JP6662057B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発振器に関し、更に詳しくは、周囲の温度変化に対する発振周波数の安定化を図った圧電発振器に関する。

圧電発振器として、水晶振動子を備えた水晶発振器があり、温度に対する周波数の安定化を図った水晶発振器として、水晶発振器と温度補償回路とを組み合わせた温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）がある。

ＴＣＸＯは、所定の温度範囲で水晶振動子の発振周波数の所望の周波数（公称周波数）からのずれ（周波数偏差）をキャンセルすることにより高い周波数安定度が得られる。

ところで、近年、フェムトセルといった小さな通話エリア用の小型基地局や計測器において、より高精度のクロック信号が必要とされており、このような用途では、より高い周波数安定度が求められる。

ＴＣＸＯに比べて周波数安定度が高い圧電発振器として、恒温槽を備えた恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）がある。しかし、ＯＣＸＯは、恒温槽及びその温度制御回路を備えるため、ＴＣＸＯに比べて高価で大型になるという欠点がある。

このため、例えば、特許文献１には、ＯＣＸＯよりも小型であって、ＴＣＸＯよりも周波数安定度が高い温度補償恒温槽制御水晶発振器（ＴＣＯＣＸＯ）が提案されている。

特許第４７３８４０９号公報

特許文献１のＴＣＯＣＸＯは、図９に示すように、ＴＣＸＯ及びヒータを備える恒温槽ブロックアセンブリ５０を搭載した支持基板５１を、密封ケース５２内に封入し、ヒータにより加熱することで密封ケース５２内を恒温としてＴＣＸＯの周囲温度を一定に保つ構造になっている。

このＴＣＯＣＸＯでは、ＴＣＸＯ及びヒータを備える恒温槽ブロックアセンブリ５０は、密封ケース５２の底部を構成するベース５３ではなく、ベース５３から離間した状態で支持された支持基板５１に搭載されている。これは、ベース５３に直接ＴＣＸＯ及びヒータを搭載すると、ヒータからの熱がベース５３に伝わることで外部へ放熱しやすくなるので、そのような放熱を抑えて密封ケース５２内の温度を維持するためである。

近年、例えば、上記フェムトセルといった小型通信システムの発振器などでは、更なる小型化が求められている。

上記ＴＣＯＣＸＯにおいては、支持基板５１をベース５３から離間させて支持する金属リード５４は、熱伝導率が高く、密封ケース５２を挿通して密封ケース５２外へ延びているので、この金属リード５４を介して伝熱する熱量が大きく、周囲温度の影響を受け易く、小型化を図ろうとすると、ＴＣＯＣＸＯ自体の熱容量も小さくなるために、一層周囲温度の影響を受け易くなる。

また、金属リード５４は、支持基板５１を安定に支持するために、支持基板５１の周縁部に配置され、このように支持基板５１の周縁部に金属リード５４を配置するためのスペースが必要となって平面積が大きくなり、その分、小型化を阻害することになる。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであって、周囲温度の影響を受けにくく、ＴＣＸＯよりも周波数安定度が高く、ＯＣＸＯよりも小型の圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明の圧電発振器は、ベース基板と、前記ベース基板上に配置される複数のスペーサと、前記複数のスペーサによって、前記ベース基板との間に空間を形成した状態で前記スペーサに支持されるパッケージ体と、前記ベース基板に接合されて、前記複数のスペーサ及び前記パッケージ体を収納する収納空間を、前記ベース基板と共に構成するカバーケースとを備え、前記パッケージ体は、温度補償型圧電発振器の圧電振動子及び集積回路素子を収容すると共に、ヒータ部を収容しており、前記ベース基板、前記複数のスペーサ及び前記カバーケースが、前記パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料で構成され、前記パッケージ体が、セラミック材料で構成され、前記ベース基板がガラスエポキシ樹脂基板であり、前記スペーサが、ガラスエポキシ樹脂で構成され、前記カバーケースが、樹脂材料で構成され、前記パッケージ体は、前記ヒータ部を収容した外形が直方体状のヒータパッケージ上に、前記圧電振動子及び前記集積回路素子を収容した温度補償型圧電発振器の外形が直方体状のパッケージが、配置されて構成され、前記ヒータパッケージが、前記複数のスペーサを介して前記ベース基板上に配置されている。

前記温度補償型圧電発振器は、温度補償型水晶発振器であるのが好ましい。

本発明によれば、温度補償型圧電発振器の圧電振動子及び集積回路素子を収容すると共に、ヒータ部を収容するパッケージ体を、該パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料からなる複数のスペーサによって、ベース基板との間に空間を形成した状態で支持するので、パッケージ体を、ベース基板から熱的に絶縁した状態にすることができる。更に、パッケージ体を収納する収納空間を区画形成するベース基板及びカバーケースは、パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料で構成されるので、パッケージ体のヒータ部の熱が、ベース基板及びカバーケースを介して放熱するのを抑制することができると共に、周囲温度の変動よる収納空間の温度の変動を抑制することができる。また、パッケージ体は、ベース基板等に比べて熱伝導率の高い材料で構成されるので、ヒータ部によって温度補償型圧電発振器を効率的に加熱することができる。

