JP4609287B2 - 表面実装型圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックベース上に集積回路素子と圧電振動板とが実装され、発振回路を構成してなる圧電発振器に関するものであって、表面実装型圧電発振器のパッケージ構造を改善するものである。

特許文献１に示すように、圧電発振器は部品の表面実装化の要求から、周囲に堤部が形成されたセラミックベースの収納部に圧電振動板を収納し、ろう材が形成された金属蓋を被せ、溶接により気密的に封止するパッケージ構成が一般的である。近年、携帯用電子機器、例えば携帯電話器は軽量、薄型、小型化が進んでいる。これに伴って、セラミックベースもより小型化されたものが開発され、圧電発振器も小型化されているのが現状である。特に、集積回路素子の能動回路面を下面に向けて搭載するフェイスダウンボンディング技術による集積回路素子をセラミックベースに収納する場合、圧電振動板の収納部と集積回路素子の収納部の間に前記集積回路素子のワイヤボンディングを接続する中段の収納部が不要となるので、より小形化に好ましい形態となる。

このようなフェイスダウンボンディング技術により集積回路素子を搭載するセラミックベースでは、小形化すると、セラミックベースの集積回路素子の収納部を確保するために、圧電振動板の両端部に対して保持領域を確保することが困難となってきているのが現状である。そこで、前記圧電振動板の一端部のみが電気的機械的に保持される保持台が形成されているものの、前記圧電振動板の他端部を支える補助保持台が形成されず、前記圧電振動板の他端部が集積回路素子の上面で浮いた状態で保持されるパッケージ形態が最近増加している。
特開２００２−１５８５５８号

しかしながら、上述のように、前記圧電振動板の他端部が集積回路素子の上面で浮いた状態で保持されるパッケージ形態では、外部衝撃が加わることで、当初設計に対して前記金属蓋に対して前記圧電振動板の他端部が近接したり、離隔することがある。そのため、金属蓋に対して圧電振動板の励振電極の隙間寸法が変化することにより、金属蓋と圧電振動板の励振電極の間に生じる浮遊容量が当初設定値に対して変化して、結果として、発振周波数の変動をもたらすといった問題があった。また、前記圧電振動板の他端部が集積回路素子の上面で浮いた状態で保持されるパッケージ形態では、圧電振動板の他端部が保持台より上部に位置すると金属蓋との接触する危険性があるので、セラミックベースの保持台より上部の寸法マージンを確保する必要があった。このため、パッケージの低背化を妨げるものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低背化を妨げることなく、耐衝撃性能を高め、発振周波数の変動の影響がないより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は次の構成により実現をすることができる。

すなわち請求項１に示すように、ベースと蓋を有する表面実装型圧電発振器であって、
圧電発振回路を構成してなる集積回路素子と、
励振電極が形成された圧電振動板と、
上面に複数の前記集積回路素子用の配線パターンが形成されるとともに前記集積回路素子を収納する第１の収納部と、第１の収納部の上部に前記圧電振動板の一端部を導電性接合材により保持するとともに上面に一対の配線パターンを有する保持台が形成された第２の収納部と、前記第１の収納部と第２の収納部の周囲に形成された堤部とを有してなるベースと、
前記ベースに被せて気密封止してなる金属蓋とを具備してなり、
前記ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、前記集積回路素子の非能動回路面を前記保持台より下側に位置させて集積回路素子が配置されており、
圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面へ漸次近接させながら配置してなり、前記圧電振動板の励振電極のうち集積回路素子の出力端子側に接続される励振電極を、集積回路素子に対向配置してなることを特徴とする。

また、請求項２に示すように、上記構成に加えて、前記圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面より上で保持台より下に配置してなることを特徴とする。

また、請求項３に示すように、上記構成に加えて、前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面の一部とを接合部材を介して接合したことを特徴とする。

