KR20160107721A - 압전 진동자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 진동자에 관한 것으로, 서로 독립된 내부 영역을 갖는 제1 공간부와 제2 공간부를 포함하는 세라믹 패키지와, 상기 제1 공간부에 탑재되는 배터리 소자, 그리고 상기 제2 공간부에 탑재되는 압전 소자를 포함하는 압전 진동자를 제공한다.

Description

압전 진동자{PIEZOELECTRIC VIBRATOR}
본 발명은 압전 진동자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 압전 소자 및 배터리 소자가 실장된 압전 진동자에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터(PC), 서버(Server), 임베디드 시스템(Embedded system) 등과 같이 디지털 회로 설계를 요하는 전자 기기들은, 회로 설계 시 다양한 클럭 신호들 또는 다른 신호들의 사이클들을 카운팅함으로써 이벤트들 사이의 시간을 측정하기 위한 카운터 회로를 포함한다.
예컨대, 전력 소모량 절감을 위해 대기 모드 또는 휴지(Idle) 모드인 동안에도 전자 기기를 정확하고 올바른 기간에 동작시키기 위해서는 정확한 시스템 타이밍을 유지하는 것이 매우 중요하다. 이외에도, GPS와 같이 실시간으로 정확한 시간 정보를 필요로 하거나 메인 시스템의 클럭 주파수와의 분리를 구현하기 위해서, 전자 기기들은 내부에 리얼 타임 클럭(Real Time Clock:RTC) 블록을 내장하고 있으며, 상기 RTC 블록은 외부의 수정 발진기로부터 공급되는 클럭 신호를 카운팅하여 외부로 제공하는 기능을 수행한다.
이러한 기능을 만족하려면, 상기 RTC 블록은 반드시 타이밍 디바이스(Timing Device)와 파워 소스(Power source)를 필요로 한다. 이때, 타이밍 디바이스로서는, 일반적으로 바이너리 카운터 회로(Binary Counter Circuit)를 사용하기 위한 32.768KHz의 클럭 주파수를 사용하는 수정 발진기를 사용하며, 파워 소스로는 슈퍼 커패시터(Super capacitor) 등의 배터리를 사용한다.
이와 같이, RTC 블록은 타이밍 디바이스와 파워 소스가 필수적이며, 회로적으로 RTC 블록을 제어하는 IC에 연결되어야 하므로, 타이밍 디바이스와 파워 소스는 메인 기판(PCB) 상에 매우 근접하게 배치해야 한다.
그러나, 종래의 압전 진동자 소자를 보면, 세라믹계 재료를 이용하여 단층의 평판 형상으로 구성된 패키지 기체(substrate)에 압전 소자가 실장되고, 패키지 기체의 저면에 설치된 외부 전극이 패키지 기체를 관통하는 도전 선로를 통해 압전 소자와 접속되어 있는 구조로서 알려져 있다.
즉, 타이밍 디바이스인 압전 소자와, 파워 소스인 배터리 소자는 RTC 블록 내부에 함께 적용되는 부품임에 불구하고, PCB 상에 분리하여 따로 설계하는 구조를 취하고 있다. 그 결과, 신호 라인(Signal line)의 길이 증가로 인해 주파수 특성이 저하되고 회로 설계가 복잡해지는 문제가 있으며, 이로 인해 제조 비용이 상승하고 공간적인 측면에서 PCB의 사이즈가 커지는 등의 문제가 발생한다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제 2009-278211호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 압전 소자와 배터리 소자를 하나의 패키지에 함께 탑재시킴으로써 회로 설계 자유도를 높이고, PCB 상의 공간 절약을 도모할 수 있는 압전 진동자를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 제1 실시예로서, 서로 독립된 내부 영역을 갖는 제1 공간부와 제2 공간부를 포함하는 세라믹 패키지와, 상기 제1 공간부에 탑재되는 배터리 소자, 그리고 상기 제2 공간부에 탑재되는 압전 소자를 포함하는 압전 진동자를 제공한다.
