CN101820264A

CN101820264A - 一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构

Info

Publication number: CN101820264A
Application number: CN 201010140071
Authority: CN
Inventors: 赵岷江; 黄国瑞
Original assignee: TXC (NINGBO) CORP
Current assignee: TXC (NINGBO) CORP
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2030-04-06
Also published as: CN101820264B

Abstract

本发明涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，包括上盖、振子单元、基座、封装环以及金属导通孔，封装环设置在基座与上盖之间，供上盖与基座结合，并将振子单元气密封装于基座上，金属导通孔垂直贯穿基座并与振子单元电性连接，从而提供振子单元之讯号输出/输入，因此可达到高度整合的封装，改善三明治封装结构所导致的热应力问题，进而减少贵金属材料用料与进一步微缩尺寸，降低因高频化而衍生的寄生电容/电感效应。

Description

一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构

技术领域

本发明涉及振子装置领域，特别是涉及一种应用于手机、笔记型计算机、汽车电子等各种电子产品中的贯孔式振子装置晶圆级封装结构。

背景技术

石英组件具有稳定的压电特性，能够提供精准且宽广的参考频率、频率控制、定时功能与过滤噪声等功能，此外，石英组件也能做为运动及压力等传感器，以及重要的光学组件；因此，对于电子产品而言，石英组件扮演着举足轻重的地位。

而针对石英振子晶体的封装，之前提出了许多种方案，譬如美国专利公告第5030875号专利「牺牲式石英晶体支撑架」(Sacrificial Quartz-crystal Mount)，属于早期金属盖体(Metal Cap)的封装方式，其整体封装结构复杂、体积无法缩小。美国专利公告第6545392号专利「压电共振器之封装结构」(PackageStructure for a Piezoelectric Resonator)，主要采用陶瓷封装体来封装石英音叉振子，并改良陶瓷基座(Package)与上盖(Lid)的结构，使得石英音叉振子具有较佳的抗震性，然而，该封装体成本高且尺寸无法进一步降低。

美国专利公告第6531807号专利「压电装置」(Piezoelectric Device)，主要针对在不同区域之陶瓷基座进行石英振子与振荡电路芯片之封装，并利用陶瓷基座上之导线做电气连接，同时振荡电路芯片以树脂封装，石英振子则以上盖做焊接封装(Seam Welding)；然而，由于两芯片各放在不同区块，且以陶瓷基座为封装体，因此使得面积加大且制作成本居高不下。

又如美国专利公告第7098580号专利「压电振荡器」(Piezoelectric Oscillator)，主要将石英芯片与集成电路分别以陶瓷封装体封装后，再进行电气连接的动作，虽可有效缩小面积问题，但整体体积仍无法有效降低，同时该封装方式之制作成本也相对较高。

而美国专利公告第7608986号专利「石英晶体振荡器」(Quartz Crystal Resonator)，主要为晶圆级封装形式，其主要将玻璃材质(Blue Plate Glass)之上盖与下基座，与石英芯片藉由阳极接合完成一三明治结构。然而，此一三明治结构由于基材与石英之热膨胀系数不同，因此当温度变化时会造成内部石英芯片产生热应力，使得频率随温度而产生偏移现象。因此，需要特别选择石英芯片之切角与上盖和下基座材料之热膨胀系数，才有办法克服此困难点，然而在制作上和成本上都比较费工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，改善三明治封装结构所导致的热应力问题，同时减少贵金属材料用料与进一步微缩尺寸，从而降低因高频化而衍生的寄生电容/电感效应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，包括振子单元、上盖、基座、封装环和至少一个金属导通孔，所述的振子单元设置在所述的基座上；所述的封装环设置在所述的基座外缘；所述的上盖设置在所述的封装环上，罩设于所述的振子单元；所述的振子单元予以气密封装；所述的振子单元上表面具有上表面电极，下表面具有下表面电极；所述的基座底部设有基座金属焊垫；所述的上表面电极和下表面电极分别通过导电凸块与所述的金属导通孔上端电性连接，所述的基座金属焊垫与所述的金属导通孔下端电性连接；所述的金属导通孔垂直贯穿所述的基座，并位于所述的导电凸块下方。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的振子单元为石英晶体振子或机械共振型式振子。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构所述的石英晶体振子为温度稳定切角石英晶体振子或音叉型石英晶体振子。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的上盖由硅、或玻璃、或石英、或陶瓷、或金属材料制成；所述的基座由硅、或玻璃、或石英、或陶瓷材料制成；所述的封装环由铜、锡、金、银、铟或其合金、或有机聚合物、或氧化物材质制成。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的上盖和基座采用相同材质制成。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的导电凸块为银粉颗粒与树脂的混合导电胶材或金属凸块，其中，所述的金属凸块由金、铜、锡、银、铟、或上述金属的合金制成。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的金属导通孔采用铜、银、金、钨、或上述金属的合金制成，所述的金属导通孔由硅导通孔技术予以成型。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的上表面电极和下表面电极设置在所述的振子单元的相同侧或相对侧。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的上盖具有一凹槽，所述的基座表面平坦，或所述的上盖表面平坦，所述的基座具有一凹槽。

