KR102117475B1 - 수정 진동자 - Google Patents

Abstract

본 개시는 수정편; 상기 수정편의 가장자리에 배치되는 주변부; 상기 수정편의 상면의 중심부에 배치되며 상기 주변부보다 두꺼운 두께로 형성되는 복수의 제1 진동부; 및 상기 수정편의 하면의 중심부에 배치되며 상기 주변부보다 두꺼운 두께로 형성되는 복수의 제2 진동부;를 포함하고, 상기 제1 진동부는 서로 인접하는 상기 제1 진동부와 이격되어 배치되며, 상기 제2 진동부는 서로 인접하는 상기 제2 진동부와 이격되어 배치되는 수정 진동자에 관한 것이다.

Description

수정 진동자{Crystal oscillator}

본 개시는 수정 진동자에 관한 것이다.

수정 진동자는 주파수 발진기, 주파수 조정기, 주파수 변환기 등 다양한 용도로 사용된다. 수정 진동자는 압전소재로서 뛰어난 압전특성을 갖는 수정(crystal)을 사용하게 되는데, 이때 수정은 안정적인 기계적 진동 발생기의 역할을 하게 된다.

상기한 수정은 고압의 오토클레이브(autoclave)에서 인공적으로 성장시키고, 결정축을 중심으로 절단하여 원하는 특성을 갖도록 크기와 모양을 가공하여 웨이퍼(wafer) 형태로 제작하게 된다.

수정 웨이퍼가 수정진동자로 사용되기 위해서는 수정 웨이퍼가 절단 가공된 수정편이 패키지 내부에 고정

되어야 하고, 또한 전기적인 연결을 위해 수정편의 표면에 전극을 형성하여야 한다. 또한 상기 패키지 내부에 고정된 상기 수정편은 외부의 전기적 소자들과 연결하기 위해 상기 패키지와 도전성의 접착제로 접착시키게 된다.

수정 진동자 및 수정 진동자 패키지는 패키지 내에 형성된 전극과 수정 진동자가 도전성 접착제로 접착될 때, 접착력이 가혹 환경에서 신뢰성의 중요한 요인이 된다.

수정 진동자는 수정편에 에너지를 집중시키기 위하여 수정편의 표면에 단차가 있는 진동부를 형성한다.

하지만 단일 진동부를 가지는 수정편은 부진동에 취약하고, 수정편의 에너지를 집중시키는 것에 한계가 있다.

한국공개특허공보 제2013-0076840호

본 개시는 부진동을 감소시키고 수정편의 에너지 집중 효율을 향상시킬 수 있는 수정 진동자를 제공하고자 한다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 수정편; 상기 수정편의 가장자리에 배치되는 주변 부; 상기 수정편의 상면의 중심부에 배치되며 상기 주변부보다 두꺼운 두께로 형성되는 복수의 제1 진동부; 및 상기 수정편의 하면의 중심부에 배치되며 상기 주변부보다 두꺼운 두께로 형성되는 복수의 제2 진동부;를 포함하고, 상기 제1 진동부는 서로 인접하는 상기 제1 진동부와 이격되어 배치되며, 상기 제2 진동부는 서로 인접하는 상기 제2 진동부와 이격되어 배치된다.

본 개시의 일 실시 예에 다른 수정 진동자는 수정편에 복수의 진동부가 형성되고, 각 진동부는 서로 이격되어 형성되기 때문에 부진동을 감소시키고 수정편의 에너지 집중 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지의 단면도를 개략적으로 도시한 것으로, 도 2의 B-B`의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지의 평면도를 도시한 것으로, 도 1의 A-A`에 따른 개략적인 평면도이다.
도 3 및 도 4는 진동부의 다른 실시 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 진동부가 적어도 2단 이상으로 형성되는 수정 진동자의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지의 단면도를 개략적으로 도시한 것으로, 도 2의 B-B`의 개략적인 단면도이다. 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지의 평면도를 도시한 것으로, 도 1의 A-A`에 따른 개략적인 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지(100)는 제1 및 제2 전극 패드(24a, 24b)가 배치된 베이스 기판(26a)과 제1 및 제2 전극 패드(24a, 24b)에 일측이 고정 설치되는 수정편(21)을 포함한다.

구체적으로, 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자 패키지(100)는 베이스 기판(26a)과, 베이스 기판(26a)의 상면에 형성된 제1 및 제2 전극패드(24a, 24b)와, 제1 및 제2 전극패드(24a, 24b) 상에 일측이 고정 설치되며, 제1 및 제2 전극패드(24a, 24b)과 전기적으로 연결되는 여진 전극(22a, 22b)이 상하 표면에 각각 형성되어 전기적 신호에 의해 진동하는 수정편(21)과, 베이스 기판(26a)의 주연을 따라 형성되며 수정편(21)을 수납하는 내부 공간을 형성하는 지지부(26b), 그리고 지지부(26b) 상에 배치되어 내부 공간을 밀봉하는 리드(27)을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 베이스 기판(26a)과, 지지부(26b), 리드(27)는 패키지로 통칭될 수 있다.