このように温度補償型圧電発振器及びヒータ部を収容したパッケージ体を、収納空間内に熱的に絶縁された状態で配置することができるので、ヒータ部で加熱される高温の温度補償型圧電発振器の温度が、周囲温度の影響を受けて変動するのを抑制することができ、温度補償型圧電発振器単体に比べて、周波数温度特性を向上させることができる。

また、上記特許文献１のように、密封ケースを挿通して該密封ケース外へ延びる熱伝導率が高い金属リードによって、ＴＣＸＯ及びヒータを、ベースから離間させた状態で支持する従来例に比べて、金属リードが不要となって周囲温度の影響を受けにくくなるので、小型化が容易となる。
更に、パッケージ体が、セラミック材料で構成され、該パッケージ体を、ベース基板との間に空間を形成した状態で支持するスペーサ、及び、前記ベース基板が、セラミック材料よりも熱伝導率が低いガラスエポキシ樹脂で構成されるので、パッケージ体のヒータ部の熱が、スペーサ及びベース基板を介して放熱するのを抑制することができると共に、周囲の温度変動によるパッケージ体の温度変動を抑制することができる。
また、パッケージ体を収納する収納空間を、ベース基板と共に区画形成するカバーケースは、パッケージ体よりも熱伝導率の低い樹脂材料で構成されるので、収納空間を外部から熱的に絶縁した状態として温度変動を抑制することができる。
更に、ヒータパッケージ上に、温度補償型圧電発振器のパッケージが配置されるので、ヒータパッケージのヒータ部によって、温度補償型圧電発振器を効率的に加熱することができる。

本発明の他の実施態様では、前記ヒータ部が、ヒータ及び温度センサを有し、前記温度センサの検出温度に基づいて、前記ヒータの発熱を制御する。

この実施態様によれば、温度センサによってパッケージ体の温度を検出し、該パッケージ体の温度補償型圧電発振器が一定温度になるようにヒータ部のヒータによって加熱することができる。また、上記のようにパッケージ体のヒータ部の熱が、ベース基板及びカバーケースを介して放熱するのを抑制することができるので、温度補償型圧電発振器を一定温度に維持するためのヒータの発熱量、すなわち、ヒータに供給する電力を低減することができ、省電力を図ることができる。

本発明の他の実施態様では、前記ヒータパッケージと、前記温度補償型圧電発振器のパッケージの金属製のリッドとの間に、前記ヒータパッケージ側の熱を前記リッドへ伝導させる伝熱経路を有する。

この実施態様によれば、温度補償型圧電発振器のパッケージの上面側のリッドは、伝熱経路を介して伝達されるヒータパッケージのヒータ部の熱によって加熱される。したがって、ヒータパッケージ上に搭載される温度補償型圧電発振器のパッケージは、ヒータパッケージのヒータ部によって、その下面側から加熱される一方、上面側のリッドも加熱される。このように温度補償型圧電発振器のパッケージを、その上下両面側から加熱することによって、温度補償型圧電発振器のパッケージの温度の均一化を図ることができる。これによって、該パッケージに収容されている温度補償型圧電発振器の圧電振動子と、該圧電振動子の温度を検出して発振周波数の温度補償を行う集積回路素子との温度の均一化を図ることができる。

本発明の一つの実施態様では、前記スペーサは、前記パッケージ体と前記ベース基板とを電気的に接続する導電路を有し、前記ベース基板は、その上面に前記スペーサの前記導電路に接続される搭載用電極を有すると共に、その下面に前記搭載用電極に接続される表面実装用の外部接続端子を有する。

この実施態様によれば、ベース基板と、スペーサに支持されるパッケージ体とが、スペーサの導電路を介して電気的に接続され、ベース基板は、表面実装用の外部接続端子を有しているので、当該圧電発振器を、配線基板等に表面実装することができ、金属リードを有して挿入実装される従来例に比べて、薄型化を図ることができる。

本発明の他の実施態様では、前記複数のスペーサが、前記パッケージ体の直下に配置されている。

この実施態様によれば、複数の各スペーサ３を、パッケージ体の真下に配置することができるので、金属リードで支持基板を支持する従来例のように、支持基板の周縁部に金属リードを配置するための水平方向のスペースを必要とせず、小型化を図ることができる。

以上のように本発明によれば、パッケージ体が収納される収納空間は、該パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料からなるベース基板及びカバーケースによって区画形成されるので、収納空間の温度が、周囲温度の影響を受けて変動するのを抑制することができる。更に、前記パッケージ体は、該パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料からなる複数のスペーサによって、前記ベース基板との間に空間を形成した状態で支持されるので、パッケージ体を、ベース基板から熱的に絶縁した状態とすることができる。

