JP2009165102A - 圧電発振器および圧電発振器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実装面積を小さくするために小型化を図ることができ、電気的接続の信頼性を向上させることができる圧電発振器および圧電発振器の製造方法を提供すること。
【解決手段】圧電振動片を収容容器３２内に封止した圧電振動子３１と、該圧電振動子を発振させる発振回路を備える半導体装置５１とを備え、前記収容容器の表面に前記半導体装置を接合した構造を備える圧電発振器であって、前記収容容器が、前記半導体装置に接続するための外部接続端子３６，３７を有しており、前記外部接続端子が、前記半導体装置５１を接合する際に、該半導体装置と対向する領域を含み、これに連続して、前記収容容器外面に形成した切除部にまで及ぶ領域に達するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部に圧電振動片を封止した圧電振動子の収容容器に半導体装置を接合した構造の圧電発振器および圧電発振器の製造方法の改良に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、圧電振動子や圧電発振器が広く使用されている。
圧電発振器は、圧電材料で形成した圧電振動片と、半導体装置、すなわちＩＣチップを接合により組み合わせたものである。

特許文献１は、このような圧電発振器の一例を示している。
図１において、水晶発振器は、実装基板２に対して、バンプ６を介してＩＣチップ５が接合されており、このＩＣチップ５の外部接続端子に対して、半田９を介して圧電振動子１が接合されている。
このようにＩＣチップ５と圧電振動子１を縦に重ねて接合するようにすれば、水平方向の大きさをコンパクトにして、実装面積を小さくした圧電発振器（水晶発振器）を提供することができる。

特開２００６−６０６３８

しかしながら、特許文献１に記載したような水晶発振器にあっては、圧電振動子１と接合するためのＩＣチップ５の外部接続端子は、平面的な構造であり、その接合面積も限られている。
このため、電気的接続における信頼性が低いという問題がある。このことは、ＩＣチップと、圧電振動子がより小さく形成されるようになるほど、問題となる。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、実装面積を小さくするために小型化を図ることができ、電気的接続の信頼性を向上させることができる圧電発振器および圧電発振器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
圧電振動片を収容容器内に封止した圧電振動子と、該圧電振動子を発振させる発振回路を備える半導体装置とを有し、前記収容容器の表面に前記半導体装置を接合した圧電発振器であって、前記収容容器は、前記半導体装置に接続する外部接続端子、及び該収容容器の側面に形成された切除部を有しており、前記外部接続端子は、前記収容容器が前記半導体装置と対向する領域、及び前記切除部に形成されており、前記半導体装置は、前記収容容器と対向する面に接続端子を有しており、前記半導体装置の接続端子と、前記収容容器の外部接続端子とは、導電性の材料により接続されていることを特徴とする圧電発振器。
上記構成によれば、圧電振動子に半導体装置を重ねて接合した構成であり、全体としてコンパクトに形成することができる。
また、圧電振動子の収容容器が、前記半導体装置に接続するための外部接続端子を有しており、この外部接続端子が、前記半導体装置を接合する際に、該半導体装置と対向する領域を含み、これに連続して、前記収容容器外面に形成した切除部にまで及ぶ領域に達するように形成されている。
このため、収容容器の外部接続端子に対して、接合のために用いられる半田または導電性接着剤が塗布されると、該半田または導電性接着剤が前記切除部、つまりキャスタレーション部まで回り込んで半田フィレット等を形成することができる。このため、圧電振動片の収容容器と半導体装置の接合が強固となり、電気的接続が確実となる。

［適用例２］
上記構成において、前記収容容器は、複数の前記外部接続端子を有し、該収容容器が前記半導体装置と対向する前記領域において、前記複数の外部接続端子どうしの間に凹部を設けたことを特徴とする。
上記構成によれば、収容容器の外部接続端子どうしの間に凹部が設けられているので、そこに半導体装置を封止するための封止樹脂が回りこんで、接着面積が増加するので、より接合の強度が向上する。
なお、「凹部」とは、「凹み」、「溝」、「スリット」など、半導体装置との間で、封止樹脂が流れ込むことができる構成のものであれば全て含む趣旨である。

