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Dokumentenidentifikation DE60217754T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001257055
Titel Piezoelektrische Vorrichtung
Anmelder Seiko Epson Corp., Tokyo, JP
Erfinder Tanaka, Masako, Suwa-shi, Nagano-ken 392-8502, JP;
Endo, Takashi, Suwa-shi, Nagano-ken 392-8502, JP
Vertreter Hoffmann, E., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82166 Gräfelfing
DE-Aktenzeichen 60217754
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 08.05.2002
EP-Aktenzeichen 020104048
EP-Offenlegungsdatum 13.11.2002
EP date of grant 24.01.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H03H 9/05(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Oszillator, wie er derzeit in verschiedenen elektronischen Maschinen verwendet wird, und insbesondere einen piezoelektrischen Oszillator mit einem Quarzkristall oder einem anderen piezoelektrischen Resonator, einem Halbleiter-IC-Element mit einer Schwingschaltung zum Ansteuern des Resonators wie ein IC-Chip oder dgl. und/oder diskreten elektronischen Bauelementen.

Piezoelektrische Vorrichtungen, z. B. ein piezoelektrischer Resonator als Frequenzreferenz elektronischer Schaltungen, Oszillatoren, bei denen ein piezoelektrischer Resonator und ein IC-Chip im selben Gehäuse dicht verschlossen sind, und dgl., werden in weitem Umfang in verschiedenen elektronischen Maschinen verwendet, z. B. in Büroautomatisierungsmaschinen wie Informationskommunikationsmaschinen und Rechnern und dgl., Haushaltsmaschinen und dgl. Parallel mit der Forderung nach weiterer Miniaturisierung und dünneren Ausführung dieser elektronischen Maschinen ist die weitere Miniaturisierung und dünnere Ausführung der piezoelektrischen Vorrichtungen gefordert worden, und es wurden zahlreiche oberflächenmontierte piezoelektrische Vorrichtungen zur Installation auf den Platinen der Geräte entwickelt. In jüngerer Vergangenheit sind piezoelektrische Vorrichtungen, die bei einer hohen Frequenz der Grundwelle von 80 MHz oder darüber arbeiten, entsprechend der hohen Kommunikationsfrequenz und der hohen Geschwindigkeit der Systeme in Zusammenhang mit der großen Kapazität und der hohen Geschwindigkeit der Informationsübertragung auf dem Gebiet der Informationskommunikation auf Basis von Mobiltelefonen, gefordert worden.

Die JP-U-6-48216 z. B. offenbart einen oberflächenmontierten Oszillator des Quarzkristalltyps, bei dem ein hohler Abschnitt auf einer laminierten Platine ausgebildet ist, die aus mindestens drei Isolierschichten besteht. IC-Chips und elektronische Bauelemente (Widerstände) sind in einem Hohlraum am Boden des hohlen Abschnitts angeordnet, ein Quarzkristallresonator ist im oberen Teil des hohlen Abschnitts angeordnet, eine Abdeckung ist mit dem oberen Ende der laminierten Platine zum luftdichten Verschluss derselben verbunden, und Anschlusselektroden für einen externen Anschluss sind an der Rückseite der laminierten Platine ausgebildet. Außerdem ist bei einem in der JP-A-11-186850 beschriebenen piezoelektrischen Oszillator des oberflächenmontierten Typs die Komponente der Verdrahtungsreaktanz verringert, und eine Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften wird gleichzeitig mit der Miniaturisierung und der dünneren Ausführung angestrebt, indem ein Quarzkristallresonator und sein Ansteuer-IC-Chip im selben Gehäuse angeordnet sind, wobei der Ansteuer-IC-Chip direkt mit Lötperlen mit den auf dem Innenboden des Gehäuses ausgebildeten Verdrahtungsmustern verbunden ist und den Resonator darüber elektrisch fixiert/hält, so dass der Resonator elektrisch mit den Verdrahtungsmustern verbunden ist. Weiter sind bei einem in der JP-A-9-107186 beschriebenen Quarzkristalloszillator ein Schwingelement und ein Steuerelement auf einer Keramikplatine montiert, und ein Harzgehäuse, an dem mit Elektroden der Keramikplatine verbundene externe Verbindungsanschlüsse extern angeordnet sind, deckt die Keramikplatine ab und wird dann dicht verschlossen, um Drahtbrüche aufgrund von Differenzen der Wärmedehnungskoeffizienten während der Installation an einer Anbauplatine einer anderen Maschine zu verhindern.

