TW201740681A - 晶體振盪器及晶體振盪器的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種晶體振盪器以及晶體振盪器的製造方法。本發明的目的在於使具有溫度傳感器的晶體振盪器的頻率精度提高。本發明提供晶體振盪器（1），包括：晶體振動片（20）；半導體晶片（30），具有用以使所述晶體振動片（20）振盪的振盪電路（321）、及連接於所述振盪電路（321）且設置於所述晶體振動片（20）的一側的面的第一凸塊（343）；以及溫度傳感器元件（40），接合於所述第一凸塊（343）。而且，所述半導體晶片（30）具有多個引線接合用焊墊（35），所述多個引線接合用焊墊（35）設置於所述晶體振動片（20）側的面的所述第一凸塊（343）的兩側。
Description
本發明涉及一種晶體振盪器及晶體振盪器的製造方法。
以前，作為具備晶體振動片的晶體振盪器，已知具有晶體振動片、溫度傳感器及溫度補償電路的TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator，溫度補償型晶體振盪器）。而且，還已知具有晶體振動片、溫度傳感器、加熱器電路及溫度控制電路的OCXO（Oven Controlled Crystal Oscillator，帶恒溫槽的晶體振盪器）（例如參照專利文獻1）。
圖9是現有的晶體振盪器800的剖面圖。現有的晶體振盪器800在封裝體（package）810內封入晶體振動片820、半導體晶片（chip）830。晶體振動片820利用導電連接部850固定於封裝體810。半導體晶片830在其內部具有溫度傳感器元件840、及包含振盪電路832的內部電路831。溫度傳感器元件840隔著SiO2
、SiN、聚醯亞胺保護膜而與晶體振動片820熱耦合。
[現有技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1] 日本專利特開2010-124348號公報
[發明所要解決的問題] 在如TCXO及OCXO等那樣的基於由溫度傳感器檢測到的溫度來控制振盪電路的晶體振盪器中，為了提高振盪頻率的精度，而要求以盡可能高的精度測定晶體振動片附近的溫度。然而，現有的晶體振盪器800中，溫度傳感器元件840與晶體振動片820之間構成有多種熱傳遞差的物質，因而熱傳遞模型變得複雜，難以提高晶體振動片附近的溫度的檢測精度。其結果為，因頻率溫度補償的誤差擴大，所以產生了振盪信號的頻率精度降低的問題。
因此，本發明鑒於這些方面而完成，其目的在於提高具有溫度傳感器的晶體振盪器輸出的振盪信號的頻率精度。
[解決問題的技術手段] 本發明的第一形態中提供一種晶體振盪器，包括：晶體振動片；半導體晶片，具有：用以使所述晶體振動片振盪的振盪電路、及連接於所述振盪電路且設置於所述晶體振動片的一側的面的第一凸塊；以及溫度傳感器，接合於所述第一凸塊。
所述半導體晶片也可包括：多個引線接合用焊墊，所述多個引線接合用焊墊設置於所述晶體振動片的一側的面的所述第一凸塊的兩側。
所述半導體晶片還可包括：設置於所述晶體振動片的一側的面的第二凸塊，所述晶體振盪器還可包括：接合於所述第二凸塊的加熱器。
所述半導體晶片還可包括：導電連接部，所述導電連接部用以將所述晶體振動片固定於覆蓋所述溫度傳感器的位置。
所述晶體振盪器還可包括：絕熱性構件，所述絕熱性構件設置於所述半導體晶片的設置著所述第一凸塊的面的相反側的面。
本發明的第二形態中提供一種晶體振盪器的製造方法，包括：準備半導體晶圓(wafer)的步驟；在所述半導體晶圓形成多個第一凸塊的步驟；將所述半導體晶圓分割為各自包含所述第一凸塊的多個半導體晶片的步驟；使溫度傳感器接合於所述第一凸塊的步驟；以及在使所述溫度傳感器接合的步驟之後，將晶體振動片固定於覆蓋所述溫度傳感器的位置的步驟。
