温度制御発振器
【課題】 小型化および低消費電力化を促進しつつ、外気温の変化に対する周波数安定性を向上させる。
【解決手段】 半導体チップ４には、弾性表面波装置１１、弾性表面波装置１１が組み込まれた発振ループを構成する発振回路１２および弾性表面波装置１１を含む発振回路１２の温度を制御する温度制御回路１３が設けられ、発振回路１２の定常動作時において、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とが使用温度範囲内で平衡するように構成された容器１に半導体チップ４を封入するとともに、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータ１３ｃを動作させることで、発振回路１２の温度を一定に保つようにする。
【解決手段】 半導体チップ４には、弾性表面波装置１１、弾性表面波装置１１が組み込まれた発振ループを構成する発振回路１２および弾性表面波装置１１を含む発振回路１２の温度を制御する温度制御回路１３が設けられ、発振回路１２の定常動作時において、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とが使用温度範囲内で平衡するように構成された容器１に半導体チップ４を封入するとともに、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータ１３ｃを動作させることで、発振回路１２の温度を一定に保つようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は温度制御発振器に関し、特に、発振器の温度制御方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の水晶発振器では、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を高める一方で、立ち上がり時間が短く、しかも小型化および低消費電力化を図るために、ケーシングを構成する基台と蓋とを金属で形成するとともに内部を気密構造とし、かつケーシングの外壁に断熱材を部分的かつ分散して貼り付け、この薄い断熱材によりケーシングの等価熱伝達抵抗を調整する方法がある（特許文献１）。
【０００３】
また、水晶振動子と発振回路とに対して相対する形態で、膜抵抗が形成されたヒータをプリント基板全体に網羅することにより、水晶振動子と発振回路とを同時に温度制御可能としつつ、周波数安定性を向上させるとともに、金属ブロックを使用することなく、小型・軽量化を図るようにした方法がある（特許文献２）。
【特許文献１】特開平７−５０５２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、水晶振動子、発振回路およびヒータ電力制御回路がプリント板を介して別個に実装され、熱伝達効率が悪く、小型化も図れないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、小型化および低消費電力化を促進しつつ、外気温の変化に対する周波数安定性を向上させることが可能な温度制御発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、発振回路が形成された半導体チップと、前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータにて発振回路を加熱することなく、発振回路の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【０００６】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定された発振回路と、前記発振回路の温度を制御する温度制御回路と、前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、外気温が下がった時に、発振回路が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータを動作させることで、発振回路の温度を一定に保つことができる。このため、ヒータの動作を最小限に抑えることが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【０００７】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、発振回路が形成された半導体チップと、前記半導体チップに搭載された温度制御回路と、前記温度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路、温度制御回路およびヒータを同一の半導体チップ上に搭載することができ、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。また、半導体チップの熱伝導率を向上させることが可能となり、温度制御回路の制御による発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【０００８】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことが可能となるとともに、発振器の全ての構成要素を半導体チップ上に作り込むことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータにて発振回路を加熱することなく、発振回路の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、温度制御発振器の小型化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、前記半導体チップに形成され、前記発振器の温度を制御する温度制御回路と、温前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、発振器の全ての構成要素を半導体チップ上に作り込むことが可能となるとともに、発振器、温度制御回路およびヒータを同一の半導体チップ上に搭載することができる。このため、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。また、半導体チップの熱伝導率を向上させることが可能となるとともに、弾性表面波装置の近傍に発熱体を配置することが可能となり、温度制御回路の制御による発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記発振器は、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定されていることを特徴とする。
