JP4178902B2 - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動素子とＩＣ部品を同一容器の気密空間内に収容したシングルシール構造の表面実装型圧電発振器の改良に関し、小型化、低背化が可能であるばかりでなく、圧電振動素子の負荷容量の変化を抑えて安定した周波数を出力できる表面実装型圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機等の移動体通信機器の普及に伴う低価格化、及び小型化の急激な進展により、これらの通信機器に使用される水晶発振器等の圧電発振器に対しても、低価格化、小型化、低背化の要請が高まっている。
このような要請に対応するために、従来からチップ部品としてのＩＣ部品（半導体集積回路部品）と圧電振動素子を一つの容器の気密空間内に収容し、この気密空間を金属蓋体によって封止したシングルシール構造の表面実装型圧電発振器が提案されている。
この種の表面実装型圧電発振器として、例えば図５に示した如き特許第２９６９５２６号に開示されたものが知られている。この発振器は、積層セラミックから成る容器本体１００の凹所１０１内に水晶片搭載用の段差１０２を有すると共に、段差１０２上に接続パッド１０３を有する。この接続パッド１０３上に水晶片１１０を電気的機械的に接続する。凹所１０１の内底面には内部電極１０４を含む配線パターンを形成してＩＣ部品１１５を搭載する。凹所１０１の外壁１０５の上面に設けた溶接リング１０６を介して金属カバー１０７がシーム溶接され、凹所１０１内を気密封止する。
しかし、上記公報記載の圧電発振器にあっては、容器本体１００の凹所１０１内に水晶片支持用の段差１０２を設ける必要があるため、段差１０２を設ける分だけ、凹所１０１内底面のＩＣ部品搭載エリアが必然的に狭くなり、搭載可能なＩＣ部品１１５の選択範囲が狭くなるという問題がある。即ち、例えば、平面形状における縦横寸法が夫々２．５×２．０ｍｍである温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）を製造するためには、平面形状の縦横寸法が夫々１．０ｍｍ以下のＴＣＸＯ用のＩＣ部品１１５を必要とするが、現状ではこのような微小サイズのＩＣ部品の製造は極めて困難である。また、凹所１０１の内底面上の内部電極１０４上にＩＣ部品１１５を搭載する際には、図示しない吸着手段によってＩＣ部品を吸着保持した状態で凹所内底面に位置決めするが、凹所内壁とＩＣ部品側面との間に搭載作業用のマージンスペースを確保する必要があるため、その分だけ凹所の平面積を大きくする必要がある。このため、圧電発振器の小型化に限界があった。
また、凹所１０１内には、水晶片１１０上の励振電極と接続される接続パッド１０３を含む配線パターンが形成されるが、これらの配線パターンは少なからず寄生容量をもつため、この寄生容量の影響により高度に安定した発振出力周波数を確保することが困難となる。
【特許文献１】
特許第２９６９５２６号
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、容器内の気密空間内に圧電振動素子とともにチップ化したＩＣ部品を収容した構造の表面実装型圧電発振器において、気密空間を構成する容器の凹所内壁に圧電振動素子搭載用の段差部を形成することに起因したＩＣ部品搭載エリアの狭面積化と、圧電振動素子の励振電極と接続される配線パターンが有する寄生容量に起因した発振出力周波数の不安定化を解消することができる表面実装型圧電発振器を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る表面実装型圧電発振器は、外底部に表面実装用の実装端子を備えた絶縁材料から成る底板、前記底板上に一体化した絶縁材料から成り上面が平坦である環状外壁、前記環状外壁の前記上面に配置された複数のＩＣ部品