JP4685273B2

JP4685273B2 - Piezoelectric oscillator and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4685273B2
Application number: JP2001165654A
Authority: JP
Inventors: 宏和小林
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: JP2002359523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
無線通信機器や携帯電話機などの移動体通信分野と、ＧＰＳ、コンピュータ、音響製品、ビデオデッキ、ビデオカメラ、家庭電化製品などをはじめとするあらゆるクロック信号源に使用される発振器を小型化できる圧電発振器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６の一例に示すように一般的な発振器は、積層基板に発振回路用印刷パターンを配置したものや、単板基板に多層印刷を施し導通パターンを配置した基板の同一平面上に発振回路を構成するコンデンサ、抵抗、集積回路などの半導体部品と同一の雰囲気中に気密封止された圧電振動子を搭載し発振器を構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
発振器を構成する圧電振動子は環境温度により周波数が変化する温度特性を持っている。その一例としてＡＴカットの水晶振動子では、中心周波数の変動が最も少ない温度を２５℃近辺に設定し、高温側と低温側では周波数変動が大きくなるというＡＴカットの水晶振動子特有の温度特性を持っていることが知られている。
【０００４】
最近の傾向として無線通信機器や携帯電話機など移動体通信分野を中心に小型化、軽量化、低価格化が急激な展開を見せている。そのため、これらの要求に対応した温度補償発振器の小型化、低価格化を実現しようとすると、積層基板の同一平面上に半導体部品と気密封止された圧電振動子とが搭載される構造になっているため、圧電振動子の気密容器構造分だけ搭載面積が必要となり、小型化する上で制約を受けることになる。また、仮に圧電振動子のみを気密封止せずに発振回路部品と一体化して気密容器構造にし小型化すると、特に温度補償型圧電発振器の場合では、温度補償発振器でありながら温度補償発振器を構成する半導体部品の発熱により圧電振動子の周囲環境温度が変化してしまうため、温度補償特性の維持が難しいのが現状である。
【０００５】
一方、低価格化の実現については、温度補償発振器を構成する圧電振動子と半導体部品とでは、圧電振動子の費用に対し半導体部品の費用の方が高く、温度補償発振器の不良の要因は圧電振動子の諸特性に起因する場合が多いことから、組立前の圧電振動子の所望特性を満足させることと、半導体部品の消耗を抑える必要とが考えられ、更に低価格化を進める上では、圧電発振器を構成する主要部品（容器、圧電振動子、半導体部品）のコストダウンも重要となっている。
【０００６】
【課題を解決する手段】
これらの課題を解決するために本発明は、外形が略直方体であり、その一面には内部側に窪んだ凹状の開口部が設けられている容器と、前記開口部内に収納される圧電振動子と、前記圧電振動子と電気的に接続する半導体部品とで構成された圧電発振器において、前記半導体部品の所定の一面は、前記開口部の開口面積よりも大きく形成されており、前記半導体部品は、前記半導体部品の所定の一面と前記開口部の周囲とが封止部材を介して接合することにより前記開口部を気密に塞ぐように配置されており、且つ前記開口部の周囲に形成された導通用のパターンと前記半導体部品の端子部とが電気的に接続していることを特徴とする圧電発振器であり、又前記封止部材を異方性導電部材とすることにより課題を解決するものである。
【０００７】
要するに、発振回路である半導体部品をフタとして利用し、圧電振動子を収納する凹状の開口部を有する容器を密閉構造とするもので、圧電振動子と半導体部品との電気的な接続には、フリップチップボンディング、ワイヤーボンディング手法、異方性導電部材が用いられており、容器の半導体部品が配置される面に導通用のパターンが形成された構造を持つ圧電発振器である。従って、発振回路を構成する半導体部品は圧電振動子のフタとして露出する格好となるが、外的抗力などから半導体部品の破損や短絡防止を行うために圧電振動子のフタ上面全体を保護材で被うことも有効な手段となる。
【００１０】
【背景】
昨今上述の圧電発振器は、特に圧電振動子やそれを収納する容器の外形寸法が非常に小さくなってきている。それに対し、圧電発振器の温度補償回路部を担う半導体部品は、三次関数発生回路から成るアナログ動作の温度補償を行うことから、半導体部品の設計ルールや回路構成から見ると、半導体部品そのものの外形寸法と面積が、前述する容器外形に近づきつつある現状から、本発明に記載する形態を持つ圧電発振器に至るものである。
【００１１】
【本発明の実施の形態】
以下、添付図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。図１に本発明の圧電発振器３の断面図を示す。図１において圧電発振器３は容器６内部に圧電振動子１を搭載し、圧電振動子１を電気的に接続した容器６に樹脂、ガラス、セラミック材料などの絶縁材料あるいは、異方性導電部材からなる封止部材８で接合する半導体部品２（フタとした）により密閉容器構造にした圧電発振器３である。
【００１２】
