JP6666161B2 - 水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品が実装された実装基板と面実装型の水晶振動子とを積層した構造の面実装型の水晶発振器に関する。

水晶発振器は、情報化社会で必須の周波数基準源である。このような水晶発振器の一種として、例えば特許文献１に記載された、電子部品（ＩＣやコンデンサ）が実装されたセラミック基板から成る実装基板と、セラミック容器を用いた面実装型の水晶振動子とを積層した構造の、面実装型の水晶発振器（以下、積層型の水晶発振器ともいう）がある。

この積層型の水晶発振器では、水晶振動子に設けた端子電極と実装基板に設けた端子接続電極とをハンダによって接続することで、目的の構造を実現している。そして、実装基板の水晶振動子とは反対面に設けた実装電極を、電子機器に接続することで、この積層型の水晶発振器は電子機器に組み込まれる。この積層型の水晶発振器では、汎用性のある水晶振動子を所望の実装基板に積層するのみで、所望の発振器を実現できるので、生産性の利点等が得られる。

特開２０００−３５３９１９号公報、請求項２、図１

ところで、水晶発振器の一種として温度補償型の水晶発振器がある。温度補償をしていることから出力周波数精度は、温度補償型以外のものより高いが、このものでは、ヒステリシス特性という仕様項目を満たす必要がある。図５は、ヒステリシス特性を説明する図であり、横軸に水晶発振器が置かれる環境温度をとり、縦軸に水晶発振器の出力周波数の変化率をとって示したものである。環境温度が上昇したときと下降したときの周波数変化特性Ｔ１，Ｔ２間に差が生じる（ヒステリシス特性が生じる）ことを示している。ヒステリシス特性は無いことが理想である。実際は、環境温度が上昇したときと下降したときの周波数変化率の差ΔＦｎにおける最大値ΔＦｍａｘが、所定値以下を満たすことが望まれる。積層型かつ温度補償型の水晶発振器に対しても、ヒステリシス特性の改善が望まれている。

積層型の水晶発振器のヒステリシス特性を悪化させる原因の１つは、実装基板および水晶振動子間での熱膨張係数の差に起因して水晶片に生じる応力がある。この応力を低減できれば、上記のヒステリシス特性の改善が期待できる。この出願の目的は、上述した課題を解決することにある。

この目的の達成を図るため、この発明の水晶発振器によれば、セラミック容器を用いた平面形状が長方形状の面実装型水晶振動子と、電子部品が実装されたセラミック基板から成る平面形状が長方形状の実装基板とを積層し互いの端子同士を接合材によって接続した構造の水晶発振器において、前述の実装基板の長辺と前述の面実装型水晶振動子の長辺とが直交する配置関係で、これら実装基板と面実装型水晶振動子とを接続してあることを特徴とする。なお、ここでいう直交とは、９０度±５度、好ましくは±３度の範囲を含む。

この発明において、前述の接合材は典型的には、ハンダである。具体的には、鉛と錫を主成分とする鉛系ハンダ、無鉛ハンダ（例えば、錫、銀、銅、亜鉛等から選択される錫系無鉛ハンダ）、金−錫合金等の金系ハンダである。場合によっては、接合材は導電性接着材であっても良い。

また、この発明でいう実装基板は、少なくとも水晶発振回路用の電子部品が実装されたものをいう。さらにこの実装基板は、積層される水晶振動子の外形より大きい外形のものをいう。より好ましくは、用いる水晶振動子の外形に対し、水晶振動子の規格化されたサイズ群中の１ランク大きいサイズを有した基板とするのが良い。例えば、水晶振動子が長辺の長さが約３．２ｍｍ、短辺の長さが約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）の水晶振動子の場合ならば、実装基板は長辺の長さが約５．０ｍｍ、短辺の長さが約３．２ｍｍ（いわゆる５０３２型）の大きさの実装基板とするのが良い。すなわち、実装基板の短辺の長さと水晶振動子の長辺の長さとが同じか、ほぼ同じという関係とするのが良い。具体的には、実装基板の短辺の長さに対し、水晶振動子の長辺の長さが９５〜１０５％、好ましくは９８〜１０２％、より好ましくは９９〜１０１％という関係にするのが良い。

