特許 6366440 水晶発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6366440

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】水晶発振器

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20180723BHJP

【ＦＩ】

   H03B5/32 H

【請求項の数】1

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-188359(P2014-188359)

(22)【出願日】2014年9月17日

(65)【公開番号】特開2016-63329(P2016-63329A)

(43)【公開日】2016年4月25日

【審査請求日】2017年6月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 善弘

【審査官】 石川 雄太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０９８６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０９８１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１１０３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１４７３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１７２４４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｂ ５／３０−５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水晶片を実装する凹部と、前記凹部の底面の一端側に設けた導電性バンプと、前記凹部周囲の土手部に設けたシーム溶接用リングと、外部底面の四隅に各々設けた実装端子とを具えるセラミック容器、前記導電性バンプに導電性接着剤によって片持ち状態で実装されている当該水晶片、及び、前記シーム溶接用リングに溶接された蓋材、を具える面実装型水晶振動子と、
セラミック基板を骨格材とする実装基板であって、前記セラミック基板の、前記面実装型水晶振動子の実装端子に対応する位置にそれぞれ設けた実装端子、前記セラミック基板の前記面実装水晶振動子側とは反対面に設けた凹部、及び、前記凹部内に設けた電子部品を具える実装基板と、を積層し、
前記面実装型水晶振動子及び前記実装基板の実装端子同士を接合材によって接続した構造の水晶発振器において、
前記実装基板の長辺寸法は５．０±０．１ｍｍ、短辺寸法は３．２±０．１ｍｍ、かつ、前記実装基板の前記凹部周囲の部分の厚さは０．８±０．１ｍｍであり、
前面実装型水晶振動子の長辺寸法は３．２±０．１ｍｍ、短辺寸法は２．５±０．１ｍｍ、かつ、前記土手部の厚さは０．３±０．１ｍｍであり、
前記接続を、ヤング率が０．３８ＧＰａ以下のシリコーン系導電性接着剤で行ってあることを特徴とする水晶発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子部品が実装された実装基板と面実装型の水晶振動子とを積層した構造の面実装型の水晶発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

水晶発振器は、情報化社会で必須の周波数基準源である。このような水晶発振器の一種として、例えば特許文献１に記載された、電子部品（ＩＣやコンデンサ）が実装されたセラミック基板から成る実装基板と、セラミック容器を用いた面実装型の水晶振動子とを積層した構造の、面実装型の水晶発振器（以下、積層型の水晶発振器という）がある。

【0003】

この積層型の水晶発振器では、水晶振動子に設けた端子電極と実装基板に設けた端子接続電極とを半田によって接続することで、目的の構造を実現している。そして、実装基板の水晶振動子とは反対面に設けた実装電極を、電子機器に接続することで、この積層型の水晶発振器は電子機器に組み込まれる。この積層型の水晶発振器では、汎用性のある水晶振動子を所望の実装基板に積層するのみで、所望の発振器を実現できるので、生産性の利点等が得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−３５３９１９号公報、請求項２、図１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、水晶発振器の一種として温度補償型の水晶発振器がある。温度補償をしていることから出力周波数精度は、温度補償型以外のものより高いが、このものでは、ヒステリシス特性という仕様項目を満たす必要がある。図４は、ヒステリシス特性を説明する図であり、横軸に水晶発振器が置かれる環境温度をとり、縦軸に水晶発振器の出力周波数の変化率をとって示したものである。環境温度が上昇したときと下降したときの周波数変化特性Ｔ１，Ｔ２間に差が生じる（ヒステリシス特性が生じる）ことを示している。ヒステリシス特性は無いことが理想である。実際は、環境温度が上昇したときと下降したときの周波数変化率の差ΔＦｎにおける最大値ΔＦｍａｘが、所定値以下を満たすことが望まれる。温度補償型の積層型の水晶発振器に対しても、ヒステリシス特性の改善が望まれている。

【0006】

この出願の目的は、上述した課題を解決することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的の達成を図るため、この発明の水晶発振器によれば、セラミック容器を用いた面実装型水晶振動子と、電子部品が実装されたセラミック基板から成る実装基板とを積層し互いの端子同士を接合材によって接続した構造の水晶発振器において、前記接続を、導電性を有しかつヤング率が１ＧＰａ以下の接合材で行ってあることを特徴とする。

