JP7426286B2

JP7426286B2 - 水晶発振器

Info

Publication number: JP7426286B2
Application number: JP2020090211A
Authority: JP
Inventors: 真人小川; 健治入江
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: JP2021185645A; WO2021240877A1; CN115668755A; US20230198465A1

Description

本発明は、水晶振動子を格納するパッケージ内の温度調整が行われる水晶発振器に関する。

周囲温度の変化の影響が抑制されて安定した発振出力を得るための水晶発振器として、水晶振動子を格納すると共に内部の温度調整が行われるパッケージを備えた水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）が知られている。そのＯＣＸＯの製造工程においては、上記のパッケージの構成部品が接合されることで、当該パッケージの気密封止が行われる。具体的には例えば、各種の回路部品が搭載される基板を支持するベースの金属部と、金属製のカバーにおける外側に広がって形成される周縁部と、を抵抗溶接により接合して、その気密封止が行われることがあった。

なお、例えば特許文献１にはＯＣＸＯの一例として、基板の下面に水晶振動子及びヒータ（発熱体）、基板の上面に発振回路及びヒータが夫々搭載され、基板の周縁部がパッケージ内に設けられる段部に支持された構成のものが示されている。そしてこのＯＣＸＯにおいては、基板に設けられる端子と当該端子に接続されるボンディングワイヤとを介して、基板に搭載される各部品とパッケージ内に設けられる端子とが電気的に接続されている。

特開２００６－１４２０８（図４、段落００２０）

ＯＣＸＯについて小型化することが求められており、それに応じて、パッケージの構成部品における溶接の対象となる領域について、縮小化することが求められている。そのような事情に対応するために、例えばパッケージの構成部品として縦断面が凹状のセラミックス製のベースと、金属製のリッドとを用い、シーム溶接等によりリッドとベースの開口縁に設けられる金属部とを接合して封止を行うことが検討されている。

しかし、そのように封止が行われることで製造されたパッケージを備えるＯＣＸＯについてはセラミックスの熱伝導率が比較的高いために、パッケージ内に設けられる発熱体の熱がパッケージに伝わり、当該パッケージの外部に発散するおそれがある。そうなると、パッケージ内の温度制御が困難になってしまう。つまり、ＯＣＸＯの小型化とパッケージ内の温度制御性とが、トレードオフの関係になっている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型で且つ安定した発振出力を得ることができる水晶発振器を提供することである。

本発明の水晶発振器は、内部に水晶振動子を格納するパッケージを備える水晶発振器において、
一面側に前記水晶振動子が設けられ、他面側に当該水晶振動子を発振させるための発振回路を含む回路部品及び前記パッケージ内の温度を調整する発熱体が設けられた基板と、
前記水晶振動子、前記回路部品及び前記発熱体が前記パッケージの壁部から離間するように、前記基板における端部のみを一面側から支持するために当該パッケージの内壁に形成される段部と、
前記発熱体に設けられる端子と前記パッケージの内部に設けられる端子とを前記基板を介さずに接続するワイヤと、
を備えることを特徴とする。

本発明の水晶発振器によれば、基板の一面側に水晶振動子、基板の他面側に発振回路を含む回路部品及び発熱体が夫々設けられ、基板に設けられるこれらの各構成要素がパッケージの壁部から離間するように、当該基板の端部が当該パッケージ内に支持される。そして、発熱体の端子とパッケージに設けられる端子とが、基板を介さずにワイヤにより接続される。このような構成により基板の大型化が防止されると共に、発熱体からパッケージへの伝熱が抑制されて当該パッケージ内の温度の制御性が高くなる。従って本発明の水晶発振器については、小型なものとすることができ、且つ安定した発振出力を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るＯＣＸＯの横断平面図である。前記ＯＣＸＯの縦断正面図である。前記ＯＣＸＯの縦断側面図である。前記ＯＣＸＯの上面側分解斜視図である。前記ＯＣＸＯの下面側分解斜視図である。前記ＯＣＸＯを各々構成する基板とパッケージとの位置関係を説明するための平面図である。評価試験の結果を説明するグラフ図である。

