JP6919502B2

JP6919502B2 - Ｍｅｍｓ発振器

Info

Publication number: JP6919502B2
Application number: JP2017210307A
Authority: JP
Inventors: 雅樹山下; 徹森脇
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: JP2019083440A

Description

本発明は、ＭＥＭＳ共振子を備えたＭＥＭＳ発振器に関する。

近年、ＭＥＭＳ(Micro Electro-Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術を用いたＭＥＭＳデバイスの開発が広く行われている。ＭＥＭＳ技術とは、シリコンなどの半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現する技術であり、マイクロマシンと呼ばれる場合もある。

このようなＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳデバイスとして、例えば、特許文献１には、ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたセンサチップと、ＩＣチップとを樹脂でパッケージしたデバイスが開示されている。この特許文献１では、その図４に記載されているように、センサチップがフリップチップボンディングされたＩＣチップを、リードフレームに組み付け、センサチップ及びＩＣチップの全体を樹脂モールドしている。

特表２００５−５２８９９５号公報

上記特許文献１のＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたＭＥＭＳ素子であるセンサチップは、ＩＣチップと共に完全に樹脂で覆われているために、温度変化による樹脂の膨張と収縮によって生じる応力と、センサチップの材料である単結晶シリコンと樹脂との線膨張係数の差異により発生する応力とがセンサチップに加わることになり、特に高精度が要求されるアプリケーションではこれらの応力の影響を無視できなくなる。

特に、ＭＥＭＳ素子が、ＭＥＭＳ発振器を構成するＭＥＭＳ共振子（ＭＥＭＳレゾネータ）である場合には、これらの応力が、例えばＭＥＭＳ共振子に歪みを生じさせ、発振振周波数が温度に対して変化する、いわゆる周波数温度特性の本来の特性からの変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性が悪化する等の現象が生じてしまう。

また、ＭＥＭＳ発振器が実装される回路基板からの外部応力の影響もある。

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、外部応力の影響を可及的に低減したＭＥＭＳ発振器を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明のＭＥＭＳ発振器は、収納凹部を有するベースと、発振回路を含む集積回路素子と、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子と、前記収納凹部の開口を閉塞する蓋体とを備え、前記集積回路素子及び前記ＭＥＭＳ素子が収納された前記収納凹部が、前記蓋体によって気密に封止され、少なくとも前記ＭＥＭＳ素子は、その外周面が前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出しており、平面視で、前記集積回路素子の中心が、前記ベースの中心に一致しており、前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子の一方の面の、平面視で前記ＭＥＭＳ素子の中心が前記集積回路素子の前記中心に対してずれた偏心した位置に、接合されている。

本発明のＭＥＭＳ発振器によれば、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子の外周面は、ベースの収納凹部と蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面が樹脂で覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の膨張、収縮による応力を受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子が周囲の樹脂の応力を受けて歪むといったことがなく、ＭＥＭＳ発振器の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

更に、蓋体と共に、パッケージを構成するベースには、温度変化に伴なう膨張と収縮によって応力が生じるが、この応力は、ベースの中心で大きくなる。この応力が大きくなるベースの中心に、集積回路素子の中心は一致しているが、ＭＥＭＳ素子は、集積回路素子の一方の面の偏心した位置、すなわち、集積回路素子の中心からずれた位置に接合されているので、ＭＥＭＳ素子は、応力が集中するベースの中心からずれた位置で集積回路素子に接合されることになる。これによって、ベースから集積回路素子を介してＭＥＭＳ素子に作用する応力を、ＭＥＭＳ素子が偏心していない位置で接合された場合に比べて、低減することができる。

前記ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも前記集積回路素子との接合面以外の面が、前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているのが好ましい。

上記構成によれば、ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも集積回路素子との接合面以外の面が、空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の接合面以外の外周面が完全に樹脂で覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の膨張、収縮による応力を受けることがない。

前記ベースは、硬度が高く耐熱性及び耐腐食性等に優れたセラミック材料からなるのが好ましい。

前記ベースの前記収納凹部の内周壁には、前記収納凹部の底面よりも高い段部が形成されているのが好ましい。

上記構成によれば、ベースに段部が形成されているので、ベースの厚みが増して剛性が高まることになる。これによって、当該ＭＥＭＳ発振器が実装される回路基板等の外部からの応力を低減することができ、ベースの収納凹部に収納されているＭＥＭＳ素子に作用する応力を低減することができる。

