JP2012039237A

JP2012039237A - 表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法及びその構造

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Publication number: JP2012039237A
Application number: JP2010175428A
Authority: JP
Inventors: Kge-Kun Kwoak; 啓▲クン▼ 郭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-04
Filing date: 2010-08-04
Publication date: 2012-02-23

Abstract

【課題】表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法及びその構造を提供する。
【解決手段】表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法及びその構造であって、１．マイクロ・エレクトロ・メカニカル方式によってガラスウェーハーの上にロット生産すること、２．集積回路素子と完全に整合することができること、３．その他の電子ダイと整合して同一集積回路にパッキングすることができ、有効に単一電素子の使用量を減少し、大幅に製造コストを引き下げることが出来ること、４．特殊なグルー付け区域設計によって生産精度を向上させることによって、グルーの付け溢れ或いは付け漏れなどの状況を減らし且つ不良率を引き下げることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面接着式(Surface Mount Device, SMD)マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)発振器の製造方法及びその構造、特に、マイクロプロセッサー・コントロール・ユニット(Microprocessor control unit, MCU)のダイ(Die)と整合パッキングを行うことによって、製品設計上の外部素子の使用量を減少し、且つ電子製品の製造工程を簡素化し製造効率を高める技術分野に関するものである。

テクノロジーの進歩に伴って、計時信号を必要とするもの、或いは無線電信発送器の周波数を安定させるための製品として、例えば、テレビ(TV)、ラジオ(Radio)、パソコン(PC)、プリンター(Printer)、ネットワーク・インターフェース・カード(Network
Interface Card)、ブルートゥース製品(Bluetooth Products)、携帯電話(Mobile Phone)などが挙げられる。皆発振器をその信号源とする必要がある。

発振器の類型には、主としてRC発振器、RLC発振器、 LC発振器及び石英発振器 (Crystal Oscillator)がある。その中で、石英発振器はほかの発振器に比べ、下記のような長所がある。１．安定性がよい。２．周波数の精度が高い。３．駆動パワーが小さい。従って、より精密な計時或いは安定信号源が必要な場合は、全て石英発振器を選択するのが好ましい。

石英発振器の基本発振原理は、石英結晶体によるもので、その主成分は、二酸化珪素(SiO2)で、一種の圧電材料(Piezoelectric Material)であり、結晶体に外部電圧を加えることによって両側に電場 (Electric Field)を生じさせ、圧電材料自体が機械的・電気的にカップリング(Coupling)作用を起こし、石英結晶体自体に機械的変形(Transformation)を生じさせ、結晶体のカット面が機械的ストレスの作用を受け、結晶体の両相対面に更に電位差(Potential Difference)が生じる。このような特性を圧電効果(Piezoelectric
Effect)と呼ぶ。石英結晶体の上に交流電気(Alternating Current)を加えると、絶えず循環する結晶体振動が生じる。

現在行われているSMD石英発振器の製造方式は、全て単一のセラミックベースプレートに金属上蓋を加えて、或いはベースプレートと上蓋共にセラミック材質によって、石英振動子のパッキング作業を完成しており、パッキングする時大量の電力を消耗して半田付けしなければならず、且つベースプレートと上蓋の材質の熱膨張係数(Coefficient of thermal expansion, CTE)が異なることによって、パッキング完成後負圧チャンバーの気密不良や、発振器の不安定性あるいは発振停止を招く。又、発振器と集積回路を整合させるとき、発振器のベースプレートと上蓋の材質が集積回路とは同じでないため、整合の難しさが増える、このほか、直接集積回路の中に入れ込む必要が有る場合、余分の機械設備を増加しなければならない、従って余分に製造コストがかかる。

これで分かるように、上述従来の製造技術には尚幾多の欠点があり、よい設計とは言いがうたく、改良が待たれていた。本発明者は、上述従来のSMD石英発振器の製造方式の各項欠点に鑑み、極力新規改良を試み、且つ長年苦心研鑽の末、ついに本案表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)発振器の製造方法及びその構造の研究を完成した。

