(57)【要約】【課題】発振余裕度αのチェックが必要な時に，外部からの制御信号で，発振余裕度αのチェックを可能とする水晶発振器を提供する。【解決手段】圧電現象を有する水晶素板の両面にＡｇ膜層またはＡｕ膜層を蒸着して励振電極および引出電極を設けた水晶振動子と、発振段用およびバッファ段用ＣＭＯＳインバータ、コンデンサ、抵抗を有するベアＩＣチップからなる水晶発振器において、ベアＩＣチップの発振回路に、水晶振動子と直列に発振余裕度αを可変できるチェック抵抗と当該チェック抵抗の接続を外部からの制御信号で切り替えられるスイッチ回路を設けて一体化する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電現象を有する水晶素板の両面にＡｇ膜層またはＡｕ膜層を蒸着して励振電極および引出電極を設けた水晶振動子と、発振段用およびバッファ段用ＣＭＯＳインバータ、コンデンサ、抵抗を有するベアＩＣチップからなる水晶発振器において、ベアＩＣチップの発振回路に、水晶振動子と直列に発振余裕度αを可変できるチェック抵抗と当該チェック抵抗の接続を外部からの制御信号で切り替えられるスイッチ回路を設けて一体化したことを特徴とする表面実装型水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面実装型水晶発振器に関し、特に不良解析や製品検査時等、発振余裕度αをチェックしたいときに、外部からの制御信号によって回路を切り替え，発振余裕度αを容易にチェックすることができる表面実装型水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面実装型水晶発振器は安定して高精度あるいは高周波数を得ることが出来ることから携帯電話等の移動体通信機器やデジタルカメラ等の家電機器、ルータおよびサーバ等の産業機器においてクロック周波数源として使用している。近年、このような表面実装型水晶発振器は，セラミックパッケージを用いた表面実装型水晶発振器が主流となりつつある。また，前記機器に使用するプリント基板は小型化および高密度実装化が進んでおり、プリント基板に搭載するセラミックパッケージの小型化の要求も強くなっている。このような要求に対応するためには、セラミックパッケージの小型化のみならず、セラミックパッケージの内部に収納している水晶振動子や発振回路であるベアＩＣチップ等の小型化も重要な課題となってきている。
水晶振動子が小型になると，一般的に水晶振動子の電気的な損失であるクリスタルインピーダンスは大きくなる傾向を示し，クリスタルインピーダンスが大きいと，安定した発振を得ることが困難になる。
水晶振動子のクリスタルインピーダンスは，ベアＩＣチップに含まれる発振回路の負性抵抗に比べて充分小さく無ければならず，安定した発振を得るためには，発振余裕度α（クリスタルインピーダンス÷発振回路の負性抵抗の絶対値）は4倍以上が必要である。
水晶発振器で不発振等の問題が発生した場合や，検査時にこの発振余裕度αをチェックすることで，水晶振動子の問題有無を確認する事ができる。
【０００３】
従来の表面実装型水晶発振器の構成について図３で説明する。セラミックパッケージ1は凹型のセラミック素体とセラミック素体の開口面12に沿って形成される金属層14からなる。金属層14はタングステン等のメタライズ層と、このメタライズ層上にＮｉメッキ層、Ａｕメッキ層の順に形成している。ベアＩＣチップ11はセラミックパッケージ1の凹陥部3の底面にＡｇ系導電性接着剤でダイボンディングする。水晶振動子2は水晶素板を矩形に成形し、この水晶素板の表裏面に一対の励振電極と引出電極からなる水晶電極6を形成している。水晶振動子2の短辺方向の一端に引き出された水晶電極6とセラミックパッケージの段差上の接続パットとを片持ち支持構造で搭載接続する。セラミックパッケージ1には内層パターンが形成されており、セラミックパッケージ1に収納している水晶振動子2とベアＩＣチップ11はＡｕボンディングワイヤー9あるいはＡｇ系導電性接着剤7で内層パターン5と接続する。ベアＩＣチップ11の電源端子、ＧＮＤ端子、制御（イネーブル／ディスエブル）端子、出力端子は内層パターン5を介してセラミックパッケージの裏面や側面に形成している外部電極8と電気的に接続する。