これにより、ヒータの動作を最小限に抑えることを可能としつつ、発振回路の温度を一定に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記半導体チップが収容され、前記発振器からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記弾性表面波装置は２次の温度特性を持ち、頂点温度が前記発振器の使用温度範囲内に設定されていることを特徴とする。
これにより、温度変動に対する弾性表面波装置の周波数偏差が最も少なくなるように弾性表面波装置を動作させることができ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る温度制御発振器について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の概略構成を示す断面図である。
図１において、半導体チップ４には、弾性表面波装置１１、弾性表面波装置１１が組み込まれた発振ループを構成する発振回路１２および弾性表面波装置１１を含む発振回路１２の温度を制御する温度制御回路１３が設けられている。そして、半導体チップ４上には、弾性表面波装置１１、発振回路１２および温度制御回路１３との間で外部配線を行うためのパッド電極５が形成されている。
【００１４】
図２は、図１の半導体チップ４のレイアウト構成を示す斜視図である。
図２において、弾性表面波装置１１、発振回路１２および温度制御回路１３が半導体チップ４上にレイアウトすることができる。なお、弾性表面波装置１１には、圧電体上に形成されたＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）電極が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。なお、ＩＤＴ電極は、互いにかみ合うように配置された１組の櫛形電極にて構成することができる。
【００１５】
図３は、図１の温度制御回路１３の構成例を示すブロック図である。
図３において、温度制御回路１３には、発振回路１２の温度を検出する温度センサ１３ａ、温度センサ１３ａの計測値に基づいてヒータ１３ｃの動作を制御する制御部１３ｂおよび発振回路１２を加熱するヒータ１３ｃが設けられている。ここで、温度センサ１３ａ、制御部１３ｂおよびヒータ１３ｃは半導体チップ４に作り込むことができ、温度センサ１３ａとしては、例えば、抵抗またはダイオード、ヒータ１３ｃとしては、例えば、抵抗を用いることができる。なお、温度センサ１３ａは、半導体チップ４に複数配置するようにしてもよい。
【００１６】
そして、図１において、容器１には、半導体チップ４が封入されている。ここで、容器１には、半導体チップ４との間で内部配線を行うための内部電極２、容器１の外部配線を行うための外部電極３、半導体チップ４を支持する支持部７が設けられている。そして、半導体チップ４は、支持部７を介して容器１内に収容され、半導体チップ４のパッド電極５は、ボンディングワイヤ６を介して内部電極２と接続されている。
【００１７】
そして、発振回路１２の定常動作時において、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とが使用温度範囲内で平衡するように容器１を構成することができる。なお、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とを使用温度範囲内で平衡させるために、容器１を断熱性の材料にて構成するとともに、容器１内を負圧にするか、あるいはＡｒやＣＯ2などの空気よりも熱伝導率の低い気体を封入することが好ましい。
【００１８】
これにより、発振回路１２自体からの発熱によって発振回路１２の温度を使用温度範囲内に保つことが可能となるとともに、発振器の全ての構成要素を半導体チップ４上に作り込むことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータ１３ｃにて発振回路１２を加熱することなく、発振回路１２の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、温度制御発振器の小型化を図ることができる。
【００１９】
そして、温度センサ１３ａは、発振回路１２の温度を検出し、発振回路１２の温度が下がった場合、制御部１３ｂはヒータ１３ｃを駆動することにより、発振回路１２の温度を一定に保つことができる。ここで、発振回路１２を設計する場合、発振回路１２の使用温度範囲の上限値において放熱量と平衡するように発熱量を設定することが好ましい。
これにより、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータ１３ｃを動作させることで、発振回路１２の温度を一定に保つことができる。このため、ヒータ１３ｃの動作を最小限に抑えることが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００２０】
