КОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННОГО КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в качестве высокостабильных источников опорных колебаний генераторов опорных частот, тактовых генераторов в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в РЛС, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и т.д.
Известны различные конструкции термокомпенсированных кварцевых генераторов, содержащие корпус с размещенным внутри на верхней поверхности кварцевым пьезоэлектрическим элементом и интегральную микросхему, установленную в нижней части корпуса (например, патент US 7242258 (B2), дата публикации 10.07.2007 г.; патент US 7471162 (B2), дата публикации 30.12.2008 г.; заявка US 2005225406 (A1), дата публикации 13.10.2005 г.; патент JP 4113465 (B2), дата публикации 09.07.2008 г.).
К недостаткам известных термокомпенсированных кварцевых генераторов можно отнести недостаточно прочную фиксацию пьезоэлектрического элемента в корпусе и невысокую стабильность частоты в интервалах рабочих температур.
Наиболее близким техническим решением является термокомпенсированный кварцевый генератор, содержащий корпус, образованный прямоугольной подложкой и рамкой, расположенной на верхней поверхности подложки, монтажный каркас, содержащий контактные площадки, расположенные вдоль наружного периферического края верхней и нижней поверхностей каркаса, кварцевый элемент, размещенный на двух контактных площадках, расположенных на верхней поверхности подложки корпуса вдоль одной из его коротких сторон с зазором между собой внутри области, окруженной рамкой, интегральную микросхему, расположенную на контактной площадке, установленной на нижней поверхности подложки корпуса внутри области, окруженной монтажным каркасом, и крышку, присоединенную к верхней поверхности рамки, при этом монтажный каркас содержит изоляционную подложку, содержащую окно для монтажа внутри  каркаса интегральной микросхемы, снабженной на верхней поверхности контактными площадками (патент US 9287882 (B2), дата публикации 15.03.2016 г.).
Недостатком ближайшего аналога является недостаточно прочная фиксация кварцевого элемента на двух контактных площадках, а также достаточно большая температурная зависимость частоты выходного сигнала. Кроме того, содержащиеся в корпусе сквозные отверстия для установки интегральной микросхемы нарушают целостность и снижают механическую прочность корпуса в целом.
-7
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой полезной моделью, является создание новой более простой и технологичной конструкции термокомпенсированного кварцевого генератора, представляющего собой плоскую планарную структуру, что в отличие от генераторов, изготовленных по технологиям-аналогам «Flip-chip» (монтаж методом перевернутого кристалла,) позволяет повысить технологичность и унификацию производства корпусов генераторов, а также достичь стабильности частоты в интервалах рабочих температур вплоть до 1×10.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в увеличении механической прочности установки кварцевого элемента в корпусе генератора и крепежа кварцевого генератора на печатную плату, а также в увеличении стабильности частоты в интервале рабочих частот. Кроме того, заявляемая конструкция генератора предусматривает отдельное производство корпусов, содержащих кварцевые элементы, и корпусов, содержащих интегральные микросхемы, что позволяет проводить наиболее полные испытания и замеры параметров кварцевого элемента отдельно от корпуса, содержащего интегральную микросхему, что в свою очередь позволяет отобрать наиболее точные и высокостабильные резонаторы (т.е. кварцевые элементы в отдельных корпусах), что повышает их электрические характеристики и увеличивает процент выхода годных изделий.
Технический результат достигается тем, что термокомпенсированный кварцевый генератор, содержащий первый корпус прямоугольной формы, крышку первого корпуса, образующую неразъемное соединение с расположенной на верхней поверхности первого корпуса монтажной рамкой, ниже которой внутри верхней части первого корпуса вдоль одной из коротких сторон установлены с зазором между собой две контактные площадки, на которые установлен с помощью клеевого соединения кварцевый элемент, выполненный в виде кварцевой пластины, содержащей на каждой из поверхностей два электрода и контактную площадку, соединенную с одним из электродов, причем кварцевый элемент сопряжен выводами электродов с контактными площадками верхней части первого корпуса, а на нижней поверхности первого корпуса в каждом углу расположено по одной контактной площадке, и второй корпус прямоугольной формы с установленной в нем интегральной микросхемой и расположенными на нижней и верхней поверхностях второго корпуса в каждом углу по одной контактной площадке, при этом контактные площадки верхней поверхности второго корпуса соединены с помощью паяного соединения с соответствующими контактными площадками, расположенными на нижней поверхности первого корпуса, согласно полезной модели кварцевый элемент дополнительно опирается на площадку из диэлектрического материала, расположенную внутри верхней части первого корпуса вдоль короткой стороны, противоположной стороне с двумя контактными площадками, а второй корпус содержит выемку ступенчатой формы со ступенями, расположенными вдоль коротких сторон второго корпуса, на поверхностях которых расположены контактные площадки с зазорами между собой, а дно выемки выполнено металлизированным, на поверхности которого с помощью клеевого соединения установлена интегральная микросхема, на верхней поверхности которой вдоль двух противоположных сторон расположены контактные площадки в том же количестве, что и на поверхностях ступеней, при этом контактные площадки интегральной микросхемы соединены с помощью проводников с контактными площадками, расположенными на ступенях, а нижняя поверхность второго корпуса дополнительно содержит по две контактные площадки по длинным сторонам корпуса.
