JP2012085101A - 圧電発振器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックパッケージを不要にするとともに、出来合いの集積回路部を用いて極めて安価に、小型化・低背化した圧電発振器を得る。
【解決手段】シリコン半導体基板の上面部２ａに集積回路部４を形成した回路基板２と該回路基板２に接合・積層した圧電素子３とからなる圧電発振器において、前記回路基板２の側面に前記回路基板の上面部２ａと前記回路基板の下面部２ｂとを電気的に接続する電気的導通部２２を設けたことを特徴とする。また、シリコン半導体基板の上面部２ａに集積回路部４を形成した回路基板２と該回路基板２に接合・積層した圧電素子３とからなる圧電発振器の製造方法において、前記回路基板２をシリコンウェハＷ上に複数個形成し、前記回路基板２の上面部２ａと下面部２ｂとを接続する個所にスルーホール加工を施し、該スルーホール２２ａの中心を基点として前記シリコンウェハＷを個々の前記回路基板２に分割して、圧電発振器の個片を製造することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電発振器及びその製造方法、とくに電気回路が集積されたシリコン半導体基板を利用して発振器の小型化、低背化を図った圧電発振器及びその製造方法に関する。

従来の圧電発振器、例えば表面実装型水晶発振器５０は、図９に示すように、積層セラミックからなる断面凹状のセラミックパッケージ５１と、セラミックパッケージの凹状部の底面５１ｄにバンプ５２ｅを介して配置されたＩＣチップ５２と、積層セラミックパッケージ５１の上面に圧電素子３が、電極パッド２１，３１を介して、配置された構造となっている。また、積層セラミックパッケージ５１の底面に配置された表面実装用の外部端子５５とからなり、ＩＣチップ５２と圧電素子３の電極３１とが電極２１を介して互に電気的に接続されて、表面実装型発振器として機能するようになっている。

近年の電子部品の小型化促進の流れの中で、圧電発振器、とくに、この種の水晶発振器も年々その小型化、低背化が進められ、その外形寸法も、例えば２．５ｍｍ×２．０ｍｍ、２．０ｍｍ×１．６ｍｍ、１．６ｍｍ×１．２ｍｍというように、段々と小型化されている。

そして、これらの水晶発振器は、水晶振動子とシリコン基板上に電気回路を形成した集積回路とセラミックパッケージの３種から構成される。

特開２００４−１７９７３４号公報

しかしながら、圧電発振器の小型化、低背化が進展するにしたがい、セラミックパッケージ内に集積回路（ＬＳＩ）をその厚み方向に配置することが、とくに高さ（厚み）方法の寸法を大きくするため、その小型化、低背化が極めて困難になる問題点があった。

上記した課題を解決するために、本発明の圧電発振器では、シリコン半導体基板の上面部に集積回路部を形成した回路基板と回路基板に接合・積層した圧電素子とからなる圧電発振器を構成し、回路基板の側面に回路基板の上面部と回路基板の下面部とを電気的に接続する電気的導通部を設ける。

また、本発明では、回路基板に既製の集積回路部を設け、集積回路の寸法よりも大きく回路基板を形成して、集積回路と集積回路の周縁部間のスペースに電極パッド等を形成する。

さらに、本発明では、圧電発振器が、その出力周波数が外部信号により変化される機能を有した周波数可変圧電発振器であって、該外部信号を直流電圧とする。

またさらに、本発明では、圧電発振器を、その出力周波数が外部温度によらず一定の周波数を出力する機能を有した温度補償型圧電発振器とする。

さらにまた、本発明では、圧電素子が、外部との雰囲気を遮断するため、気密化されたパッケージ内に封入される。

本発明の圧電発振器の製造方法では、シリコン半導体基板の上面部に集積回路部を形成した回路基板と回路基板に接合・積層した圧電素子とからなる圧電発振器の製造において、回路基板をシリコンウェハ上に複数個形成し、回路基板の上面部と下面部とを電気的に接続する個所にスルーホール加工を施し、スルーホールの中心を基点としてシリコンウェハを個々の回路基板に分割して、回路基板の個片を製造する。