また、平面視で、前記集積回路素子の前記中心が、前記収納凹部の前記開口の中心に一致しており、前記収納凹部の前記開口は、平面視で略矩形であり、前記ＭＥＭＳ素子が接合されている前記集積回路素子の前記一方の面は、平面視で矩形であって、該矩形の中心が、前記集積回路素子の前記中心であり、前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子の前記一方の面において、該一方の面の前記矩形の長手方向の端部寄りの位置に接合されているのが好ましい。

前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子の前記一方の面において、該一方の面の前記矩形の中心から偏心した位置である長手方向の端部寄りの位置に接合されているので、ＭＥＭＳ素子は、集積回路素子の中心、したがって、応力が集中するベースの中心である収納凹部の開口の中心から偏心した位置で集積回路素子に接合されている。これによって、ベースから集積回路素子を介してＭＥＭＳ素子に作用する応力を低減することができる。

本発明によれば、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子の外周面は、ベースの収納凹部と蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面が樹脂で完全に覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の温度変化などによる膨張、収縮による応力を受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子が周囲の樹脂の応力を受けて歪むといったことがなく、ＭＥＭＳ発振器の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

また、蓋体と共に、パッケージを構成するベースに生じる応力は、ベースの中心で大きくなり、この応力が大きくなるベースの中心に、集積回路素子の中心は一致しているが、ＭＥＭＳ素子は、集積回路素子の一方の面の偏心した位置、すなわち、中心からずれた位置に接合されているので、ＭＥＭＳ素子は、応力が集中するベースの中心からずれた位置で集積回路素子に接合されることになる。これによって、ベースから集積回路素子を介してＭＥＭＳ素子に作用する応力を、ＭＥＭＳ素子が偏心していない位置で接合された場合に比べて、低減することができる。

図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図である。図２は図１のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。図３は本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図である。図４は図３のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。図５はＭＥＭＳ素子が接合されるＩＣチップの領域を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図であり、図２は、図１のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。

この実施形態のＭＥＭＳ発振器１は、ＭＥＭＳ共振子（ＭＥＭＳレゾネータ）を含むＭＥＭＳ素子２と、発振回路を含む集積回路素子としてのＩＣチップ３と、これらを収納して気密に封止するパッケージ４とを備えている。

パッケージ４は、上部が開口した収納凹部５を有し、ＭＥＭＳ素子２及びＩＣチップ３を収納保持するベース６と、ベース６の上部開口を閉塞して、収納凹部５を気密封止する蓋体としてのリッド７とを備えている。

ベース６は、平面視略矩形であり、アルミナ等のセラミック材料からなり、セラミックグリーンシートを積層して上部が開口した凹状に一体焼成して構成されている。

ベース６の収納凹部５の開口は、平面視略矩形である。この収納凹部５のベース６の長手方向である長辺方向（図１，図２の左右方向）の両端の内周壁に、収納凹部５の底面５ａよりも高い段部５ｂ，５ｃが、ベース６の短辺方向（図２の上下方向）に沿ってそれぞれ設けられている。各段部５ｂ，５ｃの底面５ａからの高さは略等しく、各段部５ｂ，５ｃの上面には、ＩＣチップ３接続用の導体配線パターンからなる複数の接続電極９ｂ，９ｃがそれぞれ形成されている。

このようにベース６の収納凹部５の内周壁には、底面５ａより高い段部５ｂ，５ｃが形成されてベース６が厚くなっているので、段部が形成されていない構成に比べて、ベース６の剛性が高まる。これによって、当該ＭＥＭＳ発振器１が実装される回路基板からの外部応力を低減することができ、ベース６の収納凹部５に収納されているＩＣチップ３及びＭＥＭＳ素子２への外部応力を低減することができる。

ＩＣチップ３は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、ＭＥＭＳ素子２と共に、発振回路を構成する。このＩＣチップ３には、必要に応じてＰＬＬ回路や温度補償回路等が内蔵される。このＩＣチップ３は、平面視矩形である。ＩＣチップ３は、その能動面（上面）とは反対側の非能動面（下面）が、ベース６の収納凹部５の底面５ａに、樹脂系の導電性接着剤１０によって接合されている。この樹脂系の導電性接着剤としては、例えば、ポリイミド系、エポキシ系、あるいは、シリコン系の導電性接着剤などを使用することができる。