搭載用の接続パッド、及び前記環状外壁の前記上面であって前記各接続パッドよりも外径側の領域に突設されたシームリング、を備えた容器本体と、前記シームリング上に固定されることにより前記底板上であって前記環状外壁及び前記シームリングにより囲まれた空間を封止する金属蓋体と、を備えた容器と、圧電基板の両主面上に形成された複数の励振電極及び前記各励振電極から延びる複数のリード端子を備えた圧電振動素子と、前記環状外壁の対向し合う前記上面間に差し渡し載置可能な面積を有したＩＣ部品本体、前記ＩＣ部品本体の一方の面に設けられ前記各接続パッドと電気的機械的に接続される第１の部品側端子、及び前記ＩＣ部品本体の前記一方の面に設けられ前記圧電振動素子の前記各リード端子と電気的機械的に接続される第２の部品側端子、を備えたＩＣ部品と、を備え、前記シームリングの厚みは、前記環状外壁部の前記上面から前記ＩＣ部品本体の他方の面までの長さより大きく、前記ＩＣ部品本体の前記一方の面により前記圧電振動素子を支持することにより、前記圧電振動素子を前記環状外壁の内側の凹所内に配置したことを特徴とする。
セラミック等の絶縁容器の凹所内に圧電振動子及びＩＣ部品を気密封止した圧電発振器にあっては、従来、凹所内壁に段差を突設し、この段差上に圧電振動子を搭載し、凹所内底面にＩＣ部品を接続した上で、凹所開口を金属蓋体にて封止していた。このため、圧電発振器の小型化の要請の下においては、ＩＣ部品収容エリアとしての凹所内底面のスペースが極限される一方で、ＩＣ部品の小型化にも限界があるため、このような容器の構造は圧電発振器の小型化に対する大きな妨げとなっていた。また、凹所内に配置された圧電振動素子との接続用の配線パターンは少なからず寄生容量をもつため、この寄生容量の影響により高度に安定した発振出力周波数を確保することが困難となるという問題があった。
これに対して、本発明では、凹所内をＩＣ部品搭載用スペースとして利用せず、ＩＣ部品を凹所外に位置する外壁上面間に跨って搭載するようにしたので、使用するＩＣ部品の大型化が可能となる一方で、凹所は圧電振動素子を嵌合配置するスペースとしてのみ機能する。このため、容器の平面積の小型化、薄型化を図ることができる。また、ＩＣ部品の下面に直接圧電振動素子を電気的機械的に接続支持するようにしたので、凹所内には圧電振動素子との接続用の配線パターンが存在しなくなり、寄生容量の影響による発信出力周波数の不安定化を防止できる。
請求項２の発明は、請求項１において、前記環状外壁は、平面視して対向しあう部分のそれぞれが他の部分より肉厚になっている一対の肉厚部を有し、前記複数の接続パッドは、前記環状外壁の前記上面であって前記一対の肉厚部の上面のそれぞれに形成されていることを特徴とする。
これによれば、接続パッドを搭載するスペースとして、環状外壁の上面を確保することが可能となり、凹所外の外壁上面にＩＣ部品を支持してＩＣ部品を搭載するエリアを広く確保しつつ、より小さい水晶発振器を実現することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示した実施の形態にもとづいて詳細に説明する。
なお、以下の実施形態では表面実装型圧電発振器の一例として表面実装型水晶発振器を用いて説明する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は本発明の一実施形態に係る表面実装型水晶発振器の平面図（金属蓋体を除去した状態）、Ａ−Ａ’断面図、容器本体の平面図、及びＩＣ部品の底面図である。
この水晶発振器１は、水晶振動素子２０と、発振回路及び温度補償回路を構成するＩＣ部品（半導体集積回路部品）３０を、容器２内の気密空間内に収容したタイプである。
