JP5025616B2

JP5025616B2 - 電子部品

Info

Publication number: JP5025616B2
Application number: JP2008271963A
Authority: JP
Inventors: 喜和若山
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2020-07-31
Also published as: JP2009016884A

Description

本発明は、キャビティを有する容器内にフリップチップＩＣ素子を収容した電子部品、特に圧電振動子などと組み合わせた発振器などの圧電デバイスに関するものである。

容器の底面に形成したキャビティにバンプを介してフェイスボンディング方式でフリップチップＩＣ素子が実装され、このフリップチップＩＣ素子と容器底面との間隙に樹脂が充填された構造の電子部品が知られている。

例えば、水晶振動子の温度補償を行うためのフリップチップＩＣ素子（以下、単に「ＩＣチップ」という）が実装された温度補償型水晶発振器においては、図８に示すように、セラミック層を多層に積層してなる容器５１のキャビティ５２内に、Ａｕバンプ５３を形成したＩＣチップ５４を、Ａｕバンプ５３がキャビティ５２の底面の電極パッド（図示しない）と接するように収容する。そして、ＩＣチップ５４は、Ａｇペーストによる接着又は超音波による融着等の手段でＡｕバンプ５３及び電極パッドを介して容器５１のキャビティ５２の底面に接合される。このようにフェイスボンディング方式で実装されるのは、近年の電子部品の小型化、薄型化の要請による。

しかし、Ａｇペーストによる接着や超音波による融着などの接合手段だけでは１バンプ当たり約６ｇの重みで剥離してしまうほどに接合強度が乏しいので、接合後に、ＩＣチップ５４とキャビティ５２の底面との間隙にアンダーフィル樹脂と称される収縮率の高い熱硬化性樹脂５５が充填されて樹脂の硬化とともにＩＣチップ５４がキャビティ５２の底面に固定されていた。

尚、水晶振動子は、容器５１のキャビティ５２が形成された面と反対側の面に搭載され、気密的に封止されているが、従来例では図示を省略する。

しかし、容器の薄型化の要請は高まる一方、ＩＣチップ５４を搭載する部分の裏側に存在する構成要素、特に、ＩＣチップ５４搭載前に搭載、気密封止など組み立てを完了させる水晶振動子へのＩＣチップ５４搭載の影響を考慮すると、Ａｇペーストの塗布量や超音波のパワーを小さくして接合することが必要になる。そのため、容器５１にＩＣチップ５４のＡｕバンプ５３を設け、超音波などを加えることにより、接続した後、キャビティ５２内のＩＣチップ５４以外の残部空間にアンダーフィルするための熱硬化性樹脂５５を充填、硬化させていた。

しかし、その後に温度補償型水晶発振器が回路基板にはんだ接合する場合、部品全体を加熱させ、冷却する工程を経るために、熱硬化性樹脂５５が膨張及び収縮する。この時、ＩＣチップ５４の端面とキャビティ５２の容器内壁面５１ａの周囲で形成される領域５０はキャビティ５２底面からその上部空間が開口している図上上側に向けて合成応力Ｔがかかり、ＩＣチップ５４を容器５１に押さえる応力Ｇを弱める方向に働く。これにより、ＩＣチップ５４が歪み、接触が不安定となる場合が起こり、その結果、動作が不安定になり、異常や動作しなくなるという異常が起こることがあった。

本発明は、上述の問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、ＩＣチップの歪みを低減し、ＩＣチップが容器に接合する強度を上げることができる電子部品を提供することにある。

上述の課題を解決するために本発明は、容器のキャビティ内に、該キャビティの底面にフリップチップ実装されたＩＣ素子と該ＩＣ素子の周囲に配置される熱硬化性樹脂とを収容した電子部品であって、前記キャビティは、その開口部よりも下方位置であって且つ前記ＩＣ素子の下面の高さ位置よりも高い位置に前記底面と対向する対向面を有しており、前記キャビティ内の残部空間であって、前記対向面の高さ位置よりも高い位置から前記底面の間に前記熱硬化性樹脂が充填されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記対向面が、前記キャビティの内壁面に沿って周回するように形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記対向面の高さ位置が、前記素子の上面高さ位置と下面高さ位置との間に位置することを特徴とする。

また、本発明は、前記素子が、前記底面にフリップチップ実装されていることを特徴とする。

本発明の構成によれば、キャビティは、その開口部よりも下方位置にキャビティ底面と対向する対向面が設けられる形状であるため、熱が電子部品に加わった場合、キャビティ底面から開口部の方向に生じる応力が溝部の上側壁面からキャビティ底面に向かって生じる応力と打ち消しあう。そのため、最終的にキャビティ底面から開口部に向かって生じる合成応力を弱めることができ、ＩＣチップの湾曲を抑えることができる。

