特開 2024-156240 水晶発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024156240

(43)【公開日】2024-11-06

(54)【発明の名称】水晶発振器

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20241029BHJP

   H03H 9/19 20060101ALI20241029BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 H

H03H9/19 F

H03B5/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023070536

(22)【出願日】2023-04-24

(71)【出願人】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】川端 秀也

【テーマコード（参考）】

5J079

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J079AA04

5J079BA02

5J079BA43

5J079FA01

5J079HA03

5J079HA07

5J079HA22

5J079JA03

5J108AA04

5J108BB02

5J108CC04

5J108DD02

5J108EE03

5J108EE07

5J108EE18

5J108FF04

5J108GG03

5J108GG16

(57)【要約】

【課題】周波数ドリフト特性を小さく抑えることが可能な構造を有した水晶発振器を提供する。
【解決手段】水晶発振器は、平面視長方形で表裏に励振用電極を備える水晶振動素子と、水晶振動素子の発振回路及び温度補償回路を備える半導体チップと、水晶振動素子用の振動子室及び半導体チップ用の半導体室を背中合わせに有し、半導体チップ及び水晶振動素子を実装していて外部端子を有するパッケージと、を備える。水晶振動素子は、第一の短辺でパッケージに片持ち支持で実装されかつ接続端子に接続されている。励振用電極は、長辺寸法が水晶振動素子の長辺寸法Ｖの４０～６５％と小さく、第一の短辺に対向する第二の短辺の方向に偏心して設けてある。偏心量Ｌは、前記Ｖに対し１６～１８％である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面視長方形で表裏に励振用電極を備える水晶振動素子と、前記水晶振動素子用発振回路及び温度補償回路を備える半導体チップと、前記水晶振動素子及び前記半導体チップを実装していて当該水晶発振器を外部に接続する複数の接続端子を有するパッケージと、を備える水晶発振器において、
前記水晶振動素子は、平面視長方形状であり、その第一の辺で前記パッケージに片持ち支持で接続してあり、
前記励振用電極は、前記第一の短辺に対向する第二の短辺の方向に偏心して設けてあることを特徴とする水晶発振器。

【請求項2】

前記偏心量は、外部から当該水晶発振器に及ぶ所定の熱変動条件に起因して前記励振用電極に及ぶ熱影響を、所定量減少させ得る量であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項3】

前記励振用電極は平面視長方形状であり、前記励振用電極の長辺寸法は前記水晶振動素子の長辺寸法に対し４０～６５％の寸法であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項4】

前記偏心量は、外部から当該水晶発振器に及ぶ所定の熱変動条件に起因して前記励振用電極に及ぶ熱影響を、所定量減少させ得る量であり、
前記所定の熱変動条件は、時間ｔ１をかけて温度がΔＴ上昇して時間ｔ２をかけて元の温度に戻る予め定めた温度条件であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項5】

前記偏心量は、前記水晶振動素子の中心点と前記励振用電極の中心点との距離をＬと表し、前記水晶振動素子の長辺寸法をＶと表したとき、Ｌ／Ｖが１６～１８％であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項6】

前記水晶発振器は、外形の長辺寸法が１．６ｍｍ、外形の短辺寸法が１．２ｍｍ外形の高さ寸法が０．５５ｍｍであり、
前記偏心量は、前記水晶振動素子の中心点と前記励振用電極の中心点との距離をＬと表し、前記水晶振動素子の長辺寸法をＶと表したとき、Ｌ／Ｖが１６～１８％であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項7】

前記水晶発振器は、外形の長辺寸法が１．６ｍｍ、外形の短辺寸法が１．２ｍｍ外形の高さ寸法が０．５５ｍｍであり、
前記水晶振動素子は、ＡＴカットの周波数３２ＭＨｚであり、長辺寸法が１．０４ｍｍ、短辺寸法が０．６７ｍｍであり、
前記励振用電極は、平面視で長方形であり、長辺寸法が０．５７ｍｍ、短辺寸法が０．５４ｍｍであり、
前記偏心量は、前記水晶振動素子の中心点と前記励振用電極の中心点との距離をＬと表し、前記水晶振動素子の長辺寸法をＶと表したとき、Ｌ／Ｖが１６～１８％であることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項8】

前記パッケージは、前記水晶振動素子を実装した振動子室と、前記半導体チップを実装した半導体室を背中合わせに接合した、Ｈ型構造をしていることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、周波数ドリフト特性の低減が可能な水晶発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

