JP2010135994A - 表面実装水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入直後の周波数変動を抑制することができる表面実装水晶発振器を提供する。
【解決手段】本発明の表面実装水晶発振器は、容器本体１内に収納された水晶片３と、容器本体１内に収納され、かつバンプ７、回路端子６、ビアホール１１、保持端子１２及び導電性接着剤８等の導電性部材により水晶片３電気的に接続されたＩＣチップ２と、を有する。ＩＣチップ２には、ＩＣチップ２の一主面２ａから他主面２ｂまで貫通し、かつ内面にメッキ層２２が形成された貫通穴２０が形成されている。また、ＩＣチップ２の他主面２ｂメッキ層２２と機械的に接触した金属ペースト２１が塗布されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装用の水晶発振器に関する。

表面実装用の水晶発振器（以下、「表面実装水晶発振器」と呼ぶ。）は、小型、軽量であることから、例えば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。

特許文献１には、積層セラミックからなる凹部を有する容器本体にＩＣチップを超音波熱圧着によって固着し、水晶片とともに一体化したタイプの表面実装水晶発振器が開示されている。

図４に、特許文献１等に開示された表面実装水晶発振器の構成を有する、表面実装水晶発振器の一従来例の断面図を示す。

表面実装発振器は、概ね、容器本体１０１、水晶片１０２及びＩＣチップ１０３からなる。容器本体１０１は両主面に凹部を有する断面Ｈ構造とした積層セラミックからなり、平板状の中央層１０１ａと開口部を有する上下枠層１０１ｂ、１０１ｃとを有する。中央層１０１ａは一層目Ａと二層目Ｂとを積層してなり、一層目Ａの一主面は凹部１１３の底面（図の上面側）となり、二層目Ｂの他主面は凹部１１４の底面（同下面側）となる。

中央層１０１ａの一層目Ａは、一方の凹部底面となる一主面の一端部両側に一対の水晶保持端子１０８を有し、例えば両端側の中央部に設けられた電極貫通孔としてのビアホール１１１と配線路１０６によって接続されている。また、中央層の二層目Ｂには、配線路１０９に接続されたビアホール１１１ｂが形成されている。

ビアホール１１１ａ、１１１ｂ内にはタングステン（Ｗ）やモリブテン（Ｍｏ）などの高融点金属ペーストが充填されている。また、配線路１０６を含めた回路パターンは、所定のセラミックグリーンシートにタングステン（Ｗ）やモリブテン（Ｍｏ）をシート表面に所定形状に印刷することにより形成される。このようなグリーンシートを積層・圧着した後、中央層１０１ａ及び上下枠１０１ｂを積層し、その後、一体的に焼成される。
特開２００７−１５８９１８号公報

表面実装水晶発振器において、電源投入後の周波数変化は、より小さい事が望ましい。電源投入後の周波数変化を悪化させるのは、ＩＣチップの発熱によりＩＣチップの温度センサの感知する温度が水晶片の温度要理高くなり、この温度差が時間とともに変化することが要因と考えられる。電源投入によりＩＣチップで生じた熱は中央層を介して伝熱される。電源投入によりＩＣチップで生じた熱が水晶片に伝わることで水晶片に急激な温度変化を起こし、これによりＩＣチップと水晶片の温度差が変化し、周波数が変化する。

これに対して、電源投入直後にＩＣチップで生じた熱を水晶片に伝えないようにするため、ＩＣチップと水晶片との間に形成されている配線路を用いることが考えられる。すなわち、配線路の一部を表面実装水晶発振器の外部まで延出させ、この延出した配線路を熱放出用の伝熱路として用いることで電源投入直後の周波数変動を回避することが考えられる。

しかしながら、配線路を構成するタングステン（Ｗ）やモリブテン（Ｍｏ）はその熱伝導率がそれぞれ１７７［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］、１３９［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］程度であるため、周波数変動を回避することができるほどの放熱は期待できない。

