JP2005167578A - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型化に対応し、且つ信頼性の高い表面実装型水晶発振器を提供する。
【解決手段】
第１のプリント配線基板５の上面に回路素子２を実装すると共に該回路素子２の実装高さより大きい直径寸法を有する球状導体４を実装し、第２のプリント配線基板６の上面に少なくとも水晶振動子１及び調整用回路素子３を実装し、前記第１のプリント配線基板５の上面及び前記第２のプリント配線基板６の下面の間隙を前記球状導体４を介して一定の間隙を隔てて導通固定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面実装型圧電発振器の構造に関し、特に圧電振動子及び周波数調整用の回路素子を実装した配線基板を発振回路等を構成する回路素子の上部に固定した構造の表面実装型圧電発振器に関するものである。

携帯電話機等の移動体通信機器の普及に伴う低価格化および小型化の急激な進展により、これらの通信機器に使用される圧電振動子やワンチップＩＣタイプ圧電発振器のみならず通話品質に影響を及ぼすＣＮ特性の高いディスクリート型圧電発振器に対しても低価格化、小型化の要求が高まっている。

前述する要求を満足した従来の表面実装型圧電発振器としては、例えば特開２００３−２２４４２６号公報で開示されたようなものがあり、図７（ａ）はそのパッケージの構成を示す縦断面図、図７（ｂ）は上面図である。
従来の表面実装型圧電発振器は、図７（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、表面実装型の圧電振動子１０１と、平板状の配線基板１０２と、球状導体１０３と、発振回路と温度補償回路を構成するディスクリート部品等からなる回路素子１０４と、温度補償回路の補償量や発振周波数を微調整するためのコンデンサ等の調整用回路素子１０５と、を備えており、配線基板１０２の上面に回路素子１０４を実装すると共に該配線基板１０２の上面に配設された球状導体１０３を介して所定の間隙を隔てて圧電振動子１０１を実装したものである。前記配線基板１０２の外形を前記圧電振動子１０１の外形より若干大きめにすることで該圧電振動子１０１と重複しない回路素子実装スペースが確保でき該実装スペースに前記調整用回路素子１０５を配置することにより、圧電振動子１０１を取り外すことなく調整用回路素子１０５の交換、追加といった作業を可能としている。
特開２００３−２２４４２６号公報

近年では圧電発振器の更なる小型化への要求が高まっており、圧電発振器の（平面方向）外形寸法が３．２×２．５ｍｍからそれ以下の大きさへと移行しつつある。そのため、小型化に対応した、即ち実装面積が減少した配線基板（以下「小型配線基板」と示す。）に前記回路素子１０４及び前記調整用回路素子１０５を、特に前記回路素子１０４は所定の発振回路と温度補償回路を構成するために必要な回路素子の種類及び数量があり該回路素子を高密度（狭隣接）実装しなければならないが、チップマウンタ等の生産設備の実装（繰返し）精度を考慮すると高密度化、即ち前記回路素子１０４同士間の実装ピッチの更なる狭小化には限度があることから圧電発振器の更なる小型化への要求を満足することができない。

そこで、前記小型配線基板（の上面）の実装有効面積を確保（及び圧電発振器としての低背化に対応）するために前記球状導体１０３を更に小型化したもの（以下「小型球状導体」と示す。）に交換する手段が考えられる。しかしながら、前記小型球状導体及び前記圧電振動子１０１が有する外部接続端子電極では、はんだ実装後の応力をはんだ接合部に均等に配分させることが困難であり、特に前記外部接続端子電極側のはんだ接合部の応力が大きくなり該はんだ接合部にひび等が発生し圧電発振器としての品質を低下させるという問題がある。