水晶発振器は基準信号源として種々の電子機器で使用されている。電子機器としての例えばスマートフォンは、通話やメールだけでなく、それ１台で様々な機能が使用できる。その様々な機能を実現するために、スマートフォン内部の限られたスペースに多くの電子部品が搭載されており、温度補償型水晶発振器もその１つである。温度補償型水晶発振器において、発振周波数のドリフトは小さいことが望ましいが、スマートフォンのように多くの電子部品が搭載されていると、電子部品の各々が内部発熱を起こし、その発熱（熱源）により発振周波数がドリフトしてしまい、高精度な温度補償ができないことがある。
これを解決する１つの手段として特許文献１には、圧電振動素子及び感温部品が容器に収容された圧電デバイスにおいて、圧電振動素子と感温部品の温度が等しくなるよう、熱容量を考慮し設計した容器の構造が記載されている。具体的には、圧電振動素子及び感温部品の熱平衡が素早く達成されるように、外部実装端子及び圧電振動素子間の熱伝導経路と、外部実装端子及び感温部品間の熱伝導経路とを設定している（特許文献１の段落５６）。また、水晶振動素子の平面的な中心点と、この水晶振動片の表裏目に設けた励振用電極の平面的な中心点とが一致した構造の水晶振動片が図示されている（特許文献１の図１（ａ））。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３―１０２３１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されている容器の構造は、確かに圧電振動素子と感温部品の温度差を小さくすることができ、周波数ドリフト特性を良化する手段として有効と思えるが、この出願に係る発明者の検討によれば、周波数ドリフト特性を良化する余地はまだあることが分かった。

【0005】

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、従ってこの出願の目的は、周波数ドリフト特性を小さく抑えることが可能な構造を有した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】

【0006】

この目的の達成を図るため、この出願に係る発明者は、平面視長方形で表裏に励振用電極を備える水晶振動素子と、前記水晶振動素子用発振回路及び温度補償回路を備える半導体チップと、前記水晶振動素子及び前記半導体チップを実装していて当該水晶発振器を外部に接続する複数の接続端子を有するパッケージと、を備える水晶発振器であって、前記水晶振動素子が第一の短辺で前記パッケージに片持ち支持で実装された水晶発振器について以下のシミュレーション及び試作を実施した。すなわち、後述する図１に示す構造のシミュレーションモデルを作成し、また、図１に示す構造の試作品を作製し、水晶振動素子の平面的な中心点と、励振用電極の中心点とを一致させたものと、前記励振用電極を水晶振動素子の前記第一の短辺と対向する第二の短辺側に偏心させたいくつかの水準のものとに、所定の条件の熱変動を与え、その際の半導体チップの所定の複数箇所と、水晶振動素子の所定の複数箇所各々での温度変化と、それぞれの水晶発振器の出力の本来の出力周波数からの変動量、すなわち周波数ドリフトとを、シミュレーション及び試作品によって、検討した。その結果、励振用電極を水晶振動素子に対し上記のような偏心をさせ、かつ、偏心量を所定範囲にすると、周波数ドリフトの低減が図れることを見出した。
従って、この出願の水晶発振器の発明によれば、平面視長方形で表裏に励振用電極を備える水晶振動素子と、前記水晶振動素子用発振回路及び温度補償回路を備える半導体チップと、前記水晶振動素子及び前記半導体チップを実装していて当該水晶発振器を外部に接続する複数の接続端子を有するパッケージと、を備える水晶発振器において、
前記励振用電極は、前記第一の短辺に対向する第二の短辺の方向に偏心して設けてあることを特徴とする。
この発明を実施するに当たり、前記偏心量は、外部から当該水晶発振器に及ぶ所定の熱変動条件に起因して前記励振用電極に及ぶ熱影響を、所定量減少させ得る量であることが好ましい。
この発明を実施するに当たり、前記励振用電極は平面視長方形状であり、前記励振用電極の長辺寸法は前記水晶振動素子の長辺寸法に対し４０～６５％の寸法であることが好ましい。このような寸法範囲であると、励振用電極を上記偏心させた際に水晶振動素子における振動領域を前記第２の辺側に有意に偏心させることができるからである。
この発明を実施するに当たり、前記所定の熱変動条件は、時間ｔ１をかけて温度がΔＴ上昇して時間ｔ２をかけて元の温度に戻る予め定めた温度条件とすることが好ましい。
この発明を実施するに当たり、当該水晶発振器は、長辺寸法が約１．６ｍｍ、短辺寸法が約１．２ｍｍ、高さ寸法が約０．５５ｍｍである水晶発振器であることが好ましい。少なくともこの構造のもので、本発明の効果を確認できている。ここで、約とは、水晶発振器の外形寸法に対し許容される公差、例えば±０．１ｍｍである。

