JP2007189282A - 圧電デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電デバイスのより一層の低背化を実現する。
【解決手段】水晶振動素子１２と、ＩＣチップ３と、水晶振動素子１２及びＩＣチップ３
を収容可能な貫通穴５を有するパッケージ２と、貫通穴５の一方の開口を閉止する蓋部材
１０とを備え、貫通穴５の他方の開口にＩＣチップ３を配置して貫通穴５内を気密封止し
た。これにより、ＩＣチップ３の厚みを貫通穴５の閉止部分に含めるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器等の圧電デバイスとその製造方法に関わり、特に圧電振動素子と
半導体素子を同一パッケージに収容したシングルシール構造の圧電デバイスに好適なもの
である。

携帯電話機等の移動体通信機器の小型化に伴い、これらの移動体通信機器に使用される
表面実装型圧電発振器、例えばＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator
）やＶＣＸＯ（Voltage Controlled Crystal Oscillator）等においても小型化、低背化
の要請が高まっている。このような要請に対応するため、従来から各種構造の水晶発振器
が提案されている。
例えば特許文献１等には、水晶振動素子とＩＣ部品とを同一パッケージに収容してその
内部を気密封止した所謂シングルシール構造の表面実装型水晶発振器が開示されている。

図４は、特許文献１に開示されている従来の表面実装型水晶発振器の構成を示した断面
図である。
この図４に示す表面実装型水晶発振器５０では、凹状のパッケージ５１の内部底面にＩ
Ｃ部品５３が実装される。またパッケージ５１内の一方の側壁面に形成された段部５４上
に電極パッド５５が設けられており、この電極パッド５５に導電性接着剤５６等を用いて
水晶振動素子５２が電気的、機械的に固定されている。

また特許文献２には、図示しないがガラス基板の凹部に半導体素子（ＩＣチップ）を収
容し接着剤等で固定した圧電発振器が開示されている。さらに特許文献３には小型化に対
応し且つコストの安い圧電発振器として、チップ型の水晶振動子と、この水晶振動子を搭
載する台座と、台座の裏面の収納凹部に取り付けられるＩＣとからなる圧電発振器等が開
示されている。
特開平０３−２７２２０７号公報 特開平０４−２８４００６号公報 特開２０００−２４４２４４公報

ところで、図４に示したような表面実装型水晶発振器は、ＩＣチップ５３をパッケージ
５１の底面上に実装しているため、更なる低背化を実現するにはパッケージ５１の底面の
肉厚を薄くするしかない。しかしながら、パッケージ５１の肉厚を薄くするとパッケージ
５１が破損し易くなり機械的な衝撃に対する信頼性が低下する。このため、パッケージ強
度という観点から更なる低背化を図ることができなかった。
また特許文献２に開示されている圧電発振器は、ＩＣチップをガラス基板の凹部内に収
納した構造であるため、図４に示した表面実装型水晶発振器より低背化を図ることができ
るが、ＩＣチップを搭載する部分のガラス基板の厚みが薄いため、上記同様、基板部分が
破損し易くなり機械的な衝撃に対する信頼性が低下する。このため、上記同様、更なる低
背化を図ることができなかった。

また特許文献３に開示されている圧電発振器は、圧電振動素子を専用のパッケージに収
納した所謂汎用品の圧電振動子を使用しているため、圧電デバイスの低価格化という観点
からは好ましいものの、ＩＣチップを台座裏面の収納凹部に搭載しているため、圧電発振
器の低背化を実現することは困難であった。
本発明はこのような点を鑑みてなされたものであり、更なる低背化を実現することがで
きる圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、圧電振動素子と、半導体素子と、前記圧電振動素
子及び前記半導体素子を収容可能な貫通穴を有するパッケージと、前記貫通穴の一方の開
口を閉止する蓋部材と、を備え、前記貫通穴の他方の開口に前記半導体素子を配置して前
記貫通穴内を気密封止するようにした。このように構成すると、半導体素子の厚みを貫通
穴の閉止部分に含めることができるので、その分だけ圧電デバイスを低背化することがで
きる。また、従来のように圧電デバイスの低背化を実現するためにパッケージ底面を薄肉
構造にする必要がないので、パッケージの機械的強度を維持することができる。

また本発明は、パッケージの貫通穴内に半導体素子を接続する内部パッドと、圧電振動
素子を電気的、機械的に固定する接続パッドとを備えるようにした。このように構成する
と、半導体素子を配置したパッケージの上方に圧電振動素子を搭載できるので、圧電振動
素子と半導体素子を同一パッケージ内に収容した場合でも圧電デバイスの低背化を実現す
ることができる。
また本発明は、パッケージの貫通穴内に半導体素子を接続する内部パッドを備え、半導
体素子上に圧電振動素子を電気的、機械的に固定する接続パッドを備えるようにした。こ
のように構成するとパッケージの貫通穴に圧電振動素子を接続するための電極パッドを設
ける必要がないため、電極パッドを設けるための段部が不要になり、パッケージの構造を
簡略化することができるのでパッケージコストを低減することができる。