また、セラミックパッケージ1の開口面の金属層14に沿って銀ろう材のシームリング16を形成している。そして、不活性ガス雰囲気でコバルを母材とした金属蓋4を搭載し、シーム溶接や電子ビーム溶接等の局部加熱法によって加熱し、接合することでセラミックパケージ1の内部に窒素を充填する。または真空中で気密封止する事により，水晶発振器内部の酸素を除去する。これにより，水晶振動子電極6の酸化を防止することが出来るため，周波数偏差等の電気的特性の径時変化を小さくする事が出来る。シームリング16は局部加熱するため、水晶振動子2やベアＩＣチップ11に直接、熱が加えられないので特性劣化を小さく抑えることが出来る
次に従来の表面実装型発振器に使用する水晶振動子の構成を図４に示す。矩形に成形された水晶素板2ａの表裏面に蒸着する電極は水晶素板2ａ上に励振電極6ａおよび引出電極6ｂをＡｇ膜層またはＡｕ膜層をスパッタリングあるいは真空蒸着によって形成する。水晶素板2ａと励振電極6ａおよび引出電極6ｂの厚さの関係は１：０．００１〜０．００００１程度（４０ＭＨｚの場合）である。発振周波数は水晶素板2ａの厚さで決定する。発振周波数と水晶素板2ａの厚みは反比例の関係（ｔ＝１６７０／Ｆ）にあるため、水晶素板2ａが薄くなるほど高い周波数が得られる。水晶素板2ａの厚さは研磨加工で要求発振周波数になるまで薄くする。しかし、研磨の振動強度等の点から基本波発振で約４０ＭＨｚ（約４１．７５μｍ）が限界である。２０ＭＨｚ以上の発振周波数は３次オーバートーン発振を用いて約１２０ＭＨｚまで得ることが出来る。最近では図５に示すように水晶素板2ａの中央部分に凹陥部21を設けることにより、凹陥部21の縁が研磨による振動を吸収して、水晶素板2ａを薄くすることが可能になり、基本波発振で３００ＭＨｚ以上を得ることが出来る。
【０００４】
発振周波数の微調整方法として、励振電極6ａに電極素材と同一材質であるＡｇまたはＡｕを噴霧する方法とアルゴンや窒素などの不活性ガスをイオン化して照射する方法がある。前者は噴霧後，発振周波数が低くなるので水晶素板2ａはターゲットの厚さより薄く研磨し、励振電極6ａを蒸着しても発振周波数より高くなるように設定しておく。励振電極6ａの表面にＡｇまたはＡｕを噴霧することで電極の質量が増加し、質量負荷効果により周波数が低くなる。これにより発振周波数を調整する。後者はイオン照射後，発振周波数が高くなるので水晶素板2ａはターゲットの厚さより厚く研磨し、励振電極6ａを蒸着しても発振周波数より低くなるように設定しておく。励振電極6ａの表面にアルゴンまたは窒素等のイオン化したガスを照射することで励振電極6ａの表面材質を吹き飛ばして質量を減少させ，質量負荷効果を利用して周波数を高くし，発振周波数を調整する。現在では前者による周波数調整法が一般的であるが、後者の周波数調整法も採用されつつある。
【０００５】
次に、水晶発振器の動作原理について図６で説明する。現在、発振回路としてはＣＭＯＳインバータを使用した回路が広く用いられている。発振回路中の点線で囲まれた部分が周波数選定回路に相当する。水晶振動子と水晶振動子の両端に接続した入力容量コンデンサＣＬ１、出力容量コンデンサＣＬ２を用いたコルピッツ発振回路が周波数選定回路である。水晶振動子の等価回路は図７に示すようにＬ、Ｃ、Ｒを組み合わせた直並列回路で表わせる。水晶振動子のインピーダンスは直列共振周波数と並列共振周波数の２つの共振点を持つ。２つの共振周波数間は非常に狭く、誘導性の動作をして、発振周波数を決定する要因になる。周波数選定回路はπ型ＬＣフィルターで位相反転を行なうため、帰還抵抗Ｒｆは本来不要であるが、増幅器である発振段用ＣＭＯＳインバータにバイアスを与えるために、発振段用ＣＭＯＳインバータと並列に帰還抵抗Ｒｆを接続する。帰還抵抗Ｒｆは交流的な影響を与えにくいように，通常１ＭΩ程度の高抵抗値を選定する。発振用ＣＭＯＳインバータはスプリアス周波数で発振しやすいのでループ利得を低下させるためにダンピング抵抗Ｒｄを接続する、バッファ段用ＣＭＯＳインバータの入力は発振段用ＣＭＯＳインバータの出力と接続する。
【０００６】