このように温度補償型圧電発振器の圧電振動子及び集積回路素子を収容すると共に、ヒータ部を収容する前記パッケージ体を、収納空間内に熱的に絶縁された状態で配置することができるので、ヒータ部で加熱される高温の温度補償型圧電発振器の温度が、周囲温度の影響を受けて変動するのを抑制することができ、温度補償型圧電発振器単体に比べて、周波数温度特性を向上させることができる。

また、密封ケースを挿通して該密封ケース外へ延びる熱伝導率の高い金属リードによって、ＴＣＸＯ及びヒータを、ベースから離間させた状態で支持する従来例に比べて、金属リードが不要となって周囲温度の影響を受けにくくなるので、容易に小型化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る水晶発振器の概略断面図である。 図１のベース基板を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。 図１のスペーサを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｄ）は底面図である。 スペーサの他の例を示す平面図である。 図１のヒータパッケージを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。 図１のＴＣＸＯのパッケージを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。 本発明の他の実施形態の水晶発振器の概略断面図である。 本発明の更に他の実施形態の水晶発振器の概略断面図である。 従来例の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、圧電発振器として水晶発振器に適用して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水晶発振器の概略断面図である。

この実施形態の水晶発振器１は、ベース基板２と、このベース基板２上に配置される複数、この例では、２個のスペーサ３と、これらスペーサ３によってベース基板２との間に空間３１を形成した状態で支持されるパッケージ体４と、前記ベース基板２と共に、前記スペーサ３及び前記パッケージ体４を収納する収納空間５を区画形成するカバーケース６とを備えている。

パッケージ体４は、ヒータ部としてのヒータＩＣ７を収容したヒータパッケージ８上に、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）のパッケージ９が配置されて構成される。

すなわち、パッケージ体４は、ヒータパッケージ８とＴＣＸＯのパッケージ９とを二段に重ねた構成となっている。

この水晶発振器１は、配線基板等へ表面実装する表面実装型の水晶発振器であり、ベース基板２の底面には、後述のように実装用端子（図示せず）が設けられている。このベース基板２の上面の外周部に、凹部を有するカバーケース６の開口端が接合されて、密閉された上記収納空間５が構成され、ベース基板２とカバーケース６とによって、絶縁性の容器が形成される。

カバーケース６は、収納空間５が、周囲温度の影響を受けないように、熱伝導率の低い絶縁性材料、例えば、樹脂材料から構成される。

ベース基板２、各スペーサ３、ヒータパッケージ８及びＴＣＸＯのパッケージ９は、導電性接合材、例えば、半田（図示せず）によって接合されて積層される。

ヒータパッケージ８は、内部に矩形の凹部が形成されており、その凹部の開口部が下側になるように配置される。ヒータパッケージ８の凹部の上面には、ヒータ及び温度センサ等を内蔵したヒータＩＣ７が搭載される。このヒータＩＣ７のＩＣ端子は、ボンディングワイヤ１３によってヒータパッケージ８の素子用電極に接続される。ヒータパッケージ８の凹部には、ヒータＩＣ７を覆うように、エポキシ樹脂等のモールド樹脂１４が充填される。ヒータパッケージ８のヒータＩＣ７は、後述のように、ヒータパッケージ８上に搭載されるＴＣＸＯのパッケージ９の温度が一定温度になるように加熱する。

ＴＣＸＯは、基本的に従来例と同様であって、そのパッケージ９は、水晶振動子１０及び集積回路素子としてのＴＣＸＯＩＣ１１が収容される凹部１２を有するパッケージ本体９_１と、前記凹部１２を気密に封止するリッド９_２とを備えている。ＴＣＸＯＩＣ１１は、温度センサ、水晶振動子１０に接続される発振回路、及び、前記温度センサの検出温度に基づいて、発振周波数の温度補償を行う温度補償回路等を内蔵している。

ＴＣＸＯのパッケージ９内の水晶振動子１０は、例えば、略矩形のＡＴカットの水晶片からなり、その両方の主面に励振電極をそれぞれ有し、水晶片の一端部両側に向けて励振電極から引出電極が延出している。引出電極が延出した水晶片の一端部両側は、パッケージ９の底面に設けられた保持電極に導電性接着剤によって固着される。

パッケージ９の凹部１２の底面には、ＴＣＸＯＩＣ１１のＩＣ端子に対応して、素子用電極が設けられており、ＴＣＸＯＩＣ１１のＩＣ端子は、フリップチップボンディングによって凹部１２の底面の素子用電極に接続される。なお、ＴＣＸＯＩＣ１１とパッケージ９との電気的接続は、フリップチップボンディングに限らず、ワイヤボンディングなどであってもよい。

以下、水晶発振器１の各構成部材について更に詳細に説明する。

図２は、ベース基板２を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。（ａ）の平面図には、ベース基板２上に搭載される２個のスペーサ３の搭載位置を仮想線で示している。

ベース基板２は、略矩形の平板状であり、当該ベース基板２を介して収納空間５外への放熱を抑制するために、熱伝導率の低い絶縁性材料からなる基板、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板などの樹脂基板である。ベース基板２は、ガラスエポキシ樹脂基板以外の他の樹脂基板、例えば、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、ガラスコンポジット基板などであってもよい。