Um die Frequenz während des Betriebs eines piezoelektrischen Oszillators mit hoher Präzision konstant zu halten, ist eine Synchronisierung mit anderen Referenzfrequenzen erforderlich, und die Frequenz muss stets auf einem gewünschten Wert oder innerhalb eines gewünschten Bereichs konstant gehalten werden. Außerdem müssen Frequenzabweichungen aufgrund von Temperaturänderungen und dgl. korrigiert werden. Um dies zu verwirklichen, ist z. B. eine Funktion für den piezoelektrischen Oszillator erforderlich, mit der die Frequenzdifferenz relativ zu einer Referenzfrequenz mit einem variablen Kondensator und dgl. vollständig korrigiert werden kann, der durch eine Steuerspannung geändert wird.

Als Beispiel eines TCXO (temperature compensated crystal oscillator; temperaturkompensierter Kristalloszillator) offenbart die JP-A-10-22735 einen piezoelektrischen Oszillator, bei dem eine Bodenwand mit einer darauf ausgebildeten Schaltungsstruktur zum Anschließen eines piezoelektrischen Resonators und eines IC-Chips und eine ringförmige Seitenwand mit einer Öffnung zu deren Aufnahme laminiert und gebrannt werden, um eine Keramikbasis zu bilden. Ein Einstellhilfsabschnitt, der sich integral von der Boden- und der Seitenwand aus erstreckt, ist an einer Stirnseite der Keramikbasis angeordnet, und mit der Schaltungsstruktur verbundene Einstellanschlüsse sind auf einer Außenoberfläche der Keramikbasis ausgebildet. Dieser piezoelektrische Oszillator verhindert das Auftreten von Beanspruchung oder Verwertung bei der Herstellung der Keramikbasis, indem Kompensationsdaten über die Einstellanschlüsse in eine Speicherschaltung des IC-Chips geschrieben werden und dann der Einstellhilfsabschnitt getrennt wird.

Eine Ersatzschaltung eines derartigen spannungsgesteuerten Kristalloszillators ist in 4 dargestellt. Die Frequenzänderung des Quarzkristalloszillators auf die Änderung einer Lastkapazität CL (Kapazität der Schaltung) wird hier durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt. Auf dem Gebiet der bei sehr hohen Frequenzen arbeitenden Kommunikationsmaschinen wie Mobiltelefonen ist die variable Frequenzbreite, d. h. &Dgr;F, des Quarzkristalloszillators so groß wie möglich, weshalb &ggr; = C0/C1 vorzugsweise verringert wird.

Ein tatsächlicher Quarzkristalloszillator hat jedoch eine Pseudokapazität Cpp wie in 5 dargestellt. In diesem Fall wird die Scheinkapazität der Parallelschaltung von C0 und Cpp (C0 + Cpp) und die Frequenzänderung &Dgr;F' wird entsprechend:

Aus Gleichung (2) folgt, dass bei einem Anstieg der Pseudokapazität Cpp die Frequenzänderung &Dgr;F auf die Lastkapazität CL abnimmt und dass die Pseudokapazität Cpp umso höher ist, je höher die Frequenz ist. Dies stellt ein großes Problem dar, da für einen AT-Schnitt-Quarzkristallresonator, der bei sehr hohen Frequenzen arbeitet, eine hohe Genauigkeit erforderlich ist.