水晶振動子と発振回路の関係について図９で説明する。発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜と水晶振動子の実効抵抗：Ｒｅ（Ｒｅ＝ＣＩ（１＋Ｃｏ÷ＣＬ）２  ・・・(式１)  《Ｃｏ：水晶振動子の並列抵抗、ＣＬ：負荷容量＝ＣＬ1×ＣＬ２÷（ＣＬ１＋ＣＬ２）》  ）との関係は｜Ｒｉ｜≧Ｒｅでなければならない。つまり、水晶振動子の実効抵抗：Ｒｅが発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜より小さい、もしくは等しい場合には発振を継続するが、｜Ｒｉ｜＜Ｒｅ、つまり、水晶振動子の実効抵抗：Ｒｅが発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜より大きい場合には発振を停止する。もしくは発振を開始しないことになる。安定して発振を継続させるには水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩを小さくすることが重要である。クリスタルインピーダンスＣＩは電気的な損失を示すものであり、機械的に考えると水晶振動子の振動エネルギーと考えることができる。この振動エネルギーは小さいければ小さいほど、発振の余裕度が大きく安定した発振が得られる。安定な発振を確保する条件として、発振余裕度αは４〜１０倍必要である。発振余裕度αを次式に示す。
α≧｜Ｒｉ｜÷Ｒｅ  ・・・(式２)
発振余裕度αが２倍以下なら、水晶発振器は不発振現象となる。発振余裕度αが３倍程度なら、小ロットでは不発振の問題は起きないが、量産時にロットのバラツキにより、あるロットで不発振が起きる可能性がある。もしくは、発振しても発振の立ち上がり時間が長くなる危険性があり、この場合、再現性のない不発振となる。逆に発振余裕度αが２０倍以上では異常周波数で発振する。
【０００７】
次にクリスタルインピーダンス：ＣＩと水晶素板の厚み：ｔ、水晶素板の面積：Ａｑおよび励振電極の面積：Ａｅの関係を次式に示す。
ＣＩ＝Ｋ×ｔ×Ａｑ÷Ａｅ２  Ｋ：定数  ・・・(式３)
式より、水晶素板が厚い(周波数が低い)ほど、クリスタルインピーダンス：ＣＩは大きく、励振電極の面積が小さいほどクリスタルインピーダンス：ＣＩは大きくなる。このため，水晶発振器の小型化による引出電極の狭小化に伴い、クリスタルインピーダンス：ＣＩは大きくなる傾向にある。
【０００８】
近年、表面実装型水晶発振器の小型化が進んでおり，それに伴って，セラミックパッケージ内に収納する水晶振動子も小型になるため、クリスタルインピーダンス：ＣＩは大きくなる傾向にある。また、励振電極が小型化になることで、励振電極上の異物に対する感度が高まるため、今まで問題にならなかった１μｍ以下の異物が励振電極に付着することでも水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩは大きく変動し、発振余裕度αが減少する懸念がある。 
このため，水晶振動子が不発振に至った際には原因究明の手段として，また，通常使用時には発振の安定度を品質評価する方法として発振余裕度をチェックする事が有効である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２１４７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
表面実装型水晶発振器において回路の発振余裕度をチェックする方法は２通りある。一方は水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩと発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜を個々に単体測定して式２に代入し，発振余裕度αが４倍以上あるかチェックする方法である。もう一方は水晶発振器の外に，水晶振動子と直列にチェック抵抗：Ｒｃを挿入して、擬似的に水晶振動子のクリスタルインピーダンスを増加させ，発振余裕度αが１未満、つまり、不発振になるチェック抵抗Ｒｃを求めることで発振余裕度α[（Ｒｅ＋Ｒｃ）÷Ｒｅ  ・・・(式４)]が４倍以上あるかチェックする。現在では前者による発振余裕度αの測定法が一般的である。
【００１１】