従って容器６内部の詳細な配線についは図示していないが、フタとなる半導体部品２と容器６との接合面には半導体部品２と電気的に導通できるように導通パターン５が形成されている。これらの導通パターン５の一部と、容器６に収納される圧電振動子１とが電気的に接続されていて、また更には容器外部の電極部７と電気的な接続により、圧電発振器３からの周波数出力が基準クロックとして利用されるものである。
【００１３】
要するに、図２に示す半導体部品２（裏面）側から見た図のように、容器６と半導体部品２とで密閉容器を構成し、その内部に圧電振動子１を収納した、いわゆる圧電発振器３で、圧電振動子１を収納する容器６と半導体部品２とを付加し、圧電振動子１と電気的に導通を行うことにより圧電発振器３を構成するもので、圧電発振器３の高さ方向の厚みは、半導体部品２をフタとすることにより小型化することができる。
【００１４】
従って、半導体部品２により気密封止された容器６と、容器内部に収納される圧電振動子１とから構成する圧電発振器３で、容器内部に圧電振動子１を搭載しフタとして半導体部品２を被せて密閉構造にして圧電発振器３を得ることにより、発振回路を構成し圧電発振器３を得る。
【００１５】
この場合、フタとして半導体部品２が露出する格好となるが、外的抗力などから半導体部品２の破損や短絡防止を行うために半導体部品２全体を保護材で被うことも有効な手段のひとつとなる。本発明では、容器の材質はセラミック材料、樹脂材料を用いており半導体部品２と容器との接合と導通を確保するために、容器接合面には金属蒸着やメタライズ処理により形成することも有効性がある。
【００１６】
一方、半導体部品２により気密容器を実現することから、ユーザ側の搭載回路基板にはんだなどの搭載工程時を考慮すると、回路基板への搭載時のはんだ熱により気密容器内の圧が高くなり気密構造を維持するのが難しくなることから、本発明の封止工程については、真空環境の中で封止部材を硬化させることにより容器内圧の上昇を抑えることができる。このとき封止工程で用いる封止部材には、樹脂、ガラス、セラミック材料などの絶縁材料あるいは、異方性導電部材である。
【００１７】
なお、本実施例では、容器のフタとして半導体部品２により容器を密閉構造としており、搭載回路基板との接続電極部７の形状については、容器裏面から見た図３あるいは図４に示す実施形態が考えられる。図３では電極部７の形状として、容器の対向する一辺（７７）が連続した凸部形状であり、図４については電極部７が独立した凸部形態であることを示すものである。なお、ここでは図示していないが、図３と図４を組み合わせて、一方の辺が連続した凸部形状で他方が分離した凸部形態であっても、またその他の組合せであっても構わない。
【００１８】
本発明の実施例では搭載回路基板側に開口部４がありフタである半導体部品２を配置した形態で説明しているが、図５に図示するように、開口部４が搭載回路基板側とは反対の位置関係（図５（ａ））であったり、半導体部品２開口部４に埋まっていない状態（図５（ｂ））であったり、半導体部品２の電気的な接続にワイヤーボンディング工法（図５（ｃ））を用いたものでも、その形態を問うものではない。
【００１９】
また、本発明ではコスト低減の手段のひとつとして半導体部品２の消耗を考慮するために、温度補償発振器にあっては、圧電振動子１自体が所望の周波数特性を得たもののみに半導体部品２を搭載し、かつ、フタとして圧電発振器３を構成することにより、発振器全体の構成費比率を多く占める半導体部品２の消耗を抑えることを実現できる。従って従来の圧電発振器３に対し、特に厚み（高さ）方向の占有容積を抑えて小型化することを実現できたことと、圧電発振器３全体に対する圧電振動子１と半導体部品２の投入量といった歩留まりを向上することによりコストの削減も実現することができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明により発振回路を構成する半導体部品と圧電振動子を搭載するが、半導体部品を利用して圧電振動子を密閉構造にするためのフタとすることにより、圧電発振器自体の容積を少なくすることにより発振器全体を小型化することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の圧電発振器を裏面から見た平面図である。
【図３】本発明の電極部形状を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の電極部形状を示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図６】従来の圧電発振器を示す斜視図である。
【符号の説明】
１圧電振動子
２半導体部品
３圧電発振器
４開口部
５パターン
８封止部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Piezoelectric oscillators that can reduce the size of oscillators used in mobile communication fields such as wireless communication devices and mobile phones, and all clock signal sources including GPS, computers, audio products, video decks, video cameras, home appliances, etc. Related to the structure.
