JP2007180604A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】低背化に最適な構造を有するとともに安定的に動作する小型の圧電発振器を提供する。
【解決手段】圧電振動素子と、圧電振動素子の発振周波数に基づいて発振信号を出力する発振用ＩＣ２とを備え、前記発振用ＩＣ２を支持基体１に封止部材を介して接合することにより前記発振用ＩＣ２と前記支持基体１との間に封止空間１７を形成するとともに、前記封止空間１７内に前記圧電振動素子を収容してなる圧電発振器であって、前記発振用ＩＣ２の上面側が遮蔽層１５で被覆されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる圧電発振器に関するものである。

従来、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）に代表される圧電発振器は、携帯電話等の電子機器内に組み込まれ、タイミングデバイスとして用いられている。

かかる従来の圧電発振器は図１１に示す如く、圧電振動素子１０３を空所１０６内に収容した第１の支持基体１０１と圧電振動素子１０３を駆動するための発振用ＩＣ１０２を空所１０７内に収容した第２の支持基体１０４とで構成され、第１の支持基体１０１が第２の支持基体１０４上に積み重ねられた構造を有している（例えば、特許文献１参照）。

第１の支持基体１０１に設けられている空所１０６は金属製の蓋体１０５で塞がれ、蓋体１０５と第１の支持基体１０１とは従来周知のシーム溶接(抵抗溶接)等により接合されている。この接合により、圧電振動素子１０３の収容領域の気密性が確保され、圧電振動素子１０３の電気的特性が安定に保たれる。

しかしながら、かかる従来の圧電発振器では、第１の支持基体１０１内に圧電振動素子１０３を収容するための領域を、第２の支持基体１０４内に発振用ＩＣ１０２を収容するための領域をそれぞれ確保する必要があり、しかも、圧電振動素子１０３の収容領域を塞ぐ為の蓋体が別途必要となるため、圧電発振器の全体構造が大型化してしまうという問題があった。

そこで上記第２の支持基体１０４を省略した構造として、図１２に示す如く、圧電振動素子２０３を覆うための蓋体の代わりとして発振用ＩＣ２０２を用いることにより、圧電発振器の小型低背化を図ることが考え出されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０-９８１５１号公報 特開２００３-３３２８４４号公報

しかし、特許文献２に示す圧電発振器は、発振用ＩＣ２０２を蓋体として用いたことにより、発振用ＩＣ２０２が外部に露出した状態となる。このため、発振用ＩＣ２０２が外部からの不要な電磁波の影響を受け易く、かかる電磁波によって、発振用ＩＣ２０２が誤動作を起こすなどして、圧電発振器の動作が不安定になってしまうという欠点を有していた。

本発明は、上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、安定的に動作する小型の圧電発振器を提供することにある。

本発明の圧電発振器は、圧電振動素子と、該圧電振動素子の発振周波数に基づいて発振信号を出力する発振用ＩＣとを備え、前記発振用ＩＣを支持基体に封止部材を介して接合することにより前記発振用ＩＣと前記支持基体との間に封止空間を形成するとともに、前記封止空間内に前記圧電振動素子を収容してなる圧電発振器であって、前記発振用ＩＣの上面側が遮蔽層で被覆されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記発振用ＩＣと前記遮蔽層との間に密着層が介在されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記発振用ＩＣと前記支持基体とを電気的に接続する導電部材が設けられ、該導電部材が絶縁部材で被覆されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記発振用ＩＣと前記遮蔽層との間に密着層が介在されるとともに、前記発振用ＩＣと前記支持基体とを電気的に接続する導電部材が前記封止空間の外側に設けられており、前記導電部材の形成領域まで前記密着層が延出され、該密着層の延出部により前記導電部材が被覆されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記発振用ＩＣの側面側が前記遮蔽層で被覆されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記遮蔽層が保護層で被覆されていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記遮蔽層が前記支持基体に設けられたグランド端子と電気的に接続されている。

請求項１の発明によれば、発振用ＩＣの上面側が遮蔽層で被覆されていることにより、外部から発振用ＩＣの回路に侵入しうる電磁波が遮蔽層表面で反射されたり内部で吸収されたりすることで弱められるため、電磁波の発振用ＩＣ内部への侵入によるノイズの発生が抑えられ、発振用ＩＣの誤動作などを防止することができる。これによって圧電発振器の発振特性を安定化させることができる。