また、エポキシ系多層基板の熱伝送率が約３Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、Ｓｉの熱伝送率が約１６８Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、弾性表面波装置１１、発振回路１２、温度制御回路１３を同一の半導体チップ４上に搭載することにより、半導体チップ４で発生した熱を効率よく伝導させることができ、発振回路１２をヒータ１３ｃにて効率よく加熱することが可能となるとともに、温度制御回路１３の制御による発振回路１２の温度追従性を向上させることができる。この結果、温度制御発振器の消費電力の増大を抑制しつつ、発振回路１２の温度を精度よく制御することができ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となる。
【００２１】
図４は、温度制御発振器の放熱量と外気温との関係を示す図である。
図４において、図１の容器１、封入気体、ボンディングワイヤ６および支持部７などの半導体チップ４以外の熱伝達係数および熱伝導率を合わせてＫとし、外気温をＴout、半導体チップ４の温度をＴsawとすると、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutは、発振回路１２の定常動作時では、以下の（１）式のようになる。
【００２２】
Ｑout＝Ｋ（Ｔsaw−Ｔout） ・・・（１）
そして、発振回路１２が発生する発熱量をＱIC、ヒータ１３ｃが発生する発熱量をＱheaterとすると、平衡状態では、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutは、発振回路１２が発生する発熱量をＱICと、ヒータ１３ｃが発生する発熱量をＱheaterとの合計に等しくなる。ここで、発振回路１２の使用温度範囲の上限値Ｔmaxにおいて、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutが発振回路１２の発熱量ＱICと平衡するように発振回路１２を設計し、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量ＱICの不足分が補われるようにヒータ１３ｃの発熱量Ｑheaterを制御することが好ましい。る。これにより、ヒータ１３ｃの動作を最小限に抑えることを可能としつつ、発振回路１２の温度を一定に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００２３】
また、熱伝達係数Ｋを小さくすることにより、発振回路１２の発熱量ＱICおよびヒータ１３ｃの発熱量Ｑheater減らすことが可能となり、消費電力を低減させることができる。ここで、発振回路１２の発熱量ＱICが最小になるように設計した時に、放熱量Ｑoutと発熱量ＱICとが平衡する温度が上限値Ｔmaxに等しくなるように、熱伝達係数Ｋを調整することが好ましい。
【００２４】
さらに、弾性表面波装置１１の温度特性を調整することにより、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることもできる。
図５は、一実施形態に係る弾性表面波装置の温度特性の調整方法を示す図である。
図５において、図２の弾性表面波装置１１には、２次の温度特性を持たせることができる。そして、弾性表面波装置１１の頂点温度が半導体チップ４の温度Ｔsawと等しくなるように、弾性表面波装置１１の温度特性を調整することができる。
【００２５】
これにより、温度変化に対する弾性表面波装置１１の周波数変動が最も小さくなる範囲内で弾性表面波装置１１を動作させることができる。このため、外気温の急激な変化によって弾性表面波装置１１の温度が揺らいだ場合においても、温度変化に対する弾性表面波装置１１の周波数変動を抑制することができ、弾性表面波装置１１の周波数安定性を向上させることが可能となる。
【００２６】
図６は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第１構成例を示す断面図である。
図６において、半導体基板２１の一部の領域には素子形成領域２２が設けられ、素子形成領域２２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域２２が設けられた半導体基板２１上には層間絶縁膜２３が形成され、層間絶縁膜２３には、素子形成領域２２に接続された配線層２４が形成されている。また、層間絶縁膜２３上には、配線層２４に接続されたパッド電極２５が形成されている。そして、素子形成領域２２に形成された素子および配線層２４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる。なお、半導体基板２１の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅなどを用いることができる。
【００２７】
また、半導体基板２１上には、素子形成領域２２を避けるようにして、ＳｉＯ2層２６およびＺｎＯ層２７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層２７上には、ＩＤＴ電極２８が形成されている。そして、パッド電極２５および配線層２４を介して、ＩＤＴ電極２８を素子形成領域２２に接続することにより、半導体基板２１上に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【００２８】
図７は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第２構成例を示す断面図である。
