JP2019050478A

JP2019050478A - Ｍｅｍｓ発振器

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Publication number: JP2019050478A
Application number: JP2017173022A
Authority: JP
Inventors: 雅樹山下; Masaki Yamashita; 徹森脇; Toru Moriwaki
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-03-28

Abstract

【課題】外部応力の影響を可及的に低減したＭＥＭＳ発振器を提供する。【解決手段】収納凹部５を有するベース６と、発振回路を含むＩＣチップ３と、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子２と、収納凹部５の開口を閉塞するリッド７とを備え、ＩＣチップ３及びＭＥＭＳ素子２が収納された収納凹部５が、リッド７によって気密に封止され、少なくともＭＥＭＳ素子２は、その外周面が収納凹部５とリッド７との接合によって形成される空間Ｓ内に露出している。【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ共振子を備えたＭＥＭＳ発振器に関する。

近年、ＭＥＭＳ(Micro Electro-Mechanical Systems:微小電気機械システム)技術を用いたＭＥＭＳデバイスの開発が広く行われている。ＭＥＭＳ技術とは、シリコンなどの半導体製造プロセス等における技術を応用して種々の機械要素の小型化を実現する技術であり、マイクロマシンと呼ばれる場合もある。

このようなＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳデバイスとして、例えば、特許文献１には、ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたセンサチップと、ＩＣチップとを樹脂でパッケージしたデバイスが開示されている。この特許文献１では、その図４に記載されているように、センサチップがフリップチップボンディングされたＩＣチップを、リードフレームに組み付け、センサチップ及びＩＣチップの全体を樹脂モールドしている。

特表２００５−５２８９９５号公報

上記特許文献１のＭＥＭＳデバイスでは、ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたＭＥＭＳ素子であるセンサチップは、ＩＣチップと共に完全に樹脂で覆われているために、温度変化による樹脂の膨張と収縮によって生じる応力と、センサチップの材料である単結晶シリコンと樹脂との線膨張係数の差異により発生する応力とがセンサチップに加わることになり、特に高精度が要求されるアプリケーションではこれらの応力の影響を無視できなくなる。

特に、ＭＥＭＳ素子が、ＭＥＭＳ発振器を構成するＭＥＭＳ共振子（ＭＥＭＳレゾネータ）である場合には、これらの応力が、例えばＭＥＭＳ共振子に歪みを生じさせ、発振振周波数が温度に対して変化する、いわゆる周波数温度特性の本来の特性からの変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性が悪化する等の現象が生じてしまう。

また、ＭＥＭＳ発振器が実装される回路基板からの外部応力の影響もある。

本発明は、上記のような点に鑑みて為されたものであって、外部応力の影響を可及的に低減したＭＥＭＳ発振器を提供することを目的とする。

本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。

すなわち、本発明のＭＥＭＳ発振器は、収納凹部を有するベースと、発振回路を含む集積回路素子と、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子と、前記収納凹部の開口を閉塞する蓋体とを備え、前記集積回路素子及び前記ＭＥＭＳ素子が収納された前記収納凹部が、前記蓋体によって気密に封止され、少なくとも前記ＭＥＭＳ素子は、その外周面が前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出している。

本発明のＭＥＭＳ発振器によれば、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子の外周面は、ベースの収納凹部と蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面が樹脂で覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の膨張、収縮による応力を受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子が周囲の樹脂の応力を受けて歪むといったことがなく、ＭＥＭＳ発振器の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子が介在した状態で前記ベースの前記収納凹部内に接合されているのが好ましい。

上記構成によれば、ＭＥＭＳ素子とベースの収納凹部との間には、集積回路素子が介在することになり、ベースからＭＥＭＳ素子へ作用する応力が、集積回路素子の存在によって、低減されることになる。

前記ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも前記集積回路素子との接合面以外の面が、前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているのが好ましい。

上記構成によれば、ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも集積回路素子との接合面以外の面が、空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の接合面以外の外周面が完全に樹脂で覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の膨張、収縮による応力を受けることがない。

前記ベースは、硬度が高く耐熱性及び耐腐食性等に優れたセラミック材料からなるのが好ましい。

前記ベースの前記収納凹部の内周壁には、前記収納凹部の底面よりも高い段部が形成されているのが好ましい。

上記構成によれば、ベースに段部が形成されているので、ベースの厚みが増して剛性が高まることになる。これによって、当該ＭＥＭＳ発振器が実装される回路基板等の外部からの応力を低減することができ、ベースの収納凹部に収納されているＭＥＭＳ素子に作用する応力を低減することができる。