本発明の主な目的は、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法を提供することにある。その方式は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル方式でガラスウェーハーベースプレート上に発振器をロット生産する方式によって、ガラスウェーハーベースプレート上に発振器をロット生産する方法を達成し、材質差異のために環境温度の変異によって生じる不良を減少させ、且つ前記方法によって封合した後は、容易に集積回路製造工程に挿入できることと独立運用できることの双方向特性を有する。

本発明のもう一つの目的は、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造を提供することにある。その方式は、ガラスウェーハー上に発振器をロット生産する方式によって、より好ましい表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造を達成し、且つ前記構造は特殊膠合区域の設計を備え、グルーの付け溢れ或いは付け漏れなど製造工程中における不良を減少することにある。

上述目的の表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法を達成するためには、下記のステップを含む：ステップa.洗浄蝕刻、少なくとも一枚のガラスウェーハー基材ベースプレートを洗浄し、ガラスウェーハー基材ベースプレートにレジストをコーティング(Coating Photoresist)し、且つ少なくとも一個の孔洞と少なくとも一個の第一凹溝及び複数の固定凹溝を蝕刻する；少なくとも一枚のガラスウェーハー基材の上蓋を洗浄し、前記ガラスウェーハー基材の上蓋にレジストをコーティングし、且つ少なくとも一個の第二凹溝を蝕刻する；ステップb.電気メッキ、ガラスウェーハー基材ベースプレートの正反面に少なくとも一個の出力ピン及び少なくとも一個の金属導電電気回路を電気メッキする；ステップc.グルー充填、ガラスウェーハー基材ベースプレートの所要の複数の固定凹溝の中にシルバーグルーを充填し、振動子をガラスウェーハー基材ベースプレートに置き、且つ二回目のシルバーグルーを充填して振動子を固定する、グルー充填方式は、シルクスクリーンによるシルバーグルー充填或いは単点充填でよい；ステップd.封合固形化、負圧常温下で、紫外線によって紫外線固形化グルーに露光してガラスウェーハー基材ベースプレートとガラスウェーハー基材の上蓋を貼りあわせ、ガラスウェーハーを形成する；ステップe.ウェーハー接着、ガラスウェーハーをブルー膜の上に置き、且つ紫外線で露光してグルー化させ、ガラスウェーハーをブルー膜の上に固定する；ステップf.カッティング、ガラスウェーハーを複数個のダイにカットすると、このダイが即ち表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器となる、そしてこの表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器は、直接集積回路素子と完全に整合して半導体においてダイボンド(Die Bond)を作り上げ、ダイのカッティング及びパッケージングの手順を完成できる。

本発明で言うところの表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造は、少なくとも第一凹溝を設け、少なくとも一個の出力ピンを外部電気回路との連結用とし、少なくとも一本の金属導電電気回路が振動子と連結、且つ出力ピンと連結し、少なくとも一個の蝕刻孔洞がガラスウェーハー基材のベースプレートの中で金属導電電気回路の接続通路を形成し、複数個のシルバーグルーを充填した固定凹溝が振動子を固定する；前記複数個のシルバーグルーを充填した固定凹溝の形状は円形且つ二個であるのが好ましく、且つ振動子は石英或いは圧電セラミックであることを特徴とする３インチガラスウェーハー基材ベースプレートと；及び少なくとも第二凹溝を設け、ガラスウェーハー基材ベースプレートの上方に接着されたガラスウェーハー基材の上蓋と、を含む；これによって、ガラスウェーハー基材ベースプレート及びガラスウェーハー基材の上蓋が紫外線によって硬化封合された後、その上の第一凹溝と第二凹溝が粘合して負圧チャンバーを形成することによって、振動子を収容する。

以上を総合して、本案発明に係る表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法及びその構造は、先行技術の欠点を克服し、且つ下記のような長所がある。

１．マイクロ・エレクトロ・メカニカル製造プロセスを運用してガラスウェーハー基材の上で密閉式負圧チャンバー体をロット生産する。

２．負圧チャンバー体の中に振動子を入れ、振動子の膠合区域に特殊な設計がなされ、グルーの付け溢れ或いは付け漏れなどの不良が生じにくい。

３．ガラスウェーハー基材の上下が同一材質であるため、激しい環境温度の変化による熱膨張或いは冷収縮率不均衡によるチャンバー体の微小裂け目や気密不良で素子の仕事に影響することなどを避けることが出来る。

