TWI422080B - Enhanced gas - tightness of the oscillator device wafer - level package structure - Google Patents

Description

強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構

本發明係有關一種振子裝置，應用於譬如為手機、筆記型電腦、汽車電子等各種電子產品，特別是指一種強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構。

石英元件具有穩定的壓電特性，能夠提供精準且寬廣的參考頻率、時脈控制、定時功能與過濾雜訊等功能，此外，石英元件也能做為運動及壓力等感測器，以及重要的光學元件；因此，對於電子產品而言，石英元件扮演著舉足輕重的地位。

而針對石英振子晶體的封裝，前案提出了許多種方案，譬如美國專利公告第5030875號專利「犧牲式石英晶體支撐架」(sacrificial quartz-crystal mount)，屬於早期金屬蓋體(Metal Cap)的封裝方式，整體封裝結構複雜、體積無法縮小。美國專利公告第6545392號專利「壓電共振器之封裝結構」(Package structure for a piezoelectric resonator)，主要採用陶瓷封裝體來封裝石英音叉振子，並改良陶瓷基座(Package)與上蓋(Lid)結構，使得石英音叉振子具有較佳的抗震性，然而，該封裝體成本高且尺寸無法進一步降低。

美國專利公告第6531807號專利「壓電裝置」(Piezoelectric Device)，主要針對在不同區域之陶瓷基座進行石英振子與振盪電路晶片之封裝，並利用陶瓷基座上之導線做電氣連接，同時振盪電路晶片以樹脂封裝，石英振子則以上蓋做焊接封裝(seam welding)；然而，由於兩晶片各放在不同區塊，且以陶瓷基座為封裝體，因此使得面積加大且製作成本居高不下。

又如美國專利公告第7098580號專利「壓電振盪器」(Piezoelectric Oscillator)，主要將石英晶片與積體電路分別以陶瓷封裝體封裝後，再進行電氣連接的動作，雖可有效縮小面積問題，但整體體積仍無法有效降低，同時該封裝方式之製作成本也相對較高。

而美國專利公告第7608986號專利「石英晶體振盪器」(Quartz crystal resonator)，主要為晶圓級封裝形式，其主要將玻璃材質(blue plate glass)之上蓋與下基座，與石英晶片藉由陽極接合完成一三明治結構。然而，此一三明治結構由於基材與石英之熱膨脹係數不同，因此當溫度變化時會造成內部石英晶片產生熱應力，使得頻率隨溫度而產生偏移現象。因此，需要特別選擇石英晶片之切角與上蓋和下基座材料之熱膨脹係數，才有辦法克服此困難點，然而在製作上和成本上都比較費工。

上述專利之先前技術，皆無法跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境，不僅產品成本高且貨源不穩定，且三明治狀的封裝結構所導致之熱應力問題，仍舊無法有效予以解決。

鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境，產品成本降低且貨源穩定，並改善三明治封裝結構所導致之熱應力問題，利用貫孔連接方式，使得製程可批次生產並在晶圓上完成整體封裝；同時，藉由槽狀的封裝環結構設計，除了可輔助對位外，同時具有金屬接合、陽極接合與氧化接合區域之多種接合，加強封裝時之強度與氣密性，並增加產品之可靠度。

因此，為達上述目的，本發明所揭露之一種強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，乃包含有振子單元、上蓋、基座、封裝環槽以及導電通孔，振子單元設置於基座上，且封裝環槽設置於基座鄰近外緣處，且封裝環槽內具有基座封裝環，供上蓋底部之上蓋封裝環接合而罩設振子單元，並將其予以氣密封裝，而導電通孔垂直貫穿基座並與振子單元電性連接，而提供振子單元之訊號輸出/輸入。故，藉由導電通孔垂直貫穿設置，減少連接線之長度，從而降低因高頻化而衍生的寄生電容/電感效應；同時，藉由封裝環槽與上蓋封裝環、基座封裝環之設計，除了可輔助對位外，同時配合上蓋、基座之接合區域，而可提供多種接合區域，加強封裝時之強度與氣密性，並增加產品之可靠度；另一方面，上蓋封裝環與基座封裝環接合後，使基座與上蓋之邊緣構成完整平面，減少污染物的堆積。

為使對本發明的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

根據本發明所揭露之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，首先請參閱第1A、1B圖，為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之示意圖。