本発明の一実施形態に係るパッケージを備える水晶発振器であるＯＣＸＯ１について、図１の横断平面図、図２の縦断正面図、図３の縦断側面図、図４の上面側分解斜視図、図５の下面側分解斜視図を適宜参照しながら説明する。ＯＣＸＯ１は、基板１１、パッケージ２、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ３、水晶振動子４及び２つのコンデンサ５を備える。ＩＣチップ３、水晶振動子４及びコンデンサ５については基板１１に設けられており、その配置については後述する。

恒温槽としての役割を有するパッケージ２は角型に形成され、ベース２１と、リッド（蓋）２２とにより構成される。パッケージ２は平面視長方形状に構成されている。以下、ＯＣＸＯ１を説明するにあたり、当該長方形の長辺方向を左右方向、短辺方向を前後方向として説明する。また、リッド２２が設けられる側を上側として説明する。ただし、ここで述べる上下左右前後の方向はＯＣＸＯ１の構成の説明のために便宜上付したものであり、ＯＣＸＯ１はどのような向きで使用されてもよい。パッケージ２の左右の長さは９ｍｍ以下、より具体的には例えば７ｍｍであり、パッケージ２の前後の長さは７ｍｍ以下、より具体的には例えば５ｍｍである。

上記のベース２１は、パッケージ２の側壁と底部とを構成し、その材質はセラミックスである。ベース２１の縦断面は凹状に形成されており、従ってベース２１は、上側に開口する開口部を備えている。この開口部の縁に沿うように、金属部として環状突起であるシールリング２３が形成されている。このシールリング２３上に、金属板であるリッド（蓋）２２の周縁部が溶接され、パッケージ２内が気密空間とされている。当該気密空間は、平面視、概ね長方形状に形成されている。

ベース２１の下面には、ＯＣＸＯ１を外部機器に接続するための金属製のパッド２４、２５が設けられており、例えばパッド２４は４つ、パッド２５は２つ設けられている。パッド２４はＯＣＸＯ１を構成する各回路に接続される電極端子である。つまり、パッド２４は基板１１に搭載される上記の各部品に電気的に接続されており、各パッド２４がＯＣＸＯ１の外部に設けられる外部機器の電極端子に接続されることで、ＯＣＸＯ１が動作する。

パッケージ２の内部について説明する。パッケージ２内の４つの各角部における側壁の下部側がパッケージ２の内側に向けて膨らむように形成されることで、当該パッケージ２の内側壁には段部２６が設けられている。見方を変えればパッケージ２内にて４つの各角部における底面が盛り上がることで、段部２６が形成されている。段部２６の上面は、基板１１をパッケージ２の底壁及びリッド２２と平行に支持する支持面２７をなす。

また、パッケージ２の前方側、後方側の各側壁における左右の中央下部もパッケージ２の内側に向けて膨らむように形成されることで、左右に細長の段部２８が設けられており、各段部２８は既述の段部２６よりも高く形成されている。各段部２８の上面には金属膜のパターンとして、複数の端子２９が形成されている。端子２９は、パッケージ２の側壁及び底壁の内部や、当該底壁の表面に形成される図示しない導電路を介して、上記したパッケージ２の下面のパッド２４に接続されている。以下、混同を避けるために段部２６を基板支持用段部２６、段部２８を接続用段部２８と記載する場合が有る。

続いて、基板１１について説明する。基板１１は例えば樹脂製であり、その上面側（他面側）、下面側（一面側）には金属膜、例えば銅膜からなるパターンが形成されている。そのパターンのうち、下面側のパターンである放熱用パターンについては、後に具体的に説明する。

