JP2012109886A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｈ型構造の水晶発振器において、外部の温度変化の影響を抑え、安定した出力周波数を得ることができる水晶発振器を提供する。
【解決手段】 セラミックパッケージ１の両面に設けられた一方の凹部に水晶片２を格納し、他方の凹部にＩＣチップ３を格納し、両凹部に形成され、水晶片２とＩＣチップ３とを接続する金属配線５がビアホール６によって接続され、ビアホール６を、水晶片２によって覆われる凹部の中央部の領域に設けて、金属配線５をセラミックパッケージの周辺部ではなく中央付近に形成した水晶発振器としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に外部からの熱の影響を受けにくくして、安定した周波数が得られる水晶発振器に関する。

［先行技術の説明］
従来、表面と裏面の２つの凹部を備えたセラミックパッケージに水晶片とＩＣチップとを搭載したＨ型と呼ばれる構造の水晶発振器がある。Ｈ型の水晶発振器では、表面の水晶片と裏面のＩＣチップとが金属配線によって接続されている。
また、ＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator；温度補償型水晶発振器）では、ＩＣチップが、検出した温度に応じて出力周波数の変化を補償し、周囲の温度変化があっても安定した周波数が得られるようにしている。

［従来の水晶発振器の構成：図３］
従来のＨ型の水晶発振器の構成について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、従来の水晶発振器の平面図であり、（ｂ）は、模式断面図である。
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、従来の水晶発振器は、セラミックパッケージ１の一方の面（ここでは表面、上面）に設けられた凹部内に水晶片２が搭載され、他方の面（ここでは裏面、下面）に設けられた凹部内にＩＣチップ３が搭載されている。水晶片２は、２つの凹部を分離する分離部に設けられた水晶保持端子４ａ及び４ｂに導電性接着剤７で固定されている。

そして、水晶片２とＩＣチップ３とを接続する金属配線５ａは、水晶保持端子４ａから引き出され、セラミックパッケージ１の側面に設けられたキャスタレーション（図示せず）を介して裏面に延びて形成され、下面のＩＣチップ３に接続されている。
金属配線５ｂは、水晶保持端子４ｂから引き出されてセラミックパッケージ１の凹部の端部に形成されたビアホール６を介して下面に接続し、下面においてＩＣチップ３に接続されている。ビアホール６には、金属ペーストが充填されて形成されている。
つまり、従来の水晶発振器では、水晶片２とＩＣチップ３とを接続する金属配線５ａ及び５ｂは、主としてセラミックパッケージ１の凹部の端部や側面に配置されていた。

また、上記水晶発振器は、チップセット等他の電子部品と共に基板実装されて製品に搭載されるが、チップセットは大きな熱源であり、基板実装された水晶発振器に対する熱の影響が懸念される。
特に、金属配線５ａ、５ｂは熱伝導率が高く、外部の熱源の影響を受けやすいため、実装位置によっては水晶片２とＩＣチップ３との間で温度差が生じ、十分な温度補償ができない恐れがある。

［関連技術］
尚、水晶発振器に関する技術としては、特開２０１０−１３５９９５号公報「表面実装水晶発振器」（出願人：日本電波工業株式会社、特許文献１）、特開２００８−２９４５８５号公報「表面実装用の水晶発振器」（出願人：日本電波工業株式会社、特許文献２）がある。
特許文献１には、Ｈ型構造の水晶発振器において、水晶片と電子部品との間の熱伝導層を備え、電源投入直後の周波数変動を抑制する表面実装水晶発振器が記載されている。
特許文献２には、容器に設けられ、ＩＣチップの端子と接続する回路端子の少なくても１つを、容器の中央領域に長手方向に沿って設け、ＩＣチップの放熱の影響を小さくすることが記載されている。

