(57)【要約】【課題】小型、低背、低価格で落下衝撃などによる破損の可能性が少ない水晶発振器およびそれを用いた電子装置を提供する。【解決手段】平面状の底面に第１の接続電極１１が設けられたパッケージを有する水晶振動子２と、一方主面に回路部品が搭載されるとともに第１の接続電極１１と１対１で対応する第２の接続電極８が設けられた平板状の回路基板１とを有し、水晶振動子２は回路基板１上において、回路部品の天面と水晶振動子２の底面との間に隙間が存在するようにして、第１の接続電極１１と第２の接続電極８の間に設けられたはんだ３を介して機械的かつ電気的に支持されている。はんだボール３は、第１の接続電極１１の面積および第２の接続電極８の面積との関係において、熔融状態においてはんだ３の表面張力とはんだ３に加わる水晶振動子２の重量が釣り合っている時にはんだ３の高さが最も背の高い回路部品の高さより高くなるような量に設定されている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の底面に第１の接続電極が設けられたパッケージを有する水晶振動子と、一方主面に回路部品が搭載されるとともに前記第１の接続電極と１対１で対応する第２の接続電極が設けられた平板状の回路基板とを有し、
前記水晶振動子は、前記回路基板上において、前記回路部品の天面と前記水晶振動子の底面との間に隙間が存在するようにして、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極の間に設けられたろう材を介して機械的かつ電気的に支持されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記ろう材は、前記第１の接続電極の面積および前記第２の接続電極の面積との関係において、熔融状態において前記ろう材の表面張力と前記ろう材に加わる前記水晶振動子の重量が釣り合っている時に前記ろう材の高さが最も背の高い前記回路部品の高さより高くなるような量に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記第１の接続電極および前記第２の接続電極の少なくとも一方が環状に形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
前記水晶振動子のパッケージに、その平面方向の重量バランスを取るための切り欠きが設けられていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の水晶発振器。
【請求項５】
前記水晶振動子のパッケージの底面に、その平面方向の重量バランスを取るための錘が貼り付けられていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の水晶発振器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の水晶発振器を用いたことを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶発振器および電子装置、例えば携帯電話のＲＦ回路に含まれるＰＬＬ回路部分の基準信号源として用いられる水晶発振器およびそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基準信号源として用いられる水晶発振器としては、水晶振動子を共振子とし、これに発振回路や温度補償回路などを構成する回路部品を組み合わせて構成するものが広く知られている。水晶振動子は、通常はセラミックなどのパッケージに電極の形成された水晶片などを実装、封入して構成される。また、回路部品は、セラミックなどからなる回路基板上に搭載する必要がある。そして、この両者を何らかの方法で一体にすることによって発振器が構成される。
【０００３】
水晶振動子と回路基板を一体化した水晶発振器としては、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されたものがある。
【０００４】
特許文献１においては、箱形のセラミックの凹部の底に配線を行うことによって回路基板とし、配線上に回路部品を搭載し、さらに箱形のセラミックの上にほぼ同形状にパッケージングされた水晶振動子をのせて一体化している。すなわち、特許文献１においては、水晶振動子は箱形のセラミックの４つの側壁によって支持されていることになる。
【０００５】
特許文献２においては、底面にある程度の高さまで突出した外部端子を有する水晶振動子を平板状の回路基板に形成された水晶振動子搭載電極上に搭載している。回路基板上には外部端子の高さの分だけ水晶振動子との間に隙間があり、この隙間に回路部品が実装されている。回路部品としては、低背化のために集積回路が用いられる。そして、回路基板と水晶振動子の間の隙間には、回路部品および水晶振動子の外部端子を覆うようにアンダーフィル樹脂が充填されている。回路基板の底面にも外部端子があるが、水晶振動子の外部端子とは平面視で重なっていない。
【０００６】