所述晶體振盪器的製造方法中還可包括：在所述半導體晶圓的形成著所述多個第一凸塊的面形成第二凸塊的步驟；以及使加熱器接合於所述第二凸塊的步驟。
所述晶體振盪器的製造方法中，還可包括：在所述半導體晶圓的形成著所述多個第一凸塊的面的相反側的面形成絕熱性構件的步驟。
所述晶體振盪器的製造方法還可包括：在所述半導體晶圓的一個面形成絕熱性構件的步驟，在形成所述多個第一凸塊的步驟中，在形成著所述絕熱性構件的面的相反側的面形成所述多個第一凸塊。
[發明的效果] 根據本發明，晶體振動片與溫度傳感器及加熱器元件間的熱耦合提高，晶體振盪器的頻率精度提高。
＜第一實施方式＞ [第一實施方式的晶體振盪器1的構成] 圖1A、圖1B是第一實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。圖1A是第一實施方式的晶體振盪器1的配置圖。圖1B是圖1A的IB-IB線剖面圖。
第一實施方式的晶體振盪器1為TCXO（溫度補償型晶體振盪器）。晶體振盪器1在封裝體10內封入晶體振動片20、半導體晶片30及溫度傳感器元件40。晶體振動片20利用導電連接部50固定於封裝體10。
半導體晶片30為半導體的裸晶片（bare chip），所述半導體的裸晶片具有：以基於溫度傳感器元件40檢測到的溫度而規定的頻率，使晶體振動片20振盪的電路。溫度傳感器元件40為：對周圍的溫度進行檢測、且輸出表示所檢測到的溫度的數據的元件，例如，為熱敏電阻。溫度傳感器元件40固定於半導體晶片30的上表面中央部。溫度傳感器元件40固定於面向晶體振動片20的位置，測定晶體振動片20的附近的溫度。
以下，對半導體晶片30的構造、及半導體晶片30與溫度傳感器元件40的連接形態進行詳細說明。半導體晶片30具有：Si基板31、內部電路32、保護層33、第一連接部34、及多個引線接合用焊墊35。
Si基板31為由矽（Si）形成的基底基板。內部電路32以Si基板31作為基底基板而形成，包含：振盪電路321及溫度檢測電路322。振盪電路321為：用以生成使晶體振動片20振盪的振盪信號的電路。溫度檢測電路322具有溫度補償功能，所述溫度補償功能是用以基於溫度傳感器元件40檢測到的溫度，來控制振盪電路321輸出的振盪信號的頻率。
保護層33形成於Si基板31的表面，包含：積體電路（Integrated circuit，IC）絕緣性保護膜（例如SiN）及保護樹脂（例如聚醯亞胺）。第一連接部34將內部電路32與溫度傳感器元件40連接。第一連接部34設置於半導體晶片30的中央附近。關於第一連接部34的詳細情況，以後敘述。
多個引線接合用焊墊35為用以固定引線的端子，所述引線將內部電路32與設置於封裝體10的外部端子連接。如圖1A所示，多個引線接合用焊墊35設置於晶體振動片20的一側的面中的第一連接部34的兩側。
圖2是圖1B的溫度傳感器元件40周邊部的放大圖。如圖2所示，保護層33具有SiO2
絕緣膜331及保護膜332。第一連接部34具有：焊墊金屬341、焊墊開口部342及第一凸塊343。溫度傳感器元件40具有：溫度傳感器401及溫度傳感器連接端子402。
SiO2
絕緣膜331以覆蓋金屬配線323及焊墊金屬341的方式形成。保護膜332例如形成為SiN或在SiN上重疊聚醯亞胺的構造，以覆蓋SiO2
絕緣膜331的方式形成。
焊墊金屬341為：形成於金屬配線323與第一凸塊343之間，用以將金屬配線323與第一凸塊343電連接的金屬制的端子。焊墊開口部342為：形成於保護層33的開口。第一凸塊343例如為Au等金屬，設置於半導體晶片30上的晶體振動片20的一側的面。第一凸塊343設置於焊墊開口部342內，將溫度傳感器元件40與焊墊金屬341電連接。
