JP2009004900A - 表面実装用の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣチップの発熱による周波数温度特性への影響を軽減して生産性を高めた表面実装発振器を提供する。
【解決手段】ＩＣ端子を有する回路機能面が固着されるＩＣチップ２と引出電極８ｂの延出した外周部が固着される水晶片３とを凹状とした容器本体１内に水平方向として上下方向に重畳しない構造として、容器本体１の開口端面を金属カバー４によって封止するとともに金属カバー４を容器本体１のアース端子としての実装端子１１に電気的に接続した表面実装用の水晶発振器において、ＩＣチップ２と水晶片３とは容器本体１に設けた仕切り板１５によって隔離され、ＩＣチップ２の非回路機能面と金属カバー４との間には熱伝導性の接合材を介在させた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は表面実装用の水晶発振器（以下、表面実装発振器とする）を技術分野とし、特にＩＣチップの発熱による周波数温度特性への影響を軽減した表面実装発振器に関する。

（発明の背景）
表面実装発振器は小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器に周波数や時間の基準源として内蔵される。このようなものの一つに、ＩＣチップと水晶片とを水平方向に配置して高さ寸法を小さくしたものがある。近年では、表面実装発振器の小型化に伴い、ＩＣチップの発熱による周波数温度特性への影響が問題視されている。

（従来技術の一例）
第４図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装発振器の断面図、同図（ｂ）はカバー及び金属リングを除く平面図である。

表面実装発振器は底壁と枠壁からなる凹状とした容器本体１にＩＣチップ２と水晶片３を収容し、金属カバー４を被せて密閉封入される。容器本体１は積層セラミックからなり、中央よりも一端側に対向する内壁段部５を有する。そして、一方の内壁段部５には一対の水晶保持端子６を、容器本体１の中央よりも他端側の内底面には複数の回路端子７を有する。

水晶片３は両主面に励振電極８ａを有し、一端部両側に引出電極８ｂを延出する。そして、引出電極８ｂの延出した水晶片３の一端部両側を水晶保持端子６に導電性接着剤９によって固着する。ＩＣチップ２は少なくとも発振回路を集積化して回路機能面に図示しないＩＣ端子を有し、例えばバンプ１０を用いた超音波熱圧着によって内底面の回路端子７に固着する（所謂フリップチップボンディング）。

水晶保持端子６は回路端子７のうちの水晶端子に電気的に接続し、その他の回路端子７は外底面の実装端子１１に積層面を経て接続する。実装端子１１は電源、出力、アース端子等からなる。但し、表面実装発振器を温度補償型とした場合は、温度補償データの書き込み用としたＩＣ端子は外側面の図示しない書込端子に接続する。

水晶振動子（水晶片３）の周波数温度特性は、常温２５℃近傍に変曲点を有する三次曲線となる（第５図の曲線Ａ）。三次曲線は切断角度に依存して３次、２次及び１次の係数が変化する。この例では、２５℃近傍以下の温度点に極大値Ｔ1（例えば−５℃）を、２５℃以上の温度点に極小値Ｔ2（同６５℃）を有する切断角度とする。

これにより、例えば３次項のみとした直線状の３次曲線に比較し、常温２５℃近傍の発振周波数を公称周波数とすることによって、温度が常温２５℃近傍から低温側及び高温側に変化しても周波数変化を小さくできる。通常では、極大値Ｔ1から極小値Ｔ2までの傾斜特性（勾配）を緩やかにして、極大値Ｔ1以下及び極小値Ｔ2以上の傾斜特性を急峻にする。

したがって、例えば−１０℃から７０℃までの範囲をα（１０）ppm以内とした温度規格を満足する。水晶発振器の周波数温度特性は、水晶振動子の周波数温度特性が支配的になって基本的にはほぼ同一特性となる。なお、金属カバー４はシーム溶接によって容器本体１の開口端面に接合される。開口端面には金属膜１２が形成され、溶接用の金属リング１３が銀ロウによって接合される。金属膜１２はスルーホール１４及び積層面を経て実装端子１１のうちのアース端子に接続する。
特開２００７−６７９６７号公報 特開平９−８３２４８号公報 特開２００６−１３６５０号公報 特開２００３−５１７１９号公報 特開２００３−３２０４２号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の表面実装発振器では、ＩＣチップ２の発熱温度によって、容器本体１内の温度も上昇する。特に、ＩＣチップ２と水晶片３とが対面した配置構造なので、ＩＣチップ２からの熱が水晶片３に直接的に輻射される。このため、水晶片３の温度も上昇し、周囲温度よりも高い温度での発振周波数となる。このことから、従来では、この分の周波数のズレを見込んで、例えば水晶片３の切断角度を代えて対応する必要があった。

