JP2014195235A - Resonator with integrated temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子的共振器に関するもので、より詳細には、共振素子にシリコンダイオードのような半導体温度感知素子を一体化させて、密接に熱結合された一体型温度センサをもつ共振器を形成することに関する。 The present invention relates to an electronic resonator. More specifically, the present invention relates to a resonator having an integrated temperature sensor in which a semiconductor temperature sensing element such as a silicon diode is integrated into a resonance element and is closely thermally coupled. Relating to forming.
多くの用途では、例えば、クオーツクリスタル共振器のような共振器が温度補償型発振器に代わって使用されている。そのような用途では、周囲温度の変化による周波数変化の補償がアプリケーションシステムソフトウェアにより計算上実行される。そのような計算上の温度補償は、共振器の温度を正確に感知する能力を必須とする。初期の具現化では、サーミスタのような温度感知コンポーネントがシステムPCB上で共振器の至近点に設置される。しかしながら、共振器と温度感知コンポーネントとの間に温度差があると、著しい計算上の温度補償エラーが生じ、このエラーは、周囲温度の変化率が高くなるにつれて増加する。共振器及び温度感知コンポーネントを空間的及び熱的な意味で接近させる目的で種々のパッケージング解決策が展開されている。これらの解決策は、通常、共振器及び温度感知コンポーネントの両方を収容する酸化アルミニウムのセラミックパッケージを使用している。 In many applications, for example, a resonator such as a quartz crystal resonator is used instead of a temperature compensated oscillator. In such applications, frequency change compensation due to changes in ambient temperature is computationally performed by application system software. Such computational temperature compensation requires the ability to accurately sense the temperature of the resonator. In the initial implementation, a temperature sensing component, such as a thermistor, is installed on the system PCB in the proximity of the resonator. However, any temperature difference between the resonator and the temperature sensing component results in significant computational temperature compensation errors that increase as the rate of change in ambient temperature increases. Various packaging solutions have been developed with the aim of bringing the resonator and temperature sensing components close together in a spatial and thermal sense. These solutions typically use an aluminum oxide ceramic package that houses both the resonator and temperature sensing components.
サーミスタに代わる温度感知コンポーネントとして半導体ダイオードを使用することができる。そのような装置に対し、本発明は、セラミックパッケージを使用して共振器及びダイオードを収容することに代わる手段を提供するもので、即ち本発明では、パッケージされないダイオードダイそれ自身が、共振器を支持し且つ包囲する部品となる。そのような構造は、共振器とダイオードとの間に密接な熱的接続を与え、従って、2つの素子間の温度差を著しく減少する。 Semiconductor diodes can be used as temperature sensing components instead of thermistors. For such a device, the present invention provides an alternative to housing the resonator and diode using a ceramic package, i.e., in the present invention, the unpackaged diode die itself contains the resonator. It is the part that supports and surrounds. Such a structure provides a close thermal connection between the resonator and the diode, thus significantly reducing the temperature difference between the two elements.
それゆえ、本発明の目的は、半導体温度センサに密接に熱的に結合され且つ一体化された代替形態の共振器を提供するか、又は少なくとも一般の人々に有用な選択肢を提供することである。 Therefore, it is an object of the present invention to provide an alternative form of resonator that is closely thermally coupled and integrated into a semiconductor temperature sensor, or at least to provide a useful option for the general public. .
第1の態様において、本発明は、一般的に、
2つの主表面をもち、その一方の主表面に少なくとも1つのダイオード又はダイオードと機能的に同等の回路が形成された半導体基板と;
前記基板に密接に関連され且つその2つの主表面の一方にマウントされた共振素子と;
前記基板の2つの主表面の他方に形成された複数の導電性素子と;
を備え、ダイオード回路及び共振素子は、前記導電性素子の少なくとも幾つかに電気的に接続され、且つその電気的接続の少なくとも幾つかは、基板を横断する導電性ビアを通して形成される、一体型共振器兼ダイオード装置より成るものと言われる。
In a first aspect, the present invention generally comprises:
A semiconductor substrate having two main surfaces, on which at least one diode or a circuit functionally equivalent to the diode is formed on one main surface;
A resonant element closely associated with the substrate and mounted on one of its two major surfaces;
A plurality of conductive elements formed on the other of the two main surfaces of the substrate;
The diode circuit and the resonant element are electrically connected to at least some of the conductive elements, and at least some of the electrical connections are formed through conductive vias across the substrate. It is said to consist of a resonator and diode device.