請求項２の発明によれば、発振用ＩＣと遮蔽層との間に密着層が介在されているので、密着層がないときに比べ遮蔽層が剥離しにくくなり、発振用ＩＣを長期に渡り遮蔽層で良好に被覆できる。

請求項３の発明によれば、発振用ＩＣと支持基体の回路とを電気的に接続する導電部材が設けられ、導電部材が絶縁部材で被覆されているので、かかる導電部材が他の導体物などと短絡するのを防ぐことができる。

請求項４の発明によれば、発振用ＩＣと遮蔽層との間に密着層が介在されるとともに、発振用ＩＣと支持基体の回路とを電気的に接続する導電部材が封止空間の外側に設けられており、導電部材の形成領域まで密着層が延出され、該密着層の延出部により導電部材が被覆されているので、絶縁体たる密着層が導電部材を被覆することで、導電部材と圧電発振器外部との電流の短絡を防ぐことができる。

請求項５の発明によれば、発振用ＩＣの側面側が遮蔽層で被覆されているので、発振用ＩＣの上面側のみ被覆した場合に比し発振用ＩＣのより大きな面積が遮蔽層により遮蔽される。従って、発振用ＩＣの誤作動を引き起こす原因となり得る電磁波の発振用ＩＣ内部への侵入がさらに有効に防止され、発振用ＩＣの動作が安定化する。

請求項６の発明によれば、遮蔽層が保護層で被覆されているので、遮蔽層が外気に触れるのを防ぎ、遮蔽層が酸化するのを抑えることができる。

請求項７の発明によれば、遮蔽層が支持基体に設けられたグランド端子と電気的に接続されているので、遮蔽層をグランド電位に保つことができる。

そのため、遮蔽層によるシールド効果が高まり、これによって、発振用ＩＣの動作がより安定化する。

以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。

初めに、第１の実施形態について説明する。図１は本発明の圧電発振器を水晶発振器に適用した一実施形態を示す分解斜視図、図２は図１の水晶発振器の断面を示す構造図である。

本実施形態の水晶発振器は、支持基体１と、圧電振動素子としての水晶振動素子３と、水晶振動素子３を駆動するための発振用ＩＣ２とからなっている。

支持基体１は、平板部１ａと平板部１ａ上に積層された環状支持部１ｂとから構成されている。この支持基体１は、ガラス−セラミック、アルミナセラミックス等のセラミック材料、樹脂等の有機材料より成る複数の絶縁層を積層した構造となっている。例えば、アルミナセラミックスの原料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合した上で、これを従来周知のドクターブレード法等により所定形状に成形することにより、セラミックグリーンシートを得、その表面や隣接する絶縁層間に所定の配線導体となる導体ペーストを所定パターンに塗布し、これを複数枚積層して、高温で焼成することにより作製される。

支持基体１には、所定の回路を形成するための配線及び配線同士を電気的に接続するための内部のビアホール導体等が設けられ、また支持基体１の下面にはグランド端子をはじめとする複数個の外部端子８（グランド端子以外に、ＶＣＣ端子、発振出力端子、発振制御端子など）が設けられている。

これらの外部端子８とマザーボード（図示せず）に設けられたパッドとを半田等で接続することにより、水晶発振器がマザーボードに電気的・機械的に接続されることとなる。

このような支持基体１に載置される発振用ＩＣ２としては、例えば、フリップチップ型のＩＣチップを用いる。発振用ＩＣ２は、単結晶シリコン等から成る基体の下面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子３の温度特性を補償する温度補償データを格納するとともに該温度補償データに基づいて水晶振動素子３の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等が集積化されている。

また、発振用ＩＣ２は、支持基体１に対向する面（接合面側）に電極パッド１０が形成されている。また、支持基体１の環状支持部１ｂ上には、所定配線の一部である接続パッド９が形成されている。そして、発振用ＩＣ２の電極パッド１０は、支持基体１の接続パッド９とを導電性部材によって接合されている。導電性接合材１１としては、例えば半田等の金属からなるロウ材が好適に用いられる。

また、支持基体１の一部である環状支持部１ｂの上には、接続パッド９が独立して形成されており、導電性接合材１１間に間隙が形成されてしまう。そして、この間隙を充填するように、絶縁性を有する封止部材５が配置されている。

これにより、発振用ＩＣ２と支持基体１との間の接合強度を向上させることができ、さらに、発振用ＩＣ２と支持基体１との間の封止空間１７を気密封止することができる。尚、水晶振動子３が配置されるこの封止空間１７必要に応じてＮ_２雰囲気に保たれる。