図７において、半導体基板３１には素子形成領域３２が設けられ、素子形成領域３２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域３２が設けられた半導体基板３１上には層間絶縁膜３３が形成され、層間絶縁膜３３には、素子形成領域３２に接続された配線層３４が形成されている。また、層間絶縁膜３３上には、配線層３４に接続されたパッド電極３５が形成されている。そして、素子形成領域３２に形成された素子および配線層３４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる
そして、層間絶縁膜３３上には、パッド電極３５を避けるようにして、ＳｉＯ2層３６およびＺｎＯ層３７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層３７上には、ＩＤＴ電極３８が形成されるとともに、ＩＤＴ電極３８に接続された接続電極３９が形成されている。そして、パッド電極３５および接続電極３９を介してＩＤＴ電極３８を素子領域３２に接続することにより、半導体基板３１上に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【００２９】
ここで、素子形成領域３２上にＩＤＴ電極３８を形成することにより、発振器の全ての構成要素を半導体チップ３１上に作り込むことが可能となるとともに、弾性表面波装置の近傍に発熱体を配置することが可能となる。このため、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【００３０】
図８は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第３構成例を示す断面図である。
図８において、半導体基板５１には素子形成領域５２が設けられ、素子形成領域５２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域５２が設けられた半導体基板５１上には層間絶縁膜５３が形成され、層間絶縁膜５３には、素子形成領域５２に接続された配線層５４が形成されている。また、層間絶縁膜５３上には、配線層５４に接続されたパッド電極５５が形成されている。そして、素子形成領域５２に形成された素子および配線層５４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる
一方、半導体基板５１の裏面には、ＳｉＯ2層５６およびＺｎＯ層５７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層５７上には、ＩＤＴ電極５８が形成されるとともに、ＩＤＴ電極５８に接続された接続電極５９が形成されている。そして、パッド電極５５および接続電極５９を介して、ＩＤＴ電極５８を素子形成領域５２に接続することにより、半導体基板５１の裏面に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の半導体チップのレイアウト構成を示す斜視図。
【図３】図１の温度制御回路の構成例を示すブロック図。
【図４】温度制御発振器の放熱量と外気温との関係を示す図。
【図５】一実施形態に係る弾性表面波装置の温度特性の調整方法を示す図。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第１構成例を示す断面図。
【図７】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第２構成例を示す断面図。
【図８】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第３構成例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１ 容器、２ 内部電極、３ 外部電極、４ 半導体チップ、５ パッド電極、６ ボンディングワイヤ、７ 支持部、１１ 弾性表面波装置、１２ 発振回路、１３ 温度制御回路、１３ａ 温度センサ、１３ｂ 制御部、１３ｃ ヒータ、２１、３１、５１ 半導体基板、２２、３２、５２ 素子形成領域、２３、３３、５３ 層間絶縁膜、２４、３４、５４ 配線層、２５、３５、５５ パッド電極、２６、３６、５６ ＳｉＯ2層、２７、３７、５７ ＺｎＯ層、２８、３８、５８ ＩＤＴ電極、３９、５９ 接続電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は温度制御発振器に関し、特に、発振器の温度制御方法に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の水晶発振器では、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を高める一方で、立ち上がり時間が短く、しかも小型化および低消費電力化を図るために、ケーシングを構成する基台と蓋とを金属で形成するとともに内部を気密構造とし、かつケーシングの外壁に断熱材を部分的かつ分散して貼り付け、この薄い断熱材によりケーシングの等価熱伝達抵抗を調整する方法がある（特許文献１）。
【０００３】
また、水晶振動子と発振回路とに対して相対する形態で、膜抵抗が形成されたヒータをプリント基板全体に網羅することにより、水晶振動子と発振回路とを同時に温度制御可能としつつ、周波数安定性を向上させるとともに、金属ブロックを使用することなく、小型・軽量化を図るようにした方法がある（特許文献２）。
