JP6825971B2 - 恒温槽型水晶発振器 - Google Patents
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Description
本発明は、水晶振動子と熱源であるヒータ抵抗及びパワートランジスタと温度センサを有する恒温槽型水晶発振器に関する。
恒温槽型水晶発振器は通常、水晶振動子の温度に対する周波数変化が極小となる温度を保つように制御することで、周波数安定度を高めた水晶発振器であり、例えば、ppbレベルの周波数偏差が求められる基地局用の通信機器にて、広く用いられているものである。
図５は従来例を説明する図で、恒温槽型水晶発振器２００の断面図である。恒温槽型水晶発振器２００は、水晶振動子１３と、発振回路及び温度制御回路を構成する回路素子１４と、第１回路基板１５及び第２回路基板１６と、発振器用容器１７とからなる。水晶振動子１３は積層セラミックからなるパッケージに例えばＡＴカットやＳＣカットの水晶振動片を収容してなる。
発振器用容器１７を構成する、外部端子を有する金属ベース２２と金属カバー２３は例えば抵抗溶接にて接合される。この金属ベース２２及び金属カバー２３が形成する気密空間内に、水晶振動子１３、回路素子１４、第１回路基板１５及び第２回路基板１６が収容される。
水晶振動子１３に用いられるＡＴカットの水晶振動片は３次曲線の周波数温度特性を有する。恒温槽型水晶発振器２００においては、通常、周波数温度特性の３次曲線の頂点、すなわち温度変化が一番小さい領域に恒温槽の温度を設定し、恒温槽型水晶発振器２００の周囲の温度が変化したとしても、恒温槽型水晶発振器２００の内部の温度がその近傍に留まるように制御している。その温度制御には回路素子１４として感温素子（サーミスタ、熱電対、ダイオード）と熱源（パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ヒータ抵抗）が用いられている。
第１回路基板１５及び第２回路基板１６はガラスエポキシ基板、もしくはセラミック基板からなり、いずれもその表面もしくは裏面に配線パターンが形成される。第１回路基板１５の一主面には水晶振動子１３が搭載され、他主面には例えば温度制御回路のヒータ抵抗１９及び感温素子が搭載される。そして、ヒータ抵抗１９及び感温素子上には液状の熱伝導性樹脂２０が例えば第２回路基板１６の表面に接続されるように塗布され、硬化させる。
第２回路基板１６にはこれら以外の発振回路及び温度制御回路の回路素子１４が両主面に搭載される。また、第１回路基板１５と第２回路基板１６は金属ピン１８によって電気的及び機械的に接続することで、板面が対向する２段構造となる。第１回路基板１５と第２回路基板１６の間の熱伝導性樹脂２０により、ヒータ抵抗、感温素子と発振回路、温度制御回路の回路素子１４間の熱結合が強いものとなっている。
発振器用容器１７は少なくとも四隅にガラスによって気密化したリード線すなわちハーメチック端子が貫通した金属ベースと、金属ベースに抵抗溶接等により封止される金属カバーとからなる。金属ベースのハーメチック端子には、第２回路基板１６が電気的、機械的に接続され、第１回路基板１５とともに発振器用容器１７内に密閉封入される。
上記構成の金属ピン１８にて第１回路基板１５及び第２回路基板１６を立体的に接続する従来の恒温槽型水晶発振器２００では、第１回路基板１５と第２回路基板１６が対向する２段構造からなり、構造的にある程度の高さが必要となり、小型化、低背化に向いていない構造であった。また、発振回路、温度制御回路の回路素子１４や、水晶振動子１３が複数の回路基板に分散して配置され、回路素子１４や水晶振動子１３の間に空間的な隔たりが生じるため、より安定した温度制御を行うためには、熱結合を考慮した素子配置の検討、最適化が必要となり、そのために多くの時間を費やすことになっていた。
前記課題を解決するため、本発明の恒温槽型水晶発振器は、表面実装用の実装端子を底面に有するベース基板と、前記ベース基板に搭載されたパワートランジスタと、前記パワートランジスタに搭載された表面実装型水晶振動子と、からなることを特徴とする。
本発明の恒温槽型水晶発振器は、前記パワートランジスタの前記表面実装型水晶振動子に対向する側の表面積が、前記表面実装型水晶振動子の前記パワートランジスタに対向する側の表面積よりも大きいことを特徴とする。また、本発明の恒温槽型水晶発振器は、前記パワートランジスタへ前記表面実装型水晶振動子に加えて感温素子を搭載したことを特徴とする。
本発明の恒温槽型水晶発振器は、前記パワートランジスタにさらに発振回路を構成する回路素子を搭載したことを特徴とする。また、本発明の恒温槽型水晶発振器は、前記ベース基板と前記表面実装型水晶振動子間の電気的接続をワイヤーボンディングにて行なったことを特徴とする。
本発明の恒温槽型水晶発振器は、前記パワートランジスタと前記表面実装型水晶振動子の間を樹脂接着剤にて接合したことを特徴とする。また、前記ベース基板上の前記パワートランジスタと前記表面実装型水晶振動子を覆うようにモールド樹脂を配置したことを特徴とする。