さらに従来の圧電発振器と同様に、前記圧電振動子１０１を取り外すことなく前記調整用回路素子１０５の交換、追加といった作業を実施するには、チップマウンタ等が把持する前記調整用回路素子１０５の移動経路、即ち前記圧電振動子１０１と重複しない前記小型配線基板の実装スペースの上方空間１１０（図５（ａ）中の二点鎖線部分。）を確保するための圧電振動子１０１のはんだ実装後の位置精度の向上が不可欠である。しかしながら、（圧電振動子１０１の）前記外部接続端子電極は略矩形状で且つ（前記小型球状導体の直径断面面積に対して）大面積であるため前記小型球状導体のはんだ接合の特長であるセルフアライメント作用が発生しない。そのため前記圧電振動子１０１の位置がばらつき前記上方空間１１０を確保することが出来ず、前記調整用回路素子１０５の交換、追加といった作業が実施することが出来ない、若しくは交換及び追加作業時に前記圧電振動子１０１を破損させてしまい歩留りを劣化させるという問題がある。

つまり解決しようとする問題点は、小型化に対応し、且つ信頼性の高い表面実装型水晶発振器を提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、上面に少なくとも発振回路を構成する回路素子及び導電性を有する接続部材を実装するための配線パターンを備えると共に下面に外部接続端子電極を備える平板状の第1のプリント配線基板と、上面に少なくとも圧電振動子及び調整用回路素子を実装するための配線パターンを備える共に下面に前記接続部材を導通固定するための内部接続端子を備える第２のプリント配線基板と、を備えており、上面に前記回路素子を実装した前記第1のプリント配線基板の上面と上面に前記圧電振動子及び前記調整用回路素子を実装した前記第２のプリント配線基板の下面との間を前記接続部材を介して一定の間隙を隔てて導通固定する構造を備えたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において、前記第１のプリント配線基板と前記第２のプリント配線基板とを見開き状態に展開したとき、前記接続部材を実装するために第１のプリント配線基板の下面に設けた配線パターンと第２のプリント配線基板の下面に備える前記接内部接続端子とが対称となるように配置されており、前記接続部材を介して前記第１のプリント配線基板と前記第２のプリント配線基板とを接合した際にセルフアライメントにより前記各プリント配線基板を所望の位置にて導通固定できるようにしたことを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項１又は２において、前記接続部材が球状導体であって該球状導体によって導通固定した後の前記第1のプリント配線基板及び前記第２のプリント配線基板の平面外形が略一致すると共に最大平面外形寸法を構成することを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記第1のプリント配線基板及び前記第２のプリント配線基板が樹脂製のプリント配線基板であることを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記調整用回路素子に複数個の表面実装型電子部品を用いていることを特徴とする。

本発明の表面実装型圧電発振器は、２枚のプリント配線基板を略２階建て構造に組み立てることにより、部品実装有効面積を低下させることなく、小型化に対応することが可能となる。さらに前記各プリント配線基板を同一材料にすると共に、該各プリント配線基板同士の導通固定を最適化することで信頼性を向上させることが可能である。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の表面実装型圧電発振器としてのディスクリート型水晶発振器の構成を示す縦断面図、図１（ｂ）は上面図である。
第１の実施形態のディスクリート型水晶発振器（ＴＣＸＯ）１０は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、表面実装型の水晶振動子１（例えばセラミックパッケージに実装したＡＴカット水晶振動素子を該セラミックパッケージ及び金属蓋体によって密閉封止する構造を備える。）と、発振回路と温度補償回路を構成するディスクリート部品等からなる回路素子２と、温度補償回路の補償量や発振周波数を微調整するためのコンデンサ等の調整用回路素子３と、接続部材である球状導体４（例えばはんだボール）と、上面に前記回路素子２及び前記球状導体４を実装するための配線パターン５ａ及び５ｂを備えると共に下面に外部接続端子電極を備える平板状の第1のプリント配線基板５と、上面に少なくとも前記水晶振動子１及び前記調整用回路素子３を実装するための配線パターン（不図示）を備えると共に下面に前記球状導体４実装用の内部接続端子６ａを備える第２のプリント配線基板６と、を備えている。前記第１のプリント配線基板５の上面に前記回路素子２を実装すると共に該回路素子２の実装高さより高い（大きい）直径寸法を有する前記球状導体４を実装し、前記第２のプリント配線基板６の上面に少なくとも前記水晶振動子１及び前記調整用回路素子３を実装し、前記球状導体４を介して前記各配線パターン５ｂ及び前記各内部接続端子６ａに一定の間隙を隔てて導通固定する。