前記ベースの電極が、前記段部に設けられているのが好ましい。

上記構成によれば、ベースの段部の電極と集積回路素子の電極と、をワイヤーボンディングしたり、フリップチップ接続することができる。

前記ＭＥＭＳ素子は、その能動面が前記集積回路素子の能動面に対向するように、前記集積回路素子に接合されているのが好ましい。

上記構成によれば、ＭＥＭＳ素子を、集積回路素子に最短経路でフリップチップ接続することができるため、電磁誘導による外部からの影響を受け難くすることができる。

前記集積回路素子の前記能動面とは反対側の非能動面が、接着剤を介して前記収納凹部の底面に接合されているのが好ましい。

前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ベースの電極とが、ワイヤーボンディングによって電気的に接続されているのが好ましい。

上記構成によれば、ベースの収納凹部の底面に、非能動面が接合された集積回路素子の能動面に、ＭＥＭＳ素子を接合することができるので、ベースとＭＥＭＳ素子との間に、集積回路素子が介在することになる。これによって、ＭＥＭＳ素子を直接ベースに接合する構成に比べて、ベースからＭＥＭＳ素子に作用する応力を低減することができる。また、接着剤として、樹脂系の接着剤を使用することによって、ベースから集積回路素子に作用する応力を緩和することができ、したがって、集積回路素子に搭載されたＭＥＭＳ素子に作用する応力を緩和することができる。

前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ベースの電極とが、金属バンプを介して接合されており、前記ＭＥＭＳ素子は、その能動面とは反対側の非能動面が前記収納凹部の底面から離間した状態で前記底面に対向しているのが好ましい。

上記構成によれば、集積回路素子の能動面に接続されるＭＥＭＳ素子の非能動面は、収納凹部の底面から離間しているので、ＭＥＭＳ素子の非能動面は、空間内に露出することになる。このような構成により、ＭＥＭＳ素子の接合面以外の外周面が完全に樹脂で覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の膨張、収縮による応力を受けることがない。

前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ＭＥＭＳ素子の前記能動面の電極とが、金属バンプを介して接合されているのが好ましい。

前記金属バンプはＡｕバンプが好ましく、前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ＭＥＭＳ素子の前記能動面の電極の各々の表面に、金バンプに対する拡散防止膜であるＮｉ等を形成することによって長期信頼性に優れた接続が可能となる。

本発明によれば、ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子の外周面は、ベースの収納凹部と蓋体との接合によって形成される空間内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面が樹脂で完全に覆われて、空間内に露出していない上記特許文献１のように樹脂の温度変化などによる膨張、収縮による応力を受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子が周囲の樹脂の応力を受けて歪むといったことがなく、ＭＥＭＳ発振器の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図である。図２は図１のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。図３は本発明の他の実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図である。図４は図３のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。図５はＩＣチップが搭載される前の図４に対応する平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ発振器の断面図であり、図２は、図１のＭＥＭＳ発振器のリッドを外した状態の平面図である。

この実施形態のＭＥＭＳ発振器１は、ＭＥＭＳ共振子（ＭＥＭＳレゾネータ）を含むＭＥＭＳ素子２と、発振回路を含む集積回路素子としてのＩＣチップ３と、これらを収納して気密に封止するパッケージ４とを備えている。

パッケージ４は、上部が開口した収納凹部５を有し、ＭＥＭＳ素子２及びＩＣチップ３を収納保持するベース６と、ベース６の上部開口を閉塞して、収納凹部５を気密封止する蓋体としてのリッド７とを備えている。

ベース６は、平面視略矩形であり、アルミナ等のセラミック材料からなり、セラミックグリーンシートを積層して上部が開口した凹状に一体焼成して構成されている。

ベース６の収納凹部５は、平面視略矩形であり、ベース６の長辺方向（図１，図２の左右方向）の両端の内周壁に、収納凹部５の底面５ａよりも高い段部５ｂ，５ｃが、ベース６の短辺方向（図１の上下方向）に沿ってそれぞれ設けられている。各段部５ｂ，５ｃの底面５ａからの高さは略等しく、各段部５ｂ，５ｃの上面には、ＩＣチップ３接続用の導体配線パターンからなる複数の接続電極９ｂ，９ｃがそれぞれ形成されている。

