JP2008311826A - 表面実装用の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣチップの温度上昇を抑止する放熱効果を高め、急激な温度変化に基づく周波数変動を小さくした温度補償型の水晶発振器を提供する。
【解決手段】外底面の４隅部に実装電極５を有する凹状とした容器１本体の内底面に、実装電極５と接続するＩＣ端子を有するＩＣチップ２を固着し、ＩＣチップ２の上方に水晶片３を配置した表面実装用の水晶発振器であって、容器本体の外底面の中央領域には実装電極間５にまたがる開口部１５を有する。そして、開口部１５による露出面には金属膜１４を有する。又は、開口部１５による露出面には実装電極５及び実装電極５と接続するＩＣ端子のいずれかに接続した金属膜１４を有した構成とする。開口部に対応して空気層（空間）が生じ、容器本体の外底面の熱が金属膜に吸収されて金属膜から空間に放熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は表面実装用の水晶発振器を技術分野とし、特に電源投入時の急激な発熱による周波数変動（ドリフト）を防止した温度補償型とした表面実装用の水晶発振器（以下、温度補償発振器とする）に関する。

（発明の背景）
温度補償発振器は、小型・軽量であって温度変化に対する周波数安定度が高いことから、特に温度環境の変化する携帯型電子機器に周波数源として内蔵される。このようなものの一つに例えば携帯電話での温度補償発振器（ＴＣＸＯ）があり、起動時における周波数変動の抑制が求められる。

（従来技術の一例）
第３図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は温度補償発振器の断面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図、第４図は温度補償発振器の概略回路ブロック図である。

温度補償発振器は一端側に内壁段部を有する凹状とした容器本体１にＩＣチップ２と水晶片３とを収容し、金属カバー４を被せてなる。容器本体１は底壁１ａと二層の枠壁１ｂとを有する積層セラミックからなり、外底面に実装端子５を有する。また、例えば外側面には図示しない温度補償データの書込端子や水晶振動特性を測定する水晶検査端子を有する。

そして、容器本体１の凹部底面となる内底面にはＩＣチップ２が固着される図示しない回路端子を、内壁段部には水晶片３が固着される水晶保持端子を有する。通常では、容器本体１の底壁１ａは二層（１ａ1、１ａ2）として積層面にシールド電極１４を設けて、外部端子５中のアース端子に接続する。

ＩＣチップ２は回路機能面としての一主面に図示しないＩＣ端子を有し、水晶振動子３Ａ（水晶片３）を除く発振回路６及び温度補償機構７を集積化する。そして、ＩＣチップ２の一主面が容器本体１の内底面に対向し、例えばバンプ８を用いた超音波熱圧着によって各ＩＣ端子が内底面上の回路端子に固着する（所謂フリップチップボンディング）。

発振回路６は例えば図示しないＣＭＯＳからなるインバータ増幅素子、及び帰還回路としての共振回路からなる。共振回路は水晶振動子（水晶片３）とＩＣチップ２内の分割コンデンサからなる。温度補償機構７は周囲温度を検出する抵抗等からなる少なくとも温度センサを有し、周囲温度に応答した補償電圧Ｖcを生成する。補償電圧Ｖcは予め測定された周波数温度特性に基づく、書込端子からの温度補償データによって生成される。

水晶片３は例えばＡＴカットとして両主面に励振電極９を有し、一端部両側に引出電極１０を延出する。引出電極１０の延出した一端部両側は、内壁段部の水晶保持端子に導電性接着剤１１によって固着される。そして、ＩＣチップ２の水晶端子に電気的に接続し、分割コンデンサと共振回路を形成する。金属カバー４は容器本体１の開口端面に設けた金属リング１２にシーム溶接等によって接合される。

このようなものでは、温度補償機構７の例えば抵抗からなる温度センサによる補償電圧Ｖcを、発振回路６（発振ループ）内に挿入された電圧可変容量素子１３に印加する。これにより、水晶振動子から見た負荷容量が変化するので、特に水晶振動子（水晶片３）に依存した例えば３次曲線となる周波数温度特性（後述の第６図）を平坦にし、温度に対する周波数安定度を高める。
特開２００３−１０１３４８号公報（例えば第１図） 特願２００６−０８９２３３号

