JP2004229255A - 水晶振動子セラミックパッケージ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、水晶振動子セラミックパッケージにおいて、外部端子が形成される基底層(101);前記基底層(101)の周縁部上に形成され、一側上面に前記基底層(101)の外部端子と電気的に連結される内部端子(108)が形成されるバッファ層(102);前記バッファ層(102)の内部端子(108)と電気的に連結される電極が形成され、前記バッファ層(102)上に振動可能に実装される水晶板(106);前記バッファ層(102)の周縁部に前記バッファ層(102)の内部端子(108)と一定間隔離隔するよう形成される支持層(104);及び、前記水晶板(106)の実装部位を密封すべく前記支持層(104)を覆うリブ(105)を含んだ水晶振動子セラミックパッケージを提供する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶振動子セラミックパッケージに関するもので、より詳しくは、周波数発振器、周波数調整器などの諸用途に用いられる水晶振動子を装着したセラミックパッケージの構造を改善して、パッケージを小型化し内部に装着される水晶に対して熱の影響を最小化するようにしたセラミックパッケージに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に水晶振動子は周波数発振器、周波数調整器、周波数変換器などの諸用途に用いられる。水晶振動子は優れた圧電特性を有する水晶を使用することになるが、この際、水晶は安定した機械的振動発生器の役目を果たすことになる。
【0003】
水晶は高圧のオートクレーブ(autoclave)において人工的に成長させ、結晶軸を中心に切断し所望の特性を有するよう大きさと形状を加工してウェーハ(wafer)形態に作製する。この際、水晶は低い位相ノイズ(phase noise)と高いQ値、また時間と環境変化に対して低い周波数変化率を呈すよう形成しなければならない。
【0004】
水晶ウェーハを水晶振動子として用いるためには、水晶ウェーハをパッケージに固定させ、且つ電気的な連結のためウェーハ表面に電極を形成しなければならない。また、水晶ウェーハは外部の電気的素子等と連結させるべきで、そのためにパッケージと水晶ウェーハとを導電性接着剤で接着する。この際、水晶振動子の優れた振動効率と外部衝撃に対する信頼性確保のためには充分な接着領域を確保しなければならない。
【0005】
そして、パッケージに固定させた水晶ウェーハを外部環境と汚染物質から保護すべく密封する。水晶発振器は外部の環境的変化と汚染などにより動作効率と品質が大変影響されるものであるが、その為、水晶パッケージのリーク量(leak rate;リーク率)が大変低くなるように密封しなければならない。このためにセラミックパッケージ上に金属製のリブ(rib)支持層を接着してから、前記リブ支持層と同一材質のリブを覆わせて電気的溶接により密封する。この際、セラミックと金属、金属と金属間接着部位の気密性が大変重要で、外部からの汚染物が入り込む場合、信頼性などの諸特性が悪化する問題が生じる。
【0006】
最近、個人携帯通信及び無線通信器の発達に伴う個人携帯端末機と無線機器の小型化により周辺素子の小型化が急激に進んでいる。それに比べて水晶振動子は周辺素子より容量が比較的大きい。これは、水晶振動子の外部との電気的、機械的連結における限界性と水晶ウェーハの小型化における限界により水晶振動子の空間的制約が増加するからである。とりわけ、温度補償型水晶振動子(TCXO)のパッケージに装着させる水晶振動子は全体の体積がより嵩張り、小型化のニーズが高まっており、それに合わせて従来の水晶振動子の小型化及びスリム化技術がより必要となってきている。
【0007】
