JP4284143B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる圧電発振器に関するものである。

従来より、携帯用通信機器等の電子機器に温度補償型水晶発振器等の圧電発振器が幅広く用いられている。

かかる従来の圧電発振器としては、例えば図３に示す如く、上面に凹部２５を有し、下面に複数個の外部端子２２が設けられている配線基板２１の前記凹部２５内に、圧電振動素子としての水晶振動素子２４と該水晶振動素子２４の発振出力を制御するＩＣ素子２６とを収容し、前記凹部２５の開口部を金属製の蓋体２７で従来周知のシーム溶接（抵抗溶接）等によって気密封止した構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

尚、前記配線基板２１の凹部２５は、その内周に階段状の段差が設けられており、下段に前記ＩＣ素子２６を、上段に水晶振動素子２４を搭載して両素子を凹部２５内で一部重なり合うように配置させることによって、両素子を凹部２５内で並設させる場合に比し、圧電発振器を小型に構成するようにしている。

また、このような従来の圧電発振器においては、その組み立てを終えた後、水晶振動素子２４の検査と、ＩＣ素子２６の検査と、水晶発振器全体の動作確認とが行なわれるようになっており、各検査における判定結果に基いて良品・不良品の選別がなされていた。
特開２００３−１０１３４８号公報（図１、図３、図５）

ところで、上述した水晶振動素子２４の検査に際して水晶振動素子２４に不具合が発見された場合、水晶振動素子２４を取り外して別の水晶振動素子２４と交換するには極めて煩雑な作業を伴ない、かかる交換作業によって生産効率が大幅に低下してしまうことから、通常、水晶振動素子２４を良品と交換することは行なわずに、水晶振動素子２４が搭載されている配線基板２１をそのまま廃棄するようにしている。

しかしながら、上述した従来の圧電発振器においては、水晶振動素子２４の下方にＩＣ素子２６が配置されているため、水晶振動素子２４の検査において水晶振動素子２４に不具合が発見された場合に水晶振動素子２４が搭載されている配線基板２１をそのまま廃棄すると、水晶振動素子２４の下方に配置されている正常なＩＣ素子２６まで廃棄されて、部品の無駄を生じることとなり、その分、製造コストの上昇を招く欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、圧電振動素子とＩＣ素子とを配線基板上に搭載した後、各素子の検査に際して不具合が発見された場合であっても、正常な素子を無駄にすることなく製品の組み立てに有効に利用することができる生産性に優れた圧電発振器を提供することにある。

本発明の圧電発振器は、上面に開口する凹部と該凹部の開口部を囲む支持部を有する第１の配線基板上に、第２の配線基板を載置させるとともに、前記第１の配線基板の凹部内面と前記第２の配線基板の下面とで囲まれる収納領域内に圧電振動素子と発振制御用のＩＣ素子とを配置させてなる圧電発振器において、前記圧電振動素子及びＩＣ素子のうちいずれか一方の素子を前記凹部の底面に、他方の素子を前記第２の配線基板の下面に搭載するとともに、両素子に接続される第１の配線基板の配線導体と第２の配線基板の配線導体とを導電性接続材による接続部で電気的に接続し、前記支持部と前記第２の配線基板の下面とを、前記凹部の開口部に沿って前記接続部よりも内側位置に配され、導体材料から成り、且つ、前記第１の配線基板及び／又は第２の配線基板の配線導体を介して外部接続用のグランド端子に接続される封止材で接合することにより前記収納領域を気密封止せしめたことを特徴とするものである。

