水晶発振器とその製造方法
【課題】Ｘ線検査などによるＸ線照射を受けても特性変化が小さく、一定の発振周波数を維持できる水晶発振器を提供する。
【解決手段】容器本体１と、容器本体１の一方の主面に形成された第１の凹部１ａ内に収容され金属カバー７によって第１の凹部１ａ内に密閉封入された水晶片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を集積し容器本体１の他方の主面に形成された第２の凹部１ｂ内に収容されたＩＣチップ３と、によって水晶発振器を構成する。ＩＣチップ３の回路形成面が第２の凹部１ｂの底面に対向するようにして、フリップチップボンディングによりＩＣチップ３を第２の凹部１ｂの底面に固着する。ＩＣチップ３の回路形成面でない方の主面に、放射線保護膜１２を形成する。
【解決手段】容器本体１と、容器本体１の一方の主面に形成された第１の凹部１ａ内に収容され金属カバー７によって第１の凹部１ａ内に密閉封入された水晶片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を集積し容器本体１の他方の主面に形成された第２の凹部１ｂ内に収容されたＩＣチップ３と、によって水晶発振器を構成する。ＩＣチップ３の回路形成面が第２の凹部１ｂの底面に対向するようにして、フリップチップボンディングによりＩＣチップ３を第２の凹部１ｂの底面に固着する。ＩＣチップ３の回路形成面でない方の主面に、放射線保護膜１２を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両主面に凹部を有する容器本体に対して水晶片とこの水晶片を用いる発振回路を集積したＩＣ（集積回路）チップとを一体化させた水晶発振器に関し、特に、Ｘ線などの放射線に対する耐性が向上した水晶発振器とその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶片とこの水晶片を用いる発振回路を集積したＩＣチップとを容器内に収容して一体化した水晶発振器は、表面実装型の部品として構成することが容易であり、例えば携帯電話に代表されるような携帯型の電子機器において、周波数や時間の基準源として広く内蔵されている。
【０００３】
水晶発振器において水晶片とＩＣチップとを収容する形態としては種々のものがあるが、そのうちの一つとして、両方の主面にそれぞれ凹部を有して断面がＨ字状となるように形成された容器本体を使用し、それらの凹部にＩＣチップと水晶片とをそれぞれ別個に収容するものがある。図２（ａ）は関連技術におけるそのような水晶発振器の構成の一例を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示した水晶発振器の底面図である。
【０００４】
図２（ａ），（ｂ）に示す水晶発振器は、回路基板あるいは配線基板上への表面実装に適した表面実装型として構成されており、両方の主面にそれぞれ凹部１ａ，１ｂが形成された容器本体１を備え、容器本体１の一方の凹部１ａに水晶片２を、他方の凹部１ｂにＩＣチップ３を収容したものである。容器本体１において凹部１ｂを取り囲む端面の４隅部には、この水晶発振器を回路基板上などに表面実装する際に用いられる実装電極１１が設けられている。実装電極１１には、例えば、電源端子、接地端子、発振出力端子などが含まれる。
【０００５】
水晶片２は、例えば、略矩形の形状を有するＡＴカットの水晶片であり、その両方の主面に励振電極（不図示）をそれぞれ有し、水晶片２の一端部両側に向けて励振電極から引出電極が延出している。引出電極の延出した水晶片２の一端部両側は、容器本体１の一方の凹部１ａの底面に設けられた水晶保持端子４に対して導電性接着剤５によって固着される。凹部１ａの開口端面には金属リング６が設けられており、シーム溶接により金属カバー７を金属リング６に接合することによって、凹部１ａ内に水晶片２が密閉封入されている。
【０００６】
ＩＣチップ３は、水晶片２を用いる発振回路を含む電子回路を半導体基板に集積化したものであり、容器本体１の他方の凹部１ｂに収容される。半導体基板として、シリコン基板が広く用いられている。これらの電子回路は、ＩＣチップ３を構成する半導体基板の一方の主面に形成されているので、この主面のことを回路形成面と呼ぶ。ＩＣチップ３の回路形成面には、外部からＩＣチップ３内の電子回路に電気的に接続するためのＩＣ端子８が設けられている。ＩＣ端子８には、例えば、水晶片２との電気的接続に用いられる１対の水晶接続端子、電源端子、接地端子、出力端子などが含まれる。
【０００７】
