特許 7594478 水晶発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-26

(45)【発行日】2024-12-04

(54)【発明の名称】水晶発振器

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20241127BHJP

   H01L 25/00 20060101ALI20241127BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20241127BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 H

H01L25/00 B

H01L23/12 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021053165

(22)【出願日】2021-03-26

(65)【公開番号】P2022150527

(43)【公開日】2022-10-07

【審査請求日】2023-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】今野 勇司

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１６３５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２２０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０４６２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０３４３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２０８１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８９５１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｂ ５／３０－ ５／４２

Ｈ０１Ｌ ２５／００

Ｈ０１Ｌ ２３／１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水晶振動片を実装する水晶室と、前記水晶室の底面に設けられ前記水晶振動片が固定される２つの水晶用パッドと、発振回路を含むＩＣチップが実装されるＩＣ室と、前記ＩＣ室の底面の前記ＩＣチップが実装される領域以外の領域に設けられ、配線によって前記水晶用パッドに接続されている２つのモニタパッドと、を備え、かつ、前記水晶室及び前記ＩＣ室は互いの底部が背中合わせに積層された構造のセラミック製パッケージ、並びに、前記水晶室に実装された当該水晶振動片、前記ＩＣ室に実装された当該ＩＣチップ、アンダーフィル材を備え、然も、
前記２つのモニタパッドは、前記ＩＣチップを挟んだ２領域に分けて設けてあり、
前記ＩＣ室の底面には、前記ＩＣチップを実装するため、前記２つのモニタパッドを結ぶ線分に平行に２列に並んでいる複数個のバンプを設けてあり、
前記ＩＣチップの前記２つのモニタパッドを結ぶ線分に平行な寸法をＳと表したとき、前記ＩＣ室の底面の前記複数個のバンプを設けた領域以外の領域の、前記２つのモニタパッドの一方のモニタパッドからＳ／３～Ｓ／２で決まる所定位置までの領域は、非配線領域としてあり、
前記ＩＣ室の底面の前記ＩＣチップの下方に当たる領域では、前記２列に並んでいる複数個のバンプのいずれか１つの列の中央付近のバンプと、前記２つのモニタパッドのうちの他方のモニタパッドとの間にのみ、配線を設けてあり、
前記一方のモニタパッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記ＩＣチップ側の領域以外の領域に引き出してある構造を備える、水晶発振器を製造するに当たり、
前記他方のモニタパッドを設けた領域のみから、前記アンダーフィル材を注入することを特徴とする水晶発振器の製造方法。

【請求項2】

前記セラミック製パッケージは、前記一方のモニタパッドに近接する部分に、キャスタレーションを備えており、
前記一方のモニタパッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記キャスタレーションを介して行ってあることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器の製造方法。

【請求項3】

前記セラミック製パッケージは、底部の前記一方のモニタパッドに接する部分に、ビアホールを備えており、
前記一方のモニタパッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記ビアホールを介して行ってあることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＩＣ（集積回路）チップをアンダーフィル材で保護した構造を有する水晶発振器であって、アンダーフィル材でのボイド発生を低減できる水晶発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

水晶発振器の一種として、水晶室とＩＣ室とが積層され、断面がいわゆるＨ型となっている水晶発振器がある（例えば特許文献１）。
この水晶発振器では、水晶振動片を収容するキャビティから成る水晶室と、発振回路を含む集積回路（ＩＣ）チップを収容するキャビティから成るＩＣ室とを、背中合わせに積層した構造の、セラミック製パッケージが、用いられている（特許文献１の図３）。

【0003】

この水晶発振器では、ＩＣ室の底面にＩＣチップを接続するバンプが設けてある。このバンプに、ＩＣチップの配線パッドを接続することによって、ＩＣチップはＩＣ室に実装されている。ＩＣチップの回路面の保護およびＩＣチップのＩＣ室への実装強度を高めるため、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間、及び、ＩＣチップ全面に、樹脂が充填されている（特許文献１の段落３等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００２－３７３９０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記構造の水晶発振器では、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間に樹脂いわゆるアンダーフィル材を充填する際に気泡を巻き込むと、後に加わる熱の影響で、気泡が破裂する場合がある。いわゆるボイドの破裂問題である。従って、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間にアンダーフィル材を充填する際は、気泡を生じさないことが重要である。
その手段の１つは、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間隙を広げることである。特許文献１では、ＩＣ室の底面に設けるバンプを２段のバンプとすることで、上記間隙を広げている。しかし、水晶発振回路の低背化の要求が益々高まることを考えると、バンプの高さを高くするにも限界がある。また、２段のバンプを形成すること自体、技術的にもコスト的にも、問題がある。

