JP2004214787A - 圧電発振器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気絶縁性材料からなる平板11の下面に集積回路素子10の回路パターン12を形成し、前記平板11の上面に圧電振動片5を実装するキャビティ20を形成した。また、キャビティ20の内底面から回路パターン12にスルーホール24を形成し、スルーホール24のキャビティ20側開口部の周辺にマウント電極26を形成するとともに、スルーホール24の内周面に導電膜を形成することにより、マウント電極26と回路パターン12との導通を確保した。そして、マウント電極26に圧電振動片5を実装した。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電気回路において一定の周波数信号を得るため、圧電発振器が広く利用されている。図6に、特許文献1に記載された圧電発振器と同様の構成を有する圧電発振器の説明図を示す。なお、図6(1)は図6(2)のH−H線における平面断面図であり、図6(2)は図6(1)のG−G線における側面断面図である。圧電発振器101は、升状に形成したパッケージベース121に、発振回路を構成する集積回路素子(IC)110、および圧電振動片105を実装して、上面の開口部にリッド130を装着したものである。
【0003】
パッケージベース121は、セラミックシート121a,121b,121c,121dを順次積層して構成されている。また、パッケージベース121の中央部には、IC110および圧電振動片105を実装するキャビティ120が形成されている。そして、IC110はシート121aの上面に実装されている。
なお、IC110の電極114は、シート121bの上面に形成された電極パッド127に対して、ワイヤボンディングにより接続されている。一方、圧電振動片105は、シート121cに形成したマウント電極126の上面に、片持ち状態で実装されている。なお、圧電振動片105は、水晶等の圧電材料平板の両面に励振電極を形成したものである。そして、パッケージベース121の外底面に形成された外部端子138から、電極パッド136を介してIC110に通電可能とされ、さらにマウント電極126を介して圧電振動片105の励振電極に通電可能とされている。一方、パッケージベース121の開口部に金属材料等からなるリッド130が装着され、キャビティ120の内部が窒素雰囲気等で気密に保持されている。
【0004】
【特許文献1】特開平11−163670号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近時、圧電発振器の利用される通信機器等においては、小型化の要請が強くなっている。これにともなって、圧電発振器の小型化が強く求められている。ところが、図6に示す従来の圧電発振器101では、キャビティ120の内部にIC110を実装する必要があるので、圧電発振器101は必然的にIC110より大きなものとなり、平面サイズの小型化に限界があった。また、圧電発振器101の厚さ方向に、セラミックシート121a、IC110、圧電振動片105およびリッド128が順次配置されるので、薄型化に限界があった。
【0006】
また、圧電発振器におけるコストダウンの要請は厳しさを増しており、構造の簡素化や製造工程の簡略化によるコスト低減が急務となっている。
そこで本発明は、小型化が可能であり、またコスト低減が可能な、圧電発振器およびその製造方法の提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る圧電発振器は、電気絶縁性材料からなる平板の一方面側に集積回路素子における回路パターンを形成し、前記平板の他方面側に圧電振動片を実装するキャビティを形成して、前記キャビティの内部に前記圧電振動片を実装した。
【0008】
これまで、圧電発振器における集積回路素子の小型化は、他の技術分野における集積回路素子の小型化にならって、急速な進歩を遂げてきた。しかし、圧電振動片の小型化は、集積回路素子の小型化に比べて遅れていた。そのため、小さい集積回路素子の内部に大きい圧電振動片を実装するという発想に至ることはなかった。近時になり、圧電振動片は集積回路素子と同等の大きさまで小型化できるようになった。これにより、集積回路素子の内部に圧電振動片を実装するという本発明が生まれたのである。
【0009】