여기서, 상기 세라믹 패키지는, 상부 영역의 상기 제1 공간부와, 상기 제1 공간부보다 체적이 작은 하부 영역의 상기 제2 공간부로 구성되는 계단형의 공간부를 갖고, 상기 제1 공간부와 제2 공간부를 분리하는 커버부를 포함할 수 있으며, 상기 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 상부를 덮는 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전소자는, 상기 공간부의 바닥면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되고, 상기 배터리 소자는 상기 공간부의 단차면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 제2 실시예로서, 제1 공간부와 제2 공간부를 분할하는 분리층을 포함하는 세라믹 패키지와, 상기 분리층의 상면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되는 배터리 소자, 그리고 상기 분리층의 하면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되는 압전 소자를 포함하는 압전 진동자를 제공한다.
여기서, 압전 진동자는, 상기 제1 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 상부를 덮는 상부 리드와, 상기 제2 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 하부를 덮는 하부 리드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 배터리 소자를 압전 소자와 별도로 PCB 상에 배치할 필요가 없으므로 회로 설계의 자유도를 높일 수 있으며, 배터리부 회로 설계에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 배터리 소자의 크기에 상당하는 공간을 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 진동자의 단면도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동자의 단면도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
부가적으로, 도면의 구성요소는 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니고, 예컨대, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도면의 일부 구성요소의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수 있다. 한편, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도시의 간략화 및 명료화를 위해, 도면은 일반적 구성 방식을 도시하고, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 진동자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 진동자(100)는, 세라믹 패키지(110)와, 상기 세라믹 패키지(110)의 내부 공간에 탑재되는 배터리 소자(120) 및 압전 소자(130)를 포함한다.
상기 세라믹 패키지(110)는 Al2O3, 2MgO, SiO2, ZrO2, AIN 등의 세라믹 물질을 사용하여 형성되는 대략 직육면체 형상의 세라믹 소체로서, 상부를 향해 개방된 공간부(S)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(S)는 세라믹 패키지(110)의 상부를 덮도록 구비되는 리드(111)에 의해 밀폐된다.
상기 리드(111)는 세라믹이나 코바(Kovar), 또는 SUS 계열 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 코바는 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co)의 합금으로 된 물질이며, SUS 계열은 종류에 제한이 없음을 밝혀둔다. 이처럼, 세라믹 패키지(110)의 덮개로서 기능하는 상기 리드(111)는, 압전 소자(130)와 배터리 소자(120)를 외부 충격이나 오염 물질로부터 보호한다.
상기 리드(111)와 세라믹 패키지(110) 사이에는 접착제(112)가 개재될 수 있다. 상기 접착제(112)는 리드(111)와 세라믹 패키지(110)를 접합시키는 수단으로서 기능하며, 세라믹 패키지(110)와의 기밀성을 높이기 위해 얇게 도포되는 형태로 형성될 수 있다. 이러한 상기 접착제(112)는 리드(111)와 유사한 금속 재질 예컨대, Fe-Ni합금 또는 Fe-Ni-Co 성분이 포함된 코바를 사용하여 형성할 수 있다.
상기 세라믹 패키지(110)의 공간부(S)는 상부 영역과, 상부 영역보다 체적이 작은 하부 영역으로 구성된다. 여기서, 상기 상부 영역과 하부 영역은 세로 방향으로의 중심축이 서로 일치하고, 하부 영역은 상부 영역보다 양 옆으로 폭이 더 좁게 형성된다. 이에 따라, 상기 공간부(S)는 계단형으로 형성된다. 그리고, 상기 상부 영역과 하부 영역은 커버부(113)에 의해 분리되어 독립된 공간을 갖는다.
이러한 구조의 세라믹 패키지(110)에서, 상기 배터리 소자(120)는 공간부(S)의 상부 영역이 되는 제1 공간부(110a)에 탑재되고, 상기 압전 소자(130)는 공간부(S)의 하부 영역이 되는 제2 공간부(110b)에 탑재된다. 물론, 제1 공간부(110a)에 압전 소자(13)가 탑재되고, 제2 공간부(110b)에 배터리 소자(120)가 탑재될 수도 있다.
여기서, 상기 배터리 소자(120)는 IC칩의 예비(back-up) 전력원이 되는 것으로, 예를 들어, 리튬이온 배터리나 EDLC(Electric Double Layer Capacitor) 등과 같은 슈퍼 커패시터로 구성될 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외부 IC칩에 대해 파워 소스로서 동작하는 것이면 어떠한 형태의 배터리라도 사용 가능하다.
