JP2008035277A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】低背・小型化を実現し、且つ圧電振動子の収容領域の気密性を高く維持することができる圧電発振器を提供する。
【解決手段】支持基板１と発振用ＩＣ２とを、両者の間に封止空間７が形成されるようにして接合し、封止空間内に発振用ＩＣ２と電気的に接続される圧電振動子３を収容してなる圧電発振器において、支持基板１と発振用ＩＣ２とを樹脂からなる環状の封止部材４で接合することにより封止空間７を気密封止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度補償型水晶発振器などの圧電発振器に関するものである。

従来より、携帯用通信機器等の電子機器に組み込まれるタイミングデバイスとして圧電発振器が使用されている。

図５に従来の圧電発振器の断面図を示す。この圧電発振器は、第１の容器体３１と第２の容器体３３とを積み重ねた構造を有している。第１の容器体３１は凹部を有する基体３１ａと凹部の開口面を塞ぐ蓋体３１ｂとから主に構成されている。また第１の容器体３１の凹部内には圧電振動子３０が収容されている。一方、第２の容器体３３は、凹部を有する基体３３ａから主に構成され、第２の容器体３３の凹部には、圧電振動子３０の発振出力を制御するための発振用ＩＣ３２が搭載されている（特許文献１）。

ところで圧電発振器に対しては、近年の携帯用通信機器等の高性能・高機能化に伴って益々の小型・低背化が要求されている。しかしながら図５に示す圧電発振器の場合、圧電振動子３０を収容した第１の容器体３１と発振用ＩＣ３２を収容した第２の容器体３３とを積み重ねているため圧電発振器の全体構造が高背化してしまう。また、発振用ＩＣ３２を搭載るための第２の容器体３３はその面積が、発振用ＩＣ３２の面積よりも大きなものとなる。したがって、図５に示すような圧電発振器ではさらなる低背・小型化を実現することが困難となってきている。

そこで圧電発振器をより低背・小型化する手段として、図６に示すような構造を有する圧電発振器が提案されている（特許文献２）。

図６に示す圧電発振器は、基体４１の凹部内に圧電振動子４０を搭載し、凹部を塞ぐようにして発振用ＩＣ４２を基体４１に載置・固定したものである。このような構造とすることにより、発振用ＩＣ４２自体が蓋体として機能し、発振用ＩＣ４２を実装するための容器体が不要となるめ、圧電発振器の全体構造を低背・小型化することができる。
特開平１０−９８１５１号公報 特開２００３−３３２８４４号公報

ところで圧電発振器は、圧電振動子の安定した振動特性を確保するために、圧電振動子の収容領域を気密封止しておく必要がある。図５に示す圧電発振器では、第１の容器体を構成する基体の開口面周囲に設けたシールリングに金属の蓋体を溶接することにより圧電振動子が気密封止されている。

一方、図６に示した圧電発振器では、発振用ＩＣ自体を蓋体として用いているため、発振用ＩＣ４２と基体４１との間に封止構造を形成する必要がある。そこで特許文献２では、封止を行う方法として、基体４１に設けた配線導体と発振用ＩＣ４２との電気的な導通を行うためのバンプ４３の周囲にエポキシ樹脂や異方性導電接着剤などの封止部材４４を設けるようにした構造が開示されている。

しかしながら、図６に示す圧電発振器の場合、発振用ＩＣ４２と基体４１との熱膨張係数の違いに起因して発生する熱応力の多くが発振用ＩＣ４２と基体４１との接続部であるバンプ４３及びその周囲に形成されている封止部材４４に直接作用することとなる。この場合、特許文献２のようにバンプ４３の周囲に封止部材４４を設けると、封止部材４４に対し熱応力が集中的に印加される箇所が多く生じる。例えば、隣接するバンプ間の中間に位置する封止部材４４に比べ、バンプ近傍に位置する封止部材４４に熱応力による負荷が集中する。その結果、熱応力が集中した箇所を起点として封止部材４４の剥離や破断等が生じ易くなり、その部分から圧電振動子４０の収容領域の気密性が損なわれる可能性が高くなり、圧電発振器の特性劣化による信頼性低下を招くこととなる。

