JP2009038533A

JP2009038533A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2009038533A
Application number: JP2007200004A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Ando; 元晴安藤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP5171148B2

Abstract

【課題】実装時のショートを防ぎ、小型化に対応する。
【解決手段】一方の主面に凹部空間１４を有した容器体１０のその凹部空間１４内に圧電振動素子２０を搭載して蓋体３０で気密封止した状態で、容器体１０に集積回路素子５０が搭載された圧電発振器１００であって、容器体１０の四隅に設けられる実装用電極端子１２と集積回路素子５０が搭載される集積回路素子搭載パッド１５ａとをつなぐ配線パターン１７上に絶縁層１８を設け、実装基板の搭載パッドと実装用電極端子１２とを接合材で接合する構造とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電発振器に関する。

図６（ａ）は従来の圧電発振器を示す断面図であり、図６（ｂ）は従来の圧電発振器の容器の一方の主面を示す底面図である。図６（ａ）に示すように従来の圧電発振器２００は、セラミック材料等から成る概略直方体の容器体２０１の一方の主面に凹部空間２０５が形成され、この凹部空間２０５の底面に形成された圧電振動素子搭載パッド２０６上に、圧電振動素子２０２が搭載されている。
更に、容器体２０１の凹部空間２０５を覆うように金属製の蓋体２０４を載置し、容器体２０１の側壁頂部と固着することにより、凹部空間２０５内が気密封止されている。また、前記容器体２０１の他方の主面には、導電性接合材２０７によって導電体２０４が接合され、また同様に、導電性接合材２０７によって集積回路素子２０３が接合されている構造が知られている。この導電体２０４は、外部接続用電極端子として用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

尚、前記容器体２０１の他方の主面の辺縁部には導電体接続用電極端子２０８が設けられており、中央部には、集積回路素子搭載パッド２０９が設けられている。
前記導電体接続用電極端子２０８と集積回路素子搭載パッド２０９とは、配線パターン２１０により容器体２０１の他方の主面上で接続されている。
これら導電体接続用電極端子２０８と導電体２０４、集積回路素子搭載パッド２０９と集積回路素子２０３を導電性接着剤や半田等の導電性接合材２０７を介して導通固着することにより、容器体２０１に集積回路素子２０３と導電体２０４が接合されている。
集積回路素子２０３と導電体２０４とを容器体２０１に接合する方法としては、前記容器体２０１の他方の主面に形成されている集積回路素子搭載パッド２０９と導電体接続用電極端子２０８に導電性接着剤や半田等の導電性接合材２０７を塗布し、集積回路素子を集積回路素子搭載パッド２０９上に搭載し、導電体２０４を容器体２０１の各導電体接続用電極端子２０８に１つずつ搭載して、熱処理をすることで、集積回路素子搭載パッド２０９に集積回路素子２０３が接合され、導電体接続用電極端子２０８に導電体２０４が接合されていた。

特開２００３−４６２５１号公報

しかしながら、圧電発振器２００の主面外周又は平面外周の大きさが２．０ｍｍ×１．６ｍｍサイズ以下になる場合、容器体２０１の他方の主面に集積回路素子２０３を搭載した構造とすると、導電体２０４を容器体２０１に配置するスペースが狭くなってしまう。言い換えると、導電体接続用電極端子２０８の主面サイズを小さくしなければならず、このサイズに対応した必要量の導電体２０４を設けると、集積回路素子２０３とつながる配線パターン２１０に流れ出ることがある。つまり、狭いスペースとなった導電体接続用電極端子２０８に、例えば、半田バンプなどを使った導電体２０４を設けると、接合の際に半田バンプが溶けて集積回路素子２０３とつながる配線パターン２１０に流れ出ることがある。ここで、容器体２０１と集積回路素子２０３との間にアンダーフィルを設けない場合、溶けた半田バンプが配線パターン２１０上を伝って集積回路素子２０３を容器体２０１に接合させている接合材（例えば半田）と融合し、その接合している位置での半田量が増加して隣接する他の集積回路素子搭載パッド２０９とショートする恐れがある。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、実装時のショートを防ぎ、小型化に対応できる圧電発振器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の圧電発振器は、一方の主面に凹部空間を有した容器体と、前記凹部空間内に搭載される圧電振動素子と、前記容器体の他方の主面に搭載される集積回路素子と、前記凹部空間を気密封止する蓋体と、前記容器体の前記他方の主面の４隅に設けられる実装用電極端子と、中央部に設けられる集積回路素子搭載パッドと、前記実装用電極端子と前記集積回路素子搭載パッドとを前記容器体の他方の主面上で接続するように形成された配線パターン上に設けられる絶縁層とを備えて構成されることを特徴とする。

