JP5072266B2 - 表面実装用の温度補償水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は表面実装用の温度補償水晶発振器（以下、温度補償発振器とする）を技術分野とし、特に起動時の温度補償を確実にした表面実装発振器に関する。

（発明の背景）
表面実装用の温度補償発振器は、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電話等の携帯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、温度補償機構及び発振回路をＩＣチップ内に集積化して水晶片とともに密閉封入した温度補償発振器がある。

（従来技術の一例）
第２図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装用とした温度補償発振器の断面図、同図（ｂ）は概略回路ブロック図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。

温度補償発振器は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は積層セラミックからなり、外底面に実装端子５を、外側面に図示しない温度補償データの書込端子を有する。容器本体１の内底面には図示しない回路端子を、内壁段部に水晶保持端子を有する。

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（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。ＩＣ端子は少なくとも一対の水晶端子、電源、出力及びアース端子を有し、さらに温度補償データの書込端子等を有する。各ＩＣ端子はＩＣチップの回路機能面である一主面の両辺側に形成される。

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、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（接続）する。あるいは、少なくとも表面を半田としたバンプ８をリフローによって固着する。各ＩＣ端子（回路端子）はそれぞれ対応する容器本体１の実装端子５、水晶保持端子及び書込端子に接続する。

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の温度センサによる抵抗値（周囲温度）の変化に基づく補償電圧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可変するので、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）

（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、周波数安定度が起動時に損なわれて規格を充分に満足しない問題があった。すなわち、温度補償発振器の起動時には、ＩＣチップ２内に生ずる回路電流に起因した特に発振用増幅器や緩衝増幅器等の能動素子による発熱によって、ＩＣチップ２自体の温度が周囲温度よりも高くなる。

これに対し、水晶振動子（水晶片３）は周囲温度に応答した振動周波数で動作する。したがって、ＩＣチップ２に集積化された温度補償機構内の温度センサは、水晶振動子（水晶片３）の動作温度よりも高い温度を検出し、これに基づく補償電圧Ｖcを電圧可変容量素子１３に印加する。例えば水晶振動子は公称周波数ｆoとなる２５℃で動作しているにも拘わらず、温度センサはこれより高い例えば３０℃を検出する。

そして、温度補償機構７は検出温度３０℃に基づく補償電圧Ｖcを電圧可変容量素子１３に印加する。したがって、発振周波数ｆは公称周波数ｆoから変化するので、起動時には周波数安定度を悪化させる。但し、起動時からの時間の経過とともにＩＣチップ２と水晶片３との温度が接近して同一になれば、温度補償動作は正常に機能して周波数安定度を規格内に満足する。

この場合、特に、携帯電話ではクロック周波数に応答して温度補償発振器が起動され、ＯＮ・ＯＦＦ動作が繰り返される。したがって、起動時におけるＩＣチップ２と水晶振動子との温度差による温度補償動作の誤動作は問題を大きくする。なお、電源電圧の省力化のため、クロック周波数にて間欠的に動作する。

（発明の目的）
本発明は起動時の温度補償動作を良好にして周波数安定度を維持した表面実装用の温度補償発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、発振回路及び温度補償機構を集積化したＩＣチップの一主面を、外底面に実装端子を有して凹状とした容器本体の内底面にバンプを用いて固着し、前記容器本体の内壁段部に引出電極の延出した水晶片の外周部を固着した表面実装用の温度補償水晶発振器において、前記内壁段部を上段と下段との２段とし、前記上段には前記水晶片の外周部を固着し、前記下段と前記ＩＣチップの他主面とは熱伝導材によって固着された金属平板を経て熱結合した構成とする。

このような構成であれば、熱伝導材によって固着された金属平板によって、特に起動時の回路電流によって生じるＩＣチップの熱を容器本体に伝熱して外部に放出できる。したがって、起動時における温度センサの検出温度と水晶振動子の動作温度を近接して、温度補償動作を正常にする。これにより、周波数安定度を高められる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、前記下段は前記容器本体の少なくとも両端側に設けられ、前記金属平板は前記ＩＣチップの他主面を横断する。これによれれば、ＩＣチップの他主面を横断して両端側の下段に熱結合するので、放熱効果を高められる。

同請求項３では、前記導電材は導電性接着剤であって、前記下段の表面には前記実装端子のうちのアース端子と電気的に接続した金属膜を有する。これによれば、ＩＣチップの熱はアース端子へ導電路を経て伝熱されるので、放熱効果がさらに高まる。

同請求項４では、前記金属平板は前記水晶片の励振電極と前記ＩＣチップとを電気的に遮蔽する。これにより、水晶片とＩＣチップとの干渉を防止し、発振周波数の雑音を小さくできる。

