(57)【要約】【課題】  小型化に対応させながら、はんだクラックの対応も行えるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供する。【解決手段】  収納部と外装部を有する矩形状セラミック積層基板により構成されたベース１と集積回路素子２と圧電振動素子３とを有しており、ベース１の底面には、短辺の略全長に沿って形成され長辺方向に対向する第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２と、長辺の中央のみに沿って形成され短辺方向で対向する第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４とを有し、第１外部端子が電源用外部端子と接地用外部端子とからなり、前記第２外部端子が出力用外部端子とその他の外部端子とからなり、前記第１外部端子が前記第２外部端子に比べて大きな面積で形成されてなる。【選択図】  図１
2014187641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面実装型圧電発振器であって、
発振用増幅器を内蔵した集積回路素子と、
前記集積回路素子と接続される一対の励振電極が形成された圧電振動素子と、
矩形状のセラミック基板が積層されて収納部と外装部とが構成され、収納部に形成された複数の配線パターンと、外装部に形成され前記配線パターンの一部と接続された外部端子とを有する絶縁性のベースとがあり、
前記ベースの外装部の底面には、短辺の略全長に沿って形成され長辺方向に対向する第１外部端子と、長辺の中央のみに沿って形成され短辺方向で対向する第２外部端子とを有し、
前記第１外部端子が電源用外部端子と接地用外部端子とからなり、
前記第２外部端子が出力用外部端子とその他の外部端子とからなり、
前記第１外部端子が前記第２外部端子に比べて大きな面積で形成されてなる
ことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性のベース上に圧電振動素子と集積回路素子が実装された表面実装型圧電発振器に関するものであって、特に表面実装型圧電発振器のパッケージ構造を改善するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動板等の圧電振動素子を用いた圧電発振器は、安定して精度の高い発振周波数を得ることができるため、電子機器等の基準周波数源として多種の分野で使用されている。表面実装型圧電発振器では、絶縁性のベースとしてセラミック多層基板を用い、当該ベースの収納部に発振回路等の集積回路素子を配置するとともに、当該集積回路素子の上方に水晶振動板を支持固定し、蓋により気密封止を行ったものである。このような構成はＣ−ＭＯＳ等のインバータ増幅器（発振用増幅器）を内蔵したワンチップの集積回路素子のカスタム化により比較的部品点数が少なく、シンプルな構成であり、低コスト化に寄与している。
【０００３】
このような表面実装型圧電発振器では、ワイヤボンディングに比較して小型化低背化が実現できることから、特許文献１にも示すように、セラミックのベースの収納部の配線パターンに集積回路素子のパッドを、金等の金属バンプを用いて超音波熱圧着によるフリップチップボンディング接合されることが近年多くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９１７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような表面実装型圧電発振器をはんだにより接合し搭載する回路基板には様々な材料のものがある。この材料によってはパッケージと回路基板との間で熱膨張差が生じて、パッケージと回路基板を接合するはんだにも応力が生じるため、クラックが発生することがある。特に、パッケージとしてアルミナ等のセラミック材料を用い、回路基板としてガラスエポキシ基板を用いた組み合わせ構成であれば、パッケージの熱膨張係数に対して回路基板の熱膨張係数が大きくなり、はんだから疲労破壊が生じやすくなる。また当該パッケージと回路基板とに衝撃が加わると、はんだクラック部分から剥離が生じるといった問題点もあった。
【０００６】
このようなはんだクラックの問題については、表面実装型圧電発振器の小型化に伴って外部端子の面積も小さくなり対応が困難になってきている。特に、圧電振動子に比べて、機能する外部端子の数が多く、かつその機能する各外部端子の役割も多様となっている圧電発振器では、外部端子の面積だけでなく、各外部端子の役割に応じた配置にも制限が加わるため、より対応が困難になってきているのが現状である。
【０００７】
そこで、上記課題を解決するために、本発明は、小型化に対応させながら、はんだクラックの対応も行えるより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の特許請求項１に示すように、