パワートランジスタからなる熱源に対し直に表面実装型水晶振動子や感温素子を配置する。そのような構成により、無駄な熱の放出を防ぎ、効率良く熱を伝達する事が可能となる。そのため、低消費電力の恒温槽型水晶発振器が実現できる。さらに、近接配置した表面実装型水晶振動子やパワートランジスタ、感温素子の周囲を樹脂で埋めることにより、温度変動の激しい外界の影響を抑えるとともに樹脂の追加により恒温槽型水晶発振器全体の熱容量を増加させ、恒温槽型水晶発振器の内部を熱的に安定させることができる。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１の斜視図である。図１（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１の断面図である。図１においては封止に用いるモールド樹脂は図示していない。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように本発明の恒温槽型水晶発振器１はベース基板２、パワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６にて構成される。
本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１について、図面を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１の斜視図である。図１（ｂ）は本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１の断面図である。図１においては封止に用いるモールド樹脂は図示していない。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように本発明の恒温槽型水晶発振器１はベース基板２、パワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６にて構成される。
裏面に複数の実装端子３を形成したベース基板２上にエミッタ、コレクタ、ベースに対応する端子を有するパワートランジスタ４を搭載する。ベース基板としてはたとえばガラスエポキシの基板が用いられる。パワートランジスタ４の各端子は不図示のベース基板２に形成される配線パターンに対して、半田にて電気的、機械的に接続される。そして、パワートランジスタ４のエミッタ、コレクタ、ベースに対応する端子は温度制御回路に接続される。
本発明においては、恒温槽型水晶発振器１を構成する水晶振動子として表面実装型水晶振動子６がその低背化、小型化に適している。表面実装型水晶振動子６は積層セラミックからなるベースと金属からなるリッドにて水晶振動片を収容する収容空間を形成している。
水晶振動片としてはＡＴカットもしくはＳＣカットの水晶振動片が用いられる。外部端子７が形成されたベース側を上に向け、底面となるリッド側がパワートランジスタ４の上部表面に接合される。パワートランジスタ４と表面実装型水晶振動子６の間の接合には樹脂接着剤が用いられる。樹脂接着剤は熱伝導率の高いもの、例えばシリコン樹脂が用いられる。
熱源であるパワートランジスタ４上に直接、表面実装型水晶振動子６が接合されるため、外部への熱の流出が抑えられ、パワートランジスタ４と表面実装型水晶振動子６間の熱の伝達効率が良好なものとなる。
表面実装型水晶振動子６の外部端子７はベース基板２に電気的に接続される。ベース基板２上に形成された不図示の配線パターンにボンディングワイヤ８等の導電部材を用いて接続される。ボンディングワイヤ８としては、例えば金（Ａｕ）の細線が用いられる。
さらに、恒温槽型水晶発振器１の温度を検出し、温度制御回路に温度情報を送る感温素子５がベース基板２に搭載される。感温素子５はサーミスターや温度に対して変化の大きな抵抗が用いられる。感温素子５はベース基板２上の不図示の配線パターンに例えば半田にて電気的に接続されている。感温素子５はパワートランジスタ４と同じくベース基板２上に搭載されているため、パワートランジスタ４が発生する熱はベース基板２を介した状態で、短い距離を経て受けることになり、正確な温度測定が可能となる。
この実施形態においては、ベース基板２の表面にパワートランジスタ４及び感温素子５が例えば半田を介して直に接合されており、また、パワートランジスタ４の表面に表面実装型水晶振動子６が直に接続されることにより、ベース基板２からの高さが各素子を重ね合わせたものとなる。また、本発明の恒温槽型水晶発振器１が占める面積に関しても、パワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６、感温素子５及び発振回路、温度制御回路の回路素子と必要最低限の構成からなるため、小さい面積で済むことになる。不図示の発振回路、温度制御回路の回路素子は例えばベース基板２の表面、パワートランジスタ４の近傍に搭載される。
従って、従来の複数の回路基板と金属ピンを用いた恒温槽型水晶発振器に比べて、ずっと狭い領域に配置することが可能となる。そのため、各回路素子間の温度のずれが小さく、温度制御回路を用いた温度制御も安定させることが容易となり、かつ消費電力が小さくて済むという利点がある。