好ましくは、基板は、シリコン基板であり、各基板ビアは、貫通シリコンビア(TSV)である。 Preferably, the substrate is a silicon substrate and each substrate via is a through silicon via (TSV).
好ましくは、共振素子は、クオーツクリスタル共振素子である。或いは又、共振素子は、既知の別の形式のもの、例えば、MEMS共振器でもよい。 Preferably, the resonant element is a quartz crystal resonant element. Alternatively, the resonant element may be another known type, for example a MEMS resonator.
好ましくは、共振素子は、共振素子がマウントされた基板の表面上にキャップをマウントすることによって形成されたハーメチックシールされたスペースに収容される。或いは又、共振素子がマウントされた基板は、セラミックパッケージを包囲する単一空洞に設置され、その空洞が蓋でハーメチックシールされてもよい。 Preferably, the resonant element is housed in a hermetically sealed space formed by mounting a cap on the surface of the substrate on which the resonant element is mounted. Alternatively, the substrate on which the resonant element is mounted may be placed in a single cavity that surrounds the ceramic package, and the cavity may be hermetically sealed with a lid.
好ましくは、ダイオード回路は、共振素子がマウントされた同じ基板表面に形成される。或いは又、ダイオード回路は、基板の反対表面に形成されてもよく、この場合は、外部導電性素子への電気的接続に要求されるTSVの数が減少される。 Preferably, the diode circuit is formed on the same substrate surface on which the resonant element is mounted. Alternatively, the diode circuit may be formed on the opposite surface of the substrate, in which case the number of TSVs required for electrical connection to external conductive elements is reduced.
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して、一例として説明する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings.
本発明の第1の実施形態が図1に示されている。
ダイオード(又はダイオードと機能的に同等の半導体回路)(1)は、シリコン基板(2)の上面に形成される。共振素子マウントパッド(3)が同じ基板表面に形成され、そして共振素子(4)が導電性接着剤(6)を使用して基板(2)にマウントされ、マウントパッド(3)及び共振素子(4)を電気的に接続する。基板(2)に取り付けられたシリコンキャップ(5)は、基板(2)と共に、共振素子(4)のハーメチックシールエンクロージャーを形成するのに使用される。基板(2)の他方の表面(下面)にはユーザアクセスパッド(8)が形成され、そして貫通シリコンビア(7)を使用して、共振素子(4)及びダイオード(1)がユーザアクセスパッド(8)に電気的に接続される。
A first embodiment of the present invention is shown in FIG.
The diode (or a semiconductor circuit functionally equivalent to the diode) (1) is formed on the upper surface of the silicon substrate (2). A resonant element mount pad (3) is formed on the same substrate surface, and the resonant element (4) is mounted on the substrate (2) using a conductive adhesive (6), and the mount pad (3) and the resonant element ( 4) is electrically connected. A silicon cap (5) attached to the substrate (2) is used with the substrate (2) to form a hermetic seal enclosure of the resonant element (4). A user access pad (8) is formed on the other surface (bottom surface) of the substrate (2), and the resonant element (4) and the diode (1) are connected to the user access pad (7) using the through silicon via (7). 8) is electrically connected.
本発明の第2の好ましい実施形態が図2に示されている。
この実施形態は、図1に示す実施形態と本質的に同じ構成コンポーネントを含む。この第2の実施形態との主たる相違は、ダイオード(又はダイオードと機能的に同等の半導体回路)(1)が、共振素子(4)がマウントされる表面とは反対のシリコン基板(2)の表面に形成されることである。第1の実施形態に比して第2の実施形態の効果は、ダイオード回路(1)をユーザアクセスパッド(8)に接続するのにTSVを必要とせず、従って、形成する必要のあるTSV(7)の数が減少されることである。しかしながら、図1に示す第1の好ましい実施形態に比して共振素子(4)と温度感知ダイオード(1)との間の熱的結合が弱くなるというトレードオフがある。
A second preferred embodiment of the present invention is shown in FIG.