集積回路素子の内部に圧電振動片を実装することによって、圧電振動片や集積回路素子を実装するパッケージが不要となる。したがって、集積回路素子と同じ平面サイズで圧電発振器を形成することが可能となり、圧電発振器の平面サイズを小型化することができる。また、パッケージを集積回路素子で兼用することで、圧電発振器を厚さ方向にも小型化することができる。一方、部品点数が削減されるので、製品コストを低減することができる。また、従来のような製品外形の小型化に伴う集積回路素子サイズの小型化が要求されないため、集積回路素子の小型化に伴う微細配線加工を施すための設備投資等が不要となり、製造コストを低減することができる。
【0010】
また、前記キャビティの内底面から前記回路パターンにスルーホールを形成し、前記スルーホールの前記キャビティ側開口部の周辺にマウント電極を形成するとともに、前記スルーホールの内周面に前記マウント電極と繋がった導電膜を形成し、前記スルーホールの内周面における前記導電膜の内側に封止部材を充填した上で、前記マウント電極に前記圧電振動片を実装してもよい。これにより、マウント電極と回路パターンとの導通を簡単に確保することが可能となり、製造コストを低減することができる。また、封止部材を充填することにより、スルーホールを通じたキャビティの気密を確保することができる。
【0011】
また、前記キャビティの開口周縁部に低融点ガラスを塗布し、前記キャビティの開口部にリッドを装着して、前記キャビティの内部を気密封止してもよい。この場合、集積回路素子、低融点ガラスおよびガラス製リッドの熱膨張率および熱収縮率がそれぞれ同等となるので、リッドの装着部における破壊を防止することができる。
【0012】
また、前記回路パターン上に外部導出電極パッドが設けられ、その外部導出電極パッドの表面に基板との接続端子としてのはんだボールが形成されていてもよい。これにより、本発明に係る圧電発振器とユーザー基板との電気的接続を簡単に行うことができる。
【0013】
一方、本発明に係る圧電発振器の製造方法は、電気絶縁性材料からなるウエハの一方面側における複数の圧電発振器の形成領域に、集積回路素子の回路パターンを形成する工程と、前記ウエハの他方面側における前記各圧電発振器の形成領域に、圧電振動片を実装するキャビティを形成する工程と、前記各キャビティの内部に前記圧電振動片を実装する工程と、前記各キャビティの開口部にリッドを装着して、前記各キャビティの内部を気密封止する工程と、前記ウエハを複数の圧電発振器の個片に分離する工程と、を有する構成とした。
【0014】
このように、ウエハにおいて圧電発振器を製造することができるので、製造工程において微小な圧電発振器の個片を取り扱う必要がなくなり、製造工程を簡略化することができる。また、ウエハにおいて同時に複数の圧電発振器を製造するので、圧電発振器の製造時間が短縮され、製造コストを低減することができる。
【0015】
なお前記圧電振動片を実装する工程は、前記キャビティの内底面から前記回路パターンにスルーホールを形成する工程と、前記スルーホールの前記キャビティ側開口部の周辺にマウント電極を形成するとともに、前記スルーホールの内周面に前記マウント電極に繋がった導電膜を形成する工程と、前記スルーホールの内周面における前記導電膜の内側に封止部材を充填する工程と、前記マウント電極に前記圧電振動片を実装する工程と、を有する構成とした。これにより、マウント電極と回路パターンとの導通を簡単に確保することが可能となり、製造コストを低減することができる。また、スルーホールを通じたキャビティの気密を確保することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電発振器およびその製造方法の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0017】
図1に、実施形態に係る圧電発振器の説明図を示す。なお、図1(1)は図1(2)のB−B線における平面断面図であり、図1(2)は図1(1)のA−A線における側面断面図である。本実施形態に係る圧電発振器は、電気絶縁性材料からなる平板11の下面に集積回路素子10の回路パターン12を形成し、前記平板11の上面に圧電振動片5を実装するキャビティ20を形成して、キャビティ20の内部に圧電振動片5を実装したものである。
【0018】
集積回路素子(IC)10は、シリコン等の電気絶縁性材料からなる平板11の下面に、回路パターン12を形成したものである。従来の圧電発振器に使用するIC10は、厚さ625μm程度の平板を150μm程度まで研削して形成していたが、本実施形態では厚さ625μm程度の平板をほとんど研削しないで使用すればよい。これにより、製造工程が簡略化されて製造コストを低減することができる。