【特許文献１】特開平７−５０５２３号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方法では、水晶振動子、発振回路およびヒータ電力制御回路がプリント板を介して別個に実装され、熱伝達効率が悪く、小型化も図れないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、小型化および低消費電力化を促進しつつ、外気温の変化に対する周波数安定性を向上させることが可能な温度制御発振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、発振回路が形成された半導体チップと、前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータにて発振回路を加熱することなく、発振回路の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【０００６】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定された発振回路と、前記発振回路の温度を制御する温度制御回路と、前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、外気温が下がった時に、発振回路が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータを動作させることで、発振回路の温度を一定に保つことができる。このため、ヒータの動作を最小限に抑えることが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【０００７】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、発振回路が形成された半導体チップと、前記半導体チップに搭載された温度制御回路と、前記温度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路、温度制御回路およびヒータを同一の半導体チップ上に搭載することができ、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。また、半導体チップの熱伝導率を向上させることが可能となり、温度制御回路の制御による発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【０００８】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことが可能となるとともに、発振器の全ての構成要素を半導体チップ上に作り込むことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータにて発振回路を加熱することなく、発振回路の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、温度制御発振器の小型化を図ることができる。
【０００９】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、前記半導体チップに形成され、前記発振器の温度を制御する温度制御回路と、温前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする。
これにより、発振器の全ての構成要素を半導体チップ上に作り込むことが可能となるとともに、発振器、温度制御回路およびヒータを同一の半導体チップ上に搭載することができる。このため、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。また、半導体チップの熱伝導率を向上させることが可能となるとともに、弾性表面波装置の近傍に発熱体を配置することが可能となり、温度制御回路の制御による発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記発振器は、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定されていることを特徴とする。
これにより、ヒータの動作を最小限に抑えることを可能としつつ、発振回路の温度を一定に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記半導体チップが収容され、前記発振器からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする。
これにより、発振回路自体からの発熱によって発振回路の温度を使用温度範囲内に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る温度制御発振器によれば、前記弾性表面波装置は２次の温度特性を持ち、頂点温度が前記発振器の使用温度範囲内に設定されていることを特徴とする。
これにより、温度変動に対する弾性表面波装置の周波数偏差が最も少なくなるように弾性表面波装置を動作させることができ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る温度制御発振器について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の概略構成を示す断面図である。
図１において、半導体チップ４には、弾性表面波装置１１、弾性表面波装置１１が組み込まれた発振ループを構成する発振回路１２および弾性表面波装置１１を含む発振回路１２の温度を制御する温度制御回路１３が設けられている。そして、半導体チップ４上には、弾性表面波装置１１、発振回路１２および温度制御回路１３との間で外部配線を行うためのパッド電極５が形成されている。
【００１４】
図２は、図１の半導体チップ４のレイアウト構成を示す斜視図である。
図２において、弾性表面波装置１１、発振回路１２および温度制御回路１３が半導体チップ４上にレイアウトすることができる。なお、弾性表面波装置１１には、圧電体上に形成されたＩＤＴ（インターデジタルトランスデューサ）電極が設けられるとともに、弾性表面波を反射する反射器電極が設けられている。なお、ＩＤＴ電極は、互いにかみ合うように配置された１組の櫛形電極にて構成することができる。
【００１５】
図３は、図１の温度制御回路１３の構成例を示すブロック図である。
