KR100526289B1 - 수정 진동자 패키지 - Google Patents

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KR100526289B1
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이종필
박진태
우지원
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Abstract

본 발명은 외부 환경의 영향을 방지하여 안정적인 전기적 특성을 제공할 수 있는 수정 진동자 패키지에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수정 진동자 패키지는, 수정진동자와; 상기 수정진동자의 전극과 연결되는 실장부와, 상기 수정진동자의 일단부를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부 기판과; 코너 전극과, 상기 수정 진동자의 전극과 전기적으로 연결되는 출력점과, 일단이 상기 코너 전극으로부터 연장되어 소정 면적을 돌아서 타단이 상기 출력점으로 연결됨으로써 열린 고리 모양으로 형성되는 내부 전극과, 상기 코너 전극에 연결되는 출력 전극을 갖는 하부 기판;및 상기 수정진동자를 외부의 환경과 오염물질로부터 보호하기 위하여 상기 상부 기판의 상부면을 밀봉하는 리드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수정 진동자 패키지{CRYSTAL PACKAGE}
본 발명은 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지에 관한 것으로, 특히 외부 환경의 영향을 방지하여 안정적인 전기적 특성을 제공할 수 있는 수정 진동자 패키지에 관한 것이다.
최근 통신 기술의 발달로 인하여 개인 휴대 단말기와 무선 통신기기의 다기능화가 이루어지고 있다. 이에 따라 휴대 단말기 및 무선 통신기기에 사용되는 주변 소자들 수도 더욱 많아지고 다양화되었다. 또한 휴대 단말기 등의 소형화 추세에 따라서 주변 소자들의 소형화 요구가 급속히 늘어나고 있다.
일반적으로, 온도 보상 수정 발진기(Temperature Compensated Crystal Oscillator, 이하 'TCXO'라한다)란 온도에 따라 써미스터의 저항값이 변화하게 되어 배리캡 다이오드에 가해지는 전압이 변화하고, 이러한 전압의 변화로 인하여 커패시터의 커패시턴스가 변화하게 되어 온도의 변화에 따라서 주파수를 보상하는 장치를 말한다.
도 1은 일반적인 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 온도 보상 수정 발진기(TCXO)는 수정진동자부(10)와, 상기 수정진동자부(10)를 밀폐시키기 위한 리드(20)와, 온도 보상 수정 진동자(TCXO)용 집적 회로(IC)를 탑재한 회로부(40)와, 상기 수정진동자부(10)와 상기 회로부를 연결하는 연결부(30)을 포함한다.
수정진동자부(10) 내부에는 수정 진동자(Crystal Unit)가 포함되어 있다. 일반적으로, 수정진동자는 일정한 주파수의 신호를 출력하기 위해 쓰여지는 소자로서, 주로 주파수 발진기, 주파수 조정기, 주파수 변환기 등의 용도로 널리 사용된다. 수정진동자에는 주로 압전 특성이 뛰어난 수정이 주로 사용되며, 여기서 수정은 안정한 기계적 진동발생기의 역할을 한다.
이러한 수정진동자의 진동수는 수정의 역학적 성질이나 크기에 따라 정해지며, 일반적으로 온도 등의 변화에 대해 안정하고 Q값도 매우 높다.
수정은 오토클레이브(autoclave)에서 인공적으로 성장시켜 럼버드(Lumbered)를 만들고, 결정축을 중심으로 절단함으로써 원하는 특성을 갖도록 그 크기와 모양을 가공하여 웨이퍼(wafer) 상태로 제작된다. 이와 같은 제작 공정에서는 수정은 낮은 위상 잡음(phase noise)과 높은 Q값(Q-value), 그리고 시간과 환경변화에 대한 낮은 주파수 변화율을 갖도록 고려되어야 한다.
이러한 수정진동자는 상기 수정 진동자부(10) 내부에 탑재된다. 그러나 수정진동자는 외부의 환경적 변화, 특히 오염물질에 의하여 동작효율 및 품질의 신뢰성에 큰 영향을 받게 된다. 따라서 수정 진동자 패키지의 누설율(leak rate)은 매우 낮아야 한다. 이러한 이유로 수정 진동자부(10)에 탑재된 수정진동자를 외부의 환경과 오염물질로부터 보호하기 위하여 상기 수정 진동자부(10)를 리드(20)로 밀봉한다.