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の温度補償発振器では、例えば携帯電話に内蔵されてＰＬＬ用として間欠動作する場合、電源投入時（起動時）におけるＩＣチップ２の能動素子（トランジスタ等）が動作する急激な発熱によって、電源投入時における周波数変動特性を悪化させる問題があった。

第５図は温度補償発振器の電源投入時における典型的な起動特性図である。図中における縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆ0であり、Δｆは実際の発振周波数ｆと基準周波数ｆ0との差周波数（ｆ−ｆ0）である。但し、基準周波数ｆ0は常温２５℃の発振周波数（公称周波数±αppm）である。したがって、周波数偏差Δｆ／ｆ0が０のとき、基準周波数ｆ0となる。

これによれば、発振周波数ｆは電源投入時（Ｈ1時）から急激に変化して緩やかに上昇し、概ね１０秒前後から数十秒後（Ｈa時）に発振周波数が安定（飽和）する。ここでの電源投入時（Ｈ1時）は、電源投入から例えばユーザ規格による２〜３msec後である。したがって、電源投入時（Ｈ1）からの急激な発振周波数の変化によって、これ以降における周波数変動特性が悪化する。

なお、周波数変動特性は電源投入からのＨx時の周波数偏差Δｆx／ｆ0とＨy時における周波数偏差Δｆy／ｆ0との差でΔ（ｆx−ｆy）／ｆ0として表される。したがって、この場合（第５図）においては、電源投入時（Ｈ1時）とこれから数秒後（Ｈ2時）の周波数偏差Δｆ1／ｆ0とΔｆ2／ｆ0の間に大きな差を生じて、周波数変動特性を悪化させる。

これらのことから、温度補償発振器における起動特性の傾斜（微分係数）が急なほど、電源投入時に起動時における周波数変動特性は悪化する。要するに、ＩＣチップの急激な発熱による温度上昇特性が急峻なほど周波数変動特性は悪化する。これらの周波数変動特性の悪化は以下に起因すると推察される。

すなわち、第６図に示したように、例えば水晶振動子（水晶片）が常温２５℃の基準周波数ｆ0となる振動周波数で動作していたとすると、ＩＣチップ２の発熱によって常温より高い温度Ｔ1（例えば２７℃）での発振周波数（周波数偏差Δｆ／ｆがＡppm）となる振動周波数で動作する。この場合、常温２５℃よりも高い温度Ｔ1（２７℃）での発振周波数は、周波数温度特性に基づいて基準周波数ｆ0よりも低くなる。

このため、ＩＣチップ２内の温度補償機構は基準周波数ｆ0に戻すべく、温度センサの抵抗値に基づいた補償電圧Ｖcを発生する。この場合、ＩＣチップ２と水晶片３とは離間して配置されるので、水晶片３はＩＣチップ２よりも低い温度となる。したがって、ＩＣチップ２に集積化された温度センサの方が水晶片３の動作温度よりも高くなる。

これらから、電源投入時（Ｈ1時）でのＩＣチップ２の発熱による温度上昇が急激なほど補償電圧Ｖcが急激に増加し、時間の経過とともに緩やかに適正値になる。したがって、電源投入時からの起動特性は前述した第５図になると推測され、周波数変動特性を悪化させる。

そして、これらの問題は、間欠動作する温度補償発振器の起動時におけるＩＣチップ２の発熱のみならず、例えばＰＬＬを併用したＧＰＳ用として常時動作する温度補償発振器の場合でも、セット基板の発熱によってＩＣチップ２の温度が上昇するので、同様に生ずる。セット基板の急激な温度上昇は、例えば常時動作中の送受信系以外の機能回路を動作させる場合に生ずる。

また、温度補償発振器に拘わらず、通常の表面実装発振器の場合でも周波数温度特性に弊害をもたらせることから、ＩＣチップの温度上昇を抑止することは重要となる。例えば第 図に示したように、温度上昇によって通常の３次曲線となる周波数温度特性（実線）が、点線で示すように高低温側で跳ね上がって高い周波数となる。

（発明の目的）
本発明はＩＣチップの温度上昇を抑止すべく放熱効果を高めた表面実装発振器を提供することを目的とし、特に急激な温度変化に基づく周波数変動を小さくした温度補償発振器を提供することを目的とする。