特開２０１０−１３５９９５号公報 特開２００８−２９４５８５号公報

しかしながら、従来の水晶発振器では、Ｈ型パッケージの両面に設けられた凹部内に格納された水晶片とＩＣとを金属配線で接続するためのビアホールが、セラミックパッケージの周辺部や端部に設けられており、チップセット等の大きな熱源が近くに実装された場合にはその影響を受けやすく、水晶片とＩＣチップとの間に温度差が生じ、出力周波数が不安定になりやすいという問題点があった。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、外部の熱源による温度変動の影響を受けにくくして、安定した出力周波数を得ることができる水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、セラミックパッケージの両面に凹部が設けられ、一方の凹部に水晶片が搭載され、他方の凹部にＩＣチップが搭載されたＨ型構造の水晶発振器であって、水晶片とＩＣチップとを接続する金属配線が、両凹部を接続するビアホールによって接続され、ビアホールが、水晶片によって覆われる領域で凹部の中央部に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、ビアホールが、水晶片及びＩＣチップに挟まれる領域で凹部の中央部に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、水晶片の一短辺を凹部に固定する２つの水晶保持端子を備え、２つの水晶保持端子から引き出された金属配線が、一旦当該短辺の中央方向に向かって形成され、短辺の中央付近から水晶片に覆われた凹部の中央部に設けられたビアホールに向かって、並行して形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、水晶発振器が温度補償型水晶発振器であることを特徴としている。

本発明によれば、セラミックパッケージの両面に凹部が設けられ、一方の凹部に水晶片が搭載され、他方の凹部にＩＣチップが搭載されたＨ型構造の水晶発振器であって、水晶片とＩＣチップとを接続する金属配線が、両凹部を接続するビアホールによって接続され、ビアホールが、水晶片によって覆われる領域で凹部の中央部に形成されている水晶発振器としているので、金属配線をセラミックパッケージの周辺部ではなく内側の領域に形成し、また、熱伝導率の高い金属配線を熱伝導率の低いセラミックパッケージと水晶片とで挟んで形成することができ、外部の熱源の影響を抑えて、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、安定した出力周波数を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、ビアホールが、水晶片及びＩＣチップに挟まれる領域で凹部の中央部に形成されている上記水晶発振器としているので、更に、金属配線をセラミックパッケージとＩＣチップとで挟んで形成することができ、外部の熱源の影響を一層抑制して、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、安定した出力周波数を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、水晶片の一短辺を凹部に固定する２つの水晶保持端子を備え、２つの水晶保持端子から引き出された金属配線が、一旦当該短辺の中央方向に向かって形成され、短辺の中央付近から水晶片に覆われた凹部の中央部に設けられたビアホールに向かって、並行して形成されている上記水晶発振器としているので、金属配線をできるだけセラミックパッケージの内側の領域に形成して、外部の熱源の影響を一層抑制して、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、安定した出力周波数を得ることができる効果がある。

また、本発明は、水晶発振器が温度補償型水晶発振器である上記水晶発振器としているので、外部の温度変動によって生じたＩＣチップと水晶片との温度差を小さくすることで、安定した出力周波数を得ることができる効果がある。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の平面図であり、（ｂ）は、模式断面図である。 外部の温度変動によって生じた水晶発振器における水晶片とＩＣチップとの温度差を示す説明図である。 （ａ）は、従来の水晶発振器の平面図であり、（ｂ）は、模式断面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、Ｈ型構造の水晶発振器において、セラミックパッケージの上部の凹部に水晶片が搭載され、下部の凹部にＩＣチップが搭載され、水晶片とＩＣチップとが両凹部を分離する分離部に形成されたビアホールを介して金属配線で接続され、当該ビアホールが凹部領域の中央部に形成されているものであり、水晶片とＩＣチップとを接続する金属配線がセラミックパッケージの周辺部に配置されないため、外部の熱源の影響を受けにくく、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、出力周波数を安定させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、分離部の両面に形成され、水晶片とＩＣチップとを接続する金属配線を接続するビアホールが、当該ビアホールの少なくとも一方の開口部が水晶片又はＩＣチップに覆われる領域に設けられているものであり、金属配線をできるだけセラミックパッケージの中央部に形成して、外部の熱源の影響を低減し、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、出力周波数を安定させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、分離部の両面に形成され、水晶片とＩＣチップとを接続する金属配線を接続するビアホールが、当該ビアホールの開口部が水晶片及びＩＣチップに覆われる領域に設けられていているものであり、金属配線をできるだけセラミックパッケージの中央部に形成して、外部の熱源の影響を低減し、水晶片とＩＣチップとの温度差を小さくし、出力周波数を安定させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、水晶片の短辺の一つを凹部に固定する水晶保持端子を２つ備え、水晶保持端子から引き出された金属配線が、一旦当該短辺に沿って当該短辺の中央部付近まで形成され、凹部の中央部付近に設けられたビアホールに向かってほぼ平行に形成されたものであり、金属配線をセラミックパッケージの中央に近い部分に略対称の形状に形成することにより、外部からの熱の影響を受けにくくして更に両配線の熱伝導の差を小さくでき、出力周波数を安定させることができるものである。

