JP5351082B2 - 熱的に制御された圧電共振子を含む発振子デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電共振子素子を含む小型の発振子デバイスに関する。より詳細には、本発明は、備わっている圧電共振子素子を実質的に一定の温度に維持することができるような発振子デバイスに関する。

小型の水晶発振子デバイスは、時計製作法、情報技術、電気通信、ＧＰＳ、および医療分野など多くの分野で、具体的には電子機器向けに、基準周波数発生器を作製するために用いられることが非常に多い。

小型の水晶発振子デバイスは、大抵の場合ＳＭＤ（表面実装デバイス）であるが、必ずしもそれだけではない。小型の表面実装水晶発振子デバイスが既知であり、これは、表面実装向けの容器、圧電共振子素子（水晶）、および発振回路を形成するように圧電共振子素子に結合された集積回路チップ（ＩＣチップ）を含む。ＩＣチップおよび圧電共振子素子は、両方とも、容器の気密密閉された空洞の内部に配置される。

水晶発振子デバイスからの共振子の周波数出力信号は、一般に、発振子の温度の変化につれて変化する。室温の変化によって引き起こされるこの影響を中和するための様々な方法が知られている。例えば、発振回路および／または圧電共振子素子を加熱するためのオーブンを備える水晶発振子デバイスが既知である。

オーブン制御水晶発振子（ＯＣＸＯ）は、通常、加熱器および温度センサを、加熱器を制御するための加熱制御回路とともに含む。加熱制御回路は、加熱器に供給される電力を周囲温度の関数として制御する。供給される電力の量は、水晶およびその他の重要な回路を所定の一定温度に維持するように、周囲温度とともに変化する。この所定温度は、通常、予期される最高の周囲温度より約１０度高く選択される。

圧電共振子素子の共振子周波数は、一般に温度の２乗または３乗の関数で近似することができる。通常、周波数対温度の曲線上に、傾斜がゼロである定留点が少なくとも１つある。圧電共振子素子は、定留点がオーブンの所望の一定温度と一致するように選択するべきである。このようにして、所定のオーブン温度のあたりの不可避の周期的温度変化は、周波数安定度に対して限界効果だけを有することになる。

ＯＣＸＯでは、圧電共振子素子は、通常ケース内に密封され、ケース全体が加熱器によって包まれている。オーブンで制御されたそのような発振子デバイスは、優れた温度特性を有する。しかし、電力消費が大きく、しかも起動時間が長いという欠点もある。特許文献の、米国特許第５，９１７，２７２号は、消費電力が低減された水晶発振子デバイスを開示している。発振子デバイスは、熱伝導基板の上に、熱伝導性の高いサポート・クリップによって、熱伝導するように取り付けられた圧電共振子素子を含む。サポート・クリップは導電性であるので、基板表面上の導電経路へ圧電共振子を電気的に接続する役割も果たす。熱伝導基板は、加熱デバイス、制御回路および温度センサも保持する。基板自体は、断熱ポストによって気密パッケージの内側に断熱のやり方で取り付けられる。パッケージ内部に電気的リードがさらに配置されて基板を接続パッドに接続し、また、接続パッドは外部に接続される。熱伝導を制限するために、電気的リードは非常に細い線で作製される。加熱デバイスおよび圧電共振子素子を保持する基板が、気密パッケージの壁から適度に都合よく断熱されるので、熱放散は大幅に低減される。

しかし、そのような従来技術の水晶発振子デバイスにはいくつか問題がある。実際、周囲温度が変化するとき、デバイス外面の温度も変化する。デバイスが少なくとも部分的に熱伝導材料中にパッケージ化されているので、周囲の温度変化が内側に伝搬する。圧電素子がカバーの下に直接存在するので、一定量の熱が、カバーから水晶素子へ放射する余地があり、あるいはその逆もあり得る。その上、発振回路はパッケージの外部に設けられる。したがって、周囲温度の変化が、熱伝導によって、発振回路、電気的リード、および最後にサポート・クリップを通って圧電共振子ユニットに伝達され得る。

