JP3896792B2 - 電子デバイス及び圧電デバイスのパッケージ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベースにIC(半導体集積回路)チップ等のIC素子を実装して気密に封止する電子デバイスのパッケージ構造に関し、特にIC素子と圧電振動片とを同一パッケージ内に搭載した圧電デバイスのパッケージに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、各種情報・通信機器やOA機器、民生機器等の電子機器に様々な電子デバイス、圧電振動子等の圧電デバイスが使用されている。特に最近は、モバイルコンピュータ、ICカード等の小型情報機器や携帯電話等の通信機器の分野で、装置の小型化・高性能化が著しく、これに対応して圧電デバイスの小型化・薄型化が要求されており、圧電振動片とICチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが開発されている。更に、装置の回路基板への実装に適した表面実装型のデバイスが要求されている。
【0003】
このような表面実装型の圧電デバイスとして、例えば本願出願人による特開平11−163670号公報には、積層構造のセラミック絶縁基板からなるベースにICチップとその上方に圧電振動片とを実装し、かつ金属製蓋を接合して気密に封止したパッケージ構造が記載されている。この圧電デバイスでは、ベースの実装面に形成した電極パターンに、ICチップの電極パッドに形成した金属バンプをフリップチップボンディングにより接続すると共に、更にICチップをより確実に固定しかつ電気的に接続するために、ベース実装面とICチップ下面間のギャップにアンダーフィル材を充填・硬化させる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ICチップのバンプと基板の接続後にアンダーフィル材を用いるフリップチップボンディング方式は、例えば本間良信の論文「フリップチップ用アンダーフィル材料」(電子材料、2000年9月、第36〜40頁)や、蔡錫全の論文「エリアアレイデバイス実装用アンダーフィル封止剤」(電子材料、2000年9月、第42〜48頁)に記載されるように、ICチップと基板間のギャップにアンダーフィル材を流し込む際に空気を巻き込んでボイドを発生する虞がある。更に、圧電デバイスその他電子デバイスの小型薄型化に伴い、前記ギャップが狭小化しまたバンプの狭ピッチ化が著しくなり、アンダーフィル材の使用時にボイドがより発生し易くなる。このボイドは、デバイスの基板実装時にパッケージが加熱されて膨張すると、アンダーフィル材に剥離やクラックを発生させる虞があり、信頼性・耐久性を損なうという問題が生じる。
【0005】
特に上述した特開平11−163670号公報に記載されるようにICチップと圧電振動片とを封止したパッケージ構造の圧電デバイスは、通常シーム溶接やガラス封止により蓋をベースに接合する。圧電デバイスのパッケージは、圧電振動片の腐食等を防止してその動作信頼性を確保するために真空封止することが好ましいが、真空雰囲気内で蓋のシーム溶接又はガラス封止を行うことは、実際上技術的に困難である。
【0006】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、アンダーフィル材を用いたフリップチップボンディングによりIC素子をベースに実装し、かつ該ベースに蓋を接合して気密に封止した電子デバイスにおいて、小型化・薄型化を図りながら、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止し得る信頼性の高いパッケージを提供することにある。
【0007】
更に本発明の目的は、同一パッケージ内にIC素子と圧電振動片とを実装しかつ気密に封止すると共に、アンダーフィル材を用いたフリップチップボンディングによりIC素子をベースに実装した圧電デバイスにおいて、同様に小型化・薄型化を図りながら、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止し得る信頼性の高いパッケージを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、ベースと該ベースに接合された蓋とを有し、その内部にIC素子を気密に封止する電子デバイスのパッケージにおいて、前記ベースには、その実装面にIC素子がフリップチップボンディングにより実装されかつアンダーフィル材で固定され、該実装面には、パッケージの外部に通じるガス抜き孔がIC素子の下側に開設され、かつ、該ガス抜き孔がパッケージ外面において気密に閉塞されていることを特徴とする電子デバイスのパッケージが提供される。
【0009】
このようにベースの実装面にガス抜き孔を設けたことにより、IC素子の下面とベース実装面とのギャップにアンダーフィル材を充填する際に、ギャップ内の空気その他のガスが、ギャップの周囲からだけでなく、ガス抜き孔からも排出されるので、ギャップの狭小化及びバンプの狭ピッチ化に拘わらず、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止することができる。
【0010】
本発明の別の側面によれば、ベースと該ベースに接合された蓋とを有し、その内部にIC素子及び圧電振動片を気密に封止する圧電デバイスのパッケージにおいて、前記ベースには、その実装面にIC素子がフリップチップボンディングにより実装されかつアンダーフィル材で固定され、該実装面には、パッケージの外部に通じるガス抜き孔がIC素子の下側に開設され、かつ、該ガス抜き孔がパッケージの外面側から気密に閉塞されていることを特徴とする圧電デバイスのパッケージが提供される。