また、本発明の圧電発振器は、前記絶縁層が酸化アルミニウム又は石英ガラスによって構成されていても良い。

このような圧電発振器によれば、従来より用いてきた集積回路素子より厚みのある導電体を省いた構造となっているので、厚さを薄くする小型化を実現できる。

また、実装用電極端子と集積回路素子搭載パッドとをつなぐ配線パターン上に絶縁層を形成したので溶けた半田が配線パターンを伝って集積回路素子を容器に接合させている接合材（例えば半田）と融合するのを防ぐことができ、隣合う集積回路素子搭載パッドのショートを防ぐことができる。

また、絶縁層に酸化アルミニウム又は石英ガラスを用いたので、複数個の絶縁層をスクリーン印刷手段により形成することが可能となる。
従って、実装時にショートを起こすことが無く、小型化に対応することができる圧電発振器とすることができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。また、説明を明りょうにするため説明に不必要な構造体の一部を図示していない。さらに図示した寸法も一部誇張して示している。特に、絶縁層１８については、その厚みを誇張している。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の底面図である。図４（ａ）は本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器を実装基板に搭載する前の状態を示す概念図であり、（ｂ）は本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器を実装基板に搭載した後の状態を示す概念図である。

図１〜図３に示す圧電発振器１００は、容器体１０と圧電振動素子２０と蓋体３０と絶縁層１８（図２参照）とからなる圧電振動子９０と、集積回路素子５０とで主に構成されている。この圧電発振器１００は、容器体１０の一方の主面に凹部空間１４が形成され、この凹部空間１４内に圧電振動素子２０が搭載され、容器体１０の他方の主面に集積回路素子５０を搭載し、集積回路素子２０の主面における平行する短辺側の２側面に沿って容器体１０に絶縁層１８が設けられた構造となっている。

圧電振動素子２０は、図１及び図２に示すように水晶素板に励振用電極２１を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極２１を介して水晶素板に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
このような圧電振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２１と容器体１０の凹部空間１４内に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３とを、導電性接着剤７０（図２を参照）介して電気的且つ機械的に接続されて、凹部空間１４内に搭載される。

図１〜図４に示す集積回路素子５０は、回路形成面に圧電振動素子２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は、後述する容器体１０内に設けられた内部配線（図示せず）により圧電発振器１００外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。尚、集積回路素子５０は、後述する容器体１０の他方の主面に形成された集積回路素子搭載パッド１５ａ、１５ｂ（図２、図３参照）に導電性接合材６０を介して搭載される。

容器体１０は、例えば、アルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る容器体用絶縁層を複数、積層することよって形成されている。これにより、図１及び図２に示すように、容器体１０の一方の主面の中央域に凹部空間１４が形成された状態となる。また、凹部空間１４を囲繞する容器体１０の側壁部の開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターン１１が形成されている。

封止用導体パターン１１は、後述する蓋体３０を、容器体１０に接合する際に用いられ、蓋体３０に形成された封止部材３１の濡れ性を良好とする。これによって、凹部空間１４の気密信頼性及び生産性を向上させることができる。
なお、封止用導体パターン１１は、凹部空間１４を形成する側壁部の内側の側面及び外側の側面にかかるように設けられていてもよい。

また、容器体１０の一方の主面に設けられた凹部空間１４の内部には、圧電振動素子搭載パッド１３が設けられ、開口しない側の他方の主面には、実装用電極端子１２と、集積回路素子搭載パッド１５ａ、１５ｂ、モニタ用電極端子１６、配線パターン１７が設けられている。

実装用電極端子１２は、容器体１０の他方の主面の４隅に設けられ、実装基板（図４（ａ）参照）に本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器１００を実装する際に用いられる。
この実装用電極端子１２は、図３に示すように、容器体１０の他方の主面上に形成された配線パターン１７により後述する集積回路素子搭載パッド１５ａと接続されている。
また、４つの実装用電極端子１２のうち、グランド端子と発振出力端子を近接に配置するようにすれば、発振出力端子より出力される発振信号にノイズが干渉するのを有効に防止することができる。従って、グランド端子と発振出力端子は近接させて配置することが好ましい。

なお、この実装用電極端子１２は、モニタ用電極端子１６との間隔をできるだけ大きく設ける必要があるため、その平面形状を、モニタ用電極端子１６の角部と対向するように辺を設けた形状に形成されている。つまり、実装用電極端子１２は、少なくとも、容器体１０の長辺と平行する辺と、容器体１０の短辺と平行する辺と、モニタ用電極端子１６の角部と対向する辺とを有し、この３つの辺で、略三角形の形状となっている。略三角形とは、三角形の頂点を面取りした形状や、三角形の一部を切り欠いた形状、これらを組み合わせた形状をいう。