（着目技術及び新たな判明点）
本発明は、本出願人による特許文献１に着目した。すなわち、容器本体の外底面に開口部を設けて露出面を無電極としてセット基板との間に空気層による遮断層を設けて、セット基板からの熱の影響を回避し、ＩＣチップの温度上昇を避ける技術に着目した。そして、開口部による露出面には特に外部端子と接続した金属膜を設けた方が、以下に述べるように温度上昇を抑止できる点を見出した。

（第１解決手段）
本発明の特許請求の範囲の請求項１に示したように、外底面の４隅部に実装電極を有する凹状とした容器本体の内底面に、前記実装電極と接続するＩＣ端子を有するＩＣチップを固着し、前記ＩＣチップと電気的に接続する水晶片とを一体化した表面実装用の水晶発振器において、前記容器本体の外底面の中央領域には前記実装電極間にまたがっての開口部を有し、前記開口部による露出面には金属膜を有した構成とする。

（第２解決手段）
同請求項４では、外底面の４隅部に実装電極を有する凹状とした容器本体の内底面に、前記実装電極と電気的に接続するＩＣ端子を有するとともに少なくとも発振回路を有するＩＣチップを固着し、前記ＩＣチップと電気的似接続する水晶片とを一体化した表面実装用の水晶発振器において、前記容器本体の外底面の中央領域には開口部を有し、前記開口部による露出面には前記実装電極及び前記実装電極と接続するＩＣ端子のいずれかに配線パターンを経て接続した金属膜を有した構成とする。

（第１と第２解決手段の相違）
第１解決手段では開口部が実装電極間にまたがって形成し、金属膜は実装電極に接続するか否かはいずれでもよく、第２解決手段では金属膜は実装電極と接続し、開口部が実装電極間にまたがって形成されるか否かはいずれでもよい点が基本的相違点である。

（請求項１及び請求項２）
このような請求項１及び請求項２の構成（第１及び第２解決手段）であれば、容器本体の外底面には開口部が形成されるので、セット基板との間に開口部に対応して空気層（空間）が生じる。この場合、この空気層は容器本体及びセット基板の温度より低い。そして、開口部の露出面には金属膜が形成されるので、容器本体の外底面の熱が金属膜に吸収されて金属膜から空間に放熱する。

特に、容器本体の内底面はＩＣチップの能動素子が形成される回路機能面と対面し、これから輻射される熱が直接的に伝熱される。したがって、容器本体における内底面の反対面となる外底面に設けた開口部及び金属膜からの放熱効果は大きい。これらの場合、容器本体内のＩＣチップの発熱、及びセット基板からの伝導による温度上昇のいずれの場合も効果を奏する。

例えばセット基板の温度上昇による熱は特にセット基板と接続する実装電極からの伝熱及びセット基板と対向する外底面からの伝熱が支配的となる。この場合、実装電極からの伝熱は開口部による空間に放熱する。また、外底面からの伝熱は、開口部による空間が断熱層となってセット基板からの輻射熱を防止する。

（請求項１）
そして、請求項１では、外底面の開口部は実装電極間にまたがって形成されるので、外底面の露出面積及び開口部による空間（空気層）の容積も大きくする。したがって、容器本体の外底面（開口部）からの空気層への放熱効果を高められる。

（請求項２）
また、請求項２では、開口部の露出面に設けた金属膜は実装電極及びＩＣ端子と配線パターンを経て接続する。したがって、ＩＣチップの発熱による温度上昇の場合は、特にＩＣチップのＩＣ端子を経ての熱が配線パターンを経て金属膜に伝熱される。また、セット基板の温度上昇の場合は、特に実装電極を経ての熱が配線パターンを経て金属膜に伝熱される。

したがって、いずれの場合でも、熱伝導が最も高いＩＣ端子や実装電極及び配線パターンを経ての金属膜への伝熱となる。これにより、金属膜から開口部内の空間に対する放熱効果も高まり、ＩＣチップの温度上昇を抑止する。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記金属膜は前記実装電極及び前記実装電極と接続するＩＣ端子のいずれかに配線パターンを経て接続する。同請求項３では、請求項２において、前記金属膜と接続する前記実装電極はアース端子とする。

本発明の請求項５では、請求項４において、前記金属膜と接続する前記実装電極はアース端子とする。同請求項６では、請求項４において、前記開口部は前記実装電極間にまたがって形成された表面実装用の水晶発振器。

なお、従属項の請求項２は請求項４に対応し、請求項４は請求項１に対応した構成であり、その効果は前述した通りであって説明は省略する。また、請求項３、６では金属膜はアース端子と接続するので、出力や電源等の他の実装電極と接続した場合に比較して電気的な悪影響を排除する。

