JP2009105628A - 水晶デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層セラミックからなる容器本体と水晶片とこの水晶片を用いる回路を集積したＩＣチップとを備え、容器本体に形成された第１の凹部内に水晶片を密閉封入し第２の凹部内にＩＣチップを収容した水晶デバイスにおいて、ＩＣチップの変更に容易に対応でき、かつ、ＩＣチップの回路機能面の保護を確実に行えるようにする。
【解決手段】プリント配線基板からなる実装基板２２の一方の主面にＩＣチップ１を固着させ、容器本体２の第２の凹部１０ｂ内にＩＣチップ２が収容されるように、第２の凹部１０ｂの開口端面に対して異方性導電樹脂２６を用いて実装基板２２を接合する。第２の凹部１０ｂの開口端面には水晶片３と電気的に接続する第１の接合端子５を設け、実装基板２２の一方の主面には、接合端子５に対応する位置において、ＩＣチップ１と電気的に接続する複数の接合端子１９を設けておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子とこの水晶振動子を用いる回路を含むＩＣ（集積回路）チップとを一体化させた水晶デバイスに関し、特に、ＩＣチップを外部環境から確実に保護することができるとともに、ＩＣチップにおける仕様変更に容易に対応して製造することができる水晶デバイスとその製造方法とに関する。

水晶振動子とＩＣチップを一体化させた水晶デバイスの代表的なものとして、水晶振動子とこの水晶振動子を用いる発振回路を集積したＩＣチップとを一体化させた表面実装用の水晶発振器がある。表面実装用の水晶発振器は、小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器、例えば携帯電話機において、周波数や時間の基準源として広く内蔵されている。

このような表面実装用の水晶発振器の１つのタイプのものとして、両方の主面にそれぞれ凹部が形成された扁平な容器本体を使用し、一方の主面の凹部に水晶片を密閉封入して水晶振動子を構成するとともに、他方の主面の凹部にＩＣチップを格納した、いわゆる二室型のものがある（例えば、特許文献１）。二室型の表面実装用水晶発振器は、中央部での断面形状がＨ字型である容器本体を使用するので、Ｈ字型の表面実装用水晶発振器とも呼ばれる。図５は、そのような２室型の表面実装用水晶発振器の断面図であり、図６はここで用いられる水晶片を示す平面図であり、図７は、ＩＣチップを取り除いた状態での容器本体の底面図である。

図示される水晶発振器において、容器本体２は、セット基板に実装したときに上から見て短辺と長辺とを有する長方形に見える扁平な略直方体形状の外形を有し、その上面と下面にそれぞれ凹部が設けられており、その結果、Ｈ字型の断面形状を有している。容器本体２は、略長方形状の平板状の中央層２ａと、それぞれ開口部を有する上下の枠層２ｂ、２ｃとを有する積層セラミックからなっている。中央層２ａと枠層２ｂによって図示上側の第１の凹部１０ａが形成され、第１の凹部１０ａ内に水晶振動子として機能する水晶片３が格納されている。また、中央層２ａと枠層２ｃによって図示下側の第２の凹部１０ｂが形成され、第２の凹部１０ｂ内にＩＣチップ１が収容されている。ここで第１の凹部１０ａの底面、すなわち中央層２ａの表側の表面には、一対の水晶保持端子１２が設けられている。第２の凹部１０ｂの開口端面を囲む枠層２ｃの表面の４つの角部には、それぞれ、この水晶発振器をセット基板上に表面実装する際に用いられる実装端子４が設けられている。

水晶片３は、図６に示すように、例えば略長方形のＡＴカットの水晶片であり、その両方の主面にそれぞれ励振電極７ａが設けられるともに、これらの励振電極７ａからは、水晶片３の一端部の両側に向けて、それぞれ引出電極７ｂが延出されている。引出電極７ｂが延出された水晶片３の一端部両側を導電性接着剤１３などで固着することにより、水晶片３は、水晶保持端子１２に対して電気的・機械的に接続し、第１の凹部１０ａ内に保持されることになる。水晶片３の固着後、容器本体２の第１の凹部１０ａの開口面には、枠層１ｂの上面に設けられた金属リング１５に対して金属カバー９がシーム溶接などによって接合され、これによって、水晶片３が第１の凹部１０ａ内に密閉封入されるようになっている。なお、金属リング１５は、容器本体２に形成されたビアホールなどの不図示の導電路を介して、実装端子４のうちの接地用のものに電気的に接続しており、これにより、金属カバー９も接地することになる。