ＩＣ端子８に対応して、凹部１ｂの底面には接続電極９が設けられている。ＩＣチップ３は、バンプ１０を用いたフリップチップボンディングによって凹部１ｂの底面に固着される。このとき、バンプ１０によって、対応するＩＣ端子８と接続電極９とが電気的かつ機械的に接続する。ＩＣ端子８のうちの水晶接続端子に対応する接続電極９は、凹部１ａの底面の水晶保持端子４に対し、容器本体１に形成されたビアホール（不図示）を含む導電路によって電気的に接続する。これによって、水晶片２は、ＩＣチップ３内の発振回路に電気的に接続することになる。また、ＩＣ端子８のうちの電源端子、接地端子及び発振出力端子などに対応する接続電極９は、容器本体１に設けられた導電路を介して、それぞれ、対応する実装電極１１に電気的に接続する。
【０００８】
水晶発振器において、ＩＣチップ３に集積される電子回路は発振回路に限られるものではない。例えば、水晶片２の温度−周波数特性を補償して周囲温度によらずに一定の発振周波数が得られるようにする温度補償回路などの電子回路もＩＣチップ３に集積することができる。温度補償回路を内蔵することにより、温度変化に対して高精度に発振周波数を維持できるようにした水晶発振器のことを温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）と呼ぶ。
【０００９】
ところで、近年、空港での航空保安検査に代表されるように、比較的低強度のＸ線を用いるＸ線検査が多用されるようになってきている。一般に半導体集積回路では、非特許文献１の５．９章「放射線照射」に記載されるように、Ｘ線やγ線などの放射線が入射した場合にデバイス特性が変化することがあることが知られている。また、照射が繰り返されると変化が積算され、この変化の積算はトータルドーズ効果と呼ばれる。水晶発振器においてもＸ線が照射されることによってわずかに発振周波数が変化する。水晶発振器が温度補償水晶発振器である場合、そもそもの周波数精度が高いため、低強度のＸ線検査によるＸ線の照射であっても、照射による周波数変化が問題になることがある。
【００１０】
従来、電子機器における放射線防護の方法としては、例えば、特別の半導体装置製造プロセスによって半導体集積回路を製造したり、あるいは、電子機器全体を放射線遮蔽の中に格納する方法がある。しかしながらいずれの方法も、高エネルギーあるいは高線量の放射線を対象としたものであって、構成が大掛かりであったり、製造コストの大幅な上昇をもたらしたりするので、航空保安検査などの低強度のＸ線照射への対策としては必ずしも最適なものであるとは言えない。
【００１１】
無線周波数程度の電磁波ノイズに対し、個々の部品レベルで対応するものとしては例えば特許文献１，２に記載されたものがあるが、Ｘ線等の放射線と周波数が高々数百ＧＨｚ程度の電磁波ノイズとは、物理的性質、特に電子回路に影響を及ぼす原理が全く異なっており、特許文献１，２に記載されている技術を放射線照射への対応策にそのまま利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３１９９８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０１７号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】「ＭＯＳ集積回路の設計・製造と信頼性技術」、大山英典、中林正和、葉山清輝、江口啓著、森北出版、２００８年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、航空保安検査の徹底など、近年、比較的低エネルギーかつ低線量のＸ線を用いるＸ線検査が広く行われるようになってきており、それに伴って、特に温度補償水晶発振器などの高精度に発振周波数を出力する水晶発振器において、Ｘ線照射に伴う周波数変化が懸念されるようになっている。
【００１５】
本発明の目的は、大がかりなものとせず、かつ、コストの大幅な向上と伴うことなく、Ｘ線照射等の放射線照射があった場合の特性変化が小さく、一定の発振周波数を維持できる水晶発振器を提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、大がかりなものとせず、かつ、コストの大幅な向上と伴うことなく、Ｘ線照射等の放射線照射があった場合の特性変化が小さく、一定の発振周波数を維持できる水晶発振器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の水晶発振器は、第１及び第２の主面を備える容器本体と、第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、第１の凹部内に水晶片を密閉封入するために第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器において、ＩＣチップの一方の主面である回路形成面に電子回路が形成され、ＩＣチップは、回路形成面が第２の凹部の底面に対向するようにしてフリップチップボンディングにより第２の凹部の底面に固着され、ＩＣチップの他方の主面には放射線保護膜が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の水晶発振器の製造方法は、第１及び