更に本発明の圧電発振器は、前記ＩＣ素子が、基材を単結晶シリコンにより形成したフリップチップ型ＩＣから成り、該ＩＣ素子の実装面と反対側の主面にグランド導体層が被着されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電発振器は、前記第１の配線基板の下面、第２の配線基板の上面のうちいずれか一方の面に外部接続用の複数個の端子が並設され、他方の面にシールド導体層が被着されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、凹部を有した第１の配線基板の上面に第２の配線基板を載置させて、凹部内面と第２の配線基板の下面とで囲まれる収納領域に圧電振動素子及び発振制御用のＩＣ素子を配置させるとともに、圧電振動素子及びＩＣ素子のうちいずれか一方の素子を第１の配線基板の凹部底面に、他方の素子を第２の配線基板の下面に分けて搭載するようにしたことから、圧電振動素子及びＩＣ素子の検査をそれぞれ別個に行ない、検査に合格したもののみを用いて圧電発振器を組み立てることができ、また仮に圧電発振器を組み立てた後に不具合が発見された場合であっても、第２の配線基板を第１の配線基板より取り外す作業は比較的簡単であることから、全体の生産効率を大きく低下させることなく正常な素子が搭載されている配線基板に付け替えることができる。したがって、不具合のない正常な素子が無駄に廃棄されることはなく、圧電発振器の製造コストを低く抑えることが可能となる。

しかも本発明の圧電発振器によれば、第１の配線基板と第２の配線基板との間に設けられる圧電振動素子やＩＣ素子の収容領域が環状の封止材でもって気密封止されており、かかる封止材を第１の配線基板と第２の配線基板とを電気的に接続する接続部よりも内側に配置させるようになっていることから、これらの接続部を第１の配線基板と第２の配線基板との間より外部に露出させておくことができる。したがって、圧電発振器を組み立てた後であっても、検査用のプローブ針等を接続部や接続パッド等に接触させることで、圧電発振器を分解することなく、各素子の検査等を極めて簡単に行なうことができる。

更に本発明の圧電発振器によれば、前記封止材を導体材料により形成し、且つ該封止材を第１の配線基板及び／又は第２の配線基板の配線導体を介して外部接続用のグランド端子に接続させておくことにより、圧電発振器の使用時、圧電振動素子やＩＣ素子の収納領域はグランド電位に保持された封止材で取り囲まれた形となることから、外部からのノイズが収納領域に侵入しようとするのを前記封止材でもって良好に遮蔽し、収納領域内に配設されている圧電振動素子やＩＣ素子を常に安定して動作させることができるようになる。

また更に本発明の圧電発振器によれば、前記ＩＣ素子を単結晶シリコンから成るフリップチップ型ＩＣで構成するとともに、該ＩＣ素子の実装面と反対側の主面にグランド導体層を被着させておくことにより、ＩＣ素子の電子回路と圧電振動素子とがグランド導体層で仕切られる形となるため、ＩＣ素子の発するノイズの一部はグランド導体層で良好に吸収されるようになり、ＩＣ素子の発するノイズによって圧電振動素子の電気的特性が不安定になるのを有効に防止することができる。

更にまた本発明の圧電発振器によれば、前記第１の配線基板の下面、第２の配線基板の上面のうちいずれか一方の面に外部接続用の複数個の外部端子を並設し、他方の面にシールド導体層を被着させておくことにより、外部からのノイズが圧電振動素子やＩＣ素子の収納領域に侵入しようとするのを前記シールド導体層でもって良好に遮蔽し、これによっても収納領域内に配設されている圧電振動素子やＩＣ素子を常に安定して動作させることができるようになる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る圧電発振器を表面実装型水晶発振器に適用した例を示す分解斜視図、図２は図１の水晶発振器の断面図であり、これらの図に示す水晶発振器は、大略的に、第１の配線基板１と、第２の配線基板４と、圧電振動素子としての水晶振動素子７と、発振制御用のＩＣ素子８とで構成されている。

前記第１の配線基板１は、例えば、ガラス−セラミック、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成る複数個のセラミック層を積層してなり、その表面や隣接するセラミック層間には所定の配線導体２が形成され、また内部には配線導体同士を電気的に接続するためのビアホール導体等が埋設され、更に下面には略全面にわたりシールド導体層６が被着・形成されている。