溫度傳感器401為：檢測周圍的溫度、且輸出表示所檢測到的溫度的數據的部件。溫度傳感器連接端子402為：設置於溫度傳感器401的金屬制的連接端子。溫度傳感器401經由溫度傳感器連接端子402、第一凸塊343、焊墊金屬341、金屬配線323，而與溫度檢測電路322連接。在將溫度傳感器連接端子402接合於第一凸塊343的情況下，比起將溫度傳感器連接端子402引線接合於引線接合用焊墊35的情況，能夠減少將溫度傳感器元件40接合於半導體晶片30上時的安裝面積。而且，能夠縮短溫度傳感器元件40與半導體晶片30之間的配線，因而能夠提高電氣特性。
這樣，將溫度傳感器元件40經由第一凸塊343而接合於半導體晶片30，由此晶體振動片20與溫度傳感器元件40能夠經由封裝體10內部的填充氣體而彼此接近。其結果，與以前相比，能夠精度更佳地計測晶體振動片20的溫度，能夠有助於提高晶體振盪器1的頻率精度。
[第一實施方式的晶體振盪器1的製造方法] 以下，對製造晶體振盪器1的方法進行說明。首先，準備半導體晶圓，在形成著內部電路32、保護層33、焊墊金屬341及焊墊開口部342等的半導體晶圓形成多個第一凸塊343。接下來，將半導體晶圓分割為各自包含第一凸塊343的多個半導體晶片30，使溫度傳感器元件40接合於第一凸塊343。例如，在將溫度傳感器元件40載置於第一凸塊343後，一邊施加超音波一邊施加按壓溫度傳感器元件40的力，由此能夠使溫度傳感器元件40接合於第一凸塊343。或者，還存在如下方法：在將溫度傳感器元件40接合於形成著第一凸塊343的半導體晶圓後，分割為半導體晶片30。
而且，在使溫度傳感器元件40接合於第一凸塊343後，將半導體晶片30接合於封裝體10，對引線接合用焊墊35進行引線接合，將晶體振動片20固定於覆蓋溫度傳感器元件40的位置。因此，根據本製造方法，能夠利用凸塊接合步驟將溫度傳感器元件40與半導體晶片30電連接，從而能夠利用以標準的工藝流程製造的半導體晶片來製造第一實施方式的晶體振盪器1。
[第一實施方式的晶體振盪器1的效果] 如以上說明，第一實施方式的晶體振盪器1中，將溫度傳感器元件40利用第一凸塊343而接合於半導體晶片30的上表面。其結果為，晶體振動片20與溫度傳感器元件40接近，從而能夠比以前精度更佳地測定晶體振動片20的溫度，能夠有助於頻率精度的提高。而且，通過使用凸塊將溫度傳感器元件40接合於半導體晶片30，而能夠使晶體振盪器1小型化。
＜第二實施方式＞ 圖3A、圖3B是第二實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。圖3A是第二實施方式的晶體振盪器1的配置圖。圖3B是圖3A的IIIB-IIIB線剖面圖。
第二實施方式的晶體振盪器1為OCXO（帶恒溫槽的晶體振盪器）。第二實施方式的晶體振盪器1與第一實施方式的晶體振盪器1的構成相比，不同之處在於：晶體振盪器1具有加熱器電路324、第二連接部36、加熱器元件60。
加熱器電路324為：包含於內部電路32內，且用以對加熱器元件60的溫度進行控制的電路。第二連接部36將內部電路32與加熱器元件60連接。圖3A、圖3B所示的例中，兩個第二連接部36設置於第一連接部34的兩側。關於第二連接部36的詳細情況，以後敘述。
加熱器元件60為通過發熱來控制周圍的溫度的元件，例如，為電阻。圖3A、圖3B所示的例中，晶體振盪器1具有：分別接合於第二連接部36的兩個加熱器元件60，兩個加熱器元件60固定於半導體晶片30的上表面中的溫度傳感器元件40的兩側。加熱器元件60固定於面向晶體振動片20的位置，對晶體振動片20的附近的溫度進行控制。
圖4是圖3B的加熱器元件60周邊部的放大圖。第二連接部36為與第一連接部34相同的構成，具有：焊墊金屬341、焊墊開口部342、第二凸塊361。加熱器元件60具有加熱器601與加熱器連接端子602。
