JP2009130665A

JP2009130665A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2009130665A
Application number: JP2007304037A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tsuchido; 健次土戸
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】実装が容易で小型化を図ることができ、実装後の周波数ずれを防止できる圧電発
振器を提供すること。
【解決手段】圧電振動子３１と、該圧電振動子のパッケージ３２内に収容した圧電振動片
３５を発振させる発振回路を備える半導体装置５１とを接合した圧電発振器において、能
動面５８に実装端子５６を形成した前記半導体装置５１と、該半導体装置の非能動面５７
に形成した接続端子５２，５３と、該接続端子５２，５３と接続される電極パッド４１，
４２を有し、前記半導体装置に重ねて接合される前記パッケージ３２内に前記圧電振動片
を収容した前記圧電振動子３１とを備えており、前記半導体装置の前記接続端子５２，５
３が、前記非能動面５７の中央部に形成され、該中央部において前記パッケージ３２に対
して接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に振動子のパッケージを接合して形成する圧電発振器の改良に関
する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード
等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通
信機器において、圧電振動子や圧電発振器が広く使用されている。
圧電発振器は、圧電材料で形成した圧電振動片と、半導体装置、すなわちＩＣチップを
接合により組み合わせたものである。

特許文献１は、このような圧電発振器の一例を示しており、その図１において、圧電発
振器１は、上蓋５と下蓋６との間に水晶振動子２が挟持され、封止されてなるパッケージ
３と、水晶振動子２を駆動するための半導体装置４とを備えてなる発振器１が記載されて
いる。上蓋５は、透光性の基材によって形成されている。また、半導体装置４はその能動
面４ａ側を外側にして下蓋６の外側に実装され、能動面４ａ側に外部接続端子１１が形成
されている。
このような圧電発振器１では、外部接続端子１１を利用して、基板などに容易に実装す
ることができ、小型化も容易となる。

特開２００７−６７７７３

しかしながら、特許文献１に記載したような圧電発振器１にあっては、水晶振動子２の
下蓋６と半導体装置４は、その長手方向の両端付近で電極部９などにより接合されている
。
このような構造において、圧電発振器１を基板Ｐにリフロー工程などにより実装すると
、加熱後に半田が硬化する過程で、図１１に矢印Ａで示すような力が加わる。
このため、圧電振動子２には、その両端付近に対して、矢印Ｂに示すような応力が作用
することになり、実装後の圧電発振器１が周波数ずれを生じる場合がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、実装が容易で小型化を図るこ
とができ、実装後の周波数ずれを防止できる圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
圧電振動子と、該圧電振動子を発振させる発振回路を備える半導体装置とを接合した圧
電発振器において、前記半導体装置は、能動面に実装端子を有し、かつ前記能動面と対向
する面に接続端子を有し、前記圧電振動子は、前記接続端子と接続される電極パッドを有
し、前記接続端子が、前記能動面と対向する面の中央部に形成され、該中央部において前
記圧電振動子と接合されていることを特徴とする圧電発振器。
上記構成によれば、半導体装置に圧電振動子を重ねて接合した構成であり、全体として
コンパクトに形成することができる。
また、半導体装置の能動面を利用して、基板等へ容易に実装することができる。
さらには、前記半導体装置の前記接続端子が、前記非能動面の中央部に形成され、該中
央部において前記振動子パッケージに対して接合されている。つまり、半導体装置と振動
子パッケージは半導体装置の非能動面の中央部で接続されているので、能動面側が基板に
実装される際に、リフロー工程などにおいて応力が働くことで、半導体装置に歪みを生じ
ても、該半導体装置と振動子パッケージは互いに、中央部で接合されているので、振動子
パッケージの長さ方向の端部などに対して応力が作用することがない。このため、振動子
パッケージに収容されている圧電振動片に対して、変形応力等が作用することがなく、応
力の作用に起因する周波数ずれも生じない。
かくして、実装が容易で小型化を図ることができる圧電発振器について、実装後の周波
数ずれを防止できる圧電発振器を提供することができる。
なお、本発明で、「前記非能動面の中央部」とは、半導体装置の非能動面の正確な中心
点を指すのではなく、正確な中心点に近接した領域を指している。つまり、その部分で振
動子パッケージに接合されても、振動子パッケージが実質的に歪みを生じることのない範
囲が当該領域としての「中心部」である。