図4(A)及び図4(B)は従来の水晶振動子の断面図である。図4(A)及び図4(B)によると、水晶振動子のパッケージは底面となる基底層(211)を含み、基底層(211)上に水晶(216)を支持するバッファ層(212)が形成される。そして、バッファ層(212)上には水晶振動子の振動空間を確保すると共にバッファ層(212)と絶縁させるべく絶縁層(213)が形成される。前記基底層(211)とバッファ層(212)、絶縁層(213)は全てセラミックから成り、とりわけバッファ層(212)の上部面には水晶振動子と電気的に連結される電極(218)が塗布される。前記バッファ層(212)は水晶の安定した発振及び外部衝撃から水晶を保護して外部端子と連結させる電極の役目を果たす。前記バッファ層(212)の電極(218)には導電性接着剤(219)で水晶(216)が付着され、電極と電気的に連結される。前記絶縁層(213)の上部にはセラミックパッケージの蓋として働くリブ(215)を支持するリブ支持層(214)が形成され、リブ支持層(214)上に密封すべくリブ(215)が覆われる。
【0008】
図4(A)及び4(B)のような従来の水晶振動子セラミックパッケージは、基底層から最上部リブまで合わせて5層から成り、その大きさを小型化するには困難である。したがって、こうした従来の構造を改善した他の構造が当技術分野において研究されてきた。
【0009】
図5は従来の他の水晶振動子セラミックパッケージを示す。図5によると、基底層(221)上にバッファ層(222)(222’)が形成されるが、このバッファ層(222)(222’)はタングステンまたはモリブデンなどの蒸着膜で約10μm厚に形成される。バッファ層(222)上にはAu等の金属メッキが施され、導電性接着剤(229)で水晶(226)が取り付けられる。基底層(221)の上部周囲には絶縁層(223)が形成されて壁を成し、また絶縁層(223)上にはリブ(225)を支持すべく支持層(224)が形成される。前記絶縁層(223)は絶縁セラミックから成りバッファ層と支持層(224)との間で絶縁の役目を果たすことになり、支持層(224)はリブと同じ金属材質から成る。
【0010】
図5のような構造の水晶振動子セラミックパッケージは従来のものより積層層数が減った構造となるが、基底層が図4の基底層より厚いという問題を抱えている。即ち、基底層上に厚薄のバッファ層を形成し、その上に水晶を取り付けるので外部衝撃や破損などから水晶を保護するためには底が厚くなければならず、このことから全体のセラミックパッケージ厚さが薄くさせ難くなる。さらに、薄いバッファ層のため外部衝撃に対する水晶の安全性面において脆くなる。
【0011】
一方、図6は特願2000−124765号公報に記載の水晶振動子及びその製造方法に関する図であり、従来のさらに他の水晶振動子セラミックパッケージの構造を示す。図6の水晶振動子は、電極が形成された水晶板(236)、水晶板を支持する支持部(232)、前記水晶板の電極と外部回路とを導電させる導電手段を備えた第1基板(231)、蓋の役目を果たす第2基板(235)、側壁を成し前記水晶板を封止する樹脂材から成る絶縁層(233)を含み、さらに前記絶縁層(233)内にはガラスボール(234)を含んだ構造となっている。
【0012】
【特許文献1】
特願2000−124765号公報
前記のような図6の水晶振動子セラミックパッケージ構造においては、樹脂材から成る絶縁層(233)が溶けながらパッケージを密封するのであるが、この際、樹脂材から成る絶縁層(233)のみ用いると、絶縁層(233)が溶ける過程で高さを一定に保てない問題が生じるので、一定の高さを保つためにガラスボール(234)を第1基板(231)の周辺に先に配置しなければならない。こうした構造ではガラスボール(234)が不可欠となり製品の生産コストが増してしまう欠点があり、熱のため樹脂材から成る絶縁層(233)が溶ける際、ガスや粉塵などが発生して水晶板やパッケージ内部を汚染し品質変化を招き、このことから信頼性に重大な問題を起こす。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような問題点を解決するためのもので、水晶振動子のセラミックパッケージの構造を改善して、より小型化された水晶振動子セラミックパッケージを提供することに目的がある。
【0014】
また、本発明は水晶と接触する電極の面積を減らして水晶容器の浮遊容量を減少させ、パッケージのセラミック層を減らして熱容量を減少させ蓋のリブを密封するための溶接電力を省力し水晶に及ぼされる溶接による発熱の影響を減らすことに目的がある。
【0015】