パワートランジスタ４と表面実装型水晶振動子６の接合する側の表面積は、パワートランジスタ４側の表面積が広いことが望ましい。このような構成であれば、表面実装型水晶振動子６の表面全面がパワートランジスタ４の表面に接することになり、熱源であるパワートランジスタ４からの熱を表面実装型水晶振動子６の表面全面にて均等に受けることとなり、温度制御が安定することになる。
また、パワートランジスタ４に発振回路、温度制御回路を構成する回路素子を搭載してもよい。その際に、例えば発振回路、温度制御回路の回路素子がＩＣチップとして一体となり、表面実装型水晶振動子６と同様の直方体形状である場合、「発振回路、温度制御回路のＩＣチップの短辺の長さ+表面実装型水晶振動子６の短辺の長さ＜パワートランジスタ４の短辺の長さ、かつ、発振回路、温度制御回路のＩＣチップの長辺の長さ及び表面実装型水晶振動子６の長辺の長さがともに表面実装型水晶振動子６の長辺の長さ以下」の関係を満たすようにすれば、発振回路、温度制御回路のＩＣチップ及び表面実装型水晶振動子６が共にパワートランジスタ４の表面内に配置される。この配置により、パワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６、発振回路、温度制御回路のＩＣチップの温度がおよそ一致し、安定した温度制御により周波数変動が抑えられた水晶発振器が得られる。発振回路を構成する回路素子には温度により特性の変化するものも含まれるが、パワートランジスタ４に搭載することで、表面実装型水晶振動子６を含めて、温度が一様となり、より安定した温度制御が可能となる。また、発振回路、温度制御回路を構成する回路素子は表面実装型水晶振動子６の外部端子が形成されていない領域に搭載してもよい。
図２（ａ）は感温素子５をパワートランジスタ４に搭載した第１の変形例の恒温槽型水晶発振器１の断面図である。感温素子５をパワートランジスタ４に搭載することで、同じくパワートランジスタ４に搭載された表面実装型水晶振動子６の温度を精度良く測定することができる。そのため、温度制御の安定した恒温槽型水晶発振器１が得られる。図２（ａ）においては封止に用いるモールド樹脂は図示していない。
図２（ｂ）は感温素子５を表面実装型水晶振動子６に搭載した第２の変形例の恒温槽型水晶発振器１の断面図である。感温素子５を発振周波数に対する影響の大きい表面実装型水晶振動子６に直に搭載することで、表面実装型水晶振動子６の温度を精度良く測定することが可能となり、温度制御の安定した恒温槽型水晶発振器１が得られる。図２（ｂ）においては封止に用いるモールド樹脂は図示していない。
図３（ａ）はモールド樹脂９にて覆われた恒温槽型水晶発振器１の斜視図である。また図３（ｂ）はモールド樹脂９にて覆われた恒温槽型水晶発振器１の側面図である。モールド樹脂９はベース基板２にパワートランジスタ４等の回路素子が搭載されたのちに、ベース基板２に対して行われる樹脂モールドにより形成される。樹脂モールドには、コンプレッション成形、トランスファー成形、インジェクション成形等を用いられる。
モールド樹脂９はベース基板２上のパワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６、感温素子５、ボンディングワイヤ８等を覆うように形成される。モールド樹脂９を設けることで、パワートランジスタ４等の各回路素子及びボンディングワイヤ８を湿気、衝撃等から保護することができる。そのため、恒温槽型水晶発振器１の周囲の温度変動の影響を受けにくく、より安定した温度制御が可能な恒温槽型水晶発振器１が得られる。
なお、モールド樹脂９は各回路素子及びボンディングワイヤ８の全てを覆うことに限定されず、各回路素子やボンディングワイヤ８の一部が露出したようにすることでもよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１００について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と同じ部分に関しては同じ符号を付すとともに、その説明を簡略化又は省略する。
次に、本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器１００について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、第１の実施の形態と同じ部分に関しては同じ符号を付すとともに、その説明を簡略化又は省略する。
図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るリードフレーム１０を用いた恒温槽型水晶発振器１００の断面図である。図４（ａ）においては封止に用いるモールド樹脂９は図示していない。図４（ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係るリードフレーム１０を樹脂モールドした恒温槽型水晶発振器１００の側面図である。
第１の実施の形態ではパワートランジスタ４等の各回路素子がベース基板２上に搭載されていたが、第２の実施の形態においては、各回路素子が、リードフレーム１０上に搭載される点が異なる。