［適用例２］
上記構成において、前記接続端子が、前記非能動面の長手方向の中心線上であって、短
手方向の中央部に設けられていることを特徴とする。
「前記非能動面の長手方向の中心線上であって、短手方向の中央部」とは、前記した「
前記非能動面の中央部」の最も理想的な位置を意味している。このような位置に半導体装
置の前記接続端子を形成すると、その長さ方向の完全な中間位置となるので、前記した実
装時であるリフロー時などにおいて、接合相手である振動子パッケージを変形あるいは歪
がませるような応力が働くことがない。

［適用例３］
上記構成において、前記接続端子が、前記非能動面の短手方向に沿った仮想の中心線上
であって、長手方向の中央部に設けられていることを特徴とする。
「前記非能動面の短手方向の中心線上であって、長手方向の中央部」とは、前記した「
前記非能動面の中央部」の一例であり、比較的好ましい位置を意味している。このような
位置に半導体装置の前記接続端子を形成した場合においても、その長さ方向のほぼ中間位
置となるので、前記した実装時であるリフロー時などにおいて、接合相手である振動子パ
ッケージを変形あるいは歪がませるような応力が働くことがない。

［適用例４］
上記構成において、前記接続端子が、前記非能動面の中心点から対角方向にずれて２つ
設けられていることを特徴とする。
上記構成によれば、半導体装置の前記接続端子を、非能動面の中心点から対角方向にず
れて２つ設ける場合には、振動子パッケージとの接合箇所の位置が、圧電振動片の長さ方
向に対して傾斜する方向となり、このような方向に沿った２点に、仮にリフロー時などに
応力が作用しても、該圧電振動片を歪ませるようなことがないので、周波数ずれを生じな
い。

［適用例５］
上記構成において、半導体装置と前記圧電振動子との間に弾性率の低い樹脂を充填した
ことを特徴とする。
上記構成によれば、半導体装置側から伝えられるリフロー時など実装時の応力は、弾性
率の低い樹脂により伝えられて、その応力が緩和されることで、圧電振動片へ伝えられる
ことが防止される。
また、当該樹脂は半導体装置と圧電振動子との間に介在して、両者の接合をより強固な
ものとすることができる。

［適用例６］
上記構成において、前記圧電振動子は、パッケージと該パッケージ内に収容された振動
片を有し、前記振動片は前記パッケージ内で、片持ち式に固定されていることを特徴とす
る。
上記構成によれば、圧電振動片が片側で支持されているから、仮に、実装時においてリ
フローの際に作用する応力が振動子パッケージに伝えられても、圧電振動片の長さ方向の
一端しか振動子パッケージに接続されておらず、該パッケージから圧電振動片に応力が作
用する事態はほとんどない。

［適用例７］
上記構成において、前記圧電振動子は、水晶により形成した第１および第２の基板と、
振動片ならびに前記第１および前記第２の基板に挟まれて固定された枠部を一体に結合し
た基板とを有し、前記振動片は、前記枠部から片持ち式に延出することを特徴とする。
上記構成によれば、圧電振動片とこれを収容するパッケージの材料が同一であるから温
度変化による線膨張係数が同じである。したがって、実装時においてリフローの際などの
応力以外に、温度の変化による応力が作用することなども防止でき、周波数のずれを一層
確実に防止することができる。

図１は、本発明の圧電発振器の第１の実施形態を示す概略断面図である。
図において、圧電発振器３０は、圧電振動子３１と、この圧電振動子３１のパッケージ
３２内に収容した圧電振動片３５を発振させる発振回路を備える半導体装置５１とを接合
して形成されている。

この実施形態において、圧電振動子３１は、図１に示すように、第１および第２の基板
３３，３４を含む前記パッケージ３２と、これら第１および第２の基板３３，３４に挟ま
れて固定された圧電振動片３５を備えている。
第１および第２の基板３３，３４は、好ましくは、光を透過する平坦な板であり、ガラ
スか、より好ましくは圧電振動片３５と同じ材料で形成されている。すなわち、この実施
形態では、第１および第２の基板３３，３４はともに水晶で形成されていると好ましい。