［適用例３］
上記構成において前記半導体装置の外側面が、下降するにしたがって、徐々に内側に入り込む傾斜面とされていることを特徴とする。
上記構成によれば、前記外側面が傾斜面とされると、導電性接着剤や半田と接合するための面積が拡大し、一層接合強度が向上する。

［適用例４］
上記構成において、前記圧電振動子は、水晶製の第１および第２の基板と、前記圧電振動片ならびに前記第１および前記第２の基板に接合された枠部が一体に形成された水晶製の基板と、を有することを特徴とする。
上記構成によれば、振動片とその収容容器の材料が同一であるから温度変化による線膨張係数が同じである。したがって、実装時においてリフローの際などの応力以外に、温度の変化による応力が作用することなども防止できる。

［適用例５］
上記構成において、前記圧電振動片は、逆メサ型の振動片であることを特徴とする。
上記構成によれば、第１、第２の基板に挟まれる枠部内側に逆メサ型の振動片を形成しているので、該振動片が励振される上で、第１、第２の基板が接触して該励振の妨げとなることがなく、これら第１、第２の各基板として、振動片側に凹部を形成する等といった特殊な加工を施さない平板な基板を用いることができるという利点がある。

［適用例６］
上基板、下基板、および振動片基板を用意する工程と、前記上基板に複数の切除部を形成する工程と、前記上基板、前記下基板および振動片基板の形状を加工する工程、ならびに電極膜を形成する工程と、前記上基板、前記振動片基板および前記下基板を積層して接合する工程と、前記接合する工程の後に、前記上基板上に複数の半導体装置を接合する工程と、前記積層基板を切断分離し、複数の圧電発振器とする工程とを備えることを特徴とする。
上記構成によれば、上基板、下基板、および振動片基板が、圧電発振器を複数個分離できる大きさであって、このうち、下基板および振動片基板にもそれぞれに必要とされる形状加工および電極膜の形成加工を行う各工程を実行するようにしたので、複数個の圧電発振器を形成するためのプロセスを同時に進行することができ、製造効率が高い。
しかも、前記上基板には前記製品の大きさ単位で必要とされる複数の切除部が形成される。この切除部を形成した個所に関して、収容容器の外部接続端子に対して接合のために用いられる半田または導電性接着剤が塗布されると、該半田または導電性接着剤が前記切除部、つまりキャスタレーション部まで回り込んで半田フィレットを形成することができる。このため、圧電振動片の収容容器と半導体装置の接合が強固となり、電気的接続が確実となる。
さらには、少なくとも３枚の基板を積層して接合後に、前記上基板上に複数の半導体装置の接合を行う半導体装置接合工程を実行しているので、半導体装置の接合作業についても圧電発振器複数個分が同時に行われることになり、製造効率が高い。

図１は、本発明の圧電発振器の第１の実施形態を示す概略断面図であり、図２は収容容器であるパッケージの上面図（平面図）である。
図において、圧電発振器３０は、圧電振動子３１と、この圧電振動子３１のパッケージ３２内に収容した圧電振動片３５を発振させる発振回路を備える半導体装置５１とを接合して形成されている。

この実施形態において、圧電振動子３１は、図１に示すように、第１および第２の基板３３，３４を含む収容容器としてのパッケージ３２と、これら第１および第２の基板３３，３４に挟まれて固定された圧電振動片３５を備えている。
第１および第２の基板３３，３４は、好ましくは、光を透過する平坦な板であり、ガラスか、より好ましくは圧電振動片３５と同じ材料で形成されている。すなわち、この実施形態では、第１および第２の基板３３，３４はともに水晶で形成されていると好ましい。

圧電振動片３５は、圧電材料により形成されている。圧電材料として、例えば、この実施形態では水晶が使用されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。
特に、この圧電振動片３５は矩形の水晶の板の外周縁の厚みを残して、エッチングにより中央部の厚みを薄く加工して振動片本体３９となる励振領域を形成した逆メサ型のＡＴ振動片が使用されている。圧電振動片は、このような形態以外にも、逆メサ型でない矩形（第１および第２の基板の内側に凹状部を形成して励振を可能とした場合）や、音叉型の振動片などを用いることもできる。

