JP2008113234A

JP2008113234A - 水晶発振器

Info

Publication number: JP2008113234A
Application number: JP2006294919A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Niiyama; 高弘新山
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15

Abstract

【課題】
小型化に伴い水晶振動素子が小型化され引き出し電極面積が小さくなっても支持部と水晶振動素子との密着強度を小さくしない主電極層構造の水晶振動素子を有す良好なリフロー特性の水晶発振器を提供すること。
【解決手段】
絶縁性基体の表主面の第１の空間部を囲う凹形状容器内の絶縁性基体表主面上には発振回路が組み込まれた集積回路素子が搭載され、絶縁性基体の第１の空間部上面に形成された第２の空間部を囲う同じく凹形状容器内には集積回路素子に接続電極部を通じて接続される水晶振動素子が収容され、第１、及び第２の空間部を囲う容器は接続電極部を介し接合され、第２の空間部を囲う容器開口上縁部に蓋体が載置され気密封止される水晶発振器で、内部の水晶振動素子表裏面に付けられた高融点金属から成る下地主電極層両面の膜厚の和数が３０Å以上、９０Å以下の主電極層構造とされ課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子の小型化により、水晶振動素子自体も小型化されて、引き出し電極面積が小さくなっても支持部と水晶振動素子との密着強度を小さくすることがない主電極層構造を有する水晶振動素子が搭載された、良好なリフロー特性を有する水晶発振器に関する。

独立した電子部品の一つにもなる水晶発振器の水晶振動子の部分は、水晶振動素子の表裏主面上に、水晶振動素子を励振させる励振電極と、水晶振動素子を収納するベース容器に形成される支持部との接続をとるための接続用電極と、励振電極と接続用電極とを導通接続する引き出し電極とを形成して構成される。水晶振動子の小型化に伴い、水晶振動素子の形状として小型の短冊形状が主流となって来ている。更に小型化に対応するために、従来では水晶振動素子側の引き出し電極とベース容器側の支持部との導通固着手段として導電性接合材を使用していた。

図５は、従来技術の一例として、各種電極を形成した水晶振動素子５２をベース容器５６に収納し導電性接合材５８により導通固着した状態を示した水晶振動子５０の断面図である。即ち、水晶振動素子５２を構成する水晶振動素子５２の表裏主面上には、対向する励振電極５３と、励振電極５３から水晶振動素子５２の一方の短辺へ延設した接続用電極５４と、接続用電極５４と電気的に接続し且つベース容器５６側の支持部５７との導通を取るための引き出し電極５５とが形成されている。

このように構成された水晶振動素子５２を、ベース容器５６の空間内にベース容器５６内部底面にほぼ平行になるように配置する。その際に、水晶振動素子５２側の引き出し電極５５とベース容器５６側の支持部５７との間を、銀等の金属材料を含んだ銀ペーストといった導電性接合材５８により導通接続を行っている。又、この導電性接合材５８は水晶振動素子５２をベース容器５６内部で姿勢保持も行っている。水晶振動素子５２を内部空間に搭載したベース容器５６の開口部に、金属製の蓋体５９を配置し、ベース容器５６の内部空間を気密封止することで、水晶振動子５０が形成される。
前述のような水晶振動素子５２については、以下のような文献が開示されている。

特開２００２−０５０９３７号公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外に本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

しかしながら、水晶振動子の小型化が進むにつれ、水晶振動子内部に搭載する水晶振動素子自体もその小型化が必須となり、それに伴い水晶振動素子主面上に接続用電極が形成できる領域が非常に狭くなり、引き出し電極形状が小さくなっている。そのため、引き出し電極の形成面積内に配置するベース容器上の支持部面積も小さくなり、その結果、支持部と引き出し電極間の接着強度が弱くなってしまい、最悪の場合、導通不良を起こす結果となるおそれがある。更に接触面積が小さいことから、水晶振動素子を保持する強度も弱く、水晶振動素子に外部より力が加わることで水晶振動素子の脱落が起こるおそれが高くなる。これらの不具合を回避するため、従来では、水晶振動素子を支持部へ実装する際に、水晶振動素子の側面にまで導電性接合材が被覆されるように水晶振動素子を支持部へ実装することで、水晶振動素子の保持接着強度の向上を図るなどしていたが、その結果、導電性接合材から水晶振動素子自体に必要以上のストレスが加わってしまい水晶振動素子の振動特性が不安定となりリフロー特性の周波数変動が大きくなるおそれがあるという問題があった。

