JP4306420B2 - 表面実装型圧電発振器及びそれに用いる集合基板 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装型圧電発振器に関し、特に多層基板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及び該端子を設けた集合基板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およ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ＩＣタイプ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圧電発振器として、例えば特開２００２−１７６３１８号公報で開示されたようなものがある。該公報では４個の形態が例示しているが、本明細書ではこれらの各形態の利点を集約したもので従来技術を説明する。図６（ａ）はそのパッケージの構成を示す縦断面図、図６（ｂ）は封止樹脂を省略した状態の下面図である。
従来の圧電発振器１００は、圧電振動素子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圧電振動素子１０１を収容するための開口部（キャビティー部）１０３ａを形成するシームリングを備えると共に下面に前記ＩＣチップ１０２を実装するための接続端子１１１を備える略矩形状の多層基板１０３と、前記キャビティー部１０３ａを閉止するための蓋体１０４と、前記圧電発振器１００の外部接続用電極として用いられる突起電極１０５と、を備えている。前記キャビティー部１０３ａの内底面に形成したパッド電極１１２に導電性接着剤１１３を介して前記圧電振動素子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、前記接続端子１１１に導体バンプ１１４を介して前記ＩＣチップ１０２をフリップチップ実装すると共に前記多層基板１０３の下面四隅近傍に前記ＩＣチップ１０２の実装高さより高い前記突起電極１０５を配設し前記ＩＣチップ１０２を封止樹脂１１５で封止する構造を有する。

前記ＩＣチップ１０２が有する圧電振動素子入力端子に対応する前記接続端子と前記パッド電極１１２とを電気的に接続する配線パターンの一部を前記圧電振動素子１０１単体の入出力検査用電極として用いるための圧電振動素子接続端子パターン１２０として前記ＩＣチップ１０２と重複しない前記多層基板１０３の下面のスペースに配設しており、該圧電振動素子接続端子パターン１２０を介して外部の周波数調整装置で前記圧電振動素子１０１の周波数を測定し、蒸着等により前記圧電振動素子１０１の発振周波数を所定値に調整する。
特開２００２−１７６３１８号公報

近年では発振器の更なる小型化への要求が高まっており、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にもかかわらず、前記ＩＣチップの小型化が進んでいない。そのため前記ＩＣチップと重複しない前記多層基板の下面のスペースが狭くなり該スペースに前記圧電振動素子接続端子パターンを形成するには該圧電振動素子接続端子パターン自体を小型化するしかない。しかしながら、小型化した圧電振動素子接続端子パターンでは前記周波数調整装置が前記圧電振動素子の周波数測定する際に用いるプローブとの接触不良が頻発し、その結果前記圧電振動素子の周波数調整を失敗するという問題が生じた。このような前記プローブの接触不良を防止するために、例えば前記周波数調整装置に前記圧電振動素子接続端子パターンを画像認識し前記プローブの位置を補正する機能を付加することで、確実に前記圧電振動素子接続端子パターンに前記プローブを接触させ前記圧電振動素子の周波数測定を行なう必要があった。

つまり解決しようとする問題点は、小型化に対応し且つ低コストの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。

更に、画像認識及び前記プローブ位置補正機能を備える前記周波数調整装置を用いることによる設備投資の高額化が表面実装型圧電発振器の低価格化を阻害する点である。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明においては、上面にキャビティー部を備えると共に下面に外部接続用電極を備える多層基板と、前記キャビティー部に密閉封入された圧電振動素子と、前記多層基板の下面に実装し樹脂封止された回路素子と、該回路素子と重複しない前記多層基板下面の表面上に配設する前記圧電振動素子の入出力検査用モニタ端子と、を備えた表面実装型圧電発振器を製造するために複数の前記多層基板を連接した集合基板であって、前記モニタ端子は、互いに隣接する前記多層基板の表面上の境界を被うように設けられたものであり、前記モニタ端子を前記多層基板の境界に添って二つに分割したとき、分割されたモニタ端子のうちの一方のみが前記圧電振動素子に接続されているものであって、前記多層基板の表面上において分割前の前記モニタ端子に外部からプローブを接触させて、前記圧電振動素子の特性を取得するものであることを特徴とする集合基板である。