また、容器体１０の他方の主面には、図３に示すように、モニタ用電極端子１６が中央部に設けられている。このモニタ用電極端子１６は２つ一対で、かつ、集積回路素子搭載パッド１５ａ、１５ｂよりも大きい形状で設けられている。また、モニタ用電極端子１６は、容器体１０の短辺を２等分する中心線上であって長辺に沿うようにして並べられた配置となり、長辺を２等分する中心線に対して線対称となるように設けられている。
また、前記モニタ用電極端子１６は、図示しない内部配線により容器体１０の凹部空間１４内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３と接続しており、この圧電振動素子搭載パッド１３を介して前記圧電振動素子２０と接続されている。これにより、圧電振動素子２０のＣＩ（クリスタルインピーダンス）値や共振周波数値等の電気的特性を測定することができる。

モニタ用電極端子１６の周辺には、集積回路素子５０を機械的及び電気的に接合するための集積回路素子搭載パッド１５ａ、１５ｂが設けられている。集積回路素子搭載パッド１５ａは、実装用電極端子１２と配線パターン１７により接続されており、容器体１０の長辺側に沿って設けられている２つの集積回路素子搭載パッド１５ａの間に集積回路素子搭載パッド１５ｂが設けられている。また、集積回路素子搭載パッド１５ｂは、容器体１０の長辺を２等分する中心線上に位置しており、圧電振動素子搭載パッド１３と電気的に接続している。
これら集積回路素子搭載パッド１５ａ、１５ｂは、集積回路素子５０に形成されている接続パッド５１と半田や導電性接着剤等の導電性接合材６０（図２参照）を介して電気的且つ機械的に接続されている。
これにより、励振用電極２１と接続される圧電振動素子搭載パッド１３は、容器体１０の内部の配線導体（図示せず）やビアホール導体（図示せず）等及び凹部空間１４内底面に形成された集積回路素子搭載パッド１５ｂを介して、集積回路素子５０に電気的に接続される。

絶縁層１８は、酸化アルミニウム等により構成されるアルミナコートや石英ガラス等により構成されるガラスコートからなり、図２及び図３に示すように、配線パターン１７上に設けられる。具体的には、絶縁層１８は、４ヶ所に設けられている集積回路素子搭載パッド１５ａと実装用電極端子１２とをつなぐ各配線パターン１７のそれぞれの上を跨ぐ帯状（図３参照）となるように、スクリーン印刷により設けられ、その後に焼成されることにより形成される。
この絶縁層１８は、図４（ａ）に示すように、容器体１０の実装用電極端子１２を用いて実装基板に実装する際に、接合材Ｈとして例えば半田を用いた場合に、半田Ｈが容器体１０と集積回路素子５０との間に入り込むのを防ぐ役割を果たす（図４（ｂ）参照）。

絶縁層１８は、例えば、実装用電極端子１２から集積回路素子５０の回路形成面とは反対側の面までの距離が７０μｍとなっているので、厚み寸法が５０〜７０μｍ以下で、幅寸法が１００〜２００μｍで形成するのが良い。このように絶縁層１８を構成することにより、前記の通り、例えば、半田Ｈが容器体１０と集積回路素子５０との間に入り込むのを防ぐことができる。
しかし、この絶縁層１８の厚み寸法を７０μｍよりも厚くすると、絶縁層１８の厚みが容器体１０に搭載されている集積回路素子５０の厚みを超えてしまい、圧電発振器を薄くする小型化に対応できなくなってしまう。
また、絶縁層１８の幅寸法を２００μｍ以上にすると、実装用電極端子１２にまで絶縁層１８がかかってしまい、実装用電極端子１２の実装基板への接合状態を悪化させてしまう。
したがって、絶縁層１８は、厚み寸法が５０〜７０μｍ以下で、幅寸法が１００〜２００μｍで形成するのが良い。

蓋体３０は、容器体１０の凹部空間１４上に配置接合されて、凹部空間１４を気密封止する役割を果たす。この蓋体３０は、容器体１０に設けられた封止用導体パターン１１に相対する箇所に封止部材３１が設けられている。
この封止部材３１は、封止用導体パターン１１表面の凹凸を緩和し、気密性の低下を防ぐことが可能となる。

このように構成される本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器１００は、実装用電極端子１２から集積回路素子５０の回路形成面とは反対側の面までの距離が例えば、７０μｍとなっているので、図４（ａ）に示すように、実装基板の搭載パッドＴ上に設けられた接合材Ｈとしての半田と容易に接合することができる。従って、従来まで用いられていた外部端子となる導電体や集積回路素子５０を囲う側壁を用いなくても圧電発振器１００を実装基板に搭載することができる。