ＩＣチップ１は、略長方形の形状を有し、水晶片３を用いる発振回路を少なくとも含む電子回路を半導体基板に集積化したものである。ＩＣチップ１においては発振回路等の電子回路が半導体基板の一方の主面に通常の半導体装置製造プロセスによって形成されているので、半導体基板の一対の主面のうちこれらの電子回路が形成されている方の主面のことを、ＩＣチップの回路機能面と呼ぶことにする。回路機能面には、ＩＣチップ１を外部回路に接続するための複数のＩＣ端子も形成されている。ＩＣ端子には、電源端子、接地端子、発振出力端子、ＡＦＣ（自動周波数制御）端子、水晶振動子と接続するための一対の水晶接続端子などが含まれる。

また第２の凹部１０ｂの底面、すなわち中央層２ａの第２の凹部１０ｂ側の露出底面には、図７に示すように、ＩＣ端子に対応する複数の回路端子１１が設けられている。ここでは８個の回路端子１１が、凹部１０ｂの底部の両方の長辺に沿うようにして、長辺ごとに４個ずつ等間隔に列をなして配置している。ＩＣ端子のうちの電源端子、接地端子、発振出力端子、ＡＦＣ端子に対応する回路端子は、それぞれ、不図示の導電路を介して、実装端子４に電気的に接続している。ＩＣチップ１の１対の水晶接続端子に対応する回路端子は、中央層２ａに形成されたビアホールなどの不図示の導電路を介して、中央層２ａの第１の凹部１０ａ側の表面に形成された水晶保持端子１２に電気的に接続する。

ＩＣチップ１は、その回路機能面が第２の凹部１０ｂの底面に向かい合うようにして、バンプ６を用いる超音波熱圧着によりＩＣ端子を回路端子１１に電気的・機械的に接続することによって、第２の凹部１０ｂの底面に固着される。そして、ＩＣチップ１の回路機能面を保護するために、第２の凹部１０ｂ内には、中央層２ａと回路機能面との隙間を埋めるように、保護樹脂層１６がいわゆるアンダーフィルとして設けられている。

上述した水晶発振器では、当然のことながら、ＩＣチップ１でのＩＣ端子の数及び配置と、第２の凹部１０ｂの底面での回路端子１１の数及び配置とが対応していなければならない。図８（ａ），（ｂ）は、いずれも、ＩＣチップにおけるＩＣ端子の配置の例を示しており、図８（ａ）に示したものでは、８個のＩＣ端子８が、略長方形のＩＣチップ１の長辺に沿って長辺ごとに４個ずつ、等間隔で配置している。これに対し図８（ｂ）に示すものは、ＩＣチップ１の一方の長辺に沿って５個、他方の長辺に沿って３個のＩＣ端子８が配置しており、ＩＣ端子８間の間隔も全てが同一というわけではない。容器本体２における図７に示すような回路端子１１の配置は、図８（ａ）に示したようにＩＣ端子８が配置しているＩＣチップ１に適合したものであり、図８（ｂ）に示したような配置のＩＣチップには適合していない。したがって、図８（ｂ）に示したようにＩＣ端子８が配置しているＩＣチップ１を図７に示した容器本体２に格納して水晶発振器を構成することはできない。
特開２００６−１６５７５９号公報 元木和行他、「異方性導電材料接続」、フジクラ技報、第９９号、第３２頁〜第３８頁、２０００年１０月