即ち、容器２は、外底部に表面実装用の実装端子４を備えたセラミック等の絶縁材料から成る底板３、底板３上に一体化したセラミック等の絶縁材料から成る環状外壁６、環状外壁６の対向し合う長辺に沿った各上面６ａに配置された複数のＩＣ部品搭載用の接続パッド７、及び環状外壁上面であって各接続パッド７よりも外径側に突設されたシーム溶接用の金属枠体であるシームリング８、を備えた容器本体５と、容器本体５のシームリング８上に溶接固定されることにより環状外壁６の内側の凹所９を封止する金属蓋体１０と、を備える。環状外壁６の肉厚は、接続パッド７を上面６ａに備えた長辺側の方が、短辺側の肉厚よりも厚くなっているため、接続パッド７を搭載するスペースとしての上面６ａを確保することが可能になっている。接続パッド７は、外径側に位置するシームリング８から２００μｍ以上離間しており、容器内部に配線された導体パターンを介して、容器本体底面に配置した発振出力端子、電源端子、グラウンド端子等の実装端子４と夫々接続されている。
水晶振動素子２０は、水晶基板２１の両主面上に夫々導電材料によって成膜した２つの励振電極２２と、各励振電極２２から水晶基板２１の端縁まで夫々延びるリード端子２３と、を備えている。水晶基板２１の上面側の励振電極２２から延びるリード端子２３は、そのまま水晶基板の端縁へ延びて終端し、下面側の励振電極から延びるリード端子２３は水晶基板の同じ端縁へ延びてから上側へ折り返して延長形成されることにより、両リード端子２３の端縁は水晶基板の同一端縁に沿って配列された状態となる。
ＩＣ部品３０は、環状外壁６の対向し合う２つの上面６ａ間に差し渡し載置可能な面積を有したＩＣ部品本体３１、ＩＣ部品本体３１の下面に設けられバンプ４０によって各接続パッド７と接続される第１の部品側端子３２、及びＩＣ部品本体３１の下面に設けられバンプ４１によって水晶振動素子の各リード端子２３と電気的機械的に接続される第２の部品側端子３３、を備えている。ＩＣ部品３０を２つの上面６ａに跨った状態で載置して固定するため、ＩＣ部品３０は凹所９の平面積を越えた平面積を有していることが必要であり、従来のように凹所９内に収納するために小型化する必要がないことから、大きなタイプのＩＣ部品３０を適用でき、部品の選択の範囲が拡大する。
【０００６】
本発明の水晶発振器１の特徴的な構成は、環状外壁６の対向し合う２つの上面６ａ間に差し渡し配置したＩＣ部品本体３１の下面に水晶振動素子２０を電気的機械的に接続して支持することにより、水晶振動素子２０を環状外壁６の内側の凹所９内に配置した点にある。即ち、ＩＣ部品本体３１の下面には２つの対向する端縁に沿って４個ずつ第１の部品側端子３２が配置されており、これら第１の部品側端子３２はバンプ４０を介して、環状外壁６の対向し合う上面６ａ上に配置した接続パッド７と一対一の関係で電気的機械的に接続される一方で、２つの第２の部品側端子３３はバンプ４１を介して水晶振動素子２０の主面上の２つのリード端子２３と一対一の関係で電気的機械的に接続される。本実施形態では、このように水晶振動素子２０は、容器２の凹所内に設けた段差等によって支持されてはおらず、凹所外の外壁上面によって支持されている。このように凹所内に段差部を設ける必要がなく、凹所外の外壁上面にＩＣ部品を支持するので、ＩＣ部品を搭載するエリアを広く確保することができながらも、従来の容器構造と比べて占有面積がより小さい水晶発振器を実現することができる。また、水晶振動素子２０の励振電極２１は、容器２側に設けた接続パッド等の配線パターンとも直接接続しておらず、ＩＣ部品側の対応する端子３３とのみ直結された状態となっている。このため、水晶振動素子２０とＩＣ部品３０とを接続する配線パターンを形成する必要が無くなる。この結果、水晶振動素子２０の励振電極間に発生する寄生容量、励振電極とグランドとの間に発生する寄生容量、出力端子電極との間に発生する浮遊容量は、ＩＣ部品内部の配線パターンの浮遊容量によってほぼ決定され、全体として各寄生容量、浮遊容量は、限りなく低減されることとなる。
