(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に段差部を有するキャビティー部が形成された容器体内に、発振回路を構成する短冊状水晶振動子、ＩＣチップ、ＩＣチップの電源ラインに接続されるチップコンデンサを収容して成り、前記短冊状水晶振動子の一方端部が、前記段差部上に接合され、他方端部が前記チップコンデンサ上に位置するとともに、前記ＩＣチップが前記キャビティー部底面で前記短冊状水晶振動子と重なる位置に配されていることを特徴とする水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器、通信機器などに多用されるＩＣ素子の基本クロック信号を供給する水晶発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶発振器は、移動体通信機器等に送受信を制御する基準周波数（基準クロック信号）を発生させる非常に重要な部品である。このような移動体通信機器等に用いられる水晶発振器は、移動体通信機器の小型化に伴い、容積を非常に小型化しなくてはならない。
【０００３】
水晶発振回路は、水晶振動子、インバーター、帰還抵抗、入出力コンデンサとからなるコルピッツ発振回路を構成し、そして、インバーター、帰還抵抗、入出力コンデンサを、ＣＭＯＳ−ＩＣ技術により１チップ化（ＩＣチップ）を行い、水晶発振器としては、例えばセラミックなどの容器内に、短冊状水晶振動子とＩＣチップとを収容して構成していた。
【０００４】
例えば、図７は従来の水晶発振器の断面図である。具体的には、所定形状のセラミック絶縁層を積層して成るセラミック容器６１のキャビティー部６４内に、短冊状水晶振動子６２、ＩＣチップ６３を収容し、キャビティー部６４を金属蓋体６５によってシーム溶接などにより気密封止していた。
【０００５】
セラミック容器６１は、例えば４層の絶縁層が積層されて構成され、底面側から２層目及び３層目の絶縁層６１ｂ、６１ｃは、キャビティー部６４の内部の対向する側面に、一対の素子載置段差部（単に段差部）６６ａ、６６ｂ及びＩＣ接続段部６７ａ、６７ｂが形成されるように形状となっている。そして、キャビティー部６４の底面は、ＩＣチップダイアタッチ用導体膜６８ａが、底面側から２層の絶縁層６１ｂの端部上面（ＩＣ接続段部６７ａ、６７ｂとなる部位）にはＩＣチップ６３と電気的に接続用電極パッド６８ｂが、底面側から３層の絶縁層６１ｃの端部上面（素子載置段差部６６ａ、６６ｂとなる一方の素子載置段差部６６ａ）には水晶振動子６２と電気的に接続用電極パッド６８ｃが夫々形成され、最上層の絶縁相層上に金属蓋体を封止するためのシームリング６９を接合する導体膜６８ｄが形成されている。
【０００６】
そして、容器６１の外装面には、Ｖｃｃ端子、ＧＮＤ端子、出力端子などの端子電極（図示せず）が形成されている。また、各絶縁層６１ａ〜６１ｄ間には、各端子電極と各接続用パッド等と接続するための内部配線６８ｅが形成されている。
【０００７】
このような容器６１に収容されるＩＣチップ６３は、ダイアタッチ用導体膜６８ａに接合されて、接続用電極パッド６８ｂとの間にワイヤボンディングＷが施されて接続されている。
【０００８】
また、短冊状水晶振動子６２は、一対の素子載置部６６ａ、６６ｂに保持され、一方の素子載置部６６ａに形成された接続用電極パッド６８ｃに導電性ペーストの硬化によって接続されている。
【０００９】
上述の構造の水晶発振器では、セラミック製容器６１内に、水晶振動子６２とＩＣチップ６３とを収容した非常に小型化された水晶発振器となる。
【００１０】
このような水晶発振器を電子機器や通信機器などのプリント配線基板に実装した場合、電子機器や通信機器内の内部で発生する電磁波ノイズや外来の電磁波ノイズによって、水晶発振器が安定した動作を行なわなくなることがある。この水晶発振器に対する電磁波ノイズの影響は、プリント配線基板上の電源回路から水晶発振器に供給する電源ラインに影響しやすい。
【００１１】