特許文献３においては、平板状の回路基板の上に柱部材を搭載し、この柱部材の上に水晶振動子を搭載している。柱部材は水晶振動子のパッケージと一体でも別体でも良い。柱部材は回路基板と水晶振動子との電気的な接続の機能を兼ねている。そして、柱部材の位置は、回路基板の底面の外部端子と平面視で重なっている。
【０００７】
特許文献４においては、回路部品を搭載したフレキシブル基板を、回路部品側が水晶振動子の方を向くようにして、はんだを介して水晶振動子の底面に接続している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−１７７３４５号公報
【特許文献２】
特開２００２−８４１３８号公報
【特許文献３】
特開２００２−６４３３３号公報
【特許文献４】
特開２００２−１８５２５４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１においては、箱形のセラミックを回路基板として用いているために、回路基板の低価格化が難しい。また、箱形の回路基板の凹部の底に回路部品を搭載するのは、平板上に搭載する場合に比べてはるかに困難で、作業コストの低減も難しい。さらには、箱形の回路基板の４つの側壁の厚さの分だけ回路基板の面積を大きくする必要があり、水晶発振器の小型化の妨げになるという問題もある。
【００１０】
特許文献２においては、水晶振動子のケースに突出した外部端子を設けているために、水晶振動子の価格が高くなるという問題がある。
【００１１】
特許文献３においては、水晶振動子を柱部材で支持するために、柱部材を別途用意する必要があり低価格化の妨げになるという問題がある。
【００１２】
特許文献４においては、水晶振動子の底面にフレキシブル基板からなる回路基板をはんだを介して貼り付けている構成であるため、水晶振動子の底面側における水晶発振器の機械的強度が不十分になるという問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、小型、低背、低価格で落下衝撃などによる破損の可能性が少ない水晶発振器およびそれを用いた電子装置を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の水晶発振器は、平面状の底面に第１の接続電極が設けられたパッケージを有する水晶振動子と、一方主面に回路部品が搭載されるとともに前記第１の接続電極と１対１で対応する第２の接続電極が設けられた平板状の回路基板とを有し、前記水晶振動子は、前記回路基板上において、前記回路部品の天面と前記水晶振動子の底面との間に隙間が存在するようにして、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極の間に設けられたろう材を介して機械的かつ電気的に支持されていることを特徴とする。そして、前記ろう材は、前記第１の接続電極の面積および前記第２の接続電極の面積との関係において、熔融状態において前記ろう材の表面張力と前記ろう材に加わる前記水晶振動子の重量が釣り合っている時に前記ろう材の高さが最も背の高い前記回路部品の高さより高くなるような量に設定されていることが望ましい。また、前記第１の接続電極および前記第２の接続電極の少なくとも一方が環状に形成されていることが望ましい。また、前記水晶振動子のパッケージに、その平面方向の重量バランスを取るための切り欠きが設けられていても構わない。あるいは逆に、前記水晶振動子のパッケージの底面に、その平面方向の重量バランスを取るための錘が貼り付けられていても構わない。
【００１５】
そして、本発明の電子装置は、上記の水晶発振器を用いたことを特徴とする。
【００１６】
このように構成することにより、本発明の水晶発振器においては、小型化、低背化、低価格化、電気的接続性の安定化を図ることができる。また、機械的強度の向上によって落下衝撃などによる破損の可能性を低減することができる。
【００１７】
また、本発明の電子装置においても、本発明の水晶発振器を用いることによって、対衝撃性能の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の水晶発振器の一実施例の分解斜視図を示す。また、図２に、その側面図を示す。さらに、図３に、水晶振動子の断面図および底面図を示す。図１および図２において、水晶発振器２０は、平板状の回路基板１の上にパッケージングされた水晶振動子２を搭載して構成されている。
【００１９】
ここで、回路基板１上には、トランジスタ５ａ、バリキャップダイオード５ｂ、チップコンデンサ６ａ、サーミスタ６ｂ等の回路部品が搭載されている。トランジスタ５ａとバリキャップダイオード５ｂは樹脂モールド品であって、背の高さが略一致しており、天面が平面状に形成されている。また、回路基板１上には、同じく回路部品である印刷抵抗４も形成されている。印刷抵抗４の一部はトランジスタ５ａ、バリキャップダイオード５ｂの下にも形成されている。これらの回路部品によって発振回路（共振素子を除く）や温度補償回路が構成される。回路基板１上には、さらに４隅に四角形状の第２の接続電極８が形成されており、回路基板１の裏面には、それらと対向するように外部接続電極７が形成されている。
