JP4417746B2

JP4417746B2 - 圧電発振器

Info

Publication number: JP4417746B2
Application number: JP2004052160A
Authority: JP
Inventors: 亮磨笹川; 浩之三浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: JP2005244643A

Description

本発明は、通信機器や電子機器等のタイミングデバイスとして用いられる圧電発振器に関するものである。

従来より、携帯用通信機器等のタイミングデバイスとして温度補償型水晶発振器等の圧電発振器が用いられている。

かかる従来の温度補償型水晶発振器は、例えば図４に示す如く、内部に水晶振動素子が収容されている容器体２３を、上面の中央域に凹部２５を、下面に複数個の外部端子２４を有した実装用基体２１上に取着させるとともに、容器体２１の下面と凹部２５の内面とで囲まれる領域内に、水晶振動素子の振動に基づいて発振出力を制御するＩＣ素子２６を収容させた構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

尚、容器体２３及び実装用基体２１は、通常、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成り、その内部及び表面には所定の配線パターンが形成され、従来周知のグリーンシート積層法等を採用することによって製作されている。そして、このような容器体２３の下面や実装用基体２１の上面には、それぞれ対応する箇所に接合電極が複数個ずつ設けられており、これらの接合電極同士を導電性接合材を介して接合することにより容器体２３が実装用基体２１の上面に固定されていた。
特開平１０―９８１５１号公報

しかしながら、上述した従来の圧電発振器においては、実装用基体２１に設けられている凹部２５の内壁がＩＣ素子２６を囲繞するように配されていることから、実装用基体２１の面積が縦方向、横方向のいずれの方向にもＩＣ素子２６より一回り大きくなってしまい、これによって圧電発振器の小型化が困難なものとなっていた。

一方、圧電発振器の小型化を図るために凹部２５の内壁厚みを一部薄く設定すると、ＩＣ素子２６は容器体２３による封止が不完全になるので樹脂材等を用いて封止する必要性が出てくる。かかるＩＣ素子２６としてフリップチップ型ＩＣを用いた場合、ＩＣ素子２６の回路形成面（下面）を上面側より赤外線検査する際に、ＩＣ素子２６を覆う樹脂材の有機成分が赤外線の透過を阻害して検査精度を損ねることになってしまう。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、小型化を図るとともに発振特性の良好にした圧電発振器を提供することにある。

本発明の圧電発振器は、内部に圧電振動素子を収容している矩形状の容器体を、前記圧電振動素子の発振周波数に対応した発振信号を出力するＩＣ素子が搭載されている矩形状の実装用基体上に、その外周に沿って四隅部に配された複数のスペーサ部材を介して固定してなる圧電発振器であって、
前記ＩＣ素子の側面と前記複数のスペーサ部材の側面との間に、前記ＩＣ素子の上面が露出するようにして樹脂材を充填しており、前記樹脂材が、前記複数のスペーサ部材の各々の側面を全周にわたって覆っていることを特徴とするものである。

また本発明の圧電発振器は、前記スペーサ部材が金属ポストから成ることを特徴とするものである。

更に本発明の圧電発振器は、前記圧電振動素子として水晶振動素子が用いられるとともに、前記ＩＣ素子内に前記発振信号を温度状態に応じて補正するための温度補償データが格納されており、前記容器体と前記実装用基体との間に、前記ＩＣ素子に温度補償データを書き込むための金属ポストから成る書込制御端子が、容器体側面と実装用基体側面との間より一部を露出させた状態で介在されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、圧電振動素子を収容している容器体を、ＩＣ素子が搭載されている実装用基体上に、その外周に沿って配された金属ポストから成るスペーサ部材を介して固定するようにしたことから、実装用基体の上面のうちスペーサ部材が存在しない領域は全てＩＣ素子や他の電子部品素子の搭載に使用することができ、例えば、スペーサ部材を実装用基体の四隅部にのみ設ける場合は、隣接するスペーサ部材間にＩＣ素子の両端部が配置されるように設計することにより、実装用基体の長さをＩＣ素子の長さと略等しくなすことができ、これによって圧電発振器の全体構造を小型化することが可能となる。

然も前記ＩＣ素子の側面と前記スペーサ部材の側面との間に、前記ＩＣ素子の上面が露出するようにして樹脂材を充填したことから、ＩＣ素子の赤外線検査が精度良く行われるので、発振特性の良好な圧電発振器を選別することができる。