第１図は本発明の一実施形態を説明する表面実装用の温度補償発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）はカバー及び金属リングを除く平面図である。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、前述同様に、発振回路６及び温度補償機構７を集積化したＩＣチップ２の回路機能面（一主面）を容器本体１の内底面にバンプ８を用いた超音波熱圧着やリフローによって固着する。また、引出電極１０の延出した水晶片３の一端部両側を容器本体１の内壁段部に導電性接着剤１１によって固着する。そして、容器本体１の開口端面に金属カバー４を接合して密閉封入する。

この実施形態では、容器本体１の内壁段部は周回する上下段の２段とする。そして、水晶片３の一端部両側を上段に固着する。下段には周回するＡuやＣu等の熱伝導率の高い金属膜１４が形成される「第1図（ｂ）の平面図」。金属膜１４は、図示しないビアホール等によって実装端子５中のアース端子に電気的に接続する。そして、金属平板１５の外周が下段に、中央領域がＩＣチップの他主面を覆う全面に、熱伝導材としての導電性接着剤１１によって固着される。

このような構成であれば、容器本体１の下段及びＩＣチップ２の他主面とは導電性接着剤（熱伝導材）１１によって固着された金属平板１５を経て熱的に結合する。したがって、特に起動時の回路電流によって生じるＩＣチップ２の熱を容器本体に伝熱し、容器本体１から外部に放出できる。

この例では、金属平板１５の全外周が周回する下段に固着して、中央領域がＩＣチップ２の他主面の全面と固着する。そして、下段の周回する外周には、アース端子と接続する熱伝導率の高い金属膜１４が形成される。したがって、放熱効果を高める。これにより、起動時における温度センサの検出温度と水晶振動子の動作温度を近接して、温度補償動作を正常にする。これにより、周波数安定度を高められる。

また、アース端子と接続する金属平板１５はＩＣチップ２と水晶片３とを遮蔽するので、ＩＣチップ２と水晶片３との間の電気的な干渉を防止し、発振周波数の雑音成分を小さくできる。

（他の事項）
上記実施形態では容器本体１の下段は周回して設けたが、少なくとも容器本体１の両端側に設けられてＩＣチップ２を横断した金属平板１５の両端側が固着されればよい。さらには、下段は容器本体１の一端側のみであって、ＩＣチップ２の他主面と下段とが金属平板１５によって熱的に結合していればよい。そして、熱伝導材としては導電性接着剤１１に限らず、熱伝導性に富んだ絶縁性の接着剤であればよい。

本発明の一実施形態を説明する表面実装用の温度補償発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）はカバー及び金属リングを除く平面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装用とした温度補償発振器の断面図、同図（ｂ）は概略回路ブロック図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。

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 金属膜、１５ 金属平板。

Claims (2)

1. 発振回路及び温度センサを有する温度補償機構を集積化したＩＣチップの一主面を、外底面に実装端子を有して凹状とした容器本体の内底面にバンプを用いて固着し、前記容器本体の内壁段部に有する水晶保持端子に水晶片の両主面に設けた励振電極のそれぞれから当該水晶片の一端部両側に延出した引出電極の外周部を固着し、前記凹状とした容器本体の開口端面に金属カバーを接合して密閉封止した表面実装用の温度補償水晶発振器であって、
   前記内壁段部を上段と下段との２段とし、
   前記上段には、前記水晶片の前記引出電極の外周部を固着する前記水晶保持端子を有し、
   前記下段は前記容器本体の少なくとも前記凹部の両端側に設けられ、当該下段には前記容器本体の内底面に固着した前記ＩＣチップの他主面を覆う全面に熱伝導材としての導電性接着剤で固着された金属平板を固着してなり、
   前記下段と前記ＩＣチップの他主面とは前記金属平板を経て前記容器本体に熱結合してなり、
   前記金属平板は、前記水晶片の励振電極と前記ＩＣチップとを電気的に遮蔽して前記水晶片と前記ＩＣチップ間の電気的干渉を防止すると共に、
   前記温度補償発振器における起動時に発生する前記ＩＣチップの熱を前記金属カバーで前記開口端を密閉した前記容器本体から外部に放熱することで、起動時の前記温度センサの検出温度と水晶片の動作温度を近接させて温度補償動作を正常にすることを特徴とする表面実装用の温度補償水晶発振器。
2. 請求項１において、
   前記金属平板の固着される前記下段の表面には前記実装端子のうちのアース端子と電気的に接続した熱電動率の高い金属膜を有することを特徴とする表面実装用の温度補償水晶発振器。