JP2007142947A - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 低背化を妨げることなく、より安定した発振回路特性が得られるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することにある。
【解決手段】 ベース１と蓋４を有する表面実装型圧電発振器であって、集積回路素子２と、圧電振動板３と、前記集積回路素子を収納する第１の収納部と、前記圧電振動板の一端部を保持する保持台が形成された第２の収納部と、堤部とを有してなるベースと、前記ベースに被せて気密封止してなる金属蓋とを具備してなり、前記ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、前記非能動回路面側のほぼ全面に導体膜２２が形成され、導通路２２２を介して集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミックベース上に集積回路素子と圧電振動板とが実装され、発振回路を構成してなる圧電発振器に関するものであって、表面実装型圧電発振器の電気的性能を改善するものである。

特許文献１に示すように、圧電発振器は部品の表面実装化の要求から、周囲に堤部が形成されたセラミックベースの収納部に圧電振動板を収納し、ろう材が形成された金属蓋を被せ、溶接により気密的に封止するパッケージ構成が一般的である。近年、携帯用電子機器、例えば携帯電話器は軽量、薄型、小型化が進んでいる。これに伴って、セラミックベースもより小型化されたものが開発され、圧電発振器も小型化されているのが現状である。特に、セラミックベースの1つの収納部に集積回路素子と圧電振動板を上下に並べて配置するとともに、集積回路素子の能動回路面を下面に向けて搭載するフェイスダウンボンディング技術による集積回路素子をセラミックベースに収納する場合、圧電振動板の収納部と集積回路素子の収納部の間に前記集積回路素子のワイヤーボンディングを接続する中段の収納部が不要となるので、より小形化に好ましい形態となる。
特開２００２−１５８５５８号

しかしながら、セラミックベースの1つの収納部に集積回路素子と圧電振動板を上下に並べて配置する構成では、集積回路素子と圧電振動子の間に電磁気的な信号を遮蔽するものが何もないので、集積回路素子で発生した高周波ノイズが圧電振動板の励振電極に伝播してしまい（いわゆるアンテナ効果）、結果として、発振回路に変動が生じて発振周波数に短い周期で揺らぎが生じて発振回路特性を不安定なものとする現象が生じていた。この現象は、周波数が高ければ高いほどその影響度が増大するものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低背化を妨げることなく、より安定した発振回路特性が得られるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は次の構成により実現をすることができる。

すなわち請求項１に示すように、ベースと蓋を有する表面実装型圧電発振器であって、
圧電発振回路を構成してなる集積回路素子と、
励振電極が形成された圧電振動板と、
上面に複数の前記集積回路素子用の配線パターンが形成されるとともに前記集積回路素子を収納する第１の収納部と、第１の収納部の上部に前記圧電振動板の一端部を導電性接合材により保持するとともに上面に一対の配線パターンを有する保持台が形成された第２の収納部と、前記第１の収納部と第２の収納部の周囲に形成された堤部とを有してなるベースと、
前記ベースに被せて気密封止してなる金属蓋とを具備してなり、
前記ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、
前記非能動回路面側のほぼ全面に導体膜が形成されてなり、当該導体膜は、当該集積回路素子に設けられた少なくとも一つの導通路を介して集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されてなることを特徴とする。

また、請求項２に示すように、上記構成に加えて、前記圧電振動板の励振電極のうち集積回路素子の出力端子に接続される励振電極を、集積回路素子に対向配置してなることを特徴とする。

また、請求項３に示すように、上記構成に加えて、前記導体膜の材質が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕからなることを特徴とする。

また、請求項４に示すように、上記構成に加えて、前記導体膜は、チタン、タングステンの下地膜を介して形成されていることを特徴とする。

特許請求項１により、前記絶縁性ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、前記非能動回路面側のほぼ全面に導体膜が形成されてなり、当該導体膜は、当該集積回路素子に設けられた導電路を介して集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、絶縁性ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されているので、集積回路素子で発生した高周波ノイズは、前記導体膜により取り出され、インピーダンスが低い固定電位であるグランド端子に誘導され除去することができる。つまり、集積回路素子と圧電振動板の間に電磁界的な遮蔽が行われ、結果として、高周波ノイズが圧電振動板の励振電極に伝播することがないので、発振周波数が安定化する。加えて、前記導電膜の導通経路として、集積回路素子自身に設けられた導電路により、集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、絶縁性ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されているので、集積回路素子と圧電振動板の間に導電経路が一切存在することがないので、電磁界的な遮蔽をより完全なものとすることができる。