発振用増幅器を内蔵した集積回路素子と、
前記集積回路素子と接続される一対の励振電極が形成された圧電振動素子と、
矩形状のセラミック基板が積層されて収納部と外装部とが構成され、収納部に形成された複数の配線パターンと、外装部に形成され前記配線パターンの一部と接続された外部端子とを有する絶縁性のベースとがあり、
前記ベースの外装部の底面には、短辺の略全長に沿って形成され長辺方向に対向する第１外部端子と、長辺の中央のみに沿って形成され短辺方向で対向する第２外部端子とを有し、
前記第１外部端子が電源用外部端子と接地用外部端子とからなり、
前記第２外部端子が出力用外部端子とその他の外部端子とからなり、
前記第１外部端子が前記第２外部端子に比べて大きな面積で形成されてなる
ことを特徴とする。
【０００９】
上記構成により、回路基板上に形成される配線パターンとして比較的面積が大きい電源配線パターンと接地用配線パターンとに接続される電源用外部端子と接地用外部端子とを大きな面積で形成するとともに、ベースの短辺の略全長に沿って形成され長辺方向に対向する第１外部端子として構成しているので、回路基板上の他の配線パターンからの不要な輻射ノイズなどの悪影響を受けにくくするとともに、回路基板上で比較的面積が大きいこれらの配線パターンから容易に引き回し配線を得ることができる。また、回路基板と接合されるはんだに生じる最大応力発生点であるベース外装部の底面のうち長辺方向両端部に近接する領域に形成された第１外部端子の面積を大きく形成しているので、ここでの接合力を高め、接合強度を向上させることができる。つまり、これら第1外部端子が表面実装型圧電発振器を回路基板へ搭載する際の面積の大きな接合補強用の外部端子として利用できる。別途接合補強用の外部端子を設ける必要もなく、かつそれぞれ機能する各外部端子の役割を変更することもなく、外部端子の配置的な制限にも対応することができる。以上により、小型化に対応させながら、はんだクラックの対応も行えるより信頼性の高い外部端子の接続構造が得られる。
【００１０】
また、出力用外部端子とその他の外部端子については、ベースの長辺の中央のみに沿って形成され短辺方向で対向する第２外部端子として構成しているので、電源用外部端子と接続される回路基板の電源配線パターンへの接続ラインと、接地用外部端子と接続される回路基板の接地用配線パターンへの接続ラインとの間に出力外部端子とこれに接続される回路基板の出力配線パターンへの接続ラインが挟まれて、表面実装型圧電発振器としての内外への不要な輻射ノイズの悪影響を軽減することができる。また、出力用外部端子とその他の外部端子については、所定の電気的信号を出力あるいは入力するための機能外部端子として重要であるため、回路基板と接合されるはんだに生じる応力発生の影響の少ないベースの長辺の中央のみに沿って形成することで、はんだクラックの影響の少ないより確実な電気的信号の入出力用の接続点として構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明は、小型化に対応させながら、はんだクラックの対応も行え、ノイズなどの悪影響を受けにくい電気的特性の優れたより信頼性の高い表面実装型圧電発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態を示す表面実装型圧電発振器の回路基板への搭載状態を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態を示す表面実装型圧電発振器の底面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明による好ましい実施形態につきセラミック多層基板のベースを用いた表面実装型水晶発振器（表面実装型圧電発振器）を例にとり図面とともに説明する。
【００１４】
表面実装型水晶発振器６は、上部が開口した凹部を有する絶縁性のセラミック多層基板からなるベース１（以下、ベースと称する）と、当該ベースの中に収納される集積回路素子２と、同じく当該ベース中の上部に収納される圧電振動素子３と、ベースの開口部に接合される蓋４とからなる。この表面実装型水晶発振器では、ベース１と蓋４とが封止材５を用いて接合されて気密封止され、表面実装型水晶発振器６が構成されている。以下、この表面実装型水晶発振器６の各構成について説明する。
【００１５】
セラミック多層基板のベース１は全体として直方体で、最下層であるアルミナ等のセラミック材料からなる平面視矩形状の一枚板の底部１１と、この底部１１上に積層した中間層のセラミック材料の平面視枠形状の堤部１２と、最上層のセラミック材料の平面視枠形状の堤部１３とから構成され、収納部１０を有する断面凹形の箱状体（外装部１４）に形成されている。収納部１０は第１の収納部１０ａ（下部収納部）と第２の収納部１０ｂ（上部収納部）からなり、それぞれ集積回路素子２と圧電振動素子３が収納される。なお、セラミック多層基板として本形態のように３層構造のベースに限定されるものではなく、ベースの収納部の構造に応じて４層以上で構成してもよい。