このような第１の配線基板１の上面には、凹部３と、該凹部３の開口部を囲繞する環状の支持部１ａとが設けられており、前記凹部３の内部に水晶振動素子７及びＩＣ素子８を収容するようになっている。このため、前記凹部３の底面には、水晶振動素子７の対応する振動電極７ａに導電性接続材９を介して電気的に接続される一対の搭載パッド２ａが設けられている。

また、前記支持部１ａは、後述する第２の配線基板４を支持するための支持面として機能するものであり、該支持部１ａの外周側には、第２の配線基板４の対応する接続パッド５ｂと半田等の導電性接続材を介して電気的に接続される複数個の接続パッド２ｂが設けられている。

かかる第１の配線基板１は、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る場合、例えば、セラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に配線導体２となる導体ペースト等を所定パターンに印刷・塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。また前記凹部３は、第１の配線基板１の製作に使用されるセラミックグリーンシートのうち上部領域に配されるセラミックグリーンシートの中央部等に矩形状の貫通孔を穿設しておくことにより形成される。

そして、上述した第１の配線基板１の凹部底面に搭載されている水晶振動素子７は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の振動電極７ａを被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極７ａを介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。

前記水晶振動素子７は、一対の振動電極７ａを導電性接着材９を介して凹部底面の対応する搭載パッド２ａに電気的に接続させることによって第１の配線基板１の凹部底面に搭載され、第１の配線基板１の配線導体２や後述する第２の配線基板４の配線導体５を介してＩＣ素子８の対応する接続端子に電気的に接続される。

このような第１の配線基板１は、その下面にシールド導体層６を有していることから、このシールド導体層６を第１の配線基板１の配線導体２や後述する第２の配線基板４の配線導体５を介して外部接続用のグランド端子１０ａに接続させておくことにより、水晶発振器の使用に際してシールド導体層６がグランド電位に保持されるようになる。これにより、外部からのノイズが水晶振動素子７やＩＣ素子８の収納領域に侵入しようとするのをシールド導体層６でもって良好に遮蔽するとともに、収納領域内に配設される水晶振動素子７やＩＣ素子８を外部からの不要な電気的作用より良好に保護し、これらの素子７，８を常に安定して動作させることができる。したがって、第１の配線基板１の下面にはシールド導体層６を被着させておくことが好ましい。

一方、前記第２の配線基板４は、先に述べた第１の配線基板１と同様のセラミック材料、例えばアルミナセラミックス等から成る単一のセラミック層、もしくは、複数個のセラミック層を積層してなり、その上面には電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子等の外部端子１０が、下面には上述した第１の配線基板１の接続パッド２ｂと対向する位置に接続パッド５ｂが、凹部３と対向する位置にＩＣ素子搭載用の搭載パッド５ａが設けられている。

前記第２の配線基板４は、その下面でＩＣ素子８を、上面で複数個の外部端子１０を支持するとともに、凹部３の開口部を塞ぐためのものであり、このような第２の配線基板４の下面と凹部３の内面とで囲まれる収納領域内に水晶振動素子７とＩＣ素子８とが配設されている。

そして、上述した第２の配線基板４の下面に搭載されるＩＣ素子８としては、例えば、実装面に複数個の接続端子を有したフリップチップ型のＩＣ素子が用いられ、該ＩＣ素子８は、その回路形成面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子７の温度特性を補償する温度補償データを格納し該温度補償データに基づいて水晶振動素子７の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等が設けられており、該発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。

また前記ＩＣ素子８の上面に設けられる複数個の接続端子は、第２の配線基板４の下面に設けた搭載パッド５ａと１対１に対応するように配置されており、これらの接続端子を対応する搭載パッド５ａに対して、Ａｕ、Ａｕ−Ｓｎ合金、半田、導電性接着剤等の導電性接続材を介して個々に接合させることによってＩＣ素子７が第２の配線基板４に取着され、これと同時にＩＣ素子８の接続端子が外部端子１０に電気的に接続される。