このベース基板２の底面の４隅には、図２（ｃ）に示すように、当該水晶発振器１を配線基板等へ表面実装するための複数、この例では４個の略矩形の外部接続端子としての実装用端子１５が設けられている。この実施形態では、実装用端子１５として、電源用の端子（Ｖｃｃ）と、接地用の端子（ＧＮＤ）と、発振出力用の端子（ＯＵＴ）と、周波数制御用の端子（Ｖｃｏｎｔ）とを備えている。

ベース基板２の両側面には、上下に延びる内方へ窪んだ２個のキャスタレーション電極１６が、それぞれ形成されている。各側面にそれぞれ２個ずつ形成された合計４個の各キャスタレーション電極１６は、図２（ｃ）に示すように、ベース基板２の底面の４個の各実装用端子１５に個別に接続される。

ベース基板２の上面には、該上面に搭載される２個のスペーサ３の底面と半田接合するための矩形の搭載用電極１７が、図２（ａ）に示すように、４個形成されており、２個の搭載用電極１７が、１個のスペーサ３にそれぞれ対応する。４個の矩形の搭載用電極１７は、導電パターン１８を介してベース基板２の両側面の上記各キャスタレーション電極１６に個別に接続される。

これによって、ベース基板２の底面の４個の各実装用端子１５は、各キャスタレーション電極１６を介して、ベース基板２の上面の４個の搭載用電極１７に電気的に接続される。なお、上述した実装用端子１５、キャスタレーション電極１６、搭載用電極１７、導電パターン１８は、銅等のメッキにより形成され、例えば、銅メッキの上に、ニッケルメッキ及び金メッキが形成される。

図３は、ベース基板２上に搭載されるスペーサ３を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の左方から見た正面図、（ｃ）は底面図である。

スペーサ３は、直方体状であって、２個のスペーサ３によってパッケージ体４をベース基板２から離間させて空間３１を形成した状態で支持すると共に、ベース基板２とパッケージ体４とを電気的に接続する。

スペーサ３は、パッケージ体４をベース基板２から熱的に絶縁するために、ヒータパッケージ８よりも熱伝導率の低い絶縁性材料、例えば、ガラスエポキシ樹脂などの樹脂材料から構成される。

スペーサ３の底面には、図３（ｃ）に示すように、上記ベース基板２の２個の搭載用電極１７にそれぞれ半田接合するための２個の矩形のランド１９が形成される。各ランド１９は、底面の外周縁から間隔を空けた内方位置に比較的小さく形成されており、銅等のメッキが施されており、例えば、銅メッキの上に、ニッケルメッキ及び金メッキが形成される。

スペーサ３の上面には、該上面に搭載されるヒータパッケージ８の底面と半田接合するための２個の矩形のランド２０が、図３（ａ）に示すように形成される。各ランド２０は、上面の外周縁から間隔を空けた内方位置に形成されており、底面の各ランド１９と同様に銅等のメッキが施されている。

この実施形態のスペーサ３は、底面の各ランド１９と上面の各ランド２０とをそれぞれ電気的に接続するための導電路としての２個のスルーホール２１が、スペーサ３の周壁である正面側の端面に平面視半円形の円弧状に形成される。

各スルーホール２１は、スペーサ３を構成するガラスエポキシ樹脂に比べて熱伝導率が高い銅などの金属メッキ層が、内面に形成されたメッキスルーホールである。かかるメッキスルーホールでは、熱伝導率の高い金属メッキ層を介してスペーサ３上に搭載されるヒータパッケージ８からの熱が放熱される。

この実施形態のスルーホール２１は、スペーサ３の内部を上下に貫通する平面視円形のスルーホールではなく、上記のように、スペーサ３の端面に形成した上下方向に延びる平面視半円形の円弧状のスルーホール２１としている。これによって、放熱面となる金属メッキ層の面積を、平面視円形のスルーホールに比べて１／２として放熱を抑制するようにしている。

各スルーホール２１は、図３（ｃ）に示すように、導電パターン２２を介して底面の各ランド１９に接続される一方、図３（ａ）に示すように、導電パターン２３を介して上面の各ランド２０に接続される。

２個の各スペーサ３は、図２（ａ）の仮想線で示すように、ベース基板２の各搭載用電極１７と、底面の各ランド１９とが対応するようにベース基板２上に、互いに平行に間隔をあけて配置され、半田によってそれぞれ接合される。

一般に半田による接合では、接合強度を確保するなどの理由から、側面に半田が這い上がってフィレットを形成するように接合する。

この実施形態では、各スペーサ３の底面の各ランド１９は、上記のように各スペーサ３の外周縁の内方に位置するように形成されているので、各スペーサ３を、図２（ａ）に示すように、ベース基板２の各搭載用電極１７が各スペーサ３の各ランド１９に対応するように配置したときに、半田接合部分となる搭載用電極１７とランド１９とは、スペーサ３の底面の外周縁の内方、すなわち、スペーサ３の外周縁から離間した位置となる。