[0002]
[Prior art]
As shown in an example of FIG. 6, a general oscillator has an oscillation circuit on the same plane of a substrate on which a printed pattern for an oscillation circuit is arranged on a multilayer substrate, or a substrate on which a multi-layer printing is arranged on a single plate substrate. An oscillator is configured by mounting a hermetically sealed piezoelectric vibrator in the same atmosphere as semiconductor components such as capacitors, resistors, and integrated circuits.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The piezoelectric vibrator constituting the oscillator has a temperature characteristic in which the frequency changes depending on the environmental temperature. As an example, the AT-cut crystal unit has the temperature characteristic of the AT-cut crystal unit, in which the temperature with the smallest fluctuation in the center frequency is set to around 25 ° C, and the frequency change increases at high and low temperatures. It is known to have.
[0004]
As a recent trend, miniaturization, weight reduction, and price reduction are rapidly developing mainly in the mobile communication field such as wireless communication devices and mobile phones. For this reason, in order to reduce the size and the price of a temperature compensated oscillator that meets these requirements, a structure in which a semiconductor component and a hermetically sealed piezoelectric vibrator are mounted on the same plane of a multilayer substrate is provided. Therefore, the mounting area is required for the airtight container structure of the piezoelectric vibrator, and there are restrictions on downsizing. Further, if only the piezoelectric vibrator is integrated with the oscillation circuit component without hermetically sealing to reduce the size of the hermetic container structure, particularly in the case of the temperature compensated piezoelectric oscillator, the temperature compensated oscillator is configured. At present, it is difficult to maintain the temperature compensation characteristic because the ambient temperature of the piezoelectric vibrator changes due to heat generation of the semiconductor component.
[0005]
On the other hand, regarding the realization of lower prices, the cost of semiconductor parts is higher than the cost of piezoelectric vibrators in the piezoelectric vibrators and semiconductor parts that make up a temperature compensated oscillator. Since it is often caused by various characteristics of the vibrator, it is considered necessary to satisfy the desired characteristics of the piezoelectric vibrator before assembly, and to suppress the consumption of the semiconductor parts. Cost reduction of main parts (containers, piezoelectric vibrators, semiconductor parts) constituting the piezoelectric oscillator is also important.
[0006]
[Means for solving the problems]
In order to solve these problems, the present invention provides a container whose outer shape is a substantially rectangular parallelepiped and has a concave opening recessed on the inner side on one surface thereof, and a piezoelectric vibrator housed in the opening. And a piezoelectric oscillator composed of a semiconductor component electrically connected to the piezoelectric vibrator, wherein the predetermined surface of the semiconductor component is formed larger than an opening area of the opening, and the semiconductor component is The predetermined one surface of the semiconductor component and the periphery of the opening are arranged so as to hermetically close the opening by bonding via a sealing member, and formed around the opening pattern for conduction and said semiconductor component of the terminal portion is a piezoelectric oscillator which is characterized that you have electrically connected, and the sealing member solves the problem by an anisotropic conductive member It is.