Die elektrostatische Kapazität des Resonators selbst, eine elektrostatische Kapazität zwischen herausgeführten auf dem Resonator ausgebildeten Elektroden, eine elektrostatische Kapazität zwischen Anschlüssen eines Gehäuses und eine elektrostatische Kapazität zwischen dem Resonator und dem Gehäuse und dgl. gelten als die Ursachen für eine solche Pseudokapazität. Die durch das Gehäuse verursachte Pseudokapazität beträgt bei verschiedenen piezoelektrischen Materialien, besonders im Fall eines Quarzkristalls, Cpp ≈ C0 bei 80 MHz oder darüber, weshalb ihr Einfluss auf die Frequenzänderung stark ist.

Wenn wie bei den in der JP-A-11-186850 und der JP-A-9-107186 beschriebenen Quarzkristalloszillatoren bei einer Struktur, bei der ein Quarzkristallresonator und elektronische Bauelemente wie eine IC zum Ansteuern und dgl. im selben Gehäuse untergebracht sind, nimmt die Pseudokapazität zwischen ihnen ab, was günstig ist. Allerdings ist zu befürchten, dass ein von den Lötperlen der elektronischen Bauelemente und den Elektrodenkontaktflecken sowie von einem Kleber zu ihrer Befestigung erzeugtes Gas von der Oberfläche des Resonators absorbiert wird, was einen schädlichen Einfluss auf seine Schwingungseigenschaften ausübt. Die Frequenzdämpfung, die durch die Absorption eines solchen Gases verursacht wird, wird mit der nachstehenden Gleichung (3) ausgedrückt, und je höher die Frequenz ist, umso stärker ist die Dämpfung. Wenn z. B. die gleiche Gasmenge auf dem Quarzkristallresonator absorbiert wird, wird die Frequenzabnahme von 1 ppm bei einer Frequenz von 20 MHz 25 ppm bei einer Frequenz von 100 MHz.

Dabei:

Wab:
Gewicht des auf der Elektrodenoberfläche absorbierten Gases (g/cm2)
pq:
Dichte des Quarzkristalls (g/cm3)
Vq:
Ausbreitungsgeschwindigkeit im Quarzkristall
f:
Resonanzfrequenz.

Der bei einer sehr hohen Frequenz schwingende Quarzkristallresonator ist also sehr empfindlich gegenüber Gas in der Umgebung und wird leicht beeinträchtigt. Es ist deshalb wünschenswert, dass in ein und derselben Atmosphäre keine anderen elektronischen Bauelemente vorhanden sind. Beim Quarzkristalloszillator, der in der JP-A-8-316732 beschrieben wird, ist zum Vermeiden einer Abweichung der Resonanzfrequenz bedingt durch die Absorption eines von einem Kleber zum Verbinden einer Abdeckung nach dem dichten Verschließen des Gehäuses erzeugten Gases ein erster Empfänger im Gehäuse und ein zweiter Empfänger an dessen Boden angeordnet; eine Schwingschaltung wie eine IC und dgl. ist im ersten Empfänger enthalten; ein Quarzkristallresonator wird in den zweiten Empfänger eingebracht, mit einer Kappe verschlossen und im Gehäuse eingebaut und dann die Frequenz gemessen. Die Frequenz wird dann eingeregelt, um die bei der Herstellung des Resonators verbliebene Restspannung und die durch die Befestigung am Gehäuse verursachte Spannung auszugleichen. Der in diesem Dokument beschriebene Oszillator ist jedoch mit dem Problem behaftet, dass die gesamte Baugruppe nicht hinreichend dünn ausgeführt und miniaturisiert werden kann, weil eine andere luftdicht abgeschlossene leere Kammer für den Quarzkristallresonator in einem luftdicht abgeschlossenen Behälter vorgesehen ist, um die Abdeckung zu einer Doppelstruktur zu machen.