この水晶発振器は、図８に示す等価回路図の点線Ｙ内の各素子を収容している。そして、上述の電源ラインに影響しやすい電磁波ノイズはＶｃｃラインとから水晶発振器のＶｃｃ端子との間に配置したバイパスコンデンサＣ0 により排除しようとしていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電源回路の電源ラインから水晶発振器に至る間にバイパスコンデンサを配置したとしても、ＩＣチップ６３のＶｃｃ電極に供給されたＶｃｃ（電源ラインの電位）は、例えば図９に示すように、直流電位中に２９ｍＶの振幅で変動してしまうことがある。尚、測定では、Ｖｃｃを３．３Ｖ、温度２５℃、発振周波数１４．３１８１８ＭＨｚの水晶発振器を用いている。
【００１３】
これは、バイパスコンデンサＣ0 から水晶発振器のＩＣチップ６３のＶｃｃ電極までの間に、高周波ノイズが影響し、インダクタンス成分の変動によりインピーダンスが変動することによって発生するものと思われる。
【００１４】
このようにＩＣチップ６３の電源電圧（Ｖｃｃ）が変動してしまうと、その結果、安定したＩＣの増幅動作できず、安定した発振ができなくなってしまう。
【００１５】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、発振器の大型化を招くことなく、また、ＩＣチップのＶｃｃ電極に供給された電源電位の変動を有効に抑えることができる水晶発振器を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に段差部を有するキャビティー部が形成された容器体内に、発振回路を構成する短冊状水晶振動子、ＩＣチップ、ＩＣチップの電源ラインに接続されるチップコンデンサを収容して成り、前記短冊状水晶振動子の一方端部が、前記段差部上に接合され、他方端部が前記チップコンデンサ上に位置するとともに、前記ＩＣチップが前記キャビティー部底面で前記短冊状水晶振動子と重なる位置に配されていることを特徴とする水晶発振器である。
【００１７】
【作用】
本発明では、キャビティー部が形成された容器体内に、電源ラインの電磁波ノイズを除去するバイパスコンデンサとして動作するチップコンデンサを水晶振動子、ＩＣチップとともに収容している。即ち、バイパスコンデサをＩＣチップのＶｃｃ電極に極力近接して配置できる。このため、ＩＣチップのＶｃｃ電極とバイパスコンデンサとの間に影響する電磁波ノイズの影響を極めて小さくすることができ、安定した電源電位をＩＣチップに供給することができる。
【００１８】
また、このバイパスコンデンサとなるチップコンデンサは、容器内において、短冊状水晶振動子の他方端部の素子載置部の代替となっている。これにより、水晶振動子の一方端部を段差部に接合する際に安定的に接合が可能となる。そして、実質的に水晶振動子の他方端部を支えるチップコンデンサを容器内に収容したとしても、水晶発振器全体として大型化することが一切なく、水晶発振器の小型化を維持できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の水晶発振器を図面に基づいて詳説する。
【００２０】
図１は本発明の水晶発振器の外観斜視図であり、図２は断面図であり、図３はは金属蓋体省略した状態の平面図である。
【００２１】
水晶発振器は、上面に凹部状キャビティー部１１が形成された概略直方体状のセラミックパッケージ（以下、容器体という）１、短冊状水晶振動子２、ＩＣチップ３及びチップコンデンサ４及び金属製蓋体５とから主に構成されている。
【００２２】
容器体１は、例えば略矩形状のセラミック絶縁層１ａ、中央部に開口を有する概略枠状セラミック絶縁層１ｂ、１ｃ、１ｄが順次積層されて構成され、これにより、容器体１のキャビティー部１１が構成されている。そして、セラミック絶縁層１ａの底面にＩＣチップ３のダイアタッチ導体膜３０及びコンデンサ４を接合する電極パッド４０が形成されている。また、セラミック絶縁層１ｂの一部にはＩＣ接続段部１２が形成され、その上面にＩＣ接続電極３１が形成されている。また、セラミック絶縁層１ｃの一部で素子載置段差部（単に段差部という）１３が形成され、その上面に素子接続電極２０が形成されている。また、セラミック絶縁層１ｄの上面には、金属蓋体５と接続するための封止用導体膜５０が形成されている。
【００２３】
また、容器体１の外側面及び底面には、Ｖｃｃ、ＧＮＤ、出力及び発振制御用の各端子電極１４〜１６（図１では、そのうちの２つの端子電極１４、１６のみが現れる）が形成されている。そして、セラミック絶縁層１ａ〜１ｄの間には、各電極２０、３０、３１、４０と端子電極１４〜１６とを接続して、発振回路の配線を形成する内部配線導体１７が形成されている。
