JP4239798B2 - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装型圧電発振器に関し、特にセラミックパッケージに実装した圧電振動素子の周波数を確認するための機能端子の構造に起因する種々の不具合を解決した表面実装型圧電発振器に関するものである。

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振動子や水晶発振器に対しても低価格化、小型化の要求が高まっている。

前述する要求を満足した従来の表面実装型水晶発振器として、例えば特開２００３−１６３５４０号公報で開示されたようなものがあり、図５（ａ）はそのパッケージの構成を示す縦断面図、図５（ｂ）はアンダーフィル樹脂を省略した状態の下面図である。
従来の表面実装型水晶発振器１００は、図５（ａ）に示すように、水晶振動素子１０１と、発振回路および温度補償回路を構成するＩＣチップ１０２と、複数のセラミック絶縁層からなる積層体であって上面に前記水晶振動素子１０１を収容するための第１のキャビティー部１０３ａを備えると共に下面に前記ＩＣチップ１０２を収容するための第２のキャビティー部１０３ｂを備える略矩形状の容器体１０３と、前記第１のキャビティー部１０３ａの開口を閉止するための蓋体１０４と、を備えている。前記第１のキャビティー部１０３ａの内底面に形成したパッド電極１０６に導電性接着剤を介して前記水晶振動素子１０１の一方端部で片持ち支持すると共に電気的な接続をした上で前記蓋体１０４によりキャビティー部１０３ａを気密封止し、前記第２のキャビティー部１０３ｂの内底面（天井面）に配設するＩＣ電極パッド１１１に導体バンプを介して前記ＩＣチップ１０２をフリップチップ実装した上でアンダーフィル樹脂１０５で封止する構造を有する。

前記第２のキャビティー部１０３ｂの開口形状は、図５（ｂ）に示すように、前記容器体１０３の長手方向に対向する辺部夫々の隅側に配設する外部端子電極１１２間の領域に張り出す張出部１１０を有する略十字状形状であるとともに、一対の対向する前記張出部１１０（の内底面）に前記水晶振動素子と電気的に接続するモニタ電極パッド１１３ａ及び１１３ｂを配置することで対をなす該モニタ電極パッドを互いに最も離した状態にすることができ、モニタ電極パッド同士間の浮遊容量の影響を抑えて前記水晶振動素子の温度特性を安定且つ確実に測定することが可能となる。
特開２００３−１６３５４０号公報

近年では水晶発振器の更なる小型化への要求が高まっており、水晶発振器の（平面方向）外形寸法が２．０×２．５ｍｍからそれ以下の大きさへと移行しつつある。そのため、小型化に対応した容器体（小型容器体）が有する（前記ＩＣチップとのクリアランスを考慮しつつ可能な限り小型化した）前記張出部（及び前記第２のキャビティー部）では、前記各モニタ電極パッドを互いに最も離した状態にしたとしても、モニタ電極パッド同士の間隙の距離が短くなる（狭小になる）ため該モニタ電極パッド同士間の浮遊容量の影響を抑止することが極めて困難となる。

さらに不都合なことに前記ＩＣチップの小型化が進んでおらず、（小型化に対応していない）従来の前記ＩＣチップ及び前記小型容器体を用いて小型化への要求に対応しなければならない。ここで、図５（ｂ）に示す前記容器体１０３を前記小型容器体と仮定すると共に同図を参酌することで、従来の水晶発振器が有する構造で小型化への要求に対応した場合に発生する問題点について説明する。小型容器体１０３において、一対の前記モニタ電極パッド１１３ａ及び１１３ｂを互いに最も離した状態にするという仕様（引用発明）を満足させると、図５（ｂ）に示すように、前記小型容器体１０３の配線パターンの引き回し、特に前記ＩＣチップ１０２が有する水晶接続（入力）端子に対応するＩＣ電極パッド１１１ａと前記モニタ電極パッド１１３ａとを電気的に接続する配線パターン１２１が前記ＩＣチップ１０２の真下に配設、即ち該配線パターン１２１と前記ＩＣチップが有する発振回路とが対向配置することとなり、両者間においてカップリング現象が生じて水晶発振器の発振周波数に影響を与える虞があるという問題が発生していた。