【0019】
回路パターン12として、圧電振動片を動作させる帰還増幅回路のパターンを形成する。なお必要に応じて、周辺温度の変化による周波数変化を低減させるための温度補償回路のパターンを付加してもよい。また、外部からの制御電圧によって出力周波数を変化させるための電圧制御回路のパターンを付加してもよい。
一方、アルミ等の導電性材料からなる電極パッド14を回路パターン12の表面に形成し、回路パターン12と外部との電気的な入出力を可能とする。また、電極パッド14の形成部分を除く回路パターン12の表面に、ポリイミド被膜16を形成してもよい。これにより、回路パターン12が外部から保護される。
【0020】
本実施形態では、平板11の上面に、圧電振動片5を実装するキャビティ20を形成する。キャビティ20は、圧電振動片5を封入できる大きさに形成する。
一例をあげれば、厚さ100μm程度の圧電振動片を封入するため、深さ250μm程度のキャビティ20を形成する。キャビティ20の形成は、ハーフエッチング等によって行う。ハーフエッチングは、キャビティ20の形成部分以外の部分をマスクした平板11を、フッ酸等の薬液に所定時間浸漬することによって行う。
【0021】
また、圧電振動片5と回路パターン12との導通を確保するため、キャビティ20の内底面から回路パターンにかけてスルーホール24を形成する。スルーホール24は、後述するマウント電極26の形成位置に穿設する。なお、回路パターン12におけるスルーホール24の形成位置には、圧電振動片5と導通すべき端子(不図示)を形成しておく。スルーホール24の形成は、エッチング等の化学的方法や、ドリル穿孔等の機械的方法などによって行うことができる。
【0022】
次に、キャビティ20の内底面にマウント電極26を形成する。マウント電極26は、圧電振動片5の端部に形成された接続電極7を接続する部分であり、キャビティ20の内底面の端部寄りに形成する。なお、マウント電極26は、スルーホール24のキャビティ側開口部の周辺に形成する。図2に、スルーホール形成部分の拡大図を示す。マウント電極26は、AuやAl等によって構成する。
マウント電極26の形成は、マウント電極形成部分以外の部分をマスクした状態で、スパッタやメッキ等を施すことによって行う。このマウント電極26の形成と同時に、スルーホール24の内周面に導電膜27を形成する。この導電膜27により、回路パターン12とマウント電極26との導通を確保することができる。さらに、導電膜27の内側に封止部材28を充填する。封止部材28は、導電性または電気絶縁性のいずれの材料で構成してもよい。封止部材28の充填は、スルーホール24の内部に接着剤等を注入し、その接着剤等を硬化させることによって行う。この封止部材28により、スルーホール24を通じたキャビティ20の気密を確保することができる。
【0023】
このようなIC10を形成する一方で、圧電振動片5を形成する。図1に示すように、圧電振動片5は、水晶等の圧電材料からなる平板の両面に、励振電極を形成したものである。ATカット水晶平板の場合には、その両面中央部に励振電極6を配置するとともに、その端部に2個の接続電極7を並べて配置して、それぞれ各励振電極6との導通を確保する。なお各電極は、Au/CrまたはAg/Crの2層で構成する。
【0024】
そして、キャビティ20の内部に圧電振動片5を実装する。具体的には、キャビティ20のマウント電極26の上面にAgペースト等の導電性接着剤8を塗布し、圧電振動片5の接続電極7をマウント電極26に接着する。このように、圧電振動片5は片持ち状態で実装する。これにより、回路パターン12から圧電振動片5の励振電極6に対して通電可能となる。なお、キャビティ20の内部に実装する圧電振動片は、音叉型圧電振動片やSAWチップなどであってもよい。SAWチップの場合には、マウント電極の代わりに電極パッドを形成し、SAWチップのIDT電極と電極パッドとをワイヤボンディング等により接続する。
【0025】
さらに、キャビティ20の開口部にリッド30を装着する。リッド30は、コバール等の金属材料やガラス材料によって構成する。リッド30の装着は、キャビティ20の開口周縁部の全周に接着剤32を塗布し、リッド30を接着することによって行う。なお、リッド30の装着を窒素雰囲気または真空雰囲気で行うことにより、キャビティ20の内部を窒素雰囲気または真空雰囲気に気密封止する。これにより、圧電振動片5の励振電極6に対する不純物の付着がなくなり、共振周波数のシフトを防止することができる。
【0026】