また、前記導電膜の導通経路を、ワイヤーボンディング等の他の線状部材により導電膜から絶縁性ベースのグランド端子に配設すると、前記線状部材自体がインダクターとなって導電膜のインピーダンスが高くなり十分な電磁遮蔽機能が得られず、発振回路特性に悪影響を与えることがあるが、集積回路素子に設けられた導電路で構成するとしているので、インダクターとして作用することがなくなり発振回路特性をより安定化させることができる。さらに、導電路としてビアやキャスタレーションにより構成することで、ウェハー単位で多数個の集積回路素子に導通経路も同時に一括加工することができるので、より安価に作ることができる。

以上により、低背化を妨げることなく、より安価で、より安定した発振回路特性が得られるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することができる。

特許請求項２により、上述の作用効果に加え、集積回路素子に対向配置する圧電振動板の励振電極を、集積回路素子内の発振回路でインピーダンスがより低く、ノイズに対する感度がより小さい出力端子に接続しているので、集積回路素子で発生した高周波ノイズによる悪影響を受けにくい配置とすることでき、加えて、当該圧電振動板の励振電極と前記集積回路素子の導電膜での浮遊容量の影響も軽減することができるので、さらなる発振周波数の安定化が行えうことができるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することができる。

特許請求項３により、上述の作用効果に加え、前記導体膜の材質が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕからなるので、低コストで、安定した、耐マイグレーション性能の高い導電膜を形成する事ができる。

特許請求項４により、上述の作用効果に加え、前記導体膜は、チタン、タングステンの下地膜を介して形成されているので、半導体のシリコン成分と導電膜との密着度を確保しながら、Ａｌの拡散を防止することができる。

以下、本発明による好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。本発明による第１の実施の形態につき表面実装型水晶発振器を例にとり図１乃至図２とともに説明する。図１は本発明の実施の形態を示す平面図である。図２は図１のセラミックベースに圧電振動板を搭載した状態の平面図（ａ）と、その平面図のＡ−Ａ線に沿って金属蓋をした状態の断面図（ｂ）である。表面実装型水晶発振器は、上部が開口した凹部を有するセラミックベース（絶縁性ベース）１と、当該セラミックベースの中に収納される集積回路素子２と、同じく当該セラミックベース中の上部に収納される圧電振動板３と、セラミックベースの開口部に接合される金属蓋４とからなる。

セラミックベース１は全体として直方体で、アルミナ等のセラミックとタングステン等の導電材料を適宜積層した構成であり、断面でみて凹形の収納部１０を有する構成である。収納部１０は下部側に第１の収納部１０ａと上部側に第２の収納部１０ｂが形成されている。収納部周囲には堤部１１が形成されており、堤部１１の上面は平坦であり、当該堤部上に封止部材としての周状の第１の金属層１１ａが形成されている。当該第１の金属層１１ａの上面も平坦になるよう形成されており、例えば、タングステン、ニッケル、金の順で金属膜層を構成している。タングステンは厚膜印刷技術を活用してメタライズ技術によりセラミック焼成時に一体的に形成され、またニッケル、金の各層はメッキ技術により形成される。

セラミックベース側端部には上下方向に伸長する複数のキャスタレーションが形成されている。当該キャスタレーションは円弧状の切り欠きが上下方向に形成された構成である。なお、前記第１の金属層１１ａはセラミックベースの角部の堤部を上下に貫通接続する図示しない導電ビアにより、セラミックベース下面に形成された外部接続電極（図示せず）に電気的に導出されている。当該外部導出電極をアース接続することにより、後述の金属蓋が金属層１１ａ、導電ビアを介して接地され、電子部品の電磁気的なシールド効果を得ることができる。なお、前述のとおり、当該導電ビアは周知のセラミック積層技術により形成することができる。

セラミックベース１内部において、下方面には前述のとおり集積回路素子２を収納する第１の収納部１０ａと、後述する圧電振動板の一端を保持する保持台１０ｃが形成されており、前記第１の収納部１０ａの上方には、保持台１０ｃに搭載された圧電振動板を収納する第２の収納部１０ｂが形成されている。