図２は第１の実施形態のディスクリート型水晶発振器に用いた公知の回路ブロック図である。なお同図中の破線部分が第２のプリント配線基板及び該第２のプリント配線基板に実装した部品を示す。
前記水晶発振器１０は、図２に示すように、前記水晶振動子１の一方端と高温側温度補償回路２１の一方端とを、該高温側温度補償回路２１の他方端と低温側温度補償回路２２の一方端とを、該低温側温度補償回路２２の他方端と前記調整用回路素子３の一方端とを電気的に接続する、即ち高温側温度補償回路２１と低温側温度補償回路２２と調整用回路素子３とを直列接続すると共に調整用回路素子３の他方端を接地し、且つ水晶振動子１の他方端を発振回路２３の入力端子に電気的に接続するよう構成したものである。
前記高温側温度補償回路２１は、同図に示すように、サーミスタ２５の一方端と抵抗２６の一方端とを接続すると共に、該サーミスタ２５の他方端及びコンデンサ２７の一方端を前記水晶振動子１の一方端に、且つ前記抵抗２６の他方端及び前記コンデンサ２７の他方端を前記低温側温度補償回路２２の一方端に電気的に接続するよう構成したものである。前記コンデンサ２６及び２７は高温側温度補償回路２１の設定条件に応じて搭載される電子部品である。
前記低温側温度補償回路２２は、同図に示すように、サーミスタ２９、抵抗２８及びコンデンサ３０の各一方端を前記高温側温度補償回路２１の他方端に接続する共に、該サーミスタ２９、該抵抗２８及び該コンデンサ３０の各他方端を前記調整用回路素子３の一方端に電気的に接続するよう構成したものである。前記抵抗２８及びコンデンサ３０は低温側温度補償回路２１の設定条件に応じて搭載される電子部品である。
前記各内部接続端子６ａと該各内部接続端子６ａに対応する前記球状導体４及び前記配線パターン５ｂ、即ち前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６の導通固定部は、図２に示す各接続部に、具体的には前記水晶振動子１の他方端と前記発振回路２３の入力端子との間の接続部２４ａに、前記水晶振動子１の一方端と前記高温側温度補償回路２１の一方端との間の接続部２４ｂに、前記低温側温度補償回路２２の他方端と前記調整用回路素子３の一方端との間の接続部２４ｃ、前記調整用回路素子３の他方端と接地との間の接続部２４ｄに対応する。

このような構造を採用することにより、前記回路素子２を極度の高密度実装することなく水晶発振器を小型化することが可能となる。また、前記水晶振動子１及び前記調整用回路素子３を水晶発振器としての最上部、即ち前記第２のプリント配線基板６の上面に併設することにより前記調整用回路素子３の交換、追加作業の効率が更に向上し、さらに前記第１のプリント配線基板５の上面に前記回路素子２及び前記球状導体４を実装する工程と前記第２のプリント配線基板６の上面に少なくとも前記水晶振動子１を実装する工程とを並行して実施することが可能なことから前記水晶発振器１０の製造リードタイムの短縮ができる、即ち製造及び管理工数等を削減し前記水晶発振器１０の低価格化を実現することが可能である。