上記の如き構成を備えた本発明の水晶発振器１によれば、凹所９の平面積よりも大きな平面積を有した大型のＩＣ部品３０を容器本体内に収容することが可能となる。また、水晶振動素子１の励振電極間の寄生容量や、グラウンド端子、出力端子に対する水晶振動素子側のリード端子の寄生容量を限りなく低減することが可能となる。
この水晶振動子１の製造手順としては、まず、ＩＣ部品３０の第２の部品側端子３３と水晶振動素子２０のリード端子２３とを、バンプ４１を介して接合することによって、ＩＣ部品３０に水晶振動素子２０を位置決め固定する。次いで、水晶振動素子２０が凹所９内に嵌合するように、ＩＣ部品３０の各第１の部品側端子３２と各外壁上面６ａの各接続パッド７とをバンプ４０を介して接続する。更に、外壁上面のシームリング８と金属蓋体１０とをシーム溶接し、凹所９を気密封止する。なお、金属蓋体１０は、容器本体５の肉厚内部の導体パターンを介してグラウンド側の実装端子４と接続される。
この水晶振動子１をバッチ処理により量産する場合には、容器本体５を多数シート状に連結した大面積の容器本体母材を用いて、上記手順を実施すればよい。次に、ＩＣ部品３０に水晶振動素子２０の周波数温度特性を補償するための温度補償回路を含ませることにより、上記実施形態に係る水晶発振器１を温度補償型水晶発振器１（ＴＣＸＯ）とすることができる。
図２は、本発明の水晶発振器１を温度補償型とした場合に、周波数温度特性や常温における周波数を調整するために必要とされる調整用端子５０を、容器本体５の側面に配置した例を示している。なお、この調整用端子５０は容器本体５の底面に設けてもよい。
【０００７】
次に、図３は、ＣＭＯＳインバータ発振器の回路図であり、発振回路を構成するコンデンサ５５と直列接続された容量可変のバリキャップダイオード５６との間に電源端子５７から３次関数を有する温度補償電圧を印加することにより温度特性を補償する間接温度補償タイプのＴＣＸＯに、本発明の水晶発振器の構造を適用すれば、周波数の温度補償感度を高めることができ、温度補償電圧のダイナミックレンジを有効利用することができる。
また、本発明の水晶発振器の構造を、周波数電圧制御機能付きのＶＣ−ＴＣＸＯに応用すれば、周波数変化量を従来例の場合よりも更に大きくすることができる。
いずれの場合においても、図中に示した水晶振動子端子−出力端子間の寄生容量を限りなく低減できるので、出力負荷の変動に対して、極めて安定した出力周波数を発振するＴＣＸＯ、或いはＶＣ−ＴＣＸＯを得ることができる。グラウンド端子に対する水晶振動素子側のリード端子の寄生容量についても限りなく低減することが可能となる。
次に、図４は本発明の他の実施形態に係る水晶発振器１の平面図（金属蓋体を除去した状態）であり、この実施形態は水晶振動素子２０の各リード端子２３と、ＩＣ部品側の第２の部品側端子３３とを接続するバンプ４１を複数個、例えば２個ずつ使用して接続強度を高めた例である。この場合、例えばＩＣ部品側に設ける個々の第２の部品側端子３３の面積を広くすることにより、複数個ずつのバンプ４１の使用が可能となる。
また、バンプに代えて、他の導電部材を用いて接続したものであってもよい。なお、上記実施形態では表面実装型の水晶発振器を例として説明したが、本発明は水晶以外の圧電素材を用いた圧電発振器に適用できることはいうまでもない。
【０００８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、容器内の気密空間内に圧電振動素子とともにチップ化したＩＣ部品を収容した構造の表面実装型圧電発振器において、気密空間を構成する容器の凹所内壁に圧電振動素子搭載用の段差部を形成することに起因したＩＣ部品搭載エリアの狭面積化と、圧電振動素子の励振電極と接続される配線パターンが有する寄生容量に起因した発振出力周波数の不安定化を解消することができる。