また本発明の圧電発振器は、前記スペーサ部材が金属ポストから成ることから、発振回路の電気抵抗値が低くなり発振動作が低損失になるので、出力の効率を高めることができる。

更に本発明の圧電発振器によれば、前記圧電振動素子として水晶振動素子を用いるとともに、前記ＩＣ素子内に前記発振信号を温度状態に応じて補正するための温度補償データを格納し、前記容器体と前記実装用基体との間に、前記ＩＣ素子に温度補償データを書き込むための金属ポストから成る書込制御端子を、容器体側面と実装用基体側面との間より一部を露出させた状態で介在させておくことにより、圧電発振器を組み立てる際、金属ポストから成る書込制御端子を実装用基体上面の所定位置に取着させておくだけで圧電発振器を製作することができ、圧電発振器の生産性向上に供することが可能となる。

また更に本発明の圧電発振器によれば、前記スペーサ部材が前記実装用基体上面の四隅部に取着された３個もしくは４個の金属ポストから成ることから、前記実装用基体に容器体が強固に固定した状態で搭載されるので、前記発振信号を安定して出力することができる。

更にまた本発明の圧電発振器によれば、前記樹脂材が隣接するスペーサ部材の側面間にも充填されていることから、スペーサ部材を形成する金属ポストの酸化腐食が有効に防止されて、圧電発振器の信頼性を高く維持することができるとともに、実装用基体に対するスペーサ部材の取着強度を前記樹脂材でもって補強することができる利点もある。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の圧電発振器を温度補償型水晶発振器に適用した一実施形態を示す分解斜視図、図２は図１の温度補償型水晶発振器の断面図であり、これらの図に示す温度補償型水晶発振器は、内部に圧電振動素子としての水晶振動素子５を収容している矩形状の容器体１を、下面に複数個の外部端子１０が、上面にＩＣ素子７が設けられている矩形状の実装用基体６上に、スペーサ部材１２を介して載置・固定した構造を有している。

前記容器体１は、例えば、ガラス−セラミック、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成る基板２と、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成るシールリング３と、該シールリング３と同様の金属から成る蓋体４とから成り、前記基板２の上面にシールリング３を取着させ、その上面に蓋体４を載置・固定させることによって容器体１が構成され、シールリング３の内側に位置する基板２の上面に水晶振動素子５が実装される。

前記容器体１は、その内部、具体的には、基板２の上面とシールリング３の内面と蓋体４の下面とで囲まれる空間内に水晶振動素子５を収容して気密封止するためのものであり、基板２の上面には水晶振動素子５の振動電極に接続される一対の搭載パッド等が、基板２の下面には後述するスペーサ部材１２に接続される複数個の接合電極がそれぞれ設けられ、これらのパッド等は基板表面の配線導体や基板内部に埋設されているビアホール導体等を介して、対応するもの同士、相互に電気的に接続されている。

尚、前記容器体１の基板２は、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る場合、例えば、セラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に配線導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。

また前記容器体１のシールリング３及び蓋体４は、従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定形状に成形することによって製作され、得られたシールリング３を基板２の上面に予め被着させておいた導体層にロウ付けし、続いて水晶振動素子５を、導電性接着剤を用いて基板２の上面に実装・固定した後、上述の蓋体４を従来周知の抵抗溶接等によってシールリング３の上面に接合することによって容器体１が組み立てられる。このようにシールリング３と蓋体４とを抵抗溶接によって接合する場合、シールリング３や蓋体４の表面には予めＮｉメッキ層やＡｕメッキ層等が被着される。

一方、前記容器体１の内部に収容される水晶振動素子５は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の振動電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こす。前記水晶振動素子５は、一対の振動電極を導電性接着剤を介して基板上面の対応する搭載パッドに電気的に接続させることによって基板２の上面に搭載され、これによって水晶振動素子５と容器体１との電気的接続及び機械的接続が同時になされる。

ここで容器体１の蓋体４を、容器体１や実装用基体６の配線導体を介して実装用基体下面に配されるグランド端子用の外部端子１０に接続させておけば、その使用時、蓋体４がアースされることによりシールド機能が付与されることとなるため、水晶振動素子５や後述するＩＣ素子７を外部からの不要な電気的作用より良好に保護することができる。従って、容器体１の蓋体４は容器体１や実装用基体６の配線導体を介してグランド端子用の外部端子１０に接続させておくことが好ましい。