第２の主面を備える容器本体と、第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、第１の凹部内に水晶片を密閉封入するために第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器の製造方法において、複数個のＩＣチップに対応する大きさの半導体ウェハを用い、半導体ウェハの一方の主面である回路形成面に複数個のＩＣチップに相当する数の電子回路を一括して形成し、半導体ウェハの他方の主面に複数個のＩＣチップに相当する放射線保護膜を一括して形成することと、電子回路及び放射線保護膜が形成された半導体ウェハから個々のＩＣチップを切り出すことと、予め第１の凹部に水晶片が密閉されている容器本体の第２の凹部の凹部に対し、回路形成面が第２の凹部の底面に対向するようにして、切り出されたＩＣチップをフリップチップボンディングにより固着することと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水晶発振器では、ＩＣチップに対してその回路形成面側から入射することとなる放射線は金属カバーによって吸収され、また、ＩＣチップの回路形成面ではない方の主面からＩＣチップに入射することとなる放射線は放射線保護膜によって吸収される。したがって本発明の水晶発振器は、放射線照射があった場合でもＩＣチップ内の電子回路には放射線の影響が及ぼされず、水晶発振器の特性変化を小さくできて一定の発振周波数を維持することができるという効果を有する。
【００２０】
本発明の水晶発振器の製造方法は、複数個のＩＣチップに対応する放射線保護膜を一括して形成できるので、放射線保護膜を設けることに伴う生産性の低下を防ぐことができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の一形態の水晶発振器を説明する図であって、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は底面図である。
【図２】従来の表面実装発振器を説明する図であって、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施の一形態の水晶発振器を示す断面図及び底面図である。なお図１（ａ），（ｂ）において、図２（ａ），（ｂ）におけるものと同一部分には同じ参照番号を付与して、それらのものについての説明は簡略化又は省略する。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示す水晶発振器は、図２（ａ），（ｂ）に示したものと同様に、表面実装型のものであって、両方の主面にそれぞれ凹部１ａ，１ｂが形成された容器本体１を用い、一方の凹部１ａに水晶片２を、他方の凹部１ｂにＩＣチップ３を収容したものである。この水晶発振器は、全体として、略直方体形状を有する。容器本体は、例えば、積層セラミックから構成されている。凹部１ｂを取り囲む端面の４隅部には、この水晶発振器を回路基板上などに表面実装する際に用いられる実装電極１１が設けられている。水晶片２は、図２（ａ），（ｂ）に示すものと同様に、励振電極及び引出電極を備える略矩形のＡＴカットの水晶片であって、水晶保持端子４に固着され、金属カバー７によって、凹部１ａ内に密閉封入されている。金属カバー７は、例えば、厚さ０．１ｍｍのコバール（Kovar；鉄にニッケルとコバルトを配合した合金）などからなっている。
【００２４】
この実施形態において水晶発振器は温度補償水晶発振器として構成されており、したがって、ＩＣチップ３では、電子回路として、水晶片２を用いる発振回路と水晶片２の温度−周波数特性を補償する温度補償回路とが、シリコンからなる略矩形の半導体基板に形成されている。これらの電子回路は、半導体基板の一方の主面である回路形成面に形成されており、回路形成面には、さらに、これらの電子回路と電気的に接続するＩＣ端子８（例えば、水晶接続端子、電源端子、接地端子、発振出力端子など）が設けられている。凹部１ｂの底面には、ＩＣ端子８に対応して接続電極９が設けられており、ＩＣチップ３は、ＩＣ端子８と接続電極９との間に介在するバンプ１０を用いたフリップチップボンディングにより、凹部１ｂの底面に固着されている。これにより、図２（ａ），（ｂ）に示したものと同様に、ＩＣチップ３内の電子回路は、水晶片２及び実装電極１１に電気的に接続する。
【００２５】
さらにこの実施形態の水晶発振器では、ＩＣチップ３に両主面のうち、回路形成面ではない方の主面すなわち裏面に、Ｘ線等の放射線を吸収する材料からなる放射線保護膜１２が設けられている。
【００２６】
次に、本実施形態の水晶発振器の放射線照射に対する耐性について説明する。
【００２７】