水晶振動子と実装基板とを上記のような大小関係とした場合、水晶片に生じる応力を低減し易いこと、然も、水晶振動子の実装基板への実装が行い易いこと、及び、電子機器の基板に当該水晶発振器を実装する際にもランドパタン等の規格化がし易いこと等の利点が得られる。そのため、完成している水晶振動子を利用した積層型の水晶発振器を安価かつ歩留良くしかもユーザが利用し易い形態で提供できる等の利点が得られる。他の例組合せ例としては、例えば、水晶振動子が長辺が約２．５ｍｍ、短辺が約２．０ｍｍ（いわゆる２５２０型）のもので、実装基板が長辺が約３．２ｍｍ、短辺が約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）のもの等が挙げられる。

従来の積層型の水晶発振器では実装基板と面実装型水晶振動子とは、両者の長辺が平行となるように両者を積層していたのに対し（図３参照）、この発明では両者の長辺が直交するように両者を積層したので、後述のシミュレーション結果から分かるように、当該水晶発振器の環境温度の変化に起因して水晶振動子の水晶片に生じる応力を従来より低減できる。従って、周波数温度特性のヒステリシス特性の改善が期待できる。

（Ａ）、（Ｂ）は実施形態の水晶発振器１０の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は実施形態の水晶発振器１０に具わる主に水晶振動子２０の説明図である。 比較例の水晶発振器７０の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、シミュレーション結果を説明する補足図である。 周波数温度特性のヒステリシス性を説明する図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶発振器の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明が以下の実施形態のみに限定されるものではない。

1．構造の説明
図１（Ａ）及び（Ｂ）は実施形態の水晶発振器１０の説明図である。特に、（Ａ）図は実施形態の水晶発振器１０の斜視図、（Ｂ）図は実施形態の水晶発振器１０の断面図であって（Ａ）図のＰ−Ｐ線相当の断面図である。

実施形態の水晶発振器１０は、面実装型水晶振動子２０と、実装基板４０と、これらの互いが対向する面に設けた実装端子３３及び４５同士を接続している接合材５０と、を具えている。接合材としてはハンダを用いている。

水晶振動子２０は、凹部２１ａを有したセラミック容器２１を具える。そして、この凹部２１ａ内に、水晶片２３を実装してある（図１（Ｂ））。詳細には、水晶片２３は、セラミック容器２１の凹部２１ａの底面に設けた導電性バンプ２５に、導電性接着剤２７によって固定してある。また、水晶振動子２０では、セラミック容器２１の上面にシーム溶接用リング２９を具え、このリング２９に蓋材３１を溶接してある。さらにこのセラミック容器２１の実装基板４０と対向する面には、その四隅各々に１個ずつ、合計４個の実装端子３３を具えている。この実施例の場合、これら４個の実装端子３３のうちの２個を、セラミック容器２１に形成してあるビア配線（図示せず）を介して、導電性バンプ２５に接続してある。

図２（Ａ）は、水晶振動子２０の蓋材３１を外して水晶振動子２０を見た上面図、図２（Ｂ）は水晶振動子２０の底面図である。水晶振動子２０に内蔵した水晶片２３は、この場合、平面形状が矩形状のＡＴカット水晶片としてある。この水晶片２３は、その両主面に励振用電極３５を具えている。この水晶片２３を、その短辺側の端部の短辺方向に沿う離れた２点で、導電性バンプ２５に導電性接着剤２７によって接続固定してある。また、水晶振動子２０の底面に設けた４個の実装端子３３のうちの対角線上の２個は、既に説明したように、励振電極３５に、ビア配線（図示せず）および導電性バンプ２５を介し接続してある。そして、これら４個の実装端子３３を、基板４０側の実装端子４５に、接合材５０によって接続してある。