上述した従来の水晶発振器においては、第２の凹部の底面に設けられる回路端子の配置とＩＣチップでのＩＣ端子の数と配置とが対応している必要があり、ＩＣ端子の配置が異なるＩＣチップを使用するごとに、積層セラミックからなる専用の容器本体を用意しなければならない。しかしながら、ＩＣ端子の個数や配置が異なるＩＣチップごとに専用の容器本体を準備することは、そのような容器本体を試作するためのリードタイムやコストが増大するという課題を生じる。また、水晶発振器の小型化に伴って、ＩＣチップと容器本体の凹部の側壁との間隔が狭くなる傾向にあり、ＩＣチップの回路機能面を保護するためにこの隙間に樹脂を注入・塗布して保護樹脂層を構成することが難しくなってきている。

本発明の目的は、ＩＣチップにおけるＩＣ端子の個数や配置の変更に柔軟に対応できてＩＣチップの変更を容易に行うことができる水晶デバイスとその製造方法を提供することにある。

本発明の水晶デバイスは、一方の主面に形成された第１の凹部と他方の主面に形成された第２の凹部とを有する容器本体と、第１の凹部内に密閉封入された水晶片と、水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップと、一方の主面にＩＣチップが搭載された実装基板と、を有し、容器本体において第２の凹部の開口端面に、水晶片と電気的に接続し実装基板との電気的接続に用いられる複数の第１の接合端子が設けられ、実装基板の一方の主面において、複数の第１の接合端子に対応する位置に、ＩＣチップと電気的に接続し容器本体との電気的接続に用いられる複数の第２の接合端子が設けられ、ＩＣチップが第２の凹部内に格納されるように、異方性導電樹脂を介して容器本体と実装基板が接合している。

このような水晶デバイスでは、ＩＣチップの種類に応じて実装基板を準備することによって、ＩＣチップにおけるＩＣ端子の個数や配置の変更に柔軟に対応できるようになる。

本発明の水晶デバイスにおいては、異方性導電樹脂を実装基板の一方の主面の外周の全周に沿って設け、ＩＣチップの回路機能面を外気から遮断するように構成することが好ましい。また本発明の水晶デバイスでは、実装基板の他方の主面に、水晶デバイスをセット基板上に表面実装する際に用いられる実装端子を設けることができる。

本発明の水晶デバイスでは、容器本体は、例えば、複数層のセラミックシートを積層して構成された積層セラミックからなる。また、ＩＣチップの変更に柔軟に対応できるようにするために、実装基板をプリント配線基板によって構成することが好ましい。

本発明の水晶デバイスの製造方法は、一方の主面に形成された第１の凹部と他方の主面に形成された第２の凹部とを有する容器本体と、第１の凹部内に密閉封入された水晶片と、水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップとを有する水晶デバイスの製造方法であって、ＩＣチップを実装基板に搭載する段階と、実装基板の少なくとも外周部に異方性導電樹脂を配置する段階と、ＩＣチップが第２の凹部内に格納されるように、異方性導電樹脂を介して容器本体と実装基板とを異方性導電樹脂の熱圧着によって接合する段階と、を有する。

本発明によれば、容器本体の第１の凹部に水晶片を密閉封入し第２の凹部にＩＣチップを格納するいわゆる二室型の水晶デバイスにおいて、第２の凹部の底面にＩＣチップを固着させるのではなく、実装基板にＩＣチップを搭載した後に第２の凹部内にＩＣチップが格納されるように実装基板を異方性導電樹脂によって容器本体に接合するので、異方性導電樹脂によって実装基板と容器本体との間の所望の電気的接続が確立するとともに、ＩＣチップの種類に応じた実装基板を準備することで、ＩＣチップの変更に対して柔軟に対応できるようになるという効果が得られる。また、異方性導電樹脂を実装基板の一方の主面の外周の全周に沿って設け、これによりＩＣチップの回路機能面が外気から遮断されるようにすることによって、このように構成することによって、ＩＣチップの回路機能面を確実に保護することができるようになる。

図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１の実施形態の水晶デバイスである表面実装用水晶発振器の側面図と組立断面図であり、図２はこの水晶発振器で用いられる容器本体の底面図である。これらの図において、図５〜図８に示したものと同一の構成要素には同一の参照符号が付与されており、それらについての重複する説明は省略または簡略化する。

