JP3720355B2 - 周波数制御デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、一般に、周波数制御デバイスに関し、さらに詳しくは、周波数制御デバイスの製造方法に関する。
発明の背景
周波数制御デバイスは、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：temperature-compensated crystal oscillators）を含むことが知られる。一般的なＴＣＸＯは、圧電材料（piezoelectric material）および温度補償回路を利用して、さまざまな環境条件下で確実な発振器出力（例えば、高周波数波形）を生成する。このようなデバイスは、セルラ電話などの無線周波数（ＲＦ）通信機器に一般に採用される。利用者の要求によりセルラ電話の小型化が進む中で、より小型のＴＣＸＯの必要性が増大する。
第１図は、密封圧電素子（sealed piezoelectric element）（１０２），温度補償回路（１０４），基板（１０６），入力／出力パッド（１０７）およびデバイス蓋（device lid）（１０８）を含む従来のＴＣＸＯ（１００）の断面ブロック図を示す。密封圧電素子（１０２）は、圧電水晶（１１０），導電接着剤（１１２），水晶パッケージ（１１４）および水晶パッケージ蓋（１１６）を含む。さらに、水晶パッケージ（１１４）と水晶パッケージ蓋（１１６）との間に配置された気密シール（１１８）は、分離された（isolated）水晶環境（１２０）を形成する。
水晶（１１０）に電圧が印加されると、水晶（１１０）は共振して、発振器出力を生成する。さらに、共振周波数は、分離水晶環境（１２０）の温度変化に応答して変化する（すなわち、公称周波数を中心にしてドリフトする）。温度検出デバイス（図示せず）は、分離水晶環境（１２０）について情報を温度補償回路（１０４）に与える。分離水晶環境（１２０）内の温度が変動すると、温度補償回路（１０４）は回路パラメータを修正して、発振器出力における温度ドリフトを最小限にする。
明らかに、ＴＣＸＯ（１００）の高さ（１２４）および幅（１２２）は密閉圧電素子（１０２）に部分的に依存する。すなわち、水晶パッケージ（１１４）および水晶パッケージ蓋（１１６）の有限厚さ（fimite thicknesses）は、ＴＣＸＯ（１００）の寸法全体に追加する。図示のＴＣＸＯ（１００）の一般的な寸法（ミリメートル単位）は、１１．４ｘ１３．９７ｘ３．５８である。これらの寸法はかなり小さいと思われるが、小型セルラ電話の需要のため、さらに小さい物理的寸法のＴＣＸＯが必要となる。従って、従来の寸法制限を克服し、しかも大きなデバイスと同じ性能条件を満たす周波数制御デバイスが必要とされる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、一般的な従来のＴＣＸＯの断面図を示す。
第２図は、本発明を実施するために内蔵できる論理図を示す。
第３図は、本発明により製造されるＴＣＸＯの断面図を示す。
好適な実施例の説明
一般に、本発明は、周波数制御デバイスを製造する方法を提供する。これは、温度検出部を有する補償回路を基板上に配置することによって達成される。非密封圧電素子は、基板の一部の上に装着され、補償回路と圧電素子との間に電気接続が施され、非同調の周波数制御デバイスとなる。この非同調の周波数制御デバイスを周波数同調した後、少なくとも非密封圧電素子と、補償回路の温度検出部との周りに気密シールが設けられる。
本発明は、第２図および第３図を参照してさらに詳しく説明できる。第２図は、本発明によりＴＣＸＯを製造するために採用できる論理図を示す。ステップ２０１において、補償回路は基板上に配置される。この補償回路は、集積回路（ＩＣ）またはディスクリート構成要素でもよく、温度検出部またはディスクリート温度検出デバイスを含む。好適な実施例では、補償回路は、温度検出部を内蔵するＩＣと、２つのチップ・コンデンサとを含み、基板は、「浴槽」形状（すなわち、少なくとも４つの側壁を有する実質的に平坦なベース）に形成された同時焼成（co-fired）アルミナなど、セラミック材料から作られる。さらに、側壁の上部の基板に鑞付け金属環（brazed metal ring）が取り付けられる。銀含有エポキシでＩＣおよびチップ・コンデンサを配置した後、ＩＣは基板上に設けられたメタライゼーション入力／出力接続パッドにワイヤボンディングされる。
ステップ２０３において、非密封圧電素子は基板の一部にコンプライアント装着される。好適な実施例では、非密封圧電素子は、水晶の対向する実質的に平行な面に電極を有するＡＴカット水晶ブランク（例えば、ストリップ）で、水晶のいずれかの端部で電気機械的接続を行うことができる。両端装着の場合、水晶を装着するため銀含有シリコーンまたはエポキシなどコンプライアント接着剤（compliant adhesive）が用いられ、水晶への過剰な応力を防ぐ。
水晶を装着（２０３）したら、非同調の周波数制御デバイスは、補償回路を電気負荷として利用して周波数同調される（２０５）。この周波数同調は、質量負荷（mass loading）とも呼ばれる追加金属をコンプライアント装着された水晶の上部電極上に被着することによって行われる。このような同調により、発振器出力のばらつきは、公称周波数から１８ｐｐｍ（parts per million）以下に低減される。従来の周波数制御デバイスでは、密閉圧電素子（１０２）は同調のために実際の電気負荷とは関係ない人工的な電気負荷を利用することを必要としたことに留意されたい。よって、本発明は、実際の負荷条件下で同調を行うことができるので、改善された同調方法を提供する。
周波数同調の次に、非密封圧電素子と、少なくとも温度検出部またはディスクリート温度検出デバイスとは、気密密封される（２０７）。好適な実施例では、金属蓋と、基板に取り付けられた鑞付け金属環との間の平行シーム溶接は、非密封圧電素子と温度補償回路（ＩＣベース）とが密封環境内にあるように気密シールを形成する。
ステップ２０９において、密封周波数制御デバイスは、所定の動作範囲にて温度補償される。これは、デバイスを所定の範囲で動作させ、周波数出力と温度測定値との関係を、例えば、温度補償回路に含まれるＥＥＰＲＯＭ（electrically-erasable，programmable read-only memory）に格納することによって行われる。温度補償回路内のメモリにソフトウェアとして格納されるアルゴリズムは、各被検温度での周波数変化を補償するために必要なコンデンサ値を算出する。それによって得られるデバイスこそ、本発明により製造されるＴＣＸＯである。
第３図は、本発明の好適な実施例により製造されるＴＣＸＯ（３００）を示す。ＴＣＸＯ（３００）は、非密封圧電素子（３０２），温度補償ＩＣ（３０４），基板（３０６），入力／出力パッド（３０７）および金属蓋（３０８）を含む。不活性雰囲気内で金属蓋（３０８）を基板にシーム溶接することによって得られる気密シール（３１８）は、非密封圧電素子（３０２），温度補償ＩＣ（３０４）およびチップコンデンサ（図示せず）を同じ環境（３２０）内に封入する。温度補償ＩＣ（３０４）は、エポキシ（図示せず）を用いて基板（３０６）に機械的に固定される。さらに、温度補償ＩＣ（３０４）は、基板（３０６）上のメタライゼーションに電気的にワイヤボンディングされる。タングステン含有フィードスルー穴は、補償ＩＣ（３０４）と入力／出力パッド（３０７）との接続を完成するために用いられる。
好ましくは、上部電極（３１４）および底部電極（３１６）を有するＡＴカット水晶ストリップ（３１０）からなる非密封圧電素子（３０２）は、基板に形成された凸部の上のメタライゼーション・パッド（図示せず）に、コンプライアント導電接着剤（３１２，３１３）を用いて電気的および機械的に接続される。ただし、コンプライアント接着層（３１３）は、上部電極（３１４）との接触を確立するため水晶ストリップ（３１０）のエッジ部上で折り返されることに留意されたい。この構成では、水晶ストリップ（３１０）および温度補償ＩＣ（３０４）は電気的に結合され、そのため周波数同調（２０５）および温度補償（２０９）は上記のように行われる。冗長な水晶パッケージング（例えば、第１図の水晶パッケージ（１１４）および水晶パッケージ蓋（１１６））を省くことにより、ＴＣＸＯ（３００）の高さ（３２４），幅（３２２）および奥行き（図示せず）は低減される。本発明により製造されたＴＣＸＯ（３００）は、８．８９ｘ８．８９ｘ２．７９の寸法（ミリメートル単位）を有することができ、従来のＴＣＸＯ（１００）の総体積の３９％未満となる。
本発明は、周波数制御デバイス（例えば、ＴＣＸＯ）の製造方法を提供する。この方法により、従来のデバイスに見られるような圧電水晶の二重パッケージングは削除される。これは、非密封圧電素子と、少なくとも温度補償回路の温度検出部とを同じ環境内に封入するように、気密密封パッケージを構成することによって達成される。このように、小さい寸法の周波数制御デバイスを製造できる。

