JP2007201616A - 表面実装型圧電発振器、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子パッケージに対してベアチップから成るＩＣ部品を外付けした表面実装型圧電発振器において、ＩＣ部品をアンダーフィルにより樹脂被覆する必要をなくしたことによりパッケージ平面積を減縮して全体形状を小型化する。
【解決手段】上面に圧電振動素子２の各励振電極と電気的に接続される素子搭載パッド４を有すると共に底部にＩＣ部品搭載パッド５を有した絶縁基板３、素子搭載パッド上に搭載される圧電振動素子、及び該圧電振動素子を気密封止する蓋部材８を備えた圧電振動子２と、ＩＣ部品搭載パッドに電気的に接続される電極を備え且つ発振回路を構成するＩＣ部品１１と、ＩＣ部品の外面の少なくとも一部に密着すると共に、底面に実装端子を露出配置したフレキシブル基板２０と、を備え、ＩＣ部品搭載パッドとＩＣ部品の電極と実装端子との間を、フレキシブル基板によって導通した。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子のパッケージ外面にＩＣ部品を組み込んだ表面実装型圧電発振器の改良に関し、特にＩＣ部品をアンダーフィルにより樹脂被覆する必要をなくしたことによりパッケージ平面積を減縮して全体形状を小型化することを可能とした表面実装型圧電発振器、及びその製造方法に関する。

移動体通信市場においては、各種電装部品の実装性、保守・取扱性、装置間での部品の共通性等を考慮して、各機能毎に部品群のモジュール化を推進するメーカーが増えている。また、モジュール化に伴って、小型化、低コスト化も強く求められている。
特に、基準発振回路、ＰＬＬ回路、及びシンセサイザー回路等、機能及びハード構成が確立し、且つ高安定性、高性能化が要求される回路部品に関してモジュール化への傾向が強まっている。更に、これらの部品群をモジュールとしてパッケージ化することによりシールド構造が確立しやすくなるという利点がある。

複数の関連部品をモジュール化、パッケージ化することにより構築される表面実装用のＩＣ部品としては、例えば圧電振動子、圧電発振器、ＳＡＷデバイス等を例示することができるが、これらの機能を高く維持しつつ、更なる小型化を図るために、例えは図７に示した如き二階建て構造のモジュールが採用されている。
即ち、図７は二階建て構造型（Ｈ型）モジュールとしての表面実装型圧電発振器（水晶発振器）の従来構成を示す縦断面図である。
この圧電発振器は、パッケージ１００の上面と下面に夫々設けた凹所１０２、１０３内に圧電振動素子１１０とＩＣ部品１１５を搭載した構成を有している。

この圧電発振器のパッケージ１００は、上面と下面に夫々凹所１０２、１０３を有した縦断面形状が略Ｈ型の絶縁容器１０１と、絶縁容器の矩形環状の外底面の４辺、或いは対向する２辺に沿って夫々突設した各外壁１１４の底面に２個ずつ配置した実装端子１０５と、各実装端子１０５と圧電振動素子１１０の各励振電極とを電気的に接続するために上面側凹所１０２内に設けた２つの上面側内部パッド１０２ａと、発振回路（圧電振動素子の励振信号を発振用に増幅するための増幅回路）、温度補償回路（圧電振動素子の周波数温度特性を補償するための回路）等の集積回路を備えたＩＣ部品１１５を搭載するために下面側凹所１０３の天井面に配置された下面側内部パッド１０３ａと、各実装端子１０５と上面側内部パッド１０２ａと下面側内部パッド１０３ａとの間を導通する導体１０６と、を備えている。圧電発振器は、パッケージ１００の上面側内部パッド１０２ａに圧電振動素子１１０を接続固定して上面側凹所１０２を金属蓋１２０にて封止すると共に、下面側内部パッド１０３ａにＩＣ部品１１５を接続固定した構成を備えている。更に、ベアチップであるＩＣ部品１１５を保護するために、下面側凹所１０３内にはアンダーフィル１２１が充填されている（特許文献１）。
この圧電発振器をマザープリント基板上に実装する際には、各外壁１１４の底面に設けた実装端子１０５を用いた半田付けが行われる。