このような第２の配線基板４は、先に述べた第１の配線基板１と同様の方法によって製作され、これを第１の配線基板１上に取着させるには、まず第２の配線基板４を、その下面に取着させたＩＣ素子８が第１の配線基板１の凹部３内に位置し、かつ両配線基板１，４の対応する接続パッド同士が導電性接続材を介して対向するようにして第１の配線基板１上に載置させ、しかる後、前記導電性接続材に熱等を印加して、これを双方の接続パッドに接合させることにより行なわれ、これによって水晶振動素子７の振動電極が配線基板１，４の配線導体２，５等を介してＩＣ素子８の接続端子等に電気的に接続される。

尚、本実施形態においては、第２の配線基板４の上面が、水晶発振器をマザーボード等の外部配線基板上に実装する際の実装面として機能するようになしてあり、外部端子１０を半田等の導電性接続材を介して外部配線基板の対応する回路配線と電気的に接続させることによって水晶発振器が外部配線基板上に実装されることとなる。

このように、本実施形態においては、水晶振動素子７を第１の配線基板１の凹部底面に、ＩＣ素子８を第２の配線基板４の下面にそれぞれ搭載するようにしたことから、水晶振動素子７及びＩＣ素子８の検査をそれぞれ別個に行ない、検査に合格したもののみを用いて水晶発振器を組み立てることができるようになる。

また、仮に水晶発振器を組み立てた後に水晶振動素子７もしくはＩＣ素子８に不具合が発見された場合であっても、第２の配線基板４を第１の配線基板１より取り外す作業は、水晶振動素子７やＩＣ素子８を配線基板より取り外す場合に比べて簡単であることから、全体の生産効率を大きく低下させることなく正常な素子が搭載されている配線基板に付け替えることができる。したがって、不具合のない正常な水晶振動素子７やＩＣ素子８が無駄に廃棄されることはなく、水晶発振器の製造コストの低く抑えることが可能となる。

更に本実施形態においては前記ＩＣ素子８がフリップチップ型ＩＣによって構成されており、その実装面と反対側の主面にはグランド導体層８ａが被着されている。このため、ＩＣ素子８の電子回路と水晶振動素子７とがグランド導体層８ａで仕切られる形となっており、これによってＩＣ素子８の発するノイズの一部をグランド導体層８ａによって良好に吸収し、ＩＣ素子８の発するノイズによって水晶振動素子７の電気的特性が不安定になるのを有効に防止することができる。したがって、水晶振動素子７の電気的特性を安定化するには、ＩＣ素子８をフリップチップ型ＩＣによって構成するとともに、該ＩＣ素子８の実装面と反対側の主面にグランド導体層８ａを被着させておくことが好ましい。

尚、前記ＩＣ素子８の温度補償回路に温度補償データを書き込むための書込制御端子（図示せず）は、例えば、第１の配線基板１の側面、第２の配線基板４の上面等に設けられ、これらの書込制御端子にデータ書込装置のプローブ針を当て、ＩＣ素子８の温度補償回路内に設けられているメモリに水晶振動素子７の温度特性に応じた温度補償データを書き込むことによって温度補償回路内に温度補償データが格納される。このような書込制御端子は、その製造時、配線基板１，４等と一体的に設けられる外部の捨代部に配置させておき、温度補償データの書き込みが終了した後でこの捨代部を書込制御端子と共に配線基板１，４等から切り離すようにすれば水晶発振器の小型化に供することができる利点もある。

そして、上述した第１の配線基板１と第２の配線基板４との間、より具体的には、第１の配線基板１の支持部１ａと第２の配線基板４の下面との間には、両配線基板１，４の接続部よりも内側に、凹部３の開口部に沿って環状に配された封止材１１が介在されており、該封止材１１でもって凹部内面と第２の配線基板４の下面とで囲まれている両素子７，８の収納領域を気密封止するようにしている。