Claims (4)

1. 温度補償水晶発振器を製造する方法であって：
   基板を供給し；
   集積回路および温度検出部を含み非密封圧電素子の温度補償を行う補償回路を基板上に直接配置しかつ接続し；
   基板上に直接配置された非密封圧電素子である複数の電極を有する非密封ＡＴカット・ストリップ水晶を供給し、かつコンプライアント導電接着層を使用して基板上に非密封ＡＴカット・ストリップ水晶を接続し、非同調温度補償水晶発振器を提供するために、非密封ＡＴカット・ストリップ水晶および補償回路間に電気的接続が設けられ；
   電気負荷として補償回路を使用し、実際の電気負荷状態のもとで複数の電極の少なくとも１つに質量調節を施すことにより非同調温度補償水晶発振器を周波数同調し；
   温度補償水晶発振器を生成するため非密封ＡＴカット・ストリップ水晶および集積回路の温度検出部が実質的に単一の環境に封入されるように、少なくとも非密封ＡＴカット・ストリップ水晶および集積回路の温度検出部の周囲に気密シールを備える；
   ステップを含む方法。
2. 基板が上方に伸びた側壁を含む請求項１記載の方法。
3. 気密シールを備えるステップはシーム溶接するステップからなる請求項１記載の方法。
4. コンプライアント導電接着層が銀含有シリコーン接着層である請求項１記載の方法。

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