ところで、圧電発振器に対する小型化の要請が年々強まる中で、上記Ｈ型の表面実装型圧電発振器の小型化を阻害する要因の一つとして挙げられるのが、下面側凹所１０３内にアンダーフィルを充填するために確保していたスペースの存在である。即ち、圧電振動子の平面積を小型化し、圧電振動子の平面積に見合う小型サイズのＩＣ部品を準備し得たとしても、下面側凹所を形成するために外壁１１４を形成し、更に下面側凹所内壁とＩＣ部品との間にアンダーフィルを充填するための隙間を確保する必要があるため、発振器全体の小型化に限界が生じていた。

次に、特許文献２には、発振回路を収納したシリコン等の半導体基板に直接電極を形成したＩＣチップを直接水晶振動子のパッケージにフリップチップ搭載したり、ＩＣチップに形成した実装電極をプリント基板上に半田接続するようにした圧電発振器が開示されている。
しかし、シリコン基板等の半導体基板のベアチップ面に電極を形成した場合の電極の支持強度は十分でなく、電極が基板面から剥離する等の事態が想定される。
また、最近ではＩＣ部品をモールド樹脂により被覆一体化したＩＣ部品ユニットを圧電振動子パッケージに直付けしたタイプの表面実装型圧電発振器も提案されているが、このＩＣ部品ユニットを製作するためには樹脂成形用の金型を必要とするため、イニシャル投資額が増大するという問題を有している。特に、圧電デバイスの低価格化が慢性的に続く現状では、製造コスト増は製品開発上の大きなネックとなり、実施化に対する大きな障害となる。
特開２００２−３２９８３９公報 特開２００４−２２８８９５公報

以上のように特許文献１に開示された如き従来のＨ型パッケージにあっては、圧電振動子パッケージの小型化によってパッケージ底面凹所内のＩＣ部品搭載スペースを減縮させようとしても、ＩＣ部品を被覆するアンダーフィルを充填するスペースを圧電振動子底面側に確保する必要があったために小型化に限界があった。
一方、特許文献２の発明のように電極を外面に直接形成した半導体基板を直接圧電振動子パッケージにフリップチップ接続したり、半導体基板の電極を用いてプリント基板上に実装する構成においては、半導体基板と電極との接続強度が不十分であるために接続不良が発生し易く、その結果、作動不能等の発生が懸念される。
また、ＩＣ部品をモールド樹脂により被覆一体化したＩＣ部品ユニットを圧電振動子パッケージに直付けした発振器は、イニシャル投資額が増大するという問題を有している。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、圧電振動子パッケージに対してベアチップから成るＩＣ部品を外付けした表面実装型圧電発振器において、ＩＣ部品をアンダーフィルにより樹脂被覆する必要をなくしたことによりパッケージ平面積を減縮して全体形状を小型化することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る表面実装型圧電発振器は、上面に圧電振動素子の各励振電極と電気的に接続される素子搭載パッドを有すると共に底部にＩＣ部品搭載パッドを有した絶縁基板、該素子搭載パッド上に搭載される圧電振動素子、及び該圧電振動素子を気密封止する蓋部材を備えた圧電振動子と、前記ＩＣ部品搭載パッドに電気的に接続される電極を備え且つ発振回路を構成するＩＣ部品と、前記ＩＣ部品の外面の少なくとも一部に密着すると共に、底面に実装端子を露出配置したフレキシブル基板と、を備え、前記ＩＣ部品搭載パッドと前記ＩＣ部品の電極と前記実装端子との間を、前記フレキシブル基板によって導通したことを特徴とする。