圧電振動片３５を、本実施形態のように、逆メサ型のＡＴ振動片とした場合には、該振動片が励振される上で、第１、第２の基板３３，３４は、それぞれ振動片側に凹部を形成する等といった特殊な加工を施さない図示のような平板な基板を用いても、振動片に接触して励振の妨げとなることがない。

第１および第２の基板３３，３４は、圧電振動片３５を間に挟み込んで接合されている。このような接合は種々の接合法により接合できる。例えば、これら第１および第２の基板３３，３４と圧電振動片３５とは、接合面にプラズマを照射することにより活性化表面を発生させる、いわゆる直接接合によって接合したり、金−スズによる合金接合することができる。あるいは、第１および第２の基板３３，３４をガラスとした場合には陽極接合により接合することができる。
圧電振動片３５の励振領域には、その表面と裏面にそれぞれクロム−金メッキなどにより励振電極３６ａ，３７ａが形成されている。

励振電極３６ａは、図１において振動片本体の上面から圧電振動片３５の枠部上面に導電パターンにより延長されており、延長部は、導電部３６ｂとされている。励振電極３７ａは、図１において振動片本体の下面から圧電振動片３５の枠部下面に導電パターンを引き回し、さらに該枠部に形成した切欠き側面などを縦方向に延長した導電パターン３７ｂを形成して、延長端部は、該枠部の上面まで延びて、導電部３７ｃを形成している。

一方、収容容器であるパッケージ３２の第１の基板３３は、図２に示すように、矩形の基板であり、その四隅部には、ドライエッチングやサンドブラスト等の手法により、切除部もしくは欠落部としてのキャスタレーション部３８が形成されている。
この場合、各キャスタレーション部３８は、例えば、図１に示されているように、外方に向かって徐々に下降する傾斜面となっている。
そして、第１の基板３３の上面には、図１および図２を参照して理解されるように、上記した枠部表面の導電部３６ｂ，３７ｃとそれぞれ接続される外部接続端子３６，３７が形成されている。
すなわち、外部接続端子３６，３７は、第１の基板３３の上面において、これに接合される半導体装置５１の後述する貫通電極を形成するなどして設けた端子の直下の位置に設けられている。しかも、この外部接続端子３６，３７は、パッケージ３２を構成する第１の基板３３の上記した各切除部３８の傾斜面に導電パターン３８ｄとして第１の基板３３の下面に到達するまでそれぞれ延長されて、枠部表面の導電部３６ｂ，３７ｃと接続されるようになっている。

半導体装置５１は、所謂ＩＣチップであり、圧電振動子３１の発振回路と温度補償回路とを内臓した半導体素子であり、該圧電振動子３１の動作の温度補償などの機能を発揮するものである。
図１においては、半導体装置５１の上の面が能動面５８であり、下の面が非能動面５７である。図示するように、半導体装置５１の能動面５８には、外部接続端子５６が形成されている。外部接続端子５６は、実装端子として利用されるものであり、この実施形態では、例えば、実装用の半田がプリコートされている。

他方、半導体装置５１の非能動面５７には、能動面５８と接続された接続端子５４，５５が形成されている。貫通電極は、半導体装置５１を形成するシリコン基板を貫通して表裏を電気的に接続するものである。
その形成法を簡単に説明すると、まず、上記シリコン基板の表面全体に、熱酸化等によって酸化シリコンからなる絶縁層を形成する。次に、この絶縁層上にレジストを塗布し、露光・現像処理により所定形状にパターニングする。続いて、このレジストをマスクとして、エッチング処理によりシリコン基板に複数の平面視円形状の溝部を形成する。さらに、この溝部の内壁面を覆う絶縁層を熱酸化法等により形成して、その後、該溝部の内部つまり内壁面を含むシリコン基板の能動面にスパッタ法や真空蒸着法等によって下地層を形成する。
続いて、シリコン基板の能動面５８上にメッキレジストを塗布し、該メッキレジストを上記溝部の周辺のシリコン基板が露出した開口部を有するようにパターニングし、メッキレジストパターンを形成する。このメッキレジストパターンをマスクにしてＣｕ電解メッキ処理し、上記開口部を含む溝部の内部に銅を析出させる。これにより、溝部の内部に銅が充填され、溝部を含む開口部に金属端子が形成される。次いで、メッキレジストパターンをそのままマスクにして、金属端子上に無鉛半田等のろう材からなる接合材を形成する。