【0008】

この発明の実施に当たり、より好ましくは、前記接合材を、導電性を有しかつヤング率が０．５ＧＰａ以下の材料で構成するのが良い。導電性を有しかつヤング率が１ＧＰａ以下の接合材及び０．５ＧＰａ以下の接合材の好ましい例として、シリコーン系の導電性接着剤を挙げることができる。

【0009】

なお、この発明でいう実装基板は、少なくとも水晶発振回路用の電子部品が実装されたものをいう。さらにこの実装基板は、積層される水晶振動子の外形と同様な外形のもの又は水晶振動子の外形より大きい外形のものをいう。後者の場合、より好ましくは、用いる水晶振動子の外形に対し、水晶振動子の規格化されたサイズ群中の１ランク大きいサイズを有した基板とするのが良い。例えば、水晶振動子が長辺が約３．２ｍｍ、短辺が約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）の水晶振動子の場合ならば、実装基板は長辺が約５．０ｍｍ、短辺が約３．２ｍｍ（いわゆる５０３２型）の大きさの実装基板とするのが良い。水晶振動子と実装基板とを上記のような大小関係とした場合、水晶振動子の実装基板への実装が行い易いこと、及び、電子機器の基板に当該水晶発振器を実装する際にもランドパタン等の規格化がし易いこと等の理由から、完成している水晶振動子を利用した積層型の水晶発振器を安価かつ歩留良くしかもユーザが利用し易い形態で提供できる等の利点が得られる。他の例組合せ例としては、水晶振動子が長辺が約２．５ｍｍ、短辺が約２．０ｍｍ（いわゆる２５２０型）のもので、実装基板が長辺が約３．２ｍｍ、短辺が約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）のもの等が挙げられる。

【発明の効果】

【0010】

この発明によれば、水晶振動子および実装基板各々の端子同士を接続する接合材を所定のヤング率の導電性部材で構成している。このような接合材であると、後述のシミュレーション及び実験結果から分かるように、接合材として半田を用いていた従来品に比べ、実装基板から水晶振動子に及ぶ応力（主に、当該水晶発振器の環境温度変化に起因する応力）を軽減できるため、周波数温度特性のヒステリシス特性の改善が図れる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（Ａ）〜（Ｃ）は実施例の水晶発振器の説明図である。

【図2】（Ａ）〜（Ｃ）は実施例の水晶発振器に具わる主に水晶振動子の説明図である。

【図3】（Ａ）、（Ｂ）は、シミュレーションの様子とその結果を説明する図である。

【図4】温度特性のヒステリシス性を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照してこの発明の水晶発振器の実施例について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施例中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明が以下の実施例のみに限定されるものではない。

【0013】

1．構造の説明
図１（Ａ）〜（Ｃ）は実施例の水晶発振器１０の説明図である。特に、（Ａ）図は実施例の水晶発振器１０の斜視図、（Ｂ）図は実施例の水晶発振器１０の断面図であって（Ａ）図のＰ−Ｐ線相当の断面図、（Ｃ）図は水晶振動子２０と、実装基板４０と、接合材５０との組立前の図である。

【0014】

実施例の水晶発振器１０は、面実装型水晶振動子２０と、実装基板４０と、これらの互いが対向する面に設けた実装端子３３及び４５同士を接続している所定のヤング率を有した導電性の接合材５０と、を具えている。

【0015】

水晶振動子２０は、凹部２１ａを有したセラミック容器２１を具える。そして、この凹部２１ａ内に、水晶片２３を実装してある（図１（Ｂ））。詳細には、水晶片２３は、セラミック容器２１の凹部２１ａの底面に設けた導電性バンプ２５に、導電性接着剤２７によって固定してある。また、水晶振動子２０では、セラミック容器２１の上面にシーム溶接用リング２９を具え、このリング２９に蓋材３１を溶接してある。さらにこのセラミック容器２１の実装基板４０と対向する面には、その四隅各々に１個ずつ、合計４個の実装端子３３を具えている。この実施例の場合、これら４個の実装端子３３のうちの２個を、セラミック容器２１に形成してあるビア配線（図示せず）を介して、導電性バンプ２５に接続してある。