即ち、請求項１の発明に係る表面実装型圧電発振器では、凹所内をＩＣ部品搭載用スペースとして利用せず、ＩＣ部品を凹所外に位置する外壁上面間に跨って搭載するようにしたので、使用するＩＣ部品の大型化が可能となる一方で、凹所は圧電振動素子を嵌合配置するスペースとしてのみ機能する。このため、容器の平面積の小型化、薄型化を図ることができる。また、ＩＣ部品の下面に直接圧電振動素子を電気的機械的に接続支持するようにしたので、凹所内には圧電振動素子との接続用の配線パターンが存在しなくなり、寄生容量の影響による発信出力周波数の不安定化を防止できる。
請求項２の発明は、前記環状外壁は、平面視して対向しあう部分のそれぞれが他の部分より肉厚になっている一対の肉厚部を有し、前記複数の接続パッドは、前記環状外壁の前記上面であって前記一対の肉厚部の上面のそれぞれに形成されているので、接続パッドを搭載するスペースとして、環状外壁の上面を確保することが可能となり、凹所外の外壁上面にＩＣ部品を支持してＩＣ部品を搭載するエリアを広く確保しつつ、より小さい水晶発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電発振器の平面図、Ａ−Ａ’断面図、容器本体平面図、及びＩＣ部品の底面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の正面図。
【図３】ＣＭＯＳインバータ発振器の回路構成を示す図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る表面実装型圧電発振器の要部平面図。
【図５】従来例の圧電発振器の縦断面図。
【符号の説明】
１ 水晶発振器、２ 容器、３ 底板、４ 実装端子、５ 容器本体、６ 環状外壁、６ａ 上面、７ 接続パッド、８ シームリング、９ 凹所、１０ 金属蓋体、２０ 圧電振動素子（水晶振動素子）、２１ 圧電基板（水晶基板）、２２ 励振電極、２３ リード端子、３０ ＩＣ部品、３１ ＩＣ部品本体、３２ 第１の部品側端子、３３ 第２の部品側端子、４０ バンプ、４１ バンプ、５０ 調整用端子、５５ コンデンサ、５６ バリキャップダイオード、５７電源端子。

Claims (2)

1. 外底部に表面実装用の実装端子を備えた絶縁材料から成る底板、前記底板上に一体化した絶縁材料から成り上面が平坦である環状外壁、前記環状外壁の前記上面に配置された複数のＩＣ部品搭載用の接続パッド、及び前記環状外壁の前記上面であって前記各接続パッドよりも外径側の領域に突設されたシームリング、を備えた容器本体と、前記シームリング上に固定されることにより前記底板上であって前記環状外壁及び前記シームリングにより囲まれた空間を封止する金属蓋体と、を備えた容器と、
   圧電基板の両主面上に形成された複数の励振電極及び前記各励振電極から延びる複数のリード端子を備えた圧電振動素子と、
   前記環状外壁の対向し合う前記上面間に差し渡し載置可能な面積を有したＩＣ部品本体、前記ＩＣ部品本体の一方の面に設けられ前記各接続パッドと電気的機械的に接続される第１の部品側端子、及び前記ＩＣ部品本体の前記一方の面に設けられ前記圧電振動素子の前記各リード端子と電気的機械的に接続される第２の部品側端子、を備えたＩＣ部品と、
   を備え、
   前記シームリングの厚みは、前記環状外壁部の前記上面から前記ＩＣ部品本体の他方の面までの長さより大きく、
   前記ＩＣ部品本体の前記一方の面により前記圧電振動素子を支持することにより、前記圧電振動素子を前記環状外壁の内側の凹所内に配置したことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記環状外壁は、平面視して対向しあう部分のそれぞれが他の部分より肉厚になっている一対の肉厚部を有し、
   前記複数の接続パッドは、前記環状外壁の前記上面であって前記一対の肉厚部の上面のそれぞれに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型圧電発振器。

Images