しかし、表面実装発振器の小型化が進行するほど、例えば平面外形が5.0×3.2ｍｍ、高さが1.2ｍｍ以下になって内積が小さくなるほど、ＩＣチップ２の発熱の影響が大きくなる。この場合、常温２５℃での周波数変化よりも、高温側及び低温側の周波数変化の方が大きくなる。すなわち、前述のように常温時付近での温度に対する傾斜特性よりも、高温側及び低温側での傾斜特性が急峻なため、温度変化に対する周波数変化も大きくなる（第５図の曲線Ｂ）。

そして、特に８０℃付近以上となる高温側の周波数温度特性は、基準周波数（公称周波数）からの＋方向の周波数偏差Δｆ／ｆも大きくなって、周波数温度特性の上限規格から離れる方向なので問題となる。一方、−２０℃付近以下となる低温側は基準周波数に接近する方向なので、格別に問題にはならない。

これらのことから、常温のみならず特に高温側での周波数偏差を規格内にしなければならないので、水晶片３の切断角度を単に代えるのみでは、充分に対応できずに生産性を低下させる問題があった。なお、フリップチップボンディングによる固着なので、回路機能面とは反対面を固着してワイヤーボンディングによって電極を導出する場合に比較して放熱効果が小さいことに起因する。

（発明の目的）
本発明は、ＩＣチップ２の発熱による周波数温度特性への影響を軽減して生産性を高めた表面実装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、ＩＣ端子を有する回路機能面が固着されるＩＣチップと引出電極の延出した外周部が固着される水晶片とを凹状とした容器本体内に水平方向として上下方向に重畳しない構造として、前記容器本体の開口端面を金属カバーによって封止するとともに前記金属カバーを前記容器本体のアース端子としての実装端子に電気的に接続した表面実装用の水晶発振器において、前記ＩＣチップと前記水晶片とは前記容器本体に設けた仕切り板によって隔離され、前記ＩＣチップの非回路機能面と前記金属カバーとの間には熱伝導性の接合材を介在させた構成とする。

このような構成であれば、金属カバーによるシールド効果を維持した上で、仕切り板によってＩＣチップと水晶片とを隔離するので、両者間の対流による熱の結合を基本的に遮断する。そして、ＩＣチップと金属カバーとの間の熱伝導性の接合材によって放熱効果を高める。したがって、水晶片の温度上昇を抑制できる。

本発明の請求項２では、請求項１において、前記金属カバーは前記仕切板を含む記容器本体の開口端面に共晶合金によって接合される。これにより、ＩＣチップと水晶片とはそれぞれが密閉空間内に収容されて完全に別個の空間に分離するので、両者間の対流による熱の結合を完全に遮断できる。また、例えばＩＣチップを保護樹脂で覆う場合よりも、ＩＣチップを密閉封入するので、例えば高温・多湿化の環境下では特に有効となる。

同請求項３では、請求項１において、前記熱伝導性の接合材は共晶合金又は導電性接着剤とする。これにより、熱伝導性の接合材を明確にする。そして、いずれの場合でも、ＩＣチップの非回路機能面を金属カバーを経てアース端子に接続するので、ＩＣチップの非回路機能面を確実にアース電位面にできる。

また、熱伝導性の接合材を共晶合金とした場合は、熱伝導性が導電性接着剤よりも優れて放熱効果を高める。そして、共晶合金は無機物なので有機ガスを発生することがないので、例えば水晶片とＩＣチップとの密閉空間同士に連通部があった場合でも、水晶片へのガス付着を防止して振動特性を良好にできる。

第１図は本発明の一実施形態を説明する図で、同図（ａ）は表面実装発振器の断面図、同図（ｂ）は金属カバー及び共晶合金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。

表面実装発振器は、前述したように、積層セラミックからなる凹状とした容器本体１の一端側の内壁段部５に水晶保持端子６を有し、他端側の内底面に回路端子７を有する。そして、内壁段部５の水晶保持端子６に引出電極８ｂの延出した水晶片３の一端部両側を導電性接着剤によって固着する。また、内底面の回路端子７にＩＣチップ２の回路機能面のＩＣ端子をバンプ１０を用いた超音波熱圧着によって固着する。

ここでは、容器本体１はＩＣチップ２と水晶片３を分離する仕切り板１５を中央に設けける。仕切り板１５は容器本体１の各枠壁に橋渡しを設けて一体的に焼成することによって形成される。そして、仕切り板１５を含む容器本体１の開口端面には金属膜１２を有する。金属膜１２はスルーホール１４及び積層面を経て実装端子１１中のアース端子に電気的に接続する。

そして、仕切り板１５を含む容器本体１の開口端面に対応して、金属カバー４の外周及び中央部には封止用の共晶合金（封止用合金とする。）１６ａを予め固着する。さらに、ＩＣチップ２の非回路機能面の上方となる領域に熱伝導性の接合材としての共晶合金(熱伝導合金とする)１６ｂを予め固着する。これらの封止用及び熱伝導性合金１６（ａｂ）は印刷等によって一括して形成される。