このようにベース６の収納凹部５の内周壁には、底面５ａより高い段部５ｂ，５ｃが形成されてベース６が厚くなっているので、段部が形成されていない構成に比べて、ベース６の剛性が高まる。これによって、当該ＭＥＭＳ発振器１が実装される回路基板からの外部応力を低減することができ、ベース６の収納凹部５に収納されているＩＣチップ３及びＭＥＭＳ素子２への外部応力を低減することができる。

ＩＣチップ３は、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）であり、ＭＥＭＳ素子２と共に、発振回路を構成する。このＩＣチップ３には、必要に応じてＰＬＬ回路や温度補償回路等が内蔵される。このＩＣチップ３は、平面視矩形である。ＩＣチップ３は、その能動面（上面）とは反対側の非能動面（下面）が、ベース６の収納凹部５の底面５ａに、樹脂系の導電性接着剤１０によって接合されている。この樹脂系の導電性接着剤としては、例えば、ポリイミド系、エポキシ系、あるいは、シリコン系の導電性接着剤などを使用することができる。

ベース６の収納凹部５の底面には、ベタのグランド配線パターン（図示せず）が形成されており、ＩＣチップ３の裏面を、導電性接着剤１０を介してグランド配線パターンに接続し、ＩＣチップ３の裏面の電位をグランド電位に固定している。

ＩＣチップ３の能動面には、その周縁部に、ベース６の上記接続電極９ｂ，９ｃにそれぞれ接続される複数の電極パッド１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、ＩＣチップ３の能動面の中央側には、ＭＥＭＳ素子２を搭載するための図示しない電極パッドが形成されている。

ＩＣチップ３の各電極パッド１１ｂ，１１ｃは、ベース６の段部５ｂ，５ｃ上に形成された対応する接続電極９ｂ，９ｃにボンディングワイヤー１２ｂ，１２ｃによってそれぞれ電気的に接続されている。ボンディングワイヤー１２ｂ，１２ｃの素材としては、信頼性の観点からＡｕが好ましいが、Ｃｕなどであってもよい。

ＭＥＭＳ素子２は、上記のＭＥＭＳ技術を用いて製作された素子であり、Ｓｉ共振子を含んでおり、可動部分が気密封止されている。この実施形態のＭＥＭＳ素子２は、酸化膜上にシリコン単結晶層を形成した構造のシリコンウェーハであるＳＯＩ（Silicon on Insulator)ウェーハを用いて製作されたものである。

このＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３の外形より小さく、その能動面がＩＣチップ３の能動面に対向するように、ＩＣチップ３に接合されている。すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、その能動面の電極パッドとＩＣチップ３の接続パッドとが、金属バンプであるＡｕバンプ１３によってフリップチップ接続されている。金属バンプは、Ａｕバンプに限らず、半田バンプなどであってもよい。

ＭＥＭＳ素子２とＩＣチップ３との間の隙間には、機械的接合強度を向上させるために封止樹脂としてのアンダーフィル樹脂を充填してもよい。

ベース６の接続電極９ｂ，９ｃは、ベース６の内部に形成された図示しない導体配線パターンによって、ベースの下面に形成された外部接続端子（図示せず）に接続されている。

リッド７は、例えばコバールなどの金属からなり、矩形の平板となっている。

このリッド７は、コバールなどからなる封止材としての矩形環状のシールリング８によって、ベース６の開口の周縁部にシーム溶接などで接合され、パッケージ４の内部に気密な空間Ｓが形成される。この接合は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中または真空雰囲気中で行われ、パッケージ４の内部の空間Ｓは、窒素ガス等の不活性ガスが封入または真空とされる。このようにシールリング８を備えているので、シールリングのない構成に比べて、パッケージ４が変形しにくいものとなる。

なお、リッド７には、上記した金属以外に、セラミックス、樹脂、あるいはガラスなどを用いることができ、例えばガラス製のリッドを用いた場合には、低融点ガラスを接合材として用いるなど、リッドの材料に応じて適宜に接合材を選定し、ベース６とリッド７との接合を行うことができる。

この実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子２の外周面、具体的には、ＭＥＭＳ素子２の能動面以外の外周面は、ベース６の収納凹部５とリッド７との接合によって形成される空間Ｓ内に露出している。

このようにＭＥＭＳ素子２の外周面が、空間Ｓ内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面を完全に樹脂で封止して、空間に露出していない上記特許文献１のように、温度変化などによる樹脂の膨張、収縮による応力をＭＥＭＳ素子２が受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子２が、周囲の樹脂の応力によって歪むといった事態を回避することができ、ＭＥＭＳ発振器１の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