４．シルクスクリーン印刷方式で、グルーのロット充填を行って振動子を固定するので、従来の単点グルー付けとは異なり、生産効率を有効に向上させることができる。

５．紫外線硬化グルーを使用してガラスウェーハー基材ベースプレートとガラスウェーハー基材の上蓋を粘合するので、従来の単独に上蓋金属半田付け或いはセラミックベースプレートの蓋封じとは異なり、生産効率を有効に向上させることができる。

６．ウェーハー方式でロット生産するので、従来の単体生産とは異なり、生産効率を有効に向上させ、生産コストを下げることができる。

７．粘合が終わると、ブルー膜の上に置いて、ウェーハー方式でカッティングを行うことが出来、従来の石英振動器製造方式のような単体半田付けとは異なる。

８．集積回路のパッキングプロセスに完全に整合することが出来る：例えば、システム・イン・パッケージ(System in Package, SIP)及びチップオンボード(Chip on
Board, COB)など、異なる素子の製造プロセス整合のための設備支出を有効に低減できる。

９．ガラスウェーハー基材ベースプレートと上蓋は、中央処理器などの集積回路ダイと似ており、同一のシリコン化合物であり、近似した熱膨張係数を持ち、製造プロセスの上で整合し易く、且つ全体の完成品の品質信頼度を高めることが出来る。

表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法のフローチャートである。ガラスウェーハー基材ベースプレートの蝕刻完成正面図である。ガラスウェーハー基材ベースプレートの蝕刻完成側面図である。ガラスウェーハー基材ベースプレートの電気メッキ完成正面図である。ガラスウェーハー基材ベースプレートの電気メッキ完成背面図である。ガラスウェーハー基材上蓋の蝕刻グルー充填完成正面図である。ガラスウェーハー基材上蓋の蝕刻グルー充填完成側面図である。マスクトレイ(Mask Tray)上の分散式複数個の振動子及び機械アーム図である。振動子の固定完成正面拡大図である。振動子の固定完成正面図である。振動子の固定完成側面図である。表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造側面図である。表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の別の構造側面図である。ウェーハー固形化封合図である。ウェーハー貼り付けカッティング図である。

図１は、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法のフローチャートである。本発明に係る表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法は、下記のステップを含み、a.洗浄蝕刻S1; b.電気メッキS2;
c.グルー充填S3; d.封合固形化S4; e.ウェーハー貼り付けS5；f.カッティングS6; 以下ステップの内容をより詳しく説明する。

a.洗浄蝕刻S1、図２Ａ及び図２Ｂを同時参照して、図２Ａは、ガラスウェーハー基材ベースプレートの蝕刻完成正面図であり、図２Ｂはガラスウェーハー基材ベースプレートの蝕刻完成側面図である。同図に示すように、洗浄後の３〜８インチ或いはそれ以上のガラスウェーハー基材ベースプレート１０の上に複数個の直径約100μm〜150μmの孔洞１３と、複数個の直径約10μm深さ約3〜5μmの固定凹溝１１と、複数個の長さ約1.7mm×2.0mm深さ30μmの第一凹溝１２を蝕刻する。

又図３Ｂを参照して、図３Ｂは、ガラスウェーハー基材上蓋の蝕刻グルー充填完成側面図であり、図に示すように、洗浄後の３〜８インチ或いはそれ以上のガラスウェーハー基材上蓋２０に複数個のガラスウェーハー基材ベースプレート１０上の第一凹溝１２と対応する大きさの第二凹溝２１を蝕刻する。

b.電気メッキ、図２Ｃ及び図２Ｄを同時参照して、図２Ｃは、ガラスウェーハー基材ベースプレートの電気メッキ完成正面図であり、図２Ｄはガラスウェーハー基材ベースプレートの電気メッキ完成背面図であり、同図に示すように、ガラスウェーハー基材ベースプレート１０の正面に複数個の金属導電電気回路１４を電気メッキし、且つガラスウェーハー基材ベースプレート１０の背面に複数個の出力ピン１５を電気メッキし、更に孔洞１３を透して、複数個の金属導電電気回路１４と複数個の出力ピン１５を連結する。