【００２４】
そして、ＩＣチップ３はキャビティー部１１内のダイアタッチ導体膜３０に接合され、ＩＣチップ３の各電極と接続段部１２の各電極３１とがボンディングワイヤＷによって接続されている。
【００２５】
チップコンデンサ４は電極パッド４０に導電性ペースト（硬化して導電性接着部材４１）を介して接続・配置されている。
【００２６】
短冊状水晶振動子２は、図３に示すように、例えばＡＴカットされた水晶板２１の両主面に振動電極２２、２３が形成され、各振動電極２２、２３から水晶板２１の一端部に延出する引出電極部２２ａ、２３ａが形成されている。このような水晶振動子２は、キャビティー部１１内の段差部１３とコンデンサ４との間に架設されるように配置され、段差部１３の接続電極２０と水晶振動子２の引出電極２２ａ、２３ａとが各々電気的に接続するように導電性ペースト（硬化して導電性接着部材２４）の硬化によって接合されている。即ち、短冊状水晶振動子２の一端部側は、段差部１３に載置され、他端部側はチップコンデンサ４に配置される。尚、最終的に導電性ペーストを硬化して成る導電性接着部材によって、接合された水晶振動子２は、一端部側は導電性接着部材によって固定され、他端側は自由端となっている。そして、この水晶振動子２の他端部である自由端は、導電性ペースト２４の硬化時の収縮応力によって、チップコンデンサ４の上面から若干浮き上がっている。
【００２７】
このような容器体１には、水晶振動子２、ＩＣチップ３及びチップコンデンサ４が収容され、その上面の開口には、金属蓋体５が被覆されている。
【００２８】
具体的には、封止用導体膜５０上に、封止面に銀ろう層が被着された４２アロイやコバールなどの金属蓋体５を載置して、溶接処理してもよいし、また、シームリングを介在しても構わない。尚、図２ではシームリングを省略している。
【００２９】
このような構成の水晶発振器では、従来の水晶発振器に比較して収容素子数がチップコンデンサ４の分だけが増加してしまう。しかし、実際には、水晶振動子２の他端部を載置する素子載置段差部６６ｂの代替となるため、実質的な容器体１の大型化にはつながらない。
【００３０】
上述の構造の水晶発振器においては、チップコンデンサ４は、ＩＣチップ２の電源電圧（Ｖｃｃ）電極とボンディングワイヤＷ、接続電極パッド３１を介して接続された電極パッド４０に接合されている。即ち、チップコンデンサ４は、ＩＣチップ３のＶｃｃ電極に近接して設けられ、水晶発振器のＶｃｃ端子電極とＩＣチップ３のＶｃｃ電極との間に配置されている。
【００３１】
このような構造を等価回路で示すと図４のようになる。尚、図において、点線Ｚ内の素子は、水晶発振器の収容素子である。
【００３２】
以上の等価回路図で示すように、チップコンデンサ４は、ＩＣ、特にインバターに対してバイパスコンデンサＣ0 として作用し、電源ラインにのって存在する電磁波ノイズをＩＣチップ３のＶｃｃ端子電極の近傍で除去している。
【００３３】
このＩＣチップ３のＶｃｃ電極に供給される電源電圧を測定すると、その電源電圧の変化は、例えば図５に示すように、直流電位中に最大１３ｍＶの振幅となり、従来のようにコンデンサを外付けして場合に比較し、変動を１／３に減少できる。尚、測定では、Ｖｃｃを３．３Ｖ、温度２５℃、発振周波数１４．３１８１８ＭＨｚの水晶発振器を用いた。
【００３４】
本発明者は、上述の条件で、チップコンデンサ４の容量を種々変化させて、ＩＣチップ３のＶｃｃ電極に供給される電源電圧の最大変動を測定した。
【００３５】
その結果、図６に示すようにバイパスコンデンサの容量の大容量化によって、電源電圧の最大変動を小さくできるものの、この電源電圧の変動量は約１０００ｐＦで極小となり、さらに大容量化になるに従い変動が大きくなることを知見した。
【００３６】
即ち、電源電圧の変動を有効に抑えるためには、チップコンデンサ４の配置位置とその容量が重要となる。尚、チップコンデンサ４の配置位置は、ＩＣチップのＶｃｃ電極に極力近づけることが重要であり、その容量は、６５０ｐＦ〜１００００ｐＦの範囲で良好となる。即ち、この範囲では、電源電圧の最大変動を従来の２９ｍＶよりも小さくすることができ、例えば、２５ｍＶ以下とすることができる。そして、この範囲を越えると、従来のように比較して優位性、従来の振幅変動量（約２９ｍＶ）を越えてしまう