前記封止材１１の材質としては、Ａｕ−Ｓｎ合金や半田等の接合材料が好適に使用され、かかる接合材料を用いて両配線基板１，４を接合する場合、第１の配線基板１の支持部１ａ、第２の配線基板４の下面の双方の面には、封止材１１を各配線基板１，４に対して強固に接合させるべく環状のメタライズ層（図示せず）がそれぞれ設けられ、かかる封止材１１で気密封止された収納領域内には、水晶振動素子７等の電気的特性を安定させるために、Ｎ_２ガスやＡｒガス等の不活性ガスが充填される。

このように、第１の配線基板１と第２の配線基板４との間に設けられる両素子７，８の収容領域を環状の封止材１１でもって気密封止するとともに、該封止材１１を第１の配線基板１と第２の配線基板４とを電気的に接続する接続部よりも内側に配置させるようにしたことから、これらの接続部を第１の配線基板１と第２の配線基板４との間より外部に露出させておくことができる。したがって、水晶発振器を組み立てた後であっても、検査用のプローブ針等を接続部や接続パッド等に接触させることで、水晶発振器を分解することなく、各素子７，８の検査等を極めて簡単に行なうことができる。

このとき、配線基板１，４に設けられる接続パッド２ｂ，５ｂの一端を第１の配線基板１の側面や第２の配線基板４の側面まで導出させておけば、検査用のプローブ針等を接続部に対して接触させることが容易になり、検査の作業性を向上させることができる。したがって、配線基板１，４に設けられる接続パッド２ｂ，５ｂの一端を第１の配線基板１の側面や第２の配線基板４の側面まで導出させておくことが好ましい。

また、前記封止材１１がＡｕ−Ｓｎ合金や半田等の導体材料から成る場合、封止材１１を第２の配線基板４等の配線導体５を介して外部接続用のグランド端子１０ａに接続させておくことにより、水晶発振器の使用時、水晶振動素子７やＩＣ素子８の収納領域はグランド電位ＧＮＤに保持された封止材１１で取り囲まれた形となる。それ故、外部からのノイズが第１の配線基板１と第２の配線基板４との間に設けられている前記収納領域内に侵入しようとするのを封止材１１でもって良好に遮蔽するとともに、収納領域内に配設されている水晶振動素子７やＩＣ素子８を外部からの不要な電気的作用より良好に保護し、これらの素子７，８を常に安定的に動作させることができる。したがって、前記封止材１１を導体材料により形成するとともに、該封止材１１を第１の配線基板１や第２の配線基板４等の配線導体２，５等を介して外部接続用のグランド端子１０ａに接続させておくことが好ましい。

尚、前記封止材１１は、第２の配線基板４を第１の配線基板１上に取り付ける際に、例えば、第１の配線基板１の支持部１ａ上、もしくは、第２の配線基板４の下面のいずれか一方にＡｕ−Ｓｎ合金等を所定の環状パターンをなすように被着させておき、しかる後、前記環状パターンを高温で加熱・溶融させて他方の配線基板のメタライズ層に接合させることにより第１の配線基板１及び第２の配線基板４間に介在される。また、接続パッド２ａ，５ａ間の接続と同時に封止材１１を両配線基板１，４に対して接合させる場合は、封止材１１と導電性接続材の双方をＡｕ−Ｓｎ合金で形成しておくことが好ましい。

更に、第１の配線基板１の支持部表面や第２は配線基板４の下面で、封止材１１の介在領域と接続部との間に、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機質材料から成る流動防止膜や溝，凸部等を、封止材１１を囲繞するように形成しておけば、封止材１１をＡｕ−Ｓｎ合金や半田等の導体材料で形成した場合に、接合に際して溶融した封止材１１が接続部側に流れて短絡しようとするのを有効に防止することができる利点がある。したがって、第１の配線基板１の支持部表面や第２は配線基板４の下面で、封止材１１の介在領域と接続部との間に、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機質材料から成る流動防止膜や溝，凸部等を、封止材１１を囲繞するように形成しておくことが好ましい。