また、本発明の表面実装型圧電発振器は、前記フレキシブル基板により前記ＩＣ部品の外面を包囲して一体化したＩＣ部品ユニットを備え、前記ＩＣ部品ユニットを構成するフレキシブル基板の配線パターンを介して前記圧電振動子のＩＣ部品搭載パッドと前記ＩＣ部品の電極とを導通させたことを特徴とする。
また、本発明の表面実装型圧電発振器は、前記フレキシブル基板により前記ＩＣ部品の底面と前記圧電振動子の外面の一部を包囲することにより両者を連結したことを特徴とする。
また、本発明の表面実装型圧電発振器は、前記フレキシブル基板の内側面に熱可塑性樹脂層を予め設け、該熱可塑性樹脂層によって前記フレキシブル基板と前記ＩＣ部品、及び前記圧電振動子とを接着したことを特徴とする。

また、本発明の表面実装型圧電発振器は、前記フレキシブル基板の外側面に熱可塑性樹脂層を予め設けたことを特徴とする。
また、本発明の表面実装型圧電発振器の製造方法は、上記何れかの表面実装型圧電発振器の製造方法であって、前記フレキシブル基板の内側面に所定の間隔を隔てて、且つフレキシブル基板の両端部に余剰部分が残るように、前記ＩＣ部品と前記圧電振動子を搭載する工程と、前記ＩＣ部品と前記圧電振動子とが重なり合うように前記フレキシブル基板を折り曲げる工程と、前記フレキシブル基板の前記余剰部分の内側面を前記ＩＣ部品外面、及び前記圧電振動子外面に接着する工程と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の表面実装型圧電発振器の製造方法は、上記各表面実装型圧電発振器を製造する方法であって、前記フレキシブル基板を複数個シート状に一体化したフレキシブル基板母材を用意する工程と、前記フレキシブル基板母材を構成する各フレキシブル基板の個片領域の境界輪郭線に沿って１又は２つのコ字状切り込み、或いはスリットを形成する工程と、前記個片領域内のフレキシブル基板面に前記ＩＣ部品を搭載する工程と、前記境界輪郭線に沿って各フレキシブル基板を切断する工程と、を含んだことを特徴とする。

以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の温度補償型表面実装型圧電発振器（ＴＣＸＯ）の一例としての水晶発振器の外観斜視図、及び縦断面図である。
この水晶発振器１は、水晶振動子２のパッケージ底面に、ＩＣ部品１１とフレキシブル基板２０とから成るＩＣ部品ユニット１０を接続固定した構成を有している。
水晶振動子２は、上面に水晶振動素子６の各励振電極と電気的に接続される素子搭載パッド４を有すると共に底部にＩＣ部品搭載パッド５を有した絶縁基板３と、素子搭載パッド４上に導電性接着剤７により搭載される水晶振動素子６と、水晶振動素子６を気密封止する蓋部材８と、を備えている。
この例に係る絶縁基板３は上面に凹所を有した箱形パッケージであるが、平坦な絶縁基板面上に形成した素子搭載パッド４上に導電性接着剤により接続した水晶振動素子６を、逆椀状の蓋部材により気密封止するようにしてもよい。

ＩＣ部品１１は、発振回路、温度補償回路を備えたシリコン基板等の半導体基板から成り、その上面にはＩＣ部品搭載パッド５に電気的に接続される電極（金バンプ等）１１ａを備えている。
フレキシブル基板２０は周知のように可撓性を有した絶縁シートの表面、或いは内部に配線パターンを形成した構成を備えている。このフレキシブル基板２０は、ＩＣ部品１１の外面の少なくとも一部に密着して被覆することによりこれを保護すると共に、底面に４つの実装端子２１を露出配置した構成を備えている。
この例では、フレキシブル基板２０の内側面に絶縁性の熱可塑性樹脂層２５を形成し、ＩＣ部品１１の上面全体、左右両側面全体、及び下面の大半に密着して被覆するようにしている。この熱可塑性樹脂層２５は接着層としての機能の他に、ＩＣ部品外面とフレキシブル基板２０内面との間に介在して両者に密着することによりＩＣ部品を外力や湿気等から保護する機能を発揮する。