【0006】

一方、Ｈ型構造の水晶発振器の場合、ＩＣチップの所定端子と水晶振動片とを接続する配線や、ＩＣチップへの電源供給配線やＩＣチップから外部への発振出力用の配線などの配線が必要である。従って、ＩＣ室の底面の、ＩＣチップの下方の領域に、配線の一部を引き回す必要がある。すると、配線を引き回した領域では、配線の厚さ分だけ、アンダーフィル材を充填する間隔がさらに狭くなる。具体的には、ＩＣ室の底面とＩＣチップの下面との間隔は、近年では、１５～３０μｍ程度であり、配線の厚みは１０μｍ程度である。従って、ＩＣ室の底面とＩＣチップの下面との間隔は、配線がある領域では、５～２０μｍになってしまい、アンダーフィル材の充填の際のさらなる弊害になる。

【0007】

また、Ｈ型構造の水晶発振器では、ＩＣ室の底面のＩＣチップ以外の領域に、水晶振動子の発振周波数をモニタするためのモニタパッドを備えたものがある。水晶発振器の製造途中において、水晶振動子の周波数調整を行う際の、周波数をモニタするためである。従って、モニタパッドの配線も、アンダーフィル材を充填する際の弊害の一因になる。
従って、ＩＣ室の底面に設ける各種配線は、アンダーフィル材の充填に影響がないように引き回すことが重要である。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、本発明の目的は、いわゆるＨ型構造を有したセラミック製パッケージを用いた水晶発振器であって、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間にアンダーフィル材を充填する際のボイド発生を低減できる構造を有した水晶発振器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的の達成を図るため、この発明の水晶発振器によれば、水晶振動片を実装する水晶室と、前記水晶室の底面に設けられ前記水晶振動片が固定される２つの水晶用パッドと、発振回路を含むＩＣチップが実装されるＩＣ室と、前記ＩＣ室の底面の前記ＩＣチップが実装される領域以外の領域に設けられ、配線によって前記水晶用パッドに接続されている２つのモニタパッドと、を備え、かつ、前記水晶室及び前記ＩＣ室が背中合わせに積層された構造のセラミック製パッケージ、並びに、前記水晶室に実装された当該水晶振動片、前記ＩＣ室に実装された当該ＩＣチップ、及びアンダーフィル材を備える水晶発振器において、
前記２つのモニタパッドは、前記ＩＣチップを挟んだ２領域に分けて設けてあり、
前記ＩＣ室の底面の、前記２つのモニタパッドの少なくとも一方のモニタパッドから前記ＩＣチップの下方の所定位置までの領域は、配線が無い非配線領域としてあり、かつ、
前記少なくとも一方のモニタッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記半導体チップ側の領域以外の領域に引き出してあることを特徴とする。

【0009】

この発明を実施するに当たり、前記半導体チップの前記２つのモニタパッドを結ぶ線分に平行な寸法をＳと表し、前記所定位置までの前記半導体チップ下での寸法をＴと表したとき、Ｔ＝Ｓ／３～Ｓ／２としてあることが好ましい（図２（Ｂ）参照）。

【0010】

この発明を実施するに当たり、前記セラミック製パッケージは、前記少なくとも一方のモニタパッドに近接する部分に、キャスタレーションを備えており、
前記少なくとも一方のモニタパッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記キャスタレーションを介して行ってあることが好ましい。

【0011】

この発明を実施するに当たり、前記セラミック製パッケージは、底部の前記少なくとも一方のモニタパッドに接する部分に、ビアホールを備えており、
前記少なくとも一方のモニタパッドから前記水晶用パッドへの配線は、前記ビアホールを介して行ってあることが好ましい。

【0012】

この発明を実施するに当たり、前記２つのモニタパッドの一方のモニタパッドから前記ＩＣチップの下方の所定位置までの領域を前記非配線領域とする場合は、前記２つのモニタパッドの他方のパッドを設けた領域を、アンダーフィル材の注入点とすることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