次に、メッキレジストパターンをシリコン基板から除去し、該シリコン基板をその裏面側からバックグラインドし、シリコン基板の裏面に金属端子を露出させる。
これにより、金属端子と接合材とからなる複数の貫通電極による接続端子５４，５５を形成することができる。
これにより、半導体装置５１においては、接続端子５４，５５を介して圧電振動片３５の駆動を制御することができる。
なお、半導体装置５１の接続端子５４，５５および実装端子５６を露出した個所以外は、例えばポリイミドなどにより絶縁されている。

さらに、この実施形態では、圧電振動子３１の外部接続端子３６，３７に導電性接着剤もしくは半田５３，５３を塗布し、その上に半導体装置５１を重合載置して、導電性接着剤もしくは半田５３，５３を硬化させている。
ここで、半田５３，５３は、半導体装置５１の実装端子５６にプリコートした半田よりも高融点の半田を用いている。すなわち、圧電発振器３０の実装時のリフロー工程で、圧電振動子３１と半導体装置５１の接合が分離されないためである。
さらに半導体装置５１の実装端子５６，５６を露出させるようにして、それ以外の部分を樹脂モールドすることもできる。これにより、半導体装置５１を空気中の湿気などから保護することができる。モールド樹脂としては、一般的な半導体封止樹脂を用いることができ、例えばエポキシ樹脂を使用することができる。

本実施形態は以上のように構成されており、図１で説明したように、圧電振動子３１に半導体装置５１を重ねて接合した構成なので、全体としてコンパクトに形成することができる。
そして、圧電振動子３１の収容容器としてのパッケージ３２が、外部接続端子３６，３７を有しており、この外部接続端子３６，３７は、半導体装置５１と対向する領域を含み、これに連続して、第１の基板３３に形成した切除部３８にまで及ぶ領域に達する部分３７ｄ，３８ｄを有している。
このため、パッケージ３２の外部接続端子３６，３７に半田または導電性接着剤５３，５３が塗布されると、該半田または導電性接着剤がパッケージ３２の切除部、つまりキャスタレーション部３８，３８まで回り込んで、例えば半田フィレットを形成することができる。このため、圧電振動片の収容容器３２と半導体装置５１の接合が強固となり、電気的接続が確実となる。

図３は、本発明の圧電発振器の第２の実施形態を示す概略断面図である。
図において、図１、図２と共通する構成には同一の符合を付して重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
第２の実施形態の圧電発振器３０−２が、第１の実施形態の圧電発振器３０と相違する点は、半導体装置５１−２の構成である。
この実施形態では、図３において、半導体装置５１−２の外側面が下降するにしたがって、徐々に内側に入り込む傾斜面５１ａとされていることである。
本実施形態は、以上のように構成されており、半導体装置５１−２の外側面が傾斜面５１ａとされたことにより、導電性接着剤や半田５３と接合する面積が拡大し、一層接合強度が向上する。
その他の作用効果は、第１の実施形態と同じである。

図４は、本発明の圧電発振器の第３の実施形態を示す概略断面図であり、図５、図６は、その収容容器であるパッケージの上面図である。
これらの図において、図１、図２と共通する構成には同一の符合を付して重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。