Ｘ線検査用の低強度Ｘ線が照射される場合を考える。水晶片とＩＣチップとを有する水晶発振器の場合、Ｘ線照射の影響は主としてＩＣチップ内の電子回路において発生する。本実施形態の水晶発振器では、容器本体１の一方の主面に形成された凹部１ａに水晶片２を密閉封入し、他方の主面に形成された凹部１ｂ内にＩＣチップ３を収容しているので、ＩＣチップ３の２つの主面のうち、水晶片２に近い方の主面（すなわち回路形成面）からＩＣチップ３に入射することとなるＸ線（図１（ａ）において矢印Ａで示すＸ線）は、金属カバー７や水晶片２の励振電極と透過しなければならないことになる。金属カバー７は、上述したように例えば厚さ０．１ｍｍのコバールなどの鉄合金からなり、励振電極も例えばクロム、金あるいは銀の蒸着膜からなるので、矢印Ａで示すＸ線は、ＩＣチップ３に到達する前に金属カバー７や水晶片２の励振電極によって吸収されてしまい、ＩＣチップ３に到達することはない。これに対し、ＩＣチップ３の主面のうち水晶片２から遠い方の主面（すなわち裏面）から入射することとなるＸ線（図１（ａ）における矢印Ｂで示すＸ線）は、放射線保護膜がないとすれば、ＩＣチップ３の半導体基板を構成するシリコン層のみを介して、ＩＣチップ３内の電子回路に到達することになる。シリコンはＸ線の質量吸収係数が小さく、また密度も２．３４ｇ／ｃｍ3であって金属カバー７を構成する鉄などの金属に比べて小さい。そのため、放射線保護膜が存在しない場合には、矢印Ｂで示すＸ線は容易にＩＣチップ３内の電子回路に到達することとなり、水晶発振器の特性変化、発振周波数変化をもたらすこととなる。
【００２８】
そこで本実施形態では、ＩＣチップ３の裏面に放射線吸収膜１２を設け、図示矢印Ｂで示すＸ線をこの放射線吸収膜１２で吸収するようにすることにより、Ｘ線がＩＣチップ３内の電子回路部分にまで到達しないようにしている。上述した考察から、放射線吸収膜１２のＸ線吸収能は、例えば、金属カバー７と水晶片２の励振電極とを合わせたＸ線吸収能と同程度のものであればよいことが分かる。
【００２９】
一般に、試料を透過したＸ線の強度Ｉは、ランベルト・ベールの法則により、
【００３０】
【数１】
【００３１】
によって表される。ここでＩ0は試料に入射する初めのＸ線強度であり、ｌは試料の厚さであり、ρは試料の密度であり、μは試料のＸ線質量吸収係数である。Ｘ線質量吸収係数は、Ｘ線の吸光断面積に相当するものである。上記式から、ｌ、ρ、μともに大きいほど、Ｘ線の吸収が大きくなって、透過するＸ線の強度が低下することが分かる。ＩＣチップ３の裏面に設けられる放射線吸収膜１２としては、その形成の容易さやコスト等を考えると、ＩＣチップ３の厚さに比べて薄いものであることが好ましいから、その密度ρ及びＸ線質量吸収係数μの少なくとも一方がＩＣチップ３を構成するシリコンよりも大きいものを用いることが好ましい。
【００３２】
Ｘ線質量吸収係数は、物質の構成要素となる元素ごとに異なり、また、Ｘ線のエネルギーによっても変化する。物質が同じであれば、軌道電子との相互作用による光電吸収のためにステップ状に質量吸収係数が大きくなる吸収端と呼ばれる位置を除けば、全体的傾向としては、Ｘ線のエネルギーが大きくなるほど質量吸収係数は低下する。例えば、エネルギー１ｋｅＶのＸ線に対し、シリコンの質量吸収係数は３．０５×１０3ｃｍ2／ｇであるのに対し、鉄の質量吸収係数は１×１０4ｃｍ2／ｇである。下表は、いくつかの元素（単体）の密度ρと、エネルギー１ｋｅＶのＸ線に対する質量吸収係数μを示したものである。
【００３３】
【表１】
【００３４】
密度がシリコンよりも大きくて放射線保護膜１２に適するものとして、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、タングステン、金が挙げられ、さらに上表にないものであっても、チタン、クロム、銀なども挙げられる。また、Ｘ線質量吸収係数がシリコンより大きくて放射線保護膜１２に適するものとして、鉄、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、タングステン、金などが挙げられる。
【００３５】
放射線保護膜１２は、例えば、シリコンからなる半導体基板の回路形成面に公知の半導体装置製造プロセスによって電子回路及びＩＣ端子８を形成した後、半導体基板の裏面をバックグラインド（研磨）した上で、そのバックグラインドされた面上に、シリコンと金との密着性を向上するためにクロム層をスパッタリングによって薄く形成し、さらに、放射線保護膜１２の本体となるべき金の層をスパッタリングによって設けることによって、形成することができる。放射線保護膜１２となるべき金層を短時間で厚く（例えば数μｍ以上）形成する場合には、メッキ法を併用すればよい。
【００３６】