本発明は上記従来技術の課題に鑑み案出されたものであり、その目的は、低背・小型化を実現し、且つ圧電振動子の収容領域の気密性を高く維持することができる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、支持基板と発振用ＩＣとを、両者の間に封止空間が形成されるようにして接合し、前記封止空間内に前記発振用ＩＣと電気的に接続される圧電振動子を収容してなる圧電発振器において、前記支持基板と前記発振用ＩＣとを樹脂からなる環状の封止部材で接合することにより前記封止空間を気密封止した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、前記支持基板に設けた配線導体と前記発振用ＩＣとを電気的に接続するための導通部材が、前記封止空間内に設けら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、前記導通部材が、樹脂からなる補助部材により被覆されており、前記補助部材の弾性率が前記封止部材の弾性率よりも高い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、前記封止部材の外側面には金属膜が被着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、前記金属膜が支持基板に設けた接地導体と電気的に接続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、前記圧電振動子が水晶振動子であることを特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、圧電振動子が収容される封止空間が、支持基板と発振用ＩＣとを樹脂からなる環状の封止部材で接合することにより気密封止されていることから、熱応力の集中する箇所を少なくすることができる。これにより、封止部材の剥離や破断が生じにくくなり、圧電振動子の収容領域の気密性を良好な状態に長く保つことができる。また、封止部材が比較的弾性率の低い樹脂により環状をなして形成されていることから、外部からの衝撃を吸収・緩和し、圧電発振器の耐衝撃性を高めることもできる。

また本発明の圧電発振器によれば、支持基板に設けた配線導体と発振用ＩＣとを電気的に接続するための導通部材が、封止空間内に設けられていることから、導通部材と外気との接触を少なくすることができるため、導通部材の酸化等を防止することができる。さらに、封止部材が外側に位置していることから、封止部材が導通部材で遮られることがないため、封止部材の支持基板及び発振用ＩＣへの接続状態の確認を封止部材全体にわたって容易に行うことができる。

また本発明の圧電発振器によれば、導通部材が、樹脂からなる補助部材により被覆されており、補助部材の弾性率が封止部材の弾性率よりも高いことから導通部材にクラック等の破断が発生するのを抑えることができる。また導通部材の腐食をより効果的に防止することができるという利点もある。

また本発明の圧電発振器によれば、封止部材の外側面に金属膜を被着したことにより、圧電振動子の収容領域の気密性をより高めることができる。さらに金属膜を支持基板に設けた接地導体と電気的に接続しておくことにより、封止空間が接地電位に保持された導体で囲われた状態となり、外部からの不要な電磁波を遮蔽して圧電振動子の動作を安定化することができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態では圧電発振器の一種である温度補償型の水晶発振器を例に説明する。

図１は本発明の実施の形態の一例を示す水晶発振器の分解斜視図、図２は図１の水晶発振器の断面図である。同図に示す水晶発振器は、支持基板１、発振用ＩＣ２、圧電振動子としての水晶振動子３、並びに封止部材４とから主に構成されている。

支持基板１は、例えば、平板状の絶縁層１ａ、１ｂ上に枠状の絶縁層１ｃ、１ｄを積層することにより形成され、上面側の中央域に凹部を有した構造となっている。かかる支持基板１は、その表面や内部に導体パターン５ａ及びビアホール導体５ｂ等の配線導体５が形成されている。また、支持基板１の下面には複数個の外部端子６が設けられている。本実施形態においては支持基板１の下面四隅に配される４個の外部端子６が設けられており、電源電圧端子、接地端子、発振出力端子、発振制御端子としてそれぞれ機能するものである。これらの外部端子６は、水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることとなる。

なお、絶縁層１ａ〜１ｄ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や樹脂等の有機材料から形成されている。

支持基板１の上面側に設けられた凹部内には、水晶振動子３が収容されている。水晶振動子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を被着することにより形成され、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。また、凹部底面（絶縁層１ｂの上面）には一対の搭載パッド８が設けらており、この搭載パッド８と水晶振動子３の主面に形成した振動電極とが導電性の接続部材を介して電気的・機械的に接続されることにより水晶振動子３が支持基板１に搭載されている。