상기 회로부(40) 내부에는 온도 보상 회로용 회로부품이 실장된다. 그리고 상기 수정진동자부(10)와 회로부(40)는 도전성의 연결 물질로 이루어지는 연결부(30)에 의하여 연결된다.
이러한 온도 보상 수정 진동자(TCXO)는 휴대 단말기의 필수적인 구성부품에 해당한다. 따라서 휴대 단말기의 소형화 및 복합 기능화를 이루기 위해서, 온도 보상 수정 진동자(TCXO)에 대한 소형화가 지속적으로 요구되고 있다.
그러나 수정진동자는 외부와의 전기적, 기계적 연결의 한계로 인하여 소형화에 어려움이 있다. 또한 수정 진동자 웨이퍼에 대한 소형화의 한계로 인하여 공간적 제약이 크고, 이에 따라 다른 주변소자들과 비교하여 체적용량이 커서, 이를 소형화기가 매우 어려운 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은 소형으로 얇게 형성될 수 있는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 제공함에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 외부 환경의 영향으로 인하여 수정 진동자가 오작동을 일으키는 것을 방지함으로써 안정적인 주파수 특성을 제공할 수 있는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수정 진동자 패키지는, 수정진동자와; 상기 수정진동자의 전극과 연결되는 실장부와, 상기 수정진동자의 일단부를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부 기판과; 코너 전극과, 상기 수정 진동자의 전극과 전기적으로 연결되는 출력점과, 일단이 상기 코너 전극으로부터 연장되어 소정 면적을 돌아서 타단이 상기 출력점으로 연결됨으로써 열린 고리 모양으로 형성되는 내부 전극과, 상기 코너 전극에 연결되는 출력 전극을 갖는 하부 기판;및 상기 수정진동자를 외부의 환경과 오염물질로부터 보호하기 위하여 상기 상부 기판의 상부면을 밀봉하는 리드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 내부 전극은 상기 하부 기판의 중심부 둘레를 돌아서 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 내부 전극은 텅스텐으로 가는 선 모양의 패턴으로서 형성되고, 그 위에는 금으로 전해도금이 입혀지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리드는 상기 상부 기판에 형성된 비아와 코너 전극을 통하여 접지 전극에 연결되며, Fe-Ni-Co 합금으로 이루어질 수 있다.
나아가, 상기 수정 진동자를 구동하고, 상기 수정 진동자의 주파수 특성을 이용하는 소정의 집적 회로(IC)가 탑재되는 회로부; 및 도전성 물질로 구성되며, 상기 세라믹 기판의 출력 전극과 상기 회로부를 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 2는 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 단면도이다.
도 2를 참조하여 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 구조를 더욱 상세히 설명한다. 온도 보상 수정 발진기(TCXO)는 수정진동자부(10)와, 상기 수정진동자부(10)를 밀폐시키기 위한 리드(20)와, 온도 보상 수정 발진기(TCXO)용 집적 회로(IC)를 탑재한 회로부(40)와, 상기 수정진동자부(10)와 상기 회로부(40)를 연결하는 연결부(30)을 포함한다. 본 발명이 적용되는 수정 진동자 패키지란 상기 수정진동자부(10)를 말한다. 비록 본 명세서에서는 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 적용되는 수정진동자 패키지를 예로 들어 설명하고 있으나, 본 발명에 따른 수정 진동자 패키지는 수정 진동자를 포함한 다른 다양한 패키지에 적용될 수 있다.
수정진동자부(10) 내부에는 수정 진동자(Crystal Unit)(11)가 구성된다. 수정진동자(11)는 앞서 설명한 바와 같이 수정 웨이퍼로 제작될 수 있으며, 사용되기 위해서는 패키지에 고정된다. 이 경우에, 상기 수정진동자(11)는 패키지 상에 전기적 연결을 위해 표면에는 전극이 형성된다. 수정진동자(11)는 외부의 전기적 소자들과 연결되어야 하고, 이를 위해 수정 진동자(11)를 상부기판(12)에 도전성 접착제(13)로 접착시킨다. 이때 수정진동자(11)의 우수한 진도효율과 외부의 충격에 대한 신뢰성 확보를 위해 충분한 접착 영역을 확보해야 한다.