また本発明は、パッケージの貫通穴の一方の開口に配置した半導体素子を固定する固定
材を備え、半導体素子と固定材により貫通穴の開口を閉止するようにした。これにより圧
電振動素子が収容される領域の気密性を保つことが可能になる。
また本発明は、半導体素子がヒータ素子又はヒータ素子を含むように構成した。このよ
うに構成すると、圧電振動素子を効率よく加熱することができるので、熱効率の高い恒温
槽型圧電発振器を実現することができる。
また本発明は、固定材としてガラスを用いると、パッケージの貫通穴内の気密性をさら
に高めることが可能になる。

また本発明の圧電デバイスの製造方法は、パッケージに形成された貫通穴の他方の開口
側に半導体素子を配置する第１の工程と、前記貫通穴内に設けられた内部パッドと前記半
導体素子の電極とをワイヤにより接続する第２の工程と、前記パッケージの他方の開口側
に配置した前記半導体素子を固定する固定材を塗布する第３の工程と、圧電振動素子を前
記パッケージの前記貫通穴内に搭載する第４の工程と、前記貫通穴の一方の開口を蓋部材
により閉止して前記パッケージ内を気密封止する第５の工程と、を備えるようにした。こ
のようにすれば、パッケージの貫通穴の一方の開口に半導体素子を配置することができる
ので、半導体素子の厚みを貫通穴の閉止部分に含めた圧電デバイスを作製することが可能
になる。

以下、図面を参照して本発明の圧電デバイスの実施形態を詳細に説明する。なお、本実
施形態では圧電デバイスの一例としてＴＣＸＯやＶＣＸＯ等の表面実装型水晶発振器（以
下、単に「水晶発振器」という）を例に挙げて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態としての水晶発振器の概略構成を示した図であり、図１
（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は（ａ）に示した一点鎖線Ａ−Ａで切断した縦断面図、（ｃ
）は底面図である。
この図１に示す水晶発振器１は、厚み方向（上下方向）に貫通する貫通穴５を有するパ
ッケージ２と、このパッケージ２に収容される半導体素子（以下、「ＩＣチップ」という
）３と、圧電振動素子である水晶振動素子１２と、パッケージ２内を気密封止する例えば
金属製の蓋部材１０とを備えて構成される。
パッケージ２に形成された貫通穴５のうち、開口面積が大きい上方側の開口が蓋部材１
０により閉止されている。また開口面積が小さい下方側の開口内にはＩＣチップ３が配置
されている。

ＩＣチップ３は、例えば発振回路や温度補償回路等が集積したベアチップであり、シリ
コン基板の片側に集積回路と、集積回路に接続された電極（図示しない）等が設けられて
いる。このＩＣチップ３の電極は、ワイヤ１３によりパッケージ２の貫通穴５内に設けら
れた内部パッド６に接続されている。なお、ＩＣチップ３が配置される貫通穴５の下面側
の開口面積はＩＣチップ３のサイズやパッケージ２の強度、ＩＣチップ３を貫通穴５に収
容する際の作業性などを考慮して適宜決定すれば良い。
ＩＣチップ３が配置された貫通穴５の下方側の開口には、シール材（固定材）１４が塗
布されており、シール材１４により開口の閉止、ＩＣチップ３の固定、及びワイヤ１３を
保護するようにしている。シール材１４としては、例えばエポキシ系のアンダーフィル材
や低融点ガラスなどが考えられる。特に、シール材１４として低融点ガラスを用いると、
貫通穴５内の気密性をより高めることができる。
パッケージ２の貫通穴５の内壁面には導電性接着剤１１により水晶振動素子１２を電気
的、機械的に固定するための内部パッド７が設けられている。またパッケージ２の下面側
には表面実装型の外部電極４が複数設けられている。

なお、外部電極４、内部パッド７及び接続パッド（図示しない）との間は、図示しない
内部導体により水晶発振回路を構成するための所定の配線が施されている。
このように水晶発振器１は、パッケージ２に水晶振動素子１２及びＩＣチップ３を収容
可能な貫通穴５を形成し、貫通穴５の一方の開口を蓋部材１０により閉止すると共に、貫
通穴５の他方の開口にＩＣチップ３を配置してシール材１４により閉止するようにした。
つまりＩＣチップ５とシール材１４とにより貫通穴５の一方の開口を閉止することで、Ｉ
Ｃチップ３の厚みを貫通穴５の閉止部分に含めるようにした。
この結果、従来のようにパッケージ上にＩＣチップを実装したり、パッケージ底面に形
成した凹部にＩＣチップを実装したりする場合に比べて、パッケージ底面からＩＣチップ
が突出する高さを抑えることが可能になり、水晶発振器の更なる低背化を図ることができ
る。