また、本発明では、スルーホールを介してシリコン基板の上面部と下面部との電気的接続をする。

本発明の圧電発振器では、シリコン基板上に形成した集積回路の上面と下面に外部接続パッドを設け、セラミックパッケージの機能をもたせたので、セラミックパッケージが不要となるとともに、安価に、小型化、低背化した圧電発振器を得ることができる。

本発明の圧電発振器の圧電素子を取り除いて集積回路部が形成されるシリコン半導体基板の上面を上から見た平面図である。 図１に示した本発明の圧電発振器を図１に示すＡ矢視方向から見た正面図である。 図１に示した本発明の圧電発振器をその底面から見た底面図である。 本発明の圧電発振器の製造工程を示す図であって、製造される圧電発振器をシリコンウェハから複数個形成する際の、その左上半部及びそのIV−IV矢視断面（ａ）と、シリコンウェハの一主面に集積回路部を形成する工程（１）からレジスト塗布工程（４）までを示す。なお、集積回路部作成工程は、従来工程を踏襲するので、ここでは説明を省略する。 図４に続く本発明の圧電発振器の製造工程のうち、エッチング工程（５）からレジスト剥離工程（１０）までを示す。 図４及び図５に示した製造工程に続く工程であって、シリコンウェハの他主面（対向面）の左上半部及びそのVI−VI矢視断面（ｂ）と、シリコンウェハの他主面に絶縁膜を塗布する工程（１）からエッチング工程（３）までを示す。 図６に続く製造工程、すなわち、レジスト剥離工程（４）からシリコンウェハを個片に切断する工程（９）までを示す。 本発明の圧電発振器が複数個シリコンウェハ上に形成された個片への切断前の状態を示す平面図。 従来の圧電発振器の縦断面を示す。

実施例
圧電発振器
図１は、本発明の圧電発振器、とくに、その実施例の水晶発振器の水晶振動子（圧電素子）を取り除いて集積回路部が形成される面を上から見たシリコン半導体基板の平面図、図２は、本発明の実施例の水晶発振器を図１に示すＡ矢視方向から見た正面図、図３は、本実施例の水晶発振器をその底面方向から見た底面図である。

本発明の圧電発振器の実施例の水晶発振器１は、図１、図２及び図３に示したように、シリコン半導体基板（回路基板）２と水晶振動子（圧電素子）３とを縦方向に積層して形成されている。

シリコン半導体基板２の水晶振動子３と対向する主面（上面部）２ａの中央には、集積回路部（ＬＳＩ）４とその周縁部のスペースには、図１に示すように、シリコン半導体基板用の電極パッド２１が形成され、また、シリコン半導体基板２の反対側（底面）の主面２ｂには、実装基板（図示せず）と電気的に接続される外部入出力用電極パッド（外部接続用端子）２３が、例えば６個、設けられている。

また、シリコン半導体基板２の上面部（主面）２ａに形成された集積回路部４の周縁部にはシールド４１が設けられるとともに、シリコン半導体基板（回路基板）２の側面には、シリコン半導体ウェハの加工時にスルーホールとして形成された半円部に、例えば、金等をスパッタリングして形成された、半導体基板２の集積回路部４の上面部に形成した集積回路用電極パッド４２，４３と基板２下面部２ｂに外部入出力用電極パッド２３とを接続する、端面電極２２（電気的導通部）が設けられている。なお、電極４２は、集積回路の製造工程で、また、電極４３は、その後の製造工程（本発明の製造工程）で形成される。

さらに、シリコン半導体基板２の上面部２ａには、その周縁部に設けられたシリコン半導体基板用電極パッド２１と水晶振動子用電極パッド３１とを介して、水晶振動子（圧電素子）３が電気的に接続されるように接合・積層されている。

本発明の圧電発振器、とくに、その実施例の水晶発振器では、規格化された所定寸法の既製（設計済）の集積回路部４を用いて電気回路を構成し、この集積回路部４をこれより大きい面積をもつシリコン半導体基板２上に形成したので、セラミックパッケージが不要になるとともに、極めて安価に、小型化、低背化した水晶発振器、電圧制御型水晶発振器、温度補償型水晶発振器等の圧電発振器を得ることができるようになる。