また、図示のようにフレキシブル基板２０外面にも絶縁性の熱可塑性樹脂層２６を被覆形成してフレキシブル基板の外面を保護するようにしてもよい。
ＩＣ部品１１の電極１１ａと水晶振動子底面のＩＣ部品搭載パッド５とはフレキシブル基板上の配線パターンを介して導通する。更に、フレキシブル基板２０の底面に位置する各実装端子２１は、フレキシブル基板２０の配線パターンを介してＩＣ部品搭載パッド５及びＩＣ部品電極１１ａと導通する。
なお、熱可塑性樹脂層２５、２６は必須ではなく、フレキシブル基板とＩＣ部品との間を任意の絶縁性接着剤により接着することによってＩＣ部品ユニット１０を形成してもよい。また、フレキシブル基板２０の内側面にのみ熱可塑性樹脂層２５を設けても良いし、フレキシブル基板２０の外側面にのみ熱可塑性樹脂層２６を設けても良いし、或いは図示の実施形態のようにフレキシブル基板２０の両面に熱可塑性樹脂層２５、２６を同時に設けても良い。なお、例えば内側面にのみ熱可塑性樹脂を設け、外側面に設けない構造とした場合には、フレキシブル基板（或いは後述するフレキシブル基板母材）の表裏を見分ける作業が容易となる。

このようにＩＣ部品１１をフレキシブル基板により包囲したＩＣ部品ユニット１０を水晶振動子２のパッケージ底面に接続固定したことにより、アンダーフィルを用いずにＩＣ部品を外力や湿気等から保護する保護層を備えた発振器を構築することが可能となった。このため、水晶振動子のサイズの小型化に追従してＩＣ部品ユニット１０を小型化し、発振器全体の平面積を小型化することが可能となる。
また、この表面実装型水晶発振器は、水晶振動子に対して外付けされるＩＣ部品の大半の外面を被覆して保護する手段として、従来の樹脂に代えてフレキシブル基板を用いているので、発振器の全体形状のコンパクト化が可能となるばかりでなく、水晶振動子との接続用パッド、ＩＣ部品電極との接続パターン、更には実装端子等のレイアウトや、これらの間を導通する配線のレイアウトの自由度が広がり、設計し易くなる。

図２（ａ）及び（ｂ）はＩＣ部品ユニットの構成及び製造手順を示す図である。
図２（ａ）に示すようにフレキシブル基板２０は、その外側面に４つの実装端子２１を備えると共に、内側面にはＩＣ部品１１の電極（金バンプ等）１１ａと一体位置で接続されるパターン２２を備える。実装端子２１とパターン２２を回避したフレキシブル基板の内側面と外側面には夫々熱可塑性樹脂層２５、２６が被覆形成されている。
次いで、（ａ）（ｂ）に示すようにパターン２２上にＩＣ部品の各電極１１ａが一対一で対応するようにフリップチップ実装してから、ＩＣ部品１１よりも外側に位置するフレキシブル基板２０を折り曲げてＩＣ部品１１の電極非形成面に重ね合わせる。
次いで、フレキシブル基板外面を図示しない抑え手段により抑えながら熱可塑性樹脂の軟化温度まで加熱することによりフレキシブル基板とＩＣ部品を接合一体化することによりＩＣ部品ユニット１０を完成できる。
このようにシンプルな製造手順によってＩＣ部品ユニットの組立てが完了し、完成したＩＣ部品ユニット１０を水晶振動子のパッケージに接続することにより発振器を完成できるので、トータルの製造手順を簡単化し、生産性を高めることができる。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る表面実装型水晶発振器の外観斜視図、及び縦断面図である。なお、図１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明する。
この水晶発振器１は、蓋部材８を下向きにした水晶振動子２の蓋部材８の外側面にＩＣ部品１１の一面（電極１１ａを有しない半導体面）を、絶縁性接着剤３０を介して、或いは直接当接させると共に、電極１１ａを有したＩＣ部品の他面を下向きにしている。更に、フレキシブル基板２０によりＩＣ部品の底面、及び左右両側面と、水晶振動子２の外面の一部（左右両側面、及び上面）を密着包囲している。
フレキシブル基板２０の内側面、或いは外側面には、必要に応じて熱可塑性樹脂２５、２６を積層する。
フレキシブル基板２０の外側面に露出形成した実装端子２１は、ＩＣ部品の電極１１ａと電気的機械的に接続しており、水晶振動子２のパッケージ底面（図３では上面）に設けたＩＣ部品搭載パッド５は、これを被覆するフレキシブル基板上の配線パターンを介してＩＣ部品電極１１ａ、及び実装端子２１と導通している。