しかも、ＭＥＭＳ素子２は、ベース６の収納凹部５に固着されたＩＣチップ３上に搭載される、すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３が介在した状態でベース６の収納凹部５内に接合されているので、ＭＥＭＳ素子２とベース６との間には、ＩＣチップ３が介在することになる。これによって、ＭＥＭＳ素子２をベース６に直接接合するのに比べて、ＭＥＭＳ素子２に作用するベース６の応力を一層低減することができ、ＭＥＭＳ素子２の特性変動を低減することができる。

更に、ＩＣチップ３は、樹脂製の導電性接着剤１０によって、ベース６の収納凹部５の底面５ａに接合されるので、ベース６からの応力を緩和することができ、ＩＣチップ３に接合されたＭＥＭＳ素子２に作用する応力を低減することができる。

また、この実施形態では、ＭＥＭＳ素子２のみならず、ＩＣチップ３の外周も空間Ｓ内に露出しているので、ＩＣチップの外周面を完全に樹脂で封止して、空間に露出していない上記特許文献１のように温度変化などによる樹脂の膨張、収縮による応力をＩＣチップ３が受けることがない。

ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたＭＥＭＳ素子２は、非常に小さいので、ＭＥＭＳ発振器１の小型化を図ることができる。

（実施形態２）
図３は、本発明の他の実施形態のＭＥＭＳ発振器１₁の断面図であり、図４は、図３のＭＥＭＳ発振器１₁のリッド７を外した状態の平面図であり、上述の実施形態に対応する部分には、対応する参照符号を付す。

この実施形態のＭＥＭＳ発振器１₁は、ＩＣチップ３₁を、ベース６₁の複数の接続電極９₁に、ワイヤーボンディングによって接続するのではなく、フリップチップによって接続するようにしている。

パッケージ４₁を構成するベース６₁は、ＭＥＭＳ素子２及びＩＣチップ３₁を収納する収納凹部５₁を有している。この収納凹部５₁には、その平面視略矩形の内周壁の全周に、収納凹部５₁の底面５₁ａよりも高い段部５₁ｂが設けられている。図５は、ＭＥＭＳ素子２が接合されたＩＣチップ３₁が、搭載される前のベース６₁の平面図である。この図５に示されるように、段部５₁ｂは、ＭＥＭＳ素子２に対応した比較的狭い矩形の領域を囲むように形成されている。すなわち、段部５₁ｂと収納凹部５₁の底面５₁ａによって、ＭＥＭＳ素子２を収納する空間が区画されている。この段部５₁ｂの上面には、導体配線パターンからなる複数の接続電極９₁がそれぞれ形成されている。

ＩＣチップ３₁は、その能動面の周縁部の電極パッドが、ベース６₁の段部５₁ｂ上の接続電極９₁に、金属バンプであるＡｕバンプ１５によってフリップチップ接続されている。金属バンプは、Ａｕバンプに限らず、半田バンプなどであってもよい。

ＭＥＭＳ素子２は、上記実施形態と同様に、その能動面がＩＣチップ３₁の能動面に対向するように、ＩＣチップ３₁に接合されている。すなわち、ＭＥＭＳ素子２は、その能動面の電極パッドとＩＣチップ３₁の接続パッドとが、金属バンプであるＡｕバンプ１３によってフリップチップ接続されている。

ＭＥＭＳ素子２とＩＣチップ３₁との間の隙間には、封止樹脂としてのアンダーフィル樹脂を充填してもよい。

ＩＣチップ３₁の周縁部の電極パッドが、ベース６₁の段部５₁ｂ上の接続電極９₁にフリップチップ接続された状態では、ＩＣチップ３₁の中央寄りに接合されたＭＥＭＳ素子２は、ベース６₁の収納凹部５₁の底面５₁ａと段部５₁ｂとによって区画された空間内に位置する。このとき、ＭＥＭＳ素子２の能動面とは反対側の非能動面が、ベース６₁の収納凹部５₁の底面５₁ａから離間した状態で、底面５₁ａに対向している。