이와 같이 상기 수정진동자(11)는 세라믹으로 형성되는 상부기판(12)에 실장되며, 역시 세라믹으로 형성되는 하부 기판(14)을 통하여 상기 회로부(40)와 연결된다. 상기 상부기판(12)에는 비아(via)(15)가 형성되며 상기 수정진동자(11)와 상기 하부 기판(14)의 상면에 형성되는 내부전극(16)과 연결된다.
상기 하부 기판(14)의 상면에는 내부 전극(16)이 형성되고, 저면에는 출력 전극(17)이 형성된다. 그리고 상기 내부 전극(16)과 출력 전극(17)은 상기 하부 기판(14)의 모서리에 형성되는 코너 전극(18)을 통하여 전기적으로 연결된다. 그리고 상기 출력 전극(17)은 도전성의 연결부(30)에 의하여 상기 회로부(40)에 연결된다. 상기 회로부(40) 내부에는 온도 보상 수정 발진기(TCXO) 용 집적 회로(IC)(41)가 탑재되며, 와이어 본딩(wire bonding) 또는 범프 본딩(bumping bonding) 방식 등으로 연결된다. 여기서 상기 집적 회로(41)는 상기 수정진동자(11)를 구동시키며, 또한 상기 수정진동자(11)로부터 발생하는 주파수 특성을 이용하게 된다.
그리고 상기 수정 진동자부(10)는 내부에 탑재된 수정진동자(11)를 외부의 환경과 오염물질로부터 보호하기 위하여 상부면을 리드(20)로 밀봉한다. 또한 전기적 특성의 안정을 위하여, 상기 리드(20)는 상기 상부 기판(12)에 형성된 다른 비아(via)(15a)와 코너 전극(18a)을 통하여 접지 전극(17a)에 연결된다.
도 3은 도 2의 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 탑재되는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 A-A'에서 본 상면도이다.
도 3을 참조하면, 상부기판(12)의 상부면에는 금속층(31)을 형성한 후 Fe-Ni-Co 합금인 코바(KOVAR) 링층(32)을 접착시켜 놓은 후, 동일한 재질의 코바 리드(도시되지 않음)를 올려 놓고 전기적인 용접을 함으로써 상기 수정진동자부(10)를 밀폐시킨다. 이때 세라믹의 상부기판(12)과 금속의 링층(32), 그리고 금속의 링층(32)과 금속의 리드(도시되지 않음)간의 접착 부위에서의 기밀성은 매우 중요하다. 왜냐하면, 외부로부터 상기 수정진동자부(10) 내부로 오염물질이 유입되는 경우에는 신뢰성, 위상 잡음, Q값 특성이 매우 악화되기 때문이다. 즉, 상기 수정진동자부(10)는 안정적인 밀폐된 구조로 형성되어야 한다.
실장부(33)에는 수정진동자(11)의 일단에 구성되는 단자와 연결되어 전기적 접속이 이루어진다. 그리고 지지부(34)에는 수정진동자(11)의 타단이 배치되어, 상기 수정진동자(11)를 지지함으로써, 기계적으로 안정된 구조를 형성한다.
도 4는 도 2의 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 탑재되는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 C-C'에서 본 저면도이다.
도 4를 참조하면, 하부 기판(14) 저면의 각 모서리에는 코너 전극(18, 18a)이 형성되어 있다. 상기 하부 기판(14)의 좌측에는 출력 전극(17)이 형성되고, 상기 출력 전극(17)을 통하여 상기 수정 진동자(11)가 구동될 수 있다. 또한 상기 하부 기판(14)의 우측에는 접지 전극(17a)이 형성되고, 상기 리드(20)에 연결됨으로써 안정한 전기적 특성을 제공할 수 있다.
도 5는 도 2의 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 탑재되는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 B-B'에서 본 상면도이다.
도 5를 참조하면, 하부 기판(14) 상면의 각 모서리에는 역시 코너 전극(18, 18a)이 형성되어 있다. 상기 하부 기판(14) 상면의 좌측에는 내부 전극(16)이 길게 형성된다. 상기 내부 전극(16)의 일단은 상기 코너 전극(18)과 연결되고, 타단은 출력점(50)에 연결된다. 상기 출력점(50)은 비아(15)를 통하여 상기 수정진동자(11)의 전극에 전기적 연결을 구성한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따라, 상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO)를 슬림(slim)화 및 소형으로 제조하기 위한 방안을 설명한다.