基板１１は平面視概ね長方形であり、例えば長辺方向の長さ、短辺方向の長さは夫々５ｍｍ、３ｍｍである。当該基板１１については、図示しない接着材を介して、その４つの角部の下面側が、上記した基板支持用段部２６の支持面２７上に固定されて支持されており、その長辺方向、短辺方向は、パッケージ２の長辺方向、短辺方向に対して夫々揃えられている。そして、基板１１の側面はパッケージ２の側壁から離れている。さらに詳しく述べると、基板１１に設けられる各部品（ＩＣチップ３、水晶振動子４及びコンデンサ５）については、パッケージ２の内壁から離間している。従って、基板１１及び基板１１に搭載される各部品については、基板１１の角部を除いて、パッケージ２の中空に浮いた状態となっている。なお、基板１１の前方側、後方側の各々における左右の中央部には、切り欠き１２が設けられており、当該基板１１と上記のパッケージ２の接続用段部２８との接触が防止されている。

基板１１の上面側には、ＩＣチップ３及び２つのコンデンサ５が設けられている。各コンデンサ５は、バイパスコンデンサであり、基板１１の左右に各々設けられている。そしてＩＣチップ３は、基板１１の中央部に、コンデンサ５に挟まれて設けられている。ＩＣチップ３は、水晶振動子４を発振させるための発振回路、発振回路からの出力を増幅する増幅回路（出力回路）及び発熱体（ヒータ回路）などの複数の回路を含む回路部品である。なお、図示は省略しているが基板１１の上面あるいは下面には、水晶振動子４の温度を検出するための回路部品として、サーミスタが設けられている。当該サーミスタによる検出温度に応じて、ＩＣチップ３による発熱体の発熱量の調整がなされ、水晶振動子４の温度、即ちパッケージ２内の温度が一定となるよう温度制御がなされる。このサーミスタについても、他の回路部品と同様にパッケージ２の内壁には接触していない。

ＩＣチップ３の上面に多数の端子が設けられている。これらの端子について、パッケージ２側の端子２９との混同を避けるためにチップ端子３２と記載する。その多数のチップ端子３２のうちの一部の複数の端子は、上記したパッケージ２の接続用段部２８の端子２９とボンディングワイヤ３３により各々接続されている。つまり、基板１１に設けられる金属膜であるパターンを介さずに、チップ端子３２と端子２９とがボンディングワイヤ３３により直接、接続されている。ボンディングワイヤ３３については比較的細く、例えばその断面の直径が３０μｍである。また、ボンディングワイヤ３３は例えば金または銅により構成されている。

なお、多数のチップ端子３２のうちの他の一部の複数の端子については水晶振動子４、コンデンサ５と電気的接続がなされるように、基板１１の上面に設けられるパターンに対して、ボンディングワイヤ３３によって接続されている。ただし、そのようなチップ端子３２のうちの他の一部の端子、基板１１の上面のパターン、当該他の一部の端子と当該パターンとを接続するボンディングワイヤ３３については図示を省略している。

上記した、基板１１を介さずにボンディングワイヤ３３によってパッケージ２の端子２９に直接接続されるチップ端子３２としては、発熱体に設けられる複数のチップ端子３２が含まれる。説明の便宜上、この発熱体のチップ端子３２を３２Ａ、３２Ｂと記載する。チップ端子３２Ａは発熱体に電源電圧を印加する端子（Ｖｃｃ端子）であり、チップ端子３２Ｂはグランド端子である。

そのように発熱体のチップ端子３２Ａ、３２Ｂがボンディングワイヤ３３によりパッケージ２の端子２９に直接接続される構成によって、発熱体のパッケージ２の外部への放熱が抑制される。この放熱の抑制について、より詳しく述べる。仮にチップ端子３２Ａ、３２Ｂと端子２９とを直接接続するのではなく、基板１１にチップ端子３２Ａ、チップ端子３２Ｂの各々と接続される金属膜のパターンを形成し、このパターンとパッケージ２の端子２９とをボンディングワイヤ３３によって接続した構成としたとする。あるいは、基板１１にチップ端子３２Ａ、３２Ｂの各々と接続される金属膜のパターンを形成すると共に、パッケージ２の基板支持用段部２６にこの基板１１のパターンと接続され、パッケージ２の外部へと引き出される導電路を設けた構成としたとする。