圧電振動片３５は、圧電材料により形成されている。圧電材料として、例えば、この実
施形態では水晶が使用されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム
等の圧電材料を利用することができる。
特に、この圧電振動片３５は矩形の水晶の板の外周縁の厚みを残して、エッチングによ
り中央部の厚みを薄く加工して励振領域を形成した逆メサ型のＡＴ振動片が使用されてい
る。圧電振動片は、このような形態以外にも、逆メサ型でない矩形（第１および第２の基
板の内側に凹状部を形成して励振を可能とした場合）や、音叉型の振動片などを用いるこ
ともできる。

第１および第２の基板３３，３４は、圧電振動片３５を間に挟み込んで接合されている
。このような接合は種々の接合法により接合できる。例えば、これら第１および第２の基
板３３，３４と圧電振動片３５とは、接合面にプラズマを照射することにより共有結合を
発生させる、いわゆる直接接合によって接合したり、金−スズによる合金接合することが
できる。あるいは、第１および第２の基板３３，３４をガラスとした場合には陽極接合に
より接合することができる。
圧電振動片３５の励振領域には、その表面と裏面にそれぞれクロム−金メッキなどによ
り励振電極３７ａ，３７ｂが形成されている。これらの励振電極は導電パターンにより圧
電振動片３５の外縁の枠部分まで延長され、下方に導かれている。

図２は、第１の基板３３の裏面側を示している。この第１の基板３３は、その四隅の箇
所に欠落部、すなわちキャスタレーション３９がドライエッチングなどにより予め形成さ
れており、励振電極３７ａ，３７ｂから延びる導電パターンは、図２に示されているよう
に導電パターン４１ａ，４２ａにより中央部に導かれている。
すなわち、延長された導電パターン４１ａ，４２ａの先端には電極端子である電極パッ
ド４１，４２が形成されている。これら電極パッド４１，４２は、第１の基板３２の短手
方向の寸法を２分する仮想の中心線Ｃ１上で並列に、長手方向の寸法（図１の符合Ｌに相
当）を２分する仮想の中心線Ｃ２に近接して設けられている。

半導体装置５１は、所謂ＩＣチップであり、圧電振動子３１の発振回路と温度補償回路
とを内臓した半導体素子であり、該圧電振動子３１の動作の温度補償などの機能を発揮す
るものである。
図１においては、半導体装置５１の下の面が能動面５８であり、上の面が能動面と対向
する非能動面５７である。図４に示すように、半導体装置５１の能動面５８には、外部接
続端子、すなわち、実装端子５６が四隅部に対応して形成されている。実装端子５６は、
金属バンプ、スタッドバンプなどによっても形成できるが、この実施形態では、半田ボー
ルで形成している。

他方、半導体装置５１の非能動面５７には、図３に示すように能動面５８と接続された
貫通電極５４，５５が形成されている。貫通電極は、半導体装置５１を形成するシリコン
基板を貫通して表裏を電気的に接続するものである。
その形成法を簡単に説明すると、まず、上記シリコン基板の表面全体に、熱酸化等によ
って酸化シリコンからなる絶縁層を形成する。次に、この絶縁層上にレジストを塗布し、
露光・現像処理により所定形状にパターニングする。続いて、このレジストをマスクとし
て、エッチング処理によりシリコン基板に複数の平面視円形状の溝部を形成する。さらに
、この溝部の内壁面を覆う絶縁層を熱酸化法等により形成して、その後、該溝部の内部つ
まり内壁面を含むシリコン基板の能動面にスパッタ法や真空蒸着法等によって下地層を形
成する。
続いて、シリコン基板の能動面５８上にメッキレジストを塗布し、該メッキレジストを
上記溝部の周辺のシリコン基板が露出した開口部を有するようにパターニングし、メッキ
レジストパターンを形成する。このメッキレジストパターンをマスクにしてＣｕ電解メッ
キ処理し、上記開口部を含む溝部の内部に銅を析出させる。これにより、溝部の内部に銅
が充填され、溝部を含む開口部に金属端子が形成される。次いで、メッキレジストパター
ンをそのままマスクにして、金属端子上に無鉛半田等のろう材からなる接合材を形成する
。