この発明の水晶発振器によれば、２つのモニタパッドのうちの少なくとも一方のモニタパッドから水晶用パッドに接続する配線は、半導体チップの方向ではない他の方向にのみ引き出してあり、ＩＣチップに向かう領域では所定位置まで非配線領域となっている。従って、ＩＣ室の底面のＩＣチップの下方領域に引き回す配線の面積を、減らすことができる。従って、ＩＣチップの底面とＩＣ室の底面との間に存在する空気は、ＩＣチップの底面とＩＣ室の底面との間にアンダーフィル材を注入した際、非配線領域の作用によって配線の抵抗を受けることなく外部に押し出される。従って、ＩＣ室の底面とＩＣチップとの間にアンダーフィル材を充填する際のボイド発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、実施形態の水晶発振器１０を説明するための図である。

【図2】（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の水晶発振器１０のモニタパッドと水晶振動片との間の配線引き回しを、キャスタレーションによって行った例を説明するための図である。

【図3】（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の水晶発振器１０におけるアンダーフィル材の注入例を説明するための図である。

【図4】（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の水晶発振器１０のモニタパッドと水晶振動片との間の配線引き回しを、ビアホールによって行った例を説明するための図である。

【図5】（Ａ）、（Ｂ）は、比較例の水晶発振器１００の、特に本発明と相違する点を示した図であり、特に図３（Ａ）、（Ｂ）と対比する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0016】

１． 第１の実施形態
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、第１の実施形態の水晶発振器１０の全体を説明するための図である。特に図１（Ａ）は水晶発振器１０の上面図、図１（Ｂ）は水晶発振器１０の底面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）図のＰ－Ｐ線に沿った水晶発振器１０の断面図である。ただし、図１（Ａ）では、図１（Ｃ）に示した蓋部材５０を外した状態を示してある。

【0017】

実施形態の水晶発振器１０は、セラミック製パッケージ２０と、水晶振動片３０と、ＩＣチップ４０と、蓋部材５０と、アンダーフィル材６０と、を備えている。以下、各構成成分について具体的に説明する。
セラミック製パッケージ２０は、水晶室２１と、ＩＣ室２３とを備え、かつ、水晶室２１及びＩＣ室２３を、底部同士で合わせた積層構造、いわゆるＨ型構造のセラミック製パッケージである。なお、水晶室２１及びＩＣ室２３の底部は、この例の場合、所定の配線やビアホールを設けた２枚のセラミックグリーンシートを積層し焼結した構成としてある。詳細は図２を参照して後述する。

【0018】

水晶室２１は、水晶振動片３０を実装するものである。水晶室２１は、この例の場合、平面視で長方形状の開口を持つ所定深さの凹部２１ａを有している。水晶室２１の凹部２１ａの底面には、水晶振動片３０を接続固定するための水晶用第１パッド２１ｘ及び水晶用第２パッド２１ｙを、設けてある。この場合、水晶振動片３０を片持ち支持する例であるため、水晶用第１パッド２１ｘ及び水晶用第２パッド２１ｙは、水晶室２１の１つの辺の近傍であって１つの辺に沿った互いに離れた２か所に設けてある。
水晶室２１は、蓋部材５０によって封止される。この例では、シーム溶接によって封止される例を示している。従って、水晶室２１の凹部２１ａを囲う土手部上に、シーム封止用のシールリング２１ｂが、ロー材２１ｃによって固定してある。

【0019】

ＩＣ室２３は、発振回路を含むＩＣチップ４０を実装するものである。ＩＣ室２３は、この例の場合、平面視で長方形状の開口を持つ所定深さの凹部２３ｚを備えている。ＩＣ室２３の底面には、ＩＣチップ４０を実装するための複数個のバンプ、図示例では第１バンプ～第６バンプの６個のバンプ２３ａ～２３ｆと、詳細は後述するが、ＩＣチップ４０の実装領域以外の領域に水晶振動片３０の周波数をモニタするための第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙを、設けてある。詳細は後述するが、第１モニタパッド２３ｘは、配線によって、水晶用第１パッド２１ｘに接続してあり、第２モニタパッド２３ｙ、配線によって、水晶用第２パッド２１ｙに接続してある。
また、ＩＣ室２３の凹部２３ｚを囲う土手部の天面に、この例の場合は、４つの外部接続端子２５ｇ～２５ｊを設けてある。また、セラミック製パッケージ２０の４つの辺の外側の壁に、この例の場合第１～第４のキャスタレーション２０ａ～２０ｄを設けてある