도 2 내지 도 5을 참조하면, 온도 보상 수정 발진기(TCXO)는 크게 수정진동자부(10)와 회로부(40)와, 상기 수정진동자부(10)와 회로부(40)를 연결하는 연결부(30)로 구분할 수 있다.
이러한 구조에서, 온도 보상 수정 발진기(TCXO)를 얇게 슬림(slim)화하기 위해서는 다음과 같은 방안이 고려된다.
1. TCXO용 회로가 탑재되는 회로부(40)의 슬림화.
2. 도전성 물질로 이루어지는 연결부(30)의 슬림화.
3. 수정진동자가 탑재되는 수정진동자부(10)의 슬림화
그러나 위의 3가지 방안 중, 첫 번째 회로부(40)를 슬림화하는 방안을 적용하는 경우, 상기 회로부(40) 내부에 탑재되는 집적회로(IC)(41) 자체의 높이와, 또한 상기 집적회로(41)를 상기 회로부(40) 내부에 와이어 본딩(wire bonding) 또는 범프 본딩(bumping bonding) 방식 등으로 연결하는 방식으로 인하여 회로부(40)의 높이를 감소시키는데는 많은 제약이 있다.
또한 상기 두 번째 연결부(30)를 슬림화하는 방안은 적용하는 경우에, 상기 수정진동자부(10)와 회로부(40)의 연결에 대하여 일정한 기계적 강도를 보유함과 동시에 도전성을 유지하기 위해서는, 상기 연결부(30)의 높이를 감소시키는데 역시 한계가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 상기 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 적용되는 수정 진동자부(10)를 슬림화할 수 있는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 제공한다. 그러나 상기 수정 진동자부(10)를 슬림화하는 경우에 기계적 강도가 약해지고, 그에 따라 상기 수정 진동자부(10)에 균열(crack)이 발생하는 문제가 있다. 또한 그러나 종래의 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 경우에는, 상기 하부 기판(14)에 균열이 발생하더라도 상기 수정진동자(11)는 주 특성인 주파수를 계속 발생시킬 수 있다. 따라서 패키지에 균열로 인한 불량을 검출하기 어렵고, 상기 수정진동자(11)는 외부 환경에 의한 영향을 받게 되므로 안정적인 주파수 특성을 기대하기 어려운 문제가 있다. 따라서 다음의 본 발명의 실시예에서는 상기 하부 기판(14) 상에 형성되는 내부 전극(16)의 패턴을 변형시킴으로써, 수정진동자부(10)의 슬림화에 대하여 기계적 강도를 보강하면서도, 실리콘 기판의 균열에 따른 불량 패키지를 용이하게 검출할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 내부 전극 패턴을 도시한 도면이다.
도 6은 상기 도 2의 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 탑재되는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 B-B'에서 본 상면도이며, 이때 본 발명의 실시예에 따라 새로이 형성된 내부 전극(60)의 패턴을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 내부 전극(60)은 출력 전극(17)이 연결되는 코너 전극(18)에서부터 연장되어, 수동진동자(11)와 연결되는 출력점(50)까지 연장된다.
특히 본 발명의 실시예에서는 상기 내부 전극(60)이 상기 코너 전극(18)에서부터 상기 출력점(50)까지 직선으로 연결되지 않고서, 상기 하부 기판(14)의 상면서 일단이 상기 코너 전극(18)에 연결되고 열린 고리 모양으로 형성되어 타단이 상기 출력점(50)에 연결되는 것에 특징이 있다.
즉, 상기 내부 전극(60)은 상기 코너 전극(18)으로부터 연장되어, 상기 하부 기판(14)의 상면의 일정한 면적을 돌아서 상기 출력점(50)까지 형성된다. 여기서 상기 내부 전극(60)은 텅스텐으로 가는 선 모양의 패턴을 형성하고, 그 위에는 금으로 전해도금을 입힘으로써 제작될 될 수 있다. 이와 같이 내부 전극(60)은 상기 하부 기판(14) 상의 넓은 면적에 걸쳐서 형성되므로, 상기 하부 기판(14)에 기계적 강도를 보강하게 된다. 따라서 본 발명이 실시예에 따른 내부 전극(60)을 포함하는 수정진동자부(10)는 슬림화하는 경우에 기계적 균열을 방지할 수 있게 된다.