つまり解決しようとする問題点は、小型化に対応し、且つモニタ電極パッドに起因する浮遊容量の影響及びカップリング現象を抑止する手段を備えた表面実装型圧電発振器を提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、上面に凹部を備える第１の多層プリント配線基板と、該第１の多層プリント配線基板の下面の周縁に沿って固着される第２の多層プリント配線基板と、前記凹部に密閉封入された圧電振動素子と、前記第１の多層プリント配線基板の下面に実装された回路素子と、を備えた表面実装型圧電発振器であって、前記圧電振動素子の入出力検査用モニタ端子を前記第２の多層プリント配線基板が当接する前記第１の多層プリント配線基板の下面の領域に配設したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１において、前記第２の多層プリント配線基板の前記モニタ端子と対向する箇所にシールド膜を配設したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項２において、前記モニタ端子を前記第１の多層プリント配線基板下面の同一辺部に配設したことを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項３において、前記第１の多層プリント配線基板下面の同一辺部の両隅に配設する外部端子のいずれか一方がグランド外部端子であることを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項４において、前記シールド膜の一部が前記グランド外部端子と重複したことを特徴とする。

本発明は、前記第１及び第２の多層プリント配線基板を用いることで前記モニタ端子を最適位置に設置することが可能となり、さらに該モニタ端子を覆うシールド膜を前記第２の多層プリント配線基板に配設することにより、モニタ電極端子に起因する浮遊容量の影響及びカップリング現象を抑止することが可能にするという効果を有する。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の表面実装型圧電発振器としての水晶発振器の構成を示す縦断面図、図１（ｂ）は封止樹脂及び環状基板を省略した状態の下面図、図１（ｃ）は第１の実施形態に係わる環状基板の下面図である。
第１の実施形態の水晶発振器（ＴＣＸＯ）１０は、略矩形状のＡＴカット水晶基板と該水晶基板の両主面に配設する励振電極（不図示）と該励振電極夫々から長手方向の一方端部に延在するリード電極（不図示）とを備える水晶振動素子１と、発振回路および温度補償回路を構成する回路素子、例えばＩＣチップ２と、上面に前記水晶振動素子１を収容するための凹部（キャビティー部）３ａを備えると共に平坦状の下面の略中央に前記ＩＣチップ２を実装するための接続端子６を備える略矩形状のセラミックパッケージ（第１の多層プリント配線基板）３と、前記凹部３ａを閉止するための金属蓋４と、前記セラミックパッケージ３の下面の周縁に沿って固着される環状基板（第２の多層プリント配線基板）５と、を備えている。
前記セラミックパッケージ３の下面、特に四隅近傍には内部導体１８を介して前記水晶振動素子１及び前記ＩＣチップ２と電気的に接続する外部入出力用端子電極としての機能を有する外部端子１５が、前記セラミックパッケージ３の長手方向に対向する辺部の略中央には前記水晶振動素子１と電気的に接続する２個の入出力検査用モニタ端子（モニタ電極パッド）１４が配設されている。該各モニタ端子１４は前記セラミックパッケージ３の下面において互いに最も離した状態にあることから、両者間の浮遊容量の影響を抑止することが可能となる。
前記環状基板５は、その上面に前記各外部端子１５に電気的且つ機械的に対応する内部端子１６を備えると共に、内部導体（不図示）を介して下面四隅近傍に前記各内部端子１６に電気的に対応する実装端子１７（前記ＴＣＸＯ１０における外部接続用電極パッドとなる。）を備えている。

前記凹部３ａの内底面に形成した前記パッド電極７に導電性接着剤１１を介して前記水晶振動素子１の一方端部（前記リード電極）で片持ち支持すると共に電気的な接続し、前記モニタ端子１４を介して外部の周波数調整装置（不図示）で前記水晶振動素子１の周波数を測定し、蒸着等により該水晶振動素子１の発振周波数を所定値に調整する。周波数調整を終えた前記水晶振動素子１を収容する前記凹部３ａを前記金属蓋４により気密封止する。前記接続端子６に導体バンプ１２を介して前記ＩＣチップ２をフリップチップ実装し、前記セラミックパッケージ３の下面の周縁、換言すれば前記モニタ端子１４及び前記外部端子１５を覆うように前記環状基板５を載置すると共に前記外部端子１５と該各外部端子１５に対応する前記内部端子１６とを電気的且つ機械的に接続、例えばはんだ接合した上で前記ＩＣチップ２を封止樹脂（アンダーフィル樹脂）１３で封止する構造を有する。なお前記ＩＣチップ２のフリップチップ実装部の信頼性（ヒートサイクル試験等）が保証されるのであれば前記封止樹脂１３を省略しても構わない。