また、請求項２記載の発明においては、請求項１記載の集合基板から形成された前記多層基板を備えることを特徴とした表面実装型圧電発振器である。

本発明は、集合基板にマウントした各圧電振動素子のそれぞれと電気的に接続するモニタ端子を大型化（大面積化）することが可能となり、該モニタ端子と画像認識機能等を備えない従来の周波数調整装置が有する測定プローブとの接触ミスを抑止し周波数測定不良、即ち周波数調整を失敗するということがほぼ無くな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）は封止樹脂を省略した状態の下面図である。
第１の実施形態の水晶発振器（ＴＣＸＯ）４０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、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１を収容するためのキャビティー部３ａを形成するシームリングを備えると共に下面に前記ＩＣチップ２を実装するための接続端子１１を備える略矩形状の多層基板３と、前記キャビティー部３ａを閉止するための蓋体４と、外部接続用電極として用いられる突起電極５と、を備えている。前記キャビティー部３ａの内底面に形成したパッド電極１２に導電性接着剤１３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をした上で前記蓋体４によりキャビティー部３ａを気密封止し、前記接続端子１１に導体バンプ１４を介して前記ＩＣチップ２をフリップチップ実装すると共に前記多層基板３の下面四隅近傍に前記ＩＣチップ２の実装高さより高い前記突起電極５、例えば金属ボールをはんだ実装し前記ＩＣチップ２を封止樹脂１５で封止する構造を有する。

前記ＩＣチップ２が有する水晶振動素子入力端子に対応する前記接続端子と前記パッド電極１２とを電気的に接続する配線パターンの一部を前記水晶振動素子１単体の入出力検査用電極として用いるためのモニタ端子２０を前記ＩＣチップ２と重複しない前記多層基板３の下面のスペースに且つ該多層基板３の短手方向の対向する一対の辺部の一方側（図１（ｂ）中の上側）の周縁部に密接する。また前記モニタ端子２０に対向する位置、即ち多層基板３の短手方向の対向する一対の辺部の他方側（図１（ｂ）中の下側）の周縁部に前記水晶振動素子１、前記ＩＣチップ２及び前記突起電極５と電気的不通である空き電極１９が密接する。