また、請求項４に示すように、上記構成に加えて、前記圧電振動板の一端部を接合する接合部材を導電性樹脂接着剤とするとともに、前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面とを前記導電性樹脂接着剤と母材が同質の樹脂接着剤により接合したことを特徴とする。

特許請求項１により、前記絶縁性ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、前記集積回路素子の非能動回路面を前記保持台より下側に位置させて集積回路素子が配置されており、圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面へ漸次近接させながら配置しているので、前記圧電振動板の励振電極を、隙間寸法の変動により浮遊容量の影響しやすい導体の金属蓋から、浮遊容量の影響しにくい集積回路素子側に位置させて周波数変動の影響を抑制することができる。

加えて、外部衝撃が加わることによる圧電振動板の他端部の変位は、前記金属蓋に近接する方向のみに大きくさせることとなるが、この変位に伴う圧電振動板と保持台を接合している導電性接合材の接合強度は、この変位方向のみに対し強く設定する事で安定した保持状態を実現する事が出来るので接合部の設計が容易となる。

また集積回路素子に対向配置する圧電振動板の励振電極を、浮遊容量の変化に対する周波数感度のより低い集積回路素子の出力端子側に接続しているので、当該圧電振動板の励振電極と前記集積回路素子の非能動回路面での浮遊容量の影響により、発振周波数が変動しにくい構成とすることができる。

以上により、前記圧電振動板の励振電極を浮遊容量の影響しにくい集積回路素子側に位置させながら、外部衝撃が加わっても、前記金属蓋に対して前記圧電振動板の他端部が近接する方向に変動しにくくなり、結果として、これらの間に生じる浮遊容量の変動をなくし、発振周波数の変動を少なくすることができる。

特許請求項２により、上述の作用効果に加え、前記圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面より上で保持台より下に配置しているので、圧電振動板の他端部と金属蓋との寸法を確保しながら、より低背化を実現できる。

特許請求項３により、上述の作用効果に加え、前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面である半導体素地の一部とを接合部材を介して接合しているので、圧電振動板の励振電極と集積回路素子の導電接続しない半導体素地面との隙間寸法を当初設計されたとおりの一定隙間寸法として確実に維持することができ、外部衝撃によりこの隙間寸法が変動することが一切ない。また、接合部材の介在寸法を制御することで浮遊容量の設計や調整も容易となる。従って、より確実に浮遊容量の安定化に貢献できる構成となり、圧電振動板の耐衝撃性能も飛躍的に向上する。

特許請求項４により、上述の作用効果に加え、前記圧電振動板の一端部を保持する導電性接合材を導電性樹脂接着剤とするとともに、前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面である半導体素地とを前記導電性樹脂接着剤と母材が同質の樹脂接着剤により接合しているので、樹脂の基本特性、例えば硬化条件、あるいは含有する不要なガスの排出条件等を概ね等しく扱うことができる。従って、余分な製造工程を必要とせず、特性の安定したコスト安の圧電振動板の保持構造を得ることができる。

以下、本発明による好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。本発明による第１の実施の形態につき表面実装型水晶発振器を例にとり図１乃至図２とともに説明する。図１は本発明の実施の形態を示す平面図である。図２は図１のセラミックベースに圧電振動板を搭載した状態の平面図（ａ）と、その平面図のＡ−Ａ線に沿って金属蓋をした状態の断面図（ｂ）である。表面実装型水晶発振器は、上部が開口した凹部を有するセラミックベース（絶縁性ベース）１と、当該セラミックベースの中に収納される集積回路素子２と、同じく当該セラミックベース中の上部に収納される圧電振動板３と、セラミックベースの開口部に接合される金属蓋４とからなる。