この実施形態においては、水晶振動子２にＩＣ部品１１を当接させた状態で、そのほぼ全体を保護層としても機能するフレキシブル基板２０により包囲するようにしたので、アンダーフィルを用いずにＩＣ部品を外力や湿気等から保護する保護層を備えた発振器を構築することが可能となった。このため、水晶振動子のサイズの小型化に追従してＩＣ部品ユニット１０を小型化し、発振器全体の平面積を小型化することが可能となる。
また、この実施形態に係る水晶発振器は、フレキシブル基板をＩＣ部品の保護手段として用いるだけでなく、水晶振動子に対してＩＣ部品を固定する手段としても使用するため、部品点数の増大、組付け手数の増大を招くことなく、低コストでコンパクトな発振器を提供することが可能となる。

次に、図４は図３の実施形態に係る発振器の組付け手順の一例を示す図であり、まず図４に示すようにフレキシブル基板２０の内側面を上向きにして展開した状態で、ＩＣ部品１１の電極１１ａと、水晶振動子２のＩＣ部品搭載パッド５を、夫々フレキシブル基板内側面の対応する配線パターン上に接続する。この際、フレキシブル基板の両端部とＩＣ部品及び水晶振動子との間に余剰部分２０ａが残るように配慮する。続いて矢印で示すようにフレキシブル基板を長手方向中心部にて２つに折り曲げて、ＩＣ部品１１の電極非形成面と水晶振動子２の蓋部材とが当接した状態で積層されるように組付ける。フレキシブル基板の内側面に熱可塑性樹脂層２５を形成している場合には、熱可塑性樹脂の軟化温度まで加熱してＩＣ部品外面及び水晶振動子外面と接着させてから冷却固化させることにより完成する。

次に、フレキシブル基板２０を複数個シート状に一体化したフレキシブル基板母材を用いて図１に示したＩＣ部品ユニット１０を量産する手順について説明する。
最も単純な製造方法としては、図５に示すように、まず、フレキシブル基板個片２０をシート状に連結したフレキシブル基板母材４０の個片領域面の所定位置上にＩＣ部品１１を載置してＩＣ部品電極１１ａをフレキシブル基板個片領域のパターン２２上にフリップチップ実装する。次いで、個片領域の外形輪郭線（境界輪郭線）Ｌに沿って母材を切断すればよい。
その後、フレキシブル基板２０の両端部２０ａを折り曲げて内側面の熱可塑性樹脂２５がＩＣ部品の両側面から上面にかけて密着するように保持した状態で熱可塑性樹脂２５の軟化温度まで加熱してから冷却することにより、ＩＣ部品ユニット１０を完成する。

図６（ａ）及び（ｂ）はＩＣ部品ユニットを製造する他の方法を示しており、この方法では、フレキシブル基板母材４０上の各個片領域の外形輪郭線に沿ってコ字状のスリット（或いは切り込み線）３１を形成する。従って、スリット等３１の内側に位置するフレキシブル基板個片２０上にＩＣ部品をフリップチップ実装してから、個片領域の外形輪郭線（境界輪郭線）Ｌに沿って形成されたスリット等３１を利用して母材を切断する。
その後、フレキシブル基板２０の両端部２０ａを折り曲げて内側面の熱可塑性樹脂２５がＩＣ部品の両側面から上面にかけて密着するように保持した状態で熱可塑性樹脂２５の軟化温度まで加熱してから冷却することにより、ＩＣ部品ユニット１０を完成する。
上記実施形態では、圧電発振器の代表例として水晶発振器を例示したが、本発明は圧電材料から成る圧電振動素子を使用した発振器一般に適用できる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の温度補償型表面実装型圧電発振器（ＴＣＸＯ）の一例としての水晶発振器の外観斜視図、及び縦断面図。 （ａ）及び（ｂ）はＩＣ部品ユニットの構成及び製造手順を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る表面実装型水晶発振器の外観斜視図、及び縦断面図。 図３の実施形態に係る発振器の組付け手順の一例を示す図。 ＩＣ部品ユニットを製造する方法を説明する図。 （ａ）及び（ｂ）はＩＣ部品ユニットを製造する他の方法を説明する図。 二階建て構造型（Ｈ型）モジュールとしての表面実装型圧電発振器の従来構成を示す縦断面図。