そこで、本発明は、電源投入直後の電源投入直後の周波数変動による水晶片の周波数変動を抑制することができる表面実装水晶発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の表面実装水晶発振器は、容器本体内に収納された水晶片と、容器本体内に収納され、かつ導電性部材により水晶片と電気的に接続された平板状の電子部品と、を有し、電子部品には、電子部品の一の主面から他の主面まで貫通し、かつ内面にメッキ層が形成されたスルーホールが形成されているとともに、電子部品の一の主面及び他の主面のうちの少なくともいずれか一方には、メッキ層と機械的に接触した金属ペーストが塗布されている。

本発明によれば、電源投入直後の周波数変動を抑制することができる。

図１に本実施形態のＨ型構造を有する表面実装水晶発振器の一例の断面図を、図２に図１に示す表面実装水晶発振器の平面図をそれぞれ示す。

本実施形態の表面実装水晶発振器は、容器本体１にＩＣチップ２及び水晶片３を収容して一体化してなる。

容器本体１は底壁層１ａと枠壁層１ｂとの積層セラミックからなり、Ｈ型構造となっている。底壁層１ａの一主面側１ａ₁の凹部１３内には水晶片３が収納され、他主面側１ａ₂の凹部１４内にはＩＣチップ２が収納されている。Ｈ型構造とは、底壁層１ａの両主面側１ａ₁、１ａ₂に枠壁層１ｂを設けて凹部１３、１４を形成することで容器本体１の断面形状がＨ字形状となった構造をいう。

水晶片３は、水晶片３の一端部両側が、例えば熱硬化型の導電性接着剤８によって、一主面側１ａ₁の底壁層１ａ上に形成された保持端子１２に固着されている。水晶片３が収納された凹部１３を形成する枠壁層１ｂの上面には溶接用の金属リング１７が設けられている。凹部１３の開口面は、例えばシーム溶接によって金属リング１７に対して金属カバー１０が接合されることで密閉される。金属カバー１０と金属リング１７との接合には、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ等の共晶合金を用いることができる。

シリコンを主材料とするＩＣチップ２は、少なくとも発振回路を集積化しており、また、水晶片３の温度特性に対して温度補償を行うための温度補償機構を有する。この温度補償機構は、ＩＣチップ２と水晶片３とが熱的に平衡な状態にて適切な温度補償が行えるように設定されている。ＩＣチップ２は、超音波熱圧着によって底壁層１ａの回路端子６に位置決めして固着される。ＩＣチップ２の一主面２ａにはバンプ７が設けられており、ＩＣチップ２の他主面２ｂ側から超音波による振動を加えながら加熱して圧着される。なお、一主面２ａは凹部１４の底面１４ａに対面する面であり、他主面２ｂよりも水晶片３に近い位置にある。一方、他主面２ｂは、底面１４ａに対面する面とは反対側の面であり、一主面２ａよりも水晶片３から遠い位置にある。

ＩＣチップ２が搭載された側の枠壁層１ｂ上には実装端子９が形成されている。実装端子９は、ＩＣチップ２の端子と電気的に接続されている。また、水晶片３の保持端子１２はビアホール１１により回路端子６に電気的に接続されている。

ＩＣチップ２には、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、一主面２ａ側から他主面２ｂ側まで貫通した貫通穴２０が複数形成されている。貫通穴２０の内面にはアルミニウムからなるメッキ層２２が形成されている。また、他主面２ｂ上には銀ペーストからなる金属ペースト２１が塗布されている。貫通穴２０のメッキ層２２と金属ペースト２１とは機械的に接触しており、メッキ層２２内を伝わった熱は金属ペースト２１へと伝導されるようになっている。金属ペースト２１は、ＩＣチップ２の他主面２ｂの全面を覆うように形成されているので、十分な放熱面積が確保されている。

なお、図２（ａ）に示す例では、メッキ層２２を比較的薄く層状に形成している（熱伝導層）ので、貫通穴２０内に一主面２ａ側から他主面２ｂ側まで貫通した穴２０ａが残っている。換言すれば、貫通穴２０内のメッキ層２２には、ＩＣチップ２の一主面２ａ側から他主面２ｂ側まで貫通する穴２０ａが形成されている、といえる。しかし、図２（ａ）に示す構成の場合、他主面２ｂの金属ペースト２１は、この穴２０ａを閉じるように塗布されている。