【発明の効果】

【0007】

この発明の水晶発振器によれば、水晶振動素子に備えられた励振用電極を所定量偏心させ、片持ち支持部から遠ざけることにより、接続端子を経由して水晶振動素子に伝わる外部の熱の影響を減少させることができる。これにより、水晶発振器周辺の外部温度が所定温度に上昇した後に元の温度に戻る熱変化の場合にも、水晶振動素子に熱が伝わりきる前に外部熱の温度変化が完了するため、水晶振動素子は熱変動に追従せずかつ熱応力の影響も小さいと考えられる。従って、水晶振動素子の温度特性起因（熱応力も含む）で生じる周波数変化も小さくできるため温度補償の補償値も小さくできるので、総合的に温度補償の誤差を小さくできると考えられるので、周波数ドリフトを小さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）図は、本発明の水晶発振器の実施形態を説明するための図である。

【図2】本発明の水晶振動素子を説明するための図である。

【図3】偏心量を振ったときの周波数ドリフト特性結果のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照してこの発明の水晶発振器１０について説明する。
なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明で述べる形状、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

【0010】

図１及び図２を参照して、本発明の水晶発振器１０の第１の実施形態について説明する。
図１（Ａ）は、振動子室４１の上面図、図１（Ｂ）は、半導体室４２の上面図、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のａ－ａ’間の水晶発振器１０の断面図である。

【0011】

水晶発振器１０は、水晶振動素子２０と、半導体チップ３０と、パッケージ４０と、外部基板との接続に用いる接続端子５０と、を備えている。

【0012】

水晶振動素子２０は、平面視において長方形のＡＴカットの水晶振動素子であり、表裏の面に励振用電極２１ａ及び２１ｂと、それぞれの励振用電極２１ａ及び２１ｂから水晶振動素子２０の第一の短辺２３に引出した、引出電極２２ａ及び２２ｂと、を備えている。励振用電極２１ａ及び２１ｂは、平面視において長方形であり、水晶振動素子２０の第一の短辺２３に対向する第二の短辺２４の方向に偏心して備えられている。
励振用電極を水晶振動素子に対し所定条件で偏心させるという本発明の構成による効果を得るためには、励振用電極は水晶振動素子よりある程度小さい方が好ましく、特に、励振用電極の長辺寸法は水晶振動素子の長辺寸法よりある程度短い方が良い。一方、励振用電極の長辺寸法が短すぎると、水晶振動素子の実効抵抗が悪くなる等の他の特性劣化を招く。これらを考慮すると、励振用電極の長辺寸法は水晶振動素子の長辺寸法に対し、４０～６５％の範囲から選ばれる寸法とすることが好ましく、より好ましくは４５～６０％の範囲から選ばれる寸法とするのが良い。
図２を参照して、偏心量Ｌについて説明する。長方形状の水晶振動素子２０の中心点をＥとし、長方形状の励振用電極２１の中心点をｅとする。水晶振動素子２０の中心点Ｅと、励振用電極２１の中心点ｅとの距離を偏心量Ｌとする。第１の辺から水晶発振器の特性に支障が無い範囲で振動領域をなるべく離す方が良いことから、励振用電極２１の、水晶振動素子２０の第一の短辺２３側の縁Ｘａと、第一の辺２３との距離Ｘも重要である。これに限られないが、Ｘは水晶振動素子２０の長辺寸法Ｖに対し３０～５０％であることが好ましい。励振用電極２１が水晶振動素子２０の中央に設けられる場合に比べ、本発明では偏心量Ｌだけ、励振用電極は水晶振動素子の第二の短辺２４側にずらして設けてある。本発明の場合は、例えば水晶振動素子２０の長辺寸法をＶとしたときＶの比率で示すことができる。
水晶振動素子の長辺寸法Ｖが、後述する具体的な水晶振動素子のように１．０４ｍｍの場合で、偏心量Ｌが０．１０４ｍｍの場合であれば、水晶振動素子の長辺寸法Ｖに対し励振用電極は１０％偏心していることになる。