【0011】
これにより、ベースにIC素子をフリップチップボンディングにより実装しかつアンダーフィル材で固定する圧電デバイスのパッケージにおいても、その小型薄型化に拘わらず、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止することができる。
【0012】
或る実施例では、前記ベースに更に、IC素子の実装領域以外の領域にパッケージの外部とを連通する封止用孔が設けられ、かつ該封止用孔がパッケージの外面側から気密に閉塞されている。封止用孔は、例えば従来から公知のように、ベースに蓋を気密に接合した後に、乾燥空気雰囲気内、不活性ガス雰囲気内又は真空雰囲気内でその中にAu−Sn等の金属ボールをパッケージの外側から挿入し、加熱して溶着させることにより気密に閉塞することができる。
【0013】
更に或る実施例では、前記ガス抜き孔と封止用孔とがパッケージの外面に設けられた共通の開口に連通している。この場合、前記共通の開口を、例えば上記金属ボールを溶着させる手法によりパッケージの外側から閉塞することにより、従来と同じ1つの工程で両方の孔を同時に閉塞することができる。
【0014】
また、前記ベースが、例えばセラミック材料等の絶縁材料からなる薄板の積層構造であると、圧電振動片及びIC素子を収容するための凹みを有する箱形のパッケージの組立て、並びにベースへの前記両孔の形成を容易に行うことができるので好ましい。
【0015】
また或る実施例では、前記パッケージ内において、圧電振動片がIC素子の上方に配置されており、特に圧電デバイスの小型化に有利である。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1A〜Cは、本発明を適用した圧電デバイスの第1実施例を示している。この圧電デバイスは圧電発振器であり、絶縁材料で形成されたベース1とその上端にシールリング2を介して接合された金属製の蓋3とからなるパッケージ4を有する。パッケージ4内には、ベース1に実装したATカット水晶振動片5とこれを駆動するためのICチップ6とが真空に封止されている。蓋3は、例えばシーム溶接により接合されるが、これはICチップ6や水晶振動片5に高熱が作用しないので好ましい。蓋3がガラス製の場合には、シールリングを用いることなくベース上端に低融点ガラスで直接接合することもできる。
【0017】
ベース1は、セラミック材料からなる絶縁薄板を積層した第1層7〜第5層11からなる概ね矩形箱状の構造を有し、第3層9〜第5層11に形成した開口により、水晶振動片5及びICチップ6を収容するための空所12が画定されている。空所12の底部即ち第3層9の開口により露出する第2層8の表面はICチップの実装面1aを構成し、ICチップを接続するための電極13及び配線パターンが形成されている。この電極及び配線パターンは、一般にW、Mo等の金属配線材料をセラミック薄板表面にスクリーン印刷しかつその上にNi、Auをめっきすることにより形成される。
【0018】
ICチップ6は、その下面に配設した各電極パッドに、はんだ又はAu等の金属バンプ14が形成され、公知のフリップチップボンディングによりそれぞれ対応する前記電極と接続されている。ICチップ6の下面とベースのチップ実装面1aとの狭いギャップにはアンダーフィル材15が充填され、ベースにICチップをより確実に固定し、電気的に接続し、かつその接続部を保護している。チップ実装面1aには、その略中央に開口するガス抜き孔16が、ベース1の第1層7及び第2層8を貫通させて形成されている。ガス抜き孔16は、後述するように充填材17でパッケージの外面側から気密に閉塞されている。
【0019】
アンダーフィル材15は、図2に良く示すように、圧電デバイスの製造過程においてICチップの金属バンプ14を対応する電極13と接続した後、ICチップ6の直ぐ横に配置したディスペンサ18の先端から適量をチップ実装面1aとICチップ下面とのギャップ19に流し込む。ギャップ19内の空気その他のガスはアンダーフィル材15に押し出され、ディスペンサ18とは反対側のギャップの周囲からだけでなくガス抜き孔16からも排出されるので、ギャップ内に残らない。この後、アンダーフィル材15は所定温度で所定時間加熱して硬化させるが、狭小なギャップ又は狭ピッチのバンプ配列であっても、ボイドの発生を有効に防止することができる。アンダーフィル材としては、従来から公知の様々な樹脂材料が使用され、ギャップやICチップの寸法による材料の注入性、フィレットの形成性、硬化後の特性、信頼性等の条件を考慮して適当に選択される。
【0020】
水晶振動片5はICチップ6の直ぐ上方に配置され、その両面に形成した励振電極から基端部に引き出した1対の接続電極20を、ベースの第4層10上面に設けたマウント部の各接続端子21にそれぞれ導電性接着剤22で片持ち式にかつ概ね水平に固定支持され、かつ電気的に接続されている。ベース1には更に、水晶振動片5の自由端の下方位置に、即ち前記チップ実装面以外の領域に開口する封止用孔23が、同様に第1層7〜第3層9を通して形成され、かつ充填材24でパッケージの外面側から気密に閉塞されている。
【0021】
ガス抜き孔16及び封止用孔23は、従来と同様に、充填材として例えばAu−Snはんだ系又は9:1はんだ等の高融点Pb−Snはんだ系材料等で形成された金属ボール17´、24´を使用し、これを各孔のパッケージの外面側の段差16a、23aに載置して、バッチ式の真空封止装置やレーザ装置又は電子ビーム装置等で溶着させることにより閉塞する。特に封止用孔23は、蓋3をベース1に接合し、更に該封止孔を介してイオンビームエッチングにより水晶振動片5の周波数を微調整した後で、最後に真空雰囲気中で閉塞することにより、パッケージ4を真空に封止することができる。