これによって、各スペーサ３の各ランド１９を、ベース基板２の各搭載用電極１７に対応するように配置して比較的少量の半田によって、各搭載用電極１７と各ランド１９とを接合すると、ベース基板２の各搭載用電極１７と各スペーサ３の各ランド１９との間のみに半田が存在し、スペーサ３の底面からはみ出してスペーサ３の外周面に半田が這い上がってフィレットを形成することがない。

このようにベース基板２の各搭載用電極１７と、各スペーサ３の各ランド１９との半田接合においては、各搭載用電極１７と各ランド１９との間のみに半田が存在し、スペーサ３の外周面に半田が這い上がってフィレットを形成しないようにしているので、ヒータパッケージ８からの熱が、スペーサ３の外周面の半田フィレットを介して放熱するといったことがない。

また、各スペーサ３の各ランド１９を、ベース基板２の各搭載用電極１７に対応するように配置した状態では、ベース基板２の各搭載用電極１７の各導電パターン１８と、各スペーサ３の各ランド１９の各導電パターン２２の引出し方向が逆向きとなるようにしている。すなわち、ベース基板２の各搭載用電極１７の各導電パターン１８は、図２（ａ）に示すように、搭載される各スペーサ３の底面の２つの短辺の内、近接する短辺に近づくように上方（または下方）へ引出されるのに対して、各スペーサ３の各ランド１９の導電パターン２２は、各スペーサ３の底面の近接する前記短辺から離間するように下方（または上方）へ引出されている。

このように、導電パターンを互いに逆方向へ引出すことによって、同一方向へ引出すのに比べて、半田が導電パターンに沿って広がるのを抑制している。

本実施形態では、平面視半円形の円弧状のスルーホール２１を、スペーサ３の端面に形成しているが、本発明の他の実施形態として、例えば、図４の平面図に示されるように、平面視矩形のスペーサ３ａの角部に、上下方向に延びる平面視が１／４円の円弧状のスルーホール２１ａを形成して、金属メッキ層の面積を更に少なくして放熱を一層低減するようにしてもよい。本実施形態ではスルーホール２１ａに導電パターン２３ａを介してランド２０に接続している。

図５は、２個のスペーサ３によって支持されるヒータパッケージ８を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。

ヒータパッケージ８は、図１及び図２（ａ）に示される２個のスペーサ３に跨るように、両スペーサ３上及びその間の領域に位置する大きさ、すなわち、ベース基板２に比べて小さな平面積を有する略直方体状に形成される。ヒータパッケージ８は、その上に搭載されるＴＣＸＯのパッケージ９を効率的に加熱できるように、スペーサ３に比べて熱伝導率の高い絶縁性材料、例えば、アルミナ等のセラミック材料によって構成される。

ヒータパッケージ８の底面の４隅には、２個の各スペーサ３の上面の各ランド２０にそれぞれ半田接合される４個の接続用電極２３が、図５（ｃ）に示されるようにそれぞれ形成されている。

４個の各接続用電極２３は、各スペーサ３を介して図２（ｃ）に示される電源用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）、発振出力用（ＯＵＴ）、及び、周波数制御用（Ｖｃｏｎｔ）の各実装用端子１５に個別に接続される。この内、電源用（Ｖｃｃ）と接地用（ＧＮＤ）の各接続用電極２３は、ヒータパッケージ８の内部配線を介して、図１に示されるヒータＩＣ７のＩＣ端子に対応する素子用電極（図示せず）に接続される。

ヒータパッケージ８の長手方向（図５の左右方向）の両端部は、ベース基板２上の２個の各スペーサ３上に納まるサイズであり、各スペーサ３上に、ヒータパッケージ８を跨るように配置した状態では、図３（ａ）に示される各スペーサ３の各ランド２０は、各スペーサ３の上面及びヒータパッケージ８の底面の外周縁から間隔を空けた内方に位置する。

各スペーサ３の各ランド２０とヒータパッケージ８の接続用電極２３との間の半田接合は、上記ベース基板２の各搭載用電極１７と、スペーサ３の底面の各ランド１９との半田接合と同様に、比較的少量の半田によって接合し、各スペーサ３の各ランド２０とヒータパッケージ８の接続用電極２３との間のみに半田が存在し、スペーサ３とヒータパッケージ８の間からはみ出してスペーサ３やヒータパッケージ８の外周面に半田が這い上がってフィレットを形成しないようにしている。

これによって、ヒータパッケージ８からの熱が、半田フィレットを介して放熱するといったことがない。

ヒータパッケージ８は、図１及び図５（ｃ）に示すように、ヒータＩＣ７を収容する底面側に開口した凹部２４を有している。この凹部２４は、ヒータＩＣ７が搭載される矩形の第１凹部２４_１と、その両側の第１凹部２４_１よりも浅い第２凹部２４_２とを備えており、第２凹部２４_２には、図示しない前記素子用電極が形成されている。