なお、シリコン材料からなる平板11におけるキャビティ20の開口周縁部に低融点ガラスを塗布し、キャビティ20の開口部にガラス製リッド30を装着して、キャビティ20の内部を気密封止してもよい。この場合、平板11、低融点ガラスおよびガラス製リッド30の熱膨張率および熱収縮率が同等となるので、リッド装着部におけるせん断破壊を防止することができる。
【0027】
次に、本実施形態に係る圧電発振器の製造方法について説明する。図3に、本実施形態に係る圧電発振器の製造方法のフローチャートを示す。図4に、実施形態に係る圧電発振器の製造方法の説明図を示す。なお、図4(1)はウエハの平面図であり、図4(2)は図4(1)のD−D線における側面断面図である。本実施形態に係る圧電発振器は、シリコン等の電気絶縁性材料からなるウエハ40において複数個を同時に製造する。
【0028】
まず、ウエハ40における各圧電発振器の形成領域41に、回路パターン12を形成する(ステップ80)。なお、各回路パターン12はウエハ40の一方の面に形成する。また、ウエハ40における各圧電発振器の形成領域41であって、回路パターン12形成面の他方の面に、キャビティ20を形成する(ステップ82)。次に、キャビティ20の内部と回路パターンとの導通を確保する(ステップ84)。具体的には、まず各キャビティ20の内底面から各回路パターン12にスルーホール24を形成する。さらに、各スルーホール24のキャビティ20側開口部の周辺にマウント電極26を形成するとともに、各スルーホール24の内周面に導電膜を形成して、マウント電極26と回路パターン12との導通を確保する。次に、各スルーホール24の導電膜の内側には封止部材を配置する(ステップ85)。そして、各マウント電極26に導電性接着剤8を塗布して、各圧電振動片5の接続電極を実装する(ステップ86)。次に、各キャビティ20の開口部に、それぞれリッド30を装着する(ステップ88)。なお、リッドをウエハと同形状の平板として装着してもよい。これにより、製造工程において微小なリッドの個片を取り扱う必要がなくなり、製造工程を簡略化することができる。
【0029】
以上により、ウエハ40における各圧電発振器の形成領域41に、それぞれ圧電発振器1が形成される。そこで、ウエハ40から各圧電発振器1を分離する(ステップ90)。具体的には、各圧電発振器の形成領域41の境界線42に沿ってダイシング等を行うことにより、ウエハ40から各圧電発振器を分離する。以上のように、ウエハにおいて圧電発振器を製造することができるので、製造工程において微小な圧電発振器の個片を取り扱う必要がなくなり、製造工程が簡略化される。また、ウエハにおいて同時に複数の圧電発振器を製造するので、圧電発振器の製造時間が短縮され、製造コストを低減することができる。
【0030】
次に、実施形態に係る圧電発振器の使用方法について説明する。図5に、本実施形態に係る圧電発振器の使用方法の説明図を示す。なお、図5(1)および図5(2)は、図1(1)のA−A線に相当する部分における側面断面図である。
本実施形態に係る圧電発振器1は、以下に示す方法により、ユーザー基板2に実装して使用する。
【0031】
圧電発振器1をユーザー基板2に実装するには、図5(1)に示すように、回路パターン12上に形成した電極パッド14の表面に、ユーザー基板2との接続端子としてのはんだボール52を形成する。なお、はんだボール52に代えてはんだペーストを塗布してもよい。そして、ユーザー基板2における電極パッド3の上面に、圧電発振器1におけるはんだボール52を載置する。次に、はんだボール52を加熱して溶解させ、圧電発振器1の電極パッド14とユーザー基板2の電極パッド3とを接続する。これにより、圧電発振器1がユーザー基板2に実装され、ユーザー基板2の電極パッド3から圧電発振器1に対して通電可能となる。以上により、本実施形態に係る圧電発振器1とユーザー基板2との電気的接続を簡単に行うことができる。
【0032】
さらに、図5(2)に示すように、圧電発振器1の底面とユーザー基板2の表面とのすき間に、アンダーフィル4を充填してもよい。アンダーフィル4は、熱硬化タイプのエポキシ樹脂等に流動性を持たせたものである。圧電発振器1とユーザー基板2とのすき間にアンダーフィル4を注入し、そのアンダーフィル4を加熱して硬化させる。これにより、圧電発振器1の回路パターン12の表面がアンダーフィル4に覆われて保護される。なお、回路パターン12の表面にポリイミド被膜を形成しない場合には、アンダーフィル4が特に有効である。
【0033】
以上に詳述したように、本実施形態に係る圧電発振器は、電気絶縁性材料からなる平板の一方面側にICの回路パターンを形成し、前記平板の他方面側に圧電振動片を実装するキャビティを形成して、キャビティの内部に圧電振動片を実装した。
