JP4376153B2

JP4376153B2 - 圧電発振器の製造方法

Info

Publication number: JP4376153B2
Application number: JP2004253656A
Authority: JP
Inventors: 利夫中澤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2006074298A

Description

本発明は、主に通信機器や電子機器等のタイミングデバイスとして用いられる圧電発振器の製造方法に関するものである。

従来より、携帯電話といった通信機器等のタイミングデバイスとして水晶発振器が用いられている。
かかる従来の水晶発振器としては、例えば図３に示される水晶発振器で説明すると、内部に水晶振動素子２４が収容されている容器体２３を、また、上面の中央域に凹部２５を下面に複数個の外部端子２２を有した実装用基体２１上に取り付けるとともに、前記容器体２１の下面と前記凹部２５の内面とで囲まれる領域内に、水晶振動素子２４の発振周波数に基づいて発振信号を出力する集積回路素子２６を収容した構造のものが一般に知られている。（例えば、特許文献１参照）。

なお、前記容器体２３及び前記実装用基体２１は、通常、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成り、その内部及び表面には配線パターンが形成され、従来において周知のグリーンシート積層法等を採用して製作されている。そして、このような容器体２３の下面や実装用基体２１の上面には、それぞれ対応する箇所に接合電極が複数個ずつ設けられており、これらの接合電極同士を導電性接合材で接合することにより容器体２３が実装用基体２１の上面に固定されていた。

また、前記集積回路素子２６の内部には、水晶振動素子２４の温度特性に応じて作成された温度補償データーに基づいて、水晶発振器の発振出力を補正するための温度補償回路が設けられて居り、このような温度補償データーを集積回路素子２６内のメモリーに格納するために、実装用基体２１の外側面には特性制御データー書込端子２７が設けられている。水晶発振器を組み立てた後、この特性制御データー書込端子２７に温度補償データー書込装置のプローブ針を当てて温度補償データーを集積回路素子２６へ入力することによって温度補償データーが集積回路素子２６内のメモリーに格納される。

特開平２０００―７７９４３号公報

しかしながら、上述した従来の圧電発振器においては、特性制御データー書込端子は、プローブとの接触を確実にする為、実際には、その特性制御データー書込端子の占有面積は最低限の大きさが必要と成ってくる。従って特性制御データー書込端子の面積を維持したままで圧電発振器を小型化すると、外部端子と短絡を生じるおそれがあるという問題があった。

また、上述した従来の圧電発振器においては、実装用基体２１の外側面に温度補償データーを書き込むための特性制御データー書込端子２７、または、水晶振動素子の特性を測定するためのモニター端子が設けられているが、先述のように圧電発振器を単に小型化すると、母基板からそれぞれの圧電発振器に分割し個割りする際に、個割りの刃（ブレード）によって、電極端子のメッキが剥がれて通電不良となってしまうおそれがあるという問題があった。

本発明は上記の問題を鑑み考え出されたもので、従ってその目的は、取り扱いが簡便で、生産性に優れた圧電発振器の製造方法を提供することにある。

本発明の圧電発振器の製造方法は、下面のキャビティ部内壁に第１の特性制御データー書込端子を有する基板領域と、第２の特性制御データー書込端子を有する捨てしろ領域とを相互に隣接させて複数個ずつ配置させて成る母基板を準備する工程Ａと、上面のキャビティ部に水晶振動素子を収容し、下面のキャビティ部に前記水晶振動素子の発振周波数に対応した発振信号を温度補償データーに基づいて補正しつつ出力する集積回路素子と取着させる工程Ｂと、前記捨てしろ領域に形成されている第２の特性制御データー書込端子を介して、各基板領域内の集積回路素子に温度補償データーを入力し、集積回路素子内のメモリーに温度補償データーを格納する工程Ｃと、前記母基板を各基板領域の外周に沿って切断することにより、各基板領域を捨てしろ領域より切り離し、前記容器体に前記基板領域に対応した実装用基体と、集積回路素子とを取り付けて成る複数個の圧電発振器を同時に得る工程Ｄと、前記基板領域の前記キャビティ部内壁に形成されている第１の特性制御データー書込端子を介して、再度集積回路素子に温度補償データーを入力し、集積回路素子内のメモリーに温度補償データーを格納する工程Ｅとを含むことを特徴とする。