Die US 6,229,249 B1 offenbart eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Bei diesem Stand der Technik sind die erste Zone und die zweite Zone an zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Platine vorgesehen. Diese Struktur steht der Tendenz zu möglichst dünnen Vorrichtungen entgegen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Vorrichtung bereitzustellen, bei der ein piezoelektrischer Resonator und elektronische Bauelemente, die seine Schwingschaltung bilden, im selben Gehäuse untergebracht sind, und die die Verkleinerung eines Bereichs, verursacht durch die Pseudokapazität aufgrund der Absorption eines Gases, das von den elektronischen Bauelementen und der Verdrahtung, dem Gehäuse oder dem Verdrahtungsmuster und dgl. erzeugt wird, in dem die Frequenz eingestellt werden kann, wirksam verhindert, bei der die Frequenz mit hoher Präzision entsprechend den Anforderungen der Miniaturisierung und dünnen Ausführung eingestellt werden kann und die sich für Hochfrequenzoszillatoren mit einer Grundwelle von 80 MHz oder darüber eignet.

Diese Aufgabe wird durch eine piezoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dieser Lösung werden Stabilität bei hohen Frequenzen und gute Alterungseigenschaften erhalten, indem der piezoelektrische Resonator luftdicht im ersten Raum verschlossen wird, dessen Atmosphäre von der um die elektronischen Bauelemente getrennt ist, da keine Pseudokapazität durch die Absorption eines von den elektronischen Bauelementen und dgl. erzeugten Gases nach dem dichten Verschließen entsteht, keine Pseudokapazität bedingt durch ein Verdrahtungsmuster, bei der der piezoelektrische Resonator und die elektronischen Bauelemente direkt mit den auf der Platine, die den Boden des Gehäuses bildet, ausgebildeten Verdrahtungsmustern verbunden sind, auftritt, wie in einem Verdrahtungsmuster, in der die auf mehreren laminierten Schichten ausgebildeten Verdrahtungsmustern über die Schichten miteinander verbunden sind, und kein Risiko einer Frequenzabweichung verursacht durch eine solche Pseudokapazität besteht. Des Weiteren kann eine Frequenzeinstellung mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden, indem die elektronischen Bauelemente der zweiten Zone in einem Zustand, in dem der piezoelektrische Resonator luftdicht verschlossen wird, eingestellt werden. Ferner sind im Gegensatz zum Quarzkristalloszillator, der in der obigen JP-A-8-316732 beschrieben wird, eine dünne Ausführung und eine Miniaturisierung der gesamten Baugruppe möglich, da es nicht erforderlich ist, die Abdeckung zu einer Doppelstruktur zu machen.

Da die erste Seitenwand höher ist als die zweite Seitenwand, lässt sich die Verbindung der Abdeckung problemlos ausführen, und eine zuverlässige Harzabdichtung der zweiten Zone wird vereinfacht. Besonders dann, wenn die Abdeckung aus einem Metallblech besteht und durch Nahtschweißen mit der ersten Seitenwand verbunden wird, kann der erforderliche Raum für den Eingriff von Vorrichtungen in die Abdeckung und den Dichtring über der zweiten Seitenwand sichergestellt werden. In diesem Fall tritt außerdem die durch die Absorption von Gas nach dem Abdichten des piezoelektrischen Resonators verursachte Frequenzabweichung nicht auf, und es werden hervorragende Alterungseigenschaften bei hoher Frequenzstabilität erzielt, da im ersten Hohlraum eine Atmosphäre ohne unerwünschtes Gas gehalten werden kann, wie etwa einem Gas, das beim Verbinden der Abdeckung mit niedrigschmelzendem Glas erzeugt werden kann.

Da bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 5 die Frequenz des piezoelektrischen Resonators, der im ersten Raum abgedichtet ist, über die exklusiven Testanschlüsse präzise gemessen werden kann, bevor die Abdichtung mit Harz der zweiten Zone erfolgt, und die Verdrahtungsmuster nach der Harzabdichtung der zweiten Zone nicht an der Außenseite der Baugruppe freiliegen, besteht keine Gefahr durch eine externe Korrosion oder externes Rauschen, die einen negativen Einfluss ausüben, und die Stabilität der Frequenz und der Schwingungseigenschaften ist sichergestellt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

1(A) eine Draufsicht eines Quarzkristalloszillators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

1(B) einen Längsschnitt des Oszillators von 1(A);

2 eine perspektivische Explosionsansicht einer in 1 dargestellten Basis;

3 einen Graphen, der sowohl für einen Oszillator gemäß der Erfindung als auch einen Oszillator gemäß dem Stand der Technik die Frequenzabweichung von einer vorgegebenen Frequenz als Funktion der angelegten Spannung darstellt;

4 einen Schaltplan einer theoretischen Ersatzschaltung eines Quarzkristallresonators;

5 einen Schaltplan eines tatsächlichen Ersatzschaltungsmodells eines Quarzkristallresonators.