実装基板４０は、図１（Ｂ）に示したように、凹部４１ａを有したセラミック基板４１を骨格材とするものである。この凹部４１ａを、セラミック基板４１の水晶振動子２０とは反対面に設けてある。そして、この凹部４１ａの底面に、電子部品、具体的には、発振回路及び温度補償回路用の集積回路（ＩＣ）４３ａやコンデンサ４３ｂ、４３ｃを具えている。また、このセラミック基板４１の水晶振動子の実装端子３３と対応する位置に、実装端子４５を具えている。そして、この例の場合、水晶振動子２０と実装基板４０とは、それぞれに設けた実装端子３３，４５の位置、従って４ヶ所で、接続材５０により接続固定してある。また、セラミック基板４１の凹部４１ａを設けた面の縁領域に、この水晶発振器１０を電子機器等へ実装するための実装端子４７を具えている。電子部品４３ａ、４３ｂ、４３ｃと実装端子４５と実装端子４７とはビア配線（図示を省略）やキャスタレーション４９等により互いに所定関係で接続してある。なお、実装端子４７は、電源用端子、ＧＮＤ用端子、出力端子等の各種端子として使用されるものである。
−以上−

この実施形態の場合、実装基板４０の大きさを５０３２型と呼ばれる大きさとし、水晶振動子２０の大きさを３２２５型と呼ばれる大きさとしてある。従って、実装基板４０の長辺の長さと、水晶振動子２０の短辺の長さとは、同一又は略同一であり、いずれも約３．２ｍｍ程度である。この実施形態の積層型の水晶発振器１０は、水晶振動子２０と実装基板４０とを別途に用意しておき、その一方の実装端子上にハンダクリームを塗布した後に、両者を積層させ、例えばトンネル炉等で処理することで得ることができる。

２．シミュレーションおよびその結果の説明
上述したこの発明に係る積層型の水晶発振器の有限要素法用モデル(以下、実施例という)と、図３に示したように水晶振動子２０の長辺と実装基板４０の長辺とを平行とする以外は本発明と同様にした有限要素法用モデル（以下、比較例という）と、を用いて有限要素法に基づくシミュレーションを行った結果を以下に説明する。

シミュレーションの条件は下記である。実装基板４０は長辺寸法が約５ｍｍ、短辺寸法が約３．２ｍｍ（いわゆる５０３２型）、実装基板の厚い部分の厚さＴ(図１（Ｂ）参照)が約０．８ｍｍのものとし、水晶振動子２０は長辺寸法が約３．２ｍｍ、短辺寸法が約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）、セラミック部分の厚い部分の厚さｔ(図１（Ｂ）参照)が約０．３ｍｍ、リング２９の厚さが約０．１２ｍｍのものとし、水晶片２３は公称周波数１９．２ＭＨｚのものとし、接続材５０はハンダとした条件である。そして、実施例及び比較例のモデルの温度を変化させたときの応力シミュレーションを有限要素法により実施する。温度変化条件は、室温（本シミュレーションでは２５℃）から＋１２５℃まで変化させた場合と、室温から−１２５℃まで変化させた場合の２条件とした。なお、実施例と比較例とでは、実装基板と水晶振動子の配置関係が直交すること以外は、シミュレーション条件は同じなので、用いたモデルの各部の詳細寸法や物性の記載は省略する。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、上記温度変化をさせたモデルでの応力分布シミュレーションの理解のため、シミュレーション時の画像を引用したものである。この図４（Ａ）、（Ｂ）では、各部材の番号等を図１等と同じ番号で記載してある。また、図４（Ａ），（Ｂ）において、Ｑは、水晶片２３の中央部の意味である。このシュレーションでは、上記温度変化を与えたときのＱ点での応力を算出することで実施例の効果を検討した。なお、Ｑ点の応力は水晶片の表側と裏側（実装基板側）の２点で算出した。これらの結果を表１、表２に示した。
表１は、実施例、比較例の各モデルの温度を、室温〜＋１２５℃まで変化させたときに水晶片２３の表側および裏側の各中央部Ｑで生じる応力の最大値を示したものである。表２は、実施例、比較例の各モデルの温度を、室温〜−１２５℃まで変化させたときに水晶片２３の表側および裏側の各中央部Ｑで生じる応力の最大値を示したものである。