第二凸塊361與第一凸塊343相同，例如，為Au等金屬，設置於半導體晶片30上的晶體振動片20的一側的面。第二凸塊361設置於焊墊開口部342內。加熱器601為通過發熱來控制周圍的溫度的部件。加熱器連接端子602為設置於加熱器601的金屬制的連接端子。加熱器601經由加熱器連接端子602、第二凸塊361、焊墊金屬341、金屬配線323而與加熱器電路324連接。
[第二實施方式的晶體振盪器1的製造方法] 以下，關於製造第二實施方式的晶體振盪器1的方法，對與第一實施方式的晶體振盪器1的製造方法的不同之處進行說明。 第二凸塊形成步驟中，在半導體晶圓上形成第一凸塊343之後，在設置著第一凸塊343的面形成第二凸塊361。
加熱器接合步驟中，在例如將溫度傳感器元件40接合於設置在多個半導體晶片30的第一凸塊343後，使加熱器元件60接合於第二凸塊361。不限於此，加熱器接合步驟中，也可在將溫度傳感器元件40接合於設置在多個半導體晶片30的第一凸塊343前，使加熱器元件60接合於第二凸塊361。加熱器接合步驟中，例如在將加熱器元件60載置於第二凸塊361後，一邊施加超音波一邊施加按壓加熱器元件60的力，由此使加熱器元件60接合於第二凸塊361。 而且，加熱器接合步驟中，也可在將半導體晶圓分割為多個半導體晶片30之前，使加熱器元件60接合於第二凸塊361。
[第二實施方式的晶體振盪器1的效果] 晶體振盪器1具有此種構成，由此利用溫度傳感器元件40測定晶體振動片20的附近的溫度，且，利用加熱器元件60進行溫度的控制。其結果為，晶體振動片20、溫度傳感器元件40及加熱器元件60間的熱耦合提高，能夠使晶體振盪器1的頻率精度提高。
＜第三實施方式＞ 圖5A、圖5B是第三實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。圖5A是第三實施方式的晶體振盪器1的配置圖。圖5B是圖5A的VB-VB線剖面圖。第三實施方式的晶體振盪器1為OCXO。第三實施方式的晶體振盪器1與第二實施方式的晶體振盪器1的構成相比，不同之處在於：晶體振動片20利用導電連接部50直接固定於半導體晶片30上。導電連接部50由導電性樹脂形成，將晶體振動片20固定於半導體晶片30，並且將晶體振動片20與內部電路32電連接。
通過設為此種構成，封裝體10中不需要用以將導電連接部50與半導體晶片30上的焊墊電極連接的配線，因而能夠縮小封裝體10的尺寸。其結果為，能夠使晶體振盪器1小型化。
＜第四實施方式＞ 圖6A、圖6B是第四實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。圖6A是第四實施方式的晶體振盪器1的配置圖。圖6B是圖6A的VIB-VIB線剖面圖。第四實施方式的晶體振盪器1為TCXO。第四實施方式的晶體振盪器1與第一實施方式的晶體振盪器1的構成相比，不同之處在於：具有作為絕熱性構件的絕熱性膜37。 晶體振盪器1具有絕熱性膜37，所述絕熱性膜37設置於半導體晶片30的設置著第一凸塊343的面的相反側的面。絕熱性膜37例如為SiO2
膜。另外，絕熱性膜37也可為使用了其他絕熱性原材料的膜。
通過設為此種構成，晶體振盪器1能夠將半導體晶片30與封裝體10熱性分離。其結果為，晶體振盪器1不會從封裝體10受到外部的熱的影響，能夠精度優良地測定晶體振動片20的溫度，從而能夠提高頻率精度。
（變形例1） 以上說明中，對在第一實施方式的作為TCXO的晶體振盪器1設置著絕熱性膜37的例子進行了說明。然而，不限於此，第二實施方式及第三實施方式的作為OCXO的晶體振盪器1，也可具有設置於半導體晶片30的設置著第一凸塊343的面的相反側的面的絕熱性膜37。