この実施形態は、半導体装置の外形寸法をパッケージよりも小さくした例を示している。
この実施形態では、パッケージ３２の第１の基板３３に設けた複数の外部接続端子である外部接続端子３６，３７の間に、凹部が設けられている。この凹部６１は、第１の基板３３の上面であって、半導体装置５１との対向面に形成されており、図５にそのパッケージ３２の上面図（平面図）が示されている。凹部６１は、種々の形態をとることができるが、この実施形態では、図４の奥行方向に延びる溝であって、該溝の端部が図４に示されているように幅広くされている。

これに対して、図６に示されている溝６１−１にあっては、凹部である溝６１−１の端部は、中間部と同じ幅とされている。また、凹部はこのような溝に限らず、孔のような窪みであったり、複数のスリット等でもよい。
本実施形態は以上のように構成されており、図４において、導電性接着剤や半田３８が該凹部に流れ込むことによって、半導体装置５１の各接続端子５４，５５の内側にも半田フィレットが形成されやすくなり、接合面積が増加して接合強度が向上する。
しかも外部接続端子３６，３７との間で接合面積を増加させつつ、これらの端子間で凹部を形成することで、半田等が触れないようにすることができ、端子間の絶縁を確実にすることができる。その他の作用効果は第１の実施形態と同じである。

（圧電発振器の製造方法）
（形状加工工程）
次に、圧電発振器の製造方法の実施形態を簡単に説明する。
図７に示すように、３枚の基板を用意する。
すなわち、上基板７１と下基板７２と、これらの間に積層固定される振動片基板７３を用意する。各基板の外形寸法は等しく、圧電発振器３０（図１参照）を縦横に複数個分離できる大きさの基板ウエハを用いる。

これら３枚の基板ウエハのうち、少なくとも上基板７１は光透過性のものを用いる。例えば上基板７１と下基板７２とはガラスウエハにより形成することができる。あるいは、３枚の基板ウエハを全て水晶で形成することもできる。３枚の基板を同じ水晶ウエハとすれば、接合後に全ての材料の線膨張係数が一致するので、環境温度の変化によって反りなどを生じることなく、振動片に歪み応力が作用して周波数がずれたりすることがないから好ましい。

３枚の基板ウエハについては、それぞれの基板について形状加工が行われる。
上基板７１に関しては、例えば、ドライエッチングなどの手法により、縦横に分離される各製品（圧電発振器）の個々の四隅部の結合箇所に円形の孔を形成することにより、切除部３８が加工される。
振動片基板７３については、既に説明したように、逆メサ型振動片として励振領域を形成するためにエッチングが行われる。このエッチング加工は振動片基板７３の全体について同時に行われるため、複数もしくは多数の励振領域が同時に形成される。

（電極膜の形成工程）
次に、各基板について、例えば、クロムを下地とし、その上に金メッキを施し、フォトリソ工程を経ることによって、図１で説明した励振電極や外部接続用端子を形成する。
（接合工程）
続いて、図７の矢印に示されているように、上基板７１と下基板７２の間に振動片基板７３を挟みこむようにして、基板材料に応じて既に説明した接合法により３枚の基板を積層状態で接合する。

（半導体装置接合工程）
次いで、図８に示すように、上基板７１の各外部接続端子３６，３７にそれぞれ半田５３を塗布し、その上に予め用意してある半導体装置５１を載置して、該半田５３のリフロー工程を実行する。これによって、ウエハ状の上基板７１に対して、複数または多数の半導体装置５１を同時に接合することができる。
この際、半田５３は各切除部３８にも回り込むので、接合面積が増大し、半田フィレットが適切に形成される。
その後、例えばエポキシ樹脂を適用することにより、上基板７１上で各半導体装置５１が樹脂封止される。
（分離工程）
続いて、図８において、点線Ｃで示すように、個々の製品単位の位置で切断することにより図１の圧電発振器３０を多数個同時に得ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数個の圧電発振器３０を形成するためのプロセスを同時に進行することができ、製造効率が高い。
しかも、上基板７１には製品の大きさ単位で必要とされる複数の切除部３８が複数または多数個同時に形成される。この切除部３８を形成した個所に関して、半田５３が塗布されると、該半田５３が切除部３８まで回り込んで半田フィレットを形成することができる。このため、パッケージ３２と半導体装置５１の接合が強固となり、電気的接続が確実となる。
さらには、３枚の基板を積層して接合後に、上基板７１上に複数の半導体装置５１の接合を行う半導体装置接合工程を実行しているので、半導体装置５１の接合作業についても工程の効率が高い。

