装基板の断面図。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の発振器の分解斜視図、及び要部拡大図。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態の説明図。 本発明の他の実施形態の要部構成説明図。 （ａ）及び（ｂ）は従来例の説明図。 他の従来例の説明図。 （ａ）及び（ｂ）は他の従来例の欠点を説明するための図。 （ａ）及び（ｂ）は他の従来例の欠点を説明するための図。 （ａ）及び（ｂ）は他の従来例の欠点を説明するための図。

符号の説明

１ 表面実装型水晶発振器、２ 実装基板、３ 水晶振動子（圧電振動子）、４ チップ部品（発振回路部品）、５ 金属ケース、５ａ、５ｂ 裾部（延出部）、１０ 絶縁基板、１１ 実装電極、１２配線パターン、１２ａ 上部アースパターン（配線パターン）、１５（１５ａ、１５ｂ） 絶縁シート、１６ 内部アースパターン、１６ａ 露出アースパターン、Ｌ１〜Ｌ４ 導電層、１７ 切欠き部、１８ 側部電極、２５ 発熱部品、２６ 切欠き部、２７ ボンディングワイヤ。

Claims (4)

1. 実装基板と、実装基板上に搭載される圧電振動子及び発振回路部品と、発振回路部品を含む実装基板上の空間を包囲する金属ケースと、を備えた表面実装型圧電発振器において、
   実装基板は、２以上の絶縁シートを積層した多層構造の絶縁基板と、絶縁基板底部に設けた実装電極と、絶縁基板上面及び層間に夫々設けた配線パターンと、を備え、
   絶縁基板の最上面の端縁に沿った位置に設けた上部アースパターンに対して金属ケースの裾部を半田接続するとともに、絶縁基板の内層に設けた内部アースパターンの一部を上方に露出させるための切欠き部を絶縁基板端縁に形成して該切欠き部内に露出した露出アースパターンに金属ケースの裾部の他の部位を半田接続したことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記上部アースパターンと、前記露出アースパターンとを横方向に近接配置したことを特徴とする請求項１に記載の表面実装型圧電発振器。
3. 前記金属ケースの裾部は、前記上部アースパターンと当接する第１の延出部と、前記露出アースパターンと当接する第２の延出部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面実装型圧電発振器。
4. 前記実装基板の上部に内部アースパターンを露出させる切欠き部を形成し、該切欠き部内に露出した内部アースパターン上に発熱部品を搭載したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の表面実装型圧電発振器。

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