JP4058760B2 - 圧電振動デバイスおよびリアルタイムクロック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に圧電振動デバイス、その製造方法、およびセラミックパッケージ、並びにリアルタイムクロックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、セラミックパッケージ型の水晶発振器は、セラミックパッケージに形成された凹部内にＩＣチップや水晶振動子を実装するようになっている。このような実装部品を収容する凹部構造をもつセラミックパッケージは、通常ＡＴカット振動片を実装するデバイスに用いられ、部品点数により３〜５層の積層構造として構成されている。
【０００３】
ところが、音叉型圧電振動片を装備するデバイスでは、振動片を真空中で収容する必要があるため、通常内部を真空状態にしたシリンダ内部に振動片を固定したシリンダ型振動子を用いている。そして、この振動子を駆動するＩＣチップとともに、全体を樹脂モールドした圧電振動デバイスとして構成されている。これを図６に示す。すなわち、真空とされたシリンダ１の内部に音叉型振動片２を実装収容しておき、これをＩＣチップ３に隣接するように配設しておき、外側部から電極端子５を引き出した状態で全体を樹脂モールド材４により包囲しつつ成形して、一つのパッケージを製造している。
本願発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１が挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭５４−３５８７０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば、音叉型圧電振動片を装備する音叉型振動デバイスを小型化しようとすると、シリンダ容器の厚み以下にはできず、また、ＩＣチップと併設してしまうと、シリンダ寸法により平面上の面積がやはり大きくなってしまう。そこで、ＡＴカット振動子の場合と同様に、セラミックパッケージの中央に形成した凹部にＩＣチップとともに音叉型振動片を実装しようとすると、次のような問題が生じてしまう。
【０００６】
すなわち、セラミックパッケージに音叉型振動片とＩＣチップを一体で真空封止すると、パッケージに内包されているガスが振動片を実装した真空室内に放出されて真空度が低下してしまう。これにより、音叉型振動片の特性が悪化してしまう。
【０００７】
また、音叉型振動片とＩＣチップとを実装後に真空封止するため、音叉型振動片不良でも良品ＩＣチップを破棄することになる。これは、音叉型振動片の実装後で真空封止前に、音叉型振動片自体の良否判定が行えないからである。加えて、ＩＣチップの影響により、音叉型振動片のＣＩ値等の測定が行えないという問題もある。
【０００８】
また、後の周波数調整のためにリッドとして透明ガラスを用いると、透明ガラスのため、ＩＣチップ表面に光が当たらないように遮光処理する必要がある。
更に、ＩＣチップの表面側は空間が形成されるため放熱性が悪く、ＩＣチップ裏面のみの放熱作用となって放熱効果が低い問題がある。また、ＩＣチップ裏面から、小型薄型化の要求を満たすために近い位置関係にある圧電振動片実装部に伝わる熱が多い。
【０００９】
また更に、低融点ガラス封止ではＩＣチップに例えば３５０℃以上の温度がかかるため、ＩＣチップのアルミＰＡＤとＡｕボールの接続の信頼性が低下する虞がある。従って、Ａｕ線を用いる場合には、極力短時間かつ低温での低融点ガラス封止が求められる。高温あるいは長時間の低融点ガラス封止の場合には、アルミ線でのボンディングを用いる。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に着目してなされたもので、特に音叉型振動片を用いたデバイスの場合、振動片実装部の真空度を低下させることがなく、周波数精度やエージング特性に優れた圧電振動デバイスおよびリアルタイムクロックを提供することを目的とする。また、振動片実装後の良品のみにＩＣチップを実装できるようにして加工歩留まりを向上させることを目的とする。更には、放熱効果を高くして振動子特性を劣化させないようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電振動デバイスは、圧電振動片およびＩＣチップをパッケージ本体に実装した圧電振動デバイスであって、前記パッケージ本体は、第１の貫通孔が形成された第１のプレートと、前記第１の貫通孔と平面視して重なる位置に連通孔が形成され、前記第１の貫通孔と平面視して重ならない位置に第２の貫通孔が形成された第２のプレートと、を積層して構成され、前記第１の貫通孔と前記第２のプレートとによって前記パッケージ本体に形成された第１凹部に前記圧電振動片が実装され、前記第２の貫通孔と前記第１のプレートとによって前記パッケージ本体に形成された第２凹部に前記ＩＣチップが実装され、前記第１凹部の開口がリッドにより塞がれ、且つ前記第１凹部の前記連通孔が封止材により塞がれ、前記第１凹部が気密に封止されていることを特徴としている。