Настоящая полезная модель поясняется чертежами (фиг. 1-5), пример выполнения конструкции термокомпенсированного кварцевого генератора на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата.
На фигуре 1 представлена схема компоновки термокомпенсированного кварцевого генератора, на фиг. 2 изображено сечение генератора по линии А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - вид снизу первого корпуса генератора, на фиг. 4 - вид снизу второго корпуса генератора, на  фиг. 5 слева - вид сверху кварцевого элемента, на фиг. 5 справа - вид снизу кварцевого элемента.
Термокомпенсированный кварцевый генератор содержит первый корпус 2 прямоугольной формы, крышку 11 первого корпуса 2, образующую неразъемное соединение с расположенной на верхней поверхности первого корпуса 2 монтажной рамкой 1, кварцевый элемент 7, который присоединен к площадкам 3а, 3b и 3c первого корпуса 2, интегральную микросхему 14, которая располагается во втором корпусе 17. (фиг. 1).
Корпус 2 имеет прямоугольную форму и функционирует в качестве монтажной структурной единицы для установки кварцевого элемента 7. Первый корпус 2 сделан из керамического материала и сформирован в цельную конструкцию. В корпусе 2 ниже монтажной рамки 1 вдоль одной из коротких сторон установлены с зазором между собой контактные площадки 3а и 3b для установки кварцевого элемента 7. В каждом углу на нижней поверхности корпуса 2 имеются контактные площадки 4а, 4b, 4c и 4d по одной в каждом углу. Площадки 4a и 4c соединены с кольцом 1 корпуса 2 (фиг. 1, фиг. 3).
Контактные площадки 4а, 4b, 4c и 4d электрически соединяются с контактными площадками 18а, 18b, 18c и 18d второго корпуса 17, которые расположены на верхней поверхности второго корпуса 17. Контактные площадки 18a, 18b, 18c, 18d электрически связаны с интегральной микросхемой 14.
Площадки 3а, 3b и 3с установлены внутри верхней части корпуса 2 вдоль одной из коротких сторон. Контактные площадки 3а и 3b электрически связаны с контактными площадками  4а, 4b, 4c и 4d, которые расположены на нижней поверхности корпуса 2, а площадка 3с выполнена из диэлектрического материала.
В качестве прибора для измерения электрических характеристик кварцевого элемента 7 используется сетевой анализатор или подобный прибор, который может измерять резонансную частоту и полное сопротивление кварцевого элемента 7, а также индуктивность, емкость и другие аналогичные параметры.
Второй корпус 17 соединяется с нижней поверхностью первого корпуса 2 через проводящий связующий материал 20, как показано на сечении A-A фиг. 2. На верхней поверхности корпуса 17 в каждом углу расположено по одной контактной площадке - 18a, 18b, 18c, 18d (фиг.1), а на нижней поверхности расположены 8 контактных площадок - четыре в углах и по две контактные площадки по длинным сторонам корпуса 17 - 19а, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g, 19h (фиг. 1, 4).
Площадки 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g, 19h служат для монтажа на монтажной плате электронного оборудования или подобных устройств.
Сцепление корпуса 17 с корпусом резонатора 2 происходит следующим образом. Сначала производят дозирующее нанесение связующего материала 20 на первую контактную площадку 18a, вторую контактную площадку 18b, третью контактную площадку 18c и четвертую контактную площадку 18d. Основание корпуса 2 перемещается таким образом, чтобы площадки 4a, 4b, 4c, 4d корпуса 2 были расположены выше проводящего связующего материала 20 и затем были помещены в проводящий связующий материал 20. Затем проводящий связующий материал 20 полимеризуется и усаживается при нагреве. Благодаря этому площадки 4a, 4b, 4c, 4d  корпуса 2 соединяются с соответствующими контактными площадками 18a, 18b, 18c, 18d. Таким образом, площадка 4a корпуса 2 соединяется с первой контактной площадкой 18a, площадка 4b корпуса 2 соединяется со второй контактной площадкой 18b. Далее площадка 4c корпуса 2 соединяется с третьей контактной площадкой 18 и площадка 4d корпуса 2 соединяется с четвертой контактной площадкой 18d.