베이스 기판(26a)은 수정 진동자 패키지(100)의 바닥을 형성하며, 절연 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 베이스 기판(26a)은 세라믹 그린 시트를 성형해 적층해 소성한 산화 알루미늄 소결체 등이 이용될 수 있다.

베이스 기판(26a)의 상면 일 측에는 제1 및 제2 전극패드(24a, 24b)가 형성될 수 있다.

또한, 베이스 기판(26a)의 가장자리를 따라 지지부(26b)가 형성될 수 있다.

베이스 기판(26a)의 하면에는 외부로부터 전기신호를 입력받기 위한 복수의 외부 전극패드(24c, 24d)가 구비될 수 있으며, 복수의 외부 전극패드(24c, 24d) 중 하나는 제1 전극패드(24a)와 전기적으로 연결될 수 있고, 복수의 외부전극패드(24c, 24d) 중 또 다른 하나는 제2 전극패드(24b)와 전기적으로 연결될 수 있다.

제1, 2 전극패드(24a, 24b)와 외부 전극패드(24c, 24d)의 전기적 연결은 베이스 기판(26a)에 형성된 도전성 비아(미도시) 등에 의해 이루어질 수 있다.

또한, 복수의 외부 전극패드(24c, 24d) 중 일부는 접지되는 접지전극으로 이용될 수 있다.

제1 및 제2 전극패드(24a, 24b)는 수정편(21)의 상하 표면에 형성된 여진 전극(22a, 22b)과 전기적으로 연결되어, 수정편(21)에 전기신호를 제공하는 경로로 이용된다. 상기한 전기 신호에 의해 수정편(21)에는 압전효과가 발생될 수 있다.

제1 및 제2 전극패드(24a, 24b)는 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속물질을 사용하여 형성될 수 있다.

지지부(26b)은 베이스 기판(26a)의 주연(周緣)을 따라 형성될 수 있으며, 베이스 기판(26a)과 함께 본 실시예에 따른 수정 진동자를 수납하기 위한 내부 공간을 형성할 수 있다.

지지부(26b)은 베이스 기판(26a)과 동일한 재질인 절연 세라믹 재질로 이루어지거나, 리드(27)와 동일한 재질인 도전성 금속합금 재질로 형성될 수 있다.

수정편(21)은 발진 주파수 등에 따라 소정의 두께에 연마된 압전 기판으로, 수정 웨이퍼를 포토리소그래피 기술 등을 이용하여 절단 가공하여 제조할 수 있다.

본 실시예에 따른 수정편(21)은 AT 컷으로 잘라져 두께 미끄럼 진동이 주 진동으로 여기되는 수정편(21)에 의해 구성될 수 있다.

두께 미끄럼 진동 모드를 주 진동으로 하는 수정 진동자로는 AT 컷 수정판이 상온 부근에서의 온도 변화에 대한 주파수 변화가 적기 때문에 가장 널리 사용되고 있다.

두께 전단 진동 모드의 수정편(또는 압전 진동편)은 그 두께를 중앙부에서 단부를 향해 서서히 얇게 형성하면, 단부에서의 진동 변위의 감쇠량이 커지므로, 수정편의 중앙부에 진동 에너지를 가두는 효과가 높아지고, CI값, Q값 등의 주파수 특성이 향상되는 것이 알려져 있다.

따라서 압전 진동편을 저주파화를 위해 두껍게 해도, 적은 에너지로 효율적으로 발진시킬 수 있고, 반대로 비교적 높은 주파수에서도 진동편 치수를 통상의 것보다 작게 하여 소형화할 수 있는 이점이 있다.

진동 에너지 가둠 효과를 발휘할 수 있는 압전 진동편의 형상으로서, 그 주면을 볼록형 곡면으로 한 콘벡스(convex) 형상, 평탄한 두꺼운 중앙부와 단부 가장자리의 사이를 사면(斜面)으로 한 베벨(bevel) 형상, 평탄한 두꺼운 중앙부의 주변 부분을 얇게 형성한 메사(mesa) 형상 등이 있으며, 이 중 본 실시예에 따른 수정편(21)은 메사형을 이용한다.