ところでＩＣチップ３の製造の際には、生産性の向上のために、一般に、複数個のＩＣチップ３に相当する大きさの半導体ウェハを用いて、その半導体ウェハに複数個のＩＣチップの分の電子回路及びＩＣ端子８を一括して形成し、その後、半導体ウェハから個々のＩＣチップを切り出すことによって、１回の半導体製造プロセスの実行によって複数個のＩＣチップ３を同時に得ることが行われている。このような工程を経る場合には、半導体ウェハに複数個のＩＣチップに相当する数だけの電子回路及びＩＣ端子８を一括した形成した後、個々のＩＣチップ３に切り出す前に、上記のバックグラインドと放射線保護膜１２を形成する工程を実行すればよい。これにより、複数個のＩＣチップ３に対して放射線保護膜１２についても一括して同時に形成することが可能になり、放射線保護膜１２を設けることに伴う生産性の低下を防ぐことができる。特に、ＩＣチップ３におけるＩＣ端子８を金メッキ層によって構成する場合には、放射線保護膜１２も金層によって構成することにより、ＩＣ端子８と放射線保護膜１２の形成とを同時に同一工程で行うことが可能となり、放射線保護膜１２を効率よく形成することが可能となる。
【００３７】
なお、このようにして製造されたＩＣチップ３は、水晶保持端子４、接続電極９及び実装電極１１が予め設けられていて既に凹部１ａに水晶片２が密閉封入されている容器本体１に対し、バンプ１０を用いたフリップチップボンディングにより固着され、これにより、本実施形態の水晶発振器が完成する。
【符号の説明】
【００３８】
１ 容器本体；１ａ，１ｂ 凹部；２ 水晶片；３ ＩＣチップ；４ 水晶保持端子；５ 導電性接着剤；６ 金属リング；７ 金属カバー；８ ＩＣ端子；９ 接続電極；１０ バンプ；１１ 実装電極；１２ 放射線保護膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両主面に凹部を有する容器本体に対して水晶片とこの水晶片を用いる発振回路を集積したＩＣ（集積回路）チップとを一体化させた水晶発振器に関し、特に、Ｘ線などの放射線に対する耐性が向上した水晶発振器とその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶片とこの水晶片を用いる発振回路を集積したＩＣチップとを容器内に収容して一体化した水晶発振器は、表面実装型の部品として構成することが容易であり、例えば携帯電話に代表されるような携帯型の電子機器において、周波数や時間の基準源として広く内蔵されている。
【０００３】
水晶発振器において水晶片とＩＣチップとを収容する形態としては種々のものがあるが、そのうちの一つとして、両方の主面にそれぞれ凹部を有して断面がＨ字状となるように形成された容器本体を使用し、それらの凹部にＩＣチップと水晶片とをそれぞれ別個に収容するものがある。図２（ａ）は関連技術におけるそのような水晶発振器の構成の一例を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示した水晶発振器の底面図である。
【０００４】
図２（ａ），（ｂ）に示す水晶発振器は、回路基板あるいは配線基板上への表面実装に適した表面実装型として構成されており、両方の主面にそれぞれ凹部１ａ，１ｂが形成された容器本体１を備え、容器本体１の一方の凹部１ａに水晶片２を、他方の凹部１ｂにＩＣチップ３を収容したものである。容器本体１において凹部１ｂを取り囲む端面の４隅部には、この水晶発振器を回路基板上などに表面実装する際に用いられる実装電極１１が設けられている。実装電極１１には、例えば、電源端子、接地端子、発振出力端子などが含まれる。
【０００５】
水晶片２は、例えば、略矩形の形状を有するＡＴカットの水晶片であり、その両方の主面に励振電極（不図示）をそれぞれ有し、水晶片２の一端部両側に向けて励振電極から引出電極が延出している。引出電極の延出した水晶片２の一端部両側は、容器本体１の一方の凹部１ａの底面に設けられた水晶保持端子４に対して導電性接着剤５によって固着される。凹部１ａの開口端面には金属リング６が設けられており、シーム溶接により金属カバー７を金属リング６に接合することによって、凹部１ａ内に水晶片２が密閉封入されている。
【０００６】
ＩＣチップ３は、水晶片２を用いる発振回路を含む電子回路を半導体基板に集積化したものであり、容器本体１の他方の凹部１ｂに収容される。半導体基板として、シリコン基板が広く用いられている。これらの電子回路は、ＩＣチップ３を構成する半導体基板の一方の主面に形成されているので、この主面のことを回路形成面と呼ぶ。ＩＣチップ３の回路形成面には、外部からＩＣチップ３内の電子回路に電気的に接続するためのＩＣ端子８が設けられている。ＩＣ端子８には、例えば、水晶片２との電気的接続に用いられる１対の水晶接続端子、電源端子、接地端子、出力端子などが含まれる。
【０００７】
ＩＣ端子８に対応して、凹部１ｂの底面には接続電極９が設けられている。ＩＣチップ３は、バンプ１０を用いたフリップチップボンディングによって凹部１ｂの底面に固着される。このとき、バンプ１０によって、対応するＩＣ端子８と接続電極９とが電気的かつ機械的に接続する。ＩＣ端子８のうちの水晶接続端子に対応する接続電極９は、凹部１ａの底面の水晶保持端子４に対し、容器本体１に形成されたビアホール（不図示）を含む導電路によって電気的に接続する。これによって、水晶片２は、ＩＣチップ３内の発振回路に電気的に接続することになる。また、ＩＣ端子８のうちの電源端子、接地端子及び発振出力端子などに対応する接続電極９は、容器本体１に設けられた導電路を介して、それぞれ、対応する実装電極１１に電気的に接続する。
