JP2013005099A

JP2013005099A - 圧電デバイスとその製造方法

Info

Publication number: JP2013005099A
Application number: JP2011132336A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Harima; 秀典播磨
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2013-01-07
Also published as: US20120319792A1; US8710931B2

Abstract

【課題】容器本体のキャビティに実装するＩＣチップを有機樹脂で保護したことにより生じる出力周波数の変動を抑制し、当該ＩＣチップの実装作業で生じる可能性がある当該ＩＣチップの破損を回避する。
【解決手段】ＩＣチップ８の容器本体１への実装面である一方の面に当該容器本体１の下部キャビティ３の底面に設けられた回路配線パターン７の端子パッドに接続するバンプ９を有するＩＣチップ本体８ａの面とは反対面に絶縁性の保護シート８ｂを貼付して固着した。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電デバイスに係り、特に、封止樹脂に対する外部雰囲気からの湿度の侵入による周波数変動を抑制した表面実装用の圧電デバイスとその製造方法に関する。

水晶発振器に代表される表面実装用の圧電デバイス（本明細書中では水晶発振器あるいは単に発振器と記載する場合もある）は、携帯型の電子機器等における周波数や時間の信号基準源として広く用いられている。この種の表面実装圧電デバイスの一つにＨ構造型が知られている。Ｈ構造型の表面実装用の圧電デバイスは、当該表面実装用の圧電デバイスの容器本体（パッケージ）の縦方向に切断した断面形状をＨ字形として、当該Ｈ字形の上側凹部を上部キャビティとして圧電振動子を設置し、下側凹部を下部キャビティとして温度制御回路あるいは発振回路等を構成するＩＣチップを実装したものである。なお、容器本体に実装するＩＣチップは表面実装型であり、上記圧電振動子とＩＣチップを実装した圧電デバイス（発振器）も又、表面実装型である。

図８は、従来のＨ構造型の表面実装用の圧電デバイスの構成例の説明図である。この構成例では、容器本体１はセラミック構成層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの多層構造からなる。この例では、各構成層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの一面又は両面側には印刷回路が形成されている、所謂、ＨＴＣＣ（ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃｓ：高温共焼成セラミックス）である。なお、セラミック構成層の数はこれに限るものではなく、１層のみの場合もある。その場合は多層構造ではない。なお、セラミックスに形成する配線材料によっては、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｆｉｒｅｄｃｅｒａｍｉｃｓ：低温共焼成セラミックス）を用いることもできる。

Ｈ構造型の表面実装用の圧電デバイスの容器本体１を構成する上部キャビティ２には圧電振動子４が設置されている。この圧電振動子４は、多くは水晶振動子であり、その端子部分を導電性接着剤４ａで上部キャビティ２の内部表面に形成された配線に接続される。この接続部分で圧電振動子４は容器本体１に片持ち固定されている。そして、この上部キャビティ２は、容器本体１の端縁との間に介在させたメタルリング５を介して当該容器本体１に固着された金属材料からなる蓋体６で密封され、外部雰囲気と遮断されている。メタルリング５と蓋体６は、一般的にはセラミックスと熱膨張率が近いコバールが用いられ、銀ロウ５ａにより容器本体１に溶接される。蓋体６はシーム溶接でメタルリング５に固定されている。

容器本体１を構成する下部キャビティ３の底面には、圧電振動子４の発振出力に基づいて所要の周波数出力を作成するため回路等を具備するＩＣチップ８が表面実装されている。なお、このＩＣチップ８が温度制御回路としたものもある。ＩＣチップの表面実装では、その実装面（一方の面）に設けられた半田ボール等からなるバンプ９を下部キャビティ３の底面に形成された回路配線パターン７の端子パッド７ａにフリップチップボンダー又はチップマウンターを用い、超音波圧着などの手段で固定される。

ＩＣチップ８側の回路配線パターンと圧電振動子４側の回路配線パターンとは、容器本体１の構成層１ｂに設けた図示しないビアホールを介して接続されている。また、下部キャビティ３の端縁には、外部回路と表面実装で接続するための端子１０が複数設けられている。この端子１０と容器本体１の回路配線パターンも、当該容器本体１の構成層に設けた図示しないスルーホールあるいはビアホール等で接続されている。

ＩＣチップ８を実装した下部キャビティ３には、下部キャビティ３のＩＣチップ８との実装面との間も含めて、当該ＩＣチップを外部衝撃による破損から保護するための有機樹脂１３が充填されている。この有機樹脂１３としては、エポキシ樹脂が一般的に用いられる。