導電性接着剤７０は、シリコーン樹脂の中に導電性フィラーが含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられる。

尚、容器体１０は、例えば、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に封止用導体パターン１１、実装用電極端子１２、圧電振動素子搭載パッド１３、集積回路素子搭載パッド１５、配線パターン１７等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作しても良い。

また、封止用導体パターン１１は、例えば、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、等から成る基層の表面にニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層を順次、凹部空間１４を環状に囲繞する形態で被着させることによって、１０μｍ〜２５μｍの厚みに形成しても良い。

また、容器体１０上に配置される蓋体３０は、従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定形状に整形することによって製作される。蓋体３０の上面には、ニッケル（Ｎｉ）層が形成され、更にニッケル（Ｎｉ）層の上面に少なくとも封止用導体パターン１１に相対する箇所に封止部材３１である金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層が形成される。金錫（Ａｕ−Ｓｎ）層の厚みは、１０μｍ〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が８０％、錫が２０％のものを使用しても良い。

このように本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器１００を構成したので、従来より用いてきた集積回路素子より厚みのある導電体を省いた構造となっているので、厚さを薄くでき、圧電発振器１００の小型化を実現できる。また、実装用電極端子と集積回路素子搭載パッドとをつなぐ配線パターン上に絶縁層を形成したので、圧電発振器１００の実装の際に溶けた半田が配線パターンを伝って集積回路素子を容器に接合させている接合材（例えば半田）と融合するのを防ぐことができる。これにより、集積回路素子を容器に接合させている接合材と半田とが融合した融合材による隣合う集積回路素子搭載パッド間のショートを防ぐことができる。また、絶縁層に酸化アルミニウム又は石英ガラスを用いたので、複数個の絶縁層をスクリーン印刷手段により形成することが可能となる。
従って、実装時にショートを起こすことが無く、小型化に対応することができる圧電発振器とすることができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の底面図である。
本発明の第二の実施形態に係る圧電発振器は、容器体１０に設けられる絶縁層１８ａが、容器体１０の他方の主面の短辺側に沿って、２ヶ所の配線パターン１７を跨ぐように設けられている点で第１の実施形態と異なる。

絶縁層１８ａは、４ヶ所に設けられている集積回路素子搭載パッド１５ａのうち、容器体１０の短辺側に並んで設けられている集積回路素子搭載パッド１５ａにつながっている２つの配線パターン１７を跨ぐ帯状（図３参照）となるように、スクリーン印刷により設けられ、その後に焼成されることにより形成される。
この絶縁層１８ａは、第１の実施形態に係る圧電発振器１００を構成する絶縁層１８よりも長く形成される。
これにより、スクリーン印刷を用いた場合、スクリーン印刷用のマスクを簡略化することができるので、絶縁層１８ａの形成を一括的、かつ、容易に行うことができる。
また、このように絶縁層１８ａを構成しても第１の実施形態と同様の効果を奏する。

尚、本発明は前記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、前記した本実施形態では、圧電振動素子２０を構成する圧電素材として水晶を用いた水晶振動素子を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の底面図である。（ａ）は本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器を実装基板に搭載する前の状態を示す概念図であり、（ｂ）は本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器を実装基板に搭載した後の状態を示す概念図である。本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の底面図である。（ａ）は従来の圧電発振器を示す断面図であり、（ｂ）は従来の圧電発振器の容器の一方の主面を示す底面図である。

符号の説明

１００圧電発振器
１０容器体
１１封止用導体パターン
１２実装用電極端子
１３圧電振動素子搭載パッド
１４凹部空間
１５ａ、１５ｂ集積回路素子搭載パッド
１６モニタ用電極端子
１７配線パターン
１８、１８ａ絶縁層
２０圧電振動素子
２１励振用電極
３０蓋体
３１封止部材
５０集積回路素子
５１接続パッド
６０導電性接合材
７０導電性接着剤
９０圧電振動子
Ｈ接合材
Ｔ実装基板の搭載パッド

Claims

一方の主面に凹部空間を有した容器体と、
前記凹部空間内に搭載される圧電振動素子と、
前記容器体の他方の主面に搭載される集積回路素子と、
前記凹部空間を気密封止する蓋体と、
前記容器体の前記他方の主面の４隅に設けられる実装用電極端子と、
中央部に設けられる集積回路素子搭載パッドと、
前記実装用電極端子と前記集積回路素子搭載パッドとを前記容器体の他方の主面上で接続するように形成された配線パターン上に設けられる絶縁層とを備えて構成されることを特徴とする圧電発振器。
前記絶縁層が酸化アルミニウム又は石英ガラスによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。