符号の説明

１…水晶発振器、２…水晶振動子（圧電振動子）、３…絶縁基板、４…素子搭載パッド、５…ＩＣ部品搭載パッド、６…水晶振動素子、７…導電性接着剤、８…蓋部材、１０…ＩＣ部品ユニット、１１…ＩＣ部品、１１ａ…ＩＣ部品電極、２０…フレキシブル基板、２０ａ…余剰部分、２１…実装端子、２２…パターン、２５、２６…熱可塑性樹脂層、３０…絶縁性接着剤、３１…スリット等、４０…フレキシブル基板母材。

Claims (7)

1. 上面に圧電振動素子の各励振電極と電気的に接続される素子搭載パッドを有すると共に底部にＩＣ部品搭載パッドを有した絶縁基板、該素子搭載パッド上に搭載される圧電振動素子、及び該圧電振動素子を気密封止する蓋部材を備えた圧電振動子と、
   前記ＩＣ部品搭載パッドに電気的に接続される電極を備え且つ発振回路を構成するＩＣ部品と、
   前記ＩＣ部品の外面の少なくとも一部に密着すると共に、底面に実装端子を露出配置したフレキシブル基板と、を備え、
   前記ＩＣ部品搭載パッドと前記ＩＣ部品の電極と前記実装端子との間を、前記フレキシブル基板によって導通したことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
2. 前記フレキシブル基板により前記ＩＣ部品の外面を包囲して一体化したＩＣ部品ユニットを備え、
   前記ＩＣ部品ユニットを構成するフレキシブル基板の配線パターンを介して前記圧電振動子のＩＣ部品搭載パッドと前記ＩＣ部品の電極とを導通させたことを特徴とする請求項１に記載の表面実装型圧電発振器。
3. 前記フレキシブル基板により前記ＩＣ部品の底面と前記圧電振動子の外面の一部を包囲することにより両者を連結したことを特徴とする請求項１に記載の表面実装型圧電発振器。
4. 前記フレキシブル基板の内側面に熱可塑性樹脂層を予め設け、該熱可塑性樹脂層によって前記フレキシブル基板と前記ＩＣ部品、及び前記圧電振動子とを接着したことを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の表面実装型圧電発振器。
5. 前記フレキシブル基板の外側面に熱可塑性樹脂層を予め設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の表面実装型圧電発振器。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面実装型圧電発振器の製造方法であって、
   前記フレキシブル基板の内側面に所定の間隔を隔てて、且つフレキシブル基板の両端部に余剰部分が残るように、前記ＩＣ部品と前記圧電振動子を搭載する工程と、
   前記ＩＣ部品と前記圧電振動子とが重なり合うように前記フレキシブル基板を折り曲げる工程と、
   前記フレキシブル基板の前記余剰部分の内側面を前記ＩＣ部品外面、及び前記圧電振動子外面に接着する工程と、
   を備えたことを特徴とする表面実装型圧電発振器の製造方法。
7. 請求項１に記載の表面実装型圧電発振器を製造する方法であって、
   前記フレキシブル基板を複数個シート状に一体化したフレキシブル基板母材を用意する工程と、
   前記フレキシブル基板母材を構成する各フレキシブル基板の個片領域の境界輪郭線に沿って１又は２つのコ字状切り込み、或いはスリットを形成する工程と、
   前記個片領域内のフレキシブル基板面に前記ＩＣ部品を搭載する工程と、
   前記境界輪郭線に沿って各フレキシブル基板を切断する工程と、
   を含んだことを特徴とする表面実装型圧電発振器の製造方法。

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