特開２００４―３５６９１２号公報特開２０１０―２３２８０６号公報特開２０１０―２５２２１０号公報

構成素子を圧電デバイスのキャビティ内に設置する際に、その何れかを樹脂に埋設したり、あるいは樹脂以外の材料の薄膜で被覆する技術は例えば上記の文献に記載がある。すなわち、特許文献１は、圧電デバイスの容器本体に圧電振動子とＩＣチップそれぞれのキャビティを設け、ＩＣチップをエポキシ樹脂で封止した水晶デバイスを開示する。また、特許文献２は、圧電デバイスの容器本体に圧電振動子とＩＣチップそれぞれのキャビティを設け、圧電振動子をフッ素樹脂で保護した状態で実装した発振器を開示する。そして、特許文献３は、上記と同様に圧電振動子とＩＣチップそれぞれを収容するためのキャビティを設け、ＩＣチップを放熱用導体膜で保護した状態で実装した発振器を開示する。

このような構成とした表面実装用の圧電デバイスでは、次に説明するような未解決の問題がある。図９は図８に矢印Ｂで示した部分の要部断面図である。図９において、ＩＣチップ８は容器本体１の下部キャビティ３にエポキシ樹脂等の有機樹脂１３に埋設されて実装されている。図９に両矢印で示したように、ＩＣチップ８と容器本体１との間にある有機樹脂は誘電体であるため、所定の浮遊容量が存在する。設計段階では、この浮遊容量を考慮しているが、当業者によく知られているように、有機樹脂は吸湿性を有しているのが一般的であるため、実装機器の使用環境においては有機樹脂１３に外部雰囲気からの吸湿が生じる。そうすると、上記の浮遊容量が変化する。この浮遊容量の変化はＩＣチップに内蔵、あるいは容器本体に有する回路のパラメータに影響を与える。その結果、圧電デバイスの出力周波数が変動することになる。

また、図１０も図９と同様の図８の要部断面図で、図９で説明した課題とは別の未解決の問題を説明するものである。ＩＣチップ８は容器本体１の下部キャビティ３に表面実装され、その後に有機樹脂１３を下部キャビティ３の内部に流し込んで充填し、下部キャビティ３とＩＣチップ８の間の空間を満たしている。しかし、上記容器本体１の下部キャビティ３にＩＣチップ８を実装する作業において、極く稀ではあるが、ＩＣチップ８の一部が容器本体の角に当たってＩＣチップ８が破損することがある。ＩＣチップ８の破損状態の一例を矢印Ｃで示す。その結果、当該表面実装圧電デバイスは不良品となる確率が高くなる。

本発明の目的は、容器本体のキャビティに実装するＩＣチップを有機樹脂の充填で保護したことにより生じる出力周波数の変動を抑制し、当該ＩＣチップの実装作業で生じる可能性がある当該ＩＣチップの破損を回避した表面実装圧電デバイスとその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による表面実装用の圧電デバイスは、ＩＣチップの容器本体への実装面である一方の面に当該容器本体の下部キャビティの底面に設けられた回路配線パターンの端子パッドに接続するバンプを有する面とは反対面に絶縁性の保護シートを貼付したことを特徴とする。

また、本発明による上記表面実装用の圧電デバイスの製造方法は、前記ＩＣチップを個別に切り出す以前の半導体ウエハを、その積層回路形成面とは反対側の背面を所定の厚みに研磨した後に、前記ウエハの状態のままで前記背面の全面に有機樹脂からなる絶縁性の保護シートを貼り付け、
その後、個別のＩＣチップに切り出して保護シート付ＩＣチップとし、
前記容器本体の前記下部キャビティ内で、前記ＩＣチップの実装面である一方の面に有するバンプを前記容器本体の前記下部キャビティの底面に設けられた回路配線パターンの端子パッドに接続し、
前記ＩＣチップの前記一方の面と前記容器本体との間を含めて前記容器本体と当該ＩＣチップの間に空間を有して、前記保護シートが前記容器本体の外部に露呈した状態に前記下部キャビティに実装することを特徴とする。

ＩＣチップの実装面と容器本体との間に有機樹脂層が存在しないため、周囲雰囲気からの吸湿に起因する浮遊容量の変化が存在せず、したがって発振周波数の変動が抑制され、安定した出力周波数を得ることができる。