前記水晶振動子１及び前記球状導体４（前記第１のプリント配線基板５）の機械的且つ電気的な接続に前記第２のプリント配線基板６が介在することにより、以下の効果が得られる。
第１の効果として、前記水晶振動子１を該水晶振動子１が有する前記外部接続端子電極に最適な配線パターンを前記第２のプリント配線基板６の上面に形成することで水晶振動子１（及び配線パターン）の接合強度及び信頼性を向上させることが可能となる。
第２の効果として、前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６（の絶縁層）の材料を同一にする、例えば（外部の実装基板にも一般的に用いられる）ガラスエポキシ配線基板とし第１及び第２のプリント配線基板５及び６同士（さらに外部の実装基板との）熱膨張係数を略一致させ、且つ前記各内部接続端子６ａ及び前記各配線パターン５ｂの平面形状を同一にすることで、はんだ実装におけるはんだ実装後の応力を前記球状導体４の上下部夫々のはんだ接合部に均等に配分させることが可能となり、該各はんだ接合部の信頼性、例えばヒートサイクルが向上する。なお、前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６にガラスエポキシ配線基板を採用（し所謂２階建て構造を形成）することにより水晶発振器として機械的強度が低下することがあれば、その対策として、（水晶発振器としての高さ寸法仕様を満足するができることを前提として）いずれか一方の前記プリント配線基板の厚みを厚くする、若しくはいずれか一方の前記プリント配線基板にセラミック配線基板を採用する等がある。
第３の効果として、前記各内部接続端子６ａ及び前記各配線パターン５ｂの平面形状を前記球状導体４の直径断面形状と略一致する円形状にすることにより、（球状導体４の）前記はんだ接合部の信頼性が更に向上すると共に球状導体４のセルフアライメント作用を享受し前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６同士のはんだ実装後の（平面方向の）位置のバラツキを抑止することが可能となる。また、（任意の）直線Ｌを基準として前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６を本を見開くように展開した時、前記球状導体４を実装するための前記各内部接続端子６ａ及び前記各配線パターン５ｂが対称の位置関係となるようにすると、前記セルフアライメント効果を享受することによって第１及び第２のプリント配線基板５及び６が互いに所望の位置関係となるように正確に導通固定することができる。よって、前記第１及び第２のプリント配線基板５及び６の平面外形が前記直線Ｌに対して対称となる（対称な図形をなす）ようにすることで、第１及び第２のプリント配線基板５及び６の平面外形寸法を前記水晶発振器としての平面外形寸法と略一致するまで拡大し該第１及び第２のプリント配線基板５及び６の実装有効面積を拡張することが可能となる。

図３は本発明の第２の実施形態の表面実装型圧電発振器としてのディスクリート型水晶発振器の上面図であって、図４は第２の実施形態のディスクリート型水晶発振器に用いた回路ブロック図である。なお図４中の破線部分が第２のプリント配線基板及び該第２のプリント配線基板に実装した部品を示す。
第２の実施形態の水晶発振器が第１の実施形態と異なる点は、複数の調整用回路素子を採用し該各調整用回路素子を（水晶振動子と共に）第２のプリント配線基板の上面に実装した点にある。
第２の実施形態の水晶発振器１１は、図３に示すように、平面外形寸法３．２×２．５ｍｍの第２のプリント配線基板３６上面の一方短辺部に平面外形寸法２．５×２．０ｍｍの水晶振動子３１の一方長辺部が近接し、第２のプリント配線基板３６上面の他方短辺部近傍に形成されるスペース４０（約３．２×１．２ｍｍ）に第１及び第２の調整用回路素子３３ａ及び３３ｂを実装する（図４に示すように、前記低温側温度補償回路２１と接地との間で並列接続される。）。該第１の調整用回路素子３３ａが粗調整用として、例えば静電容量値が１０乃至１００ｐＦのコンデンサを用い、該第２の調整用回路素子３３ｂが微調整用として、例えば静電容量値が１０ｐＦ未満のコンデンサを用いることで調整精度、補償精度を向上させることが可能である。