［本発明の実施の形態に係る水晶発振器：図１］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器の構成について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の平面図であり、（ｂ）は、模式断面図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本発振器）は、図３に示した従来の水晶発振器と同様に、セラミックパッケージ１の一方の面（ここでは上面、表面）に設けられた凹部内に水晶片２が搭載され、他方の面（ここでは下面、裏面）に設けられた凹部内にＩＣチップ３が搭載されている。水晶片２は、上面の凹部底面に設けられた水晶保持端子４ａ及び４ｂに導電性接着剤７で固定されている。

また、セラミックパッケージ１の両凹部の底面に相当し両凹部を分離する分離部には、分離部を貫通して分離部の両面に形成された金属配線を接続するビアホール６ａ及び６ｂが形成されている。ビアホール６ａ，６ｂには、タングステン等の金属が充填されている。
そして、本発振器の特徴として、ビアホール６ａ、６ｂは両凹部の周辺部や端部ではなく中央部付近に設けられており、金属配線５ａ、５ｂが、当該ビアホール６ａ、６ｂを介して水晶片２とＩＣチップ３とを接続している。

ビアホール６ａ、６ｂの位置について具体的に説明する。
本発振器のビアホール６ａ及び６ｂは、セラミックパッケージ１の凹部の底面に相当する領域の内、水晶片２又はＩＣチップ３の一方若しくは両方によってビアホールの開口部が覆われる位置に形成されている。図１（ａ）の例では、ビアホールの一方の開口部が水晶片２で覆われ、他方の開口部がＩＣチップ３によって覆われる位置となっている。このような領域は水晶片２とＩＣチップ３とに挟まれた領域である。

このような位置にビアホールを形成することにより、水晶片２とＩＣチップ３とを接続する金属配線５ａ、５ｂがセラミックパッケージ１の中央部付近に配置され、周辺部に配置されないようにするものである。
図１（ａ）（ｂ）に示すように、金属配線５ａ、５ｂは、主として、水晶片２とセラミックパッケージ１の上面との間と、ＩＣチップ３とセラミックパッケージ１の下面との間に形成され、セラミックパッケージ１の周辺部には設けられない。

このように、熱伝導率の高い金属配線５を周辺部に配置させず、且つ熱伝導率の低いセラミックパッケージ１や水晶片２で覆うようにすることで、外部からの温度変動の影響を抑えることができるものである。
例えば、金属配線５に用いられる銅の熱伝導率は、３９８（Ｗ／ｍ・Ｋ）であるのに対し、セラミックパッケージ１に用いられるアルミナの熱伝導率は３６（Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、アルミナは外部の熱源の影響を受けにくい。

本発振器では、ビアホール６を熱伝導率の低いセラミックパッケージ１の中央部に配置することで、熱伝導率の高い金属配線５をセラミックパッケージ１の周辺部ではなく中央部に形成して、周囲からの熱源が金属配線５まで伝わりにくくして、その影響を抑え、安定した出力周波数を得られるものである。

また、ビアホール６ａ、６ｂを、開口部が水晶片２のみによって覆われる位置に設置してもよい。この場合でも、従来に比べて金属配線５ａ、５ｂが凹部表面に露出する部分の長さを短くすることができ、温度変動の影響を小さくできるものである。

更に、本発振器では、金属配線５ａ、５ｂは、水晶保持端子４ａ、４ｂから一旦水晶片２の短辺の中央方向に向かって引き出され、水晶片２の短辺の中央付近から、水晶片２によって覆われた凹部中央部に形成されたビアホール６ａに向かってＬ字型に形成されている。また、金属配線５ａ、５ｂのビアホール６ａに向かう部分は、略平行に配置されている。

