(57)【要約】【課題】セット基板に搭載された状態での高さを小さくすることができる表面実装用水晶発振器を提供する。【解決手段】一方の主面に凹部１０が形成された容器本体１と、凹部１０内に保持された水晶片２と、水晶片２を用いる発振回路を少なくとも含む電子回路が回路機能面に集積化されているＩＣチップ１１と、を備える水晶発振器において、回路機能面が凹部１０の側を向くようにしてＩＣチップ１１を凹部１０の開口端面に接合し、これによって凹部１０内に水晶片２を密閉封入する。ＩＣチップ１１の回路機能面と容器本体１の凹部１０の開口端面との接合には共晶合金を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面に凹部が形成された容器本体と、
前記凹部内に保持された水晶片と、
前記水晶片を用いる発振回路を少なくとも含む電子回路を集積化したＩＣチップと、
を備え、
前記ＩＣチップの一方の主面を回路機能面として該回路機能面に前記電子回路が形成されており、前記回路機能面が前記凹部の側を向くようにして前記ＩＣチップを前記凹部の開口端面に接合させることによって前記凹部内に前記水晶片が密閉封入されている、水晶発振器。
【請求項２】
前記回路機能面の外周に沿って該回路機能面上に形成された金属層と、前記凹部の開口端面の外周に沿って前記開口端面上に形成された金属膜とが、共晶合金により接合する請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記開口端面上において前記凹部に沿って、少なくとも前記水晶片に対して電気的に接続する複数の回路端子が設けられ、
前記回路機能面上において前記電子回路に電気的に接続する複数のＩＣ端子が設けられ、
前記回路端子と前記ＩＣ端子とを電気的に接続することによって前記水晶片が前記発振回路の電気的に接続する、請求項２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
前記容器本体の他方の主面に実装端子が設けられ、前記実装端子は前記回路端子に電気的に接続する、請求項３に記載の水晶発振器。
【請求項５】
前記ＩＣ端子と前記回路端子とはバンプを用いた超音波熱圧着により接続する、請求項３または４に記載の水晶発振器。
【請求項６】
前記ＩＣ端子と前記回路端子とは共晶合金により接続する、請求項３または４に記載の水晶発振器。
【請求項７】
前記容器本体の他方の主面に凹部が形成され、前記他方の主面の凹部内に電子部品が配置されている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内に水晶片を密閉封入した構成を有するとともにこの水晶片を用いる発振回路が集積化されたＩＣ（集積回路）チップを備える水晶発振器に関し、特に、セット基板に表面実装した際に部品高を抑えることができる水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
容器内に水晶片を密閉封入した水晶振動子と、この水晶振動子を用いる発振回路を備える集積回路とを一体化させた水晶発振器は、各種の電子機器において使用されている。特に、表面実装型の容器内に、水晶片と発振回路が集積化されたＩＣチップとを密閉封入した構成を有する表面実装型の水晶発振器は、小型、軽量であることから、特に携帯型の電子機器、例えば携帯電話機において、周波数や時間の基準源として広く内蔵されている。
【０００３】
図５は従来の表面実装型の水晶発振器の構成を示す断面図であり、図６は、この水晶発振器で用いられる水晶片を示す平面図である。
【０００４】
図５に示される水晶発振器は、表面実装用の容器本体１内に水晶片２とＩＣチップ１１とを収容し、金属カバー３を被せて水晶片２とＩＣチップ１１を容器内に密閉封入したものである。
【０００５】
容器本体１は、例えば、積層セラミックからなり、略長方形の平面外形、すなわち、セット基板に実装したときに上から見て長方形に見える扁平な略直方体形状の外形を有する。容器本体１の上面には、水晶片２とＩＣチップ１１とを収容するための凹部１０が形成されている。凹部１０は略長方形の空間として設けられているが、そのような凹部１０の１つの側壁には段部が形成されており、段部の上面には、凹部の側壁に平行に並ぶように１対の水晶保持端子４が設けられている。水晶保持端子４は、後述するように、水晶片２を凹部１０内に電気的かつ機械的に保持するために用いられれる。容器本体１の外底面、すなわちセット基板上に実装した場合にセット基板に面することになる方の面の４隅部には、容器本体１をセット基板に実装する際に用いられる実装電極５が設けられている。