表１、表２に示したシミュレーション結果から、モデルの温度を室温から上昇させた場合、降下させた場合いずれの場合でも、水晶片の中央部の裏面側（実装基板側）で生じる応力は実施例の方が比較例に比べて小さくできることが分かる。具体的には、水晶片の裏面では、温度上昇時では、実施例／比較例＝０．２５２／０．３９４≒６４％となり、温度下降時では、実施例／比較例＝０．３７８／０．５３６≒７１％となる。一方、水晶片の表側では、温度上昇時では、実施例／比較例＝０．５６２／０．５８１≒９７％となり、温度下降時では、実施例／比較例＝０．８６６／０．８２９≒１０４％となり、実施例および比較例で同等である。
水晶片の表側で生じる応力については実施例と比較例とでほぼ同等であり差異が無いように見えるが、その理由は、実装基板と水晶振動子との熱膨張係数差等に起因する歪は水晶片の裏側（実装基板側）の部分に先ず影響し、水晶片の表側に向かうに従い徐々に緩和されているためと思われる。水晶片の表側での応力が実施例と比較例とで差異はなく見えていても、水晶片で生じる応力を小さくするためには、実施例の方が有利であることがこのシミュレーションから理解できる。このため、平面形状が長方形の実装基板と平面形状が長方形の面実装型の水晶振動子とを積層して積層型の水晶発振器を構成する場合は、実装基板の長辺と水晶振動子の長辺とが直交するように両者を配置して積層するのが良いことが分かる。そして、こうすることで温度特性のヒステリシスの低減も期待できる。

３．他の実施形態
上述においては、この発明の水晶発振器の実施例を説明したが、この発明は上述の例に限られない。例えば、上述の例では、実装基板の大きさをいわゆる５０３２型とし、水晶振動子の大きさをいわゆる３２２５型としたが、本発明の効果は、実施例以外の大きさの実装基板と水晶振動子との組合せたものでも得られる。また、この発明は周波数温度特性の仕様が厳しい温度補償型の積層型の水晶発振器に適用して好適であるが、温度補償型以外の積層型の水晶発振器にも適用できる。また、上述の実施例では水晶振動子としてシーム溶接用リングを有するものを用いたが、シームリングを有していないいわゆるダイレクトシーム型のもの等、他の水晶振動子であっても本発明は適用できる。また、上述の実施例では水晶片として平面形状が矩形のＡＴカット水晶片を用いたが、形状および切断方位が他の水晶片、例えばＳＣカット、ＩＴカット等であっても本発明は適用できる。

１０:水晶発振器
２０：水晶振動子
２１：セラミック容器
２１ａ：凹部
２３：水晶片
２５：導電性バンプ
２７：導電性接着剤
２９：シーム溶接用リング
３１：蓋材
３３：実装端子
３５：励振用電極
４０：実装基板
４１：セラミック基板
４１ａ：凹部
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ：電子部品
４５：実装端子（水晶振動子との実装端子）
４７：実装端子（電子機器等との実装端子）
４９：キャスタレーション
５０：接合材（ハンダ）
７０：比較例のモデル（比較例の水晶発振器）

Claims (1)

1. セラミック容器を用いた平面形状が長方形状の面実装型水晶振動子と、電子部品が実装されたセラミック基板から成る平面形状が長方形状の実装基板とを積層し、互いの端子同士を接合材によって接続した構造の水晶発振器において、
   前記面実装型水晶振動子は、平面形状が矩形状の水晶片を、該水晶片の１つの短辺側の端部の該短辺方向に沿う離れた２点で導電性接着剤によって前記セラミック容器に接続固定したもので、かつ、シーム溶接によって封止してあるものであり、
   前記実装基板は、前記面実装型水晶振動子側とは反対側の面に凹部を有し、該凹部の底面に少なくとも水晶発振回路用の電子部品を具えるものであり、
   前記実装基板の長辺と前記面実装型水晶振動子の長辺とが直交する配置関係で、これら実装基板と面実装型水晶振動子とを、４箇所で、ハンダによって接続してあり、
   前記実装基板の短辺の長さと前記面実装型水晶振動子の長辺の長さとが同一又はほぼ同一であり、
   前記実装基板は、前記面実装型水晶振動子の外形が３２２５型かつ前記実装基板の外形が５０３２型、前記面実装型水晶振動子の外形が２５２０型かつ前記実装基板の外形が３２２５型のように、前記実装基板に積層している前記面実装型水晶振動子の外形に対し、前記面実装型水晶振動子の規格化されたサイズ群中の１ランク大きいサイズを有した基板であることを特徴とする水晶発振器。
   −以上−