【０００８】
水晶発振器において、ＩＣチップ３に集積される電子回路は発振回路に限られるものではない。例えば、水晶片２の温度−周波数特性を補償して周囲温度によらずに一定の発振周波数が得られるようにする温度補償回路などの電子回路もＩＣチップ３に集積することができる。温度補償回路を内蔵することにより、温度変化に対して高精度に発振周波数を維持できるようにした水晶発振器のことを温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）と呼ぶ。
【０００９】
ところで、近年、空港での航空保安検査に代表されるように、比較的低強度のＸ線を用いるＸ線検査が多用されるようになってきている。一般に半導体集積回路では、非特許文献１の５．９章「放射線照射」に記載されるように、Ｘ線やγ線などの放射線が入射した場合にデバイス特性が変化することがあることが知られている。また、照射が繰り返されると変化が積算され、この変化の積算はトータルドーズ効果と呼ばれる。水晶発振器においてもＸ線が照射されることによってわずかに発振周波数が変化する。水晶発振器が温度補償水晶発振器である場合、そもそもの周波数精度が高いため、低強度のＸ線検査によるＸ線の照射であっても、照射による周波数変化が問題になることがある。
【００１０】
従来、電子機器における放射線防護の方法としては、例えば、特別の半導体装置製造プロセスによって半導体集積回路を製造したり、あるいは、電子機器全体を放射線遮蔽の中に格納する方法がある。しかしながらいずれの方法も、高エネルギーあるいは高線量の放射線を対象としたものであって、構成が大掛かりであったり、製造コストの大幅な上昇をもたらしたりするので、航空保安検査などの低強度のＸ線照射への対策としては必ずしも最適なものであるとは言えない。
【００１１】
無線周波数程度の電磁波ノイズに対し、個々の部品レベルで対応するものとしては例えば特許文献１，２に記載されたものがあるが、Ｘ線等の放射線と周波数が高々数百ＧＨｚ程度の電磁波ノイズとは、物理的性質、特に電子回路に影響を及ぼす原理が全く異なっており、特許文献１，２に記載されている技術を放射線照射への対応策にそのまま利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３１９９８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２０４０１７号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】「ＭＯＳ集積回路の設計・製造と信頼性技術」、大山英典、中林正和、葉山清輝、江口啓著、森北出版、２００８年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、航空保安検査の徹底など、近年、比較的低エネルギーかつ低線量のＸ線を用いるＸ線検査が広く行われるようになってきており、それに伴って、特に温度補償水晶発振器などの高精度に発振周波数を出力する水晶発振器において、Ｘ線照射に伴う周波数変化が懸念されるようになっている。
【００１５】
本発明の目的は、大がかりなものとせず、かつ、コストの大幅な向上と伴うことなく、Ｘ線照射等の放射線照射があった場合の特性変化が小さく、一定の発振周波数を維持できる水晶発振器を提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、大がかりなものとせず、かつ、コストの大幅な向上と伴うことなく、Ｘ線照射等の放射線照射があった場合の特性変化が小さく、一定の発振周波数を維持できる水晶発振器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の水晶発振器は、第１及び第２の主面を備える容器本体と、第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、第１の凹部内に水晶片を密閉封入するために第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器において、ＩＣチップの一方の主面である回路形成面に電子回路が形成され、ＩＣチップは、回路形成面が第２の凹部の底面に対向するようにしてフリップチップボンディングにより第２の凹部の底面に固着され、ＩＣチップの他方の主面には放射線保護膜が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の水晶発振器の製造方法は、第１及び第２の主面を備える容器本体と、第