一方、図２（ｂ）に示す例では、図２（ａ）の構成と同様に、メッキ層２２を比較的薄く層状に形成しているので、貫通穴２０内に一主面２ａ側から他主面２ｂ側まで貫通した穴２０ａが残っている。しかし、図２（ｂ）に示す例の場合、他主面２ｂの金属ペースト２１には、穴２０ａに連通した連通穴２１ａが形成されている点で図２（ａ）の構成とは異なっている。この連通穴２１ａは金属ペースト２１を貫通している。

図２（ｃ）には、メッキ層２２の膜厚をより厚くすることで貫通穴２０内をメッキ層２２で埋めた例（熱伝導部）を示している。

図２（ａ）の構成や、図２（ｂ）の構成の場合、貫通穴２０内に穴２０ａが残存していることからメッキ層２２に伝わった熱をメッキ層２２の表面から穴２０ａへと放熱させることができる。一方、図２（ｃ）に示す構成の場合、メッキ層２２の表面から貫通穴２０内の空間へと放熱することはできないが、メッキ層２２を厚くすることで図２（ａ）あるいは図２（ｂ）の構成に比べて、金属ペースト２１に伝える単位時間当たりの熱量を多くすることができる。

また、上述した各例では、一主面２ａよりも水晶片３から遠い位置にある他主面２ｂ側にのみ金属ペースト２１が塗布されている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示すように、金属ペースト２１は一主面２ａ及び他主面２ｂの双方に塗布されているものであってもよい。あるいは、図３（ｂ）に示すように、一主面２ａ側にのみ金属ペースト２１が塗布されているものであってもよい。なお、図３（ａ）あるいは図３（ｂ）に示す構成とする場合、金属ペースト２１が、バンプ７等の水晶片３と電気的に接続されている部品とは電気的に接続されていないように留意する。

ここで、ＩＣチップ２で生じた熱の伝熱経路について説明する。本実施形態の表面実装水晶発振器は、導電性部材によってＩＣチップ２から水晶片３への伝熱経路が形成されている。すなわち、ＩＣチップ２で生じた熱は、バンプ７、回路端子６、ビアホール１１、保持端子１２、導電性接着剤８を経て水晶片３へと伝わる。このように、ＩＣチップ２で生じた熱は、導電性を有する各部材を経て水晶片３へと伝わってしまうこととなる。

一方、本実施形態の表面実装水晶発振器は、金属ペースト２１への伝熱経路も形成されている。すなわち、ＩＣチップ２で生じた熱は、まず貫通穴２０の内面に形成されたメッキ層２２内へと伝導する。なお、メッキ層２２に伝わった熱の一部は、図２（ａ）あるいは図２（ｂ）に示す構成の場合、メッキ層２２の表面から外気に放熱される。メッキ層２２の表面から放熱されなかった熱は、金属ペースト２１へと伝導される。金属ペースト２１へと伝わった熱は金属ペースト２１の表面から外気に放熱される。本実施形態においては、ＩＣチップ２から水晶片３までの伝熱経路よりもＩＣチップ２から金属ペースト２１までの伝熱経路のほうが短くなっている。

表面実装水晶発振器は、電源を投入することでＩＣチップ２が駆動され、これによりＩＣチップ２が発熱する。この熱が水晶片３に熱が伝わると、周波数変動を起こすこととなる。しかしながら、本実施形態の場合、ＩＣチップ２から水晶片３までの伝熱経路よりもＩＣチップ２から金属ペースト２１までの伝熱経路のほうが短い。このため、表面実装水晶発振器の電源を投入した直後から熱的平衡状態になるまでの間の過渡状態においてＩＣチップ２で生じた熱は、水晶片３に伝導する前に金属ペースト２１に伝導されることとなる。これにより、電源投入直後の周波数変動を抑制することができる。