c.グルー充填、図２Ａ、図４Ａ及び図４Ｂを同時参照して、図４Ａは、マスクトレイ(Mask Tray)上の分散式複数個の振動子及び機械アーム図であり、図４Ｂは、振動子の固定完成正面拡大図である、同図に示すように、機械アーム２４は単点或いはシルクスクリーン印刷方式を使って図二Aの複数個の固定凹溝１１にシルバーグルー４０を充填した後、図４Ａのマスクトレイ２３の上に有る振動子３０を一つ一つ図２Ａの第一凹溝１２へ置き、次に、機械アーム２４は単点或いはシルクスクリーン印刷方式を使って第二回シルバーグルー４０を充填して振動子３０を固定する、その完成図は図４Ｂに示すとおりである。尚、図５Ａは振動子の固定完成正面図であり、図５Ｂは振動子の固定完成側面図である。又、図３Ａ及び図３Ｂを同時参照して、図３Ａは、ガラスウェーハー基材上蓋の蝕刻グルー充填完成正面図であり、同図に示すように、機械アーム２４はシルクスクリーン印刷方式でガラスウェーハー基材上蓋２０の第二凹溝２１の周囲に均一に紫外線硬化グルー４１を塗布する。

d.固形化封合、図７Ａを参照して、図７Ａは、ウェーハー固形化封合図であり、図に示すように、負圧環境下においてガラスウェーハー基材ベースプレート１０とガラスウェーハー基材上蓋２０を室温下で結合し、次に２００ワットの紫外光(Ultraviolet,UV)６０の下で一時間曝し、十分に膠合作用を起こさせて、ガラスウェーハー５０を形成する。

e.ウェーハー貼り付け、図７Ｂを参照して、図７Ｂは、ウェーハー貼り付けカッティング図であり、図に示すように、固形化封合が完成した後、ガラスウェーハー５０を紫外線接着テープの外枠５１とブルー膜５２の上方に置き、且つ紫外光６０で照射後、貼り付けウェーハー５３を製作することが出来る、この貼り付けウェーハー５３は、後続の拡張に使用することができる。

f.カッティング、図７Ｂを参照して、同図に示すように、厚さ約100μm〜120μmの円盤ノコ５４で貼り付けウェーハー５３を個別のダイにカットする。

上述のステップを通して、本発明に係る表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造１を完成する。図６Ａ及び図６Ｂを同時参照して、図６Ａは、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造側面図であり、図６Ｂは、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の別の構造側面図である。同に示すように、本発明に係る表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造１は、少なくとも第一凹溝１２を設け、少なくとも一個の出力ピン１５を外部電気回路との連結用とし、少なくとも一本の金属導電電気回路１４が振動子３０と連結、且つ出力ピン１５と連結し、少なくとも一個の蝕刻孔洞１３がガラスウェーハー基材のベースプレート１０の中で金属導電電気回路１４の接続通路を形成し、複数個のシルバーグルー４０を充填した固定凹溝１１が振動子３０を固定する。

前記複数個のシルバーグルー４０を充填した固定凹溝１１の形状は円形且つ二個であるのが好ましく、且つ振動子３０は石英或いは圧電セラミックであることを特徴とする。少なくとも３インチガラスウェーハー基材ベースプレート１０と、少なくとも第二凹溝２１を設けるとともに、ガラスウェーハー基材ベースプレートの上方に接着されたガラスウェーハー基材の上蓋２０を設けた少なくとも３インチガラスウェーハー基材ベースプレートと、を含む。これによって、ガラスウェーハー基材ベースプレート１０及びガラスウェーハー基材の上蓋２０が紫外線硬化グルー４１によって硬化封合された後、その上の第一凹溝１２と第二凹溝２１が粘合して負圧チャンバーを形成することによって、前記振動子を収容する。

上記詳細な説明は、本発明の実行可能な実施例の具体的説明であり、ただし前記実施例は、本発明の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本発明の技芸精神を逸脱せずになされる等価実施或いは変更は、すべて本発明の特許請求範囲に含まれるものとする。