また従来のようにパッケージ底面を薄肉構造にする必要がないので、パッケージの機械
的強度を保ちつつ水晶発振器の低背化を実現することできるという利点もある。
さらに低背化を図るためにＩＣチップ３の厚さを薄くする必要もないため、輸送や作業
時におけるＩＣチップ３の破損を大幅に低減することができる。さらにＩＣチップ３の反
りも抑えることができるので水晶発振器を製造する際の作業性の向上も図ることができる
。
またＩＣチップ３の外周縁には、ＩＣチップ３の切断時に生じたチッピングやシリコン
屑等が存在するため、従来の水晶発振器では機械的な衝撃が加わった際にＩＣチップのチ
ッピングが拡大したり、ＩＣチップに付着していたシリコン結晶屑が水晶振動素子に付着
して、発振異常を引き起こすおそれがあった。
これに対して、本実施形態の水晶発振器１は、ＩＣチップ３の周囲をシール材１４によ
り固定する構造であるために、機械的な衝撃が加わったとしても、ＩＣチップ３のチッピ
ングが拡大したり、或いはＩＣチップ３に付着していたシリコン結晶屑が広がって水晶振
動素子１２に付着することがないという利点もある。

図２は、図１に示した水晶発振器の製造手順の一例を示した図である。
なお、ここでは図示しないパッケージ作製工程において、予め水晶振動素子１２とＩＣ
チップ３を収容可能な貫通穴５を有するパッケージ２が作製されているものとする。
先ず、第１の工程として、図２（ａ）に示すように、パッケージ２に形成された貫通穴
５の下方側の開口内にＩＣチップ３を配置する。
次に、第２の工程として、図２（ｂ）に示すように、貫通穴５内に設けた内部パッド６
とＩＣチップ３の図示しない電極とをワイヤーボンディングにより接続する。
次いで、第３の工程として、図２（ｃ）に示すように、ＩＣチップ３を配置した貫通穴
５の下方側の開口にシール材１４を塗布する。これにより、ＩＣチップ３を配置した下方
側の開口を閉止すると共に、ＩＣチップ３を固定する。またシール材１４によりワイヤ１
３を覆うことでワイヤ１３を保護するようにしている。

第４の工程として、シール材１４の乾燥後、図２（ｄ）に示すように、導電性接着剤１
１等を用いて貫通穴５内の電極パッド７に水晶振動素子１２を接続し、周波数調整などを
行った後、最後に第５の工程として、図２（ｅ）に示すように、パッケージ２の貫通穴５
の上側開口に蓋部材１０を接合してパッケージ内部を気密封止する。これにより、水晶発
振器１を作製することができる。
なお、第２の工程において、ワイヤーボンディングの際の衝撃によりＩＣチップ３やパ
ッケージ２が動いてしまうのを防ぐには、図２（ｂ）に示すように耐熱性の粘着シートま
たは接着剤等から成る仮固定部材３１を用いてＩＣチップ３とパッケージ２とをこれらを
置く土台に仮固定すれば良い。
また、仮固定部材３１を用いると、図２（ｃ）に示す第３の工程において、シール材１
４の漏れを防止することができる。

図３は第２の実施形態としての水晶発振器の概略構成を示した図であり、図３（ａ）は
縦断面図、（ｂ）は底面図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省
略する。
この図３に示す水晶発振器２０は、平板上のパッケージ２１の底面にＩＣチップ３を収
容するための貫通穴５が形成され、この貫通穴５内にＩＣチップ３が配置されている。Ｉ
Ｃチップ３が配置された貫通穴５には、シール材１４が塗布されており、シール材１４に
より貫通穴５の閉止と、ＩＣチップ３の固定、ワイヤ１３の保護を行っている。この場合
もシール材１４としてエポキシ系のアンダーフィル材や低融点ガラス等が用いられる。
ＩＣチップ３上の電極（図示しない）は、ワイヤーボンディングのワイヤ１３により、
パッケージ２１上の内部パッド６と接続されている。またこの場合はＩＣチップ３上に電
極パッド７が設けられ、この電極パッド７に導電性接着剤１１等を用いて水晶振動素子１
２が電気的、機械的に固定されている。
パッケージ２１上の周縁部にはシームリング２２が設けられており、このシームリング
２２に蓋部材１０を接合することで、パッケージ２１上の水晶振動素子１２を気密封止す
るようにしている。