【０００６】
水晶片２は、図６に示すように、例えば、略長方形のＡＴカットの水晶片からなり、両方の主面にはそれぞれ励振電極６ａが形成されている。一対の励振電極６ａからは、水晶片２の一端部の両側に向けて、引出電極６ｂが延出されている。図示されたものでは、引出電極６ｂは一方の短辺の両側に向けて延出されている。水晶片２の端部の位置において引出電極６ｂは、水晶片２の両方の主面間で折り返すように形成されている。水晶片２は、一対の引出電極６ｂが引き出されている位置でこれらの引出電極６ｂを例えば導電性接着剤７などによって水晶保持端子４にそれぞれ固着させることによって、容器本体１の凹部１０内に固着されて保持され、容器本体１に電気的・機械的に接続することになる。
【０００７】
ＩＣチップ１１は、水晶片２を利用する発振回路が半導体基板に集積化されたものである。発振回路は、半導体基板の一方の主面に通常の半導体装置製造プロセスによって形成されている。そこでＩＣチップ１１の両方の主面のうち、半導体基板において発振回路が形成されている方の面のことを、回路機能面と呼ぶことにする。回路機能面には、ＩＣチップ１１を外部回路に接続するための複数のＩＣ端子も形成されている。ＩＣ端子には、電源端子、接地端子、発振出力端子、水晶片と接続するための一対の接続端子、自動周波数制御（ＡＦＣ）用の信号が入力するＡＦＣ入力端子などが含まれる。ＩＣチップ１１には、さらに、水晶片２の温度周波数特性を補償するための温度補償機構が集積化されていてもよい。ＩＣチップ１１は、例えばバンプを用いた超音波熱圧着によって、凹部１０の底面に固着されている。凹部１０の底面には、ＩＣチップ１１との接続に用いられる複数の不図示の回路端子が設けられており、例えばバンプを用いた超音波熱圧着によってＩＣチップ１１のＩＣ端子をこれらの回路端子に接合させることによって、凹部１０の底面にＩＣチップ１１が固着されることになる。
【０００８】
容器本体１の凹部１０の底面に設けられる回路端子のうちの２つは、凹部１０に形成された不図示の導電路を介して１対の水晶保持端子４に電気的に接続し、これによって、ＩＣチップ１１内の発振回路が水晶片２に対して電気的に接続することになる。残りの回路端子は、容器本体１に形成された不図示の導電路を介してそれぞれ実装電極５に電気的に接続している。これらの実装電極５は、例えば、電源端子、接地端子、発振回路からの発振出力が現れる出力端子、及びＡＦＣ用の信号をＩＣチップ１１に供給するためのＡＦＣ端子である。
【０００９】
容器本体１の上面には、凹部１０を囲むように、金属厚膜あるいは金属リング８が設けられており、金属カバー３は、シーム溶接あるいはビーム溶接などによって、金属リング８に接合されている。したがって、金属カバー３によって、凹部１０内に水晶片２とＩＣチップ１１とが密閉封入されることになる。また、金属リング８は、容器本体１に形成されたビアホール（不図示）を介して、接地端子として用いられる実装電極５に電気的に接続しており、その結果、金属カバー３も、接地されることになる。
【００１０】
このような表面実装型の水晶発振器は、一般に、リフロー半田付けによって、実装電極５をセット基板上の配線パターンに接続することによって、セット基板に対して搭載されることになる。
【００１１】
以上説明した従来の表面実装型水晶発振器では、平板状の金属カバーをシーム溶接によって容器本体に固着させているが、特許文献１は、凹状に形成された金属カバーを用いて、共晶合金によりこの金属カバーを容器本体に接合した構成の表面実装型水晶発振器を開示している。また、特許文献２は、金属カバーの代わりにＩＣチップそれ自体で凹部を閉鎖するようにした表面実装型水晶発振器を開示している。特許文献２に記載のものでは、接着剤によって、ＩＣチップの回路機能面でない方の面を容器本体の開口端面に接着して凹部を閉鎖し、水晶片を凹部内に密閉封入している。そして、容器本体の上面に形成された回路端子とＩＣチップの回路機能面に設けられたＩＣ端子とをワイヤボンディングで接続し、さらに、ボンディングワイヤやＩＣチップの回路機能面を保護するように保護樹脂層を設けている。