また、この封止部材５の構造としては、発振用ＩＣ２の接合面（以下、単に下面という。）外周域で電極パッド１０の形成位置よりも外側の領域に形成された環状電極パターン１９を形成するとともに、支持基体１の環状支持部１ｂ上で接続パッド９の形成位置よりも外側の領域に形成された環状導体層２０を形成しておき、環状電極パターン１９と環状導体層２０とを電気的・機械的に接続する封止材２１を設けてもよい。

封止材２１を設けても良い。この環状電極パターン１９は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属からなる。また、環状支持部１ｂ上に形成された環状導体層２０は、環状支持部１ｂ上面に形成されたタングステン（Ｗ）または、モリブデン（Ｍｏ）等の金属材料から成るメタライズ層と、メタライズ層の上面に形成されたニッケル（Ｎｉ）層と、ニッケル（Ｎｉ）層の上面に形成された金（Ａｕ）層とからなる。さらにまた、封止材２１として、金錫（Ａｕ−Ｓｎ）ペースト等のロウ材が好適に用いられる。環状電極パターン１９と環状導体層２０とをロウ付けする際に金錫ペーストにより形成される金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜４０μｍであり、また、成分比率は、おおよそ、金が８０％、錫が２０％である。

水晶振動素子３は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の振動電極が形成されている。そして、外部からの一対の振動電極に所定電位を印加すると所定の周波数で厚みすべり振動を起こし、この振動に基づく信号が発振信号として出力されることとなる。

水晶振動素子３は、例えば、発振用ＩＣ２の下面中央域に設けられた搭載パッド１２に導電性接着剤１３を介し、水晶振動素子３の振動電極が電気的に接続されるように搭載されている。

このようにして、発振用ＩＣ２の下面に水晶振動素子３を実装させると、支持基体１の底面上に水晶振動素子３を搭載した場合に比して、発振用ＩＣ２と水晶振動素子３とを接続する配線の長さが著しく短縮されるので、配線抵抗に起因した容量の発生を有効に防止することができ、設計値に近い発振特性が得られる。

発振用ＩＣ２の非接合主面（以下、単に上面という。）、下面との直交面（以下、単に側面という。）、並びに支持基体１の側面は、エポキシやポリイミド等の樹脂材料よりなる密着層１４により被覆されている。樹脂材料は、絶縁性の樹脂が望ましいものの、導電性接合材であっても良い。また、密着層１４は封止部材５の外側表面まで延在しており、封止部材５の外表面を被覆している。

さらに、密着層１４表面には、遮蔽層であるアルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等よりなる金属層１５が形成され、さらに、金属層１５表面には、エポキシやポリイミド等の樹脂よりなる保護層１６が形成されている。

発振用ＩＣ２の上面側が金属層１５で被覆されていることにより、外部から発振用ＩＣ２の回路に侵入しうる電磁波が、金属層１５の表面で反射されたり内部で吸収されたりすることで弱められるため、発振用ＩＣ２の外部から発振用ＩＣ２の内部に電磁波が侵入することによって発生するノイズが減少し、発振用ＩＣ２の誤動作などを防止することができる。これによって圧電発振器の発振特性を安定化させることができる。

さらに、発振用ＩＣ２と金属層１５との間に密着層１４が介在していることで、金属層１５は密着層１４がないときに比べ剥離しにくくなり、発振用ＩＣ２を長期に渡り良好に被覆できる。何故なら、金属層１５は、発振用ＩＣ２の上面に直接被覆されるよりも、密着層を下地層として用いることにより、密着層１４表面に被覆される方が、接合がより強いからである。

また、発振用ＩＣ２の上面を、密着層１４、金属層１５、並びに保護層１６で被覆しているので、発振用ＩＣ２或いは圧電発振器全体が、本圧電発振器やそれを搭載した電子機器の落下時に受ける応力を、密着層１４、金属層１５、並びに保護層１６が吸収することで、水晶発振器の対落下衝撃性能が増加するし、耐衝撃性が向上する。

また、金属層１５を外部端子８まで延在させ、外部端子８のうち、グランド端子と接続することによって、金属層１５の電位の変動が抑えられている。そのため、金属層１５の内側まで電場の変動が伝わりにくくなり、その結果、金属層１５での遮蔽効果が高まる。