さらに、前記セラミックパッケージ３の配線パターンの引き回し、特に前記ＩＣチップ２が有する水晶接続（入力）端子に対応する接続端子と前記モニタ端子１４とを電気的に接続する配線パターンが前記ＩＣチップ２の真下に配設、即ち該配線パターンと前記ＩＣチップ２が有する発振回路とが対向配置する場合や前記ＴＣＸＯ１０の更なる小型化、低背化への要求に対応した場合などには、前記環状基板５を構成する任意の互いに重なり合う絶縁層同士間にシールド膜２０を配設し該シールド膜２０で前記各モニタ端子１４を覆うと共にシールド膜２０を接地する（グランド電位）ことでモニタ端子１４及び前記ＩＣチップ２が有する発振回路間におけるカップリング現象を抑止することが可能となる。

図２（ａ）は本発明の第２の実施形態の表面実装型圧電発振器としての水晶発振器の封止樹脂及び環状基板を省略した状態の下面図、図２（ｂ）は第２の実施形態に係わる環状基板の下面図である。
第２の実施形態の水晶発振器が第１の実施形態と異なる点は、前記モニタ端子を前記セラミックパッケージの一方辺部に併設した点にある。
前記ＴＣＸＯ１０では前記各モニタ端子１４を前記セラミックパッケージ３の下面の長手方向に対向する辺部（即ち短辺部）の略中央に設置したが、例えば図２（ａ）に示すように、セラミックパッケージ２３の下面の一方の短辺部（同図における左側短辺部）に沿って前記各モニタ端子２４を併設したとしても前記シールド膜が有するシールド効果により前記浮遊容量の影響を抑止することは可能である。さらに望ましくは、例えば図２（ｂ）に示すように、前記セラミックパッケージ２３の下面の一方の短辺部側に配設する一方の前記外部端子（図２（ａ）における左側短辺部の下側）が前記ＩＣチップ２が有するＧＮＤ端子と電気的に接続する前記外部端子（グランド外部端子）２５ｄであって、該グランド外部端子２５ｄと重複する（図２（ｂ）中のＤ部）ようにシールド膜３０を配設することで前記浮遊容量の影響を更に抑止することが可能となる。なお前記シールド膜３０が前記各モニタ端子２４を覆うと共に、該シールド膜２０を接地させることは言うまでもない。また前記各モニタ端子２４を前記セラミックパッケージ２３の下面の長辺部側に沿って併設しても構わない。

図３は本発明に係わる環状基板の第２の実施形態の構成を示す上面斜視図である。
図３に示す環状基板３５は前記ＴＣＸＯ１０に用いる前記環状基板の第２の実施形態であって、該環状基板３５の上面（前記セラミックパッケージ３の下面に対向する面）の前記モニタ端子に対向する箇所を凹設し該各凹設部３５ａの内底面に導体膜（シールド膜）３８を被着してあり、グランド電位の該各導体膜３８によって前記各モニタ端子間の浮遊容量の影響を、またモニタ端子及び前記ＩＣチップ（が有する発振回路）間におけるカップリング現象を抑止することが可能となる。前記凹設部３５ａは前記環状基板３５（の上面）及び前記セラミックパッケージ（の下面）を対向配置し電気的及び機械的に接続（例えばはんだ接合）する際、該はんだを介して前記各導体膜３８と該各導体膜３８に隣接する各内部端子３６（及び前記各外部端子）との、また前記各導体膜３８を介して前記モニタ端子同士での電気的短絡を防止するための空隙を形成するためのものである。
また、前記環状基板の上面四隅を凸設し該凸設部の上面、即ち環状基板の最上面に前記内部端子を配設したとしても同様の効果が得られる。

図４は本発明に係わる環状基板の第３の実施形態の構成を示す下面斜視図である。
図４に示す環状基板４５は前記ＴＣＸＯ１０に用いる前記環状基板の第３の実施形態であって、該環状基板４５の下面（前記ＴＣＸＯにおける実装面であって、同図における上面にあたる。）の前記モニタ端子に対向する箇所を凹設し該凹設部４５ａの内底面（天井面）に導体膜（シールド膜）４８を被着してあり、該導体膜４８によって前記各モニタ端子間の浮遊容量の影響を、またモニタ端子及び前記ＩＣチップ（が有する発振回路）間におけるカップリング現象を抑止することが可能となる。前記各凹設部４５ａは、前記環状基板４５を有するＴＣＸＯを外部のプリント基板にはんだ実装した際、該はんだを介して前記各導体膜４８と該各導体膜４８に隣接する（環状基板４５の下面四隅に配設する）実装端子４７（及び該実装端子４７に対応する外部の前記プリント基板の実装パターン）との電気的短絡を防止するための空隙を形成するためのものである。
また、前記環状基板の下面四隅を凸設し該凸設部の上面、即ち環状基板の最下面に前記実装端子を配設したとしても同様の効果が得られる。