Die 1(A) und (B) sind eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Quarzkristalloszillators, der eine erste Ausführungsform der piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Bei diesem Oszillator sind ein AT-Schnitt-Quarzkristallresonator 2 und ein IC-Chip 3, das eine Schwingschaltung zum Ansteuern desselben bildet, in einem Gehäuse 1 aus einem Isoliermaterial enthalten. Der Resonator 2 dieser Ausführungsform hat eine so genannte umgekehrte Mesastruktur, bei der eine Anregungselektrode 5 in etwa in der Mitte eines vertieften dünnwandigen Teils 4 ausgebildet ist, das sowohl an der Frontfläche als auch an der Rückseite des Resonators unter Bildung eines Rechtecks angeordnet ist und aus dem ein Paar Anschlusselektroden 6 herausgeführt ist.

Das Gehäuse 1 hat eine eine Platine 7 aufweisende Basis aus einem Keramikmaterial, die eine Hauptfläche, d. h. die Oberseite, eine erste Zone 7a zum Anbau des Resonators 2 und eine zweite Zone 7b zur Installation des IC-Chips 3 aufweist. Eine rechteckige erste Seitenwand 9, die die erste Zone 7a einschließt und einen ersten Raum 8 zur Aufnahme des Resonators 2 begrenzt, und eine rechteckige zweite Seitenwand 11, die die zweite Zone 7b einschließt und einen zweiten Raum 10 zur Aufnahme des IC-Chips 3 begrenzt, sind miteinander verbunden und integral auf der Oberseite der Platine 7 angeordnet. Die erste Seitenwand 9 ist höher als die zweite Seitenwand 11 ausgeführt, und eine Metallabdeckung 13 ist luftdicht über einen Dichtring 12 mit dem oberen Ende der Seitenwand 9 verbunden.

Verdrahtungsmuster 14 zum Verbinden des Resonators 2 und des IC-Chips 3 sind auf der Oberseite der Platine 7 ausgebildet und mit externen Anschlüssen auf der anderen Hauptfläche, d. h. der Rückseite der Platine 7, verbunden. Diese Verdrahtungsmuster und externen Anschlüsse werden im Allgemeinen durch Siebdruck von Metallverdrahtungsmaterialien wie W, Mo und dgl. auf der Oberfläche der Keramikplatine ausgebildet und dann mit Ni, Au beschichtet.

Die Verdrahtungsmuster 14 bilden ein Paar Verbindungsanschlüsse 16 für den Resonator 2, der in der ersten Zone 7a angeordnet ist. In etwa rechteckige Elektrodenkontaktflecke 17, die aus einem geeigneten leitenden Material bestehen und auf ihrer Oberfläche vergoldet sind, sind jeweils auf den Verbindungsanschlüssen 16 ausgebildet. Die Anschlusselektroden 6 sind mit einem leitfähigen Kleber 18 auf den entsprechenden Elektrodenkontaktflecken 17 verklebt; der Resonator 2 ist deshalb an einer Seite fixiert und ist nahezu waagrecht und elektrisch angeschlossen gehaltert.

Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Verbindungsanschlüsse 16 direkt im Innern der ersten Seitenwand 9 in der Nähe der zweiten Zone 7b um die Mitte herum angeordnet. Dies gestattet die Minimierung der Verdrahtungslänge zum Anschließen des Resonators 2 und des IC-Chips 3, wodurch der Einfluss von Rauschen und dgl. auf ein Minimum gesenkt wird.