セラミックベース１は全体として直方体で、アルミナ等のセラミックとタングステン等の導電材料を適宜積層した構成であり、断面でみて凹形の収納部１０を有する構成である。収納部１０は下部側に第１の収納部１０ａと上部側に第２の収納部１０ｂが形成されている。収納部周囲には堤部１１が形成されており、堤部１１の上面は平坦であり、当該堤部上に封止部材としての周状の第１の金属層１１ａが形成されている。当該第１の金属層１１ａの上面も平坦になるよう形成されており、例えば、タングステン、ニッケル、金の順で金属膜層を構成している。タングステンは厚膜印刷技術を活用してメタライズ技術によりセラミック焼成時に一体的に形成され、またニッケル、金の各層はメッキ技術により形成される。

セラミックベース側端部には上下方向に伸長する複数のキャスタレーションが形成されている。当該キャスタレーションは円弧状の切り欠きが上下方向に形成された構成である。なお、前記第１の金属層１１ａはセラミックベースの角部の堤部を上下に貫通接続する図示しない導電ビアにより、セラミックベース下面に形成された外部接続電極（図示せず）に電気的に導出されている。当該外部導出電極をアース接続することにより、後述の金属蓋が金属層１１ａ、導電ビアを介して接地され、電子部品の電磁気的なシールド効果を得ることができる。なお、前述のとおり、当該導電ビアは周知のセラミック積層技術により形成することができる。

セラミックベース１内部において、下方面には前述のとおり集積回路素子２を収納する第１の収納部１０ａと、後述する圧電振動板の一端を保持する保持台１０ｃが形成されており、前記第１の収納部１０ａの上方には、保持台１０ｃに搭載された圧電振動板を収納する第２の収納部１０ｂが形成されている。

各配線パターンは導電ビアにより反対面にあるセラミックベース下面に形成された外部接続端子電極（図示せず）にそれぞれ入出力端子として引き出される。また、前記第１の収納部１０ａの底面部分には、集積回路素子２との配線パターン１６ａが複数並んで形成されている。このような構成のセラミックベースは周知のセラミック積層技術やメタライズ技術を用いて形成され、配線パターンは前述の金属層１１ａ形成と同様にタングステン等によるメタライズ層の上面にニッケルメッキ層、金メッキ層の各層が形成された構成である。

前記下部収納部に搭載される集積回路素子２は、圧電振動板３とともに発振回路を構成する１チップ集積回路素子であり、全体として直方体形状である。その下側の能動回路面２１には接続端子（図示せず）が複数形成され、その上面の非能動回路面２２には半導体素地が露出した状態で形成されている。なお、当該非能動回路面２２には、必要に応じて絶縁性の保護膜を形成してもよい。前記セラミックベースの複数の配線パターン１６ａと集積回路素子２の接続端子との接合は、周知のフェイスダウンボンディング技術により電気的機械的な接合が行われるが、必要に応じて集積回路素子２と第１の収納部１０ａの底面間には、絶縁性樹脂材によるアンダーフィルを形成してもよい。アンダーフィルの形成により集積回路素子２の機械的接合強度を向上させることができる。このとき、図２（ｂ）に示すように、前記集積回路素子２の非能動回路面２２は前記保持台１０ｃより下側に位置するように配置されている。

前記集積回路素子２の上方には所定の間隔を持って圧電振動板３が搭載される。圧電振動板３は例えば矩形状のＡＴカット水晶振動板であり、その表裏面に対向して一対の矩形状励振電極３１，３２（３１のみ図示）と、当該励振電極を水晶振動板の一端部へ引き出す引出電極３３，３４とが形成されている。これら各電極は真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成手段により形成することができる。

圧電振動板３とセラミックベース１との接合は、例えば導電性接合材Ｓを配線パターン１２，１３の上面にディスペンサの塗布ノズルから適量供給される。その後圧電振動板２を配線パターン１２，１３に搭載する。これにより圧電振動板の引出電極と配線パターンとは電気的機械的接続されるが、必要に応じて搭載した圧電振動板の引出電極部分に再度導電性接合材（図示せず）を上塗り塗布してもよい。なお、導電性接合材Ｓはペースト状であり、例えば銀フィラー等の金属微小片を含有するシリコーン系導電樹脂接着剤をあげることができるが、シリコーン系以外に例えば、ウレタン系、イミド系、ポリイミド系、エポキシ系の導電樹脂接着剤を用いることができる。

