JP2018026649A

JP2018026649A - 発振装置及びその製造方法

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Publication number: JP2018026649A
Application number: JP2016156123A
Authority: JP
Inventors: 新一荒木; Shinichi Araki; 孝英臼井; Takahide Usui; 隆雄福留; Takao Fukutome
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2016-08-09
Publication date: 2018-02-15

Abstract

【課題】制御回路等を搭載したシリコン基板へ与える機械的、化学的なストレスや損傷、或いは材質の違いにより加えられる応力を低減し、装置として高品質、高性能の維持、低背化を図る。【解決手段】制御回路２が形成され、水晶振動子４が搭載されたシリコン基板１と、スルービア１１と外面の外部端子１２を設けたシリコン蓋９とを備え、シリコン基板１に、接続部分６ａ，１３ａを介してスルービア１１を接続しながら金属接合材６ｂ，１３ｂによりシリコン蓋９を接合することで、水晶振動子４を密封空間に配置すると共に、外部端子１２をシリコン蓋９側に設ける。また、シリコン基板１とシリコン蓋９の接合の後、シリコン基板１の底面を研磨することで、低背化を図る。【選択図】図１

Description

本発明は、特に水晶振動子等の圧電素子を搭載する装置の品質を高める構造等を持つ発振装置及びその製造方法に関する。

電子機器に使用される発振装置は、携帯電話やパーソナルコンピューター、車載器等に搭載され、市場では高密度化、低背化などの要請が益々高くなっており、高品質な発振装置が望まれている。

図３は、下記特許文献１の水晶発振器の１例を示しており、図３において、２１はシリコン基板、２２はドライバ回路（ＩＣ）、２３は貫通電極、２４はＢＧＡ（Ball Grid Array）端子、２５は水晶振動子、２６は接着剤、２７はキャップ、２８は接続エリア、２９は保護用樹脂とされる。
この例では、ドライバ回路２２を設けたシリコン基板２１にウェハレベルパッケージであるキャップ２７を用いて気密封止することで、低背化を図っており、シリコン基板２１の裏面側に設けたＢＧＡ端子２４が外部端子となることが記載されている。

特開２０１３−１２６０５２号公報

ところで、図３の発振器では、ドライバ回路２２が設けられたシリコン基板２１に、水晶振動子２５とドライバ回路２２やＢＧＡ端子２４を結ぶための貫通電極２３が設けられているが、この貫通電極２３は、ドリルやイオンエッチングにより穴加工を行い、その後に金属を充填するタイプの貫通スルーホールとなるため、ドライバ回路２２を搭載したシリコン基板２１が機械的、化学的なストレスや損傷を受けやすく、ドライバ回路２２であるＩＣ（集積回路）、ひいては装置の品質、性能の低下が生じるという問題がある。

また、従来の発振装置では、図３にも示されるように、シリコン基板２１に蓋体としてのキャップ２７を接合し、水晶振動子２５を密封空間に配置する構成となるが、キャップ２７等の蓋体として、一般にセラミックが主体に用いられており、このセラミックの蓋体をシリコン基板（２１）に接合する構成となっている。そのため、セラミックとシリコンの熱膨張の違いから、環境又は周囲の温度が変化すると、ドライバ回路を搭載したシリコン基板に応力が加わり、発振周波数等、特性自体が変化するという不都合もある。

そして、上記のような問題をなくした上で、低背化が求められている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライバ回路等の制御回路を搭載したシリコン基板へ与える機械的、化学的なストレスや損傷、或いは材質の違いにより加えられる応力を低減し、装置として高品質、高性能を維持できると共に、低背化を図ることが可能となる発振装置及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の発振装置は、表面に制御回路が形成されたシリコン基板と、このシリコン基板表面に搭載された電子デバイスと、この電子デバイスを含む上記シリコン基板上の空間を密封するための蓋体であって、この蓋体にスルービアを形成し、かつこのスルービアに接続される外部端子を外面に設けたシリコン蓋と、を備え、上記シリコン基板の接続部分（端子）に上記スルービアを接続しながら該シリコン基板に上記シリコン蓋を接合し、上記電子デバイスを密封空間に配置すると共に、上記外部端子を上記シリコン蓋側に設ける構成としたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記電子デバイスを圧電振動子としたことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記シリコン蓋の上記外部端子の周囲に、接合材流出防止用溝を設けたことを特徴とする。