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、第１の凹部内に水晶片を密閉封入するために第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器の製造方法において、複数個のＩＣチップに対応する大きさの半導体ウェハを用い、半導体ウェハの一方の主面である回路形成面に複数個のＩＣチップに相当する数の電子回路を一括して形成し、半導体ウェハの他方の主面に複数個のＩＣチップに相当する放射線保護膜を一括して形成することと、電子回路及び放射線保護膜が形成された半導体ウェハから個々のＩＣチップを切り出すことと、予め第１の凹部に水晶片が密閉されている容器本体の第２の凹部の凹部に対し、回路形成面が第２の凹部の底面に対向するようにして、切り出されたＩＣチップをフリップチップボンディングにより固着することと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水晶発振器では、ＩＣチップに対してその回路形成面側から入射することとなる放射線は金属カバーによって吸収され、また、ＩＣチップの回路形成面ではない方の主面からＩＣチップに入射することとなる放射線は放射線保護膜によって吸収される。したがって本発明の水晶発振器は、放射線照射があった場合でもＩＣチップ内の電子回路には放射線の影響が及ぼされず、水晶発振器の特性変化を小さくできて一定の発振周波数を維持することができるという効果を有する。
【００２０】
本発明の水晶発振器の製造方法は、複数個のＩＣチップに対応する放射線保護膜を一括して形成できるので、放射線保護膜を設けることに伴う生産性の低下を防ぐことができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の一形態の水晶発振器を説明する図であって、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は底面図である。
【図２】従来の表面実装発振器を説明する図であって、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施の一形態の水晶発振器を示す断面図及び底面図である。なお図１（ａ），（ｂ）において、図２（ａ），（ｂ）におけるものと同一部分には同じ参照番号を付与して、それらのものについての説明は簡略化又は省略する。
【００２３】
図１（ａ），（ｂ）に示す水晶発振器は、図２（ａ），（ｂ）に示したものと同様に、表面実装型のものであって、両方の主面にそれぞれ凹部１ａ，１ｂが形成された容器本体１を用い、一方の凹部１ａに水晶片２を、他方の凹部１ｂにＩＣチップ３を収容したものである。この水晶発振器は、全体として、略直方体形状を有する。容器本体は、例えば、積層セラミックから構成されている。凹部１ｂを取り囲む端面の４隅部には、この水晶発振器を回路基板上などに表面実装する際に用いられる実装電極１１が設けられている。水晶片２は、図２（ａ），（ｂ）に示すものと同様に、励振電極及び引出電極を備える略矩形のＡＴカットの水晶片であって、水晶保持端子４に固着され、金属カバー７によって、凹部１ａ内に密閉封入されている。金属カバー７は、例えば、厚さ０．１ｍｍのコバール（Kovar；鉄にニッケルとコバルトを配合した合金）などからなっている。
【００２４】
この実施形態において水晶発振器は温度補償水晶発振器として構成されており、したがって、ＩＣチップ３では、電子回路として、水晶片２を用いる発振回路と水晶片２の温度−周波数特性を補償する温度補償回路とが、シリコンからなる略矩形の半導体基板に形成されている。これらの電子回路は、半導体基板の一方の主面である回路形成面に形成されており、回路形成面には、さらに、これらの電子回路と電気的に接続するＩＣ端子８（例えば、水晶接続端子、電源端子、接地端子、発振出力端子など）が設けられている。凹部１ｂの底面には、ＩＣ端子８に対応して接続電極９が設けられており、ＩＣチップ３は、ＩＣ端子８と接続電極９との間に介在するバンプ１０を用いたフリップチップボンディングにより、凹部１ｂの底面に固着されている。これにより、図２（ａ），（ｂ）に示したものと同様に、ＩＣチップ３内の電子回路は、水晶片２及び実装電極１１に電気的に接続する。
【００２５】
さらにこの実施形態の水晶発振器では、ＩＣチップ３に両主面のうち、回路形成面ではない方の主面すなわち裏面に、Ｘ線等の放射線を吸収する材料からなる放射線保護膜１２が設けられている。
【００２６】
次に、本実施形態の水晶発振器の放射線照射に対する耐性について説明する。
【００２７】