상기 압전 소자(130)는 SiO2로 구성되는 석영(Quartz)을 소정 각도로 절단한 AT컷형이고, 대략 직사각형의 평면 형상을 갖도록 형성된다. 일반적으로, 상기 압전 소자(130)는 전원 공급원이 되는 배터리 소자(120)보다 그 크기가 작으므로 체적이 작은 제2 공간부(110b)에 실장되고, 제1 공간부(110a)에는 배터리 소자(120)가 실장되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 공간부(S)의 바닥면에는 접속패드(114)가 구비되고, 상기 접속패드(114)는 비아 등의 연결 수단을 통해 세라믹 패키지(110)의 저면에 형성된 외부단자(도면 미도시)와 전기적으로 연결되어 IC칩과 신호 전달이 이루어진다.
상기 압전 소자(130)는 도전성 솔더(115)를 통하여 일측이 상기 접속패드(114) 상에 접착되어 고정된다. 이는 압전 소자(130)의 일측만을 고정하고 타측은 자유로이 진동할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 상기 접속패드(114)는 압전 소자(130)를 지지하는 역할을 하는 동시에, 외부로부터 가해지는 충격을 흡수하여 압전 소자(130)를 보호하는 역할도 한다.
여기서, 상기 도전성 솔더(115)의 구성 재질로는, 접합력을 발휘하는 에폭시계 또는 폴리아미드계의 수지에 은 등의 도전성의 입자가 함유된 것을 사용할 수 있다. 이에 따라, 상기 도전성 솔더(115)는 전기적 도통이 가능하며, 비교적 단단한 성질을 가지고 있어 압전 소자(130)를 견고하게 고정시킬 수 있다.
상기 접속패드(114)는 도전성 금속 물질 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속을 사용하여 증착이나 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 이때, 압전 소자(130)의 진동 영역이 확보될 수 있을 정도의 두께로 형성될 수 있다.
구체적으로 도시되어 있지 않으나, 상기 압전 소자(130)의 상면 및 하면에는 여진전극이 형성되어 있으며, 상기 여진전극의 단부는 상기 접속패드(114)와 전기적으로 결합된다. 이러한 구조를 통해 상기 압전 소자(130)는, 세라믹 패키지(110) 저면의 외부단자와 접속패드(114) 그리고 여진전극을 경유하여 외부로부터 인가되는 구동 전압에 의해 여진되어 소정의 주파수로 발진하게 된다.
상기 배터리 소자(120) 역시 압전 소자(130)와 같은 구조에 의해 외부와 연결된다. 즉, 공간부(S)의 단차면에 형성된 접속패드(114) 상에 배터리 소자(120)의 양 단부가 결합되고, 상기 접속패드(114)는 비아 등을 통해 세라믹 패키지(110)의 저면에 형성된 외부단자(도면 미도시)와 연결됨으로써 외부 IC칩에 전원을 공급한다.
여기서, 상기 단차면은, 공간부(S) 내에서 공간부(S)의 바닥면과 단차진 제1 공간부(110a)의 저면 즉, 제2 공간부(110b)의 내측벽과 제1 공간부(110a)의 내측벽 사이의 단차 영역(A)을 의미한다. 따라서, 배터리 소자(120)와 외부와의 전기적 연결은 단차 영역(A)을 관통하는 비아 등의 연결 수단을 통해 이루어지며, 이때, 배터리 소자(120) 역시 도전성 솔더(115)에 의해 접속패드(114) 상에 고정된다.
이와 같이, 본 발명의 압전 진동자(100)는, 패키지 내에 배터리 소자(120)와 압전 소자(130)가 함께 탑재됨에 따라 배터리부 실장을 위한 회로를 따로 설계할 필요가 없으며, 그 결과, 실장 공간의 효율을 극대화할 수 있고 배터리부 설계에 따른 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 압전 소자(130)와 배터리 소자(120)는 각각 독립된 내부 영역에 실장됨으로써 연결 패턴 거리가 최소화되고, 그 결과, 패턴에서 발생하는 기생성분인 기생저항과 기생인덕턴스를 줄여주어서 회로 내 노이즈를 절감하는 효과가 있다.
이제, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동자에 대해 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동자의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 진동자(200)는, 세라믹 패키지(210) 내에 배터리 소자(220)와 압전 소자(230)가 탑재되는 기본 구조는 전술한 실시예와 유사하다. 다만, 여기서 상기 세라믹 패키지(210)는, 세라믹 패키지(210) 내의 내부 공간을 서로 독립된 영역의 제1 공간부(210a)와 제2 공간부(210b)로 분할하는 분리층(211)을 포함한다.