その他の構成は、上記実施形態と同様である。

この実施形態によれば、ＭＥＭＳ素子２の能動面以外の外周面は、ベース６₁の収納凹部５₁とリッド７との接合によって形成される空間Ｓ₁、具体的には、ベース６₁の段部５₁ｂと収納凹部５₁の底面５₁ａとによって区画される空間Ｓ₁内に露出しているので、ＭＥＭＳ素子の外周面を完全に樹脂で封止して、空間に露出していない上記特許文献１のように温度変化などによる樹脂の膨張、収縮による応力をＭＥＭＳ素子２が受けることがない。これによって、ＭＥＭＳ素子２が、周囲の樹脂の応力によって歪むのを防止することができ、ＭＥＭＳ発振器１の周波数温度特性の変動や、温度に対する周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

また、この実施形態では、収納凹部５₁の底面５₁ａよりも高い段部５₁ｂの形成領域が広い、すなわち、ベース６₁が厚く形成されている領域が広いので、ベース６₁の剛性が一層高まり、当該ＭＥＭＳ発振器１₁が実装される回路基板からの外部応力を低減することができる。これによって、ベース６₁の収納凹部５₁に収納されているＩＣチップ３及びＭＥＭＳ素子２への外部応力を低減することができる。

この実施形態においても、ＭＥＭＳ素子２は、ＩＣチップ３₁が介在した状態でベース６₁の収納凹部５₁内に接合されている、すなわち、ＭＥＭＳ素子２はＩＣチップ３₁に接合され、このＩＣチップ３₁が、ベース６₁に接合されている。これによって、ＭＥＭＳ素子２とベース６₁との間には、ＩＣチップ３₁が介在することになり、ＭＥＭＳ素子２をベース６₁に直接接合するのに比べて、ＭＥＭＳ素子２に作用するベース６₁の応力を一層低減することができる。

上記実施形態では、ＩＣチップ３の全面をベース６の収納凹部５の底面５ａに接合したが、この実施形態では、ＩＣチップ３₁の電極パッドを、ベース６₁の接続電極９₁にＡｕバンプ１５によってフリップチップ接続するので、ベース６₁からＩＣチップ３₁へ作用する応力を低減することができる。これによって、ＭＥＭＳ素子２に伝わる応力を低減することができ、ＭＥＭＳ発振器１の周波数温度特性の変動や、周波数ヒステリシス特性を改善することができる。

上記各実施形態では、段部５ｂ，５ｃ，５₁ｂは１段設けたが、複数段設けてもよい。

１，１₁ ＭＥＭＳ発振器
２ＭＥＭＳ素子
３，３₁ ＩＣチップ（集積回路素子）
４，４₁ パッケージ
５，５₁ 収納凹部
６，６₁ ベース
７リッド（蓋体）

Claims

収納凹部を有するベースと、
発振回路を含む集積回路素子と、
ＭＥＭＳ共振子を含むＭＥＭＳ素子と、
前記収納凹部の開口を閉塞する蓋体とを備え、
前記集積回路素子及び前記ＭＥＭＳ素子が収納された前記収納凹部が、前記蓋体によって気密に封止され、
少なくとも前記ＭＥＭＳ素子は、その外周面が前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出している、
ことを特徴するＭＥＭＳ発振器。
前記ＭＥＭＳ素子は、前記集積回路素子が介在した状態で前記ベースの前記収納凹部内に接合されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ＭＥＭＳ素子の外周面のうち、少なくとも前記集積回路素子との接合面以外の面が、前記収納凹部と前記蓋体との接合によって形成される空間内に露出している、
請求項２に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ベースが、セラミック材料からなる、
請求項１ないし３のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ベースの前記収納凹部の内周壁には、前記収納凹部の底面よりも高い段部が形成されている、
請求項１ないし４のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ベースの電極が、前記段部に設けられている、
請求項５に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記ＭＥＭＳ素子は、その能動面が前記集積回路素子の能動面に対向するように、前記集積回路素子に接合されている、
請求項１ないし６のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。
前記集積回路素子の前記能動面とは反対側の非能動面が、接着剤を介して前記収納凹部の底面に接合されている、
請求項７に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ベースの電極とが、ワイヤーボンディングによって電気的に接続されている、
請求項８に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ベースの電極とが、金属バンプを介して接合されており、
前記ＭＥＭＳ素子は、その能動面とは反対側の非能動面が前記収納凹部の底面から離間した状態で前記底面に対向している、
請求項７に記載のＭＥＭＳ発振器。
前記集積回路素子の前記能動面の電極と前記ＭＥＭＳ素子の前記能動面の電極とが、金属バンプを介して接合されている、
請求項７ないし１０のいずれかに記載のＭＥＭＳ発振器。