【0020】

また、水晶振動片３０は、この例の場合は、ＡＴカット水晶片３０ａと、水晶片３０ａの表裏に設けた励振用電極３０ｂと、励振用電極から水晶片の一辺に引き出された引出電極３０ｃと、で構成してある。水晶振動片３０は、引出電極３０ｃの位置で、導電性接着剤７０によって、水晶用第１パッド２１ｘ及び水晶用第２パッド２１ｙに接続固定してある。なお、水晶振動片３０は、他の振動モードのものであっても良い。
ＩＣチップ４０は、水晶振動片３０用の発振回路等を内蔵したものである。ＩＣチップ４０は、水晶発振器１０の仕様に応じ温度補償回路等の他の回路を含むことが出来る。ＩＣチップは、外部接続用の複数個の配線パッド、この例では６つの配線パッド４１ａ～４１ｆを備えている。６つの配線パッド４１ａ～４１ｆを、ＩＣ室の第１～第６バンプ２３ａ～２３ｆに、フリップチップボンディング等の手法で接続することによって、ＩＣチップ４０はＩＣ室２３に実装してある。

【0021】

次に、本願発明の特徴である第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙの配置と、他の構成成分に対する配線引き回しについて、図１に加え、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。なお、図２（Ａ）は、水晶室２１の底面を水晶室２１の上方から見た平面図であり、図２（Ｂ）はＩＣ室２３を水晶室２１側から透視して見た平面図である。なお、図２（Ａ），（Ｂ）では、説明に必要な構成成分のみを示してある。また、図２（Ｂ）では、ＩＣチップ４０内の発振回路をブロック図として付記してある。
第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙは、ＩＣチップ４０を挟んだ２領域に分けて、直線上に設けてある。具体的には、図１（Ｂ）に示したように、ＩＣ室２３の底面であって、ＩＣチップ４０の右側の空き領域に第１モニタパッド２３ｘを設けてあり、左側の空き領域に第２モニタパッド２３ｙを設けてある。そして、ＩＣ室２３の底面の、２つのモニタパッドの少なくとも一方、この例で第１モニタパッド２３ｘからＩＣチップ４０の下方の所定位置までの領域を、配線が無い非配線領域Ｚとしてある。ただし、非配線領域Ｚとは、半導体チップ４０用のバンプが在る部分を除く趣旨である。

【0022】

非配線領域Ｚは、なるべく広い方が、アンダーフィル材の充填時に配線が当該充填を阻害しないので、好ましい。しかし、非配線領域Ｚが広過ぎると、半導体チップ搭載用のバンプ２３ａ～２３ｆ等の形成面積を狭くしてしまうし、また、必要な配線を形成し難くするので、好ましくない。従って、非配線領域Ｚを半導体チップ４０の下方のどの位置（所定位置）まで設けるかは、上記の点を考慮して決める。例えば、半導体チップの第１モニタパッド２３ｘと第２モニタパッド２３ｙを結ぶ線分に平行な寸法をＳと表し、前記所定位置までの前記半導体チップ下での寸法をＴと表したとき（図２（Ｂ）参照）、Ｔ＝Ｓ／３～Ｓ／２としてあることが好ましい。より好ましくはＴ＝Ｓ／２とすることが良い。

【0023】

また、第１モニタパッド２３ｘから水晶用第１パッド２１ｘへの配線は、半導体チップ４０側の領域以外の領域に引き出してある。具体的には、この例では、セラミック製パッケージ２０は、第１モニタパッド２３ｘに近接する部分に、キャスタレーション２０ｂを備えており、第１モニタパッド２３ｘから水晶用第１パッド２１ｘへの配線は、キャスタレーション２０ｂの方向に引き出してある。しかも、第１モニタパッド２３ｘは、キャスタレーション２０ｂを経由し、さらに水晶室２１の底面の配線２１ｘａを経由して、水晶用第１パッド２１ｘに接続してある。ここで、水晶用第１パッド２１ｘは、ＩＣチップ４０の発振回路に接続する必要がある。これに関しては、水晶室２１及びＩＣ室２３の底部に設けたビア配線２１ｄを経由し、さらに、ＩＣチップ４０のバンプ２３ｅを経由して行ってある。
また、第２モニタパッド２３ｙは、キャスタレーション２０ｄを介して水晶用第２パッド２１ｙに接続してあると共に、第２モニタパッド２３ｙの半導体チップ４０の側に引き出した配線によって、半導体チップ４０のバンプ２３ｂに接続してある。