各配線パターンは導電ビアにより反対面にあるセラミックベース下面に形成された外部接続端子電極（図示せず）にそれぞれ入出力端子として引き出される。また、前記第１の収納部１０ａの底面部分には、集積回路素子２との配線パターン１６ａが複数並んで形成されている。このような構成のセラミックベースは周知のセラミック積層技術やメタライズ技術を用いて形成され、配線パターンは前述の金属層１１ａ形成と同様にタングステン等によるメタライズ層の上面にニッケルメッキ層、金メッキ層の各層が形成された構成である。

前記下部収納部に搭載される集積回路素子２は、圧電振動板３とともに発振回路を構成する１チップ集積回路素子であり、全体として直方体形状である。その下側の能動回路面２１には接続端子（図示せず）が複数形成され、その上面の非能動回路面２２には、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、あるいはＡｌ−Ｃｕからなる導電膜２２１が、チタン、タングステン等の下地材料を介して、スパッタリング法により形成されており、当該導体膜２２１は集積回路素子２に設けられたビア２２２（導電路）を介して、集積回路素子の能動回路面２１側の接続端子に引き出されている。ビア２２２は、例えば、フォトリソ加工などにより集積回路素子にスルーホールを形成し、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜を形成した後に、Ｃｕ等の導電材料を充填することで構成することができる。あるいはＣｕメッキ法等により構成することもできる。これらの加工は、前記集積回路素子２をウェハー状態で作成する際に一括形成することができる。また、導電路としてビアに限らずキャスタレーションでも特の問題ない。この場合、スクライブラインをまたぐ大径のスルーホールを形成し、ＳｉＯ２膜等の絶縁層形成した後に、Ｃｕメッキ法等で形成することで得られる。なお、前記導電膜２２１の上面には、必要に応じて絶縁性の保護膜等を形成してもよく、必ずしも集積回路素子の非能動回路面に露出している必要はない。つまり、導電膜は集積回路素子の非能動回路面側のほぼ全面に形成されていればよい。前記セラミックベースの複数の配線パターン１６ａと集積回路素子２の接続端子との接合は、周知のフェイスダウンボンディング技術により電気的機械的な接合が行われるが、必要に応じて集積回路素子２と第１の収納部１０ａの底面間には、絶縁性樹脂材によるアンダーフィルを形成してもよい。アンダーフィルの形成により集積回路素子２の機械的接合強度を向上させることができる。なお、前記ビア２２２を介して集積回路素子の能動回路面２１側に引き出された接続端子は、セラミックベースの配線パターン１６ａのうちグランド端子に接続されている。

以上のように構成しているので、集積回路素子２で発生した高周波ノイズは、前記グランド端子に接続された導体膜２２１に取り出され、インピーダンスが低い固定電位であるグランド端子に誘導され除去することができる。つまり、集積回路素子２と圧電振動板３の間に電磁界的な遮蔽が行われ、結果として、高周波ノイズが圧電振動板の励振電極に
伝播することがないので、発振周波数が安定化する。また、前記導電膜２２１の導通経路を、半導体材料に埋め込まれたビア２２２で構成しているので、インピーダンスの低い固定電位の電磁遮蔽膜を実現することができる。なお、本発明の形態に限らず、複数の導電経路を設置することによりこの効果は更に増加することができる。加えて、前記導電膜の導通経路として、集積回路素子自身に設けられた導電路により、集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、絶縁性ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されているので、集積回路素子と圧電振動板の間に導電経路が一切存在することがないので、電磁界的な遮蔽をより完全なものとすることができる。

前記集積回路素子２の上方には所定の間隔を持って圧電振動板３が搭載される。圧電振動板３は例えば矩形状のＡＴカット水晶振動板であり、その表裏面に対向して一対の矩形状励振電極３１，３２（３１のみ図示）と、当該励振電極を水晶振動板の一端部へ引き出す引出電極３３，３４とが形成されている。これら各電極は真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成手段により形成することができる。