この場合、開口部の面積を従来に比べ、小さくしておけば、結果として、樹脂膨張収縮時の合成応力は大きさは小さくなり、従来の電子部品よりＩＣチップを固定する応力を弱めずにすむ。

本発明によれば、ＩＣチップに従来加わっていた応力による歪みが低減し、さらに、容器に対するＩＣチップの実質的な接合強度を高めることができるので、電子部品の一層の薄型化を安定して達成することができる。

本発明の実施形態を図面とともに説明する。図１は本発明の電子部品の中で温度補償型水晶発振器の断面図であり、図２はそのＩＣチップ側から見た平面図、図３は電子部品のＩＣチップを搭載したキャビティ側を説明するためのＸ−Ｘ線一部断面図、図４はその要部断面図である。

本発明の温度補償型水晶発振器１０は上下に２つのキャビティ２ａ、２ｂを有した断面がＨ型のセラミック容器１と、その容器１の上側キャビティには水晶振動子７が搭載された水晶発振器１１が、下側キャビティには水晶振動子７の発振用ＩＣチップ４が収納されている発振部品収納部１２形成されている。

発振部品収納部１２は、その容器１の構造が各々配線パターンを有し、枠状のセラミック絶縁層１ａ、１ｂと、平板状のセラミック絶縁層１ａが順次積層して枠状のセラミック絶縁層１ａ、１ｂの内周と平板状のセラミック絶縁層１ｃとで囲まれる空間が、ＩＣチップ４を収容するキャビティ２ｂとなる。

本発明では発振部品収納部１２において、図２〜図４に示すように枠状のセラミック層１ａの開口面積は１ｂの開口面積に比較して小さくなっている。これにより、溝部１ｄがキャビティ２の底面２０と容器１の内壁面（セラミック層１ａ〜１ｃの内壁面）との角部に形成されている。なお、溝部１ｄはキャビティ２ｂの外周に周回して形成しても良い。

また、ＩＣチップ４の電極部４ａには予めＡｕバンプ３を形成し、ＩＣチップ４は、このＡｕバンプ３がセラミック絶縁層１ｃ上の電極パッド６にＡｇペーストによる接着又は超音波による融着により接合されることにより、容器１の底面に形成された電極パッド６と電気的に接続される。ＩＣチップ４は、この接合によって機械的にも固定されるが、ＩＣチップ４以外のキャビティ２ｂの残部空間にアンダーフィルするための熱硬化性樹脂５を充填し、加熱し硬化させることに強度面で補強され固定される。

熱硬化性樹脂５としては、例えばエポキシ系であって、粘度３０００ｃｐｓ、線膨張係数３０ｐｐｍ、収縮率１．７％のものが用いられる。熱硬化性樹脂５は、その表面がＩＣチップ４の上面を完全に覆う高さまで、しかもキャビティ２ｂの開口端縁よりも低い高さまで、隙間無く充填される。そして、充填後、一気に樹脂の硬化温度まで昇温する。これにより表面が先に硬化して収縮する応力Ｇが発生し、その応力ＧでＩＣチップ４が容器１のキャビティ部１１の底面２０、即ちセラミック絶縁層１ｃ側に押さえられる。

更に熱硬化性樹脂５の充填量としては、図４に示すように、ＩＣチップ４の端面と容器２の溝部１ｄの最外周壁面１１０ｄとの距離をＢ、溝部１ｄのキャビティ２の底面２０から上面１１１ｄまでの幅をＣとした場合、Ｂ＜Ｃであるのが好ましい。これは、ＩＣチップ４を押さえる応力Ｇと距離Ｂとの関係を考えると、応力Ｇは図５のようにＢが増すに連れて小さくなり、ＢがＣの値を超えると一定になるからである。この理由は、Ｃ×Ｂの長方形の面積Ｓ部分を考えると、その形状がＣ＞Ｂのときは縦長となり、縦方向の収縮力が大きくなり、逆にＣ＜Ｂのときの面積Ｓ部分は横長となり、横方向の収縮力が大きくなるだけで、ＩＣチップ４を押さえる応力Ｇは弱くなる。

また、より好ましいのは、２×Ｂ＜Ｃとなることである。この条件を満足すると、図４に示す合成応力の角度が垂直方向に近づき、即ち、合成応力の方向もほぼ垂直となり、容器の内周壁面に凹部を形成したことによる効果が充分得られるようになる。