図３において、温度制御回路１３には、発振回路１２の温度を検出する温度センサ１３ａ、温度センサ１３ａの計測値に基づいてヒータ１３ｃの動作を制御する制御部１３ｂおよび発振回路１２を加熱するヒータ１３ｃが設けられている。ここで、温度センサ１３ａ、制御部１３ｂおよびヒータ１３ｃは半導体チップ４に作り込むことができ、温度センサ１３ａとしては、例えば、抵抗またはダイオード、ヒータ１３ｃとしては、例えば、抵抗を用いることができる。なお、温度センサ１３ａは、半導体チップ４に複数配置するようにしてもよい。
【００１６】
そして、図１において、容器１には、半導体チップ４が封入されている。ここで、容器１には、半導体チップ４との間で内部配線を行うための内部電極２、容器１の外部配線を行うための外部電極３、半導体チップ４を支持する支持部７が設けられている。そして、半導体チップ４は、支持部７を介して容器１内に収容され、半導体チップ４のパッド電極５は、ボンディングワイヤ６を介して内部電極２と接続されている。
【００１７】
そして、発振回路１２の定常動作時において、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とが使用温度範囲内で平衡するように容器１を構成することができる。なお、発振回路１２からの発熱量と容器１から放出される放熱量とを使用温度範囲内で平衡させるために、容器１を断熱性の材料にて構成するとともに、容器１内を負圧にするか、あるいはＡｒやＣＯ2などの空気よりも熱伝導率の低い気体を封入することが好ましい。
【００１８】
これにより、発振回路１２自体からの発熱によって発振回路１２の温度を使用温度範囲内に保つことが可能となるとともに、発振器の全ての構成要素を半導体チップ４上に作り込むことができる。このため、外気温が変動した場合においても、ヒータ１３ｃにて発振回路１２を加熱することなく、発振回路１２の温度変動を抑制することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、温度制御発振器の小型化を図ることができる。
【００１９】
そして、温度センサ１３ａは、発振回路１２の温度を検出し、発振回路１２の温度が下がった場合、制御部１３ｂはヒータ１３ｃを駆動することにより、発振回路１２の温度を一定に保つことができる。ここで、発振回路１２を設計する場合、発振回路１２の使用温度範囲の上限値において放熱量と平衡するように発熱量を設定することが好ましい。
これにより、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量の不足分が補われるようにヒータ１３ｃを動作させることで、発振回路１２の温度を一定に保つことができる。このため、ヒータ１３ｃの動作を最小限に抑えることが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００２０】
また、エポキシ系多層基板の熱伝送率が約３Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、Ｓｉの熱伝送率が約１６８Ｗ／ｍ・Ｋである。このため、弾性表面波装置１１、発振回路１２、温度制御回路１３を同一の半導体チップ４上に搭載することにより、半導体チップ４で発生した熱を効率よく伝導させることができ、発振回路１２をヒータ１３ｃにて効率よく加熱することが可能となるとともに、温度制御回路１３の制御による発振回路１２の温度追従性を向上させることができる。この結果、温度制御発振器の消費電力の増大を抑制しつつ、発振回路１２の温度を精度よく制御することができ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となる。
【００２１】
図４は、温度制御発振器の放熱量と外気温との関係を示す図である。
図４において、図１の容器１、封入気体、ボンディングワイヤ６および支持部７などの半導体チップ４以外の熱伝達係数および熱伝導率を合わせてＫとし、外気温をＴout、半導体チップ４の温度をＴsawとすると、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutは、発振回路１２の定常動作時では、以下の（１）式のようになる。
【００２２】
Ｑout＝Ｋ（Ｔsaw−Ｔout） ・・・（１）
そして、発振回路１２が発生する発熱量をＱIC、ヒータ１３ｃが発生する発熱量をＱheaterとすると、平衡状態では、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutは、発振回路１２が発生する発熱量をＱICと、ヒータ１３ｃが発生する発熱量をＱheaterとの合計に等しくなる。ここで、発振回路１２の使用温度範囲の上限値Ｔmaxにおいて、半導体チップ４から外気への放熱量Ｑoutが発振回路１２の発熱量ＱICと平衡するように発振回路１２を設計し、外気温が下がった時に、発振回路１２が発生する発熱量ＱICの不足分が補われるようにヒータ１３ｃの発熱量Ｑheaterを制御することが好ましい。る。これにより、ヒータ１３ｃの動作を最小限に抑えることを可能としつつ、発振回路１２の温度を一定に保つことができ、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることができる。
【００２３】
また、熱伝達係数Ｋを小さくすることにより、発振回路１２の発熱量ＱICおよびヒータ１３ｃの発熱量Ｑheater減らすことが可能となり、消費電力を低減させることができる。ここで、発振回路１２の発熱量ＱICが最小になるように設計した時に、放熱量Ｑoutと発熱量ＱICとが平衡する温度が上限値Ｔmaxに等しくなるように、熱伝達係数Ｋを調整することが好ましい。
【００２４】
さらに、弾性表面波装置１１の温度特性を調整することにより、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることもできる。
図５は、一実施形態に係る弾性表面波装置の温度特性の調整方法を示す図である。
図５において、図２の弾性表面波装置１１には、２次の温度特性を持たせることができる。そして、弾性表面波装置１１の頂点温度が半導体チップ４の温度Ｔsawと等しくなるように、弾性表面波装置１１の温度特性を調整することができる。