【００１６】
更に、前記外部連絡通孔は前記圧電振動片の周波数調整部位の直下に形成すればよい。
また、前記リッドはガラスとすることができる。
【００１８】
更に、本発明に係るリアルタイムクロックは、上述の圧電振動デバイスを搭載してなることを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る圧電振動デバイスおよびリアルタイムクロックの具体的実施形態を、図面を参照して、詳細に説明する。
まず、本発明の第１の適用例に係る圧電振動デバイスを図２に示す。同図（１）はデバイス断面図であり、同図（２）はリッド側平面図、同図（３）は底面図を示している。これらの図に示すように、第１の実施形態に係る圧電振動デバイス１０は、セラミック絶縁基板で形成された３層のプレートを積層して形成されたパッケージ本体１２を有しており、その表裏面に各々左右に位置をずらして形成された音叉型振動片１４の実装用第１凹部１６、および発振回路を有するＩＣチップ１８の実装用第２凹部２０を設けている。これら凹部１６、２０を形成するため、パッケージ本体１２は圧電振動片実装用空間を形成した第１プレート１２ａと、振動片駆動用ＩＣチップ実装用空間を形成した第２プレート１２ｂとを積層するとともに、第２プレート１２ｂ側に樹脂モールド空間を形成する第３のプレート１２ｃを積層することにより形成されている。この積層構造によりパッケージ本体１２の両面に各々実装用凹部１６、２０が形成されることになる。
【００２０】
前記パッケージ本体１２に、後述するように、ＩＣチップ１８の実装に先立ってパッケージ本体１２に形成した専用の第１凹部１６に音叉型振動片１４を実装し、当該第１凹部１６を外部雰囲気と連通孔２２を介して連通状態を保持したまま、第１凹部１６の開口を覆うようにリッド２４を実装した後、外部連絡となっている通孔２２を、真空下において、Ａｕ−Ｓｎ合金もしくはＡｕ−Ｇｅ合金などからなる封止材２６により後埋めすることで密閉遮断し、当該振動片実装用の第１凹部１６を真空密閉する。そして、前記音叉型振動片１４の適性判別処理の後にＩＣチップ１８を第２凹部２０に実装し、第２凹部２０内にモールド樹脂２８を充填するようにしたものである。
【００２１】
リッド２４はパッケージ本体１２の上面全体に積層接着されるガラスから構成され、図２（２）に示しているように、コーナ部分が角にならないように面取りアールを施して割れを防止している。音叉型振動片１４は比較的小片であるので、横長のパッケージ本体１２の片側に寄せて形成された第１凹部１６の内部に実装し、ガラスリッド２４は第１凹部１６の面積より大きいパッケージ本体１２との接合面部分で積層接着されるようになっている。これにより、リッド２４にかなり薄いガラスを用いても割れることが防止される。一方、パッケージ本体１２の反対面側に形成されている第２凹部２０には、ＩＣチップ１８が実装されるが、ＩＣチップ１８を実装した後、ワイヤボンディングが施される。第２プレート１２ｂには、Ｗ（タングステン）あるいはＭｏ（モリブデン）等の金属でメタライズされ、Ｎｉ＋Ａｕメッキされた入出力用電極（図示せず）が形成されており、この電極と前記ＩＣチップ１８のワイヤボンディングパッドとがＡｕボンディングワイヤ２９により電気的に接続されている。
【００２２】
なお、上記デバイス１０にはパッケージ本体１２の側縁部分にスルーホールにより形成された外部端子３０が設けられている。これは特に第２プレート１２ｂに形成した回路から引き出された端子であり、種々の信号の入出力をこの外部端子を通じて行うようにしている。
【００２３】
このような圧電振動デバイス１０を製造する工程を、図１を参照して、説明する。最初にセラミックパッケージ本体１２に形成されている第１凹部１６の内部にＡｇペーストを用いて音叉型振動片１４を実装した後、乾燥する（同図（１））。接着部が乾燥した後、ガラスからなるリッド２４をパッケージ本体１２の表面に積層し、第１凹部１４の開口を閉塞するように覆う（同図（２））。このリッド２４の実装に際しては接着温度が３２０℃程度となり、この加熱処理によりパッケージ本体１２や接着剤からガスが放出されるが、第１凹部１６内が連通孔２２により外部に通じているため、放出ガスが外部に流出することになる。これによってガスが第１凹部１６内に留まることがなくなり、音叉型振動片１４へのガス付着による特性変化を防止できる。
【００２４】
