JP4484545B2 - 圧電発振器 - Google Patents

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５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を有した実装用基体２１上に取着させるとともに、前記容器体２１の下面と前記凹部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、前記容器体２３及び前記実装用基体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２４が複数個ずつ設けられており、これらの接合電極２４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がフリップチップ型ＩＣである場合、ＩＣ素子２６の材料に用いられているＳｉを透過する赤外線による回路面の検査を行った際に、ＩＣ素子２６の上面側よりＩＣ素子２６の回路面（下面）までの赤外線の透過を樹脂材の有機成分が阻害してしまうので検査精度が損ねられる。

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を良好にした圧電発振器を提供することにある。

本発明の一つの態様によれば、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支持基体上に固定させるとともに、該支持基体の下面に、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素子と、前記支持基体の前記下面の外周に沿って前記下面の四隅部に配された複数の実装脚部とを取着させてなる圧電発振器であって、前記複数の実装脚部は、縦断面において台形形状を有しているとともに、横断面積の大きい側の端部において前記支持基体に取着されており、前記ＩＣ素子の側面と前記複数の実装脚部の各々の側面との間に、前記ＩＣ素子の下面が露出するようにして樹脂材が充填されているとともに、前記複数の実装脚部の各々の側面が全周にわたって前記樹脂材によって覆われている。

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支持基体上に固定するとともに、該支持基体の下面に、発振出力用のＩＣ素子と、支持基体の下面外周に沿って配された金属ポストから成る実装脚部とを取着させるようにしたことから、支持基体の下面のうち実装脚部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、実装脚部を支持基体の四隅部にのみ設ける場合は、隣接する実装脚部間に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、支持基体の長さを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素子の側面と前記実装脚部の側面との間に、前記ＩＣ素子の下面が露出するようにして樹脂材を充填したことから、Ｓｉを透過する赤外線による回路面の検査を行った場合に、ＩＣ素子の下方よりＩＣ素子の回路面（上面）までの赤外線の透過を阻害するものが存在しないので赤外線検査が精度良く行われるようになり、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、前記実装脚部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、前記支持基体の下面に、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、外側側面が露出した状態で取着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支持基体下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、前記実装脚部が前記支持基体下面の四隅部に取着された４個の金属ポストから成ることから、前記支持基体はマザーボード等の外部配線基板と強固に固定した状態で実装されるので、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実装脚部の側面間にも充填したことから、圧電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、圧電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実装脚部を伝って這い上がって実装脚部間で短絡を発生するといった不具合も有効に防止することができ、取扱いが簡便な圧電発振器を得ることが可能となる。然も実装脚部を形成する金属ポストの側面の酸化腐食も有効に防止されて、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、支持基体に対する実装脚部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。

そして上述した書込制御端子の下端を実装脚部の下端よりも上方に位置させてあり、書込制御端子の下端を樹脂材の一部で被覆したことにより、圧電発振器を半田付け等によって外部配線基板上に搭載する際に、溶融した半田の一部が書込制御端子に接触して短絡を起こすといった不都合が有効に防止されるようになり、圧電発振器の取り扱いが簡便なものとなる利点がある。

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、図３は図１の温度補償型水晶発振器を下方より見た分解斜視図であり、これらの図に示す温度補償型水晶発振器は、内部に水晶振動素子５を収容している矩形状の容器体１を支持基体６上に固定させるとともに、該支持基体６の下面に、ＩＣ素子７と、複数個の実装脚部１２とを取着させ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気密性が高い基板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支持基体６の接合電極９に半田等の導電性接合剤を介して接続される複数個の接合電極８がそれぞれ設けられ、これらの搭載パッド及び接合電極８は基板表面の配線パターンや基板内部に埋設されているビアホール導体，内部配線等を介して、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、アルミナセラミックスから成る場合、所定の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パターン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、シールリング３の上面に従来周知の抵抗溶接等によって蓋体４を接合することにより容器体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Ｎｉメッキ層やＡｕメッキ層等が予め被着される。