制御回路が加熱器を作動させ得る前に、周囲温度の変化が、基板上に取り付けられた温度センサにまず到達しなければならない。圧電共振子ユニットが温度センサから離隔されているので、２つのユニットにおける温度変化の速度は異なる。このことは、温度調節回路が反応する前に遅延をもたらす可能性がある。その上、一旦温度制御が反応すると、加熱器によって生成された熱が圧電共振子ユニットに到達するのに時間がかかる。圧電共振子ユニットの温度が、デバイスの設定値温度と実質的にずれるというリスクが存在することになる。したがって、本当に安定した発振を保証することができない。

米国特許第５，９１７，２７２号

したがって、本発明の目的は、表面実装技法（ＳＭＤ）と両立できるように十分に小さく作製することができ、消費電力が低減され、周囲温度が変化したときにより安定した共振子周波数を示す水晶発振子デバイスを提供することである。

この目的のために、本発明による水晶発振子デバイスは、真空チャンバを形成する気密ケースと、圧電共振子素子と、発振回路と、温度センサと、加熱ユニットとを備え、その加熱ユニットが能動面（１３ａ）を有する集積回路チップ（１３）内に実装されており、圧電共振子素子と発振回路とが、ともに接続されて発振回路を形成し、温度センサおよび集積回路チップが、圧電共振子素子とともに真空チャンバ内に密封されており、集積回路チップが圧電共振子素子を支持するように、圧電共振子素子が、熱伝導のやり方で集積回路チップの能動面に取り付けられることを特徴とする。

ここで、「能動面」は、集積回路チップ（ＩＣチップ）の２つの主要面のうちの１つを指し、その上に加熱ユニットなどの電子回路を形成することができるものである。ＩＣチップを接続するために、ＩＣ端子も能動面上に形成される。

「圧電共振子素子」は、それ自体のケースに密封された水晶共振子によって形成されたユニットではなく、裸の水晶を指すことをさらに理解されたい。

本発明によれば、ＩＣチップ内に加熱ユニットが実装される。この配置の利点は、圧電共振子素子と加熱ユニットとが、互いに接近して配置されることである。この特徴は、デバイスの設定値温度からの乖離の大きさを低減するのに寄与する。

本発明の特定の実施形態によれば、加熱ユニットとともに発振回路が集積回路チップ内に実装される。この場合、圧電共振子素子は、好ましくは、発振回路との直接の電気的接続を形成するようなやり方で集積回路チップの能動面に取り付けられる。この配置によって、圧電共振子素子と発振回路とを接続するリードを省くことが可能になる。したがって、熱伝導による熱損失が最小限に保たれる。

本発明の別の特定の実施形態によれば、加熱ユニットとともに温度センサが（場合によっては発振回路も）集積回路チップ内に実装される。この特定の実施形態の利点は、温度センサおよび圧電共振子素子が加熱ユニットに接近して配置されて、水晶発振子デバイスが、あらゆる温度変化に非常に速く反応し得ることである。

本発明の他の特徴および利点は、添付された図を参照しながら、限定するものではない例として単に示される以下の説明を読むと明白になるであろう。

本発明による水晶発振子デバイスをパッケージ化するように適合された表面実装（ＳＭＤ）タイプのセラミック・ケースの斜視図である。 図１ａのセラミック・ケースの４つの接続ピンを示す概略図である。 ＩＣチップおよび本発明の例示的実施形態による水晶発振子デバイスの圧電共振子ユニットによって形成された組立体の概略図である。 上からケースの蓋を通過して観察した、図２ａの組立体の、ＩＣチップとの間の電気的接続を示す概略図である。 図１のセラミック・ケースの真空チャンバ内部の圧電共振子ユニットおよびＩＣチップを示す断面図である。 支持プレートの穴の上にＩＣチップが取り付けられる様子を示すように、図３の圧電共振子ユニットおよびＩＣチップを、上からケースの蓋を通過して示す図である。