図２は第１の実施形態の水晶発振器に係わる多層基板集合体の下面の部分拡大図である。なお、図２中に記載する記号５１ａ及び５１ｂは水晶振動素子を示したものである。
前記水晶発振器４０の製造方法は、前記多層基板３に前記水晶振動素子１をマウント（実装）し該水晶振動素子１の周波数を調整する工程と、前記水晶振動素子１を収容した前記キャビティー部３ａを気密封止する工程と、前記多層基板３に前記ＩＣチップ２を実装する工程と、前記ＩＣチップ２を樹脂封止する工程と、を少なくとも備えたものであって、これらの工程をバッチ処理にて順次実施することで前記水晶発振器を低コストで製造することが可能となる。そのためには複数の前記多層基板を（平面方向に）碁盤状に連設した大面積の多層基板集合体（集合基板）を用いる必要があり該集合基板には（その面積当りの前記多層基板の数量を多くするために）所謂ダミー基板を前記多層基板同士の間に設けない、即ち多層基板同士が隣接するものが最適である。例えば図２に示すように、最適化した集合基板２４を構成する（分割し個片化する前の）多層基板２１の上面に前記パッド電極（不図示）、下面に前記接続端子（省略）、前記突起電極を導通固定するための外部端子２５及び多層基板２１の長手方向に対向配置する外部端子２５同士の間隙のそれぞれにモニタ端子３０ａ及び３０ｂが形成しており、該各モニタ端子は多層基板２１を挟んで該多層基板２１をの短手方向に隣接するその他の（分割し個片化する前の）多層基板２２及び２３に延出、換言すれば前記モニタ端子３０ａは前記多層基板２１（の左側端辺部）と該多層基板２１の左側に隣接する前記多層基板２２（の右側端辺部）との境界線（前記集合基板２４を複数の多層基板に分割し個片化するための折り割り作業の案内として用いる凹設した線：スナップライン）を、前記モニタ端子３０ｂは前記多層基板２１（の右側端辺部）と該多層基板２１の右側に隣接する前記多層基板２３（の左側端辺部）とのスナップラインを被うように配設する。前記モニタ端子３０ａは前記多層基板２２に配設する前記パッド電極（に導通固定する水晶振動子５１ａ）と電気的に接続し且つ多層基板２２以外の多層基板に配設する回路パターン群、例えば前記多層基板２１に配設する前記パッド電極（に導通固定する水晶振動子５１ｂ）とは電気的不通に、また前記モニタ端子３０ｂは前記多層基板２１に配設する前記パッド電極（に導通固定する水晶振動子５１ｂ）と電気的に接続し且つ多層基板２１以外の多層基板に配設する回路パターン、例えば前記多層基板２３に配設する前記パッド電極とは電気的不通に形成することで前記各モニタ端子を大型化（大面積化）することが可能となる。このような構造にすることで、例えば前記多層基板２１にマウントした水晶振動素子（５１ｂ）の周波数調整する時、（該水晶振動素子５１ｂと電気的に接続する）前記モニタ端子３０ｂと（前記周波数調整装置の）前記プローブとの接触ミスを抑止することが可能となり周波数調整を失敗するということがほぼ無くなるという効果を有する。

ちなみに前記集合基板２４は、所定の配線パターンを印刷した複数のグリーンシート（シート状のセラミック材）を積層、圧着し前記多層基板２１（及びその他の多層基板）の外形寸法と略一致するようにスナップラインを凹設した後、所定雰囲気で焼成処理する。そして前記多層基板に相当する箇所に前記シームリングを銀ろう付けすることで得られる。

前述する製造方法をバッチ処理にて順次実施し前記集合基板２４を折り割る（分割）ことで個片化した複数の前記水晶発振器、例えば前記多層基板２１を用いる水晶発振器４０では前記モニタ端子２０として前記モニタ端子３０ｂの（前記スナップラインを挟んで）左側部分が、前記空き電極１９として前記モニタ端子３０ａの（前記スナップラインを挟んで）右側部分が対応する。

個片化された前記各水晶発振器は、分割することで露出する側面電極から前記水晶振動素子の固有温度周波数特性による周波数変動を（常温を含む広い温度範囲で）平坦化するための温度補償データを書き込む作業等を実施することで、水晶発振器として完成する。

前記集合基板２４を構成する前記各多層基板に対応する回路パターン群同士が互いに電気的不通になるように、各回路パターン群（即ち前記パッド電極、前記接続端子、前記外部端子及び前記モニタ端子）は、タングステン若しくはモリブデンを焼成し、その上に無電解ニッケルメッキを施し、さらにこの無電解ニッケルメッキ上に無電解金めっきを施したものである。

図３は本発明の第１の変形実施形態としての水晶発振器の封止樹脂を省略した状態の下面図である。
第１の実施形態では図１（ｂ）中の上側に配設する２個の電極を（対をなす）前記モニタ端子２０に、図１（ｂ）中の下側に配設する２個の電極を（対をなす）前記空き電極１９に割り当てたが、例えば図３に示すように、前記ＩＣチップ２と重複しない多層基板４３の下面（紙面）のスペースに且つ該多層基板４３の短手方向の対向する一対の辺部の一方側（図３中の右側）の周縁部に密接する一方の電極４５ａ及び他方側（図３中の左側）の周縁部に密接する一方の電極４５ｃを前記モニタ端子として、一方側（図３中の右側）の周縁部に密接する他方の電極４５ｂ及び他方側（図３中の左側）の周縁部に密接する他方の電極４５ｄを前記空き電極として割り当てても（即ち該電極４５ｂ及び４５ｄは前記集合基板において前記多層基板４３の短手方向に隣接するその他の多層基板の前記モニタ端子となる。）構わない。