【特許文献１】特開２００３−３１８６９０号公報
【特許文献２】特開２００４−７２６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
水晶発振器が搭載される機器の小型化に伴って、水晶発振器自体の小型化の要請も強まっている。上述したような表面実装型水晶発振器では、水晶片やＩＣチップを小型化することで、平面サイズの縮小を図ることができる。しかしながら、水晶発振器が搭載される機器において高密度実装を達成するためには、水晶発振器の低背化、すなわちセット基板に搭載した状態での水晶発振器の高さを小さくすることが求められる。しかしながら、図５に示したような水晶発振器では、金属カバーの厚さが低背化の妨げとなっている。特許文献２に記載されたものは、金属カバーの代わりにＩＣチップ自体を用いているが、ワイヤボンディングのために高さが必要でありさらに保護樹脂層を設ける必要があることなどから、金属カバーをなくした分だけの低背化を達成することができない。
【００１３】
本発明の目的は、セット基板に搭載された状態での高さを小さくすることができる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】
【００１４】
本発明の水晶発振器は、一方の主面に凹部が形成された容器本体と、凹部内に保持された水晶片と、水晶片を用いる発振回路を少なくとも含む電子回路を集積化したＩＣチップと、を備え、ＩＣチップの一方の主面を回路機能面として該回路機能面に電子回路が形成されており、回路機能面が凹部の側を向くようにしてＩＣチップを凹部の開口端面に接合させることによって凹部内に水晶片が密閉封入されている。
【００１５】
本発明においては、ＩＣチップと容器本体とは、例えば、回路機能面の外周に沿ってその回路機能面上に形成された金属層と、凹部の開口端面の外周に沿ってその開口端面上に形成された金属膜とを共晶合金により接合することによって、接合される。また、水晶片とＩＣチップ内の電子回路との間の電気的接続のために、開口端面上において凹部に沿って、少なくとも水晶片に対して電気的に接続する複数の回路端子を設け、その一方で、回路機能面上において電子回路に電気的に接続する複数のＩＣ端子を設け、回路端子とＩＣ端子とが電気的に接続されるようにすることが好ましい。さらに、容器本体の他方の主面に実装端子を設け、実装端子が回路端子に電気的に接続されるようにすることが好ましい。ＩＣ端子と回路端子との接続には、例えば、バンプを用いた超音波熱圧着や、共晶合金を用いることができる。
【００１６】
さらに本発明の水晶発振器では、容器本体の他方の主面に凹部を形成し、この他方の主面の凹部内に電子部品を配置するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、ＩＣチップの回路機能面が凹部側を向くようにしてＩＣチップを容器本体の凹部の開口端面に接合することにより、この凹部内に水晶片が密閉封入される。この構成では、水晶片を密閉封入するために従来必要とされていた金属カバーを必要としないので、水晶発振器の高さを低く抑えることができる。また、ＩＣチップの回路機能面が凹部側を向いていて外部には露出しないので、回路機能面の保護のために保護樹脂層を設ける必要もなく、その分、さらに水晶発振器の高さを低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１の実施形態の水晶発振器の正面断面図と側断面図であり、図２（ａ）はこの水晶発振器で用いられる容器本体の平面図であり、図２（ｂ）はＩＣチップの回路機能面の平面図である。これらの図において、図５及び図６におけるものと同じ構成要素については同じ参照符号が付与されており、これらについての説明は省略または簡略化する。
【００１９】
図１に示す水晶発振器は、図５に示した表面実装型の水晶発振器において、凹部１０を閉鎖するための金属カバーを設ける代わりに、ＩＣチップ１１自体で容器本体１の凹部を閉じるようにしたものである。ただし、特許文献２に記載されたものと相違して、ＩＣチップ１１の回路機能面が容器本体１の開口端面に接合する。