【0034】
なお、圧電発振器におけるICの小型化は、他の技術分野におけるICの小型化にならって、急速な進歩を遂げてきた。しかし、圧電振動片の小型化は、ICの小型化に比べて遅れていた。そのため、小さいICの内部に大きい圧電振動片を実装するという発想に至ることはなかった。近時になり、圧電振動片はICと同等の大きさまで小型化できるようになった。これにより、ICの内部に圧電振動片を実装するという本発明が生まれたのである。
【0035】
ICの内部に圧電振動片を実装することによって、圧電振動片やICを実装するパッケージが不要となる。したがって、ICと同じ平面サイズで圧電発振器を形成することが可能となり、圧電発振器の平面サイズを小型化することができる。また、パッケージを集積回路素子で兼用することで、圧電発振器を厚さ方向にも小型化することができる。一方、部品点数が削減されるので、製品コストを低減することができる。また、従来のような製品外形の小型化に伴うICサイズの小型化が要求されないため、ICの小型化に伴う微細配線加工を施すための設備投資等が不要となり、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る圧電発振器の説明図である。
【図2】スルーホール部分の拡大図である。
【図3】実施形態に係る圧電発振器の製造方法のフローチャートである。
【図4】実施形態に係る圧電発振器の製造方法の説明図である。
【図5】実施形態に係る圧電発振器の使用方法の説明図である。
【図6】従来技術に係る圧電発振器の説明図である。
【符号の説明】
1………圧電発振器、5………圧電振動片、6………励振電極、7………接続電極、8………導電性接着剤、10………IC、11………平板、12………回路パターン、14………電極パッド、16………ポリイミド被膜、20………キャビティ、24………スルーホール、26………マウント電極、30………リッド、32………接着剤。
Claims (6)
- 電気絶縁性材料からなる平板の一方面側に集積回路素子の回路パターンを形成し、前記平板の他方面側に圧電振動片を実装するキャビティを形成して、前記キャビティの内部に前記圧電振動片を実装したことを特徴とする圧電発振器。
- 請求項1に記載の圧電発振器において、
前記キャビティの内底面から前記回路パターンにスルーホールを形成し、前記スルーホールのキャビティ側開口部の周辺にマウント電極を形成するとともに、前記スルーホールの内周面に前記マウント電極と繋がった導電膜を形成し、
前記スルーホールの内周面における前記導電膜の内側に封止部材を充填した上で、前記マウント電極に前記圧電振動片を実装したことを特徴とする圧電発振器。 - 請求項1または2に記載の圧電発振器において、
前記キャビティの開口周縁部に低融点ガラスを塗布し、前記キャビティの開口部にリッドを装着して、前記キャビティの内部を気密封止したことを特徴とする圧電発振器。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電発振器において、前記回路パターン上に外部導出電極パッドが設けられ、その外部導出電極パッドの表面に基板との接続端子としてのはんだボールが形成されていることを特徴とする圧電発振器。
- 電気絶縁性材料からなるウエハの一方面側における複数の圧電発振器の形成領域に、集積回路素子の回路パターンを形成する工程と、
前記ウエハの他方面側における前記各圧電発振器の形成領域に、圧電振動片を実装するキャビティを形成する工程と、
前記各キャビティの内部に前記圧電振動片を実装する工程と、
前記各キャビティの開口部にリッドを装着して、前記各キャビティの内部を気密封止する工程と、
前記ウエハを複数の圧電発振器の個片に分離する工程と、
を有することを特徴とする圧電発振器の製造方法。 - 請求項5に記載の圧電発振器の製造方法において、
前記圧電振動片を実装する工程は、
前記キャビティの内底面から前記回路パターンにスルーホールを形成する工程と、
前記スルーホールのキャビティ側開口部の周辺にマウント電極を形成するとともに、前記スルーホールの内周面に前記マウント電極に繋がった導電膜を形成する工程と、
前記スルーホールの内周面における前記導電膜の内側に封止部材を充填する工程と、
前記マウント電極に前記圧電振動片を実装する工程と、
を有することを特徴とする圧電発振器の製造方法。
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