図４は本発明の第２の実施形態としての水晶発振器の封止樹脂を省略した状態の下面図であって、図５は第２の実施形態の水晶発振器に係わる多層基板集合体の下面の部分拡大図である。なお、図５中に記載する記号９１ａ乃至９１ｃは水晶振動素子を示したものである。
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、前記空き電極を廃止すると共に前記モニタ端子を対向する長辺側端辺部に１個ずつ形成した点にある。
図４に示すように、第２の実施形態の水晶発振器７０の下面には、前記ＩＣチップ２と重複しない多層基板６３の下面のスペースで且つ多層基板６３の長手方向に対向配置する前記外部端子２５同士の間隙、即ち該多層基板６３の短手方向に対向する一対の辺部の略中央にモニタ端子６０ａ及び６０ｂを配設する。該モニタ端子６０ａ及び６０ｂは、図５に示すように、集合基板状態（分割し個片化する前）の前記多層基板６３及び該多層基板６３を挟んで多層基板６３の短手方向に隣接するその他の（分割し個片化する前の）多層基板６４及び６５に延出、換言すれば前記モニタ端子６０ａは前記多層基板６３（の左側端辺部）と該多層基板６３の左側に隣接する前記多層基板６４（の右側端辺部）とのスナップラインを、前記モニタ端子６０ｂは前記多層基板６３（の右側端辺部）と該多層基板６３の右側に隣接する前記多層基板６５（の左側端辺部）とのスナップラインを被うように配設する。前記モニタ端子６０ａ及び６０ｂは前記多層基板６３に（配設する前記パッド電極に）導通固定する前記水晶振動子９１ａと電気的に接続すると共に、前記モニタ端子６０ａは前記多層基板６４に（配設する前記パッド電極に）導通固定する水晶振動子９１ｂが有する前記励振電極の一方と電気的に接続し前記モニタ端子６０ｂは前記多層基板６５に（配設する前記パッド電極）に導通固定する水晶振動子９１ｃが有する前記励振電極の一方と電気的に接続するように形成することで前記各モニタ端子を大型化（大面積化）することが可能となる。このような構造にすることで、例えば前記多層基板６３にマウントした水晶振動素子（９１ａ）の周波数調整する時、前記モニタ端子６０ａ及び６０ｂと（前記周波数調整装置の）前記プローブとの接触ミスを抑止することが可能となり周波数調整を失敗するということが無くなる。

複数の水晶振動素子の周波数調整作業を同時に実施する場合、例えば前記水晶振動素子９１ａ及び９１ｂの周波数調整作業を同時に実施する時は前記モニタ端子６０ａが共通になり水晶振動素子９１ａ及び９１ｂの周波数を同時に測定することが不可能、即ち同時に周波数調整を実施することが不可能となる。そこで、前記多層基板の短手方向に連設する多層基板に導通固定する水晶振動素子の周波数調整作業を同時に実施する場合には、例えば前記多層基板６３（に導通固定する水晶振動素子）を飛ばして前記多層基板６４及び６５に導通固定する水晶振動素子の周波数調整作業、若しくは前記多層基板６３の長手方向に連設する多層基板に導通固定する水晶振動素子の周波数調整作業であれば同時に実施することが可能である。

第１及び第２の実施形態に係わる製造方法では前記集合基板を折り割る手段によって複数の水晶発振器を得ているが、ダイサ等の切断装置によって前記スナップラインに相当する箇所（即ちダイシング代）をダイシング（切断）する手段を用いても構わない。切断によって得られた前記水晶発振器の前記モニタ端子の終縁部は前記多層基板の辺部の周縁部に発生するチッピング（切断面の稜部に沿って発生する該稜部の微細な粉砕、割れのことであり、ダイシングの加工バラツキである。）によって密接しない場合があるが、本発明に係わるモニタ端子の使用方法には何ら支障をきたすことはない。