また、ＩＣチップの実装面と反対面（背面）に貼付された有機樹脂からなる絶縁性の保護シートは、容器本体へのＩＣチップの実装作業時に、当該ＩＣチップがキャビティの壁面や角部等に接触してもその破損を招くことがない。さらに、キャビティにＩＣチップを設置した後の有機樹脂充填プロセスを省略できるため、全体的なプロセス削減が達成でき、コスト低減に資する。キャビティにＩＣチップを設置した後の有機樹脂充填作業は、個々のＩＣチップごとの充填均一性を確保することが難しい。これに比べてウエハ段階での樹脂シートの貼付は極めて容易であり、厚み自体も均一である。

本発明による表面実装圧電デバイスの実施例１を説明するＨ構造型の表面実装圧電デバイスの縦断面である。図１の矢印Ａで示した部分の要部縦断面図である。本発明による表面実装圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明するＩＣチップのウエハへの樹脂シート材の貼り付け状態の説明図である。図３に示したウエハを個々に分割したＩＣチップの状態を説明する模式図である。本発明による表面実装圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明する斜視図である。本発明による表面実装圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明する図５に続く斜視図である。本発明による表面実装圧電デバイスの実施例２を説明するＨ構造型の表面実装圧電デバイスの縦断面である。従来技術による表面実装圧電デバイスの１例を説明するＨ構造型の表面実装圧電デバイスの縦断面である。図８の矢印Ｂで示した部分の要部縦断面図である。図９と同様の図８の要部断面図である。

以下、実施例の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明による表面実装用の圧電デバイスの実施例１を説明するＨ構造型の表面実装要の圧電デバイスの縦断面である。また、図２は、図１の矢印Ａで示した部分の要部縦断面図である。この実施例では、容器本体１はセラミック構成層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの多層構造からなる。各構成層１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの一面又は両面側には印刷回路が形成されたＨＴＣＣである。容器本体１は上部キャビティ２と下部キャビティ３を有する。

Ｈ構造型の表面実装用の圧電デバイスの容器本体１を構成する上部キャビティ２には圧電振動子４が設置される。この圧電振動子４は、一般的には水晶振動子であり、その端子部分を導電性接着剤４ａで上部キャビティ２の内部表面に形成された配線に接続される。この接続部分で圧電振動子４は容器本体１に片持ち固定されている。このことを強調するため、圧電振動子４を若干斜めに図示してある。そして、この上部キャビティ２は、容器本体１の端縁との間に周回して介在させたメタルリング５を介して当該容器本体１に固着された金属材料からなる蓋体６で密封され、外部雰囲気と遮断されている。メタルリング５と蓋体６は、一般的にはコバールが用いられ、銀ロウ５ａにより容器本体１に溶接されている。蓋体６はメタルリング５にシーム溶接されている。しかし、メタルリング５と蓋体６は、これに限らず、セラミックスと同等の熱膨張率を持つ他の金属材料等を用いてもよい。

一方、容器本体１を構成する下部キャビティ３には、圧電振動子４の発振出力に基づいて所要の周波数出力を作成するため回路等を具備するＩＣチップ８が表面実装されている。ＩＣチップ８は、チップ本体８ａと樹脂シート８ｂで構成される。樹脂シート８ｂは、ＩＣチップを容器本体に実装するバンプ形成面とは反対側の面、すなわち外部に向く背面に貼付して固着されている。本実施例では、この樹脂シート８ｂの材料は熱硬化性のエポキシ樹脂であり、機械的強度の向上、強靭性の確保、温度膨張特性の改善のため、珪素微粒子や珪素フレークなどの無機材料を好適とするフィラーを混入するのが望ましい。なお、この樹脂シートには同様の特性を持つ他の樹脂材料のシートを用いることができることは言うまでも無い。

なお、ＩＣチップ８は発振子４の発振周波数を基に、所望の周波数出力を得るための発振回路、ＰＬＬ回路、逓倍回路、出力回路などで構成されるが、温度制御回路を含む、あるいは温度制御回路のみとすることもできる。容器本体１の下部キャビティ３内に形成された回路パターン７に対するＩＣチップ８の表面実装では、その実装面（一方の面）に設けられたバンプ９を当該下部キャビティ３の底面に形成された回路配線パターン７のパッド７ａに超音波圧着などの固着手段で固定される。