図１ａおよび図１ｂは、本発明による水晶発振子デバイスをパッケージ化するように適合されたセラミック・ケース１を示す。図示されたセラミック・ケースは、表面実装（ＳＭＤ）タイプである。ケース１は、非常に小さな寸法を有することができる。例えば、このケースは標準ＭＣＳＯと同一サイズであり得る。すなわち、長さ１４ミリメートル、幅９ミリメートルおよび高さ３．２ミリメートルである。図１ｂの概略図で、より明確に示されるように、ケース１は４つの外部電極（またはピン）３、５、７および９を伴う。これらの電極は、ケースの底部または側面を通して、外部回路（図示せず）にケース内部の水晶発振子デバイスの素子を接続するように配置される。電極３は供給電圧（Ｖｃｃ）と接続するように配置され、電極９はアース（Ｇｎｄ）と接続するように配置される。既知のやり方で、電極７は、発振周波数の制御を可能にする制御電圧用の接続となるように配置される。最後に、電極５は、水晶発振子デバイスから出力される周波数用の接続となるように配置される。

図２ａおよび図２ｂは、ケース１のない状態で、圧電共振子素子１１をその電気的接続とともに示す。図示の例では、圧電共振子素子はＡＴカットの水晶細長片である。本発明によれば、圧電共振子ユニット１１はＩＣチップ１３の能動面１３ａ上に取り付けられ、加熱ユニット（図示せず）がＩＣチップ内に実装される。この例では、発振回路および温度センサもＩＣチップ１３内に実装される。発振回路および圧電共振子素子は、発振回路を形成するように互いに接続される。

既知のやり方で、圧電共振子素子の表面は、２つの電極および４つの接続パッド（図２ｂではそのうち２つが１５および１６の参照で示されている）を形成するように配置された金属被覆を保持する。共振子の接続パッドは、すべて水晶細長片の同一の終端に（２つが最上部に、２つが下に）配置され、各電極が、細長片の主面のうちの１つの上に伸びる。電極のそれぞれが、導電経路によって、細長片のいずれかの主面上の１対の接続パッドにさらに接続される。電極の一方が発振回路の１つの極に接続されるとき、電極の他方は、もう１つの極に接続される。電極間に、圧電材料にわたって可変電界が形成され得て、水晶細長片を振動させる。

前述のように、圧電共振子ユニット１１が取り付けられたＩＣチップ１３の側面は、ＩＣチップの能動面１３ａに相当する。換言すれば、圧電共振子素子１１は、電子回路が形成されるＩＣチップの特定の側面に固定される。チップを接続するためのＩＣ端子（図示せず）も能動面上に形成される。ＩＣ端子は、圧電共振子素子がＩＣチップに対して適切に配置されたとき、一体型発振回路に接続された２つのＩＣ端子が水晶細長片１１の底面に形成された２つの接続パッドと直接向かい合うように、能動面上に配置される。この配置によって、電気的リードを必要とすることなく、発振回路に直接圧電共振子素子を接続することが可能になる。共振子とＩＣとの間を接続する結合は、例えば超音波フリップ・チップ・ボンディングにより、あるいは単に接続パッドのそれぞれに対して少量の導電性接着剤を用いることによって達成することができる。ここで説明されたやり方でＩＣチップへ共振子を結合すると、２つの素子間に熱伝導性および導電性をもたらすばかりでなく、共振子に対して適切な機械的支持体を設けるという利点もあることが理解されよう。

水晶発振子デバイスに電子回路のあらゆる単一素子を一体化するのは、大抵の場合実際的でない。図２ｂが、ＩＣチップから伸びる複数の電気的リード（すべて３３で参照される）ならびに水晶共振子の最上面上の２つの接続パッド１５および１６から伸びるさらなる２つの電気的リードを示す理由は、このことにある。この特定の例では、後者の２つのリードは、入力コンデンサおよび出力コンデンサ（コンデンサは図示されていない）にそれぞれ共振子の入力および出力を接続するように配置される。デバイスの４つの外部ピン３、５、７および９にそれぞれのＩＣ端子を接続するために、ＩＣチップから伸びる４つの電気的リード３３が設けられる（図１ｂに示されている）。残りの電気的リード３３は、電源（図示せず）用のデカップリング・コンデンサ、加熱ユニット用の大きなコンデンサ（図示せず）、外部電極７（図１ｂ）を介して供給される制御電圧に基づいて発振周波数を制御するための抵抗およびバリキャップ（図示せず）、ならびに共振子の駆動レベルを調整するための抵抗（図示せず）へ、ＩＣチップのそれぞれの端子を接続するのに用いられる。断熱を改善するために、一般に、上記の抵抗およびコンデンサがすべてＩＣチップとともに真空チャンバ内に密封されることが好ましい。個々の素子を各ＩＣチップに接続するやり方は、これ以上詳細には説明しない。実際、当業者なら、これらの素子を接続する適切なやり方について考えることに問題はないはずである。