また、本発明の圧電発振器の実施例において、圧電発振器が、その出力周波数が外部温度によらず一定の周波数を出力する機能を有した温度補償型圧電発振器、または、その出力周波数が外部信号により変化される機能を有した周波数可変圧電発振器であって、該外部信号を直流電圧としてもよい。

圧電発振器の製造方法
次に、図４から図８に基づいて本発明の圧電発振器の製造方法、とくに、その実施例の水晶発振器の製造方法を説明する。

まず、図４（１）から図５（１０）は、本発明の実施例の水晶発振器の製造方法のうち、半導体基板（シリコンウェハ）の一方の面の製造方法について説明する。ここで、各図のうち左半分は、製造され個片に分割される前のシリコンウェハ上の各個の圧電発振器の左上半部及び図４（ａ）の左半分にIV−IV矢視断面で示す部の縦断面図である。

図４（１）に示す工程では、シリコン半導体ウェハ（以下、“シリコンウェハ”という）Ｗ（図８参照）を用意し、シリコンウェハＷの一方の主面に集積回路部４を形成する。この際、シリコンウェハＷ上の集積回路部４を形成する部分の周囲に後工程でスルーホールを形成するための領域を確保しておく。

次に、図４（２）に示す工程では、集積回路部４が形成されたシリコンウェハＷを形成する領域（図８参照）に、スルーホール２２ａを形成する。スルーホール２２ａは、サンドブラスト等の機械加工、ドライエッチング、またはウェットエッチング等の化学加工、あるいはレーザーにより形成する。

図４（３）に示す工程では、先に形成した集積回路部４を保護するために、シリコンウェハＷの主面を絶縁膜５０で被う。そのため、シリコンウェハＷの一方の主面及びスルーホール２２ａの内壁に絶縁膜５０を塗布により形成する。

その後、図４（４）に示すように、先の図４（１）に示す工程で、シリコンウェハＷの主面上に形成した電極パッド４３を露出させるために、レジスト膜５１の塗布、露光、現像からなるフォトリソグラフィー技法により当該露出部を特定する。

すなわち、図５（５）に示すように、ドライまたはウェットエッチングにより絶縁膜５０の一部を除去して、シリコンウェハＷ上に予め形成されている電極パッド部４２を露出させる。

その後、図５（６）に示すように、レジスト膜５１を絶縁膜５０から剥離する。

次に、図５（７）に示すように、集積回路４を形成したシリコンウェハＷの主面にスパッタリングにより金等からなる電気導通材料（金属膜）５２を形成し、またスルーホール２２ａの内壁面にも電気導通材料（金属膜）５２が塗布または充填される。

その後、図５（８）に示すように、外部と接続される電極パッド４３及び集積回路４上に予め形成されている電極パッド４２を接続するため、レジスト膜５３を塗布し、図５（９）に示すように、露光、現像、エッチング、またはスパッタリングにより形成した電気導通材料（金属膜）５２の不要部分を除去する。

そして、図５（１０）に示すように、レジスト膜５３を剥離し、外部圧電素子と接続する電極パッド４３を形成し、さらに集積回路４上に予め形成されている電極パッド４２との電気導通配線を完了する。

なお、外部と接続する電極パッド４３は、強度を得るため、再度、金属蒸着、エッチング等により電気導通配線よりも厚みをもたせても良い。また、電気導通配線を保護するために電極パッド１３を除いた領域に絶縁膜を塗布しても良い。

次に図６に基づいてシリコンウェハＷの他方の主面〔対向面（裏面）〕の加工方法について説明する。

まず、図６（ｂ）は、図５に示した工程で加工されたシリコンウェハＷの対向面（裏面）を示す。

図６（１）に示すように、シリコンウェハＷの裏面に絶縁膜５４を形成する。

次いで、図６（２）に示すように、絶縁膜５４の上にレジスト膜５５を形成する。露光、現像を行った後、図６（３）に示すように、エッチングにより他方のスルーホール２２ｂを形成する。