そして、上述した容器体１が載置・固定される実装用基体６は概略矩形状を成しており、該実装用基体上面の四隅部にはスペーサ部材１２が個々に取着・立設され、これらのスペーサ部材１２で囲まれた実装用基体上面の中央域にはＩＣ素子７が搭載される。

前記実装用基体６は、その上面でＩＣ素子７やスペーサ部材１２を介して容器体１を支持するためのものであり、ガラス布基材エポキシ樹脂やポリカーボネイト，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料やガラス−セラミック，アルミナセラミックス等のセラミック材料等によって平板状をなすように形成される。

また前記実装用基体６の上面に取着・立設されているスペーサ部材１２は、銅等の金属材料を四角柱状に成形した金属ポストによって形成されており、その下端部で実装用基体６の配線導体に電気的・機械的に接続され、上端部で半田等の導電性接合材を介して容器体下面の接続電極に電気的・機械的に接続されている。

このように本実施形態の圧電発振器は、スペーサ部材１２が金属ポストから成ることから、発振回路の電気抵抗値が低くなり発振動作が低損失になるので、出力の効率を高めることができる。

尚、前記スペーサ部材１２の上端面には、容器体１との接合に用いられる導電性接合材の接合状態を良好となすために、例えば、ニッケルめっきや金めっき等が所定厚みに被着される。

また前記実装用基体６の下面には、４つの外部端子１０（電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）が設けられており、これらの外部端子１０は、温度補償型水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることとなる。

ここで、４個の外部端子１０のうち、グランド端子と発振出力端子を近接させて配置するようにすれば、発振出力端子より出力される発振信号にノイズが干渉するのを有効に防止することができる。従って、グランド端子と発振出力端子は近接させて配置することが好ましい。

更に、上述した実装用基体６の上面には、その中央域に複数個の電極パッドが被着・形成されており、これら電極パッドの形成領域に上述したＩＣ素子７が搭載される。

前記ＩＣ素子７は、Ｓｉからなる半導体素子が用いられ、例えば、下面に実装用基体６の電極パッドと１対１に対応する複数個の接続パッドを有した矩形状のフリップチップ型ＩＣ等が用いられ、その回路形成面（下面）には、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子５の温度特性を補償する温度補償データを格納するためのメモリ、温度補償データに基づいて水晶振動素子５の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等が設けられ、該発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、例えば、クロック信号等の基準信号として利用されることとなる。

また前記ＩＣ素子７は、その両端部が隣接するスペーサ部材間に配されており、略平行に配されている２個の端面が後述する樹脂材１３により被覆された状態で隣接するスペーサ部材間より露出している。

このようなＩＣ素子７の露出側面は、容器体１や実装用基体６の外周部よりも若干内側、例えば、実装用基体６の外周より１μｍ〜５００μｍだけ内側に、実装用基体６の外周部に沿って配されており、この場合、ＩＣ素子７の露出側面と直交する方向に係る実装用基体６の幅寸法はＩＣ素子７の一辺の長さと略等しくなるよう設計されているため、温度補償型水晶発振器の全体構造を小型に構成することができる。

尚、前記ＩＣ素子７は、その下面に設けた接続パッド７ａを実装用基体上面の対応する電極パッドに半田や金バンプ等の導電性接合材を介して個々に接合させることによってＩＣ素子７が実装用基体６に取着され、これによってＩＣ素子７内の電子回路が容器体１の配線導体や実装用基体６の配線導体等を介して水晶振動素子５や外部端子１０等に電気的に接続される。

また、上述した実装用基体６が樹脂材料から成る場合、ベースとなる銅板の表面に樹脂層及び配線導体層をビルドアップ法を用いて交互に逐次形成してなる有機多層基体から成る実装用基体６を形成し、次にベースとした銅板の一部を金属ポストとして残りを化学的に除去することにより、スペーサ部材１２が実装用基体６上に取り付けられたものが得られる。実装用基体６となる有機多層基体を形成するビルドアップ法としては、層状になした感光性樹脂材料のスルーホール接続部をフォトエッチングにより形成した後に配線導体をアディティブ法により形成する工程を繰り返して形成する方法を用いてもよいが、その他にも、銅箔をサブトラクティブ法により不要な部分を除去してスルーホール接続ポストを予め形成してその周りにプリプレグを形成する工程を逐次繰り返した後に熱硬化させて形成する方法等を用いることも可能である。