【００２０】
一方、水晶振動子２は、上部の開口した箱形のセラミック容器９と、セラミック容器９の中に導電性接着剤１２によって片持ち構造（片持ち梁構造）で支持された水晶片１３と、セラミック容器９の開口部を覆う金属蓋１０とで構成されている。セラミック容器９と金属蓋１０で水晶振動子２のパッケージを構成していることになる。セラミック容器９の平板状の底面には、４隅に第１の接続電極１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）が形成されている。このうち第１の接続電極１１ａと１１ｃはセラミック容器９の内部に設けられた接続配線１５を介して水晶片１３に設けられた電極と電気的に接続されている。また、第１の接続電極１１ｂと１１ｄは、同じく接続配線１５を介して金属蓋１０と電気的に接続されている。なお、第１の接続電極１１ｂと１１ｄは、実際には回路基板１のグランド電極と接続されることになるグランド電極で、これと接続されることによって金属蓋１０が接地され、電気的なシールドとして機能することになる。なお、水晶片は片持ち構造に限るものではなく両持ち構造でも構わない。
【００２１】
水晶発振器２０は、回路基板１上に水晶振動子２を配置し、水晶振動子２の第１の接続電極１１のそれぞれと回路基板１上の第２の接続電極８のそれぞれをろう材の一種であるはんだ３を介して電気的に接続することによって構成されている。この際、はんだ３の量は、第１の接続電極１１や第２の接続電極８の面積と水晶振動子２０の重量との関係で、はんだ３が熔融しているときに、はんだ３の表面張力とはんだ３に加わる水晶振動子２の重量が釣り合い、しかもその時のはんだ３の高さがトランジスタ５ａやバリキャップダイオード５ｂなどの最も背の高い回路部品の高さより高くなる程度の量に設定されている。そのため、水晶振動子２のセラミック容器９の底面とトランジスタ５ａおよびバリキャップダイオード５ｂの天面との間には隙間が存在する。この点ははんだ３が凝固した後においても維持される。したがって、水晶発振器２０においては、回路基板１上で水晶振動子２をはんだ３のみによって支持しているという構造になる。
【００２２】
なお、図１および図２（ａ）は水晶振動子２を回路基板１に搭載する前の状態を示している。図１および図２（ａ）においては、はんだ３ははんだボールである。
【００２３】
ここで、水晶発振器２０の製造方法について説明する。まず、回路基板１上に各回路部品を搭載する。回路部品はこの段階ではんだ付けされていてもよいし、はんだペースト上に載置されているだけでも構わない。
【００２４】
次に、第２の接続電極８上に所定のサイズのはんだボール３を載置する。はんだボールを採用したのは、真球性が高く、はんだ量を一定にしやすく、また選別も容易だからであり、必ずしもはんだボールに限定されるものではない。第２の接続電極８上にはあらかじめはんだペーストを塗布しておいても構わないが、その場合ははんだボールも含めたはんだ量全体の制御が難しくなるので、接着のためのフラックスのみを塗布しておく方がよい。
【００２５】
次に、回路基板１の上に水晶振動子２を載置する。このとき、はんだボール３の上部に水晶振動子２の第１の接続電極が当接するようにする。
【００２６】
そして最後に全体をリフローはんだ付けすることによって、第１の接続電極１１と第２の接続電極８がはんだ３を介して接続される。また、各回路部品も回路基板１上の電極にはんだ付け、あるいは再はんだ付けされる。
【００２７】
ところで、本発明の水晶発振器２０においては、セラミック容器９の底面とトランジスタ５ａおよびバリキャップダイオード５ｂの天面との間には隙間が存在する。すなわち、水晶振動子２ははんだ３のみによって回路基板１上に支持されていることになる。したがって、例えば、はんだ３の量が少ないと、回路基板１と水晶振動子２の間隔がトランジスタ５ａやバリキャップダイオード５ｂの高さより小さくなり、トランジスタ５ａやバリキャップダイオード５ｂの天面が水晶振動子２の底面と接触する可能性があるが、そのような状態のものは本発明には含まれない。
【００２８】
なお、ろう材のみで水晶振動子を支持するという構成を取る以上、水晶振動子の重量バランスにも注意が必要となる。例えば水晶振動子の平面的な重量バランスがどちらか一方側に片寄っていると、ろう材が熔融しているときに水晶振動子の一方側が沈み込んで傾いた状態になり、そのまま傾いた状態で凝固して回路基板に対する水晶振動子の平坦性が保てなくなる可能性がある。また、水晶振動子の重量バランスが極端にアンバランスな場合には、ろう材が熔融しているときに水晶振動子の軽い方の側が立ち上がってしまい、接続不良になるという可能性も考えられる。
【００２９】