[0007]
In short, a semiconductor part that is an oscillation circuit is used as a lid, and a container having a concave opening that houses a piezoelectric vibrator is used as a sealed structure. For electrical connection between the piezoelectric vibrator and the semiconductor part , The piezoelectric oscillator uses a flip chip bonding, a wire bonding method, and an anisotropic conductive member, and has a structure in which a conductive pattern is formed on a surface on which a semiconductor component of the container is disposed . Therefore, the semiconductor components that make up the oscillation circuit are exposed as a lid of the piezoelectric vibrator, but the entire upper surface of the lid of the piezoelectric vibrator is protected with a protective material in order to prevent damage to the semiconductor components and short circuit due to external drag. Covering is also an effective means.
[0010]
【background】
Recently, in the above-described piezoelectric oscillator, the outer dimensions of the piezoelectric vibrator and the container for storing the piezoelectric vibrator have become very small. On the other hand, the semiconductor component responsible for the temperature compensation circuit of the piezoelectric oscillator performs temperature compensation for analog operation consisting of a cubic function generation circuit. Therefore, when viewed from the design rules and circuit configuration of the semiconductor component, the external dimensions of the semiconductor component itself From the present situation where the area is approaching the aforementioned outer shape of the container, the piezoelectric oscillator having the form described in the present invention is reached.
[0011]
[Embodiments of the Invention]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same numerals indicate the same objects. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a piezoelectric oscillator 3 of the present invention. In FIG. 1, a piezoelectric oscillator 3 has a piezoelectric vibrator 1 mounted inside a container 6, and an insulating material such as resin, glass, ceramic material or an anisotropic conductive member is attached to the container 6 to which the piezoelectric vibrator 1 is electrically connected. This is a piezoelectric oscillator 3 having a sealed container structure with a semiconductor component 2 (with a lid) joined by a sealing member 8 .
[0012]
Accordingly, although detailed wiring inside the container 6 is not shown, a conductive pattern 5 is formed on the joint surface between the semiconductor component 2 serving as a lid and the container 6 so as to be electrically connected to the semiconductor component 2. . A part of the conductive pattern 5 and the piezoelectric vibrator 1 accommodated in the container 6 are electrically connected, and further, the piezoelectric oscillator 3 is electrically connected to the electrode portion 7 outside the container. The frequency output is used as a reference clock.
[0013]
In short, as shown in the figure seen from the semiconductor component 2 (back surface) side shown in FIG. 2, the container 6 and the semiconductor component 2 constitute a sealed container, and the so-called piezoelectric oscillator 3 in which the piezoelectric vibrator 1 is housed. The piezoelectric oscillator 3 is configured by adding the container 6 for housing the piezoelectric vibrator 1 and the semiconductor component 2 and electrically connecting the piezoelectric vibrator 1 to the height direction of the piezoelectric oscillator 3. The thickness can be reduced by using the semiconductor component 2 as a lid.
[0014]
Accordingly, the piezoelectric oscillator 3 is composed of the container 6 hermetically sealed by the semiconductor component 2 and the piezoelectric vibrator 1 housed in the container, and the semiconductor component 2 is mounted as a lid with the piezoelectric vibrator 1 mounted inside the container. An oscillating circuit is formed to obtain the piezoelectric oscillator 3 by covering the sealing structure to obtain the piezoelectric oscillator 3.
[0015]
In this case, the semiconductor component 2 is exposed as a lid, but it is also effective to cover the entire semiconductor component 2 with a protective material in order to prevent the semiconductor component 2 from being damaged or short-circuited due to external drag or the like. It becomes. In the present invention, the material of the container is a ceramic material or a resin material, and it is also effective to form the container joint surface by metal vapor deposition or metallization in order to ensure the joining and conduction between the semiconductor component 2 and the container. There is.
[0016]
On the other hand, since the airtight container is realized by the semiconductor component 2, when the mounting process of solder or the like on the mounting circuit board on the user side is taken into consideration, the pressure in the airtight container increases due to the solder heat when mounting on the circuit board. Since it becomes difficult to maintain the structure, an increase in the internal pressure of the container can be suppressed by curing the sealing member in a vacuum environment in the sealing process of the present invention. At this time, the sealing member used in the sealing step is an insulating material such as resin, glass, or ceramic material, or an anisotropic conductive member.