【0016】

図２（Ａ）は、水晶振動子２０の内部を透視した概略斜視図、図２（Ｂ）は蓋材３１を外して水晶振動子２０を見た上面図、図２（Ｃ）は水晶振動子２０の底面図である。水晶振動子２０に内蔵した水晶片２３は、この場合、平面形状が矩形状のＡＴカット水晶片としてある。この水晶片２３は、その両主面に励振用電極３５を具えている。この水晶片２３を、その短辺側の端部の短辺方向に沿う離れた２点で、導電性バンプ２５に導電性接着剤２７によって接続固定してある。また、水晶振動子２０の底面に設けた４個の実装端子３３のうちの対角線上の２個は、既に説明したように、励振電極３５に、ビア配線（図示せず）および導電性バンプ２５を介し接続してある。そして、これら４個の実装端子３３を、基板４０側の実装端子４５に、接合材５０によって接続してある。

【0017】

実装基板４０は、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示したように、凹部４１ａを有したセラミック基板４１を骨格材とするものである。この凹部４１ａを、セラミック基板４１の水晶振動子２０とは反対面に設けてある。そして、この凹部４０ａの底面に、電子部品、具体的には、発振回路及び温度補償回路用の集積回路（ＩＣ）４３ａやコンデンサ４３ｂ、４３ｃを具えている。また、このセラミック基板４１の水晶振動子の実装端子３３と対応する位置に、実装端子４５を具えている。そして、この例の場合、水晶振動子２０と実装基板４０とは、それぞれに設けた実装端子３３，４５の位置、従って４ヶ所で、接続材５０により接続固定してある。また、セラミック基板４１の凹部４１ａを設けた面の縁領域に、この水晶発振器１０を電子機器等へ実装するための実装端子４７を具えている。電子部品４３ａ、４３ｂ、４３ｃと実装端子４５と実装端子４７とはビア配線４９ａやキャスタレーション４９ｂ等により互いに所定関係で接続してある。なお、実装端子４７は、電源用端子、ＧＮＤ用端子、出力端子等の各種端子として使用されるものである。

【0018】

この実施例の場合、実装基板４０の大きさを５０３２型と呼ばれる大きさとし、水晶振動子２０の大きさを３２２５型と呼ばれる大きさとしてある。この実施例の積層型の水晶発振器１０は、図１（Ｃ）に示したように、水晶振動子２０と実装基板４０とを別途に用意しておき、その一方の実装端子上にシリコーン系導電性接着剤５０を塗布した後に、この上に他方を積層し適当な圧力で押しつけた後に、所定の加熱炉で接着剤５０を硬化させることで得ることができる。

【0019】

２．シミュレーションおよびその結果の説明
この発明では、水晶振動子２０の実装端子３３と発振器基板４０の実装端子４５とを、導電性を有する接続材であってヤング率が１ＧＰａ以下、より好ましくは０．５ＧＰａ以下の接続材５０によって接続してある。この接続材５０を決める根拠となったシミュレーションおよび実験結果を以下に説明する。

【0020】

図３はシミュレーションの概要とその結果を示した図である。具体的には、図１，２を用いて説明した積層型の水晶発振器１０であって、実装基板４０は長辺寸法が約５ｍｍ、短辺寸法が約３．２ｍｍ（いわゆる５０３２型）、厚い部分の厚さＴが約０．８ｍｍのものとし、水晶振動子２０は長辺寸法が約３．２ｍｍ、短辺寸法が約２．５ｍｍ（いわゆる３２２５型）、セラミック部分の厚い部分の厚さｔが約０．３ｍｍ、リング２９の厚さが約０．１２ｍｍのものとし、接続材５０をヤング率が異なる表１の各種材料としたモデルを設定する。そして、このモデルに対し温度差１２５℃の温度変化を与えたときの応力シミュレーションを有限要素法により実施する。長辺や短辺等の寸法は各々±０．１ｍｍのバラツキを考慮してシミュレーションをしている。なお、接合材５０の材質を変えたこと以外、シミュレーション条件は一定なので、用いたモデルの各部の詳細寸法や物性の記載は省略する。

【0021】

図３（Ａ）は、上記温度変化時のモデルでの応力分布シミュレーションの理解のため、シミュレーション時の画像を引用したものである。この図３（Ａ）では、各部材の番号等を記載してある。また、図３（Ｂ）は、この温度変化時の水晶片２３の中央部Ｑ点での応力を、接続材５０毎で求めてプロットしたものである。水晶片２３の中央部での応力を比較すれば、接合材５０の効力の評価が可能だからである。横軸にシミュレーションした接合材５０のヤング率をとり、縦軸にＱ点での応力をとって、シミュレーション結果をプロットしたものである。なお、表１に、シミュレーションで用いた各接合材のヤング率とシミュレーションで算出された応力とを示す。