しかし、それらのように基板１１にチップ端子３２Ａ、３２Ｂに接続されるパターンを形成した構成とすると、発熱体の熱は当該パターン、つまりは基板１１に移動するが、既述したように基板１１の角部はパッケージ２に接触していることから当該角部を介してのパッケージ２への伝熱量が多くなり、その結果としてパッケージ２の外側への放熱量が多くなってしまう。一方で、発熱体のチップ端子３２Ａ、３２Ｂがボンディングワイヤ３３によって直接、パッケージ２の端子２９に接続された構成では、チップ端子３２Ａ、３２Ｂに接続される基板１１のパターンが無いため、当該パターンを介した当該基板１１への熱伝導が無いし、ボンディングワイヤ３３は細いために当該ボンディングワイヤ３３を介したパッケージ２への熱の移動は少ない。従って、発熱体の熱がパッケージ２内に籠もりやすく、パッケージ２の外部への放熱を抑制することができる。

チップ端子３２Ａ、３２Ｂは各々複数、例えば図１に示すように２つのボンディングワイヤ３３により、パッケージ２の端子２９に接続されている。それにより、チップ端子３２Ａ、３２Ｂと端子２９との間の電圧降下が抑制される。また、パッケージ２の外側の温度（周囲環境温度）次第では、高い発熱量を得るために発熱体には比較的大きな電流が流れるが、そのような場合でも１つあたりのボンディングワイヤ３３からの発熱が抑えられ、当該発熱によるボンディングワイヤ３３の破損を、より確実に防止することができる。なお、チップ端子３２Ａ、３２Ｂに各々接続されるボンディングワイヤ３３としてはこの例に限られず、２つより多くてもよい。

以下、基板１１の下面を概略的に示す図６も参照しながら説明する。基板１１の裏側の中央部には、水晶振動子４が設けられている。この水晶振動子４はパッケージ化されている。具体的に説明すると、水晶振動子４については、励振電極が形成された水晶片（説明の便宜上、水晶振動子素子４１とする）の他に、当該水晶振動子素子４１を気密に収容する振動子用パッケージ４２を備えている。角型に形成された振動子用パッケージ４２の表面には４つの端子が形成されており、当該４つの端子は基板１１の下面に設けられるパターンに各々接続されている。

その振動子用パッケージ４２の４つの端子のうち、当該振動子用パッケージ４２内の図示しない導電路を介して水晶振動子素子４１の励振電極に接続される２つの端子を、４３として示している。そして、残りの２つの端子を４４として示している。端子４４はグランド端子であり、基板１１に設けられる導電路（スルーホールやパターン）、ボンディングワイヤ３３及びパッケージ２の端子２９を介することで、パッケージ２の下側のパッド２４のうちの接地用のパッド２４に電気的に接続されている。

そして基板１１の下面には、水晶振動子４の左側、右側に各々配置されると共に上記の端子４４に接続されるパターンが設けられている。当該パターンを放熱用パターン４５とすると、各放熱用パターン４５はその一部がパッケージ２の基板支持用段部２６の支持面２７に重なるように形成されている。上記したように基板１１は接着材を介してパッケージ２に固定されるため、放熱用パターン４５は、基板支持用段部２６の支持面２７に接着材を介して積層される。

放熱用パターン４５の役割について説明すると、ＩＣチップ３に含まれる発熱体以外の各回路については自己消費電力によって発熱し、その発熱量は発熱体の発熱量とは異なり制御することができない。従って、この各回路の発熱によって、パッケージ２内の温度が所望の温度からずれてしまうことが考えられるが、当該発熱の問題に対処するために、放熱用パターン４５を設けている。さらに詳しく述べると、ＩＣチップ３の発熱体以外の回路の熱は、ＩＣチップ３と水晶振動子４とを接続するボンディングワイヤ３３及び基板１１の導電路を介して水晶振動子４へ伝熱されることになる。そして、この熱は水晶振動子４に接続される放熱用パターン４５へ伝わり、さらに放熱用パターン４５に接するパッケージ２の基板支持用段部２６へと移動する。基板１１の導電路や放熱用パターン４５は金属、即ち導電性が高い材料であることにより、このような基板支持用段部２６への伝熱が効率良く行われる。そして、このように基板支持用段部２６に移動した熱はパッケージ２の壁部を介して、当該パッケージ２の外側へと放散される。