更に、上述したＩＣ素子７の側面と前記スペーサ部材１２の側面との間には、ＩＣ素子７の上面が露出するようにして、例えばエポキシ樹脂等から成る樹脂材１３が充填されている。

前記樹脂材１３はＩＣ素子７を保護するためのものであり、このような樹脂材１３の外周部を、実装用基体６の外周部まで延在させた上、該延在部で各スペーサ部材１２の側面を、例えば２０μｍ〜２５０μｍの厚みで被覆しておくことにより、温度補償型水晶発振器を半田付け等によってマザーボード等の外部配線基板上に実装する際、温度補償型水晶発振器と外部配線基板とを接合する半田が金属ポストから成るスペーサ部材１２に付着して短絡を発生するといった不都合が有効に防止されるようになり、取扱いが簡便な温度補償型水晶発振器を得ることができるようになる。

しかもこの場合、樹脂材１３が隣接するスペーサ部材１２の側面間にも充填されていることにより、スペーサ部材１２を形成する金属ポストの酸化腐食が有効に防止されて、温度補償型水晶発振器の信頼性を高く維持することができるとともに、実装用基体６に対するスペーサ部材１２の取着強度を前記樹脂材１３でもって補強することができる利点もある。

尚、このようなスペーサ部材１２の側面は、全面積の９０％以上を樹脂材１３で被覆しておくことが好ましいものであるが、例えば、スペーサ部材１２の上端より２５％程度の領域において側面が露出している場合であっても、それ以外の部位が樹脂材１３で被覆されていれば、外部配線基板への実装に際して半田の付着に起因した短絡を発生することは有効に防止されるし、また大気中に含まれている水分等の接触による酸化腐食の影響も殆どない。

また、上述した樹脂材１３を透明材料により形成しておけば、隣接するスペーサ部材間１２−１２より露出されるＩＣ素子７の側面が樹脂材１３で被覆されていても、実装用基体６に対する接合部を直視できることから、製品の検査等に際してＩＣ素子７の接合状態を目視等によって容易に確認することができ、検査の作業性を良好となすことが可能となる。

本実施形態の樹脂材１３は、ＩＣ素子７を覆うようにして未硬化樹脂液を塗布・硬化した後に、ＩＣ素子７の上面が露出するまで削ることにより形成することができる。続いて、Ｓｉを透過する赤外線を用いてＩＣ素子７下面の回路形成面を外観検査する。ＩＣ素子７下面は、ウエハーより分離されたときに特に端側部が欠落することがあるためにこのような検査工程が不可欠であるが、本実施形態のように形成された樹脂材１３は、図２に示されるように、ＩＣ素子７の側面とスペーサ部材１２の側面との間に、ＩＣ素子７の上面が露出するようにして樹脂材１３を充填した構造となっていることから、赤外線を吸収する樹脂材の有機成分が阻害されないので、ＩＣ素子７の赤外線検査が精度良く行われ、発振特性の良好な圧電発振器を選別することができる。

尚、樹脂材を削る際にＩＣ素子７やスペーサ部材１２の上面についても若干削られることがあるが特に構わないものである。

そして、先に述べた容器体１と実装用基体６との間には、ＩＣ素子７に温度補償データを書き込むための書込制御端子１１が複数個、介在されている。

前記書込制御端子１１は、上述したスペーサ部材１２と同様に、銅等の金属材料を柱状に成形した金属ポストによって形成されており、側面の一部が容器体側面と実装用基体側面との間より露出するようにして実装用基体６の上面に取着されている。

これらの書込制御端子１１は、実装用基体６のエッジに沿って並設されており、実装用基体６の配線導体等を介してＩＣ素子７に電気的に接続されている。従って、温度補償型水晶発振器を組み立てた後、これらの書込制御端子１１に側方より温度補償データ書込装置のプローブ針を当て、水晶振動素子５の温度特性に応じた温度補償データを書き込むことによってＩＣ素子７のメモリ内に温度補償データが格納される。

このように、温度補償データをＩＣ素子７に書き込むための書込制御端子１１を金属ポストにて形成するとともに、該書込制御端子１１の一部を容器体側面と実装用基体側面との間より露出させておくことにより、温度補償型水晶発振器を組み立てる際、金属ポストから成る書込制御端子１１を実装用基体上面の所定位置に取着させておくだけで温度補償型水晶発振器を製作することができ、温度補償型水晶発振器の生産性を向上させることが可能となる。