ヒータＩＣ７は、少なくとも外部から電源が供給される電源用（Ｖｃｃ）のＩＣ端子と、接地用（ＧＮＤ）のＩＣ端子とを備えている。ヒータＩＣ７は、第１凹部２４_１に搭載されて、各ＩＣ端子が第２凹部２４_２の対応する素子用電極にワイヤボンディングされ、ヒータＩＣ７を覆うようにモールド樹脂１４で封止される。

なお、ヒータＩＣ７とヒータパッケージ８との電気的接続は、ワイヤボンディングに限らず、フリップチップボンディングなどでもよい。

ヒータＩＣ７は、ヒータと温度センサ等を内蔵し、温度センサの検出温度に基づいて、ヒータの発熱を制御する。すなわち、ヒータＩＣ７は、ヒータパッケージ８上に配置されるＴＣＸＯのパッケージ９の温度を温度センサで検出し、ＴＣＸＯのパッケージ９の温度が一定温度になるように制御する。温度センサの検出温度に基づいて、ヒータの発熱を制御するヒータＩＣ７の構成は、基本的に従来と同様であり、例えば、次のように構成される。

すなわち、ヒータＩＣ７のヒータは、例えば、パワートランジスタであり、温度センサは、例えば、ダイオードである。

ヒータＩＣ７のヒータとして機能するパワートランジスタは、当該パワートランジスタを流れる電流量に応じて、発熱量が変化する。ヒータＩＣ７の温度センサとして機能するダイオードは、温度に応じて電圧値が変化し、具体的には、温度の上昇に対して電圧値が減少する。

ヒータＩＣ７では、ダイオードの電圧値に基づいてパワートランジスタの発熱量を制御することができる。

この実施形態のヒータＩＣ７では、温度センサで検出される検出温度が、設定温度、例えば、８５℃よりも低い場合は、パワートランジスタがオンして発熱し、検出温度が上昇すると、パワートランジスタの発熱量が減少し、検出温度が設定温度よりも高くなると、パワートランジスタがオフして発熱を停止する。

すなわち、周囲の温度が変化しても、ヒータパッケージ８のヒータを制御することによって、ＴＣＸＯのパッケージ９の温度を一定の設定温度にして、周波数の安定度を向上させる。

ヒータパッケージ８の上面の４隅には、図５（ａ）に示すように、上面に搭載されるＴＣＸＯのパッケージ９の底面と半田接合するための４個の搭載用電極２５がそれぞれ形成される。

ヒータパッケージ８の平面視矩形の４つの角部には、上下に延びる内方に窪んだキャスタレーション電極２６がそれぞれ形成される。各キャスタレーション電極２６の下端は、ヒータパッケージ８の底面の各接続用電極２３に個別に接続される一方、各キャスタレーション電極２６の上端は、ヒータパッケージ８の上面の各搭載用電極２５に個別に接続される。

すなわち、ヒータパッケージ８の底面の電源用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）、発振出力用（ＯＵＴ）、及び、周波数制御用（Ｖｃｏｎｔ）に対応する４個の各接続用電極２３は、ヒータパッケージ８の上面の４個の各搭載用電極２５にそれぞれ電気的に接続される。

図６は、ヒータパッケージ８上に搭載されるＴＣＸＯのパッケージ９を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は底面図である。

ＴＣＸＯのパッケージ９は、ヒータパッケージ８と略同じ平面積の直方体状に形成される。このパッケージ９は、図１に示すように、水晶振動子１０及びＴＣＸＯＩＣ１１が収容される凹部１２を有するパッケージ本体９_１とリッド９_２とを備えており、リッド９_２が、該リッド９_２の外周縁に沿った環状の接合材９_３を用いてパッケージ本体９_１に接合される。

ＴＣＸＯのパッケージ９は、ヒータパッケージ８によって効率的に加熱されるように、ヒータパッケージ８と同様に熱伝導率の高い絶縁性材料で構成される。具体的には、パッケージ９のパッケージ本体９_１は、アルミナ等のセラミック材料から構成され、リッド９_２及び接合材９_３は、コバール等の金属材料からなる。

ＴＣＸＯのパッケージ９の底面の４隅には、図６（ｃ）に示すように、ヒータパッケージ８の上面の４個の搭載用電極２５にそれぞれ半田接合するための４個の接続用電極２７がそれぞれ形成される。すなわち、ＴＣＸＯのパッケージ９の底面の４個の接続用電極２７は、ヒータパッケージ８及び各スペーサ３を介して図２（ｃ）に示されるベース基板２底面の電源用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）、発振出力用（ＯＵＴ）、及び、周波数制御用（Ｖｃｏｎｔ）の各実装用端子１５にそれぞれ電気的に接続される。

平面視矩形状のパッケージ９の４つの角部の下部には、上下に延びる内方へ窪んだキャスタレーション電極２８がそれぞれ形成され、各キャスタレーション電極２８は、図６（ｃ）に示すように、パッケージ９の底面の４個の各接続用電極２７に個別に接続される。