第１の実施形態の水晶発振器は、上述した従来の二室型の表面実装型水晶発振器と同様のものであって、一方の主面に第１の凹部１０ａが形成され他方の主面に第２の凹部１０ｂが形成された積層セラミックからなる容器本体２を使用し、第１の凹部１０ａ内に水晶片３を密閉封入し、第２の凹部１０ｂ内にＩＣチップ１を収容したものである。この水晶発振器は、ＩＣチップ１を第２の凹部１０ｂの底面に固着させるのではなくて実装基板２２に固着させ、その後、第２の凹部１０ｂ内にＩＣチップ１が配置するように実装基板２２を容器本体２に接合させ、実装基板２２によって第２の凹部１０ｂが閉じられるようにした点で、図５に示す従来の水晶発振器と異なっている。実装基板２２を容器本体１に接合させるために、異方性導電樹脂２６を使用している。ＩＣチップ１の構成、水晶片３の構成、及び水晶片３を第１の凹部１０ａ内に保持し封入する構成については、本実施形態の水晶発振器は、図５に示した従来のものと同じである。以下、本実施形態の水晶発振器について詳しく説明する。

本実施形態で用いる容器本体２は、図５に示したものと同様のものであるが、第２の凹部１０ｂの底面に回路端子１１が形成されていない点と、実装端子４の代わりに接合端子５が設けられている点で、図５に示したものと異なっている。接合端子５は、第２の凹部１０ｂの開口端面を囲む枠層２ｃの表面の４つの角部にそれぞれ設けられている。これら４個の接合端子５のうち、２個は接地用のものであって、容器本体２に形成されたビアホールなどの不図示の導電路を介して金属リング１５に電気的に接続し、残りの２個は、やはり容器本体２に形成されたビアホールなどの不図示の導電路を介して、第１の凹部１０ａの底面に形成されている一対の水晶保持端子１２に電気的に接続している。

実装基板２２は、容器本体２と同一の平面外形寸法を有する略長方形の板状部材であって、例えば、ガラスエポキシ多層基板材料などから構成されたプリント配線基板として形成されている。実装基板２２の一方の主面には、ＩＣチップ１のＩＣ端子にそれぞれ対応する複数の回路端子１１が設けられており、さらにこの一方の主面の４角部には、それぞれ、容器本体２の接合端子５に対応する接合端子１９が設けられている。実装基板２２の他方の主面の４角部には、図２に示すように、この水晶発振器をセット基板上に実装する際に用いられる実装端子４が形成されている。ＩＣ端子のうちの電源端子、接地端子、発振出力端子、ＡＦＣ端子に対応する回路端子１１は、実装基板２２に形成された導電路（不図示）を介して、実装端子４に電気的に接続している。接合端子１９のうち、容器本体２側の接地用の接合端子５に対応するものも、ＩＣ端子のうちの接地端子に対応する回路端子１１に電気的に接続している。また、接合端子１９のうち、容器本体２側の水晶保持端子に接続する接合端子５に対応するものは、ＩＣ端子のうちの水晶接続端子に対応する回路端子１１に対して、実装基板２２上の配線パターンを介して接続している。ＩＣチップ１は、その回路機能面が実装基板２２の一方の主面に向かい合うようにして、バンプを用いる超音波熱圧着によりＩＣ端子を回路端子１１に電気的・機械的に接続することによって、実装基板２２に固着されている。

このようにＩＣチップ１が固着された実装基板２２は、図１（ｂ）に示すように、その一方の主面において実装基板２２の外周に沿うように液状（あるいはペースト状）の異方性導電樹脂２６を塗布し、ＩＣチップ１が容器本体２の第２の凹部１０ｂ内に配置するように、異方性導電樹脂２２を介して実装基板２２を第２の凹部１０ｂの開口端面に当接させ、実装基板２２を容器本体２に向けて押圧しながら加熱し、異方性導電樹脂２２を硬化させることにより、容器本体２に固着される。異方性導電樹脂とは、非特許文献１に記載されているように、加熱前には液状あるいは弾力性を有する固体であって、熱圧着を行った場合に、圧着部における厚み方向に対しては電気導通性を示し、その圧着面の面内方向に対しては電気絶縁性を示すようになる材料のことである。このような異方性導電樹脂は、例えば熱硬化性あるいは熱可塑性の樹脂に導電粒子を分散させたものであって、対向する電極間でこのような異方性導電樹脂を押圧しかつ加熱した場合に、電極間が導電粒子によって電気的に導通し、かつ押圧と加熱を停止した後もそのような電気導通状態を維持するものである。