このリッド２４の実装後、予めパッケージ本体１２を加熱処理し、内部に包含されている水分などを飛ばした後、パッケージ本体１２を真空下においておき、図１（３）に示すように、Ａｕ−Ｇｅボールからなる孔封止材２６を連通孔２２に装着して、レーザ照射により遮蔽密閉する。これによって、音叉型振動片１４が実装されている第１凹部１６内は真空保持される。この音叉型振動片１４を実装し完全密封した後、振動片の特性検査を行い（同図（４））、振動片が周波数調整可能範囲に入っているか否かの適正判別処理を行って振動片が良品であるか、不良品であるかの判定が行われる。この処理により、ＮＧ製品がＩＣチップ１８の実装前に取り除かれ、無駄にＩＣチップ１８を廃棄処分することが防止される。
【００２５】
特性検査によって適正であると判定された音叉型振動片１４を実装しているパッケージ本体１２のみが次工程に進み、パッケージ本体１２を反転して第２凹部２０の内部にＩＣチップ１８をＡｇペーストによりダイアタッチして接着固定し、所定温度下において乾燥した後、Ａｕ線によりワイヤボンディングを施して固定実装するのである（図１（６））。
【００２６】
その後は、ＩＣ実装空間内部にエポキシ樹脂などのモールド樹脂２８をポッティングし（同図（７））、乾燥固化による樹脂封止を完了させる（同図（８））。この樹脂封止の後の製品に対し周波数調整を行う（同図（９））。これは音叉型振動片１４をＩＣチップ１８で駆動することにより得られる出力周波数を検出しつつガラスリッド２４を介してレーザを照射し、音叉から周波数調整分の重りを除去することで行う。このとき、前記外部雰囲気への連通孔２２を除去領域の直下に配置し、埋め込んでいるＡｕ−Ｇｅボールなど金ベースの材料の表面を臨ませ、ここに前記音叉型振動片１４の周波数調整により飛散する金属製の重り材料を捕捉するようにすることが望ましい。このような周波数調整を製品状態で行った後、マーキングを施して完成品とするのである（同図（１０））。
【００２７】
このように構成された圧電振動デバイス１０とその製造方法に関する実施形態によれば、セラミックパッケージ本体１２において、音叉型振動片１４の実装を行う第１凹部１６の開口部がパッケージ表面の横位置に配設され、また、真空封止用に外部に貫通された連通孔２２が開口部に設置されている。そして、ＩＣチップ１８の実装を行う第２凹部２０の開口部がパッケージ本体１２における裏面の、音叉型振動片実装部の横に設置されているので、実装厚みが極めて薄くなり、同時に体積量も小さくできるので、小容積小面積の圧電振動デバイスを得ることができる。圧電振動片の振動腕に溝や長穴を設け、励振電極を形成することにより、極めて効率的な圧電振動片が構成できる。このような圧電振動片を採用することにより、平面実装面積も十分小さくすることができる。
【００２８】
振動片の実装は、音叉をＡｇペースト（シリコン系）で接着し、また、開口部へのリッドを透明ガラス板により形成しつつ、空間接合面積を小さくして破損の危険性を回避した構造になっている。更に、低融点ガラスでパッケージとガラスを接着するが、接着剤から発生するガスの影響を振動片１４に及ぼすことが少ない。同時に真空度を低下させる影響も小さくなっている。リッド２４はパッケージ本体１２の全体を覆うくらいのサイズであり、第１凹部１６の覆う面積より固体接合面積が大きいため、強度が高いものとなっている。
【００２９】
特にこの実施形態では、振動片実装内部を真空にするための封止を真空中でＡｕ−Ｓｎや、Ａｕ−Ｇｅボールなどの封止材２６をレーザによって溶かし封止するので、振動片１４の接着剤やガラスリッド２４の接着剤から出るガスを外部に放出した後に真空処理できる。したがって、振動片１４へのガス付着による劣化の防止効果が高い。
【００３０】
また、振動片１４の特性検査をＩＣチップ１８の実装前に行うので、不良水晶振動片をここで検出でき、ＩＣチップ１８を搭載した後になって、無駄に振動片１４やＩＣチップ１８等を廃棄処分する必要がない。ＩＣチップ１８の実装に関して、ＩＣチップ１８はＡｕ線によるワイヤボンディング、Ａｌ線によるエッジボンディングやＦＣＢなどが可能となり、ＩＣ実装の工法を選ばない利点が得られる。更に、樹脂によるＩＣチップ１８の封止を行うので、光遮蔽が確実になされ、また、周波数調整がガラスリッド２４を介してレーザにより音叉先端の重りを取ることによって容易に行える。この周波数調整は、製品の組立後に発振周波数を監視しながら実施できるので、ＩＣの容量バラツキに関係なく、高精度な発振周波数を有する商品を得ることができる。また、周波数調整加工における熱や衝撃による影響はほとんどないので、無視できるレベルの周波数変化に抑えることができる。
【００３１】