前者の測定方法について説明する。特開２００４−２１４７９９号に開示しているようにセラミックパッケージ内の電極パッドとセラミックパッケージの短辺の外側に並列して形成している水晶振動子測定電極を設けておき，直接外部から水晶振動子測定電極にコンタクトプローブを接触することで、水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩを測定することができる。予め水晶振動子測定電極を設ける事で金属蓋でシーム封止している状態でも、クリスタルインピーダンス：ＣＩを測定可能である。クリスタルインピーダンス：ＣＩは基本波発振４０ＭＨｚでは２５Ω程度である。発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜は水晶振動子を取り外した状態で、水晶振動子が搭載していたセラミックパッケージの段差上の接続パットにコンタクトプローブを接触することで発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜を測定する。基本波発振４０ＭＨｚでは−１００〜−２００Ωである。測定した水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩと発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜を数式２に代入して発振余裕度αをチェックする。金属蓋でシーム封止している状態では、水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩが並列接続しているので依存度が大きく、発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜が正確に測定することができない。このため，この方法でシーム封止後の製品を破壊せずに正確に発振余裕度を測定する事は不可能であった。
【００１２】
次に後者の測定方法について説明する。前者と同様にセラミックパッケージの外部に設けている水晶振動子と並列に接続された電極から水晶振動子のクリスタルインピーダンス：ＣＩを測定する。次にシーム封止を剥離し，水晶振動子とベアＩＣチップの間、水晶振動子と直列になるようにチェック抵抗：Ｒｃを挿入して、発振余裕度αが１未満、つまり、不発振を起こるまでチェック抵抗：Ｒｃを増加させる。このとき，不発振に至った時点の（Ｒｃ+ＣＩ）÷ＣＩの値が，求める発振余裕度αである。Ｒｃを予めＣＩ値の３倍程度に設定し，このＲｃを追加しても発振するのであれば，その水晶発振器は充分な発振余裕が有ると考えられる。
【００１３】
この方法でも水晶振動子に直列にチェック抵抗を挿入するため，シーム封じを剥離して内部回路の切断/チェック抵抗の接続を行わなければならないため，シーム封止後の製品を破壊せずに発振余裕度を測定する事は不可能である。
【００１４】
本発明の目的は，コンデンサ、抵抗を有する発振段およびバッファ段用ＣＭＯＳインバータに，発振段用ＣＭＯＳインバータの負性抵抗：｜Ｒｉ｜を可変できるようにチェック抵抗と，通常使用時回路から，そのチェック抵抗が接続されたチェック回路に接続を切り替えるＣＭＯＳスイッチ回路を設けて一体化することにより、発振余裕度αのチェックが必要な時に，シーム封止後の製品を破壊せずに，外部からの制御信号で発振余裕度αを容易にチェックすることができる表面実装型水晶発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明において上記目的は，水晶振動子と発振回路の間にスイッチ回路を設け，発振余裕度をチェックしたいときに外部からの制御信号で水晶振動子がチェック抵抗を介して発振回路に接続されるように切り替えることで達成される。
このスイッチ回路およびチェック抵抗はベアＩＣに内蔵しており，チェック抵抗は目標とする発振安定度により，クリスタルインピーダンスの３〜５倍程度に設定する。
通常使用時は水晶振動子と発振回路は直結して使用し，発振余裕度をチェックしたい時には，外部からの制御信号によって水晶振動子と発振回路の間にチェック抵抗を接続し，水晶振動子の実効抵抗を擬似的に４〜６倍に増加させる。この状態で出力波形を調べ，正常に発振していれば発振余裕度は４〜６倍以上の充分な値である事が確認できる。
【００１６】