Кварцевый элемент 7 присоединяется к площадкам 3а, 3b, 3с с помощью токопроводящего клея 13 и является неподвижным (фиг 1, 2). Кварцевый элемент 7 играет роль генератора опорного сигнала электронного прибора или подобного устройства путем устойчивой механической вибрации и пьезоэлектрического эффекта.
Кварцевый элемент 7 разработан таким образом, чтобы когда переменное напряжение с внешней стороны прилагается от выводных электродов 10а и 10b  через площадки 9а и 9b к пластине 8, пластина 8 вызывала возбуждение в заданных режимах вибрации или частоты.
Кварцевый элемент 7 выполнен в виде кварцевой пластины 8 с контактными площадками 9а и 9b, расположенными на верхней и нижней поверхности соответственно, и электродами 10а и 10b, также расположенными на верхней и нижней поверхностях пластины 8. Площадки 9а и 9b формируют путем осаждения металла на верхней и нижней поверхностях пластины 8 с помощью заранее определенных шаблонов. Электроды 10а соединены с площадками 9а и 9b. Электрод 10a на верхней поверхности пластины 8 выводят из площадки 9a в такой степени, чтобы он вытягивался по направлению к одной стороне пластины 8. Электрод 10a на нижней поверхности пластины 8 выводят из пластины 9b в такой степени, чтобы он вытягивался к одной стороне пластины 8. Таким образом, выводные электроды 10а и 10b могут быть выполнены вдоль длинных или коротких сторон пластины 8.
Сначала кварцевый элемент 7 отрезают от искусственного кристалла под заданным углом реза и формируют скос для того, чтобы сделать толщину периферической части пластины 8 тоньше для того, чтобы центральная часть пластины 8 стала более толстой, чем периферийная часть. Затем производят кварцевый элемент 7, формируя площадки 9а и 9b и выводные электроды 10а и 10b с помощью осаждения металлических покрытий на двух основных поверхностях пластины 8, используя технологию напыления.
Сначала токопроводящий клей 13 наносится на площадки 3a, 3b и 3c. Кварцевый элемент 7 помещают в клей 13. Затем токопроводящий клей 13 отверждается и дает усадку при тепловом отверждении. Кварцевый элемент 7 тем самым приклеивается к площадкам 3а, 3b, 3с. То есть выводной электрод 10a кварцевого элемента 7 присоединяется к контактной площадке 3b, а выводной электрод 10b присоединяется к контактной площадке 3a. К диэлектрической площадке 3с присоединяется сторона пластины 8, котора противоположна стороне с электродами10а и 10b. В связи с этим, площадка 4b и площадка 4d электрически связаны с кварцевым элементом 7. Площадка 4a и площадка 4c приклеиваются к контактной площадке 18a и контактной площадке 18c посредством проводящего связующего материала 20, тем самым в итоге электрически соединяясь с площадкой 19a и площадкой выводом 19c. Таким образом, площадка 19a и площадка 19c электрически соединены с кварцевым элементом 7.
Токопроводящий клей 13 состоит из силиконовой смолы или другого связующего вещества, в котором содержится проводящий наполнитель, образованный проводящим порошком. В качестве проводящего порошка используют порошок из алюминия, молибдена, вольфрама, платины, палладия, серебра, титана, никеля и пермаллоя или порошок, содержащий комбинацию из указанных элементов. В качестве связующего вещества используют, например, силиконовую смолу, эпоксидную, полиимидную или бисмалеимидную смолы.
В качестве элемента интегральной схемы используют, например, прямоугольную интегральную микросхему, у которой есть множество контактных площадок (фиг. 1). На формирующей поверхности (верхняя поверхность) интегральной микросхемы 14 предусмотрены температурный датчик для определения температурного состояния среды, элемент для хранения данных термокомпенсации для компенсаци температурной характеристики кварцевого элемента 7, схема термокомпенсации, которая корректирует вибрационную характеристику кварцевого элемента 7 в соответствии с температурным изменением, основанным на данных термокомпенсации, а также генераторная схема, которая соединена со схемой термокомпенсации и генерирует заданные выходные колебания. Выходной сигнал, который генерируется в данной генераторной схеме, выходит через первый вывод 19a корпуса 17 за пределы кварцевого генератора с температурной компенсацией и используется, например, в качестве опорного сигнала.