【００２０】
容器本体１の凹部１０の内壁には段部は形成されておらず、水晶片２の保持に用いられる１対の水晶保持端子４は、凹部１０の内底面において、その内底面の１辺の両端の位置にそれぞれ近接して設けられている。水晶片２としては、上述の図６に示したものが用いられる。図１（ａ）が略矩形の水晶片２の長手方向の辺を横から見る断面図であるのに対して、図１（ｂ）は水晶片２の短辺を横から見る断面図であり、図１（ｂ）に示されるように、水晶片２は、引出電極６ｂが延出されている一端部両側の位置で導電性接着剤７によって、１対の水晶保持端子４に固着されている。これにより、凹部１０内に水晶片２が水平に保持されている。
【００２１】
容器本体１の上面すなわち凹部１０を取り囲む開口端面では、図２（ａ）に示すように、その外縁部に沿って開口端面を１周するように金属膜１５が形成されている。また開口端面では、凹部１０の開口に沿うように、複数の回路端子１２が設けられている。回路端子１２は、ＩＣチップ１１の回路機能面に形成されているＩＣ端子１３に対応するものであり、これらの回路端子１２のうちの２つは、容器本体１に形成されたビアホールなどの導電路を介して、１対の水晶保持端子４に電気的に接続している。残りの回路端子１２のうちの４つは、同様に容器本体１に形成された導電路を介して、それぞれ、容器本体１の外底面に設けられている４つの実装電極５に電気的に接続する。４つの実装電極５は、例えば、電源端子、接地端子、出力端子、及びＡＦＣ端子などである。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、ＩＣチップ１１の回路機能面のほぼ中央の領域は、通常の半導体装置製造プロセスによって発振回路などの電子回路が形成されている回路形成領域１９である。回路機能面において、回路形成領域１９を取り囲むように複数のＩＣ端子１３が形成されており、ＩＣ端子１３は、上述と同様に電源端子、接地端子、発振出力端子、一対の接続端子、ＡＦＣ入力端子などであって、ＩＣチップ１１内の発振回路などの電子回路の電気的に接続している。さらに回路機能面の外縁部に沿ってＩＣチップ１１を１周するように、容器本体１側の金属膜１５に対応する形状の金属層１６が設けられている。
【００２３】
この水晶発振器では、ＩＣチップ１１の回路機能面が容器本体１に向かい合うようにして、バンプ１４を用いた超音波熱圧着によって容器本体１の回路端子１２とＩＣチップ１１のＩＣ端子１３とが接合し、さらに共晶合金１７によって容器本体１の金属膜１５とＩＣチップ１１の金属層１６とが接合している。これにより、ＩＣ端子１３及び回路端子１２を介して、ＩＣチップ１１内の発振回路を含む電子回路が水晶片２及び実装電極５に電気的に接続するとともに、ＩＣチップ１１によって、容器本体１の凹部１０が閉鎖され、この凹部１０内に水晶片２が密閉封入されることになる。共晶合金１７としては、例えば、金スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金が使用される。この構成では、ＩＣチップ１１の回路機能面、特に回路形成領域１９が凹部１０に面することとなり、この回路形成領域１９も外気から遮断されることとなるので、回路形成領域１９の表面に保護樹脂層などを設ける必要もなくなる。
【００２４】
容器本体の金属膜１５は、例えば、容器本体１を構成するセラミック上に、下地金属層と共晶合金層とをこの順番で積層した構成を有する。ＩＣチップ１１において回路機能面の表面は一般にシリコン酸化膜となっているが、金属層１６は、例えば、このシリコン酸化膜上に形成された金（Ａｕ）メッキ層と金メッキ層上に設けられた共晶合金層からなるものでもよいし、半導体集積回路における最上位の配線層を形成するための通常のプロセスによって回路機能面に形成された電極層とこの電極層上に設けられた共晶合金層とからなるものでもよい。
【００２５】
ＩＣチップ１１を容器本体１に接合する場合には、最初に、バンプ１４を用いた超音波熱圧着によって回路端子１２とＩＣ端子１３を接合した後に全体をさらに加熱し、金属膜１５の共晶合金と金属層１６の共晶合金とを溶融させて両者を融合させ、そののち冷却して共晶合金を凝固させればよい。