また、前記書込制御端子１１は、その上端部を容器体１の下面に設けられるダミーの接合パッドに接合材を介して接合させておくことが好ましく、このようになしておくことで実装用基体６と容器体１との接合強度を向上せしめ、温度補償型水晶発振器の信頼性を更に高く維持することができるようになる。

かくして上述した温度補償型水晶発振器は、マザーボード等の外部配線基板上に半田付け等によって搭載され、ＩＣ素子７の温度補償回路によって発振出力を補正しながら、水晶振動素子５の共振周波数に応じた所定の発振信号を出力することによって温度補償型水晶発振器として機能する。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、圧電振動素子として水晶振動素子を用いた水晶発振器を例にとって説明したが、これに代えて、水晶振動素子以外の圧電振動子、具体的には弾性表面波素子等の圧電振動素子を用いて圧電発振器を構成する場合にも本発明は適用可能である。

また上述した実施形態においては、容器体１と実装用基体６上のスペーサ部材１２とを接合するのに導電性接合材を用いるようにしたが、この導電性接合材は半田等の一般的な導電材料に限られるものではなく、例えば、導電性接合材として異方性導電接着材等を用いるようにしても良く、その場合、実装用基体６に対する容器体１の取着作業が極めて簡単になり、温度補償型水晶発振器の組立工程が更に簡略化される利点もある。

更に上述した実施形態においては、実装用基体上面の四隅部に４個のスペーサ部材１２を取着させた例について説明したが、スペーサ部材１２の個数は４個に限られるものではなく、例えば、３個もしくは５個以上のスペーサ部材１２を用いて容器体１を実装用基体６上に固定する場合にも本発明は適用可能である。

また更に上述した実施形態においては、容器体１の蓋体４をシールリング３を介して基板２に接合させるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に接合用のメタライズパターンを形成しておき、このメタライズパターンに対して蓋体４をダイレクトに溶接するようにしても構わない。

更にまた上述した実施形態においては、容器体１の基板上面に直接シールリング３を取着させるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に基板２と同材質のセラミック材料等から成る枠体を一体的に取着させた上、該枠体の上面にシールリング３を取着させるようにしても構わない。

また更に上述した実施形態において、例えば図３に示す如く、隣接するスペーサ部材間１２−１２に位置する実装用基体６の上面にＩＣ素子以外の電子部品素子、例えば、ノイズ除去用のチップ状コンデンサ等を配置させるようにしても良く、この場合、実装用基体上面の空いた領域がより有効に活用されることとなるため、圧電発振器の更なる小型化が可能である

本発明の圧電発振器を温度補償型水晶発振器に適用した一実施形態を示す分解斜視図である。図１の温度補償型水晶発振器の断面図である。本発明の他の実施形態にかかる圧電発振器に使用される実装用基体の分解斜視図である。従来の温度補償型水晶発振器の分解斜視図である。

符号の説明

１・・・容器体
２・・・基板
３・・・シールリング
４・・・蓋体
５・・・水晶振動素子（圧電振動素子）
６・・・実装用基体
７・・・ＩＣ素子
７ａ・・・接続パッド
１０・・・外部端子
１１・・・書込制御端子
１２・・・スペーサ部材
１３・・・樹脂材

Claims

内部に圧電振動素子を収容している矩形状の容器体を、前記圧電振動素子の発振周波数に対応した発振信号を出力するＩＣ素子が搭載されている矩形状の実装用基体上に、その外周に沿って四隅部に配された複数のスペーサ部材を介して固定してなる圧電発振器であって、
前記ＩＣ素子の側面と前記複数のスペーサ部材の側面との間に、前記ＩＣ素子の上面が露出するようにして樹脂材を充填しており、前記樹脂材が、前記複数のスペーサ部材の各々の側面を全周にわたって覆っていることを特徴とする圧電発振器。
前記スペーサ部材が金属ポストから成ることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
前記圧電振動素子として水晶振動素子が用いられるとともに、前記ＩＣ素子内に前記発振信号を温度状態に応じて補正するための温度補償データが格納されており、前記容器体と前記実装用基体との間に、前記ＩＣ素子に温度補償データを書き込むための金属ポストから成る書込制御端子が、容器体側面と実装用基体側面との間より一部を露出させた状態で介在されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電発振器。