수정편(21)은 대략 직사각 형상으로 형성될 수 있으며, 중심에 배치되는 복수의 진동부(21a)와, 진동부(21a)의 가장자리 부분에 배치되어 진동부(21a)보다 얇은 두께로 형성되는 주변부(21b)를 포함하는 메사(mesa) 형으로 형성될 수 있다.

설명의 편의를 위해, 도 1을 기준으로 수정편(21)의 상부에 형성되는 진동부를 제1 진동부, 수정편(21)의 하부에 형성되는 진동부를 제2 진동부라 한다.

또한 본 실시예에 따른 수정편(21)이 메사형으로 형성됨에 따라, 수정편(21)은 두꺼운 부분(21a, 진동부)와 주변부(21b), 및 여진 전극(22a, 22b)를 포함하여 구성될 수 있다.

진동부(21a)는 수정편(21)의 중앙에 배치되어 주변부(21b)보다 두껍게 형성된다.

이에 대응하여 주변부(21b)는 진동부(21a)의 주변에 형성되며 진동부(21a)보다 상대적으로 얇은 두께로 형성된다.

즉, 수정편(21)은 주변부(21b)에 비해 수정편(21)의 상면에 돌출되어 형성되는 제1 진동부와 수정편(21)의 하면에 돌출되어 형성되는 제2 진동부를 포함할 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 제1 진동부 또는 제2 진동부는 서로 인접하는 제1 진동부 또는 제2 진동부와 각각 서로 이격되어 형성된다.

즉, 수정편(21)의 일 면에는 복수개의 진동부(21a)가 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 2에서 보는바와 같이 복수의 제1 진동부 또는 제2 진동부는 각각 사각형으로 형성되고, 인접하는 제1 진동부 또는 제2 진동부의 중심을 연결하면 폐곡선이 형성된다.

수정편(21)의 일면에 하나의 진동부가 형성되는 경우, 부진동에 취약하다는 문제가 있다.

하지만 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 수정편(21)의 일면에 복수개의 진동부(21a)가 형성되기 때문에, 수정편(21)의 강성이 증가하게 된다.

수정편(21)의 강성이 증가하여 부진동을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 복수개의 진동부(21a)의 중심을 연결하면 폐곡선이 형성되기 때문에, 수정편(21)의 에너지 집중 효율을 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 다층의 진동부를 형성하는 방식이 추가적인 식각 공정이 필요하다는 것에 비해, 일 평면상에 복수개의 진동부(21a)를 형성하여 에너지 집중 효율을 높이는 것은 추가적인 식각 공정이 필요하지 않기 때문에 상대적으로 공정 비용을 절감할 수 있다.

수정편(21)의 상하 표면에는 여진 전극(22a, 22b)이 형성될 수 있다.

또한 수정편의 일측에는 여진 전극(22a, 22b)과 연결되는 접속 전극(22c, 22d)이 형성될 수 있다.

여진 전극(22a, 22b)은 수정편(21)의 전기 신호를 가하여 수정편(21)을 진동시키며, 이를 위해 수정편(21)의 양면에 동일한 형상으로 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 수정편(21)의 진동부(21a) 전체에 여진 전극(22a, 22b)이 형성된다. 그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 진동부(21a)보다 작은 크기로 형성하는 등 다양한 변형이 가능하다.

복수개의 진동부(21a)의 상부에 형성되는 여진 전극(22a, 22b)은 서로 인접하는 진동부(21a)에 형성된 여진 전극(22a, 22b)과 전기적으로 연결될 수 있다.

즉, 각 진동부(21a) 사이에도 전극을 일부 또는 전부 형성하여 여진 전극(22a, 22b)이 일 평면 상에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다.

접속 전극(22c, 22d)은 일측이 여진 전극(22a, 22b)과 연결되고 타측이 도전성 접착제(23)를 매개로 제1, 제2 전극패드(24a, 24b)와 전기적으로 연결된다.

각각의 접속 전극(22c, 22d)은 수정편(21)의 일측 양면에 형성될 수 있다. 이 경우, 수정편(21)은 양면이 모두 동일한 형상으로 형성될 수 있다.

이러한 여진 전극(22a, 22b)과 접속 전극(22c, 22d)은 크롬, 니켈, 금, 은 등의 재질을 스퍼터, 증착 등의 방법으로 형성한 금속 피막으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 수정편(21)은 일측이 베이스 기판(26a)과 지지부(26b)가 형성하는 내부 공간 내에 고정될 수 있다.

구체적으로, 수정편(21)은 베이스 기판(26a)에 형성된 제1, 2 전극패드(24a, 24b)와 수정편(21)의 상하 표면에 형성된 여진 전극(22a, 22b)이 각각 전기적으로 연결될 수 있도록 도전성 접착제(23)에 의해 접합될 수 있다.

