JP2013126052A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、実装面積を大きくする事なく実装高さの低背化を実現する事が出来る構造の面実装水晶発振器を提供することにある。
【解決手段】前記課題は、ドライバICのシリコン基板周辺部に連続した気密封じ用接続エリアを設け、ドライバIC自体にセラミックパッケージの気密封じの構造体としての機能を持たせる構成とする。また、水晶発振器のドライバICに水晶振動子を搭載するパッドを設け、ドライバICと水晶振動子を一体化することによって達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子素子とドライバ回路（発振回路と出力回路、電源回路を合わせたもの。以下ドライバ回路と略す。）のICチップから構成される面実装水晶発振器に係り、特に部品の実装高さを低背化するのに好適な面実装水晶発振器の構造に関する。

近年、面実装水晶発振器は小型・軽量であり実装面積が小さい事から、電子計算機や携帯型の電子機器等に周波数源として広く使用されている。

使用される機器の小型化/高実装密度化に伴い、面実装水晶発振器についても更なる小型化・低背化の要請が高まってきている。

図7は従来の一般的な面実装水晶発振器の構造例を示した断面図である。

小型化・低背化のため、水晶振動子、ドライバ回路を内蔵するICチップ（以下、ドライバICとする）、及びこれらを支持/接続するためのセラミックパッケージという最低限の部材から構成されるものが主流になっている。

図7に示される従来の水晶発振器の構造では、水晶振動子19は、セラミックパッケージ21に導電性接着剤22で、電気的/機械的に接続されている。

また、ドライバIC24はダイボンディング25でセラミックパッケージ21に固定されており、ワイヤボンディング20でセラミックパッケージ21と回路的に接続される。

水晶振動子19とドライバIC24は、セラミックパッケージ21の内層26で接続され、発振回路を形成するとともに外部端子27にも接続され、水晶発振器として機能する。

水晶振動子19の表面に設けられた電極が空気中で酸化すると周波数が変動してしまうため、セラミックパッケージ21上面に設けられたシームリング23と金属蓋18の溶接により、セラミックパッケージ21の内部は不活性ガス等で気密封じされている。

このような従来の面実装水晶発振器の構造では、水晶振動子19とドライバIC24を縦方向に個別に配置しており、さらに気密封じのためにシームリング23と金属蓋18を上部に別に設けているため低背化には限界があった。

本技術分野の従来の解決手段として、例えば特開2009-194725号公報（特許文献１）がある。

この公報では、低背化を図るため、水晶振動子とドライバICが上下に重ならないよう、水平方向に並べて配置している。

これにより一定の低背化は図れるが、水晶振動子とドライバICを水平方向に並べるため、水晶発振器の実装面積（底面積）が大きくなる問題がある。

また、気密封じのためのシームリングや金属蓋は従来構造と変わらず、別に設けているため部品高さの低背化には制限がある。

その他の従来の解決手段として、特開2007-184807号公報（特許文献２）がある。

この公報では、気密封じ部分には水晶振動子のみを内蔵し、部品裏面にキャビティを設けて、そこにBGAタイプのドライバICを収納する事により低背化を図っている。

この場合、ワイヤボンディングで接続するタイプのドライバICを使用した従来構造と比べると低背化が図れるが、水晶振動子、ドライバIC、気密封じ構造を別個に縦に重ねる構造であるため、やはり低背化には制限がある。

特開2009-194725号公報 特開2007-184807号公報

本発明の目的は、実装面積を大きくする事なく、実装高さの低背化を実現する事が出来る構造の面実装水晶発振器を提供する事にある。

本発明では、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、ドライバICのシリコン基板周辺部に連続した気密封じ用接続エリアを設け、ドライバIC自体にセラミックパッケージの気密封じの構造体としての機能を持たせる構成とし、また、特許請求の範囲（請求項２）に示すように、ドライバICに設けた気密封じ用接続エリア内に水晶振動子を搭載するパッドを設け、ドライバICと水晶振動子を一体化する構成とする。