図５は本発明の第３の実施形態の表面実装型圧電発振器としてのディスクリート型水晶発振器の上面図であって、図６は第３の実施形態のディスクリート型水晶発振器に用いた回路ブロック図である。なお図６中の破線部分が第２のプリント配線基板及び該第２のプリント配線基板に実装した部品を示す。
第３の実施形態の水晶発振器が第１及び第２の実施形態と異なる点は、複数の調整用回路素子（及び水晶振動子）と共に温度補償回路を構成する回路素子の一部を第２のプリント配線基板の上面に実装した点にある。
第３の実施形態の水晶発振器１２は、図５に示すように、前記第１及び第２の調整用回路素子３３ａ及び３３ｂに所謂０６０３サイズ（平面外形寸法０．６×０．３ｍｍ）のチップコンデンサを採用し該第１及び第２の調整用回路素子３３ａ及び３３ｂの長辺部を第２のプリント配線基板５６上面の前記スペース４０の短手方向に沿って互いに近接するように実装しており、前記スペース４０の前記第１及び第２の調整用回路素子３３ａ及び３３ｂが実装されていない領域、即ち０６０３サイズのチップ部品であれば２個実装することが可能な領域に（前記回路素子２の一部である）０６０３サイズの前記コンデンサ２７及び３０を実装する構造を備える。なお、前記水晶発振器１２における前記第１及び第２のプリント配線基板の導通固定部（前記各内部接続端子と該各内部接続端子に対応する前記球状導体及び前記配線パターン）は、図６に示す各接続部６４ａ乃至６４ｆに対応し６箇所となる。

第１乃至第３の実施形態では、前記回路素子２及び前記球状導体４を実装した第１のプリント配線基板部（下段部）を共通化すると共に、互いに周波数や外形寸法が異なる水晶振動子を、若しくは水晶振動子を変更してＳＡＷフィルタと、若しくは（第３の実施形態における）互いに容量値が異なる前記コンデンサ２７及び３０を、若しくは（第３の実施形態における第１及び第２の調整用回路素子と共に）第３及び第４の調整用回路素子を実装した（互いに仕様が異なる）複数の第２のプリント配線基板部（上段部）を用意し、客先仕様に応じて選択した前記上段部と（共通部品である）前記下段部との組み合わせることで（互いの出力周波数、補償条件、若しくは補償精度の仕様が異なるといった）複数の水晶発振器若しくはＳＡＷ発振器を製作することが容易に実施できる。

平板状の金属板を前記水晶発振器１０乃至１２の最上面、即ち前記水晶振動子及び前記調整用回路素子を被うように載置すると共に該水晶振動子の上面に固着し、該金属板の上面に水晶発振器としての品名、規格等をマーキングしても構わない。さらに前記金属板と前記水晶振動子１の上面との接続に、例えば導電性接着剤によって機械的且つ電気的に接続することで、前記水晶振動子１、前記球状導体４や前記第１のプリント配線基板（及び該第１のプリント配線基板に内在するシールド層）等を介して接地することでシールド効果を得ることが可能である。

前記球状導体を該球状導体の直径より大きい（高い）柱状の導電部材に交換することで実装高さが最も高い前記回路素子の上面と前記第２のプリント配線基板の下面との間隙が拡張させ、該間隙の拡張部分を利用し前記第２のプリント配線基板の下面に前記回路素子２の一部を実装しても構わない。

前記第１及び第２のプリント配線基板の機械的及び電気的に接続する手段として前記球状導体４を用いたが、少なくとも電気的導通があるもので構わないことから、例えば抵抗、コンデンサ等の電子部品（ＳＭＤ）やリード端子であっても構わない。

ＴＣＸＯを用いて本発明を説明したが、本発明は前記調整回路用電子部品５（発振周波数調整回路）に自動周波数制御（ＡＦＣ）回路を付加した所謂ＶＣ−ＴＣＸＯにも適用が可能である。さらにＶＣＸＯ、ＳＰＸＯ、ＯＣＸＯ等のデバイスに適用できることは云うまでもない。