第１の実施の形態ではパワートランジスタ４等の各回路素子がベース基板２上に搭載されていたが、第２の実施の形態においては、各回路素子が、リードフレーム１０上に搭載される点が異なる。
リードフレーム１０は、鉄、銅合金、具体的には、４２アロイ等のＦｅ合金、あるいはＣｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｆｅ等のＣｕ合金、あるいはこれらに第三の元素を添加した三元合金等により形成されたものが使用され、アイランド部１１と複数のリード端子１２からなる。
パワートランジスタ４は絶縁性接着剤を用いて、リードフレーム１０のアイランド部１１に接合する。リードフレーム１０の外周部には複数のリード端子１２が配置され、パワートランジスタ４のエミッタ、コレクタ、ベース等の各端子とリード端子１２の間がボンディングワイヤ８にて接続される。
表面実装型水晶振動子６は第１の実施形態と同様に外部端子７が形成されたベース側を上に向け、底面となるリッド側がパワートランジスタ４の上部表面に接合される。パワートランジスタ４の各端子と同様に、表面実装型水晶振動子６の外部端子７とリード端子１２の間はボンディングワイヤ８にて接続される。感温素子５は個別のリード端子１２に搭載され、他のリード端子１２の間にボンディングワイヤ８にて接続される。
リードフレーム１０にパワートランジスタ４、表面実装型水晶振動子６、感温素子５等の各回路素子が搭載され、夫々のリード端子１２と各回路素子の端子がボンディングワイヤ８にて接続された後に、モールド樹脂９により封止される。この際に、複数のリードフレーム１０が面上に連続した状態で、個々のアイランド部１１にパワートランジスタ４等の各回路素子が接合され、各回路素子の端子とリード端子１２の間がボンディングワイヤ８にて電気的に接続後、樹脂モールドを行った後、ダイシングにより個片化してもよい。
本発明の第２の実施形態に係る恒温槽型水晶発振器１００においては、リードフレーム１０、モールド樹脂９、汎用品の表面実装型水晶振動子６等を用いることで、品質の均一な製品を大量かつ安価に製造することが可能となる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１，１００,２００ 恒温槽型水晶発振器、２ ベース基板、３ 実装端子、４ パワートランジスタ、５ 感温素子、６ 表面実装型水晶振動子、７ 外部端子、８ ボンディングワイヤ、９ モールド樹脂、１０ リードフレーム、１１ アイランド部、１２ リード端子、１３ 水晶振動子、１４ 回路素子、１５ 第１回路基板、１６ 第２回路基板、１７ 発振器用容器、１８ 金属ピン、１９ ヒータ抵抗、２０ 熱伝導性樹脂、２１ ハーメチック端子、２２ 金属ベース、２３ 金属カバー。
Claims (6)
- 表面実装用の実装端子を底面に有するベース基板と、前記ベース基板に搭載されたパワートランジスタと、前記パワートランジスタに搭載された表面実装型水晶振動子と、からなり、前記パワートランジスタの前記表面実装型水晶振動子に対向する側の表面積が、前記表面実装型水晶振動子の前記パワートランジスタに対向する側の表面積よりも大きく、前記ベース基板上の前記パワートランジスタと前記表面実装型水晶振動子を覆うモールド樹脂を配置したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
- 表面実装用の実装端子を底面に有するベース基板と、前記ベース基板に搭載されたパワートランジスタと、前記パワートランジスタに搭載された表面実装型水晶振動子と、からなり、前記ベース基板と前記表面実装型水晶振動子間の電気的接続をワイヤーボンディングにて行ない、前記ベース基板上の前記パワートランジスタと前記表面実装型水晶振動子を覆うモールド樹脂を配置したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
- 請求項１又は請求項２に記載の恒温槽型水晶発振器にて、前記パワートランジスタへ前記表面実装型水晶振動子に加えて感温素子を搭載したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
- 請求項１又は請求項２に記載の恒温槽型水晶発振器にて、前記表面実装型水晶振動子に感温素子を搭載したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
- 請求項１〜４に記載の恒温槽型水晶発振器にて、前記パワートランジスタにさらに発振回路を構成する回路素子を搭載したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
- 請求項１〜５に記載の恒温槽型水晶発振器にて、前記パワートランジスタと前記表面実装型水晶振動子の間を樹脂接着剤にて接合したことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
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