さらに、本発明はセラミックパッケージを小型化させ且つ全体的な歪みを減少させ、充分な強度のセラミックパッケージを提供することに目的がある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は水晶振動子セラミックパッケージにおいて、外部端子が形成される基底層;前記基底層の周縁部上に形成され、一側上面に前記基底層の外部端子と電気的に連結される内部端子が形成されるバッファ層;前記バッファ層の内部端子と電気的に連結される電極が形成され、前記バッファ層上に振動可能に実装される水晶板;前記バッファ層の周縁部に前記バッファ層の内部端子と一定間隔離隔するよう形成される支持層;及び、前記水晶板実装部位を密封するために前記支持層に覆われるリブを含む水晶振動子セラミックパッケージを提供する。好ましくは、前記支持層とリブは金属材から成り、また前記基底層と前記バッファ層との間にはタングステン金属接着層が形成され前記基底層と前記バッファ層とを相互接着させるようになる。好ましくは、前記水晶板は導電性接着剤により前記バッファ層の一側上に接着され、この際、前記バッファ層の一側に形成された内部電極の中心部には凹溝が形成され前記凹溝を中心に導電性接着剤が塗布されるようになる。また、好ましくは、前記基底層の外部端子と前記バッファ層の内部端子とは前記基底層及び前記バッファ層に形成されるバイアホールにより電気的に連結される。
【0017】
さらに、前記のような目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は水晶振動子セラミックパッケージにおいて、下部面に外部端子が形成される基底層;前記基底層の周縁部上に形成され、一側上面に前記基底層の外部端子と電気的に連結される内部端子が形成されるバッファ層;前記バッファ層の内部端子と電気的に連結される電極が形成され、前記バッファ層上に振動可能に前記バッファ層の内部端子側に導電性接着剤により接着される水晶板;前記バッファ層中内部端子が形成された一側及びそれに対向する他側が露呈するよう前記バッファ層の周縁部上に形成される金属材の支持層;及び、前記水晶板実装部位を密封するために前記支持層に覆われる金属材のリブを含み、前記バッファ層の一側上面に形成される内部端子は前記支持層と接触しないよう一定間隔離隔するよう形成されることを特徴とする水晶振動子セラミックパッケージを提供する。好ましくは、前記基底層と前記バッファ層の間にはタングステン金属接着層が形成され前記基底層と前記バッファ層とを相互接着させるようになり、前記バッファ層の一側に形成された内部電極の中心部には凹溝が形成され、前記凹溝を中心に導電性接着剤が塗布されるようにすることができる。また、好ましくは、前記基底層の外部端子と前記バッファ層の内部端子とは前記基底層及び前記バッファ層に形成されるバイアホールにより電気的に連結されることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について添付の図面に基づきより詳しく説明する。図1(A)及び図1(B)は本発明によるセラミックパッケージを示すもので、図1(A)はその側断面図、図1(B)はその平面図である。
【0019】
本発明による水晶振動子セラミックパッケージは、従来に比して積層するセラミックの層数を減らすことにより全体パッケージの厚さを薄くさせられる構造を提供する。そのために本発明は、バッファ層とリブ支持層との間に形成され絶縁機能を行う絶縁層を省略した構造となる。これをより詳しく説明する。
【0020】
図1(A)によると、本発明によるセラミックパッケージは最下面に形成される基底層(101)を含む。基底層(101)はセラミック基板の形態であり、その下部面に外部端子が形成されるようになる。外部端子はセラミックパッケージに実装される水晶に電源を供給する役目を果たし、セラミックパッケージの基底層には外部端子と対応する位置にバイアホールが形成され上部面まで電気的に連結されるようになる。
【0021】
前記基底層(101)の上部にはバッファ層(102)が位置する。バッファ層(102)は基底層(101)の上部周囲に積層形成され、またバッファ層(102)の上部面には基底層(101)の外部端子と電気的に連結されるよう内部端子(108)が形成される。バッファ層(102)は水晶板(106)を支持する役目を果たし、また、水晶板(106)に加わる外部からの衝撃を吸収して水晶を保護する役目も働く。
【0022】