そして、図２（ｂ）に示すように、前記圧電振動板３の他端部３５を、集積回路素子２の非能動回路面２２へ漸次近接させながら、圧電振動板３の他端部３５を、集積回路素子の非能動回路面２２より上で保持台１０ｃより下に配置している。また、前記圧電振動板の励振電極３２を前記集積回路素子２の出力端子側に接続するとともに、当該励振電極３２を、前記集積回路素子２の非能動回路面２２に対向配置している。このように構成することで、前記圧電振動板の励振電極３２を浮遊容量の影響しにくい半導体素地が露出した集積回路素子２側、あるいは絶縁性の保護膜が形成された集積回路素子２側に位置させながら、外部衝撃が加わっても、前記金属蓋４に対して前記圧電振動板の他端部３５が近接する方向に変動しにくくなり、結果として、これらの間に生じる浮遊容量の変動を小さくし、発振周波数の変動を少なくすることができる。また、図４に示すように、圧電振動板の他端部３５と金属蓋４との寸法を確保しながら、より低背化を実現できる。さらに、集積回路素子２に対向配置する圧電振動板の励振電極３２を、浮遊容量の変化に対する周波数感度のより低い集積回路素子の出力端子側に接続している。このため当該圧電振動板の励振電極３２と前記集積回路素子の非能動回路面２２で生じる浮遊容量の影響により、発振周波数がより一層変動することがなくなる。

セラミックベースを気密封止する金属蓋４は、例えば、コバール等からなるコア材に金属ろう材等の封止材が形成された構成であり、より詳しくは、例えば上面からニッケル層、コバールコア材、銅層、銀ろう層の順の多層構成であり、銀ろう層がセラミックベースの第１の金属層と接合される構成となる。金属蓋の平面視外形はセラミックベースの当該外形とほぼ同じであるか、若干小さい構成となっている。なお、銀ろうに限らず、ニッケルメッキを封止用ろう材とする構成であってもよい。

セラミックベース１の収納部１０に集積回路素子２と圧電振動板３を格納し、前記金属蓋４にて被覆し、金属蓋の封止材とセラミックベースの封止用部材を溶融硬化させ、気密封止を行う。本実施の形態においては、封止用の金属リングを用いないシーム溶接による気密封止を行っており、前記金属蓋の長辺と短辺の稜部に沿ってシームローラを走行させることで、金属蓋に形成された銀ろうとセラミックベース１の第１の金属層１１ａを溶接させ、気密封止が行われる。以上により、本形態による表面実装型水晶発振器（表面実装型圧電発振器）の完成となる。

次に、本発明による他の実施の形態につき表面実装型水晶発振器を例にとり図３とともに説明する。図３は本発明の他の実施の形態を示す平面図（ａ）と、その平面図のＢ−Ｂ線に沿った断面図（ｂ）である。なお、基本構成は上記実施形態と同じであるので、同じ構成部分については同番号を用いるとともに、一部説明を割愛する。