本発明は上記欠点に鑑み考え出されたものであり、従ってその目的は、水晶発振器の水晶振動子の部分の小型化により、水晶振動素子自体も小型化されるにつれて引き出し電極面積が小さくなり、従来に比べて導電性接合材の使用出来得る量が制約された場合においても支持部と水晶振動素子との密着強度を小さくすることが無い、支持部と引き出し電極間の接着強度を確保する手段に関わらない水晶素板での残留応力の影響を減じた主電極層構造を有する水晶振動素子が搭載された、良好なリフロー特性を有する水晶発振器を提供することにある。

本発明の水晶発振器は、絶縁性基体の表主面に設けられた第１の空間部を囲う凹形状をした容器内の絶縁性基体の表主面上には発振回路が組み込まれた集積回路素子が搭載されており、絶縁性基体の第１の空間部上面に形成された第２の空間部を囲う同じく凹形状の容器内には先の集積回路素子に接続電極部を通じて電気的に接続される水晶振動素子が収容されており、第１の空間部を囲う容器と第２の空間部を囲う容器は接続電極部を介して接合されており、第２の空間部を囲う容器の開口上縁部に蓋体が載置され気密封止される水晶発振器において、先の水晶振動素子の表裏面に付けられた高融点金属から成る下地主電極層の両面の膜厚の和数が３０Å以上、９０Å以下とされていることを特徴とする。

また、本発明の水晶発振器は、上記構成において、先の下地主電極層がクロム（Ｃｒ）から形成されていることを特徴とする。

本発明の水晶発振器によれば、絶縁性基体の表主面に設けられた第１の空間部を囲う凹形状をした容器内の絶縁性基体の表主面上には発振回路が組み込まれた集積回路素子が搭載されており、絶縁性基体の第１の空間部上面に形成された第２の空間部を囲う同じく凹形状の容器内には先の集積回路素子に接続電極部を通じて電気的に接続される水晶振動素子が収容されており、第１の空間部を囲う容器と第２の空間部を囲う容器は接続電極部を介して接合されており、第２の空間部を囲う容器の開口上縁部に蓋体が載置され気密封止される水晶発振器において、先の水晶振動素子の表裏面に付けられた高融点金属から成る下地主電極層の両面の膜厚の和数が３０Å以上、９０Å以下とされ、下地主電極層のＣｒ膜厚を薄くされることで、残留応力の開放がし易くなるのでリフロー特性（水晶振動子を実装回路基板上にリフロー実装した時の加熱により水晶振動素子内の残留応力が開放された結果、周波数変動を起こす特性）の周波数変動を抑えることが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。

図１は本発明の実施形態における水晶発振器の図２に示すＸ−Ｘ’線断面図であり、図２は本発明の水晶発振器の水晶振動子部分から蓋体４を取り外し、第２の空間部９を上面から見た上面図である。図１に示す水晶発振器は、集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の下面に電極端子１９が設けられ、集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の上面には集積回路素子７が搭載されている。また、集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の第１の空間部１５を囲う側面には壁体１３、壁体１３の外側面には複数個の書込制御端子１１が形成されている。また、図１に示すように壁体１３の上面には、水晶振動素子５が収容されている水晶振動子１を載置して固定した構造を有している。

図１において水晶振動子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基板２と、基板２と同様のセラミック材料から成る側壁３、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成る蓋体４とから成り、前記基板２の上面に側壁３を取着させ、その上面に蓋体４を載置して固定させることによって水晶振動子１が構成され、側壁３の内側に位置する基板２の上面に水晶振動素子５が実装されている。