前述のように、示された例によれば、発振回路および温度センサは、加熱ユニットとともにＩＣチップ１３内に実装される。しかし、本発明によれば、ＩＣチップ１３内に必ず実装しなければならないただ１つの電子回路部分は加熱ユニットである。したがって、代替実施形態によれば、大きなコンデンサおよび抵抗だけでなく、実際には電子回路の全体も個別ユニットの形で実装することができる可能性がある。

図３は、セラミック・ケース１の内部にＩＣチップ１３および圧電共振子素子１１が配置される様子を示す断面図である。この特定の例では、ケース１は、セラミック材料の５つの層２５、２６、２７、２８および２９で形成される。ＩＣチップ１３、圧電共振子素子１１、およびその他すべての前述の回路素子を収容するために、大きな真空チャンバ２３が設けられる。真空チャンバ２３は、支持プレート２７、外周壁２８および蓋２９によって形成された３レベルの組立体の内部に設けられる。これらのセラミック層は、気密のやり方で互いに取り付けられる。当業者なら、セラミック層を取り付ける適切な方法を知っている。図３に示されるように、ＩＣチップは支持プレート２７上に固定して取り付けられる。セラミック材料は熱伝導性であるため、ＩＣチップと支持プレートとの間に、好ましくは断熱材料の層から形成されたシュー３１が挿入される。先に説明したように、複数の薄い電気的リード３３（図３に１つだけ示されている）が、セラミック・ケース１の内部に、接続パッド（図示せず）を介してＩＣチップ１３に対する必要な接続をもたらす。

水晶発振子デバイスの断熱をさらに改善するために、真空チャンバ２３を密封するセラミックの３つの層２７、２８、２９が、セラミックのベース・プレート２５および中間プレート２６によって形成された下部構造の最上部に取り付けられる。その上、図３に示されるように、この下部構造内で支持プレート２７の下に、集積回路チップ１３から直接反対側に、下側の空洞３５が設けられる。図３においてさらに見ることができるように、下側の空洞３５は、支持プレート２７の穴３７によって真空チャンバ２３に連結され、また、ＩＣチップ１３が、穴３７に跨るようなやり方で支持プレート２７上に取り付けられる。このようにして、ＩＣチップは、実際にはすべての側で真空に包まれる。この配置が、熱伝導に有効な経路をかなり制限し、断熱を改善することが理解されよう。

次に図４を参照すると、穴３７が長方形形状であることが分かる。上から見ると、ＩＣチップ１３は、穴３７とほぼ同じような寸法を有するが、穴３７に対して９０°回転されている。この構成では、穴３７は、ＩＣチップ１３より広く、より短い。ＩＣチップ１３が、図に示されるように穴３７に跨るとき、断熱シュー３１と支持プレート２７との間の接触は、穴３７の両側での２つの狭い細長片３８ａおよび３８ｂに限定される。シュー３１と支持プレート２７との間の接触域を２つの狭い細長片３８ａ、３８ｂに限定することにより、説明された配置によって、ＩＣチップから支持プレートへの熱伝導をさらに限定することが可能になる。前述のように、穴３７はＩＣチップ１３より広くもある。したがって、ＩＣチップが、支持プレート２７の開口部を全面的に覆うことはない。図４に示されるように、ＩＣチップ１３の両側の２つの狭い開口部４０ａ、４０ｂが、真空チャンバ２３を下側の空洞３５に連結する。この配置によって、真空チャンバ内に真空が生成されたときに下側の空洞でも真空が生成されることを保証することが可能になる。