本実施形態の水晶発振器では、このような異方性導電樹脂２６を使用することにより、実装基板２２上の各接合端子１９は、容器本体２の接合端子１５のうちの対応するものだけに対して電気的に接続することになり、隣接する接合端子１９の相互間での電気的短絡は生じない。また、容器本体２と実装基板２２との間の隙間が全て異方性導電樹脂２６によって封じられることになるので、ＩＣチップ１の回路機能面は外気から遮断されることになり、回路機能面を確実に保護することができるようになる。なお、上述の説明では、実装基板２２の一方の主面において、実装基板２２の外周に沿う領域のみに、すなわち容器本体２の枠層２ｃに対応する領域のみに異方性導電樹脂を塗布するとしたが、ＩＣチップ１の回路機能面でない方の面も含めて実装基板２２の一方の主面の全面に異方性導電樹脂を塗布することもできる。全面に塗布した場合には、異方性導電樹脂が、図５に示した水晶発振器におけるアンダーフィルと同様に機能することになり、ＩＣチップ１の保護をより完全なものとすることができる。

また、この水晶発振器では、ＩＣチップ１におけるＩＣ端子の数や配置を変更する場合には、実装基板２２における回路端子１１の配置や配線パターンの形状を変更すればよい。実装基板２２は、ガラスエポキシ多層基板などからなるプリント配線基板で構成されているから、通常のプリント配線基板作成技術を用いて製造することができ、また、配線パターンにおけるランド部として形成される回路端子１１の配置や配線パターンの形状を容易に変更することができる。試作に伴うリードタイムやコストの上昇も、積層セラミックで構成された容器本体において回路端子の配置を変更する場合に比べ、十分に小さい。

図３（ａ），（ｂ）は、いずれも、多層プリント配線基板として実装基板２２を構成した場合における実装基板２２の一方の主面での回路端子１１、回路パターン１８及び接合端子１９の配置例を示しており、図中の一点鎖線は、実装基板２２上にＩＣチップ１を搭載した場合のＩＣチップ１の外形を示している。図３（ａ）は、上述の図８（ａ）に示したＩＣチップに対応する実装基板での配置を示しており、図３（ｂ）は、図８（ｂ）に示したＩＣチップに対応する実装基板での配置を示している。このように、本実施形態によれば、それぞれのＩＣチップに対応した実装基板をプリント配線基板として準備しておくことによって、ＩＣチップの変更に対して容易に対応できるようになる。

次に、本発明の第２の実施形態の表面実装用水晶発振器について説明する。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ、の第２の実施形態の表面実装用水晶発振器を示す断面図及び組立断面図である。図４（ａ），（ｂ）において、図１（ａ），（ｂ）におけるものと同一の構成要素には同一の参照符号が付与されており、それらについての重複する説明は省略または簡略化する。

上述の第１の実施形態では、液状（あるいはペースト状）の異方性導電樹脂を塗布し、熱圧着で硬化させているが、異方性導電樹脂としては、熱処理前の状態でシート状のものもある。第２の実施形態では、シート状の異方性導電樹脂を使用する場合を説明する。

容器本体２及び実装基板２２としては、第１の実施形態と同一のものが使用される。シート状の異方性導電樹脂２６Ａは、実装基板２２と同一の平面外形寸法を有するとともに、その中央部には、ＩＣチップ１の形状に合わせた開口部が形成されている。このように枠状に形成された異方性導電樹脂２６Ａを実装基板２２の一方の主面上においてその外周に沿って配置し、その後、実装基板２２を容器本体２に押し付けながら加熱することにより、シート状の異方性導電樹脂２６Ａが実装基板２２と容器本体２とに熱圧着して、水晶発振器が完成する。