このような構成であればドライバICとセラミックパッケージの接続と同時に気密封じが行えるため、従来構造で使用していた金属蓋部分が不要となり、また、ドライバICと水晶振動子を一体化する事によってセラミックパッケージの構造を簡略化または不要と出来るため、実装面積を大きくする事なく実装高さの低背化を実現する事が出来る。

第１の実施例に係る水晶発振器の構造を示す断面図である。 第１の実施例に係るドライバICと水晶振動子の接続形態例を示す図である。 第２実施例に係る水晶発振器の構造を示す断面図である。 第３の実施例に係る水晶発振器の構造を示す断面図である。 第３の実施例に係るドライバICと水晶振動子の接続形態例のBGA端子面を示す図である。 第３の実施例に係るドライバICと水晶振動子の接続形態例の水晶振動子面を示す図である。 従来の水晶発振器の構造を示す断面図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。なお、実施例の各図面の同一機能を示す部分には同番号を付与している。

図１は、本発明による面実装水晶発振器の構造例を示す縦断面図であり、図２は本発明により水晶振動子と一体化されたドライバICの形状例を示す。

本発明による低背化を実現するため、ドライバICと水晶振動子をセラミックパッケージに組み込む前に一体化する。

図２に示すように、ドライバICのシリコン基板2には、ドライバ回路6の他に水晶振動子5を接続するための接続パッド12と、セラミックパッケージ等、外部との接続に用いられるBall Grid Array(以下BGAと略す)端子3、および周辺部に連続した気密封じ用の接続エリア11が設けられている。

水晶振動子5は導電性接着剤4によってシリコン基板2上の接続パッド12に電気的、機械的に接続し、発振回路、出力回路、電源回路等からなるドライバ回路6と水晶振動子5、BGA端子3はシリコン基板2上の回路配線14で接続して発振回路を形成する。

水晶振動子5とドライバ回路6のシリコン基板2を一体化した後、出力周波数の調整を行う。一般的に出力周波数の調整は、外部端子3で出力周波数をモニタしながら、水晶振動子5の電極13の材料である銀または金の粒子を電極13にスパッタリングして電極の質量を増加させるか、またはミーリング法により電極13の表面を削り取り電極の質量を減少させる方法で所定の周波数に調整する。

このように一体化された水晶振動子5とシリコン基板2を図１のようにセラミックパッケージ1に実装する。Si基板2とセラミックパッケージ1はBGA端子3で接続し、同時にSi基板2の周辺部に設けられた接続エリア11をセラミックパッケージ1に高気密性導電性樹脂または共晶合金等の気密封じ材で接着する。この際、実装作業をN2ガスやArガス等の不活性ガス雰囲気中または所定の真空度に保たれた真空中で熱処理し、接合作業を行う事により内部を気密封じ出来る。これにより使用中の水晶振動子電極13の空気中での酸化を防止し、出力周波数の経年変化を防ぐ事が出来る。

セラミックパッケージ1にシリコン基板2を実装した後、保護用樹脂7をSi基板2上に充填し、シリコン基板2の表面を保護する。シリコン基板2のBGA端子3はセラミックパッケージ1の内層10を介して外部端子9に接続されている。

セラミックパッケージ1には電源端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子等、複数個の外部端子9が設けられており、水晶発振器として機能する。

外部端子9は、水晶発振器をマザーボード等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等により外部電気回路の回路配線と接続される。

このような構成であればドライバICとセラミックパッケージの接続と同時に気密封じが行えるため、従来構造で使用していた気密封じ用金属蓋部分が不要となり、実装面積を大きくする事なく実装高さの低背化を実現する事が出来る。

図３は水晶発振器のセラミックパッケージ1の底面側に本発明による一体化されたドライバICと水晶振動子を実装した構造例を示す縦断面図である。

本実施例では図３に示すように、部材の構成、ドライバICのSi基板2と水晶振動子5の接続方法、およびセラミックパッケージ1への実装方法は実施例1と全く同じであるが、ドライバICのSi基板2が、水晶発振器を実装する基板に接続する外部端子9側に設けられているため、完成した水晶発振器の上面が保護用樹脂7ではなくセラミックパッケージ1となり、部品上面部分の機械的強度が向上する。