ベース６の収納凹部５の底面５ａには、ベタのグランド配線パターン（図示せず）が形成されており、ＩＣチップ３の裏面を、導電性接着剤１０を介してグランド配線パターンに接続し、ＩＣチップ３の裏面の電位をグランド電位に固定している。

ＩＣチップ３の能動面には、その周縁部に、ベース６の上記接続電極９ｂ，９ｃにそれぞれ接続される複数の電極パッド１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、ＩＣチップ３の能動面の中央側には、ＭＥＭＳ素子２を搭載するための図示しない電極パッドが形成されている。

ＩＣチップ３の各電極パッド１１ｂ，１１ｃは、ベース６の段部５ｂ，５ｃ上に形成された対応する接続電極９ｂ，９ｃにボンディングワイヤー１２ｂ，１２ｃによってそれぞれ電気的に接続されている。ボンディングワイヤー１２ｂ，１２ｃの素材としては、信頼性の観点からＡｕが好ましいが、Ｃｕなどであってもよい。

ＭＥＭＳ素子２は、上記のＭＥＭＳ技術を用いて製作された素子であり、非常に小さいので、ＭＥＭＳ発振器１の小型化を図ることができる。

このＭＥＭＳ素子２は、Ｓｉ共振子を含んでおり、可動部分が気密封止されている。この実施形態のＭＥＭＳ素子２は、酸化膜上にシリコン単結晶層を形成した構造のシリコンウェーハであるＳＯＩ（Silicon on Insulator)ウェーハを用いて製作されたものである。

このＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３の外形より小さく、平面視矩形である。ＭＥＭＳ素子２は、その能動面がＩＣチップ３の能動面に対向するように、ＩＣチップ３に接合されている。すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、その能動面の電極パッドとＩＣチップ３の接続パッドとが、金属バンプであるＡｕバンプ１３によってフリップチップ接続されている。金属バンプは、Ａｕバンプに限らず、半田バンプなどであってもよい。

ＭＥＭＳ素子２とＩＣチップ３との間の隙間には、機械的接合強度を向上させるために封止樹脂としてのアンダーフィル樹脂を充填してもよい。

ベース６の接続電極９ｂ，９ｃは、ベース６の内部に形成された図示しない導体配線パターンによって、ベースの下面（外底面）に形成された外部接続端子（図示せず）に接続されている。

リッド７は、例えばコバールなどの金属からなり、矩形の平板となっている。

このリッド７は、コバールなどからなる封止材としての矩形環状のシールリング８によって、ベース６の開口の周縁部にシーム溶接などで接合され、パッケージ４の内部に気密な空間Ｓが形成される。この接合は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行われ、パッケージ４の内部の空間Ｓは、窒素ガス等の不活性ガスが封入または真空とされる。このようにシールリング８を備えているので、シールリングのない構成に比べて、パッケージ４が変形しにくいものとなる。

なお、リッド７には、上記した金属以外に、セラミックス、樹脂、あるいはガラスなどを用いることができ、例えばガラス製のリッドを用いた場合には、低融点ガラスを接合材として用いるなど、リッドの材料に応じて適宜に接合材を選定し、ベース６とリッド７との接合を行うことができる。

この実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子２の外周面、具体的には、ＭＥＭＳ素子２の能動面以外の外周面は、ベース６の収納凹部５とリッド７との接合によって形成される空間Ｓ内に露出している。

このようにＭＥＭＳ素子２の外周面が、空間Ｓ内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面を完全に樹脂で封止して、空間に露出していない上記特許文献１のように、温度変化などによる樹脂の膨張、収縮による応力をＭＥＭＳ素子２が受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子２が、周囲の樹脂の応力によって歪むといった事態を回避することができ、ＭＥＭＳ発振器１の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

また、この実施形態では、ＭＥＭＳ素子２のみならず、ＩＣチップ３の外周も空間Ｓ内に露出しているので、ＩＣチップの外周面を完全に樹脂で封止して、空間に露出していない上記特許文献１のように温度変化などによる樹脂の膨張、収縮による応力をＩＣチップ３が受けることがない。