所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构的金属导通孔还可以设置在所述的封装环下方。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：采用垂直贯穿开设于基座的金属导通孔，来使振子单元与底部的基座金属焊垫形成电性连接，因此，摆脱目前采用陶瓷基座封装的窘境(包括产品成本高且货源不稳定等)，并改善三明治封装结构所导致的热应力问题；同时，减少贵金属材料用料与进一步微缩尺寸，减少连接线的长度，从而降低因高频化而衍生的寄生电容/电感效应。且藉由晶圆接合技术可批次生产石英晶体振子，减少人力与生产时间，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明第一实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；

图2是本发明第一实施例中振子单元上、下电极的示意图；

图3是本发明第二实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；

图4是本发明第二实施例中振子单元上、下电极的示意图；

图5是本发明第一实施例中凹槽之变化实施态样示意图；

图6是本发明第二实施例中凹槽之变化实施态样示意图；

图7是本发明第三实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；

图8是本发明第三实施例中振子单元上、下电极与封装环走线的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，图1所示的是本发明第一实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图。

根据本发明所公开的贯孔式振子装置晶圆级封装结构包含有振子单元20、上盖10、基座40、封装环30以及金属导通孔50，其中，振子单元20可为温度稳定切角(AT-cut)石英晶体振子、音叉型石英晶体振子或其它机械共振型式振子，且振子单元20的上、下表面分别具有上表面电极21与下表面电极22(如图2)，由此激振振子单元20，通过金属导通孔50将上表面电极21和下表面电极22上的导电凸块23电性连接至底部基座40上的基座金属焊垫41。上表面电极21与下表面电极22分别位于振子单元20之相对侧，且导电凸块23可为银粉颗粒与树脂等组成之导电胶材，也可以是金属凸块，其中，金属凸块可由金、铜、锡、银、铟、或其合金之一制成。

振子单元20配置于基座40之上，而基座40外缘设置有封装环30，此封装环30可由铜、锡、金、银、铟及上述金属的合金、或有机聚合物、或氧化物等材质制成。由封装环30和上盖10作为封装设置，且上盖10具有凹槽11，用来容设振子单元20。故上盖10、基座40通过封装环30，可将振子单元20作气密封装，其内部环境可为真空或是充填氮气。其中，上盖10的材质可为硅、玻璃、石英、陶瓷、金属材料等，基座40的材质可为硅、玻璃、石英、陶瓷等非导电材料，再者，若将其两者(即上盖10与基座40)选用相同的材质，可进一步防止热应力的问题。

金属导通孔50垂直贯穿基座40设置，其材质可为金属导电材质，譬如铜、钨、铝、银、金及上述金属之合金等，并且利用硅导通孔(Through Silicon Via；TSV)技术予以成型。金属导通孔50上面电性连接于振子单元20的上表面电极21与下表面电极22，并将其电性连接至基座金属焊垫41，使其可与外部做电性连接，提供电能与讯号输入与输出。

而其中，当封装环30为铜、锡、金、银、铟及上述金属的合金时，可藉由金属融接结合的方式予以封装；当封装环30为有机聚合物时，则可利用胶合技术达成封装；而当封装环30譬如为二氧化硅等氧化性材质时，则可利用阳极氧化接合技术(Anodic Bonding)达成封装。