かかる水晶発振器の組み立ては以下の手順で行われる。

先ず、発振用ＩＣ２の下面に水晶振動素子３を搭載し、支持基体１上に封止部材５を介して発振用ＩＣ２を載置させ、水晶振動素子３が前記発振用ＩＣと前記支持基体との間にできている封止空間に収容されるようにし、しかる後、これをＮ２ガスやＡｒガス等の不活性ガス雰囲気中、或いは、真空雰囲気中で熱処理し、環状支持部１ｂに搭載された接続パッド９と発振用ＩＣ２の下面に搭載された電極パッド１０との両方に導電性接合材１１を接合させるとともに、環状支持部１ｂで接続パッド９の形成位置よりも外側の領域に搭載された環状導体層２０と発振用ＩＣ２の下面で電極パッド１０よりも外側の領域に設けられた電極パターンとの両方に封止材２１を接合させて、水晶振動素子３を封止空間内で気密封止する。導電性接合材１１として半田を用いる場合には、フラックス等の汚染物質を用いることなく酸化膜を良好に除去するために、従来周知の水素還元方式を採用することが好ましい。

さらに、加熱されることにより軟化あるいは溶融し流動する特性を持つエポキシやポリイミド等の熱可塑性樹脂を発振用ＩＣ２の上面に配し加熱することによって、熱可塑性樹脂で発振用ＩＣ２の上面と側面とを覆い、さらに、封止部材５の外側表面まで延出させ、さらに、支持基体１の側面を被覆するようにさせ、密着層１４を形成する。次に、密着層１４の上面を、従来周知のスパッタリング法等を用いて、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）等の金属材料よりなる金属層１５で、被覆する。最後に、エポキシやポリイミド等の加熱により軟化あるいは溶融することで流動する特性を持つ熱可塑性樹脂を加熱し、被膜することで、金属層１５を被覆する保護層１６を形成する。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す水晶発振器の断面を示す構造図である。以下の説明においては、図２に示した同一構成部材には同一符号を付し、説明する。本実施形態では、環状支持部１ｂ上で封止部材５が複数の導電部材４の形成部より内周域で形成されている。また、発振用ＩＣ２と金属層１５との間に介在する絶縁体である密着層１４が、導電部材４の形成領域まで延出され、密着層１４が導電部材４を被覆することで、導電部材４と水晶発振器外部との電流の短絡を防いでおり、その結果、水晶発振器と組み込み先の電子機器内の電気回路との電流の短絡が起こりにくくなっている。さらに、密着層１４により導電部材４を被覆・保護していることで、落下時に導電部材４が破損するのを防ぎ、落下時に支持基体１と発振用ＩＣ２との間の電気的接続が損なわれることにより発生する故障を防ぐことで、水晶発振器の対落下衝撃性能は増加する。

図４は、本発明の第３の実施形態を示す水晶発振器の断面を示す構造図である。

図４に示す如く、発振用ＩＣ２と金属層１５との間に密着層１４を介在させず、金属層１５を発振用ＩＣ２の上面等に直に被着させている。また、発振用ＩＣ２と支持基体１との間にある導電部材４の形成領域の周囲に、アンダーフィル等を用いた別の絶縁部材１８を封入し、導電部材４を被覆することで、金属層１５と導電部材４との電流の短絡を防止している。

図５は、本発明の第４の実施形態を示す水晶発振器の断面を示す構造図である。

図５に示す如く、本実施形態においては、密着層１４が、発振用ＩＣ２の上面と側面とにのみ被覆されており、金属層１５は、封止部材５と支持基体１の配線を介し、支持基体１下面のグランド端子と電気的に接続している。金属層１５とグランド端子とを電気的に接続することで、金属層１５を支持基体１側面から外部端子８まで延在させて外部端子８のうちのグランド端子と接続するときに起こりうるグランド端子と出力端子との短絡により発振信号が出力されなくなる不良が起こる可能性を、完全に取り除くことができる。

図６は、本発明の第５の実施形態を示す水晶発振器の断面を示す構造図である。図６に示す如く、支持基体１の平板部１ａの中に設けられた凹部内に水晶振動素子３が収容されるようにして、さらに凹部を覆うように発振用ＩＣ２を載置している。

図７は、本発明の第６の実施形態を示す水晶発振器の断面を示す構造図である。図７に示す如く、環状支持部１ｂがなく平板状の支持基体１に、下面に水晶振動素子３を搭載した発振用ＩＣ２を、導電部材４を介して接続している。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更・改良等が可能である。