図３は第２実施形態に係る圧電振動デバイスを示している。この第２実施形態はＩＣチップ１８の実装面をリッド２４の内面にした点が図２に示す第１の実施形態と異なるところである。その他の構成は第１実施形態の場合と同じである。更に、図４は第３実施形態に係るデバイスを示しており、これは第１凹部１６の開孔部分をガラスリッド２４で覆い、第２凹部２０の底をリッド２４ではなくセラミックプレート１２ｄにより形成するようにし、ガラスリッド２４と同一平面となるように設定したものである。
【００３２】
これら第２、第３実施形態に係るデバイスによっても第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。特にこれら第２、第３実施形態の場合には薄型にできる効果が高い利点がある。
また、上述した圧電振動デバイスを搭載してリアルタイムクロックを構成すればよい。回路構成を図５に示す。リアルタイムクロックの場合には、図２（３），図３（３）および図５から理解できるように、一般発振器と異なり外部接続端子数が多い。このデバイスをリアルタイムクロック３２として用いることにより、小型で薄い構造とすることができる。本願は、小型薄型であるにもかかわらず外部端子を多数設けることができる構造である。従って、発明の実施の形態はリアルタイムクロックで説明したが、本願は、多出力圧電振動デバイスや各種高機能圧電振動デバイスにも適している。
【００３３】
なお、上記実施形態では圧電振動片として音叉型振動片を用いた例を説明したが、ＡＴカット振動片を用いることもできる。この場合には、第１凹部１６内を真空にする必要がないが、一旦真空引きした後、連通孔２２を用いて窒素ガスを封入する構造とすればよい。また、リッド２４もガラスではなく金属リッドを用いることができる。
さらに、上記実施形態では圧電振動片として音叉型振動片を用いた例を説明したが、真空雰囲気下での振動を要する腕を有する圧電振動片にも十分適用できるものである。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動片実装部の真空度の低下や振動片の特性を劣化させることがなく、周波数精度やエージング特性に優れた圧電振動デバイス並びにリアルタイムクロックを得ることができる。また、振動片実装後の良品のみにＩＣチップを実装できるようにして加工歩留まりを向上させることができ、放熱効果を高くして振動子精度を劣化させないようにすることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る圧電振動デバイスの製造工程図である。
【図２】 本発明に係る圧電振動デバイスの第１実施形態を示すもので、（１）は断面図、（２）は平面図、（３）は底面図である。
【図３】 本発明に係る圧電振動デバイスの第２実施形態を示すもので、（１）は断面図、（２）は平面図、（３）は底面図である。
【図４】 本発明に係る圧電振動デバイスの第３実施形態の断面図である。
【図５】 同リアルタイムクロックの回路構成図である。
【図６】 従来の音叉型圧電振動デバイスの断面図である。
【符号の説明】
１０………圧電振動デバイス、１２………パッケージ本体、１４………音叉型振動片、１６………第１凹部、１８………ＩＣチップ、２０………第２凹部、２２………連通孔、２４………リッド、２６………封止材、２８………モールド樹脂、３０………外部電極。

Claims (4)

1. 圧電振動片およびＩＣチップをパッケージ本体に実装した圧電振動デバイスであって、
   前記パッケージ本体は、
   第１の貫通孔が形成された第１のプレートと、
   前記第１の貫通孔と平面視して重なる位置に連通孔が形成され、前記第１の貫通孔と平面視して重ならない位置に第２の貫通孔が形成された第２のプレートと、
   を積層して構成され、
   前記第１の貫通孔と前記第２のプレートとによって前記パッケージ本体に形成された第１凹部に前記圧電振動片が実装され、
   前記第２の貫通孔と前記第１のプレートとによって前記パッケージ本体に形成された第２凹部に前記ＩＣチップが実装され、
   前記第１凹部の開口がリッドにより塞がれ、且つ前記第１凹部の前記連通孔が封止材により塞がれ、前記第１凹部が気密に封止されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電振動デバイスであって、
   前記連通孔は前記圧電振動片の周波数調整部位の直下に形成されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
3. 請求項１または２に記載の圧電振動デバイスであって、
   前記リッドはガラスであることを特徴とする圧電振動デバイス。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電振動デバイスを搭載してなるリアルタイムクロック。

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