また、図６に示すようにＩＣチップの端面と前記容器１のセラミック層１ａの内周壁面との距離をＡとした場合、Ｂ／２＜Ｂ−Ａ＜Ｂ−０．０５（ｍｍ）であるのが好ましい。

これは、ＩＣチップを押さえる応力Ｇを考慮した場合は、上述のようにＢ＜Ｃであればよいのだが、Ｂ／２≧Ｂ−Ａであると、本発明の目的である、樹脂部全体の合成応力の低減を達成しようとした場合、十分な効果が発揮が困難となるため、Ｂ／２＜Ｂ−Ａであることが必要だからである。また、Ｂ−Ａ＜Ｂ−０．０５（ｍｍ）、即ち、Ａ＞０．０５（ｍｍ）については、Ａが０．０５ｍｍより小さいと、現在のアセンブリ技術では、キャビティ２内にＩＣチップ４を収容する際に、ＩＣチップ４がキャビティ２の壁面に接触してＩＣチップ４を安定して収容できず、またＩＣチップ４が欠ける可能性があるからである。

また、図７に示すように、ＩＣチップ４の上面と熱硬化性樹脂５の表面との距離をＤ、ＩＣチップ４とキャビティ２の底面との距離をＦとするとき、応力Ｇは図４のようにＤが増すに連れて大きくなり、ＤがＦと同等のとき最大となる。これは、ＤがＦより大きくなると、ＩＣチップ４の上部にある樹脂の収縮力がＩＣチップ４の下部にある樹脂の収縮力よりも大きくなるからである。

キャビティ２ｂ内には、ＩＣチップ４の他にコンデンサなどの回路素子４ｂが収容される。例えば電子部品１０が水晶振動子であって、ＩＣチップ４が水晶振動子の温度補償に用いられるときは、ＩＣチップ４に集積（ＩＣ）化された発振インバータに供給される電源電圧に重畳する高周波ノイズをカットする必要がある。また、発振インバータの出力信号に直流成分が重畳しないようにする必要もある。外部回路を複雑化することなく、これらの目的を達成するために上記キャビティ２内にコンデンサも実装される。この場合、コンデンサの方がＩＣチップ４よりも薄ければ、樹脂５がＩＣチップ４を覆うと同時にコンデンサをも覆うこととなる。逆にコンデンサの方が厚い場合でもキャビティ２の開口端縁を超えない限り、コンデンサを覆う程度に熱硬化性樹脂５を充填するとよい。

水晶発振器１１は容器１の平板状セラミック基板１ｄにリング状のセラミック層１ｅが積層されており、キャビティ部１１が形成されている。キャビティ部１１の長手方向一端には電極パッド（不図示）が形成され、その電極パッド上に水晶振動子搭載用バンプ１３が形成されており、水晶振動子７が導電性接着部材８を介して水晶振動子搭載用バンプ１３上に接合されている。９はシーム溶接されて気密封止できる蓋体である。

次に、本発明の電子部品の製造方法について説明する。まず、容器１であるセラミックパッケージを用意し、その容器１のＩＣチップ４を搭載するキャビティー２bと、反対側の面に形成されたキャビティー２aの水晶振動子搭載用バンプ１３上に硬化して導電性接着部材８となる導電性樹脂ペーストを供給し、水晶振動子７の引き出し電極が水晶振動子搭載用バンプ１３と接続するように、導電性樹脂ペーストに、水晶振動子７を載置する。そして、導電性樹脂ペーストを硬化して、セラミックパッケージに水晶振動子７を固定する。

次に、水晶振動子７の周波数調整を行う。具体的には、セラミックパッケージのＩＣチップ４を搭載する側の開口周囲に形成した電極パッドにて電源電圧、グラウンド及び測定用プローブを接続し、発振させ、発振周波数を測定しながら、水晶振動子７の励振電極にＡｇ蒸着させる方法やイオンビームを照射する方法により、実質的に励振電極の質量を増加若しくは減少させて、発振周波数の調整を行う。

次に、１５０℃〜２５０℃の熱エージングにより、発振周波数の安定化を行い、その後、金属製蓋体９により気密封止を行う。この時、金属製蓋体９をセラミックパッケージの封止用導体上に載置し、Ｎ2やＨｅなどのガスや真空の雰囲気中にて、シーム溶接などの溶接により、前記金属製蓋体９の周囲にローラヘッドを当接させて溶接を行う。

次に、ＩＣチップ４や電子部品４ａ、４ｂをキャビティ２ａ，２ｂ内に実装を行う。具体的には、まずＩＣチップ４の実装は、ＩＣチップ４に形成した各Ａｕバンプ３と各ＩＣ電極パッドとが合致するように、ＩＣチップ４を位置決め載置し、その後、ＩＣチップ４にＡｇペーストによる接着や超音波による融着などにより互いに接合させる。