【0013】

半導体チップ３０は、平面視において矩形状であり、水晶振動素子２０用の発振回路及び温度補償回路を備えている。温度補償回路は、水晶振動素子２０の予め測定した温度特性を例えば極力平坦になるような補償データをメモリに格納している。水晶発振器１０は、内部に例えば半導体チップ内に温度センサを備えており、水晶振動素子２０の温度特性に対し、温度センサが検出した温度に応じて、上記した補償データを用いて温度補償した出力を出力する。予め設計事項として半導体チップ３０に準備していた温度補償を行う。また、半導体チップ３０は、パッケージ４０に実装する面に球形状のバンプ３１を備えている。
本実施例では、フリップチップボンディングによるパッケージ４０との接合をした場合について説明しているが、ワイヤーボンディングによる接合でも良い。

【0014】

パッケージ４０は、水晶振動素子２０を実装した凹部形状の振動子室４１と、半導体チップ３０を実装した凹部形状の半導体室４２を背中合わせに接合した、いわゆるＨ型構造をしている。具体的には、パッケージ４０は、水晶振動素子２０を実装している凹部形状の振動子室４１を構成している枠状の第１層４０ａと、振動子室４１及び半導体室４２の共通の底面である第２層４０ｂと、半導体チップ３０を実装している凹部形状の半導体室４２を構成している枠状の第３層４０ｃと、の３層の積層構造となっている。このパッケージ４０は、例えばセラミックパッケージで構成できる。

【0015】

従って、振動子室４１は、第１層４０ａによって凹部を囲う壁を構成し、第２層４０ｂによって振動子室底面４１ａを構成しており、振動子室底面４１ａ上に、水晶振動素子２０を接続するための接続パッド４３を備えている。
半導体室４２は、第３層４０ｃによって凹部を囲う壁を構成し、第２層４０ｂによって半導体室底面４２ａを構成しており、半導体室底面４２ａ上に、半導体チップ３０を実装するための実装パッド４４を備えている。またパッケージ４０は、第１層４０ａ上にシールリング４５を備えている。シールリング４５は、蓋部材（図示せず）と接合するものである

【0016】

接続端子５０は、パッケージ４０の第３層４０ｃの四隅に備えられている。接続端子５０は、金属製であり、例えば金メッキが施されている。
３層であるパッケージ４０の積層内には配線４６が備えられており、接続端子５０と実装パッド４４を繋いでいる配線４６ａ及び４６ｂ、実装パッド４４と接続パッド４３を繋いでいる配線４６ｃがある。

【0017】

半導体チップ３０は、バンプ３１を介して実装パッド４４に接続され、半導体室４２に実装される。水晶振動素子２０は、導電性接着剤２５を介して、接続パッド４３に接続され、振動子室４１に実装される。この時、水晶振動素子２０は、第一の短辺２３を接続パッド４３に接続する、いわゆる片持ち支持の状態で接続される。この後、振動子室４１内を適度な真空又は不活性ガス雰囲気にした後に、シールリング４５と蓋部材（図示せず）をシーム溶接で接合し、封止することで水晶発振器１０が完成する。蓋部材は、平面視において長方形状であり、例えば金属製である。この完成した水晶発振器１０は、接続端子５０と外部基板を半田を介し接続することにより、他部品とともに外部機器内で使用される。

【0018】

外部機器内の他部品の中には、例えば、温度が４～６秒をかけて０．７～０．８℃上昇して１０５～１１５秒をかけて元の温度に戻るという、熱変動を起こすものがある。この時、この他部品の発熱は、下記のように水晶発振器１０に伝わる。
まず、他部品で発熱が生じた後に、外部基板内の配線を介し水晶発振器１０が実装されている箇所まで伝わる。その後、接続端子５０に伝わり、その熱は配線４６ａ及び４６ｂを介し、半導体チップ３０に伝わる。その後、半導体チップ３０の水晶端子から４６ｃを介し接続パッド４３に伝わり、導電性接着剤２５を介して水晶振動素子２０まで伝わる。

【0019】

先に半導体チップ３０が発熱に対し追従をし、その後に水晶振動素子２０の追従が始まる。発熱が起こった際に、励振用電極２１を偏心していない場合、水晶振動素子２０の中心点Ｅと励振用電極２１の中心点ｅが同じ位置に備えられているため、外部基板から接続端子５０を経由して励振用電極２１に熱が伝わる時間が短くなり、水晶振動素子２０が敏感に反応してしまう。つまり、半導体チップ３０と水晶振動素子２０の熱追従が近いタイミングで始まるということである。
しかし、本発明では、励振用電極２１は水晶振動素子の第二の短辺２４側に偏心量Ｌで偏心しているため、励振用電極２１を片持ち支持部から遠ざけることができ、接続端子５０を経由して励振用電極２１に伝わる外部の熱の影響を所定量減少させることができる。このように偏心した水晶振動素子構造にすることにより、所定温度に上昇した後に緩やかに元の温度に戻るような発熱原の熱が、励振用電極２１に伝わる前に発熱源の温度変化が完了し、及び、振動領域への熱応力の影響が軽減できると考えられる。従って、水晶振動素子の温度特性起因で生じる周波数変化も小さくできるため温度補償の補償値も小さくできるので、総合的に温度補償の誤差を小さくできるから、周波数ドリフト特性を小さく抑えることができると考えられる。