【００２５】
これにより、温度変化に対する弾性表面波装置１１の周波数変動が最も小さくなる範囲内で弾性表面波装置１１を動作させることができる。このため、外気温の急激な変化によって弾性表面波装置１１の温度が揺らいだ場合においても、温度変化に対する弾性表面波装置１１の周波数変動を抑制することができ、弾性表面波装置１１の周波数安定性を向上させることが可能となる。
【００２６】
図６は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第１構成例を示す断面図である。
図６において、半導体基板２１の一部の領域には素子形成領域２２が設けられ、素子形成領域２２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域２２が設けられた半導体基板２１上には層間絶縁膜２３が形成され、層間絶縁膜２３には、素子形成領域２２に接続された配線層２４が形成されている。また、層間絶縁膜２３上には、配線層２４に接続されたパッド電極２５が形成されている。そして、素子形成領域２２に形成された素子および配線層２４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる。なお、半導体基板２１の材質としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＺｎＳｅなどを用いることができる。
【００２７】
また、半導体基板２１上には、素子形成領域２２を避けるようにして、ＳｉＯ2層２６およびＺｎＯ層２７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層２７上には、ＩＤＴ電極２８が形成されている。そして、パッド電極２５および配線層２４を介して、ＩＤＴ電極２８を素子形成領域２２に接続することにより、半導体基板２１上に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【００２８】
図７は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第２構成例を示す断面図である。
図７において、半導体基板３１には素子形成領域３２が設けられ、素子形成領域３２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域３２が設けられた半導体基板３１上には層間絶縁膜３３が形成され、層間絶縁膜３３には、素子形成領域３２に接続された配線層３４が形成されている。また、層間絶縁膜３３上には、配線層３４に接続されたパッド電極３５が形成されている。そして、素子形成領域３２に形成された素子および配線層３４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる
そして、層間絶縁膜３３上には、パッド電極３５を避けるようにして、ＳｉＯ2層３６およびＺｎＯ層３７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層３７上には、ＩＤＴ電極３８が形成されるとともに、ＩＤＴ電極３８に接続された接続電極３９が形成されている。そして、パッド電極３５および接続電極３９を介してＩＤＴ電極３８を素子領域３２に接続することにより、半導体基板３１上に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【００２９】
ここで、素子形成領域３２上にＩＤＴ電極３８を形成することにより、発振器の全ての構成要素を半導体チップ３１上に作り込むことが可能となるとともに、弾性表面波装置の近傍に発熱体を配置することが可能となる。このため、温度制御発振器の小型化を図ることが可能となるとともに、発振回路をヒータにて効率よく加熱することが可能となり、消費電力の増大を抑制しつつ、外気温の変化に対する発振周波数の安定性を向上させることが可能となるとともに、発振回路の温度追従性を向上させることを可能として、発振回路の温度を精度よく制御することができる。
【００３０】
図８は、本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第３構成例を示す断面図である。
図８において、半導体基板５１には素子形成領域５２が設けられ、素子形成領域５２にはトランジスタ、抵抗、容量などの素子が形成されている。また、素子形成領域５２が設けられた半導体基板５１上には層間絶縁膜５３が形成され、層間絶縁膜５３には、素子形成領域５２に接続された配線層５４が形成されている。また、層間絶縁膜５３上には、配線層５４に接続されたパッド電極５５が形成されている。そして、素子形成領域５２に形成された素子および配線層５４にて、図２の発振回路１２および温度制御回路１３などを構成することができる
一方、半導体基板５１の裏面には、ＳｉＯ2層５６およびＺｎＯ層５７が順次積層されている。そして、ＺｎＯ層５７上には、ＩＤＴ電極５８が形成されるとともに、ＩＤＴ電極５８に接続された接続電極５９が形成されている。そして、パッド電極５５および接続電極５９を介して、ＩＤＴ電極５８を素子形成領域５２に接続することにより、半導体基板５１の裏面に弾性表面波装置が形成された発振回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の半導体チップのレイアウト構成を示す斜視図。
【図３】図１の温度制御回路の構成例を示すブロック図。
【図４】温度制御発振器の放熱量と外気温との関係を示す図。
【図５】一実施形態に係る弾性表面波装置の温度特性の調整方法を示す図。
【図６】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第１構成例を示す断面図。
【図７】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第２構成例を示す断面図。