補足して説明しておくと、基板支持用段部２６においては基板１１の支持面２７とパッケージ２の外側表面とを接続する導電路は設けられていない。即ち、端子２９とパッケージ２の外側表面のパッド２４とを接続する導電路を備える接続用段部２８と、当該基板支持用段部２６とは互いに異なる構成とされている。これは、仮にパッケージ２の外側と支持面２７とを接続する導電路が基板支持用段部２６に設けられるとすると、発熱体から発する熱について、当該導電路を介することで基板１１からパッケージ２の外部へ放散される量が多くなる懸念が有る、つまり基板１１を支持している基板支持用段部２６を介しての外部への放熱量が大きくなってしまうおそれが有るためである。即ち、ＯＣＸＯ１においては、基板支持用段部２６に上記の導電路を設けない構成とすることで、この基板支持用段部２６を介しての不要な放熱を抑制し、パッケージ２内の温度制御性が向上されるようにしている。

以上のようにＯＣＸＯ１においては、基板１１の上面側、下面側にＩＣチップ３、水晶振動子４が夫々設けられ、基板１１は下面側からパッケージ２の段部２６により、その角部が支持される。それによって、そのサイズを例示したようにＯＣＸＯ１を小型にすることができる。そしてＩＣチップ３に含まれる発熱体のチップ端子３２とパッケージ２の端子２９とがボンディングワイヤ３３で接続されることで、発熱体から発する熱がパッケージ２の外部へ放散することが抑制される。従って、パッケージ２内の温度が設定温度から外れることが抑制されるので、ＯＣＸＯ１については、安定した発振出力を得ることができる。なお、水晶振動子４は、基板１１においてベース２１の開口側とは反対の下面側に設けられることで、パッケージ２の外側における温度変化等の環境変化の影響を受け難いことも、発振出力の安定化に寄与する。

さらに、上記のように発熱体の熱についてはパッケージ２の外部への放散が抑制される一方、ＩＣチップ３のうちの発熱体以外の回路から発する熱については放熱用の金属膜である放熱用パターン４５を介して、パッケージ２の外部へ効率良く放散される。従って、より確実にパッケージ２内の温度について、設定温度からのずれを抑制することができる。

既述した例では、水晶振動子４の端子４３、４４のうちのグランド端子である端子４４に接続されるように放熱用パターン４５を形成しているが、水晶振動子４の端子からパッケージ２に向けて伝熱される構成であればよく、端子４３に接続されるように放熱用パターン４５を形成してもよい。なお、図６では表示を省略しているが、基板１１の下面には水晶振動子４と、ＩＣチップ３などの基板１１の上面側の各部品とを接続するためのパターン（接続用パターン）が形成される。放熱用パターン４５については、この接続用パターンと別個に（分離されて）形成されていてもよいし、当該接続用パターンと一部が共通化されて（互いに接して）形成されていてもよい。

また、上記の例では、より確実にパッケージ２に放熱できるように放熱用パターン４５は段部２６の支持面２７に重なるように形成されている。ただし、放熱用パターン４５の面積が比較的大きいほど熱輻射によりパッケージ２に向けて移動する熱量が多くなるので、この面積を適切なものに設定することで、放熱用パターン４５を段部２６に重ならないように形成してもよい。そのように段部２６に重ならない場合、例えば基板１１の下面に露出している放熱用パターン４５の面積が、基板１１の下面の面積の２０％以上とする。その基板１１の下面に露出する面積とは、水晶振動子４などの部品に被覆されていない領域の面積である。

なお、図６に示した例では、放熱用パターン４５は４つの基板支持用段部２６のうちの３つに重なるように形成されているが、いくつの段部２６に重なるように形成するかは、パッケージ２内の温度の制御性が良好なものとなるように任意に決めることができる。つまり、放熱用パターン４５に重なる段部２６の数としては３つに限られない。