또한 본 발명은 다음과 같은 특징을 갖는다. 즉 본 발명의 실시예에 따라 내부 전극(60)이 상기 하부 기판(14)의 상면의 일정한 면적에 걸쳐서 형성됨으로써, 만약 상기 하부 기판(14)에 균열이 발생하면, 상기 내부 전극(60)에도 역시 균열이 발생하게 된다. 그러면 상기 출력 전극(17)에 연결되는 상기 코너 전극(18)과, 상기 수정 진동자(11)와 연결되는 출력점(50)이 서로 개방된다. 따라서 이 경우 수정 진동자(11)는 구동을 멈추게 되므로, 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지의 불량 유무를 검출할 수 있게 된다. 따라서 패키지의 균열로 인한, 수정 진동자(11)의 오작동을 방지할 수 있게 된다.
여기서 상기 내부 전극(60)은 상기 하부 기판(14)의 중심부(61)를 돌아서 형성되는 것이 바람직하다. 왜냐하면 실제 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 탑재되는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지의 중심부(61)를 부근에서 균열이 주로 발생한다. 따라서 상기 내부 전극(60)을 상기 중심부(61)의 둘레를 돌아서 개방된 고리 모양으로 형성함으로써 패키지에 발생하는 균열을 더욱 용이하게 검출할 수 있게 된다.
도 6에서는 두 개의 출력 전극(18) 중 하나의 내부 전극(60) 만이 열린 고리 모양으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 두 개의 출력 전극(18) 모두를 열리 고리 모양으로 형성할 수도 있다. 또한 하나의 출력 전극(18) 만을 열린 고리 모양으로 형성하는 경우에도, 상기 두 개의 출력 전극(18) 중 하나를 임의로 선택하여 본 발명의 실시예에 따른 내부 전극(60)을 형성할 수도 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 있어서, 수정진동자부를 얇게 형성할 수 있으므로 패키지를 소형으로 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 온도 보상 수정 발진기(TCXO)에 있어서, 수정진동자부에 균열이 발생하는 경우에 수정 진동자의 구동을 차단하여 수정 진동자의 오작동을 일으키는 것을 방지함으로써, 안정적인 주파수 특성을 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 개략도.
도 2는 온도 보상 수정 발진기(TCXO)의 단면도.
도 3은 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 A-A'에서 본 상면도.
도 4는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 C-C'에서 본 저면도.
도 5는 수정 진동자(Crystal Unit) 패키지를 B-B'에서 본 상면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 내부 전극 패턴을 도시한 도면.

Claims (6)

  1. 수정진동자;
    상기 수정진동자의 전극과 연결되는 실장부와, 상기 수정진동자의 일단부를 지지하기 위한 지지부를 갖는 상부 기판;
    코너 전극과, 상기 수정 진동자의 전극과 전기적으로 연결되는 출력점과, 일단이 상기 코너 전극으로부터 연장되어 소정 면적을 돌아서 타단이 상기 출력점으로 연결됨으로써 열린 고리 모양으로 형성되는 내부 전극과, 상기 코너 전극에 연결되는 출력 전극을 갖는 하부 기판;및
    상기 수정진동자를 외부의 환경과 오염물질로부터 보호하기 위하여 상기 상부 기판의 상부면을 밀봉하는 리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극은 상기 하부 기판의 중심부 둘레를 돌아서 형성되는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극은 텅스텐으로 가는 선 모양의 패턴으로서 형성되고, 그 위에는 금으로 전해도금이 입혀지는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 리드는 상기 상부 기판에 형성된 비아와 코너 전극을 통하여 접지 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리드는 Fe-Ni-Co 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수정 진동자를 구동하고, 상기 수정 진동자의 주파수 특성을 이용하는 소정의 집적 회로(IC)가 탑재되는 회로부; 및
    도전성 물질로 구성되며, 상기 세라믹 기판의 출력 전극과 상기 회로부를 연결하는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수정 진동자 패키지.
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