支持基板１上には、凹部を塞ぐようにしてフリップチップ型の発振用ＩＣ２が配置されている。すなわち、発振用ＩＣ２が蓋体としての役割を果たしている。このように支持基板１上に配置される水晶振動子３の収容領域を発振用ＩＣ２で塞ぐように構成することで、圧電発振器を低背・小型化することができる。この発振用ＩＣ２は、単結晶シリコン等から成る半導体基板の下面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動子３の温度特性を補償する温度補償データを格納するメモリ、温度補償データに基づいて水晶振動子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の電子回路が設けられており、発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、クロック信号等の基準信号として利用されることとなる。

なお発振用ＩＣ２は、単結晶シリコンのインゴットを所定厚みにスライスしてシリコンウエハを得、その一主面に従来周知の半導体製造技術によって発振用ＩＣ２の一個分の領域ごとに発振回路等の電子回路を形成した後、ウエハを分割することによって得られる。また、発振用ＩＣを容器体に収容しないため、発振用ＩＣ２と支持基板１とを平面視して略同一の大きさになるように形成することができ、圧電発振器の平面形状を小さくすることができる。

支持基板１と発振用ＩＣ２とは、絶縁層１ｄの上面外周側に設けた封止部材４により接合され、これにより発振用ＩＣ２と支持基板１との間に設けられる封止空間７、具体的には、発振用ＩＣ２の下面、凹部の内面によって囲まれた水晶振動子３の収納領域が気密封止されることとなる。なお封止空間１３には、水晶振動子３の電気的特性を安定させるため不活性ガスが充填されている。

封止部材４は、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂などの樹脂から成り、絶縁層１ｄの外周縁に沿って環状に形成されている。このように水晶振動子３が収容される封止空間７が樹脂からなる環状の封止部材４により気密封止されていることから、封止部材４が導通部材４とは独立して設けられるため、熱応力の集中する箇所を少なくすることができ、封止部材４の剥離や破断が生じにくくなる。その結果、水晶振動子３の収容領域の気密性を良好な状態に長く保つことができ、圧電発振器の信頼性を高いものとすることができる。また、封止部材４が比較的弾性率の低い樹脂により環状をなして形成されていることから、封止部材４がクッションとしての役割を果たし、圧電発振器の耐衝撃性を高めることもできる。封止部材４の弾性率は、１００ＭＰａ〜１５０００ＭＰａにしておくことが好ましい。

かかる封止部材４は、エポキシ樹脂やシリコン樹脂などを主成分とする樹脂ペーストを絶縁層１ｄ上面の外周縁に沿って塗布し、１５０〜２５０℃の温度で熱硬化することにより形成される。なお封止部材４は、例えばその厚さが１０〜１００μｍとなるように設定される。

封止部材４の内側には支持基板１に形成された配線導体５と発振用ＩＣ２とを電気的に接続するための導通部材９が複数個形成されている。この導通部材９は、絶縁層１ｄに形成された接続パッド９ａと、発振用ＩＣ２の下面に形成された電極パッド９ｂと、接続パッド９ａと電極パッド９ｂとの間に介在されるバンプ９ｃとから構成されている。接続パッド９ａ及び電極パッド９ｂは、Ａｕ、Ａｌ等から成り対応するもの同士がバンプ９ｃにより接続されている。またバンプ９ｃは、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ合金、半田などから成るものである。

このように支持基板１に設けた配線導体５と発振用ＩＣ２とを電気的に接続するための導通部材９が、封止空間内に設けられていることから、外気の多くが封止部材４によって遮断され、導通部材９が外気に触れる量を少なくし、導通部材９の酸化等を防止することができる。さらに、封止部材４が外側に位置していることから、封止部材４の支持基板１及び発振用ＩＣ２への接続状態を目視等により容易に確認することができる利点もある。

図３（ａ）は本発明の他の実施形態の一例を示す水晶発振器の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に対応する位置における断面図である。なお、上述の実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し重複する説明は省く（以下の実施形態においても同じ）。

本実施形態において特徴的なことは導通部材９が、樹脂からなる補助部材１０により被覆されている点である。このように導通部材９を樹脂から成る補助部材１０で被覆しておくことにより、導通部材９にクラック等の破断が発生するのを抑えることができる。また補助部材１０により導通部材９と外気との接触が遮断されるため、導通部材９の腐食を防止することもできる。補助部材１０は、封止部材４より弾性率が高く設定されている。例えば、封止部材４をエポキシ樹脂により形成した場合には補助部材１０をシリコン樹脂により形成すればよい。このように補助部材１０の弾性率を封止部材４の弾性率よりも高くしておくことにより、より有効に導通部材９の破断を防止することができる。なお、本実施形態においては図３（ｂ）に示すように、補助部材１０を各導通部材９の周囲にのみ設けるようにしたが、隣接する補助部材１０同士が連結されるように形成してもよい。