ＡＴカットの水晶振動素子を用いて本発明を説明したが、本発明はＡＴカットに限定するものではなくＢＴカット、ＣＴカット、ＤＴカット、ＳＣカット、ＧＴカット等のカットアングルの水晶基板に適用できることは云うまでもない。

また本発明は、水晶振動子（水晶振動素子）のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材料を用いた振動子（振動素子）に適用できることは云うまでもない。

ガラスエポキシ配線基板（さらにセラミック配線基板）を用いて本発明を説明したが、本発明は絶縁層としてガラスエポキシ材（さらにセラミック材）に限定するものではなく
フッ素樹脂、ハロゲン、ポリイミド等のその他の樹脂材料を用いた配線基板に適用できることは云うまでもない。

本発明の第１の実施形態の水晶発振器の構成図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は上面図である。 第１の実施形態の水晶発振器に用いた公知の回路ブロック図である。 本発明の第２の実施形態の水晶発振器の上面図である。 第２の実施形態の水晶発振器に用いた回路ブロック図である。 本発明の第３の実施形態の水晶発振器の上面図である。 第３の実施形態の水晶発振器に用いた回路ブロック図である。 従来の水晶発振器の構成図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は上面図である。

符号の説明

１・・水晶振動子
２・・回路素子
３・・調整用回路素子
４・・球状導体
５・・第１のプリント配線基板
５ａ、５ｂ・・配線パターン
６・・第２のプリント配線基板
６ａ・・内部接続端子
１０、１１・・水晶発振器
２１・・高温側温度補償回路
２２・・低温側温度補償回路
２３・・発振回路
２４ａ〜２４ｄ・・接続部
２５・・サーミスタ
２６・・抵抗
２７・・コンデンサ
２８・・抵抗
２９・・サーミスタ
３０・・コンデンサ
３３ａ・・第１の調整用回路素子
３３ｂ・・第２の調整用回路素子
３６・・第２のプリント配線基板
４０・・スペース
５６・・第２のプリント配線基板
６４ａ〜６４ｆ・・接続部
１０１・・圧電振動子
１０２・・配線基板
１０３・・球状導体
１０４・・回路素子
１０５・・調整用回路素子
１１０・・上方空間

Claims (5)

1. 上面に少なくとも発振回路を構成する回路素子及び導電性を有する接続部材を実装するための配線パターンを備えると共に下面に外部接続端子電極を備える平板状の第1のプリント配線基板と、上面に少なくとも圧電振動子及び調整用回路素子を実装するための配線パターンを備える共に下面に前記接続部材を導通固定するための内部接続端子を備える第２のプリント配線基板と、を備えており、
   上面に前記回路素子を実装した前記第1のプリント配線基板の上面と上面に前記圧電振動子及び前記調整用回路素子を実装した前記第２のプリント配線基板の下面との間を前記接続部材を介して一定の間隙を隔てて導通固定する構造を備えたことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記第１のプリント配線基板と前記第２のプリント配線基板とを見開き状態に展開したとき、前記接続部材を実装するために第１のプリント配線基板の下面に設けた配線パターンと第２のプリント配線基板の下面に備える前記接内部接続端子とが対称となるように配置されており、前記接続部材を介して前記第１のプリント配線基板と前記第２のプリント配線基板とを接合した際にセルフアライメントにより前記各プリント配線基板を所望の位置にて導通固定できるように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. 前記接続部材が球状導体であって該球状導体によって導通固定した後の前記第1のプリント配線基板及び前記第２のプリント配線基板の平面外形が略一致すると共に最大平面外形寸法を構成す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. 前記第1のプリント配線基板及び前記第２のプリント配線基板が樹脂製のプリント配線基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面実装型圧電発振器。
5. 前記調整用回路素子に複数個の表面実装型電子部品を用いていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面実装型圧電発振器。
   
   

Images