このように、金属配線５ａ、５ｂをセラミックパッケージの内側に形成することで、水晶保持端子４ａ、４ｂから外側方向に引き出して凹部の内壁に沿って形成し、そこから内側のビアホールに向かって形成するのに比べて、外部からの熱の影響を小さくして出力を安定させることができるものである。
更に、金属配線５ａ、５ｂを互いに近接する位置に並行して形成することで、両配線の熱の伝わり方の差を小さくし、水晶発振器内の温度のばらつきを抑えることができるものである。

尚、図１の水晶発振器は、水晶保持端子４ａ、４ｂが水晶片２の一短辺を保持する片持ちタイプと呼ばれる構造であるが、水晶片２の両短辺を対向して保持する両持ちタイプの構造であってもよい。
この場合も、水晶保持端子から引き出された金属配線は、できるだけセラミックパッケージ１の中央部に近い領域を通って、凹部中央部に設けられたビアホールに接続することが望ましい。

［水晶片とＩＣチップとの温度差の例：図２］
次に、本発振器における水晶片２とＩＣチップ３との温度差について図２を用いて説明する。図２は、外部の温度変動によって生じた水晶発振器における水晶片とＩＣチップとの温度差を示す説明図である。
図２では、本発振器と従来の水晶発振器（いずれもＴＣＸＯ）とを基板に実装し、チップセット等の熱源を発熱させた場合の水晶片とＩＣチップとの温度差を示している。
図２に示すように、従来の水晶発振器に比べて、本発振器は水晶片とＩＣチップとの温度差が小さいことがわかる。つまり、本発振器は、外部の温度変動の影響を受けにくくして、出力周波数を安定させることができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、Ｈ型の水晶発振器において、セラミックパッケージ１の２つの凹部に水晶片２とＩＣチップ３とがそれぞれ搭載され、金属配線５が凹部の中央部に設けられたビアホールを介して水晶片２とＩＣチップ３とを接続するよう形成しているので、熱伝導率の高い金属配線５を水晶発振器の周辺部に配置せず、熱伝導率の低いセラミックパッケージ１で保護された中央部に配置することができ、外部の温度変動の影響を受けにくくして、水晶片２とＩＣチップ３との温度差を小さくし、安定した周波数を出力することができる効果がある。

また、本発振器によれば、ビアホール６を、当該ビアホール６の両開口部が水晶振動子２及びＩＣチップ３によって覆われる位置に設けるようにしているので、金属配線５を周辺部に配置しないようにすると共に、金属配線５がセラミックパッケージ１と水晶片２との間、又はセラミックパッケージとＩＣチップ３との間に挟まれて形成される部分を長くして、外部からの熱の影響を極力抑えることができ、水晶片２とＩＣチップ３との温度差を小さくし、安定した周波数を出力することができる効果がある。

また、本発振器によれば、ビアホール６を、当該ビアホール６の一方の開口部が、水晶振動子２によって覆われる位置に設けるようにしているので、金属配線５を周辺部に配置しないようにすると共に、金属配線５がセラミックパッケージ１と水晶片２の間に挟まれて形成される部分を設けて、外部からの熱の影響を抑えることができ、水晶片２とＩＣチップ３との温度差を小さくし、安定した周波数を出力することができる効果がある。

本発明は、外部からの熱の影響を受けにくくして、安定した周波数が得られる水晶発振器に適している。

１...セラミックパッケージ、 ２...水晶片、 ３...ＩＣチップ、 ４...水晶保持端子、 ５...金属配線、 ６...ビアホール

Claims (4)

1. セラミックパッケージの両面に凹部が設けられ、一方の凹部に水晶片が搭載され、他方の凹部にＩＣチップが搭載されたＨ型構造の水晶発振器であって、
   前記水晶片と前記ＩＣチップとを接続する金属配線が、前記両凹部を接続するビアホールによって接続され、
   前記ビアホールが、前記水晶片によって覆われる領域で凹部の中央部に形成されていることを特徴とする水晶発振器。
2. ビアホールが、水晶片及びＩＣチップに挟まれる領域で凹部の中央部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 水晶片の一短辺を凹部に固定する２つの水晶保持端子を備え、
   前記２つの水晶保持端子から引き出された金属配線が、一旦前記短辺の中央方向に向かって形成され、前記短辺の中央付近から前記水晶片に覆われた前記凹部の中央部に設けられたビアホールに向かって、並行して形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. 水晶発振器が温度補償型水晶発振器であることを特徴とする請求項１乃至３記載の水晶発振器。

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