前記モニタ端子２０及び前記空き電極（前記モニタ端子３０ａ及び３０ｂ）、さらに前記モニタ端子６０ａ及び６０ｂ夫々は、各多層基板の短手方向に対向する一対の辺部に配設する実施形態で本発明を説明したが、各多層基板の長手方向に対向する一対の辺部に配設しても構わない。

前記外部接続用電極として前記多層基板（及び前記集合基板）とは異なる部材である前記突起電極５を用いて本発明を説明したが、前記多層基板（及び前記集合基板）に積層一体化すると共に前記突起電極５が配設した位置に相当する箇所に凸設する部材の先端、即ち前記多層基板（及び前記集合基板）における最下面に外部接続用電極となる導電材を被着させる、若しくは前記多層基板（及び前記集合基板）に積層一体化すると共に該多層基板の下面周縁に配設する環状部材の下面、即ち前記多層基板（及び前記集合基板）における最下面の前記突起電極５が配設した位置に相当する箇所に外部接続用電極となる導電材を被着、及び前記モニタ端子を形成したもの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。

（ａ）は本発明の第１の実施形態としての水晶発振器の構成を示す縦断面図、（ｂ）は封止樹脂を省略した状態の下面図である。 第１の実施形態の水晶発振器に係わる多層基板集合体の下面の部分拡大図である。 本発明の第１の変形実施形態としての水晶発振器の封止樹脂を省略した状態の下面図である。 本発明の第２の実施形態としての水晶発振器の封止樹脂を省略した状態の下面図である。 第２の実施形態の水晶発振器に係わる多層基板集合体の下面の部分拡大図である。 （ａ）はそのパッケージの構成を示す縦断面図、（ｂ）は封止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・・多層基板
３ａ・・キャビティー部 ４・・蓋体 ５・・突起電極 １１・・接続端子
１２・・パッド電極 １３・・導電性接着剤 １４・・導体バンプ
１５・・封止樹脂 １９・・空き電極 ２０・・モニタ端子
２１、２２、２３・・多層基板 ２４・・多層基板集合体（集合基板）
２５・・外部端子 ３０ａ、３０ｂ・・モニタ端子 ４０・・水晶発振器
４３・・多層基板 ４５ａ〜４５ｄ・・電極
５１ａ、５１ｂ・・水晶振動素子（回路記号）
６０ａ、６０ｂ・・モニタ端子 ６３、６４、６５・・多層基板
７０・・水晶発振器 ９１ａ、９１ｂ、９１ｃ・・水晶振動素子（回路記号）
１０１・・圧電振動素子 １０２・・ＩＣチップ １０３・・多層基板
１０３ａ・・開口部（キャビティー部） １０４・・蓋体 １０５・・突起電極
１１１・・接続端子 １１２・・パッド電極 １１３・・導電性接着剤
１１４・・導体バンプ １１５・・封止樹脂
１２０・・圧電振動素子接続端子パターン

Claims (2)

1. 上面にキャビティー部を備えると共に下面に外部接続用電極を備える多層基板と、前記キャビティー部に密閉封入された圧電振動素子と、前記多層基板の下面に実装し樹脂封止された回路素子と、該回路素子と重複しない前記多層基板下面の表面上に配設する前記圧電振動素子の入出力検査用モニタ端子と、を備えた表面実装型圧電発振器を製造するために複数の前記多層基板を連接した集合基板であって、
   前記モニタ端子は、互いに隣接する前記多層基板の表面上の境界を被うように設けられたものであり、前記モニタ端子を前記多層基板の境界に添って二つに分割したとき、分割されたモニタ端子のうちの一方のみが前記圧電振動素子に接続されているものであって、前記多層基板の表面上において分割前の前記モニタ端子に外部からプローブを接触させて、前記圧電振動素子の特性を取得するものであることを特徴とする集合基板。
2. 請求項１記載の集合基板から形成された前記多層基板を備えることを特徴とする表面実装型圧電発振器。

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