根據本發明所揭露之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構包含有振子單元20、上蓋10、基座40、封裝環槽30以及導電通孔50，振子單元20可為溫度穩定切角(AT-cut)石英晶體振子、音叉型石英晶體振子等石英晶體振子或其它機械共振型式振子，且振子單元20之上、下表面分別具有上表面電極21與下表面電極22(見第2圖)，藉以激振振子單元20，並透過導電凸塊23電性連接至底部基座40之基座金屬焊墊41。其中，上表面電極21與下表面電極22分別位於振子單元20之相對側，且導電凸塊23可為銀粉顆粒與樹脂等組成之導電膠材或金屬凸塊，其中金屬凸塊可由金、銅、錫、銀、銦或其合金之一構成。

因此，振子單元20配置於基座40之上，而基座40之鄰近外緣處設置有封裝環槽30，封裝環槽30內具有基座封裝環32，而上蓋10具有對應之上蓋封裝環31；上蓋封裝環31以及基座封裝環32可藉由銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金、有機聚合物、氧化物等材質所構成；若上蓋封裝環31以及基座封裝環32為金屬材質，且上蓋10及基座40若可導電，則兩者間必須有一層絕緣物，以避免上蓋10及基座40發生導通之情形。因此，可藉由封裝環槽30與上蓋封裝環31之設計，提供對位之功能，藉由上蓋封裝環31置入封裝環槽30內，並與基座封裝環32接合，且上蓋10具有凹槽11來容設振子單元20，而提供振子裝置之封裝。故，上蓋10、基座40透過封裝環槽30、上蓋封裝環31以及基座封裝環32，而可將振子單元20作氣密封裝，其內部環境可為真空或是充填氮氣；上蓋10的材質可為矽、玻璃、石英、陶瓷、金屬材料等，基座40的材質亦可為矽、玻璃、石英、陶瓷等非導電材料，再者，若將其兩者(上蓋10與基座40)選用相同材質，可進一步防止熱應力之問題。

同時，上蓋封裝環31與基座封裝環32接合後，上蓋10與基座40之邊緣密合併切齊，而構成完整之平面，以減少污染物的堆積。

導電通孔50垂直貫穿基座40設置，其材質可為金屬導電材質，譬如銅、鎢、鋁、銀、金及上述金屬之合金等，或者，導電通孔50亦可為多晶矽或是導電高分子，只要能導電均可，並且利用矽導通孔(Through silicon via；TSV)技術予以成型。導電通孔50上面電性連接於振子單元20之上表面電極21與下表面電極22，並將其電性連接至基座金屬焊墊41，使其可與外部做電性連接，提供電能與訊號輸入與輸出。

而其中，當上蓋封裝環31與基座封裝環32為銅、錫、金、銀、銦及上述金屬之合金時，可藉由金屬熔接接合或熱壓接合(thermal-compression bonding)的方式予以成型；當上蓋封裝環31與基座封裝環32為有機聚合物時，則可利用膠合技術達成封裝；而上蓋封裝環31與基座封裝環32譬如為二氧化矽等氧化性材質時，則可利用陽極接合技術(anodic bonding)達成封裝。同時，上蓋封裝環31與基座封裝環32接合時，基座40與上蓋10的接觸面亦同時予以接合，當基座40與上蓋10為矽、石英與玻璃等材質時，可透過陽極接合技術予以接合；當基座40與上蓋10為矽氧化物等材質時，可透過氧化接合技術(oxide bonding)予以接合；當基座40為陶瓷材料，而上蓋10為金屬材料時，則可透過金屬熔接技術來接合完成封裝。因此，此一封裝結構藉由上蓋10、基座40、以及上蓋封裝環31與基座封裝環32等多重接合區域，加強封裝時之強度與氣密性，並增加產品之可靠度。再者，若是基座封裝環32選擇低熔點之金屬時，與上蓋封裝環31作熔接時，可產生熔融包覆接合效果或金屬共晶接合，進而增加封裝強度與氣密性。

另一方面，除了上述上表面電極21與下表面電極22位於振子單元20之相對側外，亦可將其設計為位於相同側。請參閱第3圖，為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構第二實施例之示意圖；其中繪示有上表面電極21與下表面電極22位於振子單元20之相同側(見第4圖)。

相同地，上蓋10之凹槽11的設計，乃是為了容設振子單元20，故亦可將基座40設計具有凹槽42，而上蓋10設計為平坦，也可達到相同之效果，如第5A、5B圖所示，分別對應於上述第一實施例、第二實施例之變化態樣；此時，封裝環30之內緣則切其於基座40之凹槽42的邊緣，同樣，亦可作為形成基座40之凹槽42的遮罩。