本発明により、キャビティ部の内壁部分に特性制御データー書込端子、及び水晶振動素子のモニター端子を設けることにより、内壁部分のスペースを著しく有効に利用することが出来るとともに、その圧電発振器の小型化を可能とするといった効果を奏する。

また、本発明により、前記特性制御データー書込端子、及び水晶振動素子のモニター端子が、集積回路素子の搭載される高さ部分に至る高さまで形成されていることにより、プローブが当て易く、その結果として圧電発振器の生産性を著しく向上することが出来るといった効果を奏する。

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

図１は本発明の一実施形態に係る圧電発振器の分解斜視図であり、図２は圧電発振器の断面図であり、これらの図に示される圧電発振器は、容器体の上面側のキャビティに水晶振動素子５を収容して居り、また、この容器体キャビティの下面側には集積回路素子７が取り付けられた構造を有している。

前記の容器体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、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成るシールリング３と、このシールリング３と同様の金属から成る蓋体４とから成り、前記基板２の上面にシールリング３を取り付け、その上面に蓋体４を載置して固定させることによって容器体１が構成され、シールリング３の内側に位置する基板２の上面に水晶振動素子５が実装される。

前記の容器体１はその内部に、具体的には、基板２の上面とシールリング３の内面と蓋体４の下面とで囲まれる空間内に水晶振動素子５を収容して気密封止するためのものであり、基板２の上面には水晶振動素子５の振動電極に接続される一対の搭載パッド等が設けられている。

なお、前記容器体１の基板２は、この基板がアルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加して混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に、配線パターンとなる導体ペーストを従来から周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作されるものである。

また、前記容器体１のシールリング３、及び蓋体４は従来から周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定の形状に成形することによって製作され、その結果得られたシールリング３を基板２の上面に予め被着させておいた導体層にロウ付けし、続いて水晶振動素子５を導電性接着剤を用いて基板２の上面に実装して固定した後、シールリング３の上面に従来から周知の抵抗溶接等によって蓋体４を接合することにより容器体１が組み立てられる。

このようにシールリング３と蓋体４とを抵抗溶接によって接合する場合、シールリング３や蓋体４の表面にはＮｉメッキ層やＡｕメッキ層等が予め被着される。

一方、前記容器体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した水晶片の両主面に一対の振動電極を被着して形成されて居り、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の発振周波数で厚みすべり振動を起こす。

前記の水晶振動素子５は、一対の振動電極を、導電性接着剤を介して基板上面の対応する搭載パッドに電気的に接続させることによって基板２の上面に搭載され、これにより水晶振動素子５と容器体１との電気的接続、並びに、機械的接続が同時に成される。

ここで容器体１の蓋体４を、容器体１の配線パターン等を介して先の容器体下面のグランド外部端子１２に接続させておけば、その使用時、蓋体４が接地されてシールド機能が付与されることと成るため、その結果、水晶振動素子５や後述する集積回路素子７を、外部からの不要な電気的作用より良好に保護することが出来る。

なお、上述した４個の外部端子はそれぞれ、電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、及び発振制御端子として機能するものである。

ここで、４個の外部端子のうち、グランド用の外部端子１２と発振出力用の外部端子１２を近接させて配置するようにすれば、発振出力端子より出力される発振信号にノイズが干渉することを有効に防止することができる。従って、グランド用の外部端子１２と発振出力用の外部端子１２とを近接して配置することが好ましい。

一方、前記の容器体１の下面側のキャビティに取り付けられる集積回路素子７としては、例えば、下面に複数個の接続パッドを有した矩形状のフリップチップ型ＩＣ等が用いられ、その下面の回路形成面には、それぞれ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ーを格納するためのメモリー、温度補償データー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、及びこの温度補償回路に接続されて所定の発振出力を出力する発振回路等が設けられ、先の発振回路で出力された発振出力は、例えば、クロック信号等の基準信号として利用されることと成る。