そこで、水晶振動子の重量バランスが取れていないときには、重量バランスを取るために、図４に示すようにパッケージの適当な場所に切り欠き１６を設けてその部分の重量を軽くしてもよい。また、図５に示すように水晶振動子２のパッケージの底面の適当な場所に錘１７を貼り付けてその部分の重量を重くするような構成も考えられる。もちろんその際には錘が回路基板上に搭載される回路部品の邪魔にならないようにする必要がある。なお、錘を貼り付ける場合には、錘はろう材が熔融しているときにのみ貼り付いていればよく、ろう材が凝固した後で洗浄などによってはずせるようになっていても構わない。ただ、水晶振動子の搭載時だけでなく、水晶発振器としてプリント基板などに搭載される際に、リフロー半田付などによってろう材が再度熔融する場合も考えれれるので、錘は外せなくても構わない。
【００３０】
このように構成された水晶発振器２０においては、平板状の回路基板１を用いているために、特許文献１のような箱形の回路基板を用いる場合に比べて低価格化を図ることができる。また、平板状の回路基板であるために電極や抵抗の印刷が容易であり、回路部品の搭載にも特別な工夫はいらず、製造コストを低減することができる。また、箱形の回路基板のような側壁が無いために、回路を形成する面積が増え、結果的に回路基板、ひいては水晶発振器の小型化を図ることができる。
【００３１】
また、水晶振動子の方も、特許文献２のような突出した外部端子を設けたりする必要がなく、一般的な面実装型のパッケージ（セラミック容器）を利用できるので、不必要なコストの上昇を防ぐことができる。
【００３２】
また、水晶振動子をろう材を介して回路基板に搭載しているために、特許文献３のような柱部材だけで水晶振動子を支持する構造に比べて、たわみなどによる歪みがはんだの弾性力によって緩和されるため水晶発振器全体の機械的な強度が向上する。また、柱部材の場合は高さのばらつきがあると機械的に接続できないものが発生したりする可能性があるが、はんだを介して接続する場合には、はんだが熔融しているときに表面張力によってはんだが最適な形状に変形するため、機械的な接続不良は発生しにくい。さらに、柱部材を介して電気的な接続も行う場合には、柱部材の材質やそれに形成された電極の位置によっては、仮に機械的には接続されていても電気的には接続されていないという状態になる可能性がある。この点についても、はんだのみで接続する場合には、機械的に接続されていれば必ず電気的にも接続され、電気的な接続不良は発生しにくい。もちろん柱部材を用いないので低価格化の妨げにならない。
【００３３】
さらに、回路基板を用いているために、特許文献４のようなフレキシブル基板を用いる構成に比べて水晶振動子の底面側における水晶発振器の機械的強度を保つことができる。
【００３４】
なお、回路基板と水晶振動子との電気的な接続は、回路配線的には２カ所（水晶振動子２で言えば第１の接続電極１１ａと１１ｃ）あればよいが、水晶振動子２の場合は４カ所としている。これは、１つには水晶振動子とのろう材による接続は基本的に点接続であるために２点以下では安定性が保てないからであり、また水晶発振器としての機械的な強度が不足したり、回路基板への水晶振動子の搭載時に水晶振動子の位置が不安定になったりするのを防止するためである。したがって、回路基板と水晶振動子とのろう材による接続は３カ所以上必要である。
【００３５】
また、別の理由として、水晶振動子の金属蓋を接地して電気的なシールドをして機能させるという目的がある。水晶発振器の中でも特に温度補償水晶発振器においては外部からの電磁ノイズに対する周波数安定性が求められる。そこで、水晶振動子の金属蓋をシールドとして利用するためにも、回路基板と水晶振動子とのろう材による接続は、水晶片との接続のための２カ所に加えてもう１カ所以上必要である。
【００３６】
水晶振動子の底面における第１の接続電極の配置（回路基板における第２の接続電極の配置でもある）は、図３に示した水晶振動子２のように少なくとも四角形の４隅にあるのが望ましい。また、第１の接続電極が３つしかない場合には、例えば隣接する２つの隅部にそれぞれ設け、残りの１つは残りの２つの隅部の中間に設けるのが望ましい。なお、第１の接続電極のどれが水晶片と接続される電極になるかあるいはグランド電極になるかは特に限定されるものではない。
【００３７】
なお、水晶発振器２０においては水晶振動子２の第１の接続電極１１と回路基板１に形成した第２の接続電極８がともに基板形状に沿った四角形状の電極であるとしているが、熔融した後のろう材の表面張力、凝固した後のろう材の形状を考えて円形状の電極とする方が望ましい。もちろん、例えば第２の接続電極のみを円形状とし、第１の接続電極を四角形状としたものでも構わないし、その逆でも構わない。
【００３８】
また、第１の接続電極や第２の接続電極の形状に関しては別の構成も考えられる。すなわち、これらの接続電極を、例えば図６および図７に示すように環状としてもよい。図６は回路基板１に回路部品が搭載された状態での平面図であり、図７は水晶発振器における第１および第２の接続電極のリフローはんだ付け前のはんだボールの近傍の断面図である。図６および図７において、図１ないし図３と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付している。
【００３９】