【0022】
図3及び図4は、本発明による圧電デバイスの第2実施例を示している。本実施例は、パッケージのベース1が、第1層7と第2層8との間に同じセラミック材料の絶縁薄板からなる層25を追加した6層構造である。この追加層25には溝26が形成され、それにより封止用孔23をガス抜き孔16に連通させる通路を形成すると共に、ベースの第1層7には、ガス抜き孔16の位置にのみ開口7aが形成され、この共通の開口を介して前記ガス抜き孔及び封止用孔がパッケージ4の外部に連通するようになっている。従って、本実施例では、第1実施例と同様にして充填材17で共通の開口7aを閉塞することにより、両方の孔を同時にかつ1つの工程で封止することができる。
【0023】
また、第1及び第2実施例のいずれにおいても、ベース1がセラミック基板の積層構造で構成されているので、各セラミック基板に適当な開口や溝を形成しかつそれらを組み合わせることにより、ベースにガス抜き孔16、封止用孔23、空所12及び水晶振動片5のマウント部等を簡単に、かつ好適な構造に形成することができる。
【0024】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、これに様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、圧電振動片は必ずしもICチップの上方に配置する必要はなく、両者をベースの同じ実装面に並列に配置しても良い。また、ベースは、箱状でなく平坦な基板であっても良く、これにキャビティ型の蓋を接合してパッケージ内にICチップ等を封止することもできる。また本発明は、水晶以外の圧電材料からなる圧電振動片、音叉型等の異なる構造の圧電振動片、及びSAWデバイス等の様々な圧電デバイスについても同様に適用できる。更に本発明は、圧電デバイス以外に、アンダーフィル材を用いたフリップチップボンディングによりICチップをベースに実装しかつ気密に封止する様々な電子デバイスに適用することができる。
【0025】
【発明の効果】
本発明による電子デバイスのパッケージは、上述したようにベースの実装面に設けたガス抜き孔を用いることにより、アンダーフィル材を充填する際に、IC素子の下面とベース実装面とのギャップから空気その他のガスが完全に排出されるので、ギャップの狭小化及びバンプの狭ピッチ化に拘わらず、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止することができ、小型化・薄型化の要求に対応しつつ、信頼性の高い電子デバイスを実現することができる。
【0026】
また、本発明の圧電デバイスのパッケージによれば、同じくベースの実装面に設けたガス抜き孔を用いることにより、アンダーフィル材を充填する際に、IC素子の下面とベース実装面とのギャップから空気その他のガスが完全に排出されるので、ギャップの狭小化及びバンプの狭ピッチ化に拘わらず、アンダーフィル材におけるボイドの発生を有効に防止することができ、小型化・薄型化の要求に対応しつつ、高性能で信頼性の高い圧電デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】A図は本発明による圧電デバイスの第1実施例を示す平面図、B図はその縦断面図、C図は底面図である。
【図2】ベースとICチップとのギャップにアンダーフィル材の充填過程を示す部分拡大図である。
【図3】本発明の第2実施例による圧電デバイスのベースを示す部分拡大端面図である。
【図4】図4のベースの底面図である。
【符号の説明】
1 ベース
1a チップ実装面
2 シールリング
3 蓋
4 パッケージ
5 水晶振動片
6 ICチップ
7 第1層
7a 開口
8 第2層
9 第3層
10 第4層
11 第5層
12 空所
13 電極
14 金属バンプ
15 アンダーフィル材
16 ガス抜き孔
16a、23a 段差
17 充填材
17´、24´ 金属ボール
18 ディスペンサ
19 ギャップ
20 接続電極
21 接続端子
22 導電性接着剤
23 封止用孔
24 充填材
25 層
26 溝
Claims (3)
- ベースと前記ベースに接合された蓋とを有し、その内部にIC素子及び圧電振動片を気密に封止する圧電デバイスのパッケージにおいて、
前記ベースには、その実装面に前記IC素子がフリップチップボンディングにより実装されかつアンダーフィル材で固定され、前記実装面には、前記パッケージの外部に通じるガス抜き孔が前記IC素子の下側に開設され、
前記ベースには更に、前記IC素子を実装した領域以外の領域に前記パッケージの外部と連通する封止用孔が設けられ、
前記ガス抜き孔と前記封止用孔とが前記パッケージの外面に設けられた共通の開口に連通し、かつ前記共通の開口が前記パッケージの外面側から気密に閉塞されていることを特徴とする圧電デバイスのパッケージ。 - 前記ベースが絶縁材料からなる薄板の積層構造であり、前記積層構造が、前記共通の開口を形成した第1層と、前記ガス抜き孔及び前記封止用孔を形成した第2層と、前記第1層と前記第2層との間に設けられかつ前記ガス抜き孔と前記封止用孔とを連通するための溝を形成した追加層とを有することを特徴とする請求項2に記載の圧電デバイスのパッケージ。
- 前記圧電振動片が、前記IC素子の上方に配置されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の圧電デバイスのパッケージ。
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