請求項４に係る発明の発振装置の製造方法は、発振装置単位において、表面に制御回路が形成されたシリコン基板上に電子デバイスを搭載し、この電子デバイスを含む上記シリコン基板上の空間を密封するためのシリコン蓋に、スルービア及びこのスルービアに接続される外部端子を形成し、上記シリコン基板の接続部分に上記スルービアを介して上記シリコン蓋の外部端子を接続し、上記電子デバイスを密封空間に配置する状態として、上記シリコン蓋と上記シリコン基板を接合し、この接合の後、上記シリコン基板を所定厚さまで薄くするためその底面を研磨した後、個片化して複数の発振装置を製作することを特徴とする。
請求項５の発明は、上記電子デバイスとして圧電素子を搭載することを特徴とする。
請求項６の発明は、上記シリコン蓋への上記外部端子の形成工程では、上記シリコン蓋の上記外部端子の周囲に、接合材流出防止用溝を設けたことを特徴とする。

上記の構成によれば、制御回路が形成され、かつ例えば圧電振動子（電子デバイス）が搭載されたシリコン基板に、スルービア及び外部端子が設けられたシリコン蓋が接合されることにより、圧電振動子を密封空間に配置した発振装置が得られる。
また、シリコン蓋とシリコン基板を接合した後、このシリコン基板の底面を研磨することで、シリコン基板が所定厚さまで薄くなるようにする。

本発明の発振装置によれば、スルービアと外部端子をシリコン蓋側に形成し、シリコン基板側へは設けないようにしたので、制御回路等を搭載したシリコン基板へ与える機械的、化学的なストレスや損傷を低減し、また基板と蓋を同じ材質のシリコンとすることにより、材質の違いにより加えられる応力も低減することができ、装置として高品質、高性能を維持することが可能となる。
本発明の発振装置の製造方法によれば、シリコン蓋を接合した状態のシリコン基板の底面を研磨することで、装置の低背化を図ることが可能となる。

本発明の実施例に係る発振装置の構成を示す断面図（図２のＩ−Ｉ線切断面の拡大図で、一部のみをハッチングしたもの）である。図１の発振装置の上面図である。従来の発振装置の構成を示す断面図である。

図１及び図２に、実施例の発振装置の構成が示されており、図１において、１はシリコン（Ｓｉ）基板、２は制御回路、３は振動子用接続端子（アルミニウムパッド）、４は水晶振動子、５は導電接着剤、６ａはスルービア接続部分（端子）、６ｂは基板側金属接合材、７はシールド膜、９はキャビティ（凹部）１０を持つシリコン（Ｓｉ）蓋、１１はスルービア（TSV：Through-silicon via）、１２は外部端子、１３ａはスルービア接続部分（端子）、１３ｂは蓋側金属接合材、１４は絶縁分離材、１５は接合材流出防止用溝である。

即ち、シリコン基板１には、モノリシック製法により制御回路２や接続端子３が形成され、この接続端子３の上に、例えば銀ペーストの導電接着剤５によって水晶振動子４が片持ち状態で接続される。また、シリコン基板１の上面の周囲には、スルービア１１を接続するための接続部分６ａと全周にシリコン蓋９を接合するための金属接合材６ｂが形成される。

一方、シリコン蓋９には、スルービア１１が設けられており、このスルービア１１は、イオンエッチングやウェットエッチング等によりスルーホールを設けた後に金属等で埋める方式や、スルーホール内壁を酸化膜等で絶縁し不純物添加多結晶シリコンで埋める方式等で形成される。また、アイソレーショントレンチを作り、酸化膜等で絶縁分離したアイソレーショントレンチの内側の高濃度ドープのシリコン結晶を利用してスルービア１１を形成することもできる。
なお、シリコン蓋９の接合面側（外部端子の反対側）のスルービア１１の周囲には、接合の際の接合材による電気的ショートを防ぐための溝を設けている。

また、シリコン蓋９の上面（外面）に絶縁分離材１４を形成した後、この絶縁分離材１４の上に、上記スルービア１１に接続される形で外部端子１２が配置されており、この外部端子１２は、例えばニッケルＮｉとＳｎＡｇ（半田材）をメッキすることで形成される。このメッキの前にＣｕを付けてもよい。更に、この外部端子１２の周囲には、接合材流出防止用溝１５が形成されており、この接合材流出防止用溝１５は、外部端子１２を他の部品（周辺の電子部品等）に接続する際に接合材（半田等）が周辺に流出することを防止するものである。