さらに、図７（４）に示すように、先に塗布したレジスト膜５５を剥離して、シリコン半導体基板２となる部分の表面（他方の主面）を露出させ、図７（５）に示すように、基板面にスパッタリングにより金などを付着させて金属膜５２を形成する。

次いで、図７（６）に示すように、金属膜５２上の金属パッド形成部にレジスト５６を塗布し、図７（７）に示すように、エッチングにより、余分な金属膜５２を除去した後、図７（８）に示すように、金属パッド形成部のレジスト５６を剥離して外部入出力用パッド２３を露出させる。

最後に、図７（９）に示すように、切断線（ダイシングライン）に沿って基板を切断して、図１〜図３に示す圧電発振器の個片（ＬＳＩチップ）を形成する。

なお、このようにして形成したシリコン半導体基板２への水晶振動子３の接合は、個片への切断後または切断前に、従来より部品間の接合に用いられている、はんだ溶融による接合、導電性接着剤（銀ペーストなど）等により接合する。

本発明の圧電発振器は、小型化を必要とする水晶発振器、電圧制御型水晶発振器、温度補償型水晶発振器及び本発明のＬＳＩチップは、コンデンサや水晶振動子のようにディスクリート部品として利用することもできる。

１ 圧電発振器
２ シリコン半導体基板（回路基板）
３ 圧電素子（水晶振動子）
４ 集積回路部
２１ シリコン半導体基板用電極パッド
２２ 端面電極
２３ 外部入出力用電極パッド
３１ 水晶振動子用電極パッド
４１ シールド
４２，４３ 集積回路部用電極パッド
Ｗ シリコンウェハ

Claims (9)

1. シリコン半導体基板の上面部に集積回路部を形成した回路基板と該回路基板に接合・積層した圧電素子とからなる圧電発振器において、前記回路基板の側面に前記回路基板の上面部と前記回路基板の下面部とを電気的に接続する電気的導通部を設けたことを特徴とする圧電発振器。
2. 請求項１に記載の圧電発振器において、前記回路基板に既製の前記集積回路部を設け、前記集積回路の寸法よりも大きく前記回路基板を形成して、前記集積回路と前記集積回路の周縁部間のスペースに電極パッドを形成したことを特徴とする圧電発振器。
3. 請求項１に記載の圧電発振器において、前記圧電発振器が、その出力周波数が外部信号により変化される機能を有した周波数可変圧電発振器であって、該外部信号が直流電圧であることを特徴とする圧電発振器。
4. 請求項１に記載の圧電発振器において、前記圧電発振器が、その出力周波数が外部温度によらず一定の周波数を出力する機能を有した温度補償型圧電発振器であることを特徴とする圧電発振器。
5. 請求項１に記載の圧電発振器において、前記圧電素子が、外部との雰囲気を遮断するため、気密化されたパッケージ内に封入されることを特徴とする圧電発振器。
6. 請求項１に記載の圧電発振器において、前記圧電発振器の圧電素子が、水晶振動子であることを特徴とする圧電発振器。
7. シリコン半導体基板の上面部に電気回路を形成した回路基板と該回路基板に接合・積層した圧電素子とからなる圧電発振器の製造方法において、前記回路基板をシリコンウェハ上に複数個形成し、前記回路基板の上面部と下面部とを接続する個所にスルーホール加工を施し、該スルーホールの中心を基点として前記シリコンウェハを個々の前記回路基板に分割して、前記回路基板の個片を製造することを特徴とする圧電発振器の製造方法。
8. 請求項７に記載の圧電発振器の製造方法において、前記スルーホールを介して前記シリコン基板の前記上面部と前記下面部との電気的接続を得ることを特徴とする圧電発振器の製造方法。
9. 請求項７に記載の圧電発振器の製造方法において、前記シリコンウェハ上に圧電素子に接続する個所と圧電発振器の外部接続用端子を形成し、その後、個々の回路基板に切断・分割することを特徴とする圧電発振器の製造方法。