[0017]
In this embodiment, the container is hermetically sealed by the semiconductor component 2 as the container lid, and the shape of the connection electrode portion 7 with the mounted circuit board is the embodiment shown in FIG. 3 or FIG. Can be considered. In FIG. 3, the shape of the electrode portion 7 is a convex shape in which the opposite sides (77) of the container are continuous, and FIG. 4 shows that the electrode portion 7 has an independent convex shape. Although not shown here, FIG. 3 and FIG. 4 may be combined to form a convex shape in which one side is continuous and the other is separated, or any other combination. Absent.
[0018]
In the embodiment of the present invention, the description has been made in the form in which the opening 4 is provided on the mounting circuit board side and the semiconductor component 2 that is the lid is arranged. However, as shown in FIG. Is the opposite positional relationship (FIG. 5A), is not buried in the opening 4 of the semiconductor component 2 (FIG. 5B), or is a wire bonding method for electrical connection of the semiconductor component 2. Even what uses (FIG.5 (c)) does not ask the form.
[0019]
Further, in the present invention, in order to consider the consumption of the semiconductor component 2 as one of the cost reduction means, in the temperature compensated oscillator, the semiconductor component 2 is only the one that the piezoelectric vibrator 1 itself has obtained a desired frequency characteristic. And the piezoelectric oscillator 3 is configured as a lid, it is possible to suppress the consumption of the semiconductor component 2 that occupies a large proportion of the total cost of the oscillator. Accordingly, the conventional piezoelectric oscillator 3 can be reduced in size by suppressing the volume occupied in the thickness (height) direction, and the amount of the piezoelectric vibrator 1 and the semiconductor component 2 input to the entire piezoelectric oscillator 3 can be obtained. Cost reduction can also be realized by improving the yield.
[0020]
【The invention's effect】
The semiconductor component and the piezoelectric vibrator constituting the oscillation circuit are mounted according to the present invention, but the volume of the piezoelectric oscillator itself is reduced by using the semiconductor component as a lid for making the piezoelectric vibrator into a sealed structure. As a result, the entire oscillator could be reduced in size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the piezoelectric oscillator of the present invention as viewed from the back side.
FIG. 3 is a perspective view showing an electrode part shape of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing another electrode part shape of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing a conventional piezoelectric oscillator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric vibrator 2 Semiconductor component 3 Piezoelectric oscillator 4 Opening part 5 Pattern 8 Sealing member

Claims

外形が略直方体であり、その一面には内部側に窪んだ凹状の開口部が設けられている容器と、
前記開口部内に収納される圧電振動子と、
前記圧電振動子と電気的に接続する半導体部品と
で構成された圧電発振器において、
前記半導体部品の所定の一面は、前記開口部の開口面積よりも大きく形成されており、
前記半導体部品は、前記半導体部品の所定の一面と前記開口部の周囲とが封止部材を介して接合することにより前記開口部を気密に塞ぐように配置されており、且つ前記開口部の周囲に形成された導通用のパターンと前記半導体部品の端子部とが電気的に接続していることを特徴とする圧電発振器。 The outer shape is a substantially rectangular parallelepiped, and a container provided with a concave opening recessed on the inner side on one surface thereof;
A piezoelectric vibrator housed in the opening;
In a piezoelectric oscillator composed of a semiconductor component electrically connected to the piezoelectric vibrator,
The predetermined surface of the semiconductor component is formed larger than the opening area of the opening,
The semiconductor component is arranged so that the predetermined surface of the semiconductor component and the periphery of the opening are joined together via a sealing member so as to hermetically close the opening, and the periphery of the opening piezoelectric oscillator and the pattern and the semiconductor component terminal portions for formed conduction to is characterized that you have electrically connected.

前記封止部材が異方性導電部材であることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。 The piezoelectric oscillator according to claim 1, wherein the sealing member is an anisotropic conductive member .