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、所定の発振周波数で厚みすべり振動を起こすようになる。

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、これにより水晶振動素子５と容器体１との電気的接続、並びに、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や支持基体６の配線パターン等を介して後述する支持基体６下面のグランド用実装脚部１２に接続させておけば、その使用時、蓋体４がアースされて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や支持基体６の配線パターン等を介してグランド用の実装脚部１２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・固定される支持基体６は概略矩形状を成しており、下面の外周に沿って複数個の実装脚部１２と複数個の書込制御端子１１とが取着されている。本実施形態において、実装脚部１２は支持基体下面の四隅部に個々に取着・立設されており、隣接する実装脚部１２間には更に２個の書込制御端子１１が近接して並設され、これら４個の実装脚部１２と２個の書込制御端子１１とで囲まれる支持基体下面の中央域にＩＣ素子７が搭載されている。

前記支持基体６は、その上面で先に述べた容器体１を支持するとともに、下面でＩＣ素子７や書込制御端子１１，実装脚部１２等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ている。特に、支持基体６に樹脂材料を採用した場合には、マザーボード等の樹脂材料からなる外部配線基板に実装した際に、外部配線基板と支持基体との熱膨張係数が近くなるので、特に大きな温度変化が繰り返される環境において高い信頼性を有することができる。

また前記支持基体６の下面に取着・立設されている複数個の実装脚部１２は、外部端子としての機能、即ち、温度補償型水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部配線基板に実装する際、半田付け等によって外部電気回路の配線と電気的に接続される。本実施形態の圧電発振器は、実装脚部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、上述した４個の実装脚部１２は、電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子として機能するものであり、これら実装脚部１２の下面には、外部配線基板との接合に用いられる半田等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。

このように本実施形態の圧電発振器によれば、実装脚部１２が支持基体６下面の四隅部に取着された４個の金属ポストから成ることから、支持基体６はマザーボード等の外部配線基板と強固に固定した状態で実装されるので、発振信号を安定して出力することができる。

ここで、４個の実装脚部１２のうち、グランド用の実装脚部１２と発振出力用の実装脚部１２を近接させて配置するようにしておけば、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、グランド用の実装脚部１２と発振出力用の実装脚部１２を近接配置させておくことが好ましい。

また、上述した支持基体６が樹脂材料から成るものは、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支持基体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、実装脚部１２が支持基体６上に取り付けられたものが得られる。支持基体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。

一方、前記支持基体６の下面に取着されるＩＣ素子７としては、Ｓｉからなる半導体素子が用いられ、例えば、上面に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（上面）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実装脚部間に配されており、略平行に配されている２個の端面が隣接する実装脚部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や支持基体６の外周部よりも若干内側、例えば、支持基体６の外周より１μｍ〜５００μｍだけ内側に、支持基体６の外周部に沿って配されており、この場合、前記ＩＣ素子７の露出側面と直交する方向に係る支持基体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。

そしてこのようなＩＣ素子７が配設される支持基体６の下面には、ＩＣ素子７の接続パッドと１対１に対応する電極パッドが設けられており、これらの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ＩＣ素子７の接続パッドを接合することによりＩＣ素子７が支持基体６の下面に取着・実装され、これによってＩＣ素子７内の電子回路が容器体１の配線パターンや支持基体６の配線パターン等を介して水晶振動素子５や実装脚部１２等に電気的に接続される。

更にＩＣ素子７の側面と実装脚部１２の側面との間に、ＩＣ素子７の下面が露出するようにして樹脂材１３を充填している。ＩＣ素子７の回路面は、ウエハーより分離されたときに特に端側部が欠落しやすいために外観の検査工程が不可欠であるが、本実施形態においては図２に示されるように、Ｓｉを透過する赤外線による回路面の検査を行った場合に、ＩＣ素子７の下方よりＩＣ素子７の回路面（上面）までの赤外線の透過を阻害するものが存在しないので赤外線検査が精度良く行われるようになり、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、このような構造の樹脂材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。樹脂材１３を削る際にＩＣ素子７や実装脚部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。