【0024】

この第１の実施形態の水晶発振器１０では、水晶振動片を水晶室に実装し、かつ、半導体チップ４０をＩＣ室に実装した後に、図３（Ａ）、（Ｂ）に示したように、第２モニタパッド２３ｙの上方にアンダーフィル材６０の充填装置のノズル８０を位置させて、アンダーフィル材６０をＩＣ室２３の底面に供給することが好ましい。このようにすると、半導体チップ４０の底面とＩＣ室の底面との間にアンダーフィル材６０が進行する際、半導体チップ４０の底面とＩＣ室の底面との間の空気は、非配線領域Ｚの作用によって配線の抵抗を受けることなく外部に押し出される。従って、アンダーフィル材充填時の気泡巻き込みを生じ難くできる。

【0025】

２． 第２の実施形態
次に、図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第２の実施形態の水晶発振器９０について説明する。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）は、第２の実施形態の水晶発振器９０の要部を説明する図であって、図２（Ａ），（Ｂ）に対応する図である。
第２の実施形態の水晶発振器９０の第１の実施形態の水晶発振器１０との相違点は、第１モニタパッド２３ｘと水晶用第１パッド２１ｘとの配線引き回し構造である。
第２の実施形態の水晶発振器９０では、セラミック製パッケージの水晶室２１及びＩＣ室２３の底部であって、第１モニタパッド２３ｘに接する位置にビアホール２１ｅを備えている。そして、第１モニタパッド２３ｘから水晶用第１パッド２１ｘへの配線は、このビアホール２１ｅを介して行ってある。具体的には、第１モニタパッド２３ｘから水晶用第１パッド２１ｘへの配線は、ビアホール２１ｅを経由し、さらに、水晶室２１内の配線２１ｘａを経由して、水晶用第１パッド２１ｘに至るように行ってある。
この第２実施形態の場合も、アンダーフィル材の充填は、第１モニタパッド２３ｘの位置から行うことで、非配線領域Ｚの効果を得ることができる。

【0026】

３． 比較例
次に、この発明の理解を深めるために、比較例を説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）はそのための説明図であり、比較例の水晶発振器１００の、特に本発明と相違する点を示した図である。図５（Ａ）は、図３（Ａ）と、図５（Ｂ）は図３（Ｂ）と対比するための図である。
比較例の水晶発振器１００では、ＩＣ室２３の底面の、第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙ各々から半導体チップ４０の下方に当たる領域まで、配線１０１を設けた構造となっている。従って、ＩＣチップ４０とＩＣ室２の底面との間にアンダーフィル材を注入する場合、第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙのどちらから注入しても、配線１０１の影響を受けてしまうため、アンダーフィル材を充填する際に気泡を噛みやすいという問題が生じやすい。本発明では、非配線領域Ｚを設けたため、気泡噛みを低減できる。

【0027】

上述においては、第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙの一方のモニタパッドである第１モニタパッド２３ｘの側に非配線領域Ｚを設ける例を説明したが、第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙの双方のＩＣチップ４０側を非配領域Ｚとする場合があっても良い。ただし、第１モニタパッド２３ｘ及び第２モニタパッド２３ｙの一方の側にのみ非配線領域Ｚを設けた方が、配線設計の自由度を高められる。

【符号の説明】

【0028】

１０：第１の実施形態の水晶発振器 ２０：セラミック製パッケージ
２０ａ～２０ｄ：キャスタレーション ２１：水晶室
２１ａ：凹部 ２１ｂ：シールリング
２１ｃ：ロー材 ２１ｄ、２１ｅ：ビアホール
２１ｘ：水晶用第１パッド ２１ｙ：水晶用第２パッド
２３：ＩＣ室 ２３ａ～２３ｆ：ＩＣチップ用バンプ
２３ｇ～２３ｊ：外部接続端子
２３ｘ：第１モニタパッド ２３ｙ：第２モニタパッド
２３ｚ：凹部
３０：水晶振動片 ３０ａ：水晶片
３０ｂ：励振用電極 ３０ｃ：引き出し電極
４０：半導体チップ（ＩＣチップ） ５０：蓋部材
６０：アンダーフィル材 ７０：導電性接着剤
８０：アンダーフィル材充填装置のノズル
９０：第２の実施形態の水晶発振器
Ｓ：半導体チップの寸法 Ｔ：非配線領域の所定位置までの寸法
Ｚ：非配線領域 １００：比較例の水晶発振器
１０１：配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】