Die Verdrahtungsmuster 14 definieren außerdem Verbindungsanschlüsse (nicht dargestellt) für den IC-Chip, der in der zweiten Zone 7b angeordnet ist. Der IC-Chip 3 ist mit der Oberseite nach unten mit diesen Verbindungsanschlüssen bondiert, z. B. durch ein Flip-Chip-Verfahren. Der IC-Chip kann auch durch Drahtbonden angeschlossen sein, aber das Bonden mit der Oberseite nach unten ist zur Verringerung der Höhe und im Bestreben, die gesamte Baugruppe dünner auszuführen, günstig. Der IC-Chip 3 und die Verdrahtungsmuster 14, die in der zweiten Zone 7b freiliegen, werden mit einer Vergussmasse 19, die in den zweiten Raum 10 gefüllt wird, abgedichtet bzw. vergossen. Dies schützt den IC-Chip und die Verdrahtungsmuster und verhindert Kurzschlüsse durch Fremdstoffe zwischen den Elektroden und der Verdrahtung.

Die Basis der Ausführungsform besteht aus einer laminierten Struktur aus Keramikmaterialschichten wie in 2 dargestellt. Eine Keramikschicht 20 mit einer Öffnung 20a zur Bildung des unteren Teils des ersten Raums und einer Öffnung 20b zur Bildung des zweiten Raums 10 sowie eine Keramikschicht 21 mit einer Öffnung 21a zur Bildung des oberen Teils des ersten Raums 8 sind laminiert und auf der Oberseite der Platine 7 integriert, wo die Verdrahtungsmuster 14 vorgeformt sind. Ferner ist ein Metalldichtring 12 mit der Keramikschicht 21 verbunden. Eine derartige laminierte Struktur ist auf dem Gebiet der Packung piezoelektrischer Vorrichtungen hinreichend bekannt und ist günstig, weil aus großen Keramikschichten zahlreiche Basen gleichzeitig hergestellt werden können.

Der Oszillator der vorliegenden Ausführungsform wird gemäß der folgenden Vorgehensweise zusammengebaut. Zunächst wird die Basis durch Laminieren der Keramikschichten wie oben anhand von 2 beschrieben hergestellt, der Resonator 2 wird auf den Elektrodenkontaktflecken 17 entsprechend den Anschlusselektroden 6 mit dem leitfähigen Kleber 18 verklebt, womit eine Seite des Resonators auf auskragende Art im ersten Raum 8 befestigt ist. Nachdem der leitfähige Kleber 18 vollständig ausgehärtet und jegliches unerwünschte Gas vollständig aus dem ersten Raum entfernt worden ist, wird die Basis in eine Vakuum- oder Stickstoffatmosphäre gelegt, die Abdeckung 13 wird über den Dichtring 12 mit dem oberen Ende der ersten Seitenwand 9 durch Nahtschweißen verbunden, und dann wird der erste Raum 8 in der Vakuum- oder Stickstoffatmosphäre dicht verschlossen. Da die erste Seitenwand 9 höher als die zweite Seitenwand 11 ist, kann der erforderliche Raum für den Eingriff von Vorrichtungen in die Abdeckung 13 und den Dichtring 12 während des Nahtschweißens über der zweiten Seitenwand 11 sichergestellt werden. Außerdem tritt unerwünschtes Gas im Fall der Verbindung der Abdeckung 13 mit einem Harz oder einem niedrigschmelzenden Glas nicht auf, der ersten Raum 8 kann in einer Atmosphäre ohne solches Gas gehalten werden, die durch die Absorption von Gas nach dem Abdichten des Quarzkristallresonators 2 verursachte Frequenzabweichung tritt nicht auf, so dass eine hohe Frequenzstabilität und hervorragende Alterungseigenschaften erzielt werden.

Die Eigenschaften der Grundschwingung des Resonators 2 werden mittels der Verdrahtungsmuster 14 zur Verbindung des IC-Chips 3 gemessen, der in der zweiten Zone 7b angeordnet ist. Dies ermöglicht die frühzeitige Aussonderung minderwertiger Produkte, die die erwünschten Schwingungseigenschaften nicht aufweisen, eine Verbesserung der Ausbeute und insgesamt eine Senkung der Kosten in allen Fertigungsschritten des Oszillators.