また本実施形態の圧電発振器によれば、樹脂材１３を隣接する実装脚部１２の側面間にも充填したことから、圧電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、圧電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実装脚部１２を伝って這い上がって実装脚部間で短絡を発生するといった不具合も有効に防止することができ、取扱いが簡便な圧電発振器を得ることが可能となる。然も実装脚部１２を形成する金属ポストの側面の酸化腐食も有効に防止されて、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、支持基体６に対する実装脚部１２の取着強度を樹脂材１３でもって補強することができる利点もある。

尚、このような実装脚部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、実装脚部１２の下端より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。この場合、実装脚部１２の露出部が半田濡れ性の良好なＡｕ等の金属により被膜形成されていれば、この露出領域において半田のフィレットが形成されて温度補償型水晶発振器の実装強度が向上される利点がある。

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、隣接する実装脚部間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、支持基体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。

そして、上述した支持基体６の下面には、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、取着されている。

前記書込制御端子１１は、先に述べた実装脚部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、その長さ寸法は、書込制御端子１１の下端が実装脚部１２の下端よりも上方に位置するようにやや短く形成され、側面の一部を隣接する実装脚部間より露出させるようにして支持基体６の下面に取着される。

これらの書込制御端子１１は、支持基体６のエッジに沿って並設されており、支持基体６の配線パターン等を介して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。

このような本実施形態の圧電発振器によれば、書込制御端子１２は、金属ポストから成る書込制御端子１２を支持基体６下面の所定位置に取着させておくだけで他の構成要素と一体化されることから、温度補償型水晶発振器の組み立て工程が簡素なものとなっており、温度補償型水晶発振器の生産性向上に供することができる。

また上述したように書込制御端子１１の下端を実装脚部１２の下端よりも上方に位置させてあり、書込制御端子１１の下端を樹脂材１３の一部で被覆したことにより、圧電発振器を半田付け等によって外部配線基板上に搭載する際に、溶融した半田の一部が書込制御端子１１に接触して短絡を起こすといった不都合が有効に防止されるようになり、圧電発振器の取り扱いが簡便なものとなる利点がある。

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の温度補償回路を用いて温度状態に応じた発振周波数の補正を行いながら、水晶振動素子５の発振周波数に対応し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、ＩＣ素子７や書込制御端子１１，実装脚部１２等を支持基体６の下面に取着させるのに半田等の一般的な導電性接合材等を用いるようにしたが、これ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、支持基体６に対するＩＣ素子７や実装脚部１２等の取着作業が極めて簡単になり、圧電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、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。

また更に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４に示す如く、隣接する実装脚部間１２−１２に位置する支持基体６の下面に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１４等を配置させるようにしても良く、この場合、支持基体下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。 図１の温度補償型水晶発振器を下方より見た分解斜視図である。 本発明の他の実施形態にかかる圧電発振器を下方より見た分解斜視図である。 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・・・支持基体
７・・・ＩＣ素子
８、９・・・接合電極
１１・・・書込制御端子
１２・・・実装脚部
１３・・・樹脂材
１４・・・チップ状コンデンサ

Claims (2)

1. 内部に圧電振動素子を収容している矩形状の容器体を支持基体上に固定させるとともに、該支持基体の下面に、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素子と、前記支持基体の前記下面の外周に沿って前記下面の四隅部に配された複数の実装脚部とを取着させてなる圧電発振器であって、
   前記複数の実装脚部は、縦断面において台形形状を有しているとともに、横断面積の大きい側の端部において前記支持基体に取着されており、
   前記ＩＣ素子の側面と前記複数の実装脚部の各々の側面との間に、前記ＩＣ素子の下面が露出するようにして樹脂材が充填されているとともに、前記複数の実装脚部の各々の側面が全周にわたって前記樹脂材によって覆われていることを特徴とする圧電発振器。
2. 前記樹脂材が透明材料からなることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。

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