【００１６】
前記セラミック多層基板のベース１の最上層である堤部１３の上面（端面）は平坦であり、後述する蓋４との接合領域（金属膜）１３ａである。この接合領域１３ａは、タングステンあるいはモリブデン等のメタライズ材料からなるメタライズ層と、このメタライズ層に積層されたニッケル層と、このニッケル層に積層された金層とから構成される。タングステンあるいはモリブデンは厚膜印刷技術を活用してメタライズ技術によりセラミック焼成時に一体的に形成され、メタライズ層上にニッケル層、金層の順でメッキ形成される。
【００１７】
ベース１の外周壁の４角には上下方向に伸長するキャスタレーションＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がそれぞれ形成され、ベース１の外周壁の長辺中央の一部には上下方向に伸長する半長円状のキャスタレーションＣ５，Ｃ６がそれぞれ形成されている。当該キャスタレーションはベースの外周壁に対して円弧状あるいは半長円状の切り欠きが上下方向に形成された構成である。なお、前記接合領域１３ａはベースの堤部１２，１３を上下に貫通接続する図示しない導電ビアやキャスタレーション上部に形成された図示しない配線パターンのいずれか少なくとも一方により、ベース底面側に形成された外部端子パッドＧＴ２の一部に電気的に導出されている。当該外部端子パッドＧＴ２をアース接続することにより、後述する金属製の蓋が接合領域１３ａ、導電ビアやキャスタレーション上部の配線パターンなどを介して接地され、表面実装型水晶発振器の電磁気的なシールド効果を得ることができる。
【００１８】
ベース１の内部において、下方面には前記堤部（側壁部）１２により構成され、集積回路素子２を収納する第１の収納部１０ａが形成され、当該第１の収納部の底面から上部に突き出し、後述する圧電振動素子の端部を保持する保持台１０ｃと、前記第１の収納部を介して前記保持台と対向位置する枕部１０ｄが形成されている。また前記第１の収納部１０ａの上方には前記堤部（側壁部）１３により構成された第２の収納部１０ｂが形成されている。
【００１９】
前記セラミック多層基板のベース１の最下層である底部１１の上面（前記第１の収納部１０ａの内底面）には、図１に示すように、後述する集積回路素子２と接続される複数の第１の配線パターンＨ１が並んで形成されている。
【００２０】
前記セラミック多層基板のベース１の最下層である底部１１の下面（ベースの外装部の底面）には、長辺１５，１６と短辺１７，１８とを具備しており、４つの外部端子ＧＴが形成されている。具体的には図２に示すように、短辺１７と短辺１８には、当該各短辺の略全長に沿って形成され前記長辺方向に対向する第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２が形成されている。第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２は、それぞれ４角のキャスタレーションＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を介してベース１の最下層である底部１１の側面（底面層のセラミック基板の側面）にも引き回し電極ＧＴ１１，ＧＴ１２，ＧＴ２１，ＧＴ２２が形成されている。なお、第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２は、引き回し電極ＧＴ１１，ＧＴ１２，ＧＴ２１，ＧＴ２２を介して、第１の配線パターンＨ１のいずれかに電気的に導出されている。
【００２１】
長辺１５と長辺１６には、当該各長辺の中央のみに沿って形成され前記短辺方向で対向する第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４が形成されている。第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４は、図示しないビアなどにより、第１の配線パターンＨ１のいずれかに電気的に導出されている。
【００２２】
第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２は、第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４に比べて大きな面積で形成されてなる。この時、第２外部端子の面積に対する第１外部端子の面積比は、２倍以上あることが接合強度を確保するうえでより望ましい。
【００２３】