另一方面，除了上述上表面电极21与下表面电极22位于振子单元20的相对侧外，也可将其设计为位于相同侧。图3所示的是本发明第二实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图；图4所示的是上表面电极21与下表面电极22位于振子单元20的相同侧。

相同地，上盖10的凹槽11的设计，乃是为了容设振子单元20，故亦可将基座40设计具有凹槽42，而上盖10表面设计为平坦，也可达到相同之效果，如图5、图6所示，分别对应于上述第一实施例、第二实施例之变化态样。

图7所示的是本发明第三实施例的贯孔式振子装置晶圆级封装结构示意图。上述实施例中，金属导通孔50设计垂直贯穿于基座40，位于振子单元20的导电凸块23的下方；而本实施例中，将金属导通孔50设计成位于封装环30下方，因金属导通孔50是由硅导通孔技术来形成，而硅导通孔技术为影响内部气密性的因素之一，因此，本实施例中，通过走线的方式将金属导通孔50开设于封装环30的下方，如图8所示。当进行封装制程时，影响封装气密性因素仅剩下封装环30接合的好坏，内部封装气体不会经由金属导通孔走线而与外界产生交换。因此，整体封装结构的气密性将更容易获得控制。当然，凹槽11的变化态样、上表面电极21与下表面电极22的相对位置也可如第一和第二实施例所示的那样。

本发明所公开的一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，藉由垂直贯穿开设于基座的金属导通孔，来使振子单元与底部的基座金属焊垫形成电性连接，因此，摆脱目前采用陶瓷基座封装的窘境(包括产品成本高且货源不稳定等)，并改善三明治封装结构所导致之热应力问题；同时，减少贵金属材料用料与进一步微缩尺寸，减少连接线之长度，从而降低因高频化而衍生的寄生电容/电感效应。且藉由晶圆接合技术可批次生产石英晶体振子，减少人力与生产时间，降低生产成本。

Claims

1.一种贯孔式振子装置晶圆级封装结构，包括振子单元(20)、上盖(10)、基座(40)、封装环(30)和至少一个金属导通孔(50)，其特征在于，所述的振子单元(20)设置在所述的基座(40)上；所述的封装环(30)设置在所述的基座(40)外缘；所述的上盖(10)设置在所述的封装环(30)上，罩设于所述的振子单元(20)；所述的振子单元(20)予以气密封装；所述的振子单元(20)上表面具有上表面电极(21)，下表面具有下表面电极(22)；所述的基座(40)底部设有基座金属焊垫(41)；所述的上表面电极(21)和下表面电极(22)分别通过导电凸块(23)与所述的金属导通孔(50)上端电性连接，所述的基座金属焊垫(41)与所述的金属导通孔(50)下端电性连接；所述的金属导通孔(50)垂直贯穿所述的基座(40)，并位于所述的导电凸块(23)下方。

2.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的振子单元(20)为石英晶体振子或机械共振型式振子。

3.根据权利要求2所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的石英晶体振子为温度稳定切角石英晶体振子或音叉型石英晶体振子。

4.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的上盖(10)由硅、或玻璃、或石英、或陶瓷、或金属材料制成；所述的基座(40)由硅、或玻璃、或石英、或陶瓷材料制成；所述的封装环(30)由铜、锡、金、银、铟或其合金、或有机聚合物、或氧化物材质制成。

5.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的上盖(10)和基座(40)采用相同材质制成。

6.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的导电凸块(23)为银粉颗粒与树脂的混合导电胶材或金属凸块，其中，所述的金属凸块由金、铜、锡、银、铟、或上述金属的合金制成。

7.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的金属导通孔(50)采用铜、银、金、钨、或上述金属的合金制成，并由硅导通孔技术予以成型。

8.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的上表面电极(21)和下表面电极(22)设置在所述的振子单元(20)的相同侧或相对侧。

9.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的上盖(10)具有一凹槽，所述的基座(40)表面平坦，或所述的上盖(10)表面平坦，所述的基座(40)具有一凹槽。

10.根据权利要求1所述的贯孔式振子装置晶圆级封装结构，其特征在于，所述的金属导通孔(50)还可以设置在所述的封装环(30)下方。