（變形例2） 圖7A、圖7B及圖8A、圖8B是第四實施方式的變形例的晶體振盪器1的內部構成圖。圖7A是第二實施方式的晶體振盪器1具有絕熱性膜37的情況下的晶體振盪器1的配置圖。圖7B是圖7A的VIIB-VIIB線剖面圖。圖8A是第三實施方式的晶體振盪器1具有絕熱性膜37的情況下的晶體振盪器1的配置圖。圖8B是圖8A的VIIIB-VIIIB線剖面圖。圖7A、圖7B及圖8A、圖8B中的晶體振盪器1為OCXO。圖7A、圖7B及圖8A、圖8B中的晶體振盪器1具有設置於半導體晶片30的設置著第一凸塊343的面的相反側的面的絕熱性膜37。
（變形例3） 以上的說明中，對在晶體振盪器1的半導體晶片30形成絕熱性膜37的例子進行了說明，但不限於此，也可在晶體振盪器1的封裝體10內的底面形成絕熱性膜37。絕熱性膜37例如在將半導體晶片30接合於封裝體10之前，形成於封裝體10內的底面。半導體晶片30接合於形成在封裝體10內的底面的絕熱性膜37之上。而且，也可將具有絕熱性的板作為絕熱性構件而粘著於晶體振盪器1的封裝體10內的底面。
[第四實施方式的晶體振盪器1的製造方法] 以下，關於製造具有絕熱性膜37的晶體振盪器1的方法，對與第一實施方式及第二實施方式的晶體振盪器1的製造方法的不同之處進行說明。絕熱性膜形成步驟中，例如在半導體晶圓形成多個第一凸塊343之後，在形成著多個第一凸塊343的面的相反側的面形成絕熱性膜37。絕熱性膜形成步驟中，例如使用SiO2
膜形成裝置，形成作為絕熱性膜37的SiO2
膜。另外，絕熱性膜形成步驟中，也可在半導體晶圓形成多個第一凸塊343之前，在半導體晶圓的一個面形成絕熱性膜37。該情況下，在形成半導體晶圓的絕熱性膜37之後，在形成著絕熱性膜37的面的相反側的面形成多個第一凸塊343。
絕熱性膜形成步驟中，也可在將半導體晶圓分割為多個半導體晶片30後，形成絕熱性膜37。而且，絕熱性膜形成步驟中，不僅可使用SiO2
，也可使用其他絕熱性原材料形成絕熱性膜。而且，進而，在絕熱性膜形成步驟中，也可通過將絕熱性的板粘著於半導體晶片30的設置著第一凸塊343的面的相反側的面，而形成絕熱性膜37。
[第四實施方式的晶體振盪器1的效果] 通過設為此種構成，第四實施方式的晶體振盪器1與外部的環境熱性分離，由此能夠降低封裝體10外部的溫度對晶體振動片20的影響，因而能夠提高晶體振盪器1的頻率精度。而且，晶體振盪器1能夠抑制加熱器601發出的熱向封裝體10的外部散放，因而能夠效率佳地加溫。
以上，使用實施方式對本發明進行了說明，但本發明的技術範圍不限於所述實施方式記載的範圍。所屬技術領域中具有通常知識者明白能夠在所述實施方式中添加各種變更或改良。根據申請專利範圍書的記載可知，添加了此種變更或改良的形態也可包含在本發明的技術範圍內。
1‧‧‧晶體振盪器
10、810‧‧‧封裝體
20、820‧‧‧晶體振動片
30、830‧‧‧半導體晶片
31‧‧‧Si基板
32、831‧‧‧內部電路
321、832‧‧‧振盪電路
322‧‧‧溫度檢測電路
323‧‧‧金屬配線
324‧‧‧加熱器電路
33‧‧‧保護層
331‧‧‧SiO2絕緣膜
332‧‧‧保護膜
34‧‧‧第一連接部
341‧‧‧焊墊金屬
342‧‧‧焊墊開口部
343‧‧‧第一凸塊
35‧‧‧引線接合用焊墊
36‧‧‧第二連接部
361‧‧‧第二凸塊
37‧‧‧絕熱性膜
40、840‧‧‧溫度傳感器元件
401‧‧‧溫度傳感器
402‧‧‧溫度傳感器連接端子
50、850‧‧‧導電連接部
60‧‧‧加熱器元件
601‧‧‧加熱器
602‧‧‧加熱器連接端子
800‧‧‧現有的晶體振盪器
10、810‧‧‧封裝體
20、820‧‧‧晶體振動片
30、830‧‧‧半導體晶片
31‧‧‧Si基板
32、831‧‧‧內部電路
321、832‧‧‧振盪電路
322‧‧‧溫度檢測電路
323‧‧‧金屬配線
324‧‧‧加熱器電路
33‧‧‧保護層
331‧‧‧SiO2絕緣膜
332‧‧‧保護膜
34‧‧‧第一連接部
341‧‧‧焊墊金屬
342‧‧‧焊墊開口部