以上により，本発明では，発振余裕度のチェック時に，水晶振動子と直列に発振余裕度チェック用抵抗を外部制御信号で接続できるため，水晶発振器の封じを剥がさずに発振余裕度を簡単にチェックする事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下，本発明の具体的な一実施例を図1，図2で説明する。
【００１８】
図1は本発明の一実施例を示す断面図である。セラミックパッケージ1内の段差部分10に水晶振動子2の励振電極面を導電性接着剤7を用いて片持ち支持構造で接続する。セラミックパッケージ1の凹陥部3にベアＩＣチップ11をダイボンディングする。ベアＩＣチップ11は発振余裕度αをチェックするためのチェック抵抗とそのチェック抵抗が水晶振動子と直列に接続されるよう切り替えるＭＯＳスイッチを内蔵している。ＭＯＳスイッチは制御用外部電極8ａから制御信号で切り替える。水晶振動子2とベアＩＣチップ11はワイヤボンディング9と内層パターン5で接続されている。セラミックパッケージ1の開口面12に沿って金属層14およびその金属層上にシームリング16を形成して、窒素等の不活性ガス雰囲気中で金属蓋をシーム溶接等の局部加熱法によって気密封止する。
【００１９】
図2は本発明の一実施例におけるチェック機能付きベアICチップの回路図例である。図2において，水晶振動子Ｘと発振回路の間，水晶振動子Ｘと直列のＳＷ部分に、発振余裕度αをチェックするために水晶振動子Ｘのクリスタルインピーダンス（基本発振４０Ｈｚの場合２５Ω程度）の３倍に相当するチェック抵抗Ｒｃと，チェック抵抗Ｒｃとの接続を切り替えるＭＯＳスイッチ回路を設けてベアＩＣチップ11に一体化しておく。検査時や不発振等の問題発生時，水晶振動子Ｘの発振余裕度をチェックしたい場合に，制御端子8aから制御信号を入力してＭＯＳスイッチにより，水晶振動子Ｘの出力がチェック抵抗Ｒｃを介して接続されるよう切り替える。これにより，水晶振動子Ｘの実効抵抗Ｒｅはチェック抵抗Ｒｃ分だけ増加する。この状態で水晶発振器の出力波形を観察し，正常発振していればその水晶発振器の発振余裕度は4倍以上であり，充分な発振余裕度であることが確認できる。もし，出力波形観察の結果，正常に発振していなければ，水晶振動子電極への異物付着等，何らかの原因により発振余裕度が4倍以下になっている事を意味し，不具合発生の確率が高いことをチェックできる。これにより，気密封じ後の水晶発振器でも製品を破壊する事無く，発振余裕度を簡単にチェックをすることができる表面実装型水晶発振器を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の発振余裕度チェック機能付き表面実装型水晶発振器を説明する断面図である。
【図２】本発明の発振余裕度チェック機能付き表面実装型水晶発振器を説明する発振回路図である。
【図３】従来の表面実装型水晶発振器を説明する断面図である。
【図４】従来の表面実装型水晶発振器を説明する図で、水晶素板の断面図および断面図である。
【図５】従来の表面実装型水晶発振器を説明する図で、高周波用水晶素板の断面図および断面図である。
【図６】従来の水晶発振器を説明する基本発振回路図である。
【図７】水晶振動子の等価回路を説明する図である。
【図８】水晶振動子と発振回路との関係を実効的な直列等価定数で説明する図である。
【図９】水晶振動子の面積と励振電極との関係を説明する図である。
【符号の説明】
【００２１】
１・・セラミックパッケージ
２・・水晶振動子
２ａ・・水晶素板
３・・セラミックパッケージの凹陥部
４・・金属蓋
５・・内層パターン
６・・水晶電極
６ａ・・励振電極
６ｂ・・引出電極
７・・導電性接着剤
８・・外部電極
８ａ・・ＭＯＳスイッチの制御(切替)用外部電極
９・・ボンディングワイヤー
１０・・セラミックパッケージの段差部
１１・・ベアＩＣチップ
１２・・セラミックパッケージの開口面
１３・・接続パット
１４・・金属層
１５・・酸化防止用窒素
１６・・シームリング
１７・・水晶素板の励振電極（ＡｕまたはＡｇ）
１８・・水晶素板の励振電極（ＣｒまたはＮｉ）
１９・・水晶素板の切断線
２０・・水晶素板の縁
２１・・水晶素板の凹陥部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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