여기서 여진 전극(22a, 22b)은 전술한 접속 전극(22c, 22d)을 매개로 하여 제1, 2 전극패드(24a, 24b)에 전기적으로 연결될 수 있다.

리드(lid, 27)는 수정편(21)이 실장되는 내부 공간을 밀봉하기 위해 지지부(26b) 상단에 안착되어 내부 공간을 마감하는 형태로 배치될 수 있으며, 도전성 접착제(미도시) 등을 통해 지지부(26b)에 고정 접합될 수 있다.

수정 진동자는 외부의 환경적 변화와 오염 등에 의해 동작 효율과 품질에 큰 영향을 받게 되므로, 패키지(100) 외부의 환경과 오염물질로부터 수정편(21)을 보호하기 위하여 패키지(100) 누설률(leak rate)이 매우 낮게 되도록 밀봉되어야 한다.

이를 위해, 패키지(100) 내부는 리드(27)에 의해 기밀 밀봉 된다. 더하여 패키지(100)의 내부 공간은, 진공 상태 또는 질소, 헬륨, 아르곤 등의 불활성 가스가 봉입될 수 있다.

도 3 및 도 4는 진동부의 다른 실시 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 각각의 진동부(21a)는 원형으로 형성될 수 있다.

원형으로 형성된 진동부(21a)는 인접하는 진동부(21a)의 중심을 연결하면 폐곡선이 형성될 수 있다.

수정편(21)의 일면에 하나의 진동부가 형성되는 경우, 부진동에 취약하다는 문제가 있다.

하지만 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 수정편(21)의 일면에 복수개의 진동부(21a)가 형성되기 때문에, 수정편(21)의 강성이 증가하게 된다.

수정편(21)의 강성이 증가하여 부진동을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 수정 진동자는 복수개의 진동부(21a)의 중심을 연결하면 폐곡선이 형성되기 때문에, 수정편(21)의 에너지 집중 효율을 증가시킬 수 있다.

이와 같이, 다층의 진동부를 형성하는 방식이 추가적인 식각 공정이 필요하다는 것에 비해, 일 평면상에 복수개의 진동부(21a)를 형성하여 에너지 집중 효율을 높이는 것은 추가적인 식각 공정이 필요하지 않기 때문에 상대적으로 공정 비용을 절감할 수 있다.

도 4를 참조하면, 진동부(21a)는 원형으로 형성되며, 진동부(21a)의 중심은 서로 일치하도록 형성될 수 있다.

즉, 진동부(21a)는 복수개의 동심원으로 형성될 수 있다.

진동부(21a)를 수정편(21)의 일 평면에 형성되는 동심원의 진동부(21a)로 형성함으로써, 에너지 집중 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 5는 진동부(21a)가 적어도 2단 이상으로 형성되는 수정 진동자의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이 진동부(21a)는 복수의 단으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 진동부(21a) 제1단(21a’)과 제2단(21a”)의 단차를 가지도록 형성될 수 있다.

본 개시의 다른 실시예에 따른 수정 진동자는 일 평면에 복수의 진동부(21a)가 형성되고, 동시에 각 진동부(21a)는 복수의 층으로 형성되기 때문에 수정편(21a)에 에너지 집중을 극대화할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

예를 들어, 전술한 실시예에서는 압전 디바이스로서 수정편과 이를 갖는 패키지를 예로 들어 설명하였지만. 본 발명이 이에 한정되는 것이 아니며, 수정 진동자를 발진시키는 발진 회로 소자를 패키지 내부에 설치한 수정발진기 등에도 적용할 수 있다.

100: 수정 진동자 패키지
21: 수정편
22a, 22b: 여진 전극
22c, 22d: 접속 전극
23: 도전성 접착제
24a, 24b: 제1, 2 전극패드
26a: 베이스 기판
26b: 지지부

Claims (5)

1. 수정편;
   상기 수정편의 가장자리에 배치되는 주변부;
   상기 수정편의 중심부에 서로 이격되어 배치되며 상기 주변부보다 두꺼운 두께로 형성되는 복수의 진동부; 및
   상기 복수의 진동부 사이에 배치되어 이들을 연결하며 상기 복수의 진동부보다 두께가 얇고 폭이 좁은 연결부;
   를 포함하는 수정 진동자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상부에서 보았을 때 상기 복수의 진동부는 사각형으로 형성된 수정 진동자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상부에서 보았을 때 상기 복수의 진동부는 원형으로 형성된 수정 진동자.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상부에서 보았을 때 상기 복수의 진동부와 상기 연결부는 폐루프를 형성하는 수정 진동자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 진동부는 적어도 2단으로 형성되는 수정 진동자.

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