【0022】

【表1】

【0023】

このシミュレーション結果から、接続材５０として半田を用いた場合、Ｑ点での応力は０．３９４ＭＰａである。これに対し、ヤング率が１の接続材を用いた場合は、Ｑ点での応力は、図３（Ｂ）の特性図中の近似線から、２程度であることが分かり、接続材を半田とした場合の５０％にまで応力を軽減できることが分かる。また、接続材５０としてシリコーン系接着剤（ヤング率が０．５ＧＰａ以下、この場合０．３８ＧＰａ）を用いた場合、同応力は０．１５1ＭＰaになり、接合材として半田を用いる場合の４０％弱まで軽減できることが分かる。応力を半減以下にできることは好ましいことから、接合材として、ヤング率が１以下の導電性接合材を用いるのが良いことが分かる。より好ましくは、ヤング率が０．５以下の導電性接合材を用いるのが良いことが分かる。具体的には、シリコーン系の導電性接着剤を用いるのが良いことが分かる。

【0024】

３．試作評価
５０３２型の実装基板と３２２５型の水晶振動子とを、半田により接合した試作品（比較例）と、シリコーン系の導電性接着剤により接合した試作品（実施例）とをそれぞれ２０個ずつ試作した。これら実施例及び比較例の各試作品に対し、−２０℃から＋８５℃の温度での周波数出力のヒステリシス特性を各々測定した。そして、これら測定したヒステリシス特性から、図４を用いて説明した周波数の最大差ΔＸｍａｘを各々求めた。
実施例の試作品２０個のΔＸｍａｘの平均値は６９ｐｐｂであり、比較例の試作品２０個のΔＸｍａｘの平均値は１１５ｐｐｂであり、実施例は比較例に対し、ΔＸｍａｘが６０％になることが分かった。また、実施例及び比較例の各試作品のΔＸｍａｘの所定値（規格値）に対する合格率を求めた。その結果、実施例での合格率は３７％、比較例での合格率は０％であった。

【0025】

これらの結果からも、接合材を、０．５ＧＰａ以下のものとすることで、ヒステリシス特性を改善できることが分かる。なお、ここでは合格率が３７％と述べたが、この合格率は今回の規格値に対する例示であり、この数値が３７％と低いことは問題ではなく、実施例の比較例に対する有意差を示したものである。また、シミュレーション結果では、接続材５０としてヤング率が１ＧＰａのものを用いると、接合材を半田とした場合に比べ、Ｑ点での応力は半減することから、ヤング率が１ＧＰａ以下の接合材で製品を試作した場合も、ヒステリシス特性の改善に寄与できると言える。

【0026】

上述においては、この発明の水晶発振器の実施例を説明したが、この発明は上述の例に限られない。例えば、上述の例では、実装基板の大きさをいわゆる５０３２型とし、水晶振動子の大きさをいわゆる３２２５型としたが、本発明の効果は、実施例以外の大きさの実装基板と水晶振動子との組合せたものでも得られる。また、この発明は周波数温度特性の仕様が厳しい温度補償型の積層型の水晶発振器に適用して好適であるが、温度補償型以外の発振器にも適用できる。また、上述の実施例では水晶振動子としてシーム溶接用リングを有するものを用いたが、シームリングを有していないいわゆるダイレクトシーム型のもの等、他の水晶振動子であっても本発明は適用できる。また、上述の実施例では水晶片として平面形状が矩形のＡＴカット水晶片を用いたが、形状および切断方位が他の水晶片であっても本発明は適用できる。

【符号の説明】

【0027】

１０:水晶発振器
２０：水晶振動子
２１：セラミック容器
２１ａ：凹部
２３：水晶片
２５：導電性バンプ
２７：導電性接着剤
２９：シーム溶接用リング
３１：蓋材
３３：実装端子
３５：励振用電極
４０：実装基板
４１：セラミック基板
４１ａ：凹部
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ：電子部品
４５：実装端子（水晶振動子との実装端子）
４７：実装端子（電子機器等との実装端子）
４９ａ：ビア配線
４９ｂ：キャスタレーション
５０：接合材（導電性を有した所定ヤング率の接続材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】