次に、メッキレジストパターンをシリコン基板から除去し、該シリコン基板をその裏面
側からバックグラインドし、シリコン基板の裏面に金属端子を露出させる。
これにより、金属端子と接合材とからなる複数の貫通電極５４，５５を形成することが
できる。
これにより、半導体装置５１においては、貫通電極５４，５５を介して圧電振動片３５
の駆動を制御することができる。
なお、半導体装置５１の貫通電極５４，５５および実装端子５６を露出した個所以外は
、例えばポリイミドなどにより絶縁されている。
本実施形態では、図３に示すように、各貫通電極５４，５５から導電パターンを延長し
、先端に接続端子５２，５３を形成している。これら接続端子５２，５３は半導体装置５
１の短手方向の寸法を２分する仮想の中心線ＨＣ１上で並列に、長手方向の寸法を２分す
る仮想の中心線ＨＣ２に近接して設けられている。しかも、半導体装置５１の上に圧電振
動子３１を重ねたときに、半導体装置５１の接続端子５２，５３は、圧電振動子３１の図
２で説明した第１の基板３３の電極パッド４１，４２と一致する位置となる。これにより
、接続端子５２，５３を、それぞれ電極パッド４１，４２に対して、半田６１，６２で接
合することにより、圧電発振器３０を形成することができる。

本実施形態は以上のように構成されており、図１で説明したように、半導体装置５１に
圧電振動子３１を重ねて接合した構成なので、全体としてコンパクトに形成することがで
きる。
そして、半導体装置５１の能動面５８に実装端子５６を設けるだけで、図示しない実装
基板等へ容易に実装することができる。
さらには、図３で説明したように、半導体装置５１の接続端子５２，５３が、非能動面
５７の中央部に形成され、図１に示したように、該中央部においてパッケージ３２に対し
て接合されている。つまり、半導体装置５１とパッケージ３２は半導体装置５１の非能動
面５７の中央部で接続されている
このため、圧電発振器３０の半導体装置５１の能動面５８側が図示しない実装基板に実
装される際に、リフロー工程などにおいて応力が働くことで、半導体装置５１に歪みを生
じても、該半導体装置５１とパッケージ３２は互いに、中央部で接合されているので、パ
ッケージ３２の長さ方向の端部などに対して応力が作用することがない。このため、パッ
ケージ３２に収容されている圧電振動片３５に対して、変形応力等が作用することがなく
、応力の作用に起因する周波数ずれも生じない。
かくして、実装が容易で小型化を図ることができ、実装後の周波数ずれを防止できる圧
電発振器３０を提供することができる。

図５ないし図７は、各変形例を示している。
図５（ａ）において、半導体装置５１の接続端子５２−１，５３−１は、その非能動面
５７の長手方向に沿った仮想の中心線ＨＣ２上であって、短手方向の中央部に設けられて
いる。この変形例は、接続端子を設ける上では、最も理想的な位置を示している。
図５（ｂ）に示すように、圧電振動子側である第１の基板３３の電極パッド４１−１，
４２−１も該第１の基板３３の長手方向に沿った仮想の中心線Ｃ２上であって、短手方向
の中央部に設けられている。
このような位置に半導体装置５１の接続端子を形成し、第１の基板３３側の電極パッド
と接合すると、それらの長さ方向の完全な中間位置となるので、図１における圧電発振器
３０の実装時であるリフロー時などにおいて、接合相手であるパッケージ３２を変形ある
いは歪がませるような応力が働くことがない。

図６と図７はともに、半導体装置５１の接続端子５２−２，５３−２（図６）、５２−
３，５３−３（図７）が、非能動面５７の中心点ＨＯ（縦横の各寸法の中心位置）から対
角方向にずれて２つ設けられている。これに応じて、圧電振動子側である第１の基板３３
の電極パッド４１−２，４２−２（図６）、４１−３，４２−３（図７）も、該第１の基
板３３の中心点ＨＯ（縦横の各寸法の中心位置）から対角方向にずれて２つ設けられてい
る。
このような変形例によると、半導体装置５１と図１のパッケージ３２との接合箇所の位
置が、圧電振動片３５の長さ方向に対して傾斜する方向となり、このような方向に沿った
２点に、仮にリフロー時などに応力が作用しても、該圧電振動片３５を歪ませるようなこ
とがないので、周波数ずれを生じない。

図８は、第２の実施形態を示している。
図８の圧電発振器３０−１において、第１の実施形態に関する図１の符合と同一の符合
を付した個所は共通する構成であるから、重複する説明を省略し、以下、相違点を中心に
説明する。