【図８】本発明の一実施形態に係る温度制御発振器の第３構成例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１ 容器、２ 内部電極、３ 外部電極、４ 半導体チップ、５ パッド電極、６ ボンディングワイヤ、７ 支持部、１１ 弾性表面波装置、１２ 発振回路、１３ 温度制御回路、１３ａ 温度センサ、１３ｂ 制御部、１３ｃ ヒータ、２１、３１、５１ 半導体基板、２２、３２、５２ 素子形成領域、２３、３３、５３ 層間絶縁膜、２４、３４、５４ 配線層、２５、３５、５５ パッド電極、２６、３６、５６ ＳｉＯ2層、２７、３７、５７ ＺｎＯ層、２８、３８、５８ ＩＤＴ電極、３９、５９ 接続電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振回路が形成された半導体チップと、
前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項２】
使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定された発振回路と、
前記発振回路の温度を制御する温度制御回路と、
前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項３】
発振回路が形成された半導体チップと、
前記半導体チップに搭載された温度制御回路と、
前記温度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項４】
半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、
前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、
前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項５】
半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、
前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、
前記半導体チップに形成され、前記発振器の温度を制御する温度制御回路と、
温前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項６】
前記発振器は、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定されていることを特徴とする請求項５記載の温度制御発振器。
【請求項７】
前記半導体チップが収容され、前記発振器からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載の温度制御発振器。
【請求項８】
前記弾性表面波装置は２次の温度特性を持ち、頂点温度が前記発振器の使用温度範囲内に設定されていることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の温度制御発振器。
【請求項１】
発振回路が形成された半導体チップと、
前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項２】
使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定された発振回路と、
前記発振回路の温度を制御する温度制御回路と、
前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項３】
発振回路が形成された半導体チップと、
前記半導体チップに搭載された温度制御回路と、
前記温度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項４】
半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、
前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、
前記半導体チップが収容され、前記発振回路からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項５】
半導体チップ上に積層された弾性表面波装置と、
前記半導体チップに形成され、前記弾性表面波装置が組み込まれた発振器を構成する帰還回路と、
前記半導体チップに形成され、前記発振器の温度を制御する温度制御回路と、
温前記度制御回路に設けられたヒータとを備えることを特徴とする温度制御発振器。
【請求項６】
前記発振器は、使用温度範囲の上限値において発熱量が放熱量と平衡するように設定されていることを特徴とする請求項５記載の温度制御発振器。
【請求項７】
前記半導体チップが収容され、前記発振器からの発熱量と放熱量とを使用温度範囲内で平衡させる容器とを備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか１項記載の温度制御発振器。
【請求項８】
前記弾性表面波装置は２次の温度特性を持ち、頂点温度が前記発振器の使用温度範囲内に設定されていることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の温度制御発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−６７０８０（Ｐ２００６−６７０８０Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４５１９１（Ｐ２００４−２４５１９１）
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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