즉, 본 실시예에서 상기 세라믹 패키지(210)는, 세라믹 패키지(210)의 측벽부를 구성하며 상,하부가 개방된 내부 공간을 형성하는 바디(212)와, 상기 바디(212)의 내벽과 직교하도록 설치된 분리층(211)으로 구성된다. 상기 바디(212)와 분리층(211)은 일체로 이루어지는 하나의 구조물이 되며, 이에 따라, 상기 세라믹 패키지(210)는 도 2에 도시된대로 'H'형의 단면 형상을 갖는다.
여기서, 상기 분리층(211) 위쪽의 내부 공간은 배터리 소자(220)가 탑재되는 제1 공간부(210a)가 되고, 상기 제1 공간부(210a)를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지(210)의 상부를 덮는 상부 리드(213)가 구비될 수 있다.
그리고, 분리층(211) 아래 쪽의 내부 공간은 상기 제1 공간부(210a)와 동일한 폭을 갖는 제2 공간부(210b)가 되며, 여기에 압전 소자(230)가 탑재된다. 또한, 상기 제2 공간부(210b)를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지(210)의 하부를 덮는 하부 리드(214)가 구비될 수 있다.
상기 상부 리드(213)와 하부 리드(214)는 얇은 두께로 도포되는 접착제(215)에 의해 세라믹 패키지(210)와 접합되어 있다.
상기 압전 소자(230) 및 배터리 소자(220)의 실장 모습을 좀더 자세히 살펴보면, 상기 분리층(211)의 상면과 하면에는, 비아 등의 연결 수단을 통해 세라믹 패키지(210)의 저면에 구비된 외부단자(도면 미도시)와 전기적으로 접속하는 접속패드(216)가 형성되어 있으며, 상기 압전 소자(230)는 도전성 솔더(217)에 의해 일측이 고정된 상태로 분리층(211)의 하면에 형성된 접속패드(216) 상에 실장된다. 그리고, 상기 배터리 소자(220) 역시 이와 같은 구조로서 분리층(211)의 상면에 형성된 접속패드(216) 상에 도전성 솔더(217)를 매개로 양측이 고정된다.
즉, 본 실시예에서 상기 압전 소자(230) 및 배터리 소자(220)는 분리층(211)을 사이에 두고 대향 배치되며, 이에 따라 패키지 구조를 좀더 간소화시킬 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100.200: 본 발명에 따른 압전 진동자
110,210: 세라믹 패키지
110a, 210a: 제1 공간부
110b, 210b: 제2 공간부
111: 리드
112,215: 접착제
113: 커버부
114,216: 접속패드
115,217: 도전성 솔더
211: 분리층
212: 바디
213: 상부 리드
214: 하부 리드

Claims (7)

  1. 서로 독립된 내부 영역을 갖는 제1 공간부와 제2 공간부를 포함하는 세라믹 패키지;
    상기 제1 공간부에 탑재되는 배터리 소자; 및
    상기 제2 공간부에 탑재되는 압전 소자;를 포함하는, 압전 진동자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 세라믹 패키지는, 상부 영역의 상기 제1 공간부와, 상기 제1 공간부보다 체적이 작은 하부 영역의 상기 제2 공간부로 구성되는 계단형의 공간부를 갖고, 상기 제1 공간부와 제2 공간부를 분리하는 커버부를 포함하는, 압전 진동자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 상부를 덮는 리드를 더 포함하는, 압전 진동자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 공간부의 바닥면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되고, 상기 배터리 소자는 상기 공간부의 단차면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되는, 압전 진동자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 세라믹 패키지는 상기 제1 공간부와 제2 공간부를 분할하는 분리층을 포함하고, 상기 배터리 소자는 상기 분리층의 상면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되고, 상기 압전 소자는 상기 분리층의 하면에 형성된 접속패드 상에 고정되어 실장되는, 압전 진동자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 상부를 덮는 상부 리드와, 상기 제2 공간부를 밀폐하도록 상기 세라믹 패키지의 하부를 덮는 하부 리드를 더 포함하는, 압전 진동자.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 공간부와 제2 공간부의 폭은 동일한, 압전 진동자.
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