本発明の請求項７では、請求項１において、前記ＩＣチップは温度センサを有する発振周波数の温度補償機構を備える。これによる温度補償発振器では、請求項１による構成によって、ＩＣチップの発熱による急激な温度上昇を放熱によって抑止するので、周波数変動特性を良好に維持する。

本発明の請求項８では、請求項１又は４において、前記水晶片は前記ＩＣチップとともに前記容器本体に配置されて密閉封入される。これは、凹状とした一つの容器本体にＩＣチップと水晶片とが収容されて密閉封入された構成を明確にするものである（いわゆる一部屋型）。

この場合、ＩＣチップは容器本体の内底面に固着され、水晶片は例えば容器本体の内壁段部に固着してＩＣチップの上方に位置しても、ＩＣチップとともに内底面に固着して水平方向に位置しても、いずれの場合も含む。

同請求項９では、請求項１又は４において、前記水晶片は前記容器本体の開口端面に底面が接合した振動子用容器内に密閉封入されて、前記ＩＣチップと電気的に接続する。これは、凹状とした容器本体の内底面にＩＣチップが固着され、これとは別体の表面実装振動子を開口端面上に接合した構成を明確にしたものである（いわゆる接合型）。

第１図は本発明の一実施形態を説明する温度補償発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は外底面の図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

温度補償発振器は、前述したように底壁１ａと枠壁１ｂとからなり、外底面の４隅部には実装電極５を、外側面には図示しない書込端子や水晶検査端子を有する凹状とした容器本体１を有する。容器本体１の内底面にはＩＣチップ２をフリップチップボンディングによって固着し、内壁段部に引出電極１０の延出した水晶片３の一端部両側を保持する。

そして、容器本体１の開口端面は金属カバー４によって封止され、ＩＣチップ２及び水晶片２を密閉封入する。ここでの温度補償発振器の平面外形寸法は、規格値で2.5×2.0ｍｍであり、高さ（厚み）は0.8ｍｍである。また、ここでも容器本体１の底壁層１ａは二層（１ａ1、１ａ2）とし、実装電極５に接続するシールド電極１４を積層面に有する。ＩＣチップ２は発振回路及び温度センサを有する温度補償機構を有し、温度補償機構は温度センサに基づく補償電圧を発生する。

そして、この実施形態では、容器本体１の外底面となる底壁層１ａの下層１ａ1である最下位層には中央領域に開口部１５を設ける。ここでは、開口部１５は一組の対向する長辺両側の実装電極５の間にまたがって形成される。そして、開口部１５の露出面（上層１ａ2の表面）にはシールド電極１４をそのまま露出する。

そして、底壁層１ａの上層１a1と下層１a2の厚みは同一寸法とし、概ね90μｍとなる。但し、下層１a1の実装電極の厚みは除く。そして、開口部１５の平面面積は1.3×0.9ｍｍとし、例えば外側面の各面に設けた書込端子や水晶検査端子の面積0.45×0.44ｍｍ及びその合計面積（４個分）0.792ｍｍ２よりも、さらには各実装電極５の面積0.45×0.60ｍｍ及びその合計面積1.08ｍｍ２よりも大きい。なお、実装電極５は下層１a1の内周との間にギャップを設けて形成される。

このような構成であれば、発明の効果の欄でも述べたように、容器本体１の外底面に設けた開口部１５及び金属膜としてのシールド電極１４によって、容器本体１やセット基板よりも温度の低い開口部内の空間に、ＩＣチップ２の発熱やセット基板から伝導した熱を放出する。

これらの場合、ＩＣチップ２の急激な発熱は、実装電極間にまたがる面積の大きな開口部１５及びアース端子１５としての実装電極に接続したシールド電極（金属膜）１５によって、放熱効果を高める。特に、ＩＣチップ２の発熱による回路機能面及びＩＣ端子からこれに対面して直接的に伝熱した輻射熱を含む底壁１ａの熱は、開口部１５から放熱される。

また、この実施形態では、容器本体の外側面にはＩＣチップ２と電気的に接続する書込端子や水晶検査端子を、外底面には実装電極５有する。したがって、これらの放熱作用とともに放熱効果を高め、急激な温度上昇を回避できる。但し、開口部１５及び露出したシールド電極（金属膜）１６はＩＣチップ２の真下にあって前述の直接的な伝熱を放出し、また面積が最も大きいので、これによる効果が最も大きい。