パッケージ９の底面の４個の各接続用電極２７は、各キャスタレーション電極２８を介して、パッケージ９の内部配線に接続される。内部配線は、上記図１に示されるＴＣＸＯＩＣ１１のＩＣ端子に対応する素子用電極及び水晶振動子１０が保持される保持電極に接続される。

以上の構成を有する水晶発振器１では、ヒータパッケージ８とＴＣＸＯパッケージ９との間では、熱伝導を効率的に行えるように、両パッケージ８，９は、熱伝導率が比較的高いセラミック材料によって構成される一方、ヒータパッケージ８の熱が、ＴＣＸＯのパッケージ９以外へ放熱するのを抑制し、ヒータパッケージ８及びＴＣＸＯのパッケージ９が、周囲の温度の影響を受けないように、スペーサ３、ベース基板２、及び、カバーケース６は、熱伝導率の低いガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料によって構成される。

これによって、ヒータパッケージ８によってＴＣＸＯのパッケージ９を効率的に加熱することができる一方、ヒータパッケージ８の熱が、スペーサ３やベース基板２等を介して放熱するのが抑制される。特に、収納空間５を区画形成する樹脂材料からなるベース基板２及びカバーケース６によって、収納空間５を、外部から熱的に絶縁された状態にすることができ、放熱を防ぎ、周囲温度の変動による収納空間５内の温度の変動を小さくすることができる。すなわち、ＴＣＸＯの温度変動を小さくすることができ、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性を向上させることができる。更に、ＴＣＸＯを一定温度に加熱するヒータパッケージ８の熱が、スペーサ３やベース基板２等を介して放熱するのが抑制されるので、ＴＣＸＯを一定温度に維持するためにヒータへ供給する電力を低減して省電力を図ることができる。

また、ＴＣＸＯのパッケージ９を搭載したヒータパッケージ８は、熱伝導率が低いガラスエポキシ樹脂からなるスペーサ３によってベース基板２から離間した状態で支持されるので、上記特許文献１のように、密封ケースを挿通して該密封ケース外へ延びる熱伝導率の高い金属リードによって、ＴＣＸＯ及びヒータを、ベースから離間させた状態で支持する従来例に比べて、金属リードが不要となって周囲温度の影響を受けにくくなるので、ベース基板２とヒータパッケージ８との離間距離を短くして小型化を図ることができる。

更に、水晶発振器１は、表面実装されるので、金属リードを挿入して実装する従来例に比べて薄型化を図ることができる。

また、各スペーサ３は、ヒータパッケージ８の真下に配置することができるので、上記特許文献１の金属リードのように支持基板の周縁部に金属リードを配置する必要がなく、その分、水平方向のスペースを小さくして小型化することができる。

また、ＴＣＸＯ及びヒータパッケージ８では、それぞれＴＸＯＣＩＣ１１及びヒータＩＣ７のように、１つのチップに集積しているので、水晶発振器１の小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、特許文献１のように、金属リードを、支持基板や実装基板と半田付けする必要がなく、製造コストの低減を図ることができる。

以上にように本実施形態では、ＴＣＸＯの温度変動を小さくして、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性を向上させることができると共に、小型化を図ることができる。

図７は、本発明の他の実施形態の図１に対応する概略断面図であり、対応する部分には、同一の参照符号を付す。

上記実施形態では、ＴＣＸＯのパッケージ９は、その下面側は、ヒータパッケージ８のヒータＩＣ７によって加熱される一方、その上面側は、カバーケース６に臨んでいるために、上面側は外気の影響を受け易い。このため、ＴＣＸＯのパッケージ９の下面側であるパッケージ本体９_１の底面に搭載されるＴＣＸＯＩＣ１１と、パッケージ９の上面側であるリッド９_２の下方で片持ち支持される水晶振動子１０との間で温度差が生じ易い。ＴＣＸＯでは、水晶振動子１０の温度を、ＴＣＸＯＩＣ１１内蔵の温度センサで検出し、温度による周波数変化を補正するので、水晶振動子１０とＴＣＸＯＩＣ１１との温度差は、可及的に小さくする必要がある。

そこで、この実施形態では、ＴＣＸＯＩＣ１１と水晶振動子１０との間の温度差が生じないようにするために、次のように構成している。

すなわち、ヒータパッケージ８ａの凹部のヒータＩＣ７が搭載される搭載面の配線パターンが存在しない部分に、熱伝導率の高い材料、例えば、タングステンやモリブデン等のメタライズ層などからなる熱伝導層の平板状パターンであるベタパターン２９が形成されると共に、該ベタパターン２９に一端側に連続して上方へ延びる複数のビアホール３０が形成される。各ビアホール３０は、熱伝導率の高い材料、例えば、タングステンやモリブデン等のメタライズなどのビアホールである。

ヒータパッケージ８ａ上に搭載されるＴＣＸＯのパッケージ９ａのパッケージ本体９_１ａには、ヒータパッケージ８ａの前記各ビアホール３０にそれぞれ連なるように、複数のビアホール３１が、上下方向に貫通してそれぞれ形成される。ビアホール３１もビアホール３０と同様に、タングステンやモリブデン等のメタライズなどのビアホールである。