本發明所揭露之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，藉由垂直貫穿開設於基座的導電通孔，來使振子單元與底部的基座金屬焊墊形成電性連接，因此，跳脫目前採用陶瓷基座封裝的窘境(包括產品成本高且貨源不穩定等)，並改善三明治封裝結構所導致之熱應力問題；同時，減少貴金屬材料用料與進一步微縮尺寸，減少連接線之長度，從而降低因高頻化而衍生的寄生電容/電感效應。且藉由晶圓接合技術可批次生產石英晶體振子，減少人力與生產時間，降低生產成本。同時，封裝環槽以及上蓋封裝環之凹凸輔助定位效果，增加封裝時定位的可靠度；同時封裝環槽之設計使得在封裝過程中，不會因為液態狀之封裝環材質而產生溢流問題。再者，藉由上蓋、基座、以及上蓋封裝環與基座封裝環等多重接合區域，加強封裝時之強度與氣密性，並增加產品之可靠度；且上蓋封裝環與基座封裝環接合後，上蓋與基座之邊緣密合併切齊，而構成完整之平面，以減少污染物的堆積。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10．．．上蓋

11．．．凹槽

20．．．振子單元

21．．．上表面電極

22．．．下表面電極

23．．．導電凸塊

30．．．封裝環槽

31．．．上蓋封裝環

32．．．基座封裝環

40．．．基座

41．．．基座金屬焊墊

42．．．凹槽

50．．．導電通孔

第1A、1B圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構第一實施例之示意圖。

第2圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構之第一實施例中振子單元上、下電極之示意圖。

第3圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構第二實施例之示意圖。

第4圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構之第二實施例中振子單元上、下電極之示意圖。

第5A圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構之第一實施例中凹槽之變化實施態樣示意圖。

第5B圖為本發明強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構之第二實施例中凹槽之變化實施態樣示意圖。

10．．．上蓋

11．．．凹槽

20．．．振子單元

21．．．上表面電極

22．．．下表面電極

23．．．導電凸塊

30．．．封裝環槽

31．．．上蓋封裝環

32．．．基座封裝環

40．．．基座

41．．．基座金屬焊墊

50．．．導電通孔

Claims (10)

1. 一種強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其包含：一振子單元；一基座，供該振子單元設置；一封裝環槽，設置於該基座上，且鄰近於該基座之邊緣，且該封裝環槽底面設有一基座封裝環；一上蓋，設置於該基座上而罩設於該振子單元，並將該振子單元予以封裝，且該上蓋底部設置有一上蓋封裝環，對應於該封裝環槽，並與該基座封裝環接合；以及至少一導電通孔，垂直設置於該基座，並與該振子單元電性連接，而提供訊號輸入/輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該振子單元係為一石英晶體振子或機械共振型式振子，且該石英晶體振子係為溫度穩定切角(AT-cut)石英晶體振子或音叉型石英晶體振子。
3. 如申請專利範圍第1項所述強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該上蓋係由矽、玻璃、石英、陶瓷或金屬材料之一所構成，該上蓋封裝環與該基座封裝環係由銅、錫、金、銀、銦或上述合金、有機聚合物或氧化物之材質之一所構成，該基座係由矽、玻璃、石英或陶瓷材料之一所構成，且該導電通孔係選自由銅、銀、金、鎢、或其合金所構成之組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該振子單元包含有一上表面電極與一下表面電極，該上表面電極與該下表面電極係分別藉由一導電凸塊與該導電通孔電性連接，且該導電凸塊係為銀粉顆粒與樹脂之混合導電膠材或金屬凸塊之一所構成，該金屬凸塊可由金、銅、錫、銀、銦或其合金之一構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該上表面電極與該下表面電極設置於該振子單元之相同側或相對側。
6. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該上蓋具有一凹槽，用以容設該振子單元。
7. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該基座具有一凹槽，用以容設該振子單元。
8. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該導電通孔係藉由矽導通孔技術予以成型。
9. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該基座底部更包含有一基座金屬焊墊，藉以與該導電通孔構成電性連接。
10. 如申請專利範圍第1項所述之強化氣密性之振子裝置晶圓級封裝結構，其中該上蓋封裝環與該基座封裝環接合後，使該上蓋與該基座之邊緣密合並切齊。