本発明による形態では、上記形態に対して、圧電振動板３を搭載する形態が異なっている。図３に示すように、圧電振動板の引出電極３３，３４と、セラミックベースの保持台の配線パターン１２，１３とを、例えばシリコーン系の導電性樹脂接着剤（導電性接合材Ｓ）により電気的機械的に接合するだけでなく、前記圧電振動板の他端部３５と前記集積回路素子の非能動回路面２２とを前記導電性樹脂接着剤と母材が同質のシリコーン系樹脂接着剤（接合部材）Ｓ２により接合している。このように構成することで、上記形態に加え、圧電振動板３の励振電極と集積回路素子の非能動回路面２２との隙間寸法を当初設計されたとおりの一定隙間寸法として確実に維持することができ、外部衝撃によりこの隙間寸法が変動することが一切ない。また、接合部材としてのシリコーン系樹脂接着剤Ｓ２の塗布厚み（介在寸法）を制御することで浮遊容量の設計や調整も容易となる。従って、より確実に浮遊容量の安定化に貢献できる構成となり、圧電振動板３の耐衝撃性能も飛躍的に向上する。さらに、本形態では、接合部材を前記導電性樹脂接着剤と母材が同質のシリコーン系樹脂接着剤により接合しているので、樹脂の基本特性、例えば硬化条件、あるいは含有する不要なガスの排出条件等を概ね等しく扱うことができる。従って、余分な製造工程を必要とせず、特性の安定したコスト安の圧電振動板の保持構造を得ることができる。なお、本形態で説明した接合部材Ｓ２として、上記同材質の導電性樹脂接着剤としてもよく、他の導電性接合材や、バンプ材等の他の接合部材とすることもできる。なお、前記集積回路素子の非能動回路面のうち、少なくとも前記接合部材が塗布される部分については、事前にドライ洗浄（プラズマ洗浄やＵＶ洗浄等）を実施しておくことで、接合強度の向上できるのでより好ましい。

上記実施形態では、封止用の金属リングを用いないシーム溶接による気密封止を例にしているが、封止用の金属リングを用いてもよく、レーザーや電子ビームなどのビーム封止や、封止材としてガラスを用いたガラス封止、金錫などのろう材封止であってもよい。

本発明は、その精神または収容な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の実施形態を示す平面図である。 図１のセラミックベースに大型の圧電振動板を搭載した状態の平面図（ａ）と、その平面図のＡ−Ａ線に沿った断面図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態を示す平面図（ａ）と、その平面図のＢ−Ｂ線に沿った断面図（ｂ）である。 本発明の実施形態を示す回路図である。

１ セラミックベース
２ 集積回路素子
３ 圧電振動板
４ 金属蓋
Ｓ 導電性接合材

Claims (4)

1. ベースと蓋を有する表面実装型圧電発振器であって、
   圧電発振回路を構成してなる集積回路素子と、
   励振電極が形成された圧電振動板と、
   上面に複数の前記集積回路素子用の配線パターンが形成されるとともに前記集積回路素子を収納する第１の収納部と、第１の収納部の上部に前記圧電振動板の一端部を導電性接合材により保持するとともに上面に一対の配線パターンを有する保持台が形成された第２の収納部と、前記第１の収納部と第２の収納部の周囲に形成された堤部とを有してなるベースと、
   前記ベースに被せて気密封止してなる金属蓋とを具備してなり、
   前記ベースの第１の収納部には、前記集積回路素子の能動回路面を下面に向け、かつ前記集積回路素子の非能動回路面を上面に向けて配置されるとともに、前記集積回路素子の非能動回路面を前記保持台より下側に位置させて集積回路素子が配置されており、
   圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面へ漸次近接させながら配置してなり、前記圧電振動板の励振電極のうち集積回路素子の出力端子側に接続される励振電極を、集積回路素子に対向配置してなることを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記圧電振動板の他端部を、集積回路素子の非能動回路面より上で保持台より下に配置してなることを特徴とする特許請求項１記載の表面実装型圧電発振器。
3. 前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面の一部とを接合部材を介して接合したことを特徴とする特許請求項１、または特許請求項２記載の表面実装型圧電発振器。
4. 前記圧電振動板の一端部を接合する接合部材を導電性樹脂接着剤とするとともに、前記圧電振動板の他端部と集積回路素子の非能動回路面とを前記導電性樹脂接着剤と母材が同質の樹脂接着剤により接合したことを特徴とする特許請求項３記載の表面実装型圧電発振器。

Images