このような集積回路素子７が配設される容器体１の下面側のキャビティには、集積回路素子７の接続パッドと１対１に対応する電極パッドがそれぞれ設けられており、これらの電極パッドに半田や金バンプ等の導電性接合材を介して集積回路素子７の接続パッドを接合することにより、集積回路素子７が容器体１の下面側のキャビティに取り付けられて実装され、これによって集積回路素子７内の電子回路が容器体１の配線パターン等を介して水晶振動素子５や外部端子１２等に電気的に接続されることと成る。

そして、上述した容器体１の下面側のキャビティ部にある内壁には、集積回路素子７に温度補償データーを書き込むための特性制御データー書込端子１１が複数個設けられている。

これらの特性制御データー書込端子１１に水平方向より、温度補償データー書込装置のプローブ針２０を当て、水晶振動素子５の温度特性に応じた温度補償データーを書き込むことにより集積回路素子７のメモリー内に温度補償データーが格納される。

この際、例えば温度補償データー書込装置のプローブ１６には、前記の集積回路素子７に接触すると初めてプローブ針２０が水平方向に飛び出す構造のものを使用する。

かくして上述した圧電発振器は、マザーボード等の外部配線基板上に半田付け等によって搭載され、集積回路素子７の温度補償回路を用いて温度状態に応じた発振周波数の補正を行いながら、水晶振動素子５の発振周波数に対応した所定の発振信号を出力することによって圧電発振器として機能する。

次に上述した圧電発振器の製造方法について説明する。
（工程Ａ）まず、下面のキャビティ部内壁に第1の特性制御データー書込端子１１を有する基板領域Ａと、複数個の第２の特性制御データー書込端子１２を有する捨てしろ領域Ｂとを相互に隣接させて、これらをマトリックス状に配置した母基板１５を準備する。このような母基板１５は、ガラス−セラミック等の低温焼成基板材料，アルミナセラミックス等のセラミック材料等によって形成されており、その厚みは例えば２０μｍ〜３００μｍに設定され、その材質としては、例えば８００℃〜１２００℃の比較的低い温度で焼成が可能なガラス−セラミック材料等が適宜用いられる。

ガラス−セラミック材料を構成するセラミック材料の具体的な材質としては、クリストバライト、石英、コランダム（αアルミナ）、ムライト、コージェライトなどの絶縁セラミック材料、ＢａＴｉＯ₃、Ｐｂ₄Ｆｅ₂Ｎｂ₂Ｏ₁₂、ＴｉＯ₂などの誘電体セラミック材料、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｚｎフェライト（広義の意味でセラミックという）などの磁性体セラミック材料などが用いられる。なお、その平均粒径を１．０〜６．０μｍ、好ましくは１．５〜４．０μｍに粉砕したものを用いる。また、セラミック材料は先述の２種以上を混合して用いてもよい。特にコランダム（αアルミナ）を用いた場合ではコスト的に有利となる効果を奏する。

また、ガラス材料の材質としては焼成処理することによって、コージェライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトや、またはその置換誘導体の結晶や、スピネル構造の結晶相を析出するものであればよく、例えば、Ｂ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、アルカリ土類酸化物を含むガラスフリット等が適宜用いられる。この様なガラスフリットは、ガラス化範囲が広く、またその屈伏点が６００〜８００℃付近と成っている。

なお、基板１０は図には示していないが、その内部、及び主面に回路パターンや部品搭載用パッドとなる導体パターンを有する。ここで導体パターンの材質としては、誘電体層を形成する誘電体材料との相性を考慮して選定され、例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ等のＡｇ合金を主成分とする導電材料やＣｕ系、Ｗ系、Ｍｏ系、Ｐｄ系導電材料等によって形成され、その厚みは例えば５〜２５μｍに設定される。

また、下面のキャビティ部内部、及びその主面には回路パターンや、第１の特性制御データー書込端子１１、及び第２の特性制御データー書込端子１２や第２接合電極，外部端子等となる導体パターンを有する。導体パターンは、その材質としては、誘電体層を形成する誘電体材料との相性を考慮して選定され、例えばＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ等のＡｇ合金を主成分とする導電材料やＣｕ系、Ｗ系、Ｍｏ系、Ｐｄ系導電材料等によって形成され、その厚みは例えば５〜２５μｍに設定される。