このように構成される水晶発振器２０においても、上記図１に示した水晶発振器１と同
様の効果が得られる。またＩＣチップ３に直接水晶振動素子１２を搭載しているため、パ
ッケージ２１上に水晶振動素子１２を接続するための電極パッド７が不要になるので、パ
ッケージ２１の構造を簡略化することができ、パッケージの小面積化、低コスト化を図る
ことができる。
また水晶発振器２０においては、ＩＣチップ３に水晶振動素子１２を直接接触（対面）
した構造であるため、ＩＣチップ３にヒータ素子の機能を含めて構成したり、或いはヒー
タ素子としての機能のみを有するＩＣチップ３を構成したりすると、水晶振動素子１２を
効率よく加熱することができるため、熱効率の高い恒温槽型水晶発振器を実現することが
できる。またこの場合はＩＣチップ３とパッケージ２１との間にシール材１４が介在して
いるのでＩＣチップ３の熱がパッケージ２１を介して放熱しづらいという利点もある。

なお、本実施形態においては、本発明の一例として水晶発振器を例に挙げて説明したが
、これはあくまでも一例であり、同一パッケージ内にＩＣチップと圧電振動素子を収容す
るシングルシール構造の圧電デバイスであれば、本発明を適用することが可能である。例
えば、圧電素子として弾性表面波素子（ＳＡＷ）を用いたＳＡＷ発振器等の圧電デバイス
にも本発明を適用することが可能である。
また本実施形態では、図１に示したパッケージ２の貫通穴５の上面開口に平板状の蓋部
材１０を接合して気密封止する構造、或いは図３に示した平板状のパッケージ２１上に設
けたシームリング２２を挟んで平板状の蓋部材１０を接合して気密封止する構造を例に挙
げて説明したが、圧電振動素子を気密封止する構造としては、例えば平板状のパッケージ
の上面に逆椀状（逆凹状）の蓋部材を接合して気密封止しても良いことは言うまでもない
。

本発明の第１の実施形態としての表面実装型水晶発振器の構成を示した図。 図１に示した表面実装型水晶発振器の製造手順を示した図。 本発明の第２の実施形態としての表面実装型水晶発振器の構成を示した図。 従来の表面実装型水晶発振器の構成を示した図。

符号の説明

１…水晶発振器、２…パッケージ、３…ＩＣチップ、４…外部電極、５…貫通穴、６…
内部パッド、７…電極パッド、１０…蓋部材、１１…導電性接着剤、１２…水晶振動素子
、１３…ワイヤ、１４…シール材、２０…水晶発振器、２１…パッケージ、２２…シーム
リング

Claims (7)

1. 圧電振動素子と、半導体素子と、前記圧電振動素子及び前記半導体素子を収容可能な貫
   通穴を有するパッケージと、前記貫通穴の一方の開口を閉止する蓋部材と、を備え、前記
   貫通穴の他方の開口に前記半導体素子を配置して前記貫通穴内を気密封止したことを特徴
   とする圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記貫通穴内に前記半導体素子を接続する内
   部パッドと、前記圧電振動素子を電気的、機械的に固定する接続パッドと、を備えたこと
   を特徴とする圧電デバイス。
3. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記貫通穴内に前記半導体素子を接続する内
   部パッドを備え、前記半導体素子上に前記圧電振動素子を電気的、機械的に固定する接続
   パッドを備えたことを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記貫通穴の一方
   の開口に前記半導体素子を固定する固定材を備え、前記半導体素子と前記固定材により前
   記貫通穴の開口を閉止したことを特徴とする圧電デバイス。
5. 請求項３に記載の圧電デバイスにおいて、前記半導体素子がヒータ素子、又はヒータ素
   子を含んでいることを特徴とする圧電デバイス。
6. 請求項４に記載の圧電デバイスにおいて、前記固定材がガラスであることを特徴とする
   圧電デバイス。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電デバイスの製造方法であって、
   前記パッケージに形成された貫通穴の他方の開口側に半導体素子を配置する第１の工程
   と、前記貫通穴内に設けられた内部パッドと前記半導体素子の電極とをワイヤにより接続
   する第２の工程と、前記パッケージの他方の開口側に配置した前記半導体素子を固定する
   固定材を塗布する第３の工程と、圧電振動素子を前記パッケージの前記貫通穴内に搭載す
   る第４の工程と、前記貫通穴の一方の開口を蓋部材により閉止して前記パッケージ内を気
   密封止する第５の工程と、を備えたことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

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