図６および図７に示すように、第１の接続電極１１’と第２の接続電極８’は円環状に形成されている。はんだボール３は円環の中央に安定して位置決めされている。このように各接続電極を円環状に形成することによって、はんだボール３の位置が安定し、さらに回路基板１上における水晶振動子２の位置も安定するため、リフローはんだ付け時に水晶振動子２が回路基板１に対して位置ずれを起こしたりする可能性が減少する。水晶発振器２０の製造方法の説明の中でははんだボールを第２の接続電極にフラックスで接着するとしたが、各接続電極を円環状にすることによってはんだボールの位置が安定するために、フラックスを利用しなくても構わない。
【００４０】
また、第１の接続電極や第２の接続電極の形状に関してはさらに別の構成も考えられる。すなわち、図８に断面図で示す構造でも構わないものである。図８は、図７と同様に水晶発振器における第１および第２の接続電極のリフローはんだ付け前のはんだボールの近傍の断面図である。
【００４１】
図８に示すように、第１の接続電極１１’’と第２の接続電極８’’は２層構造に形成されている。２層構造のうち、下層は全面電極であり上層は図６の場合と同様の円環状電極である。このように構成することによって、単なる円環状の構成と同様の効果が得られるのに加えて、電極の中央部分においてもリフローはんだ付け後にははんだ付けがなされるため、はんだと接続電極との接触面積が増え、接着強度が向上するというメリットもある。
【００４２】
なお、図６や図７や図８においては各接続電極を円環状としたが、環状であれば円環状に限らないものである。また、第１の接続電極と第２の接続電極の両方を環状としているが、いずれか一方、たとえば第２の接続電極だけを環状にしても構わないものである。
【００４３】
図９に、本発明の電子装置の一実施例の斜視図を示す。図９において、電子装置の１つである携帯電話１００は、筐体１０１と、その中に配置されたプリント基板１０２と、プリント基板１０２上に基準信号源として実装された本発明の水晶発振器２０を備えている。
【００４４】
このように構成された携帯電話１００においては、本発明の水晶発振器２０を用いているため、小型化と低価格化を図ることができる。また、水晶発振器の機械的強度の向上によって携帯電話自身の落下衝撃などによる故障の可能性を低減することができる。
【００４５】
なお、図９においては電子装置として携帯電話を示したが、電子装置としては携帯電話に限るものではなく、本発明の水晶発振器を用いたものであれば何でも構わないものである。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の水晶発振器によれば、平面状の底面に第１の接続電極が設けられたパッケージを有する水晶振動子と、一方主面に回路部品が搭載されるとともに前記第１の接続電極と１対１で対応する第２の接続電極が設けられた平板状の回路基板とを有し、水晶振動子は回路基板上において、回路部品の天面と水晶振動子の底面との間に隙間が存在するようにして、第１の接続電極と第２の接続電極の間に設けられたろう材を介して機械的かつ電気的に支持されていることによって、小型化、低背化、電気的接続性の安定化を図ることができる。また、機械的強度の向上によって落下衝撃などによる破損の可能性を低減することができる。
【００４７】
また、本発明の電子装置によれば、本発明の水晶発振器を用いることによって、対衝撃性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水晶発振器の一実施例を示す分解斜視図である。
【図２】図１の水晶発振器の側面図である。
【図３】図１の水晶発振器に用いた水晶振動子を示す断面図および底面図である。
【図４】本発明の水晶発振器の別の実施例を示す側面図である。
【図５】本発明の水晶発振器のさらに別の実施例を示す側面図である。
【図６】本発明の水晶発振器の回路基板の別の例を示す平面図である。
【図７】図６の回路基板を用いた水晶振動子における回路基板と水晶振動子との接続部を示す断面図である。
【図８】本発明の水晶発振器の回路基板のさらに別の例における回路基板と水晶振動子との接続部を示す断面図である。
【図９】本発明の電子装置の一実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
２０…水晶発振器
２…水晶振動子
９…セラミック容器（パッケージ）
１０…金属蓋（パッケージ）
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）、１１’、１１’’…第１の接続電極
１３…水晶片
１５…接続配線
１６…パッケージの切り欠き
１７…パッケージに付けた錘
１…回路基板
３…はんだ（はんだボール）
４…印刷抵抗
５ａ…トランジスタ（回路部品）
５ｂ…バリキャップダイオード（回路部品）
６ａ…チップコンデンサ（回路部品）
６ｂ…サーミスタ（回路部品）
７…外部接続電極
８、８’、８’’…第２の接続電極
１００…携帯電話
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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