パッケージ本体９_１ａの各ビアホール３１は、凹部１２を気密封止する金属材料からなるリッド９_２の一端側に連続している。

このようにヒータパッケージ８ａのヒータＩＣ７のヒータからの発熱を、ヒータＩＣ７の周辺のベタパターン２９、ビアホール３０、両パッケージ８ａ，９ａを接合する半田、及び、パッケージ本体９_１ａのビアホール３１を伝熱経路として、金属製のリッド９_２に伝達させることができる。

これによって、ＴＣＸＯのパッケージ９ａの下面側を、ヒータパッケージ８ａのヒータによって加熱することができる一方、ＴＣＸＯのパッケージ９ａの上面側のリッド９_２を、ヒータパッケージ８ａのヒータによって加熱することができる。すなわち、ＴＣＸＯのパッケージ９ａをその上下両面から加熱することができ、該パッケージ９ａ内の上方の水晶振動子１０と、下方のＴＣＸＯＩＣ１１との間の温度差を抑制して温度の均一化を図ることができる。

なお、ビアホール３０，３１の数は、複数に限らず、単数であってもよい。また、パッケージ体４ａにおけるベタパターン２９の形状は、任意である。

その他の構成は、図１の実施形態と同様である。

上記各実施形態では、ヒータパッケージ８，８ａは、ヒータＩＣ７を収容する凹部の開口部が下側になるように構成したが、本発明の他の実施形態として、図８の概略断面図に示すように、パッケージ体４ｂのヒータパッケージ８ｂの凹部の開口部が上側になるように構成してもよい。

上記各実施形態では、スペーサ３のスルーホール２１は、端面に形成された平面視円弧状であったが、本発明の他の実施形態として、スペーサ３の内部を上下に貫通する平面視円形のスルーホールとしてもよく、このスルーホール内には、熱伝導率の低い充填材を充填してもよい。

上記各実施形態では、端子は、電源用（Ｖｃｃ）、接地用（ＧＮＤ）、発振出力用（ＯＵＴ）、及び、周波数制御用（Ｖｃｏｎｔ）の４端子であったが、４端子に限らず、例えば、複数系統の電源用の端子を備える４端子以上の構成としてもよい。

１，１ａ〜１ｃ 水晶発振器
２ ベース基板
３ スペーサ
４，４ａ〜４ｃ パッケージ体
５ 収納空間
６ カバーケース
７ ヒータＩＣ
８ ヒータパッケージ
９ ＴＣＸＯのパッケージ
１０ 水晶振動子
１１ ＴＣＸＯＩＣ
１２ 凹部
１４ モールド樹脂
１５ 実装用端子
１６，２６，２８ キャスタレーション電極
１７，２５ 搭載用電極
１９，２０ ランド
２１ スルーホール
２３ 接続用電極
３１ 空間

Claims (6)

1. ベース基板と、
   前記ベース基板上に配置される複数のスペーサと、
   前記複数のスペーサによって、前記ベース基板との間に空間を形成した状態で前記スペーサに支持されるパッケージ体と、
   前記ベース基板に接合されて、前記複数のスペーサ及び前記パッケージ体を収納する収納空間を、前記ベース基板と共に構成するカバーケースとを備え、
   前記パッケージ体は、温度補償型圧電発振器の圧電振動子及び集積回路素子を収容すると共に、ヒータ部を収容しており、
   前記ベース基板、前記複数のスペーサ及び前記カバーケースが、前記パッケージ体よりも熱伝導率の低い材料で構成され、
   前記パッケージ体が、セラミック材料で構成され、
   前記ベース基板がガラスエポキシ樹脂基板であり、前記スペーサが、ガラスエポキシ樹脂で構成され、前記カバーケースが、樹脂材料で構成され、
   前記パッケージ体は、前記ヒータ部を収容した外形が直方体状のヒータパッケージ上に、前記圧電振動子及び前記集積回路素子を収容した温度補償型圧電発振器の外形が直方体状のパッケージが、配置されて構成され、
   前記ヒータパッケージが、前記複数のスペーサを介して前記ベース基板上に配置されている、
   ことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記ヒータ部が、ヒータ及び温度センサを有し、前記温度センサの検出温度に基づいて、前記ヒータの発熱を制御する、
   請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記ヒータパッケージと、前記温度補償型圧電発振器のパッケージの金属製のリッドとの間に、前記ヒータパッケージ側の熱を前記リッドへ伝導させる伝熱経路を有する、
   請求項１または２に記載の圧電発振器
4. 前記温度補償型圧電発振器が、温度補償型水晶発振器である、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電発振器。
5. 前記スペーサは、前記パッケージ体と前記ベース基板とを電気的に接続する導電路を有し、
   前記ベース基板は、その上面に前記スペーサの前記導電路に接続される搭載用電極を有すると共に、その下面に前記搭載用電極に接続される表面実装用の外部接続端子を有する、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電発振器。
6. 前記複数のスペーサが、前記パッケージ体の直下に配置されている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電発振器。

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