343‧‧‧第一凸塊
35‧‧‧引線接合用焊墊
36‧‧‧第二連接部
361‧‧‧第二凸塊
37‧‧‧絕熱性膜
40、840‧‧‧溫度傳感器元件
401‧‧‧溫度傳感器
402‧‧‧溫度傳感器連接端子
50、850‧‧‧導電連接部
60‧‧‧加熱器元件
601‧‧‧加熱器
602‧‧‧加熱器連接端子
800‧‧‧現有的晶體振盪器
圖1A、圖1B是第一實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。 圖2是溫度傳感器元件40周邊部的放大圖。 圖3A、圖3B是第二實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。 圖4是加熱器元件60周邊部的放大圖。 圖5A、圖5B是第三實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。 圖6A、圖6B是第四實施方式的晶體振盪器1的內部構成圖。 圖7A、圖7B是第四實施方式的變形例的晶體振盪器1的內部構成圖（其一）。 圖8A、圖8B是第四實施方式的變形例的晶體振盪器1的內部構成圖（其二）。 圖9是現有的晶體振盪器800的剖面圖。
1‧‧‧晶體振盪器
10‧‧‧封裝體
20‧‧‧晶體振動片
33‧‧‧保護層
35‧‧‧引線接合用焊墊
40‧‧‧溫度傳感器元件
50‧‧‧導電連接部
IB-IB‧‧‧剖面線
Claims (9)
- 一種晶體振盪器，其特徵在於包括： 晶體振動片； 半導體晶片，具有：用以使所述晶體振動片振盪的振盪電路、及連接於所述振盪電路且設置於所述晶體振動片的一側的面的第一凸塊；以及 溫度傳感器，接合於所述第一凸塊。
- 如申請專利範圍第1項所述的晶體振盪器，其中， 所述半導體晶片包括：多個引線接合用焊墊， 所述多個引線接合用焊墊設置於所述晶體振動片的一側的面的所述第一凸塊的兩側。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的晶體振盪器，其中， 所述半導體晶片還包括：設置於所述晶體振動片的一側的面的第二凸塊， 所述晶體振盪器還包括：接合於所述第二凸塊的加熱器。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的晶體振盪器，其中， 所述半導體晶片還包括：導電連接部， 所述導電連接部用以將所述晶體振動片固定於覆蓋所述溫度傳感器的位置。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述的晶體振盪器，更包括： 絕熱性構件， 所述絕熱性構件設置於所述半導體晶片的設置著所述第一凸塊的面的相反側的面。
- 一種晶體振盪器的製造方法，其特徵在於包括： 準備半導體晶圓的步驟； 在所述半導體晶圓形成多個第一凸塊的步驟； 將所述半導體晶圓分割為各自包含所述第一凸塊的多個半導體晶片的步驟； 使溫度傳感器接合於所述第一凸塊的步驟；以及 在使所述溫度傳感器接合的步驟之後，將晶體振動片固定於覆蓋所述溫度傳感器的位置的步驟。
- 如申請專利範圍第6項所述的晶體振盪器的製造方法，更包括： 在所述半導體晶圓的形成著所述多個第一凸塊的面形成第二凸塊的步驟；以及 使加熱器接合於所述第二凸塊的步驟。
- 如申請專利範圍第6項或第7項所述的晶體振盪器的製造方法，更包括： 在所述半導體晶圓的形成著所述多個第一凸塊的面的相反側的面形成絕熱性構件的步驟。
- 如申請專利範圍第6項或第7項所述的晶體振盪器的製造方法，更包括： 在所述半導體晶圓的一個面形成絕熱性構件的步驟， 在形成所述多個第一凸塊的步驟中，在形成著所述絕熱性構件的面的相反側的面形成所述多個第一凸塊。
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