前記第２の多層プリント配線基板に環状基板を用いて本発明を説明したが、少なくとも最下層に平板状の絶縁層を用いて積層一体化した、即ち上方に開口する凹部を上面に（且つ平坦状の下面を）備える第２の多層プリント配線基板であっても構わない。

発振回路および温度補償回路を構成する回路素子はＩＣチップのみならず、発振回路および温度補償回路を構成するディスクリート部品と温度補償回路の補償量や発振周波数を微調整するためのコンデンサ等の電子部品であっても構わない。また、前記多層基板（集合基板）の下面には前記ＩＣチップの他に該ＩＣチップに供給される電源電圧に重畳される高周波ノイズを除去するためのコンデンサ等をも実装しても構わない。

ＴＣＸＯを用いて本発明を説明したが、自動周波数制御（ＡＦＣ）回路を付加した所謂ＶＣ−ＴＣＸＯ、ＶＣＸＯ、ＳＰＸＯ、ＯＣＸＯ、ＳＡＷ発振器等のデバイスに適用できることは云うまでもない。

ＡＴカット水晶基板を用いて本発明を説明したが、本発明はＡＴカットに限定するものではなくＢＴカット、ＣＴカット、ＤＴカット、ＳＣカット、ＧＴカット等のカットアングルの水晶基板に適用できることは云うまでもない。

また本発明は、水晶振動素子（水晶基板）のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材料にも適用できることは云うまでもない。

本発明の第１の実施形態としての水晶発振器の構成を示すものであって、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は封止樹脂及び環状基板を省略した状態の下面図、（ｃ）は環状基板の下面図である。 本発明の第２の実施形態としての水晶発振器の構成を示すものであって、（ａ）は封止樹脂及び環状基板を省略した状態の下面図、（ｂ）は環状基板の下面図である。 環状基板の第２の実施形態の構成を示す上面斜視図である。 環状基板の第３の実施形態の構成を示す下面斜視図である。 従来の水晶発振器の構成を示すものであって、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）はアンダーフィル樹脂を省略した状態の下面図である。

符号の説明

１・・水晶振動素子 ２・・ＩＣチップ ３・・セラミックパッケージ
３ａ・・凹部 ４・・金属蓋 ５・・環状基板 ６・・接続端子
７・・パッド電極 １０・・ＴＣＸＯ １１・・導電性接着剤
１２・・導体バンプ １３・・封止樹脂 １４・・モニタ端子 １５・・外部端子
１６・・内部端子 １７・・実装端子 １８・・内部導体 ２０・・シールド膜
２３・・セラミックパッケージ ２４・・モニタ端子 ２５ｄ・・グランド外部端子
３０・・シールド膜
３５・・環状基板 ３５ａ・・凹設部 ３８・・導体膜
４５・・環状基板 ４５ａ・・凹設部 ４７・・実装端子 ４８・・導体膜
１００・・表面実装型水晶発振器 １０１・・水晶振動素子 １０２・・ＩＣチップ
１０３・・容器体（及び小型容器体） １０３ａ・・第１のキャビティー部
１０３ｂ・・第２のキャビティー部 １０４・・蓋体
１０５・・アンダーフィル樹脂 １０６・・パッド電極 １１０・・張出部
１１１、１１１ａ・・ＩＣ電極パッド １１２・・外部端子電極
１１３ａ、１１３ｂ・・モニタ電極パッド １２１・・配線パターン

Claims (5)

1. 上面に凹部を備える第１の多層プリント配線基板と、該第１の多層プリント配線基板の下面の周縁に沿って固着される第２の多層プリント配線基板と、前記凹部に密閉封入された圧電振動素子と、前記第１の多層プリント配線基板の下面に実装された回路素子と、を備えた表面実装型圧電発振器であって、
   前記圧電振動素子の入出力検査用モニタ端子を前記第２の多層プリント配線基板が当接する前記第１の多層プリント配線基板の下面の領域に配設したことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記第２の多層プリント配線基板の前記モニタ端子と対向する箇所にシールド膜を配設した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。
3. 前記モニタ端子を前記第１の多層プリント配線基板下面の同一辺部に配設したことを特徴とする請求項２に記載の表面実装型圧電発振器。
4. 前記第１の多層プリント配線基板下面の同一辺部の両隅に配設する外部端子のいずれか一方がグランド外部端子であることを特徴とする請求項３に記載の表面実装型圧電発振器。
5. 前記シールド膜の一部が前記グランド外部端子と重複したことを特徴とする請求項４に記載の表面実装型圧電発振器。
   
   

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