（工程Ｂ）上面のキャビティ部に水晶振動素子５を収容し、下面のキャビティ部には、前記の水晶振動素子の発振周波数に対応した発振信号を温度補償データーに基づいて補正しつつ出力する集積回路素子を取り付ける。

前記の集積回路素子７としては、例えば、下面に容器体の下面キャビティ部の電極パッドと１対１に対応する複数個の接続パッドを有した矩形状のフリップチップ型ＩＣ等が用いられ、その下面の回路形成面には、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ーを格納するためのメモリー、温度補償データー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、及びこの該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を出力する発振回路等がそれぞれ設けられ、前記の発振回路の発振出力は、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ととなる。

なお、前記の集積回路素子７は、キャビティ部の内部に設けた接続パッドを上面の対応する電極パッドに半田や金バンプ等の導電性接合材を介して個々に接合させることによって、集積回路素子７が下面のキャビティ部内に取り付けられ、これによって集積回路素子７内の電子回路は、容器体１の配線導体等を介して水晶振動素子５や外部端子１０等に電気的に接続されることと成る。

また、かかる工程Ｂにおいては、基板領域Ａの下面のキャビティ部内壁に第１の特性制御データー書込端子１１、及び捨てしろ領域Ｂの第２の特性制御データー書込端子１２と集積回路素子７とが容器体１、及び母基板１５の配線導体を介して電気的に接続されることと成る。

（工程Ｃ）次に母基板１５の捨てしろ領域Ｂに設けた複数個の第２の特性制御データー書込端子１２を介して各基板領域Ａ内の集積回路素子７に温度補償データーを入力し、集積回路素子７内のメモリーに温度補償データーを格納する。

このような温度補償データーの書込作業は、温度補償データー書込装置のプローブ針２０を第２の特性制御データー書込端子１２に当てて、水晶振動素子５の温度特性に応じて作成された温度補償データーを集積回路素子７の温度補償回路内に設けられているメモリーに入力し、これを記憶させることによって行なわれる。なお、ここで集積回路素子７に書き込まれる温度補償データーは、水晶振動素子毎の温度特性バラツキを補正する為のものであり、その圧電発振器に使用される水晶振動素子５の温度特性を事前に測定しておくことにより得られる。

（工程Ｄ）次に前記母基板１５を各基板領域Ａの外周に沿って切断することにより、各基板領域Ａを捨てしろ領域Ｂより切り離す。

前記の母基板１５の切断は従来から周知のダイシング（個割り）等によって行なわれ、かかる切断工程を経て母基板１５が個々の基板領域毎に分割される。これにより、容器体１の下面に集積回路素子７が取り付けられて成る複数個の圧電発振器が同時に得られる。

（工程Ｅ）最後に前記容器体１の下面のキャビティ部内壁に形成されている第１の特性制御データー書込端子１１を介して、再度集積回路素子７に温度補償データーを入力し、集積回路素子７内のメモリーに温度補償データーを格納することにより、母基板上で温度補償データーのうち入力ミスなったものについては、分割後の個片状態に成っても再調整をすることが出来る為、その結果として圧電発振器の生産歩留まりを著しく改善させることが出来る。

例えば、温度補償データー書込装置のプローブ１６には、前記集積回路素子に接触するとそのプローブ針２０が初めて飛び出し、そのプローブ針２０の先端を第１の特性制御データー書込端子に当てることによって、集積回路素子に温度補償データーを入力させることが出来る構造のプローブ１６を使用する。

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、改良等が可能であり、従ってこれら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。

また、上述した実施形態においては、集積回路素子７を容器体１の下面側のキャビティに取り付けるのに半田等の一般的な導電性接合材等を用いるようにしたが、これに限られるものではなく、例えば、導電性接合材として異方性導電接着材等を用いても構わず、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。導電性接合材として異方性導電接着材等を用いた場合、容器体１に対する集積回路素子７等の取り付けの作業が極めて簡単になり、圧電発振器の組立工程が更に簡略化されるといった利点もある。