また、電子部品４ａ、４ｂの接合は、素子電極パッドにＡｇ粉末などを含む導電性樹脂ペーストを塗布し、電子部品４ａ、４ｂを載置し、導電性樹脂ペーストをキュアーして硬化する。

次に、ＩＣチップ４、電子部品４ａ、４ｂを充填樹脂５で充填・被覆する。具体的には、キャビティ２ｂ内に配置されたＩＣチップ４や電子部品４ａ、４ｂの全体を、一般にアンダーフィルと言われる方法で、前述のように例えばエポキシ系の熱硬化性の樹脂にて完全に覆い、加熱し、硬化する。これにより電子部品１０が構成されることになる。

上述のように、容器１のキャビティ２ｂを形成しているセラミック絶縁層１ａと１ｂは開口面積が１ａのほうが１ｂよりも小さくなっており、そのため、図１に示すように、容器１の断面を見た場合、キャビティ部１１の底面２０に沿って溝部１ｄが形成されている。

従って、従来の容器１を使用した場合、硬化後のアンダーフィル樹脂は、その後の工程にて加熱された場合、結局、その後再度冷却されるため、その際の膨張収縮時に、図９に示すように、合成された応力は、容器の形状により、容器の開口面に対して垂直で、しかも大きな応力が加わることになる。このことにより、この応力が大きくなった場合に、Ａｕバンプにより、それぞれのバンプにつき約６ｇという弱い力で一旦接続されたＩＣチップを歪ませＩＣの接着強度を弱めてしまい、回路として動作異常をきたしたり、導通不良となってしまう場合があった。

しかし、本発明の容器を使用すると、図４に示すように、容器１のキャビティ部１２の底面２０に沿って溝部１ｄが形成されており、溝部１ｄの上面１１１ｄからの応力が加わることになり、全体として合成された応力を低減させることができる。これにより、ＩＣチップを歪ませる応力も低減させることができ、動作異常や接続不良を防ぐことができるようになる。

また、この場合、容器を仕切りとしてキャビティの反対側の水晶振動子搭載用バンプ１３に導電性接着部材８により水晶振動子７が搭載され、金属製蓋体９により気密封止されている。このような構成であり、キャビティをマザーボード側に向けてマザーボードに実装されるため、樹脂５をアンダーフィルするときに、同時にコンデンサを覆うことによりコンデンサ電極とボードの配線との短絡が防止されるという効果も得られる。

以上のように、本発明によれば、ＩＣチップに従来加わっていた応力による歪みを低減し、さらに、容器に対するＩＣチップの実質的な接合強度を高めることができるので、電子部品の一層の薄型化を安定して達成することができる。

本発明の電子部品である温度補償型水晶発振器の全体を示す中央断面図である。本発明の電子部品である温度補償型水晶発振器のＩＣチップ側から見た上面図である。本発明の電子部品である温度補償型水晶発振器の発振部品収納部を説明する図２のＸ−Ｘ線要部断面図である。本発明の電子部品である温度補償型水晶発振器の発振部品収納部の溝部を拡大した要部断面図である。熱硬化性樹脂によりＩＣチップと溝部の最外周壁面との距離ＢとＩＣチップに働く応力Ｇとの関係を示すグラフである。熱硬化性樹脂によりＩＣチップと溝部の最外周壁面との距離ＢとＩＣチップと容器の内周壁面との距離Ａの差（Ｂ−Ａ）と合成応力との関係を示すグラフである。ＩＣチップを押さえる応力と熱硬化性樹脂が占める距離Ｆ、Ｄとの関係を示すグラフである。従来の電子部品である温度補償型水晶発振器の発振部品収納部を説明する要部断面図である。従来の発振部品収納部の溝部を説明する図である。

符号の説明

１，５１・・・容器
２，５２・・・キャビティ
３，５３・・・バンプ
４，５４・・・ＩＣチップ
５，５５・・・樹脂
１０・・・電子部品

Claims

容器のキャビティ内に、該キャビティの底面にフリップチップ実装されたＩＣ素子と該ＩＣ素子の周囲に配置される熱硬化性樹脂とを収容した電子部品であって、
前記キャビティは、その開口部よりも下方位置であって且つ前記ＩＣ素子の下面の高さ位置よりも高い位置に前記底面と対向する対向面を有しており、前記キャビティ内の残部空間であって前記対向面の高さ位置よりも高い位置から前記底面の間に前記熱硬化性樹脂が充填されていることを特徴とする電子部品。
請求項１に記載の電子部品であって、
前記対向面は、前記キャビティの内壁面に沿って周回するように形成されていることを特徴とする電子部品。
請求項１に記載の電子部品であって、
前記対向面の高さ位置は、前記ＩＣ素子の上面高さ位置と下面高さ位置との間に位置することを特徴とする電子部品。