また、ＩＣチップ２と、メッキ層２２と、金属ペースト２１との熱伝導率の関係は、ＩＣチップ２の熱伝導率をＫｅ、メッキ層２２の熱伝導率をＫｍ、金属ペースト２１の熱伝導率をＫｐとしたとき、Ｋｅ＜Ｋｍ＜Ｋｐの関係が成立するのが好ましい。本実施形態の場合、ＩＣチップ２は主としてシリコンからなり、メッキ層２２はアルミニウムとし、金属ペースト２１は銀ペーストからなるものとしている。シリコンの熱伝導率は１６８［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］、アルミニウムの熱伝導率は２３６［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］、金属ペースト２１の熱伝導率は４２０［Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1］であるので、熱伝導率の関係は、Ｋｅ＜Ｋｍ＜Ｋｐを満たしている。

なお、メッキ層２２あるいは金属ペースト２１には、アルミニウム、銀の他、白金、パラジウム、鉛、すず、ニッケル、インジウム、チタンなどの金属を用いてもよい。

なお、本明細書においては、表面実装水晶発振器に実装される平板状の電子部品としてＩＣチップを一例に挙げた。しかしながら、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、駆動により発熱するＩＣチップ以外の電子部品にも適用可能である。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

本発明の一実施形態に係る表面実装水晶発振器の断面図である。 スルーホールの内面に形成されたメッキ層の例を示す、本発明の一実施形態に係る表面実装水晶発振器の一部拡大断面図である。 ＩＣチップの表面に塗布された金属ペーストの例を示す、本発明の一実施形態に係る表面実装水晶発振器の一部拡大断面図である。 従来の表面実装水晶発振器の一例の断面図である。

符号の説明

１ 容器本体
１ａ 底壁層
１ｂ 枠壁層
１ａ₁ 一主面側
１ａ₂ 他主面側
２ ＩＣチップ
２ａ 一主面
２ｂ 他主面
３ 水晶片
６ 回路端子
７ バンプ
８ 導電性接着剤
９ 実装端子
１０ 金属カバー
１１ ビアホール
１２ 保持端子
１３、１４ 凹部
１４ａ 底面
１７ 金属リング
２０ 貫通穴
２０ａ 穴
２１ 金属ペースト
２１ａ 連通穴
２２ メッキ層

Claims (6)

1. 容器本体内に収納された水晶片と、
   前記容器本体内に収納され、かつ導電性部材により前記水晶片と電気的に接続された平板状の電子部品と、を有し、
   前記電子部品には、前記電子部品の一の主面から他の主面まで貫通し、かつ内面に熱伝導層が形成された貫通穴が形成されているとともに、前記電子部品の前記一の主面及び前記他の主面のうちの少なくともいずれか一方には、金属ペーストが塗布されており、
   前記熱伝導層と前記金属ペーストとは互いに接触している表面実装水晶発振器。
2. 前記電子部品を構成する主材料の熱伝導率をＫｅ、前記熱伝導層の熱伝導率をＫｍ、前記金属ペーストの熱伝導率をＫｐとしたとき、
   Ｋｅ＜Ｋｍ＜Ｋｐ
   の関係が成立する、請求項１に記載の表面実装水晶発振器。
3. 前記金属ペーストには、前記貫通穴に連通し、かつ前記金属ペーストを貫通する連通穴が形成されている、請求項１または２に記載の表面実装水晶発振器。
4. 容器本体内に収納された水晶片と、
   前記容器本体内に収納され、かつ導電性部材により前記水晶片と電気的に接続された平板状の電子部品と、を有し、
   前記電子部品には、前記電子部品の一の主面から他の主面まで貫通している熱伝導部を有するとともに、前記電子部品の前記一の主面及び前記他の主面のうちの少なくともいずれか一方には、金属ペーストが塗布されており、
   前記熱伝導部と前記金属ペーストとは互いに接触している表面実装水晶発振器。
5. 前記電子部品を構成する主材料の熱伝導率をＫｅ、前記熱伝導部の熱伝導率をＫｍ、前記金属ペーストの熱伝導率をＫｐとしたとき、
   Ｋｅ＜Ｋｍ＜Ｋｐ
   の関係が成立する、請求項１に記載の表面実装水晶発振器。
6. 前記電子部品はＩＣチップである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の表面実装水晶発振器。

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