上記の例では、発熱体はＩＣチップ３に組み込まれているが、そのように組み込まれておらず、単独の回路部品であってもよい。また、発振回路等の回路部品についても集積化せずに、個別の回路部品としてもよい。また、基板１１を支持する基板支持用段部２６については上記のように基板１１の周縁部の一部である角部を支持する構成とすることには限られず、基板１１の周縁部全体を支持するように構成してもよい。ただし基板１１からパッケージ２への発熱体の熱の移動を防ぐために、角部のみを支持することが好ましい。

また、パッケージ２について溶接された構造であるものとして述べたが、そのように溶接により製造することには限られず、例えばろう材や接着材によりリッド２２とベース２１との接合を行ってもよい。従って、シールリング２３も必須ではなく、リッド２２も金属であることには限られない。また、発明が解決しようとする課題の項目で述べたようにベース２１がセラミックス製である場合に本発明の技術が有効であるが、本発明によればベース２１の材質にかかわらずパッケージ２の外側への熱の放出を抑制することができるので、ベース２１はセラミックスによって構成されることには限られず、例えば樹脂などの材料を用いて構成されていてもよい。

このように今回開示された実施形態については、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更または組み合わせが行われてもよい。

（評価試験）
本発明に関連して行われた評価試験について説明する。シミュレーションにより、ＯＣＸＯ１の周囲環境温度を変化させたときにおけるＩＣチップ３の温度、水晶振動子４の温度を夫々測定した。ＩＣチップ３の温度は、より詳しくはＩＣチップ３に組み込まれたサーミスタによる検出温度であり、水晶振動子４の温度はより詳しくは、水晶振動子４の近傍に設置されるサーミスタによる検出温度である。図７はこの評価試験の結果を示すグラフである。グラフに示すように周期環境温度が－４０℃～＋８５℃に変化するにあたり、ＩＣチップ３の温度変化は２℃程度、水晶振動子４の温度変化は５℃程度に抑えられている。従って、既述したようにパッケージ２内の温度を安定化させることができるという、ＯＣＸＯ１について既述した効果が得られることが確認された。

なお、基板１１に放熱用パターン４５が設けられないことを除いてはＯＣＸＯ１と同様に構成したＯＣＸＯを用いて、ＯＣＸＯ１について行ったシミュレーションと同様のシミュレーションを行った。その結果、ＯＣＸＯ１の方がＩＣチップ３及び水晶振動子４についての温度変化が抑えられることが確認された。つまり放熱用パターン４５を設けることで、パッケージ２内の温度の制御性が高くなることが確認された。

１ＯＣＸＯ
２パッケージ
２６段部
２９端子
３ＩＣチップ
３２Ａ、３２Ｂ端子
３３ボンディングワイヤ
４水晶振動子

Claims

内部に水晶振動子を格納するパッケージを備える水晶発振器において、
一面側に前記水晶振動子が設けられ、他面側に当該水晶振動子を発振させるための発振回路を含む回路部品及び前記パッケージ内の温度を調整する発熱体が設けられた基板と、
前記水晶振動子、前記回路部品及び前記発熱体が前記パッケージの壁部から離間するように、前記基板における端部のみを一面側から支持するために当該パッケージの内壁に形成される段部と、
前記発熱体に設けられる端子と前記パッケージの内部に設けられる端子とを前記基板を介さずに接続するワイヤと、
を備えることを特徴とする水晶発振器。
前記基板の一面側には、前記回路部品の熱を前記パッケージの壁部を介して当該パッケージの外部へ放散させるための放熱用の金属膜が設けられることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
前記水晶振動子は水晶片を収容すると共に前記パッケージ内に設けられる水晶振動子用のパッケージを備え、
前記放熱用の金属膜は、当該水晶振動子用のパッケージに設けられる端子に接続されることを特徴とする請求項２記載の水晶発振器。
前記放熱用の金属膜は、前記段部における前記基板を支持する支持面に重なって設けられることを特徴とする請求項２または３記載の水晶発振器。
前記段部には、当該段部の前記基板を支持する支持面と前記パッケージの外側の表面とを接続する導電路が形成されていないことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一つに記載の水晶発振器。