Anschließend wird der IC-Chip 3 mit der Oberseite nach unten in der zweiten Zone 7b bondiert. Nachdem die Schwingungseigenschaften des IC-Chips 3 mittels der externen Anschlüsse 15 an der Rückseite der Platine 7 bestätigt und eine Frequenzeinregelung ausgeführt worden ist, indem der IC-Chip 3 wie erforderlich justiert wird, wird ein geeignetes Vergussmaterial 19 in den von der zweiten Seitenwand 11 umgebenen zweiten Raum 10 eingespritzt und der zweite Raum 10 so gefüllt, dass der IC-Chip und der freiliegende Teil der Verdrahtungsmuster perfekt abgedichtet sind. Damit ist ein Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung fertig gestellt.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch einen spannungsgesteuerten variablen Kondensator, der als ein diskretes elektronisches Teil zusätzlich zum IC-Chip 3 in der der zweiten Zone 7b der Platine 7 angebracht und dann auf ähnliche Weise mit harz abgedichtet ist. Damit lässt sich ein spannungsgesteuerter Kristalloszillator erhalten, der dünn ausgeführt und miniaturisiert werden kann und eine hohe Frequenzstabilität und hervorragende Alterungseigenschaften hat wie im Fall der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.

3 zeigt die Ergebnisse der Messung des variablen Betrags der Frequenz (ppm) eines solchen spannungsgesteuerten Kristalloszillators. Die waagrechte Achse gibt die angelegte Spannung (V) (an eine Diode variabler Kapazität angelegte Spannung) an, und die senkrechte Achse die Frequenzabweichung (ppm) = variabler Betrag der Frequenz (&Dgr;F')/2. Im selben Diagramm ist ein Vergleich mit einem Quarzkristalloszillator gemäß dem Stand der Technik, bei dem der Resonator in einem Gehäuse abgedichtet und seine Schwingschaltung mit individuellen diskreten Teilen verbunden ist, dargestellt. Wie zu ersehen ist, steigt beim Oszillator der vorliegenden Erfindung der variable Betrag der Frequenz um ca. 20% steil an, wobei die schwimmende Kapazität aufgrund der Packung und Verdrahtungsmuster wesentlich verringert wird.

Die Frequenzabweichung mit der abgelaufenen Zeit wird gemessen, um die Alterungseigenschaften für denselben spannungsgesteuerten Kristalloszillator der vorliegenden Erfindung zu analysieren. Als Ergebnis werden keine wesentlichen oder nur sehr geringe Änderungen der Frequenz mit der abgelaufenen Zeit festgestellt, und hervorragende Alterungseigenschaften konnten im Vergleich zum Oszillator gemäß dem Stand der Technik bestätigt werden, bei dem der Quarzkristallresonator und der IC-Chip mit der Schwingschaltung in derselben Atmosphäre desselben Gehäuses untergebracht sind.

Eine dritte Ausführungsform unterscheidet sich sowohl von der ersten als auch der zweiten Ausführungsform dadurch, dass die Verdrahtungsmuster 14 Testanschlüsse haben, die ausschließlich für den in der zweiten Zone 7b der Platine 7 angeordneten Resonator 2 verwendet werden. Dadurch, daß diese individuellen Testanschlüsse vorgesehen werden, können die Schwingungseigenschaften des Resonators 2 in einem Zustand gemessen werden, in dem der IC-Chip 3 in der zweiten Zone 7b installiert ist.

Eine vierte Ausführungsform unterscheidet sich von jeder der vorigen Ausführungsformen dadurch, dass die die zweite Zone 7b auf der Oberseite der Platine 7 umgebende zweite Seitenwand 11 entfällt. In diesem Fall sind der IC-Chip 3 und die Verdrahtungsmuster 14, die in der zweiten Zone 7b angeordnet sind, vorzugsweise mit einem Formharz abgedichtet, das eine höhere Viskosität hat als das bei der Ausführungsform von 1 verwendete Vergussmaterial.