容器本体の下部キャビティ３側に形成するＩＣチップ８側の回路配線パターン７と上部キャビティ２側に形成する圧電振動子４側の回路配線パターン４ｂとは、容器本体１の構成層１ｂに設けた図示しないスルーホールあるいはビアホールを介して接続されている。また、下部キャビティ３の端縁には、外部回路（この圧電デバイスを実装する機器の回路配線パターンの端子パッド）と表面実装で接続するための端子１０が複数設けられている。この端子１０と容器本体１の回路配線パターン４ｂあるいは７との間も、当該容器本体１の構成層に設けた図示しないスルーホールあるいはビアホール等で接続されている。しかし、端子１０の形式はこれに限るものではない。

ＩＣチップ８を実装した下部キャビティ３には、当該下部キャビティ３のＩＣチップ８との実装面との間も含めて、外部雰囲気に露呈されている。すなわち、バンプ９と接続したパッド７ａが配置される部分の空間も外部雰囲気（通常、空気）に晒されている。したがって、この部分での吸湿による浮遊容量の変化は殆ど無いので、前記した従来技術による表面実装用の圧電デバイスにおいて発生する周波数変動は抑制される。

次に、本発明による表面実装用の圧電デバイスの製造方法について、図３乃至図６を参照して説明する。図３は本発明による表面実装用の圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明するＩＣチップの母基板である半導体ウエハ（以下、単にウエハと称する）への樹脂シート材の貼り付け状態の説明図であり、前記した本発明の１実施例に対応する。図４は、図３に示したウエハを個々に分割したＩＣチップの状態を説明する模式図である。このＩＣチップはウエハ１１に既知のプロセスで所要の回路が作り込まれている。

そして、所要の回路が作り込まれ、表面に保護膜の形成等の所定の処理がなされたウエハ１１の裏面（ＩＣチップの背面となる面）に研磨（バックグラインデング）を施して所定の厚みとする。その後、図３(ａ)に示したように、珪素微粒子等のフィラーを混入したエポキシ樹脂の樹脂シート１２を貼り付ける。樹脂シートを貼り付けた状態を図３（ｂ）に示した。

図４の（ａ）に示したように、ウエハ１１からダイシングで個々のチップに分離したＩＣチップ８は、同図（ｂ）に示したように、チップ本体８ａの背面（バンプ９の形成面とは反対面）に樹脂シート８ｂが貼付されている。

図５は、本発明による表面実装用の圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明する斜視図である。図５（Ａ）は圧電デバイスの上側キャビティ部分の構成材を展開して示すもので、容器本体１には上部キャビティ２が形成され、この上部キャビティ２内に設けられた図示しない配線端子に圧電振動子４が導電性接着剤４ａで取り付けられ、金属の蓋体６がメタルリング５を介して固着されることを示す。図５（Ｂ）には上部キャビティ２内に圧電振動子４が設置された状態を示し、図５（Ｃ）に上部キャビティ２を蓋体６で封止した状態を示す。

図６は、本発明による表面実装圧電デバイスの実施例１の製造方法を説明する図５に続く斜視図である。図６（Ｄ）は、容器本体１の下部キャビティ３とＩＣチップ８の実装作業の状態を展開して示す。ＩＣチップ８はＩＣチップ本体８ａとその背面に貼付される樹脂シートを別個に分離して示してある。図６（Ｅ）は下部キャビティ３にＩＣチップ８が実装された状態を示す。

上記した製造方法によれば、ＩＣチップに有機樹脂からなる絶縁性の保護シートを貼付したことにより、容器本体へのＩＣチップの実装作業時に、当該ＩＣチップがキャビティの壁面や角部等に接触してもその破損を招くことがなく、不良品の発生率が低減される。さらに、キャビティにＩＣチップを設置した後の有機樹脂充填プロセスを省略できるため、全体的なプロセス削減が達成でき、コスト低減に資する。

図７は、本発明による表面実装用の圧電デバイスの実施例２を説明するＨ構造型の表面実装圧電デバイスの縦断面である。この実施例は、容器本体を上部キャビティ２が形成された上側容器本体１５と下部キャビティ３が形成された下側容器本体１６とを分離して用意され、両者を接着剤１４で固着して一体化した容器本体１としている。本実施例は、容器本体１の構造が実施例１と異なるのみで、この容器本体１を用いた圧電振動子４の設置、ＩＣチップ８の実装は実施例１と同様である。

実施例２に係る表面実装用の圧電デバイスの効果も実施例１と同様である。また、実施例２に係る表面実装用の圧電デバイスの製造方法も、前記した実施例１の圧電デバイスの製造方法と同様であるので、繰り返しの説明は省略する。