前記水晶振動子１は、その内部に、具体的には基板２の上面と側壁３の内面と蓋体４の下面とで囲まれる第２の空間部９内に水晶振動素子５を収容して蓋体４が載置されて気密封止されており、基板２の上面には水晶振動素子５の励振電極６に接続される一対の搭載パッド等が、基板２の下面には後述する絶縁性基体１０上の壁体１３に接続される複数個の第２の接続電極部１７がそれぞれ設けられ、これらのパッドや端子は基板２表面の配線パターンや基板内部に埋設されているビアホール等を介して、対応するもの同士、相互に電気的に接続されている。

一方、水晶振動子１の内部に収容される水晶振動素子５は、所定の結晶軸でカットされた水晶素板の両主面に一対の励振電極６が被着・形成されて成り、外部からの変動電圧が一対の励振電極６を介して水晶素板に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こす。また、励振電極６は高融点金属であるクロム（Ｃｒ）層から成る下地主電極層２２とＡｕ層からなる上層主電極層２３から形成されている。

ここで水晶振動子１の蓋体４を水晶振動子１の第２の接続電極部１７や絶縁性基体１０の第１の接続電極部１８を介して後述するグランド端子用の電極端子１９に接続させておけば、その使用時に、金属から成る蓋体４が基準電位に接続されてシールド機能が付与されることと成るため、水晶振動素子５や集積回路素子７を外部からの不要な電気的作用から良好に保護することができる。従って、水晶振動子１の蓋体４は水晶振動子１の第２の接続電極部１７や絶縁性基体１０の第１の接続電極部１８を介してグランド端子用の電極端子１９に接続させておくことが好ましい。

そして、上述した水晶振動子１が取着される集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０は概略矩形状を成しており、ガラス布基材エポキシ樹脂やポリカーボネイト，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料やガラス−セラミック，アルミナセラミックス等のセラミック材料等によって平板状を成すように形成されている。

前記集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０は、基板領域の下面の四隅部に４つの電極端子１９（それぞれ電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）が形成され、上面の四隅部を囲む周縁には壁体１３が、また上面の中央域にはフリップチップ型の集積回路素子７が、更に四隅部間の壁体１３の外側側面には書込制御端子１１が設けられている。

前記集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の下面に設けられている４つの電極端子１９は、水晶発振器をマザーボード等の実装回路基板に接続するための端子として機能するものであり、水晶発振器を実装回路基板上に搭載する際、実装回路基板の回路配線と半田等の導電性接合材を介して電気的に接続される。

また、前記集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の上面に設けられる壁体１３で、集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０と水晶振動子１との間に、集積回路素子７を配置させるのに必要な所定の間隔を確保しつつ、集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の第１の接続電極部１８を水晶振動子１の第２の接続電極部１７に半田層１２を介して接続する。

更に、上述した集積回路素子７を収容する第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０の中央域には、複数個の電極パッドが設けられており、これら電極パッドに集積回路素子７の接続パッドをＡｕバンプや半田、または異方性導電接着材等の導電性接合材８を介して電気的、及び機械的に接続させることによって集積回路素子７が第１の空間部１５を有する絶縁性基体１０上の所定位置に取着される。

前記集積回路素子７は、その回路形成面（下面）に、周囲の温度状態を検知するサーミスタといった感温素子、水晶振動素子５の温度特性を補償する温度補償データを格納するメモリ、メモリ内の温度補償データに基づいて水晶振動素子５の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、先の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、この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。