前記バッファ層(102)も前記基底層(101)と同様セラミック材質から成り、基底層(101)とバッファ層(102)は既に焼結された状態の強固なセラミックである為、タングステン金属接着層を介して相互接着される。該タングステン金属接着層は金属材で、その上下にセラミック材質が位置し互いに熱膨張係数が異なることになるので、水晶振動子セラミックパッケージに熱による全体的な反り(camber)が発生するという問題も抱えていた。
【0023】
しかし、本発明のようにセラミック層が2層のみで構成される場合、セラミック層間に接着のため挟まれる金属接着層が1層に限られ熱変形を縮減させられるようになる。従来は前記バッファ層(102)上に更なる壁を成す絶縁層を用いていたが、こうした更なるセラミック絶縁層とバッファ層(102)とを接合するための更なる金属接着層が本発明では不要なのである。
【0024】
さらに、バッファ層(102)は水晶の安定的な発振及び外部衝撃からの保護の役目として働くが、こうした役目を正常的に行うには、従来、即ち図5のように基底層の中央部側に薄く形成されただけでは充分でない。したがって、本発明はバッファ層をそのまま使用しながらも従来用いられていた絶縁層を省略できる構造を採用する。
【0025】
本発明の実施の形態による基底層(101)の高さは0.13mmで、この際、水晶が固定されるバッファ層(102)の高さは0.1mmとして全体で0.23mmの高さをセラミックパッケージの最下部面から保つことになる。これは水晶が安定して発振するのに充分な高さで、また水晶に加わる衝撃を吸収できる高さである。
【0026】
本発明によるバッファ層(102)の上部に形成される内部端子(108)は、図1(B)に示すようにバッファ層(102)の上部に位置する支持層(104)と一定間隔離隔するよう形成される。先ず、バッファ層(102)の上部周縁部に支持層(104)が形成されるが、こうした支持層(104)はバッファ層(102)に固定される水晶板(106)を密封状態に維持するための蓋として働くリブ(105)を支持するための層となる。
【0027】
こうした支持層(104)はバッファ層(102)より幅狭な形態で位置され、また前記リブ(105)が金属材質なので、支持層(104)も同じく金属材質から成る。前記リブ(105)は支持層(104)上に密封されるよう接合されて絶縁コーティングされた金属板となり、これはとりわけシールド効果を奏するのでノイズ対策にもなる。このようなリブ(105)は支持層(104)に電気溶接で積層され、こうして支持層(104)もやはりリブと同じ材質の金属材から成る。
【0028】
支持層(104)は前記バッファ層(102)上に位置されながら、且つバッファ層(102)上に形成される内部端子(108)と相互に接触しないよう一定間隔離隔するよう位置されなければならない。このように一定間隔で離隔していないと金属材の支持層(104)と内部端子(108)との間にショート(short)が発生し、その結果、支持層(104)が接地の役目として働き水晶板(106)が発振するのを妨げるようになる。即ち、従来の絶縁層の役目を支持層(104)と内部端子(108)との離隔距離が代替するものと言える。
【0029】
前記のようにバッファ層(102)の上部には支持層(104)が設けられ、該支持層(104)と一定距離離隔するようバッファ層(102)に内部端子(108)が形成される。前記内部端子(108)は水晶板(106)との接触面積と同じ面積でプリンティングされて形成される。こうした本発明による内部端子(108)は図1(B)のように、従来の端子に比してその面積が減少し、こうした面積の減少は水晶振動子セラミックパッケージの金属パターンの面積を減少させ、水晶容器の浮遊キャパシタンス(capacitance)を減少させ、浮遊容量による影響も同じく減少させる効果を奏する。
【0030】
バッファ層(102)は図1(A)のように、左右側が前記支持層(104)より突出するように形成され、図左側のバッファ層に内部端子が形成される構造となっている。水晶板(106)はこのように内部端子の形成されたバッファ層上に固定され、したがって内部端子が形成されないバッファ層には別途に固定されない。これは水晶板の一側のみ固定して他側が自在に振動できるようにするためである。
【0031】