更に上述した実施形態においては、容器体１の蓋体４を、シールリング３を介して基板２に接合させるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に接合用のメタライズパターンを形成して居き、このメタライズパターンに対して蓋体４をダイレクトに溶接するようにしても構わず、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。

また更に、例えば、上述した実施形態において、シールリング３を用いて蓋体４を容器体１上に取り付けるようにしたが、これに代えて、容器体上面のＡｕ−Ｓｎ等の接合用導体に対して蓋体４を直接に接合することにより蓋体４を容器体１上に取り付けるようにしても構わず、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。

また更に、上述した実施形態においては、容器体１の基板上面に直接シールリング３を取り付けるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に基板２と同材質のセラミック材料等から成る枠体を一体的に取り付けた上、先の枠体の上面にシールリング３を取り付けるようにしても構わず、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。

また更に、上述した実施形態においては、容器体下面の空いたスペースに例えば、隣接する実装脚部間等にノイズ除去用のチップ状コンデンサ等を配置させても良いことは言うまでも無く、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。

また更に、上述した実施形態において、水晶振動素子を用いたが、ＳＡＷデバイス等の圧電振動素子を使用しても良いことは言うまでも無い。

本発明の一実施形態に係るひとつの圧電発振器を上部キャビティと下部キャビティに分けて示した概略の分解斜視図である。本発明の一実施形態に係るひとつの圧電発振器の概略の側面断面模式図である。図１に示される圧電発振器の製造の模様を表し、また、母基板に多数個形成された圧電発振器を下部キャビティ側からみた概略の外観斜視図である。従来の圧電発振器を、上部キャビティと下部キャビティに分けて示した概略の分解斜視図である。

符号の説明

１・・・容器体
２・・・基板
３・・・シールリング
４・・・蓋体
５・・・水晶振動素子
７・・・集積回路素子
１０・・外部端子
１１・・特性制御データー書込端子
１２・・モニター端子
１５・・母基板
１６・・プローブ
２０・・プローブ針

Claims

下面のキャビティ部内壁に第１の特性制御データー書込端子を有する基板領域と、第２の特性制御データー書込端子を有する捨てしろ領域とを相互に隣接させて複数個ずつ配置させて成る母基板を準備する工程Ａと、
上面のキャビティ部に水晶振動素子を収容し、下面のキャビティ部に前記水晶振動素子の発振周波数に対応した発振信号を温度補償データーに基づいて補正しつつ出力する集積回路素子を取り付ける工程Ｂと、
前記捨てしろ領域に形成されている第２の特性制御データー書込端子を介して、各基板領域内の集積回路素子に温度補償データーを入力し、集積回路素子内のメモリーに温度補償データーを格納する工程Ｃと、
前記母基板を各基板領域の外周に沿って切断することにより、各基板領域を捨てしろ領域より切り離し、前記容器体に前記基板領域に対応した実装用基体と、集積回路素子とを取り付けて成る複数個の圧電発振器を同時に得る工程Ｄと、
前記基板領域の前記キャビティ部内壁に形成されている第１の特性制御データー書込端子を介して、再度集積回路素子に温度補償データーを入力し、集積回路素子内のメモリーに温度補償データーを格納する工程Ｅと、
を含む圧電発振器の製造方法。
工程Ａにおいて、下面のキャビティ部内壁に第１の特性測定端子を有する基板領域と、第２の特性測定端子を有する捨てしろ領域を相互に隣接させて複数個ずつ、配置させて成る母基板の状態とすることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器の製造方法。
工程Ｄにおいて、前記基板領域の前記キャビティ部内壁に形成されている第１の特性制御データー書込端子を介して、再度集積回路素子に温度補償データーを入力する際に使用する温度補償データー書込装置のプローブが、前記集積回路素子に接触して初めて前記プローブのプローブ針が水平方向に飛び出すことを特徴とする請求項１記載の圧電発振器の製造方法。