例えば、本形態では、第１外部端子ＧＴ１は電源用外部端子（ＶＣＣ）、第１外部端子ＧＴ２は接地用外部端子（ＧＮＤ）として構成し、第２外部端子ＧＴ３は他の外部端子であり、出力制御用外部端子（ＯＥ）や周波数制御用外部端子（ＶＣＯＮＴ）、ＮＣ外部端子などいずれかとして構成し、第２外部端子ＧＴ４は出力用外部端子（ＯＵＴ）として構成した。
【００２４】
前記セラミック多層基板のベース１の中間層である堤部１２の上面（前記第２の収納部１０ｂの底面）には、後述する圧電振動素子３を搭載する保持台１０ｃが形成されており、その上面には後述する圧電振動素子３と接続される第２の配線パターンＨ２（一部のみ図示）が形成されている。前記保持台１０ｃは堤部１２の一部が収納部１０の方に突出することで構成されている。この第２の配線パターンＨ２は、図示しない導電ビアなどにより、第１の配線パターンＨ１の一部に電気的に導出されている。
【００２５】
以上のような構成のベース１は周知のセラミック積層技術やメタライズ技術を用いて形成される。実装用外部端子ＧＴ１，ＧＴ２，ＧＴ３，ＧＴ４、引き回し電極ＧＴ１１，ＧＴ１２，ＧＴ２１，ＧＴ２２、第１の配線パターンＨ１、第２の配線パターンＨ２は、接合領域１３ａの形成と同様にタングステンあるいはモリブデン等によるメタライズ層の上面にニッケルメッキ層、金メッキ層の各層が形成された構成である。
【００２６】
第１の収納部１０ａの内底面に搭載される集積回路素子２は、Ｃ−ＭＯＳなどのインバータ増幅器（発振用増幅器）を内蔵したワンチップの集積回路素子であり、集積回路素子２の底面側には複数のパッドＰが形成されている。当該集積回路素子２は、例えば金などの金属バンプＣを介して、集積回路素子２の複数のパッドＰとベース１に形成された複数の第１の配線パターンＨ１とを例えばＦＣＢにより接続される。なお、本形態では、金属バンプにより接合した構成を例にしているが、金属ワイヤバンプを用いてもよい。
【００２７】
集積回路素子２の上方で、収納部１０の同一空間である第２の収納部１０ｂには所定の間隔を持って圧電振動素子３が搭載される。圧電振動素子３は例えば矩形状のＡＴカット水晶振動板であり、その表面に矩形状の励振電極３１とこの引出電極が形成され、その裏面に矩形状の励振電極３２とこの引出電極が形成されており、これら一対の励振電極３１，３２が表裏面で対向して形成されている。これらの電極は、例えば、クロムまたはニッケルの下地電極層と、銀または金の中間電極層と、クロムまたはニッケルの上部電極層とから構成された積層薄膜、クロムやニッケルの下地電極層と、銀または金の上部電極層とから構成された積層薄膜である。これら各電極は真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成手段により形成することができる。
【００２８】
圧電振動素子３とベース１との接合は、例えばペースト状であり銀フィラー等の金属微小片を含有するシリコーン系の導電樹脂接着剤（導電性接合材）Ｓを用いている。図１に示すように、導電性樹脂接着剤Ｓは、第２の配線パターンＨ２のうちの一部の上面に塗布されるとともに、導電性樹脂接着剤Ｓを圧電振動素子３と保持台１０ｃの間に介在させ硬化させることで、お互いを電気的機械的に接合している。以上により、圧電振動素子３の一端部をベース１の第１の収納部１０ａの底面から隙間を設けながら、圧電振動素子３の対向する他端部をベースの保持台１０ｃに接合して、片持ち保持される。なお、本形態では、シリコーン系の導電樹脂接着剤により接合した構成を例にしているが、この導電性接合材として他の導電性樹脂接着剤や金属バンプ、金属メッキバンプなどを用いてもよい。
【００２９】
ベース１を気密封止する蓋４は、例えば、コバール等からなるコア材に金属ろう材（封止材）が形成された構成である。この金属ろう材からなる封止材５がベース１の接合領域（金属膜）１３ａと接合される構成となる。金属製の蓋４の平面視外形はセラミックベースの当該外形とほぼ同じであるか、若干小さい構成となっている。
【００３０】
収納部１０に集積回路素子２と圧電振動素子３が格納されたベース１の接合領域１３ａに対して金属製の蓋４にて被覆し、金属製の蓋４の封止材５とベースの接合領域１３ａを溶融硬化させ、気密封止を行うことで表面実装型水晶発振器６の完成となる。
【００３１】
このように構成された表面実装型水晶発振器６は、図１に示すように、回路基板７の配線パターン７１に対してはんだなどの接合材８を用いて接合される。つまり、第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２、第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４（図１ではＧＴ１，ＧＴ２，ＧＴ３のみ図示）に接合材８を用いて回路基板７の配線パターン７１へ接合する。
【００３２】