この説明の題材を形成する実施形態に対して、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には明らかである様々な変更および／または改善を行うことができることが理解されよう。具体的には、圧電共振子素子にＡＴカットの水晶を用いる代わりに、ＳＣカット水晶または任意の他の既知のタイプの圧電共振子素子を用いることも可能である。

１ ケース； ３，５，７，９ 外部電極； １１ 圧電共振子素子；
１３ ＩＣチップ； １３ａ 能動面； １５ 接続パッド； １６ 接続パッド；
２３ 真空チャンバ； ２５ ベース・プレート； ２６ 中間プレート；
２７ 支持プレート； ２８ 外周壁； ２９ 蓋； ３１ シュー
３３ 電気的リード； ３５ 空洞； ３７ 穴； ３８ａ，３８ｂ 細長片、
４０ａ，４０ｂ 開口部。

Claims (11)

1. 真空チャンバ（２３）を形成する気密ケース（１）と、圧電共振子素子（１１）と、発振回路と、温度センサと、加熱ユニットとを備え、且つ、その加熱ユニットが能動面（１３ａ）を有する集積回路チップ（１３）内に実装されている、水晶発振子デバイスであって、前記圧電共振子素子（１１）と前記発振回路とが、ともに接続されて発振回路を形成し、前記温度センサおよび前記加熱ユニットが、前記圧電共振子素子（１１）とともに前記真空チャンバ（２３）内に密封されており、
   前記圧電共振子素子が、前記集積回路チップによって支持されるよう、前記集積回路チップ（１３）の前記能動面（１３ａ）に熱伝導可能に取り付けられる
   ことを特徴とする水晶発振子デバイス。
2. 前記発振回路が、前記加熱ユニットとともに前記集積回路チップ（１３）内に実装され、前記圧電共振子素子（１１）が、前記発振回路に直接接続されるようなやり方で前記集積回路チップの前記能動面（１３ａ）に取り付けられる請求項１に記載の水晶発振子デバイス。
3. 前記温度センサが、前記加熱ユニットとともに前記集積回路チップ（１３）内に実装される、請求項１または２に記載の水晶発振子デバイス。
4. 前記圧電共振子素子（１１）が、熱伝導性接着剤によって前記集積回路チップ（１３）の前記能動面（１３ａ）に取り付けられる、請求項１に記載の水晶発振子デバイス。
5. 前記集積回路チップ（１３）と前記圧電共振子素子（１１）とが、超音波フリップ・チップ・ボンディング技法によって互いに結合される、請求項１に記載の水晶発振子デバイス。
6. 前記気密ケース（１）がセラミックで作製される、請求項１に記載の水晶発振子デバイス。
7. 前記気密ケース（１）が、前記真空チャンバ（２３）の上側の蓋（２９）および前記真空チャンバの下側の支持プレート（２７）を備え、前記支持プレートが、２つの対向する上面および底面を有し、前記集積回路チップ（１３）が、能動面（１３ａ）側を上にして前記支持プレート上に取り付けられ、前記集積回路チップと前記支持プレートの間に、断熱材料（３１）が挿入される、請求項１に記載の水晶発振子デバイス。
8. 前記支持プレート（２７）が、前記気密ケース（１）の下部構造（２５、２６）上に配置され、前記気密ケースが、前記下部構造の内部で、前記支持プレートの下に、前記集積回路チップ（１３）の反対側に配置された下側の空洞（３５）をさらに備える、請求項７に記載の水晶発振子デバイス。
9. 前記支持プレート（２７）の穴（３７）が、前記真空チャンバ（２３）と前記下側の空洞（３５）とを連結する、請求項８に記載の水晶発振子デバイス。
10. 前記集積回路チップ（１３）が前記穴（３７）に跨る、請求項９に記載の水晶発振子デバイス。
11. 前記ケースが、表面実装（ＳＭＤ）タイプであり、重ね合わせたセラミック層（２５、２６、２７、２８、２９）を備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の水晶発振子デバイス。

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