第２の実施形態の場合も、第１の実施形態の場合と同様に、実装基板２２上の各接合端子１９は、異方性導電樹脂２６Ａを介して容器本体２の接合端子１５のうちの対応するものだけに対して電気的に接続することになる。また、容器本体２と実装基板２２との間の隙間が全て異方性導電樹脂２６Ａによって封じられることになるので、ＩＣチップ１の回路機能面は外気から遮断されることになる。

（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の表面実装用水晶発振器を示す断面図及び組立断面図である。 水晶発振器における容器本体の底面図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ実装基板における回路パターンの形成例を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の表面実装用水晶発振器を示す断面図及び組立断面図である。 従来の二室型の表面実装用水晶発振器の断面図である。 水晶片を示す平面図である。 ＩＣチップが取り除かれた状態での図６に示す水晶発振器における容器本体の底面図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれＩＣチップの回路機能面の例を示す平面図である。

符号の説明

１…ＩＣチップ、２…容器本体、２ａ…中央層、２ｂ，２ｃ…枠層、３…水晶片、４…実装端子、５，１９…接合端子、６…バンプ、７ａ…励振電極、７ｂ…引出電極、８…ＩＣ端子、９…金属カバー、１０ａ，１０ｂ…凹部、１１…回路端子、１２…水晶保持端子、１３…導電性接着剤、１５…金属リング、１６…保護樹脂層、１８…回路パターン、２２…実装基板、２６，２６Ａ…異方性導電樹脂。

Claims (7)

1. 一方の主面に形成された第１の凹部と他方の主面に形成された第２の凹部とを有する容器本体と、
   前記第１の凹部内に密閉封入された水晶片と、
   前記水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップと、
   一方の主面に前記ＩＣチップが搭載された実装基板と、
   を有し、
   前記容器本体において第２の凹部の開口端面に、前記水晶片と電気的に接続し前記実装基板との電気的接続に用いられる複数の第１の接合端子が設けられ、
   前記実装基板の一方の主面において、前記複数の第１の接合端子に対応する位置に、前記ＩＣチップと電気的に接続し前記容器本体との電気的接続に用いられる複数の第２の接合端子が設けられ、
   前記ＩＣチップが前記第２の凹部内に格納されるように、異方性導電樹脂を介して前記容器本体と前記実装基板が接合している水晶デバイス。
2. 前記異方性導電樹脂は前記実装基板の一方の主面の外周の全周に沿って設けられ、前記ＩＣチップの回路機能面が外気から遮断されている、請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記実装基板の他方の主面に、前記水晶デバイスをセット基板上に表面実装する際に用いられる実装端子が設けられている、請求項１または２に記載の水晶デバイス。
4. 前記容器本体は複数層のセラミックシートを積層して構成された積層セラミックからなり、前記実装基板はプリント配線基板からなる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶デバイス。
5. 前記回路は前記水晶片を用いる発振回路であり、表面実装用の水晶発振器として構成された請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水晶デバイス。
6. 一方の主面に形成された第１の凹部と他方の主面に形成された第２の凹部とを有する容器本体と、前記第１の凹部内に密閉封入された水晶片と、前記水晶片を用いる回路が集積化されたＩＣチップとを有する水晶デバイスの製造方法であって、
   前記ＩＣチップを実装基板に搭載する段階と、
   前記実装基板の少なくとも外周部に異方性導電樹脂を配置する段階と、
   前記ＩＣチップが前記第２の凹部内に格納されるように、異方性導電樹脂を介して前記容器本体と前記実装基板とを前記異方性導電樹脂の熱圧着によって接合する段階と、
   を有する水晶デバイスの製造方法。
7. 前記容器本体において第２の凹部の開口端面に、前記水晶片と電気的に接続し前記実装基板との電気的接続に用いられる複数の第１の接合端子が設けられ、
   前記実装基板の一方の主面において、前記複数の第１の接合端子に対応する位置に、前記ＩＣチップと電気的に接続し前記容器本体との電気的接続に用いられる複数の第２の接合端子が設けられている、請求項６に記載の水晶デバイスの製造方法。

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