図４は本発明のさらに別の実施形態の一例を示す水晶発振器の断面図である。本実施形態において特徴的なことは、封止部材４の外側面に金属膜１１が被着されている点である。

これにより封止部材４が緻密な膜で覆われることとなり、封止空間７の気密性をより高めることができる。金属膜１１は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等の単一の金属材料あるいはＮｉ＋Ａｕ、Ｎｉ＋Ｃｒ等の合金材料から成る。金属膜１１は従来周知の蒸着法により形成される。蒸着法としては、比較的低温で行うことができるＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法が好ましく、例えば、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングが採用できる。金属膜１１の厚みは最も薄いもので０．０１μｍから設定できるが、気密性をより良好に保持しておくために１０μｍ以上にしておくことが好ましい。

本実施形態においては、支持基板１の側面、発振用ＩＣ２の側面、並びに封止部材４の側面が略同一平面に位置し、それらの側面全体にわたって金属膜１１が被着されている。このように支持基板１、発振用ＩＣ２、封止部材４の各側面を同一平面に位置させておくことにより、支持基板１と封止部材４との境界部、発振用ＩＣ２と封止部材４との境界部にも良好な状態で金属膜１１を形成することができ、封止空間７をより確実に気密封止しておくことができる。

また金属膜１１を支持基板１に設けた接地導体と電気的に接続しておけば、封止空間７が接地電位に保持された導体で囲われた状態となり、外部からの不要な電磁波を遮蔽して圧電振動子３の動作を安定化することができる。本実施形態においては、接地電位用の外部端子６と接続される配線導体５を支持基板１の側面に露出させ、この露出部に金属膜１１を接続するようにしている。また金属膜１１は、支持基板１等の側面のみならず発振用ＩＣ２の上面にも被着されている。これにより支持基板１の下面を除く水晶発振器の外側面が接地電位に保持される金属膜１１で覆われた状態となり、外部からの不要な電磁波を遮蔽して水晶発振器をより安定して動作させることができる。

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、本発明の要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。

例えば、上述した実施形態においては、水晶振動子３を支持基板１の凹部底面に搭載するようにしたが、これに代えて、水晶振動子３を発振用ＩＣ２に搭載するようにしても構わない。

また上述した実施形態においては、支持基板１に凹部を形成し、この凹部を水晶振動子３の収容領域としたが、これに代えて、上面が平面状の支持基板１を用い、封止部材４や導通部材９の厚みにより収容領域を確保するようにしてもよい。

また上述した実施形態においては、圧電振動子として水晶振動子３を用いた温度補償型水晶発振器を例にとって説明したが、これに代えて、圧電振動子として弾性表面波フィルタ等の他の圧電振動子を用いる場合にも本発明は適用可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電発振器（水晶発振器）を示す分解斜視図である。 図１の水晶発振器の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る水晶発振器を示す断面図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る水晶発振器を示す断面図である。 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・・・支持基板
２・・・発振用ＩＣ
３・・・圧電振動子（水晶振動子）
４・・・封止部材
５・・・配線導体
６・・・外部端子
７・・・封止空間

Claims (6)

1. 支持基板と発振用ＩＣとを、両者の間に封止空間が形成されるようにして接合し、前記封止空間内に前記発振用ＩＣと電気的に接続される圧電振動子を収容してなる圧電発振器において、
   前記支持基板と前記発振用ＩＣとを樹脂からなる環状の封止部材で接合することにより前記封止空間を気密封止したことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記支持基板に設けた配線導体と前記発振用ＩＣとを電気的に接続するための導通部材が、前記封止空間内に設けら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. 前記導通部材が、樹脂からなる補助部材により被覆されており、前記補助部材の弾性率が前記封止部材の弾性率よりも高いことを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器。
4. 前記封止部材の外側面には金属膜が被着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. 前記金属膜が支持基板に設けた接地導体と電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電発振器。
6. 前記圧電振動子が水晶振動子であ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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