前記水晶板(106)には前記バッファ層の内部端子(108)と電気的に連結される電極が形成される。水晶板(106)の電極は金(Au)または銀(Ag)の蒸着により形成され、前記バッファ層(102)の内部端子(108)とは導電性接着剤(109)により電気的に連結されながら固定される。
【0032】
図2は本発明によるセラミックパッケージの絶縁領域及び変形の実施の形態を示すものである。前記内部端子(108)には、図2のように中心部に凹溝(112)が形成されることができる。凹溝(112)は水晶板(106)を固定するための導電性接着剤(109)の塗布位置を正確に形成させるためと、バッファ層の内部端子(108)と水晶板(106)の接着強度を増大させるためのもので、図3のように凹溝(112)に接着剤(109)が充填されながら内部端子面に塗布される。こうした構造の凹溝により内部端子面に塗布される導電性接着剤の塗布位置がより正確になり、内部端子面と水晶板の定位置での接着が可能になり、また内部端子と支持層との離隔距離内に前記導電性接着剤が流れ込むことを防ぐことができると共に、バッファ層の内部端子(108)上に十分な導通領域を確保できるため、水晶振動子の導通性能、耐衝撃性能を向上させることができる。そして、内部端子(108)の離隔形成領域、即ち絶縁領域(A)が図2に示してある。前記絶縁領域は支持層と隣接する全ての面に形成される。
【0033】
前記リブ(105)は前記支持層(104)上に密封されるよう付着される。リブ(105)は水晶板(106)が実装されたセラミックパッケージ内部の密封状態を維持させるためのもので、通常セラミックパッケージ内部の水晶板実装空間には酸化防止ガスとして不活性ガスが封入される。こうして水晶振動子の内部水晶板は、温度の影響を受け難くなり内部での腐食が防止される等の効果を奏するようになる。また、前記リブ(105)は、前記支持層(104)とシーム(seam)溶接法により密封溶接される。前記シーム溶接によりリブと支持層とが接触し合う縁部分が相互溶接され、この際、前記のような電気溶接方式で溶接する場合、本発明では従来に比してミック層が3層から2層に減るため、抵抗層が減少し溶接に必要な電力を省力できる利点を奏する。さらに、セラミック層の厚さが縮減する為に溶接により伝わる熱が速やかに外部へ放出されるようになり、こうして内部水晶板に熱による損傷が生じることを防止できるようになる。
【0034】
前記のような構造から成る本発明のセラミックパッケージにおいて、好ましくは前記基底層(101)の外部端子と前記バッファ層(102)の内部端子とは、前記基底層及びバッファ層に各々形成されるバイアホール(図示せず)を通して相互電気的に連結される。
【0035】
前述したように、本発明の実施の形態によると基底層(101)の高さは0.13mmで、この際、水晶の固定されるバッファ層(102)の高さは0.1mmとなり、支持層とリブを合わせた高さは0.2mmになるようにさせられる。このように、従来の絶縁層を形成したセラミックパッケージとは異なって、絶縁層が省略され、バッファ層(102)に絶縁領域の形成された内部端子を用いる構造から成る本発明は水晶振動子の薄型化に寄与することができる。
【0036】
本発明は特定の実施の形態に係り図示・説明したが、上述の特許請求の範囲により具備される本発明の精神や分野を外れない限度内において本発明が多様に改造及び変化され得ることは当業界において通常の知識を有する者であれば容易に想到できることは明らかである。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、従来用いられていたセラミック絶縁層を省略し、内部端子がリブを支持する支持層と絶縁されるよう絶縁領域が形成されるよう構成して、より薄型化された水晶振動子セラミックパッケージを提供できるようになる。また、本発明は水晶と接触する電極の面積を減らして水晶容器の浮遊容量を減少させ、パッケージのセラミック層を減らして熱容量を低減させ、蓋であるリブの密封のための溶接電力を節減し水晶に加わる溶接時発熱の影響を減らすようになる。さらに、本発明はセラミックパッケージを小型化させながらもセラミック層同士の接着のための金属製接着層の数を減らして、セラミックと金属の異なる熱膨張による全体の歪みの発生を減少させ、充分な強度を有するセラミックパッケージを提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)及び(B)は本発明によるセラミックパッケージを示すもので、(A)は側断面図、(B)は平面図である。