この実施形態では、半導体装置５１の接続端子５２，５３が、非能動面５７の中央部に
形成され、この中央部においてパッケージ３２に対して接合されているだけでなく、半導
体装置５１とパッケージ３２との間に弾性率の低い樹脂６５を充填したものである。
ここで、樹脂６５は、例えば、シリコーン（シリカケトン）樹脂を用いることができる
。
これにより、半導体装置側５１から伝えられるリフロー時など実装時の応力は、弾性率
の低い樹脂６５により伝えられて、その応力が緩和されることで、圧電振動片３５へ伝え
られることが防止される。
また、樹脂６５は半導体装置５１とパッケージ３２との間に介在して、両者の接合をよ
り強固なものとすることができる。

図９は、第３の実施形態を示している。
図９の圧電発振器３０−２おいて、第１の実施形態に関する図１の符合と同一の符合を
付した個所は共通する構成であるから、重複する説明を省略し、以下、相違点を中心に説
明する。
図９の圧電発振器３０−２において、その圧電振動子３１のパッケージ３２に収容され
る圧電振動片３５−１は、図１０に示すように構成されている。

図１０は圧電振動片３５−１の概略平面図である。
図において、圧電振動片３５−１は枠付き振動片であり、その枠部６７の一端から振動
片が片持ち式に延出して形成されている。
すなわち、枠部６７の左端部から一対の支持部６８，６８を介して、短冊状ないし矩形
のＡＴ振動片本体６６が延びており、先端側は固定されない自由端となっている。この振
動片本体６６の表裏には励振電極３７ａ，３７ｂが形成されている（図９、図１０）。

本実施形態は以上のように形成されており、圧電振動片３５−１の振動片本体６６が片
側で支持されているから、仮に、実装時においてリフローの際に作用する応力がパッケー
ジ３２に伝えられても、圧電振動片３５−１の長さ方向の一端しかパッケージ３２に接続
されていないことにより、パッケージ３２から圧電振動片３５−１に応力が作用する事態
はほとんどない。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わ
せたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
圧電振動片は、図示した形状に限らず、各種の異なる形態とすることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。図１の圧電発振器のパッケージの裏面を示す概略図。図１の圧電発振器の半導体装置の非能動面側を示す概略図。図１の圧電発振器の半導体装置の能動面側を示す概略図。図１の圧電発振器の変形例の要部を示す概略図。図１の圧電発振器の変形例の要部を示す概略図。図１の圧電発振器の変形例の要部を示す概略図。本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。本発明の第３の実施形態に係る圧電発振器の概略断面図。図９の圧電発振器の圧電振動片の概略平面図。従来の圧電発振器の概略断面図。

符号の説明

３０・・・圧電発振器、３１・・・圧電振動子、３２・・・パッケージ、３３・・・第
１の基板、３４・・・第２の基板、３５・・・圧電振動片、５１・・・半導体装置

Claims

圧電振動子と、該圧電振動子を発振させる発振回路を備える半導体装置とを接合した圧
電発振器において、
前記半導体装置は、能動面に実装端子を有し、かつ前記能動面と対向する面に接続端子
を有し、
前記圧電振動子は、前記接続端子と接続される電極パッドを有し、
前記接続端子が、前記能動面と対向する面の中央部に形成され、該中央部において前記
圧電振動子と接合されていること
を特徴とする圧電発振器。
前記接続端子が、前記非能動面の長手方向の中心線上であって、短手方向の中央部に設
けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
前記接続端子が、前記非能動面の短手方向の中心線上であって、長手方向の中央部に設
けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
前記接続端子が、前記非能動面の中心点から対角方向にずれて２つ設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
半導体装置と前記圧電振動子との間に弾性率の低い樹脂を充填したことを特徴とする請
求項１ないし４のいずれかに記載の圧電発振器。
前記圧電振動子は、パッケージと該パッケージ内に収容された振動片を有し、
前記振動片は前記パッケージ内で、片持ち式に固定されていることを特徴とする請求項
１ないし５のいずれかに記載の圧電発振器。
前記圧電振動子は、水晶により形成した第１および第２の基板と、振動片ならびに前記
第１および前記第２の基板に挟まれて固定された枠部を一体に結合した基板とを有し、
前記振動片は、前記枠部から片持ち式に延出することを特徴とする請求項１乃至請求項
５に記載の圧電発振器。