これにより、水晶発振器をプリント基板等のマザーボードに自動実装する際の吸着作業やプリント基板実装後の接触等の機械的ストレスに強く、取り扱い性が実施例1より向上する。

図４はセラミックパッケージを使用せず、ウェハレベルパッケージとしてドライバICとほぼ同等の大きさで面実装水晶発振器を形成する場合の構造例を示す縦断面図であり、図５は本実施例の水晶振動子とドライバICの接続形態のBGA端子側を示す図、図６は本実施例の水晶振動子とドライバICの接続形態の水晶振動子側を示す図である。

ウェハレベルパッケージで水晶発振器を形成する場合は、水晶振動子周辺を気密封じする必要があるため、外部との接続に使用するBGA端子は気密封じエリアの逆の面に設ける。

図５に示すようにシリコン基板2の片面にドライバ回路6と外部接続用BGA端子3を形成する。シリコン基板2の反対面は、図６に示すように水晶振動子接続用パッド12と、周辺部に気密封じ用接続エリア11を設ける。

水晶振動子5は導電性接着剤4によってSi基板2上の接続パッド12に電気的、機械的に接続しており、ドライバ回路6と水晶振動子5、外部接続用BGA端子3はシリコン基板2上の回路配線14、およびシリコン貫通スルーホール17で接続して発振回路を形成する。

シリコン基板に貫通スルーホールを形成する方法の一例としてはドリルによる穴加工後、金属充填して貫通スルーホールとする方法や、イオンエッチングによる穴形成後にＮｉ等の金属メッキを施して貫通スルーホールとする方法などが一般的に知られており、シリコン貫通スルーホール17内部はCu等の金属で充填されている。

水晶振動子5とシリコン基板2を一体化した後、実施例1と同様に電極金属粒子のスパッタリング、またはミーリングにより出力周波数の調整を行い、図４に示すように、金属、セラミック、Si等の素材の気密封じ用キャップ15をシリコン基板2の気密封じ用接続エリア11に高気密性導電性樹脂または共晶合金等の気密封じ材で接着する。この際、実装作業をN2ガスやArガス等の不活性ガス雰囲気中または所定の真空度に保たれた真空中で行う事により、気密封じ用キャップ15の内部を気密封じ出来る。

これにより、使用中の水晶振動子電極13の空気中での酸化を防止し、出力周波数の経年変化を防ぐ事が出来る。水晶振動子の気密封じ後に全体を機械的保護用樹脂16で覆い、取り扱い性を向上させる。

このような構成であれば、従来の水晶発振器の構造で必要であった気密封じ用金属蓋が不要となるため、実装面積を大きくする事なく、実装高さの低背化を実現する事が出来る

1…セラミックパッケージ、2…ドライバICのSi基板、3…BGA端子、4…導電性接着剤、5…片持ち張りタイプ水晶振動子、6…ドライバ回路、7…保護用樹脂、8…気密封じ材、9…水晶発振器外部端子、10 …セラミックパッケージ内層、11 …気密封じ用接続エリア、12 …水晶振動子接続用パッド、13 …水晶振動子電極、14 …シリコン基板配線、15 …気密封じ用キャップ、16 …保護用樹脂、17 …シリコン貫通電極、18 …従来構造の金属蓋、19 …従来構造の水晶振動子、20 …従来構造のワイヤボンディング、21 …従来構造のセラミックパッケージ、22 …従来構造の導電性接着剤、23 …従来構造のシームリング、24 …従来構造のドライバIC、25 …従来構造のダイボンディング、26 …従来構造のセラミックパッケージ内層、27 …従来構造の水晶発振器外部端子。

Claims (2)

1. 水晶発振器のドライバICのシリコン基板周辺部に連続した気密封じ用接続エリアを設け、ドライバIC自体に気密封じの構造体としての機能を持たせた事を特徴とする水晶発振器。
2. 水晶発振器のドライバICの気密封じ用接続エリア内に水晶振動子を搭載するパッドを設け、ドライバICと水晶振動子を一体化した事を特徴とする水晶発振器。