図９は、本発明の圧電発振器の第４の実施形態を示す概略断面図である。
図において、図１、図２と共通する構成には同一の符合を付して重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。

この実施形態では、圧電振動子３１−１の収容容器であるパッケージ３２の構成が、第１の実施形態と相違しており、他の構成は同じである。
圧電振動子３１−１は、第２の基板３５−１が、パッケージを構成するための基板であり、圧電振動片を構成していない。
圧電振動片３９−１は、第２の基板３５−１の図において下面に形成した電極部７３に対して、導電性接着剤７４を介して片持ち式に接合されている。この電極部７３は、圧電振動子３１−１の実装端子である外部接続端子３６，３７と、パッケージ３２内を通る導電スルーホールや、キャスタレーションを利用して引き回す導電パターン等（図示せず）により接続されている。

本実施形態は以上のように構成されており、圧電振動子３１−１の構造が第１の実施形態と相違しているが、半導体装置５１との接合構造は同じであるから、共通の作用効果を発揮することができるものである。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
圧電振動片は、図示した形状に限らず、矩形の圧電振動片や音叉型圧電振動片など各種の異なる形態とすることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。 図１の圧電発振器のパッケージの上面図（平面図）。 本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。 本発明の第３の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。 図４の圧電発振器のパッケージの上面図（平面図）。 図４の圧電発振器のパッケージの上面図（平面図）。 図１の圧電発振器の製造方法の実施形態に関する工程図。 図１の圧電発振器の製造方法の実施形態に関する工程図。 本発明の第４の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。

符号の説明

３０・・・圧電発振器、３１・・・圧電振動子、３２・・・収容容器（パッケージ）、３３・・・第１の基板、３４・・・第２の基板、３５・・・圧電振動片、５１・・・半導体装置、３６，３７・・・外部接続端子、３８・・・切除部（キャスタレーション部）

Claims (6)

1. 圧電振動片を収容容器内に封止した圧電振動子と、該圧電振動子を発振させる発振回路を備える半導体装置とを有し、前記収容容器の表面に前記半導体装置を接合した圧電発振器であって、
   前記収容容器は、前記半導体装置に接続する外部接続端子、及び該収容容器の側面に形成された切除部を有しており、
   前記外部接続端子は、前記収容容器が前記半導体装置と対向する領域、及び前記切除部に形成されており、
   前記半導体装置は、前記収容容器と対向する面に接続端子を有しており、
   前記半導体装置の接続端子と、前記収容容器の外部接続端子とは、導電性の材料により接続されている
   ことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記収容容器は、複数の前記外部接続端子を有し、該収容容器が前記半導体装置と対向する前記領域において、前記複数の外部接続端子どうしの間に凹部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記半導体装置の外側面が、下降するにしたがって、徐々に内側に入り込む傾斜面とされていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電発振器。
4. 前記圧電振動子は、水晶製の第１および第２の基板と、前記圧電振動片ならびに前記第１および前記第２の基板に接合された枠部が一体に形成された水晶製の基板と、を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電発振器。
5. 前記圧電振動片は、逆メサ型の振動片であることを特徴とする請求項４に記載の圧電発振器。
6. 上基板、下基板、および振動片基板を用意する工程と、
   前記上基板に複数の切除部を形成する工程と、
   前記上基板、前記下基板および振動片基板の形状を加工する工程、ならびに電極膜を形成する工程と、
   前記上基板、前記振動片基板および前記下基板を積層して接合する工程と、
   前記接合する工程の後に、前記上基板上に複数の半導体装置を接合する工程と、
   前記積層基板を切断分離し、複数の圧電発振器とする工程と
   を備える
   ことを特徴とする圧電発振器の製造方法。

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