圧電振動板３とセラミックベース１との接合は、例えば導電性接合材Ｓを配線パターン１２，１３の上面にディスペンサの塗布ノズルから適量供給される。その後圧電振動板２を配線パターン１２，１３に搭載する。これにより圧電振動板の引出電極と配線パターンとは電気的機械的接続されるが、必要に応じて搭載した圧電振動板の引出電極部分に再度導電性接合材（図示せず）を上塗り塗布してもよい。なお、導電性接合材Ｓはペースト状であり、例えば銀フィラー等の金属微小片を含有するシリコーン系導電樹脂接着剤をあげることができるが、シリコーン系以外に例えば、ウレタン系、イミド系、ポリイミド系、エポキシ系の導電樹脂接着剤を用いることができる。

そして、図２（ｂ）、および図３に示すように、前記圧電振動板の励振電極３２を前記集積回路素子２の発振回路でインピーダンスがより低く、ノイズに対する感度がより小さい出力端子に接続するとともに、当該励振電極３２を、前記集積回路素子２の非能動回路面２２に対向配置している。このように構成することで、集積回路素子２で発生した高周波ノイズによる悪影響を受けにくい配置とすることでき、加えて、当該圧電振動板の励振電極３２と前記集積回路素子の導電膜２２１での浮遊容量の影響も軽減することができる。

セラミックベースを気密封止する金属蓋４は、例えば、コバール等からなるコア材に金属ろう材等の封止材が形成された構成であり、より詳しくは、例えば上面からニッケル層、コバールコア材、銅層、銀ろう層の順の多層構成であり、銀ろう層がセラミックベースの第１の金属層と接合される構成となる。金属蓋の平面視外形はセラミックベースの当該０外形とほぼ同じであるか、若干小さい構成となっている。なお、銀ろうに限らず、ニッケルメッキを封止用ろう材とする構成であってもよい。

セラミックベース１の収納部１０に集積回路素子２と圧電振動板３を格納し、前記金属蓋４にて被覆し、金属蓋の封止材とセラミックベースの封止用部材を溶融硬化させ、気密封止を行う。本実施の形態においては、封止用の金属リングを用いないシーム溶接による気密封止を行っており、前記金属蓋の長辺と短辺の稜部に沿ってシームローラを走行させることで、金属蓋に形成された銀ろうとセラミックベース１の第１の金属層１１ａを溶接させ、気密封止が行われる。以上により、本形態による表面実装型水晶発振器（表面実装型圧電発振器）の完成となる。

上記実施形態では、封止用の金属リングを用いないシーム溶接による気密封止を例にしているが、封止用の金属リングを用いてもよく、レーザーや電子ビームなどのビーム封止や、封止材としてガラスを用いたガラス封止、金錫などのろう材封止であってもよい。

本発明は、その精神または収容な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の実施形態を示す平面図である。 図１のセラミックベースに大型の圧電振動板を搭載した状態の平面図（ａ）と、その平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図（ｂ）である。 本発明の実施形態を示す回路図である。

符号の説明

１ セラミックベース
２ 集積回路素子
３ 圧電振動板
４ 圧電振動板
Ｓ 導電性接合材

Claims (4)

1. ベースと蓋を有する表面実装型圧電発振器であって、
   圧電発振回路を構成してなる集積回路素子と、
   励振電極が形成された圧電振動板と、
   上面に複数の前記集積回路素子用の配線パターンが形成されるとともに前記集積回路素子を収納する第１の収納部と、第１の収納部の上部に前記圧電振動板の一端部を導電性接合材により保持するとともに上面に一対の配線パターンを有する保持台が形成された第２の収納部と、前記第１の収納部と第２の収納部の周囲に形成された堤部とを有してなるベースと、
   前記ベースに被せて気密封止してなる金属蓋とを具備してなり、
   前記ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、
   前記非能動回路面側のほぼ全面に導体膜が形成されてなり、当該導体膜は、当該集積回路素子に設けられた導通路を介して集積回路素子の能動回路面側に引き出されて、ベースの配線パターンのうちグランド端子に接続されてなることを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記圧電振動板の励振電極のうち集積回路素子の出力端子に接続される励振電極を、集積回路素子に対向配置してなることを特徴とする特許請求項１記載の表面実装型圧電発振器。
3. 前記導体膜の材質が、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｃｕからなることを特徴とする特許請求項１〜２のうちいずれか１項記載の表面実装型圧電発振器。
4. 前記導体膜は、チタン、タングステンの下地膜を介して形成されていることを特徴とする特許請求項３項記載の表面実装型圧電発振器。
   

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