本発明は、上記各実施例で説明した表面実装用の圧電デバイスに限るものではなく、実装したＩＣチップを有機樹脂の充填で保護する構造を有して当該樹脂の吸湿が安定な動作を阻害するような実装デバイス一般に適用できる。

１・・容器本体（パッケージ）、２・・上部キャビティ、３・・下部キャビティ、４・・圧電振動子、４ａ・・導電性接着剤、４ｂ・・回路パターン、５・・メタルリング、６・・蓋体、７・・回路パターン、８・・ＩＣチップ、８ａ・・ＩＣチップ本体、８ｂ・・樹脂シート、９・・バンプ、１０・・端子、１１・・ウエハ、１２・・樹脂シート材、１３・・樹脂、１４・・接着剤、１５・・上側容器本体、１６・・下側容器本体。

Claims

少なくとも、圧電振動子を収容する上部キャビティとＩＣチップを収容する下部キャビティとを有する絶縁性の容器本体と、前記上部キャビティ内に設置された圧電振動子と、前記下部キャビティ内に表面実装されたＩＣチップと、前記上部キャビティを覆って当該キャビティを密閉する蓋体とからなる圧電デバイスにおいて、
前記ＩＣチップは、前記容器本体への実装面である一方の面に前記容器本体の前記下部キャビティの底面に設けられた回路配線パターンに有する端子パッドに接続するバンプを有し、前記一方の面とは反対面である他方の面に貼付された絶縁性の保護シートを具備することを特徴とする圧電デバイス。
請求項１において、
前記容器本体は複数のセラッミックス層からなり、高温共焼成されたセラミックスの多層配線基板であることを特徴とする圧電デバイス。
請求項２において、
前記多層配線基板は、前記上部キャビティ側となる単層又は多層配線基板と前記下部キャビティ側となる単層又は多層配線基板とが同時に高温共焼成された一体の基板であることを特徴とする圧電デバイス。
請求項２において、
前記多層配線基板は、前記上部キャビティ側となる単層又は多層配線基板と前記下部キャビティ側となる単層又は多層配線基板とを別個に高温共焼成した後に両者をそのキャビティ側面の背面側同士を固着して一体化した基板であることを特徴とする圧電デバイス。
請求項１乃至４の何れかにおいて、
前記ＩＣチップを実装した前記容器本体の前記下部キャビティは、外部雰囲気に開放されていることを特徴とする圧電デバイス。
請求項１乃至５の何れかにおいて、
前記蓋体は金属材料の板体であり、前記上部キャビティを形成する前記容器本体の端縁との間に介在させたメタルリングで前記容器本体に固着されていることを特徴とする圧電デバイス。
請求項１乃至６の何れかにおいて、
前記ＩＣチップの前記他方の面に固着される前記保護シートは、エポキシ樹脂を好適とする熱硬化性樹脂で構成されていることを特徴とする圧電デバイス。
請求項７において、
前記熱硬化性樹脂に無機フィラーが均一に分散されていることを特徴とする圧電デバイス。
少なくとも、圧電振動子を収容する上部キャビティとＩＣチップを収容する下部キャビティとを有する絶縁性の容器本体と、前記上部キャビティ内に設置された圧電振動子と、前記下部キャビティ内に表面実装されたＩＣチップと、前記上部キャビティを覆って当該キャビティを密閉する蓋体とからなる圧電デバイスの製造方法において、
前記ＩＣチップを個別に切り出す以前の半導体ウエハを、その積層回路形成面とは反対側の背面を所定の厚みに研磨し、
前記研磨後に、前記ウエハの状態のままで前記研磨した背面の全面に亘って絶縁性シートを貼り付け、
その後、前記絶縁性シート毎に個別のＩＣチップに切り出して保護シート付ＩＣチップとし、
前記容器本体の前記下部キャビティ内で、前記ＩＣチップの実装面である一方の面に有するバンプを前記容器本体の前記下部キャビティの底面に設けられた回路配線パターンの端子パッドに接続し、
前記ＩＣチップの前記一方の面と前記容器本体との間を含めて前記容器本体と当該ＩＣチップの間に空間を有して、前記保護シートが前記容器本体の外部雰囲気に露呈した状態に前記下部キャビティに実装することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
請求項９において、
前記ＩＣチップの前記他方の面に固着されている前記保護シートとして、エポキシ樹脂を好適とする熱硬化性樹脂を用いることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
請求項１０において、
前記熱硬化性樹脂には無機フィラーが均一に分散されていることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。