【００２６】
この構成によれば、図５に示した従来のものと比べ、金属カバーの代わりにＩＣチップを用いるようにしたことから、このＩＣチップの厚さの分だけ容器本体の凹部の深さを小さくすることができ、金属カバーとＩＣチップの厚さの差を考慮すると、金属カバーの厚さの分だけ水晶発振器の高さを低くすることができる。また、共晶合金を用いて容器本体の凹部を封止しているので、凹部の気密を高く保つことできる。また、容器本体１にＩＣチップ１１を接合する前に、容器本体１に水晶片２が保持された状態でこの水晶片２の振動特性の検査を行うことができるため、振動特性の検査で不良とされたものに対してＩＣチップ１１を接合させる必要がなくなり、高価なＩＣチップを無駄にすることがない、という利点も生じる。図５に示した従来のものでは、ＩＣチップが既に搭載された容器本体に対して水晶片を固着させるので、振動特性の測定の結果、不良と判定された場合に、ＩＣチップを無駄にすることになる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態の水晶発振器について説明する。図３に示した第２の実施形態の水晶発振器は、第１の実施形態の水晶発振器において、容器本体１の回路端子１２とＩＣチップ１１のＩＣ端子１３との接合に、バンプを用いた超音波熱圧着ではなく、共晶合金１７を用いたものである。第２の実施形態の構成では、超音波熱圧着の工程が不要となるので、全体として水晶発振器の製造工程を簡略化することができる。
【００２８】
次に、本発明の第３の実施形態の水晶発振器について説明する。水晶発振器の発振周波数などによっては、発振回路を構成する一部の電子部品をＩＣチップ内に内蔵できないことがある。例えば、比較的容量の大きなコンデンサは、ＩＣチップに内蔵することはできず、水晶発振器において、水晶片やＩＣチップとは別個の独立した部品として設ける必要がある。図４に示す本発明の第３の実施形態の水晶発振器は、第１の実施形態の水晶発振器と同様のものであるが、積層セラミックからなる容器本体１において、水晶片２が密閉封入される凹部１０が形成される方の主面とは反対側の主面にも凹部２０を設け、この凹部２０内にコンデンサ１８を収容している点で、第１の実施形態のものと異なっている。コンデンサ１８は、容器本体１に形成された導電路（不図示）を介して凹部１０の開口端面に形成されている回路端子に接続しており、これによって、コンデンサ１８はＩＣチップ１１内の発振回路に電気的に接続することになる。実装電極５は、凹部２０を取り囲む開口端面の４隅部に設けられている。凹部２０には、コンデンサ以外の電子部品を配置してもよい。
【００２９】
第３の実施形態の水晶発振器は、コンデンサ１８を設けた分だけ第１の実施形態の水晶発振器よりも背が高くなっているが、ＩＣチップとは別個に設けられたコンデンサを有する従来の水晶発振器よりは、背が低いものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１の実施形態の水晶発振器を示す正面断面図及び側断面図である。
【図２】（ａ）は容器本体の平面図、（ｂ）はＩＣチップの回路機能面を示す平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の水晶発振器を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の水晶発振器を示す断面図である。
【図５】従来の表面実装型水晶発振器を示す断面図である。
【図６】水晶片の一般的な構成の一例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…容器本体、２…水晶片、３…金属カバー、４…水晶保持端子、５…実装電極、６ａ…励振電極、６ｂ…引出電極、７…導電性接着剤、８…金属リング、１０，２０…凹部、１１…ＩＣチップ、１２…回路端子、１３…ＩＣ端子、１４…バンプ、１５…金属膜、１６…金属層、１７…共晶合金、１８…コンデンサ、１９…回路形成領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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