【図2】本発明によるセラミックパッケージの絶縁領域及び変形の実施の形態を示す図である。
【図3】本発明による内部端子の凹溝断面を示す断面図である。
【図4】(A)及び(B)は従来の水晶振動子セラミックパッケージに関するもので、(A)は側断面図、(B)は平面図である。
【図5】従来の他の水晶振動子セラミックパッケージの側断面図である。
【図6】従来のさらに他の水晶振動子セラミックパッケージの側断面図である。
【符号の説明】
101 基底層
102 バッファ層
104 支持層
105 リブ
106 水晶板
108 内部端子
109 導電性接着剤
112 凹溝
Claims (10)
- 水晶振動子セラミックパッケージにおいて、
外部端子が形成される基底層と、
前記基底層の周縁部上に形成され、一側上面に前記基底層の外部端子と電気的に連結される内部端子が形成されるバッファ層と、
前記バッファ層の内部端子と電気的に連結される電極が形成され、前記バッファ層上に振動可能に実装される水晶板と、
前記バッファ層の周縁部に前記バッファ層の内部端子と一定間隔離隔するよう形成される支持層と、
前記水晶板実装部位を密封すべく前記支持層を覆うリブと、
を有することを特徴とする水晶振動子セラミックパッケージ。 - 前記支持層とリブは金属材であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記基底層と前記バッファ層との間にはタングステン金属接着層が形成されて前記基底層と前記バッファ層とを相互接着させることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記水晶板は導電性接着剤により前記バッファ層の一側上に接着されることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記バッファ層の一側に形成された内部端子の中心部には凹溝が形成され、前記凹溝を中心に導電性接着剤が塗布されることを特徴とする請求項4に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記基底層の外部端子と前記バッファ層の内部端子とは、前記基底層及び前記バッファ層に形成されるバイアホールを通して電気的に連結されることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 水晶振動子セラミックパッケージにおいて、
下部面に外部端子が形成される基底層と、
前記基底層の周縁部上に形成され、一側上面に前記基底層の外部端子と電気的に連結される内部端子が形成されるバッファ層と、
前記バッファ層の内部端子と電気的に連結される電極が形成され、前記バッファ層上の内部端子側に振動可能なよう導電性接着剤で接着される水晶板と、
前記バッファ層のうち内部端子の形成された一側及び前記一側に対向する他側が露呈するよう前記バッファ層の周縁部上に形成される金属材の支持層と、
前記水晶板実装部位を密封すべく前記支持層を覆う金属材のリブを含み、前記バッファ層の一側上面に形成される内部端子は前記支持層と接触しないよう一定間隔離隔するよう形成されることを特徴とする水晶振動子セラミックパッケージ。 - 前記基底層と前記バッファ層との間にはタングステン金属接着層が形成されて前記基底層と前記バッファ層とを相互接着させることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記バッファ層の一側に形成された内部端子の中心部には凹溝が形成され、前記凹溝を中心に導電性接着剤が塗布されるようにすることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
- 前記基底層の外部端子と前記バッファ層の内部端子とは、前記基底層及び前記バッファ層に形成されるバイアホールを通して電気的に連結されることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子セラミックパッケージ。
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