しかも、ＭＥＭＳ素子２は、ベース６の収納凹部５に固着されたＩＣチップ３上に搭載される、すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３が介在した状態でベース６の収納凹部５内に接合されているので、ＭＥＭＳ素子２とベース６との間には、ＩＣチップ３が介在することになる。これによって、ＭＥＭＳ素子２をベース６に直接接合するのに比べて、ＭＥＭＳ素子２に作用するベース６の応力を一層低減することができ、ＭＥＭＳ素子２の特性変動を低減することができる。

更に、ＩＣチップ３は、樹脂製の導電性接着剤１０によって、ベース６の収納凹部５の底面５ａに接合されるので、ベース６からの応力を緩和することができ、ＩＣチップ３に接合されたＭＥＭＳ素子２に作用する応力を低減することができる。

この実施形態では、ベース６からＩＣチップ３を介してＭＥＭＳ素子２に作用する応力を、一層効果的に低減できるように次のように構成している。

リッド７と共に、パッケージ４を構成するベース６では、熱による膨張、収縮の際の応力は、ベース６の中心、図２の平面図では、略矩形のベース６の中心Ｃ１で大きくなる。

例えば、実装時の半田付けでは、膨張した半田が室温に戻るなかで収縮していくと、内側方向に圧縮する力が作用することになる。このとき、ＭＥＭＳ発振器１は、ＭＥＭＳ素子２の配置を除いて、ベース６の長辺方向（図２の左右方向）及び短辺方向（図２の上下方向）で略対称な構造をしているので、作用する力は、おおよそ中心付近に向かい、ベース６の中心部分に応力が集中しやすく、上記のようにベース６の中心Ｃ１で大きくなる。

収納凹部５は、ベース６の中央部に形成されているので、収納凹部５の平面視略矩形の開口の中心は、ベース６の中心Ｃ１に一致している。

ＩＣチップ３は、収納凹部５の中央部に収納されているので、平面視矩形のＩＣチップの中心は、収納凹部５の開口の中心、すなわち、ベース６の中心Ｃ１に一致している。

ここで、中心が「一致する」とは、完全に一致する場合に限らず、略一致する場合も含む。略一致するとは、中心間の距離が、０．４ｍｍ以内であることをいう。この距離は、ベース６を構成するセラミックグリーンシートの積層ずれやＩＣチップ３の搭載の位置ずれ等を考慮して規定される。

上記のようにベース６の中心Ｃ１に応力が集中するので、ベース６の中心Ｃ１に、その中心が一致するようにベース６の収納凹部５の底面５ａに接合されているＩＣチップ３もその中心Ｃ１に応力が集中する。

そこで、この実施形態では、ベース６からＩＣチップ３を介してＭＥＭＳ素子２に作用する応力を低減するために、ＭＥＭＳ素子２を、ＩＣチップ３の能動面の中心Ｃ１からずれた位置、すなわち、偏心した位置に接合している。

図２に示すように、平面視で矩形のＭＥＭＳ素子２の中心Ｃ２は、平面視で矩形のＩＣチップ３の中心Ｃ１、したがって、平面視で略矩形のベース６の中心Ｃ１からずれた偏心した位置である。

この実施形態では、ＭＥＭＳ素子２の中心Ｃ２は、平面視で矩形のＩＣチップ３の長手方向（図２の左右方向）の一方（左方）の端部寄りの位置であって、かつ、矩形のＩＣチップ３の短手方向（図２の上下方向）の一方（下方）の端部に僅かに寄った位置である。

このようにＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３の偏心した位置、したがって、応力が集中するベース６の中心Ｃ１からずれた位置でＩＣチップ３に接合されるので、ベース６からＩＣチップ３を介してＭＥＭＳ素子２に作用する応力を、ＭＥＭＳ素子２が偏心していない位置で接合された場合に比べて、低減することができる。

（実施形態２）
図３は、本発明の他の実施形態のＭＥＭＳ発振器１_１の断面図であり、図４は、図３のＭＥＭＳ発振器１_１のリッド７を外した状態の平面図であり、上述の実施形態に対応する部分には、対応する参照符号を付す。

この実施形態では、上記実施形態に比べて、ＩＣチップ３_１におけるＭＥＭＳ素子２の接合位置を大きく偏心させている。

図５は、ＭＥＭＳ素子２が接合される平面視矩形のＩＣチップ３_１の領域を示す平面図である。

この実施形態では、ＭＥＭＳ素子２は、図５（ａ）に示すように、ＩＣチップ３の矩形の長辺同士を結ぶ仮想二等分線Ｌ１によって前記矩形を２つの仮想矩形領域Ａ１，Ａ２に区分したときの一方の仮想矩形領域Ａ１内であって、かつ、図５（ｂ）に示すように、前記矩形の短辺同士を結ぶ仮想二等分線Ｌ２によって前記矩形を２つの仮想矩形領域Ｂ１，Ｂ２に区分したときの一方の仮想矩形領域Ｂ２内で、ＩＣチップ３_１に接合されている。

すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、矩形のＩＣチップ３_１を、図５（ｃ）に示すように、直交する２つの仮想二等分線Ｌ１，Ｌ２で４つの仮想矩形領域Ａ１Ｂ１，Ａ２Ｂ１，Ａ１Ｂ２，Ａ２Ｂ２に区分したときに、この例では、左下の一つの仮想矩形領域Ａ１Ｂ２内で接合されている。

この場合、接合されるＭＥＭＳ素子２の中心Ｃ２は、仮想矩形領域Ａ１Ｂ２の矩形の中心よりも、該仮想矩形領域Ａ１Ｂ２を区画するＩＣチップ３_１の長辺（図５（ｃ）の下方の長辺）及び短辺（図５（ｃ）の左方の短辺）の少なくともいずれか一方の辺寄りの位置であるのが好ましい。ＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３_１の各電極パッド１１ｂ，１１ｃと、ベース６の接続電極９ｂ，９ｃとのボンディングワイヤー１２ｂ，１２ｃによる接続に支障とならない位置まで、前記長辺及び前記短辺の少なくともいずれか一方の辺に寄せることができる。

この実施形態によれば、図４に示すように、ＭＥＭＳ素子２の中心Ｃ２は、ＩＣチップ３の中心Ｃ１から大きく偏心した位置となる。したがって、ＭＥＭＳ素子２の中心Ｃ２は、応力が集中するベース６の中心Ｃ１から大きくずれた位置となり、ベース６からＩＣチップ３を介してＭＥＭＳ素子２に作用する応力を一層低減することができる。

その他の構成は、上記実施形態と同様である。

上記各実施形態では、ＭＥＭＳ素子２を、ＩＣチップ３の矩形の長手方向（長辺方向）の端部寄りであって、かつ、矩形の短手方向（短辺方向）の端部寄りの位置に配置したが、ＭＥＭＳ素子２は、長手方向または短手方向のいずれか一方の方向の端部寄りに配置してもよい。

また、矩形は、長方形に限らず、正方形であってもよく、この場合、ＭＥＭＳ素子２は、隣合う二辺の少なくともいずれか一方の辺に沿う方向の端部寄りに配置すればよい。

上記各実施形態では、段部５ｂ，５ｃは１段設けたが、複数段設けてもよい。

１，１_１ＭＥＭＳ発振器
２ＭＥＭＳ素子
３，３_１ＩＣチップ（集積回路素子）
４パッケージ
５収納凹部
６ベース
７リッド（蓋体）

Claims

収納凹部を有するベースと、
発振回路を含む集積回路素子と、
ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子と、
前記収納凹部の開口を閉塞する蓋体とを備え、
前記集積回路素子及び前記ＭＥＭＳ素子が収納された前記収納凹部が、前記蓋体によって気密に封止され、
少なくとも前記ＭＥＭＳ素子は、その外周面が前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出しており、
平面視で、前記集積回路素子の中心が、前記ベースの中心に一致しており、
前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子の一方の面の、平面視で前記ＭＥＭＳ素子の中心が前記集積回路素子の前記中心に対してずれた偏心した位置に、接合されている、
ことを特徴するＭＥＭＳ発振器。
前記ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも前記集積回路素子との接合面以外の面が、前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ベースが、セラミック材料からなる、
請求項１または２に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ベースの前記収納凹部の内周壁には、前記収納凹部の底面よりも高い段部が形成されている、
請求項１ないし３のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。
平面視で、前記集積回路素子の前記中心が、前記収納凹部の前記開口の中心に一致しており、
前記収納凹部の前記開口は、平面視で略矩形であり、
前記ＭＥＭＳ素子が接合されている前記集積回路素子の前記一方の面は、平面視で矩形であって、該矩形の中心が、前記集積回路素子の前記中心であり、
前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子の前記一方の面において、該一方の面の前記矩形の長手方向の端部寄りの位置に接合されている、
請求項１ないし４のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。