上述した実施形態においては、金属層１５と発振用ＩＣ２との間の密着層１４が単層であったが、密着層１４は単層でなく多層であってもよい。

また、上述した実施形態においては、保護層１６の上面を密着層として利用し、さらに金属層１５ｂにより被覆していてよい。また、かかる金属層１５ｂは、さらに密着層１６ｂにより被覆されてよい。同様にして、保護層１６と金属層１５とは何層になってもよい。

また、上述した実施形態においては、発振用ＩＣ２の下面に水晶振動素子３を実装していたが、図９に示す如く、発振用ＩＣ２の下面に水晶振動素子３を実装せず、支持基体１側に搭載されてもよい。

また、図１０に示す如く、水晶振動素子３は、支持基体１と発振用ＩＣ２との両方から狭持され、かつ支持基体１と発振用ＩＣ２のどちらか一方と電気的に接続されている状態で、封止空間１７に収容されていてもよい。水晶発振器の小型化・低背化に伴い、水晶振動素子３を発振用ＩＣ２に搭載するために搭載パッド１２上に設けた導電性接着剤１３の量が減少し、水晶振動素子３を発振用ＩＣ２に接続する機械的な強度が弱くなる傾向にあるものの、発振用ＩＣ２側と支持基体１側との両方に導電性接着剤１３を設け、支持基体１側と発振用ＩＣ２側の両側から水晶振動素子３を支持することにより、水晶振動素子３は、封止空間１７内で支持基体１と発振用ＩＣ２のどちらか一方と電気的に接続するための機械的な強度を十分に保つことができる。

また、水晶振動素子３が、支持基体１と発振用ＩＣ２とに狭持され、かつ支持基体１と発振用ＩＣ２のどちらともと電気的に接続されている状態で、封止空間１７に収容されている場合には、支持基体１の下面に、所定発振させた水晶振動素子３の発振特性を、測定用端子（プローブ）を接触させる等して測定できるようにするために、支持基体１の底面上の搭載パッド１３と導通させたモニタ電極２２を設けてもよい。

また、上述した実施形態においては、支持基体１と発振用ＩＣ２との間を接合を行う封止部材５として、異方性導体接着材料を用いてもよい。

また、上述した実施形態においては、密着層１４表面に形成される遮蔽層は、銀粉末などの導電性金属材料が混合されたエポキシ系樹脂から成る導電性樹脂を硬化させることにより形成してもよい。この場合、遮蔽層として金属層を形成する場合に比し、より弾性率の高い遮蔽層を形成することができ、密着層と遮蔽層と保護層とがより剥離しにくくなる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を表面実装型の水晶発振器に適用した例を示す分解斜視図である。 図１に示す水晶発振器の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の第３の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の第４の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の第５の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の第６の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の断面を示す構造図である。 従来の圧電発振器の断面図である。 従来の圧電発振器の断面図である。

符号の説明

１・・・支持基体
１ａ・・・平板部
１ｂ・・・環状支持部
２・・・発振用ＩＣ
３・・・水晶振動素子
４・・・導電部材
５・・・封止部材
６・・・空所
８・・・外部端子
９・・・接続パッド
１０・・・電極パッド
１１・・・導電性接合材
１２・・・搭載パッド
１３・・・導電性接着剤
１４・・・密着層
１５・・・遮蔽層
１６・・・保護層
１７・・・封止空間
１８・・・絶縁部材
１９・・・環状電極パターン
２０・・・環状導体層
２１・・・封止材
２２・・・モニタ電極

Claims (7)

1. 圧電振動素子と、該圧電振動素子の発振周波数に基づいて発振信号を出力する発振用ＩＣとを備え、前記発振用ＩＣを支持基体に封止部材を介して接合することにより前記発振用ＩＣと前記支持基体との間に封止空間を形成するとともに、前記封止空間内に前記圧電振動素子を収容してなる圧電発振器であって、
   前記発振用ＩＣの上面側が遮蔽層で被覆されていることを特徴とする圧電発振器。
2. 前記発振用ＩＣと前記遮蔽層との間に密着層が介在されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記発振用ＩＣと前記支持基体とを電気的に接続する導電部材が設けられ、該導電部材が絶縁部材で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
4. 前記発振用ＩＣと前記遮蔽層との間に密着層が介在されるとともに、前記発振用ＩＣと前記支持基体とを電気的に接続する導電部材が前記封止空間の外側に設けられており、前記導電部材の形成領域まで前記密着層が延出され、該密着層の延出部により前記導電部材が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
5. 前記発振用ＩＣの側面側が前記遮蔽層で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
6. 前記遮蔽層が保護層で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
7. 前記遮蔽層が前記支持基体に設けられたグランド端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。

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