かくして上述した水晶発振器は、水晶振動素子７に外部から所定の電圧を印加し、水晶振動素子７を所定の共振周波数で振動させるとともに、該水晶振動素子７の共振周波数に対応した所定の発振信号を前記ＩＣ素子８にて発生・増幅せしめ、得られた信号を外部端子１０を介して外部へ出力することによって水晶発振器として機能する。本実施形態の水晶発振器においては、ＩＣ素子８の内部に温度補償回路等が設けられているため、その使用時、外部へ出力される発振信号の周波数は水晶振動素子７の温度状態に応じて補正されることとなる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、圧電振動素子として水晶振動素子を用いた表面実装型の水晶発振器を例にとって説明したが、これに代えて、圧電振動素子としてＳＡＷフィルタ等の他の圧電振動素子を用いる場合にも本発明は適用可能である。

また上述した実施形態においては、第１の配線基板１の凹部３内に水晶振動素子７を搭載し、第２の配線基板４の下面にＩＣ素子８を搭載するようにしたが、これに代えて、第１の配線基板１の凹部３内にＩＣ素子８を搭載し、第２の配線基板４の下面に水晶振動素子等の圧電振動素子を搭載するようにしても構わない。

更に上述した実施形態においては、第２の配線基板４の上面に外部端子１０を設けるようにしたが、これに代えて、第１の配線基板１の下面に外部端子１０を設けるようにしても良い。その場合、シールド導体層６の形成には第２の配線基板４の上面が用いられる。

また更に上述した実施形態においては、ＩＣ素子８としてフリップチップ型ＩＣを用いるようにしたが、それ以外のＩＣ素子、例えば従来周知のワイヤボンディング等によって配線基板の搭載パッドにボンディングされるタイプのＩＣ素子を用いて圧電発振器を構成するようにしても構わない。

本発明に一実施形態に係る圧電発振器を水晶発振器に適用した例を示す分解斜視図である。 図１の水晶発振器の断面図である。 従来の圧電発振器の断面図である。

符号の説明

１・・・第１の配線基板
１ａ・・・支持部
２・・・第１の配線基板の配線導体
２ａ・・・圧電振動素子用の搭載パッド
２ｂ・・・第１の配線基板の接続パッド
３・・・凹部
４・・・第２の配線基板
５・・・第２の配線基板の配線導体
５ａ・・・ＩＣ素子用の搭載パッド
５ｂ・・・第２の配線基板の接続パッド
６・・・シールド導体層
７・・・圧電振動素子（水晶振動素子）
８・・・ＩＣ素子
８ａ・・・グランド導体層
９・・・導電性接続材
１０・・・外部端子
１０ａ・・・グランド端子
１１・・・封止材

Claims (3)

1. 上面に開口する凹部と該凹部の開口部を囲む支持部を有する第１の配線基板上に、第２の配線基板を載置させるとともに、前記第１の配線基板の凹部内面と前記第２の配線基板の下面とで囲まれる収納領域内に圧電振動素子と発振制御用のＩＣ素子とを配置させてなる圧電発振器において、
   前記圧電振動素子及びＩＣ素子のうちいずれか一方の素子を前記凹部の底面に、他方の素子を前記第２の配線基板の下面に搭載するとともに、両素子に接続される第１の配線基板の配線導体と第２の配線基板の配線導体とを導電性接続材による接続部で電気的に接続し、
   前記支持部と前記第２の配線基板の下面とを、前記凹部の開口部に沿って前記接続部よりも内側位置に配され、導体材料から成り、且つ、前記第１の配線基板及び／又は第２の配線基板の配線導体を介して外部接続用のグランド端子に接続される封止材で接合することにより前記収納領域を気密封止せしめたことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記ＩＣ素子が、基材を単結晶シリコンにより形成したフリップチップ型ＩＣから成り、該ＩＣ素子の実装面と反対側の主面にグランド導体層が被着されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記第１の配線基板の下面、第２の配線基板の上面のうちいずれか一方の面に外部接続用の複数個の端子が並設され、他方の面にシールド導体層が被着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電発振器。

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