ここで、本発明の特徴部分は図１、図２に示すように、絶縁性基体１０の表主面に設けられた第１の空間部１５を囲う凹形状をした容器内の絶縁性基体１０の表主面上には発振回路が組み込まれた集積回路素子７が搭載されており、絶縁性基体１０の第１の空間部１５上面に形成された第２の空間部９を囲う同じく凹形状の容器内には集積回路素子７に接続電極部１７，１８を通じて電気的に接続される水晶振動素子５が収容されており、第１の空間部１５を囲う容器と第２の空間部９を囲う容器は接続電極部１７，１８を介して接合されており、第２の空間部９を囲う容器の開口上縁部に蓋体４が載置され気密封止される水晶発振器において、水晶振動素子５の表裏面に付けられた高融点金属から成る下地主電極層２２の両面の膜厚の和数が３０Å以上、９０Å以下として、下地主電極層２２として用いられるクロム（Ｃｒ）膜厚を薄くすることでリフロー特性の周波数変動を抑えることが可能となる。このリフロー特性の周波数変動が小さく抑えられる様子は図３のグラフに示されている。ここで図３の縦軸は水晶発振器のリフローによる周波数変化率ΔＦ（ｐｐｍ）、横軸は下地主電極２２に用いられるクロム膜の水晶振動素子５の両面の膜厚の和数（Å）である。図３よりクロム（Ｃｒ）の膜厚の和数が９０Å以下であるとリフロー加熱（ピーク温度：約２４０℃〜２６０℃）による周波数変化率がー０．５ｐｐｍ以下で安定しているのがわかる。今回の実験においては放電パワーを０．２１ＫＷに固定し搬送速度を変更することで成膜されるＣｒ膜厚の制御を行っている。尚、従来においては下地主電極層の膜厚の和数を１５０Å（搬送速度３０００〜５０００ｐｐｓ）程度としており、リフロー加熱での周波数変化率がー１．５ｐｐｍ程度と大きく、ＧＰＳ対応等の高精度が要求される水晶発振器には好ましくないおそれがあった。また、上層主電極層２３については、膜厚３５００〜４０００Å程度のＡｕ層が上層主電極層２３として形成されている。

なお、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、上述の実施形態においては、図１に示すように下地主電極層２２にクロム（Ｃｒ）を用いているが、これに代えて水晶素板と馴染みの良いニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、ニクロム、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）等の金属材料を用いて下地主電極層を形成しても全く構わず、この場合においても本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでも無い。

本発明の実施形態にかかる水晶発振器の側面方向からみた概略の断面図である。なお、図１の下方の図は上方の図の一部（２１）を拡大した図である。本発明の実施形態にかかる水晶発振器の、水晶振動子の部分である第２の空間部を上方から見た概略の上面図である。本発明の実施形態にかかる水晶発振器の、リフロー周波数変化率（縦軸）と下地主電極層と成るＣｒ膜厚（横軸）の関係を示すグラフである。従来の水晶振動素子が内部に搭載された、水晶発振器の水晶振動子部分を水平方向からみた概略の側面断面図である。

符号の説明

１・・・水晶振動子
２・・・基板
３・・・側壁
４・・・蓋体
５・・・水晶振動素子
６・・・励振電極
７・・・集積回路素子
８・・・導電性接合材
９・・・第２の空間部
１０・・・絶縁性基体
１１・・・書込制御端子
１２・・・半田層
１３・・・壁体
１５・・・第１の空間部
１７・・・第２の接続電極部
１８・・・第１の接続電極部
１９・・・電極端子
２１・・・導電性接合材
２２・・・下地主電極層
２３・・・上層主電極層
２４・・・支持部

Claims

絶縁性基体の表主面に設けられた第１の空間部を囲う凹形状をした容器内の該絶縁性基体の表主面上には発振回路が組み込まれた集積回路素子が搭載されており、該絶縁性基体の該第１の空間部上面に形成された第２の空間部を囲う同じく凹形状の容器内には該集積回路素子に接続電極部を通じて電気的に接続される水晶振動素子が収容されており、該第１の空間部を囲う該容器と該第２の空間部を囲う該容器は該接続電極部を介して接合されており、該第２の空間部を囲う該容器の開口上縁部に蓋体が載置され気密封止される水晶発振器において、

該水晶振動素子の表裏面に付けられた高融点金属から成る下地主電極層の両面の膜厚の和数が３０Å以上、９０Å以下であることを特徴とする水晶発振器。
該下地主電極層がクロム（Ｃｒ）から形成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。