This embodiment includes essentially the same components as the embodiment shown in FIG. The main difference from the second embodiment is that the diode (or a semiconductor circuit functionally equivalent to the diode) (1) is formed on the silicon substrate (2) opposite to the surface on which the resonant element (4) is mounted. It is to be formed on the surface. Compared to the first embodiment, the effect of the second embodiment is that no TSV is required to connect the diode circuit (1) to the user access pad (8), and therefore a TSV ( 7) the number is reduced. However, there is a trade-off that the thermal coupling between the resonant element (4) and the temperature sensing diode (1) is weak compared to the first preferred embodiment shown in FIG.
本発明の第3の好ましい実施形態が図3に示されている。
この実施形態では、シリコンキャップ(図1の素子5)を使用して、共振素子(4)のためのハーメチックシール環境を生成するのではなく、図1のように共振素子(4)がマウントされた基板(2)がセラミックパッケージ(14)の空洞に入れられ、そして蓋(15)を使用して、その空洞がハーメチックシースされる。必要な電気的接続を維持するために、基板(2)の下面に形成された導電性パッド(9)、セラミックパッケージ(14)の内面に形成された導電性パッド(10)、及び導電性ボール(12)が、この技術で良く知られたように、使用される。この実施形態は、第1の好ましい実施形態の特徴である密接な熱的結合を共振素子(4)と温度感知ダイオード(1)との間に維持するが、第1の実施形態の装置を製造するのに好ましいウェア処理フローではなく、単一ユニットプロセスフローに良く適している。
A third preferred embodiment of the present invention is shown in FIG.
In this embodiment, rather than using a silicon cap (
本発明の第4の好ましい実施形態が図4に示されている。
この実施形態では、シリコンキャップ(図2の素子5)を使用して、共振素子(4)のためのハーメチックシール環境を生成するのではなく、図2のように共振素子(4)がマウントされた基板(2)がセラミックパッケージ(14)の空洞に入れられ、そして蓋(15)を使用して、その空洞がハーメチックシースされる。必要な電気的接続を維持するために、基板(2)の下面に形成された導電性パッド(9)、セラミックパッケージ(14)の内面に形成された導電性パッド(10)、及び導電性ボール(12)が、この技術で良く知られたように、使用される。この実施形態は、第2の好ましい実施形態の特徴である密接な熱的結合を共振素子(4)と温度感知ダイオード(1)との間に維持するが、第2の実施形態の装置を製造するのに好ましいウェア処理フローではなく、単一ユニットプロセスフローに良く適している。
A fourth preferred embodiment of the present invention is shown in FIG.
In this embodiment, the silicon cap (
1:ダイオード
2:シリコン基板
3:共振素子マウントパッド
4:共振素子
5:シリコンキャップ
7:貫通シリコンビア
8:ユーザアクセスパッド
9、10:導電性パッド
12:導電性ボール
14:セラミックパッケージ
15:蓋
1: Diode 2: Silicon substrate 3: Resonant element mount pad 4: Resonant element 5: Silicon cap 7: Through silicon via 8:
Claims (1)
前記基板に密接に関連され且つ前記2つの主表面の一方にマウントされた共振素子と;
前記基板の2つの主表面の他方に形成された複数の導電性素子と;
を備え、前記ダイオード回路及び共振素子は、前記導電性素子の少なくとも幾つかに電気的に接続され、且つその電気的接続の少なくとも幾つかは、基板を横断する導電性ビアを通して形成される、一体型共振器兼ダイオード装置。 A semiconductor substrate having two main surfaces, on which at least one diode or a circuit functionally equivalent to the diode is formed on one main surface;
A resonant element closely associated with the substrate and mounted on one of the two major surfaces;
A plurality of conductive elements formed on the other of the two main surfaces of the substrate;
The diode circuit and the resonant element are electrically connected to at least some of the conductive elements, and at least some of the electrical connections are formed through conductive vias across the substrate, Body resonator and diode device.
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