そして、第２図に示したように、金属カバー４を容器本体１の開口端面上に位置決めする。この場合、封止用合金１６ａは容器本体１の金属膜１２と当接し、熱伝導合金１６ｂはＩＣチップ２の非回路機能面とは間隙を有する。そして、封止用及び熱伝導合金１６（ａｂ）を加熱溶融し、容器本体１の開口端面に金属カバー４を接合する。このとき、熱伝導性合金１６ｂは自重によって、ＩＣチップ２の非回路機能面に当接する。

このような構成であれば、仕切り板１５によってＩＣチップ２と水晶片３とを分離し、金属カバー４によって独立した密閉空間にこれらを収容する。したがって、ＩＣチップ２からの対流による熱の伝播を完全に遮断できる。そして、ＩＣチップ３の非回路機能面と金属カバー４とを熱伝導合金１６ｂによって熱的に結合する。したがって、ＩＣチップ２の熱は金属カバー４を経て放熱される。これらにより、水晶片３の温度上昇を抑えるので、本来の周波数温度特性を維持する。

また、ここでは、ＩＣチップの非回路機能面は熱伝導合金１６ｂによって金属カバー４に当接し、実装端子１１中のアース端子に電気的に接続する。したがって、ＩＣチップ２の非回路機能面を確実にアース電位にできる。そして、ＩＣチップ２を密閉封入するので、保護樹脂を塗布した場合に比較して高温・多湿の環境化での使用に適用する。

（他の事項）
上記実施形態ではＩＣチップ２の非回路機能面上に熱伝導合金１６ｂを自重によって当接させたが、例えば非回路機能面に金属膜例えばＡuメッキを設けて封止用合金１６ａとの接合を確実にしてもよい。

また、伝導性の接合材として共晶合金１６ｂを用いたが、例えば図示しない導電性接着剤であってもよい。この場合、例えばＩＣチップ２の非回路機能面上に熱硬化型の導電性接着剤を予め塗布する。そして、封止用合金１６ａによる金属カバー４の接合時に一体的に加熱溶融して硬化させる。

また、封止用合金１６ａによって金属カバー４を容器本体の開口端面に接合したが、例えばシーム溶接であったとしても適用できる。この場合、仕切り板１５上にはシーム溶接できないので、容器本体１の外周部のみとなる。そして、金属カバー４のシーム溶接後に熱伝導合金１６ｂや導電性接着剤を加熱溶融する。

また、上記例では金属カバー４は共通としたが、ＩＣチップ２及び水晶片３をそれぞれ別個の金属カバー４によって封止してもよい。この場合、仕切り板１５上の金属膜１２及び封止用合金１６ａをも別個にする。このようにすれば、金属カバー４を経由しての水晶片２の密閉空間に伝播される熱を防止できる。

なお、表面実装発振器を温度補償型とした場合は、ＩＣチップ２内に設けられた温度検出素子と水晶振動子の動作温度とが異なり、特に電源投入後の起動時には温度補償機構部からの温度補償電圧は実際に補償すべき温度補償電圧からズレを生じる。したがって、この場合でも適用できる。

本発明の一実施形態を説明する図で、同図（ａ）は表面実装発振器の断面図、同図（ｂ）は金属カバー及び共晶合金を除く平面図である。 本発明の一実施形態を説明する金属カバーの接合前の表面実装発振器の断面図である。 本発明の一実施形態の他の例を説明する表面実装発振器の断面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装発振器の断面図、同図（ｂ）はカバー及び金属リングを除く平面図である。 表面実装発振器（水晶振動子）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 内壁段部、６ 水晶保持端子、７ 回路端子、８ 電極、９ 導電性接着剤、１０ バンプ、１１ 外部端子、１２ 金属膜、１３ 金属リング、１４ スルーホール、１５ 仕切り板、１６ａ 封止用合金、１６ｂ 熱伝導合金。

Claims (3)

1. ＩＣ端子を有する回路機能面が固着されるＩＣチップと引出電極の延出した外周部が固着される水晶片とを凹状とした容器本体内に水平方向として上下方向に重畳しない配置構造として、前記容器本体の開口端面を金属カバーによって封止するとともに前記金属カバーを前記容器本体のアース端子としての実装端子に電気的に接続した表面実装用の水晶発振器において、前記ＩＣチップと前記水晶片とは前記容器本体に設けた仕切り板によって隔離され、前記ＩＣチップの非回路機能面と前記金属カバーとの間には熱伝導性の接合材を介在させた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、前記金属カバーは前記仕切板を含む記容器本体の開口端面に共晶合金によって接合された表面実装用の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記熱伝導性の接合材は共晶合金又は導電性接着剤である表面実装用の水晶発振器。