Die vorliegende Erfindung eignet sich auch für Resonatoren aus anderen piezoelektrischen Materialien als Quarzkristall.

Die vorliegende Erfindung erzielt die nachstehend beschriebenen speziellen Wirkungen mit der oben beschriebenen Konstruktion.

Da der piezoelektrische Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung luftdicht im ersten Raum verschlossen ist, dessen Atmosphäre von den elektronischen Bauelementen getrennt ist, findet keine Absorption von Gas, das von den elektronischen Bauelementen erzeugt wird, in dieser Atmosphäre statt. Da außerdem der Resonator und die elektronischen Bauelemente direkt an die auf der Platine ausgebildeten Verdrahtungsmustern angeschlossen sind, besteht auch keine Gefahr einer Pseudokapazität, die eine Frequenzabweichung aufgrund der Gasabsorption durch einen solchen piezoelektrischen Resonator und der Verdrahtungsmuster der Baugruppe verursacht. Demzufolge ermöglicht die vorliegende Erfindung eine hohe Frequenzstabilität und gute Alterungseigenschaften sowie eine hochgenaue Frequenzeinstellung durch die Einstellung der elektronischen Bauelemente in der zweiten Zone. Auf diese Weise wird eine oberflächenmontierte piezoelektrische Vorrichtung erhalten, die miniaturisiert und dünn ausgeführt werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere die Vergrößerung der variablen Frequenzbreite, in dem Fall, in dem ein spannungsgesteuerter Hochfrequenzoszillator damit beaufschlagt wird, und ist deshalb zur Verwendung in Kommunikationsmaschinen geeignet.


Anspruch[de]
Piezoelektrische Vorrichtung ein Gehäuse (1) aufweisend, mit

einer Platine (7) mit einem Verdrahtungsmuster (14), die auf einer Hauptfläche derselben ausgebildet ist, und einer ersten Zone (7a) sowie einer zweiten Zone (7b), wobei die erste Zone (7a) von einer auf der Platine (7) angeordneten ersten Seitenwand (9) umgeben ist, so dass ein erster Raum (8) innerhalb der ersten Seitenwand (9) gebildet wird, und einer Abdeckung (13), die mit dem der Platine (7) abgewandten Ende der ersten Seitenwand (9) verbunden ist, um den ersten Raum (8) luftdicht abzuschließen;

einem piezoelektrischen Resonator (2), der mit den Verdrahtungsmustern (14) verbunden und im ersten Raum (8) installiert ist, und

elektronischen Bauelementen, die mit den Verdrahtungsmustern (14) verbunden und in der zweiten Zone (7b) installiert sind, wobei die elektronischen Bauelemente und die Verdrahtungsmuster (14) in der zweiten Zone (7b) mit Harz abgedichtet sind und die zweite Zone (7b) von einer zweiten Seitenwand (11) umgeben ist, so dass ein zweiter Raum (10) zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrahtungsmuster, die erste Zone (7a) und die zweite Zone (7b) auf der einen Hauptfläche ausgebildet sind, und die zweite Seitenwand (11) niedriger ist als die ersten Seitenwand (9).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektronischen Bauelemente eine Schwingschaltung bilden, wobei der Resonator (2) als das die Frequenz bestimmende Element dient. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die elektronischen Bauelemente einen spannungsgesteuerten variablen Kondensator enthalten. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die elektronischen Bauelemente und die Verdrahtungsmuster (14) der zweiten Zone (7b) mit einem Vergussmaterial (19) harzabgedichtet sind, das in den von der zweiten Seitenwand (11) umgebenen Raum eingespritzt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Verdrahtungsmuster (14) Testanschlüsse für den Resonator (2) haben. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Abdeckung (13) aus einem Metallblech besteht und durch Nahtschweißen mit der ersten Seitenwand (9) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die erste Seitenwand (9) durch Auflaminieren einer oder mehrerer Keramikschichten (20, 21) mit einer den ersten Raum (8) auf der Platine (7) bildenden Öffnung (20a, 21a) gebildet wird.






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