以上を総合すると、本発明で開示された技術特徴は既に新規性及び進歩性の法定の特許要件に十分符合するものとして、ここに法によって申請を提出する次第である。

１表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造
１０ガラスウェーハー基材ベースプレート
１１固定凹溝
１２第一凹溝
１３孔洞
１４金属導電電気回路
１５出力ピン
２０ガラスウェーハー基材の上蓋
２１第二凹溝
３０振動子
４０シルバーグルー
４１紫外線硬化グルー
５０ガラスウェーハー
５１紫外線接着テープ外枠
５２ブルー膜
５３貼り付けウェーハー
５４円盤ノコ

Claims

表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法であって、
a.洗浄蝕刻、少なくとも一枚のガラスウェーハー基材ベースプレートを洗浄し、前記ガラスウェーハー基材ベースプレートの上にレジストを塗布し、且つ少なくとも一個の孔洞および少なくとも一個の第一凹溝及び複数個の固定凹溝を蝕刻し、少なくとも一枚のガラスウェ−ハー基材の上蓋を洗浄し、前記ガラスウェーハー基材の上蓋にレジストを塗布し、且つ少なくとも一個の第二凹溝を蝕刻するステップと、
b.電気メッキ、前記ガラスウェーハー基材ベースプレートの正反面に少なくとも一本の出力ピン及び少なくとも一本の金属導電電気回路を電気メッキするステップと、
c.グルー充填、前記ガラスウェーハー基材ベースプレートの所要の複数個固定凹溝内に、シルクスクリーンによるシルバーグルー充填或いは単点によりシルバーグルーを充填する方式で、振動子を前記ガラスウェーハー基材ベースプレートの上に置き、且つ第二回はシルクスクリーンによるシルバーグルー充填或いは単点によりシルバーグルーを充填する方式で、前記振動子を固定するステップと、
d.封合固形化、負圧常温下で、紫外線硬化グルーによって前記ガラスウェーハー基材ベースプレートと前記ガラスウェーハー基材の上蓋とを封合させ、且つ紫外線によって露光し、前記紫外線硬化グルーを固体化することによって前記ガラスウェーハー基材ベースプレートと前記ガラスウェーハー基材の上蓋を粘合させ、ガラスウェーハーを形成するステップと、
e.ウェーハー貼り付け、前記ガラスウェーハーをブルー膜の上に置き、且つ紫外線によって露光グルー化することによって、前記ガラスウェーハーを前記ブルー膜の上に固定するステップと、
f.カッティング、前記ガラスウェーハーを複数個のダイにカットし、このダイが即ち表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器となるステップと、を含むことを特徴とする、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の製造方法。
表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造であって、少なくとも３インチのガラスウェーハー基材ベースプレートと、ガラスウェーハー基材の上蓋と、を含み、
前記少なくとも３インチのガラスウェーハー基材ベースプレートには、第一凹溝を設け、少なくとも一本の出力ピンを外部電気回路との連結用とし、少なくとも一本の金属導電電気回路に石英或いは圧電セラミックを材料とした振動子を連結し、且つ前記出力ピンと連結し、少なくとも一個の蝕刻孔洞が前記少なくとも３インチのガラスウェーハー基材ベースプレートの中の前記金属導電電気回路の接続通路をなし、複数個のシルバーグルーを充填した固定凹溝によって前記石英或いは圧電セラミックを材料とした振動子を固定し、
前記ガラスウェーハー基材の上蓋には、第二凹溝を設け、前記少なくとも３インチのガラスウェーハー基材ベースプレートの上方に粘合され、
これによって、前記少なくとも３インチのガラスウェーハー基材ベースプレートと前記ガラスウェーハー基材の上蓋は、紫外線硬化グルーによって封合された後、その上の前記第一凹溝と前記第二凹溝が粘合して負圧チャンバーを形成し、前記石英或いは圧電セラミックを材料とした振動子を収容することを特徴とする、表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造。
前記複数個のシルバーグルーを充填した固定凹溝は、円形且つ二個であることが好ましいことを特徴とする、請求項２に記載の表面接着式マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム発振器の構造。