Интегральная микросхема 14 в данном исполнении генератора - по пять контактных площадок, расположенных вдоль двух противоположных сторон на ее верхней поверхности 15а, 15b, 15с, 15d, 15е, 15f, 15g, 15h, 15i, 15j (фиг. 1). Пять площадок 15а, 15b, 15с, 15d, 15е располагаются вдоль одной стороны, и пять других площадок 15f, 15g, 15h, 15i, 15j располагаются вдоль стороны, которая смотрит на первую сторону.
Проводящий связующий материал 20 состоит, например, из серебряной пасты или припоя, содержащего свинец, а также растворитель, который добавляется для регулирования вязкости, облегчающей покрытие.
Корпус 17 содержит выемку ступенчатой формы со ступенями, расположенными вдоль коротких сторон корпуса 17, на поверхностях которых с зазором между собой расположены контактные площадки 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f, 5g, 5h, 5i, 5j, а дно 6 выемки выполнено металлизированным. Интегральная микросхема 14 монтируется на дне 6 выемки корпуса 17 с помощью токопроводящего клея 20. Далее выводы 15а, 15b, 15с, 15d, 15е, 15f, 15g, 15h, 15i, 15j, как показано на сечении A-A фиг. 2, расположенные на верхней поверхности интегральной микросхемы 14, соединяются с контактными площадками 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f, 5g, 5h, 5i, 5j корпуса 17 с помощью проводников 16 из золота или аллюминия. (15a-5a, 15b-5b, 15c-5c, 15d-5d, 15e-5e, 15f-5f, 15g-5g, 15h-5h, 15i-5i,  15j-5j). Площадки 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f, 5g, 5h, 5i, 5j  электрически соединяются посредством схем соединения с выводами 4a, 4b, 4c, 4d. Площадки 4a, 4b, 4c, 4d  электрически соединяются посредством проводящего связующего материала 20 с площадками 18a, 18b, 18c, 18d. Площадки 18a, 18b, 18c, 18d электрически соединяются посредством проводников с площадками 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g, 19h (фиг. 1, фиг. 2), Соответственно площадки 5а, 5b, 5с, 5d, 5е, 5f, 5g, 5h, 5i, 5j  электрически связаны через площадки 4a, 4b, 4c, 4d с площадками 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g, 19h. Площадка 19e играет роль клеммы заземления посредством соединения с опорной монтажной площадкой, которая соединена с землей в качестве опорного потенциала на монтажной плате электронного оборудования или подобного устройства.
Далее температурный датчик, который предусмотрен в микросхеме 14, располается так, чтобы находиться в измерительной контактной площадке. При такой конфигурации тепло, которое передается от кварцевого элемента 7, передается от контактных площадок 3а и 3b к измерительным контактным площадкам 15g и 15h. Тепло исходит от измерительных контактных площадок и передается температурному датчику, который предусмотрен в микросхеме 14. Соответственно термокомпенсированный кварцевый генератор может сократить путь теплопроводности, тем самым температура кварцевого элемента 7 и температура микросхемы 14 в итоге становятся близкими, и, таким образом, становится возможным далее сократить разность между температурой, которую получают температурным датчиком в микросхеме 14, и температурой вокруг кварцевого элемента 7.
Крышка 11 формируется, например, из сплава, содержащего железо, никель или кобальт. Такая крышка 11 предназначена для воздухонепроницаемого запечатывания корпуса 2 в вакуумном состоянии, заполненного газом азота или подобным газом (фиг. 1, 2). В заданной атмосфере крышку 11 помещают на рамку 1 корпуса 2, прикладывают заданный ток и выполняют шовную роликовую сварку.
Термокомпенсированный кварцевый генератор работает следующим образом.
При подаче напряжения питания на площадку 19а происходит возбуждение интегральной микросхемы 14 генератора, которая затем через площадки 18а и 18b передает возбуждение на площадки 4а и 4b, которые соединены с площадками 3а и 3b, соединенными с кварцевым элементом 7. Частота генерируемых колебаний генератора определяется рабочей частотой колебаний кварцевого элемента 7. В дальнейшем при изменении температуры окружающей среды встроенный в интегральную микросхему 14 температурный датчик дает команду на формирование компенсирующего напряжения для стабилизации частоты кварцевого элемента 7. Сигнал рабочей частоты генератора выводится через контактную площадку 19f.