なお、この例では、実装電極５は下層１a1の内周とはギャップを設けて形成するので、セット基板への半田リフローによる実装時に開口部１５に露出したシールド電極１４との電気的短絡を防止できる。

（他の事項）
上記実施例では容器本体１の一組の対向する各辺の実装電極５間にまたがって開口部１５を設けたが、例えば第２図に示したように十字状として二組の対向する実装電極５間にまたがって形成し、開口部の面積を大きくしてもよい。そして、開口部１５は両端側を開放して連通し、開口部１５内の空気層の流動性を高めてもよい。

また、容器本体１の内底面にＩＣチップ２を内壁段部に水晶片３を配置した例を示したが、ＩＣチップ２と水晶片３とを容器本体１の内底面に並列的（水平方向に並列）に固着した場合でも同様に適用できる。さらに、ＩＣチップ２が内底面に固着された容器本体１の開口端面に、水晶片が密閉封入された表面実装振動子（振動子容器）を固着して電気的に接続された場合でも同様に適用できる。

また、ＩＣチップ２はＩＣ端子を有する回路機能面を固着して直接的に電気的に接続するフリップチップボンディングとしたが、ＩＣチップ２の非回路機能面を固着してワイヤーボンディングによって電気的に接続する場合でも同様に適用できる。

本発明の一実施形態を説明する温度補償発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）底面図である。 本発明の他の例を説明する温度補償発振器の底面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は温度補償発振器の断面図、同図（ｂ）は同底面、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。 従来例を説明する温度補償発振器の回路ブロック図である。 従来例を説明する温度補償発振器の起動特性図である。 従来例を説明する水晶発振器の周波数温度特性図である。 従来例を説明する水晶発振器の周波数温度特性図である。

符号の説明

１ 容器本体、２ ＩＣチップ、３ 水晶片、４ 金属カバー、５ 実装端子、６ 発振回路、７ 温度補償機構、８ バンプ、９ 励振電極、１０ 引出電極、１１ 導電性接着剤、１２ 金属リング、１３ 電圧可変容量素子、１４ シールド電極、１５ 開口部。

Claims (9)

1. 外底面の４隅部に実装電極を有する凹状とした容器本体の内底面に、前記実装電極と接続するＩＣ端子を有するＩＣチップを固着し、前記ＩＣチップと電気的に接続する水晶片とを一体化した表面実装用の水晶発振器において、前記容器本体の外底面の中央領域には前記実装電極間にまたがっての開口部を有し、前記開口部による露出面には金属膜を有することを特徴とする表面実装用の水晶発振器。
2. 請求項１において、前記金属膜は前記実装電極及び前記実装電極と接続するＩＣ端子のいずれかに配線パターンを経て接続した請求項１の表面実装用の水晶発振器。
3. 請求項２において、前記金属膜と接続する前記実装電極はアース端子である表面実装用の水晶発振器。
4. 外底面の４隅部に実装電極を有する凹状とした容器本体の内底面に、前記実装電極と電気的に接続するＩＣ端子を有するとともに少なくとも発振回路を有するＩＣチップを固着し、前記ＩＣチップと電気的似接続する水晶片とを一体化した表面実装用の水晶発振器において、前記容器本体の外底面の中央領域には開口部を有し、前記開口部による露出面には前記実装電極及び前記実装電極と接続するＩＣ端子のいずれかに配線パターンを経て接続した金属膜を有することを特徴とする表面実装用の水晶発振器。
5. 請求項４において、前記金属膜と接続する前記実装電極はアース端子である表面実装用の水晶発振器。
6. 請求項４において、前記開口部は前記実装電極間にまたがって形成された表面実装用の水晶発振器。
7. 請求項１において、前記ＩＣチップは温度センサを有する発振周波数の温度補償機構を備えた表面実装用の水晶発振器。
8. 請求項１又は４において、前記水晶片は前記ＩＣチップとともに前記容器本体に配置されて密閉封入された表面実装用の水晶発振器。
9. 請求項１又は４において、前記水晶片は前記容器本体の開口端面に底面が接合した振動子用容器内に密閉封入されて、前記ＩＣチップと電気的に接続した表面実装用の水晶発振器。