また、バイパスコンデンサＣ0 を、水晶振動子２の他端部を支持する載置部材として用いるため、特に、水晶振動子２の接合にあたり、水晶振動子２を仮載置する場合に非常に位置合わせが安定することになり、特に、水晶振動子２の引出電極２３ａ、２３ｂと段差部１３、１３の接続電極パッド２０、２０との安定した接続位置決めが達成できる。
【００３７】
また、導電性ペースト（銀とエポキシ樹脂やポリイミド樹脂などの混合物）による水晶振動子２の引出電極２３ａ、２３ｂと段差部１３、１３の接続電極パッド２０、２０との接合により、導電性ペースト２４、２４の硬化による収縮応力が働き、水晶振動子２の他端部が若干浮き上がる。そしてこの浮き上がりの結果発生する水晶振動子２の下面とチップコンデンサ４の上面との間隙を２０〜１００μｍとするように制御することが重量である。
【００３８】
尚、この制御は、チップコンデンサ４の厚みによって、または、チップコンデンサ４を載置する面に所定厚みの段差部、所定深さの凹部を形成することにより制御できることになる。例えば、間隙を発生させないようにするには、チップコンデンサ４上に水晶振動子２の他端部を仮載置した時、水晶振動子２の他端部から一端部に向かって傾斜が下がるように、チップコンデンサ４の高さを制御すればよい。
【００３９】
また、水晶振動子２の他端部での間隙を大きくしようとする場合、チップコンデンサ４の高さを制御して、仮保持した状態の水晶振動子２の一端部から他端部に向かって傾斜が下がるようにする。このようにすれば、導電性ペースト２３の収縮応力により、水晶振動子２の他端部を持ち上げた時、大きな間隔が得られる。
【００４０】
そこで、この間隔は、上述のように２０〜１００μｍとすることが重要である。仮に、２０μｍ未満では、チップコンデンサ４の端子電極の厚みなどにより、水晶振動子２の他端部とチップコンデンサ４とが接触しやすくなり、水晶振動子２の安定した振動を阻害することになる。
【００４１】
また、１００μｍを越える、容器体１に外部衝撃が加わった場合、水晶振動子２の他端部の振幅許容間隔が大きくなり、チップコンデンサ４との衝突によって、水晶振動子２が破損し易くなる。
【００４２】
以上のことから、水晶振動子２の他端部とチップコンデンサ４との間に間隔を上述の範囲に設定することが重要となる。
【００４３】
尚、上述の実施例では、ＩＣチップ３はワイヤボンディングによって接合する形態のＩＣチップであるが、例えば、フェースボンデンィグなどのＩＣであっても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、容器体内に、水晶振動子、ＩＣチップ、ＩＣチップのＶｃｃ電極に接続されるチップコンデンサが収容されているものの、このＩＣチップを水晶振動子の下部に配置し、チップコンデンサが水晶振動子の他方端部を保持するように位置している。従って、チップコンデンサが水晶振動子を載置する段差部の一部の代替となるため、容器の外観形状を変えずに維持できる。
【００４５】
また、チップコンデンサがＩＣチップのＶｃｃ電極に近接して接続されるバイパスコンデンサとして動作するため、電源ラインにのる高周波ノイズの影響を非常に有効に抑え、直流電源の変動を抑えることができるため、ＩＣチップの動作が安定化し、これより、発振動作が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明は水晶発振器の外観斜視図である。
【図２】本発明は水晶発振器の断面図である。
【図３】本発明は水晶発振器の蓋体省略した状態の上面図である。
【図４】本発明は水晶発振器の等価回路図である。
【図５】本発明の電源電圧の変動を示す特性図である。
【図６】本発明の容量−電源電圧の変動を示す特性図である。
【図７】従来の水晶発振器の断面図である。
【図８】従来の水晶発振器の等価回路図である。
【図９】従来の電源電圧の変動を示す特性図である。
【符号の説明】
１・・容器体
２・・水晶振動子
３・・ＩＣチップ
４・・チップコンデンサ
５・・・金属製蓋体
【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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