このシリコン蓋９には、密封空間を作るためのキャビティ１０が設けられるが、このキャビティ１０の外側のシリコン基板１との接合面に、スルービア接続部分１３ａが形成されると共に、全周に蓋側金属接合材１３ｂが配置される。なお、この蓋側金属接合材１３ｂは、シールド膜として機能させるためキャビティ１０の内面まで形成されている。

そして、上記シリコン蓋９とシリコン基板１は、位置決めされ、上記金属接合材６ｂと蓋側金属接合材１３ｂにより接合され、同時に、スルービア１１はスルービア接続部分１３ａ，６ａを介してシリコン基板１側へ接合される。このようにして、水晶振動子４を収納したキャビティ１０が気密空間となり、その内部にヘリウムや窒素を充填する等して、所定の真空度を保つことができる。

更に、発振装置の製造では、シリコン基板１とシリコン蓋９を接合した後、シリコン基板９の底面を研磨する。例えば、３０〜５０ミクロン程度を削ることにより、シリコン基板９の厚さが所望の値となるようにする。その後、シリコン基板９の底面には、シールド膜７が成膜される。
実施例の発振装置は、集合基板としてのウェーハに複数の装置部分を同時に形成する製造方法が採用され、最後にダイシングして個片化することで、複数の発振装置が製作される。

以上の構成によれば、スルービア１１と外部端子１２をシリコン蓋９側に設けたので、制御回路等を搭載したシリコン基板１へ与える機械的、化学的なストレスや損傷が低減され、またシリコン基板１とシリコン蓋９を同じ材料とすることにより、材質の違いにより加えられる応力も低減することができ、装置として高品質、高性能が維持可能となる。
また、シリコン基板１にシリコン蓋９を接合した後、厚くなった組立体のシリコン基板１の底面を研磨することで、シリコン基板１、ひいては装置を薄くすることができるという利点がある。

また、上記外部端子１２の周囲に、接合材流出防止用溝１５が設けられており、外部端子１２に対し端子接続、結線等を実施する際には、半田等の接合材が周辺に流出することがなく、良好な取付け、接続が可能となる。上述のように、スルービア１１の周囲にも電気的ショートを防止するための凹みを設けており、このような凹みにより歩留、信頼性の高い装置が得られる。

実施例では、電子デバイスが圧電振動子（水晶振動子）の場合を説明したが、この電子デバイスとしてＭＥＭＳ素子等を配置する場合においても、同様に上記実施例の構成を適用することができる。

１…シリコン基板、２…制御回路、
４…水晶振動子、６ａ，１３ａ…スルービア接続部分、
６ｂ…基板側金属接合材、１３ｂ…蓋側金属接合材、
９…シリコン蓋、１０…キャビティ、
１１…スルービア、１２…外部端子、
１４…絶縁分離材、１５…接合材流出防止用溝。

Claims

表面に制御回路が形成されたシリコン基板と、
このシリコン基板表面に搭載された電子デバイスと、
この電子デバイスを含む上記シリコン基板上の空間を密封するための蓋体であって、この蓋体にスルービアを形成し、かつこのスルービアに接続される外部端子を外面に設けたシリコン蓋と、を備え、
上記シリコン基板の接続部分に上記スルービアを接続しながら該シリコン基板に上記シリコン蓋を接合し、上記電子デバイスを密封空間に配置すると共に、上記外部端子を上記シリコン蓋側に設ける構成とした発振装置。
上記電子デバイスを圧電振動子としたことを特徴とする請求項１記載の発振装置。
上記シリコン蓋の上記外部端子の周囲に、接合材流出防止用溝を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の発振装置。
発振装置単位において、表面に制御回路が形成されたシリコン基板上に電子デバイスを搭載し、
この電子デバイスを含む上記シリコン基板上の空間を密封するためのシリコン蓋に、スルービア及びこのスルービアに接続される外部端子を形成し、
上記シリコン基板の接続部分に上記スルービアを介して上記シリコン蓋の外部端子を接続し、上記電子デバイスを密封空間に配置する状態として、上記シリコン蓋と上記シリコン基板を接合し、
この接合の後、上記シリコン基板を所定厚さまで薄くするためその底面を研磨した後、個片化して複数の発振装置を製作することを特徴とする発振装置の製造方法。
上記電子デバイスとして圧電素子を搭載することを特徴とする請求項４記載の発振装置の製造方法。
上記シリコン蓋への上記外部端子の形成工程では、上記シリコン蓋の上記外部端子の周囲に、接合材流出防止用溝を設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の発振装置の製造方法。