【0020】

以下、本発明の理解を深めるために実験結果を説明する。水晶発振器１０として温度補償型の水晶発振器を用いた実験をした。具体的には、励振用電極の偏心量Ｌを３水準に変えた３つの温度補償型の水晶発振器を作成した。なお、水晶発振器１０は、外形長辺寸法、外形短辺寸法、厚みの順で１．６×１．２×０．５５（単位：ｍｍ）のもので、この水晶発振器１０に実装した水晶振動素子２０は、周波数が３２ＭＨｚで、長辺寸法×短辺寸法が１．０４×０．６７（単位：ｍｍ）のもので、この水晶振動素子に設けた励振用電極２１は、長辺寸法×短辺寸法が０．５７×０．５４（単位：ｍｍのものとした。なお、この実験で用いた水晶振動素子の長辺寸法に対する励振用電極の長辺寸法の比は、０．５７／１．０４＝５４．８％である。
図３に、励振用電極２１の偏心量Ｌを変化させた３種類の水晶発振器の周波数ドリフト特性のグラフを示す。横軸に偏心量Ｌをとり、縦軸に周波数ドリフトをとって示してある。なお、各水準の試作品をそれぞれ３回周波数ドリフトの測定しているで、図３では、各水準各々９点ずつのデータを示してある。本発明に係る発明者は、所定温度に上昇した後に緩やかに元の温度に戻るような発熱が外部で発生した場合において、水晶発振器の周波数ドリフト特性が１０ｐｐｂ／１０ｓｅｃ．未満になるような結果を目指して、偏心量Ｌを水晶振動素子の長辺寸法Ｖの比で言って４％、１０％、１６％にふった場合の評価を実施した。その結果、偏心量Ｌが１６％以上であると、大幅な改善が見られ、９回の測定の７７％が周波数ドリフト１０ｐｐｂ／１０ｓｅｃ．を満たすことが分かった。偏心量Ｌを１６％以上、例えば２０％にすればさらに周波数ドリフト特性が改善することが予想されるが、今回の評価品に対し、周波数ドリフト特性以外の周波数許容偏差や温度特性等の諸特性も確認したところ、偏心量Ｌを大きくすると温度特性にディップが出てくる。そのため、偏心量Ｌは１６％～１８％程度が良いと考える。

【0021】

なお、上記説明では、水晶発振器１０のサイズは、１．６×１．２×０．５５（単位：ｍｍ）とし、水晶発振器１０に実装する水晶振動素子２０のサイズは、３２ＭＨｚの１．０４×０．６７（単位：ｍｍ）、励振用電極２１のサイズは、０．５７×０．５４（単位：ｍｍ）の例で説明したが、本発明はこの例に限られず、他のサイズの水晶発振器に対しても適用できると考えられる。また、少なくとも、上記例示した水晶発振器１０、水晶振動素子２０及び励振用電極２１のサイズに対して±０．１ｍｍの範囲であれば、本発明と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0022】

１０：水晶発振器 ２０：水晶振動素子
２１ａ、２１ｂ：励振用電極 ２２ａ、２２ｂ：引き出し電極
２３：第一の短辺 ２４：第二の短辺
２５：導電性接着剤 ３０：半導体チップ
３１：バンプ ４０：パッケージ
４０ａ：第１の層 ４０ｂ：第２の層
４０ｃ：第３の層 ４１：振動子室
４１ａ：振動子室底面 ４２：半導体室
４２ａ：半導体室底面 ４３：接続パッド
４４：実装パッド ４５：シールリング
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ：配線 ５０：接続端子
Ｅ：水晶振動素子の中心点 ｅ：励振用電極の中心点
Ｌ：偏心量 Ｘａ：励振用電極の第一の短辺側の縁
Ｘ：第一の短辺２３側の縁Ｘａと第一の辺２３との距離
Ｖ：水晶振動素子の長辺寸法

【図1】

【図2】

【図3】