上記実施形態では、回路基板上に形成される配線パターンとして比較的面積が大きい電源配線パターンと接地用配線パターンとに接続される第１外部端子ＧＴ１（電源用外部端子）と第１外部端子ＧＴ２（接地用外部端子）とを大きな面積で形成し、ベースの短辺の略全長に沿って形成され長辺方向に対向して構成している。このため、回路基板７の他の配線パターンからの不要な輻射ノイズなどの悪影響を受けにくくするとともに、回路基板７で比較的面積が大きい電源配線パターンと接地用配線パターンとから容易に引き回し配線を得ることができる。また、回路基板７と接合されるはんだに生じる最大応力発生点であるベース１の外装部の底面のうち長辺方向両端部に近接する領域に形成された第１外部端子ＧＴ１，ＧＴ２の面積を大きく形成しているので、ここでの接合力を高め、接合強度を向上させることができる。つまり、これら第1外部端子ＧＴ１，ＧＴ２が表面実装型圧電発振器６を回路基板７へ搭載する際の面積の大きな接合補強用の外部端子として利用できる。別途接合補強用の外部端子を設ける必要もなく、かつそれぞれ機能する各外部端子の役割を変更することもなく、外部端子の配置的な制限にも対応することができる。以上により、小型化に対応させながら、はんだクラックの対応も行えるより信頼性の高い外部端子の接続構造が得られる。
【００３３】
また、その他の外部端子と出力用外部端子については、ベースの長辺の中央のみに沿って形成され短辺方向で対向する第２外部端子ＧＴ３，ＧＴ４として構成しているので、電源用外部端子と接続される回路基板の電源配線パターンへの接続ラインと、接地用外部端子と接続される回路基板の接地用配線パターンへの接続ラインとの間に出力外部端子とこれに接続される回路基板の出力配線パターンへの接続ラインが挟まれて、表面実装型圧電発振器としての内外への不要な輻射ノイズの悪影響を軽減することができる。また、出力用外部端子とその他の外部端子については、所定の電気的信号を出力あるいは入力するための機能外部端子として重要であるため、回路基板７と接合されるはんだに生じる応力発生の影響の少ないベースの長辺の中央のみに沿って形成することで、はんだクラックの影響の少ないより確実な電気的信号の入出力用の接続点として構成することができる。
【００３４】
なお、上記した本実施例では、圧電振動素子としてＡＴカット水晶振動板を用いているが、これに限定されるものでなく、音叉型水晶振動片であってもよい。また、圧電振動素子として水晶を材料としているが、これに限定されるものではなく、圧電セラミックスやＬｉＮｂＯ3等の圧電単結晶材料を用いてもよい。すなわち、任意の圧電振動素子が適用可能である。また、圧電振動素子を片持ち保持するものを例にしているが、圧電振動素子の両端を保持する構成であってもよい。また導電性接合材として、シリコーン系の導電樹脂接着剤を例にしているが、他の導電性樹脂接着剤でもよく、金属バンプや金属メッキバンプのバンプ材、ろう材等を用いてもよい。
【００３５】
また、本実施例では、圧電振動素子３と集積回路素子２とを用いているが、これに限定されるものではなく、圧電振動素子３の個数は任意に設定可能であり、さらに集積回路素子２に加えて他の回路部品を搭載してもよい。すなわち、用途にあわせてベースに搭載する部材を設定変更することができる。また、集積回路素子とベースとの電気的接続は、フリップチップボンディング工法に限らず、ワイヤボンディング工法などを採用してもよい。発振用増幅器としてＣ−ＭＯＳのインバータ増幅器を内蔵したワンチップの集積回路素子を用いた発振回路構成を例にしているが、他の発振用増幅器を含む発振回路構成でもよい。
【００３６】
また、本実施例では、金属ろう材による封止を例にしたが、これに限定されるものではなく、シーム封止、ビーム封止（例えば、レーザビーム、電子ビーム）やガラス封止等でも適用することができる。
【００３７】
また、本実施例では、表面実装型圧電発振器として上部のみが開口した凹部を有するベース１の内底面に集積回路素子２を収納し、その上部に圧電振動素子３を収納した積層型配置のもののみを開示しているが、上部と下部が開口した凹部を有するベースの下部凹部の内底面に集積回路素子２を収納し、上部凹部の内底面に圧電振動素子３を収納したＨ型配置のものなどに適用してもよい。
【００３８】
本発明は、その思想または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、表面実装型圧電振動発振器に適用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ベース
２  集積回路素子
３  圧電振動素子
４  蓋
５  封止材
６  表面実装型水晶発振器
７  回路基板
８  接合材
Ｓ  導電樹脂接着剤（導電性接合材）
Ｃ  金属バンプ
Ｖ  導電ビア
【図１】
2014187641.tif 000003
【図２】
2014187641.tif 000004