Ｘ線検査用の低強度Ｘ線が照射される場合を考える。水晶片とＩＣチップとを有する水晶発振器の場合、Ｘ線照射の影響は主としてＩＣチップ内の電子回路において発生する。本実施形態の水晶発振器では、容器本体１の一方の主面に形成された凹部１ａに水晶片２を密閉封入し、他方の主面に形成された凹部１ｂ内にＩＣチップ３を収容しているので、ＩＣチップ３の２つの主面のうち、水晶片２に近い方の主面（すなわち回路形成面）からＩＣチップ３に入射することとなるＸ線（図１（ａ）において矢印Ａで示すＸ線）は、金属カバー７や水晶片２の励振電極と透過しなければならないことになる。金属カバー７は、上述したように例えば厚さ０．１ｍｍのコバールなどの鉄合金からなり、励振電極も例えばクロム、金あるいは銀の蒸着膜からなるので、矢印Ａで示すＸ線は、ＩＣチップ３に到達する前に金属カバー７や水晶片２の励振電極によって吸収されてしまい、ＩＣチップ３に到達することはない。これに対し、ＩＣチップ３の主面のうち水晶片２から遠い方の主面（すなわち裏面）から入射することとなるＸ線（図１（ａ）における矢印Ｂで示すＸ線）は、放射線保護膜がないとすれば、ＩＣチップ３の半導体基板を構成するシリコン層のみを介して、ＩＣチップ３内の電子回路に到達することになる。シリコンはＸ線の質量吸収係数が小さく、また密度も２．３４ｇ／ｃｍ3であって金属カバー７を構成する鉄などの金属に比べて小さい。そのため、放射線保護膜が存在しない場合には、矢印Ｂで示すＸ線は容易にＩＣチップ３内の電子回路に到達することとなり、水晶発振器の特性変化、発振周波数変化をもたらすこととなる。
【００２８】
そこで本実施形態では、ＩＣチップ３の裏面に放射線吸収膜１２を設け、図示矢印Ｂで示すＸ線をこの放射線吸収膜１２で吸収するようにすることにより、Ｘ線がＩＣチップ３内の電子回路部分にまで到達しないようにしている。上述した考察から、放射線吸収膜１２のＸ線吸収能は、例えば、金属カバー７と水晶片２の励振電極とを合わせたＸ線吸収能と同程度のものであればよいことが分かる。
【００２９】
一般に、試料を透過したＸ線の強度Ｉは、ランベルト・ベールの法則により、
【００３０】
【数１】
【００３１】
によって表される。ここでＩ0は試料に入射する初めのＸ線強度であり、ｌは試料の厚さであり、ρは試料の密度であり、μは試料のＸ線質量吸収係数である。Ｘ線質量吸収係数は、Ｘ線の吸光断面積に相当するものである。上記式から、ｌ、ρ、μともに大きいほど、Ｘ線の吸収が大きくなって、透過するＸ線の強度が低下することが分かる。ＩＣチップ３の裏面に設けられる放射線吸収膜１２としては、その形成の容易さやコスト等を考えると、ＩＣチップ３の厚さに比べて薄いものであることが好ましいから、その密度ρ及びＸ線質量吸収係数μの少なくとも一方がＩＣチップ３を構成するシリコンよりも大きいものを用いることが好ましい。
【００３２】
Ｘ線質量吸収係数は、物質の構成要素となる元素ごとに異なり、また、Ｘ線のエネルギーによっても変化する。物質が同じであれば、軌道電子との相互作用による光電吸収のためにステップ状に質量吸収係数が大きくなる吸収端と呼ばれる位置を除けば、全体的傾向としては、Ｘ線のエネルギーが大きくなるほど質量吸収係数は低下する。例えば、エネルギー１ｋｅＶのＸ線に対し、シリコンの質量吸収係数は３．０５×１０3ｃｍ2／ｇであるのに対し、鉄の質量吸収係数は１×１０4ｃｍ2／ｇである。下表は、いくつかの元素（単体）の密度ρと、エネルギー１ｋｅＶのＸ線に対する質量吸収係数μを示したものである。
【００３３】
【表１】
【００３４】
密度がシリコンよりも大きくて放射線保護膜１２に適するものとして、例えば、アルミニウム、鉄、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、タングステン、金が挙げられ、さらに上表にないものであっても、チタン、クロム、銀なども挙げられる。また、Ｘ線質量吸収係数がシリコンより大きくて放射線保護膜１２に適するものとして、鉄、ニッケル、銅、モリブデン、ルテニウム、タングステン、金などが挙げられる。
【００３５】
放射線保護膜１２は、例えば、シリコンからなる半導体基板の回路形成面に公知の半導体装置製造プロセスによって電子回路及びＩＣ端子８を形成した後、半導体基板の裏面をバックグラインド（研磨）した上で、そのバックグラインドされた面上に、シリコンと金との密着性を向上するためにクロム層をスパッタリングによって薄く形成し、さらに、放射線保護膜１２の本体となるべき金の層をスパッタリングによって設けることによって、形成することができる。放射線保護膜１２となるべき金層を短時間で厚く（例えば数μｍ以上）形成する場合には、メッキ法を併用すればよい。
【００３６】
ところでＩＣチップ３の製造の際には、生産性の向上のために、一般に、複数個のＩＣチップ３に相当する大きさの半導体ウェハを用いて、その半導体ウェハに複数個のＩＣチップの分の電子回路及びＩＣ端子８を一括して形成し、その後、半導体ウェハから個々のＩＣチップを切り出すことによって、１回の半導体製造プロセスの実行によって複数個のＩＣチップ３を同時に得ることが行われている。このような工程を経る場合には、半導体ウェハに複数個のＩＣチップに相当する数だけの電子回路及びＩＣ端子８を一括した形成した後、個々のＩＣチップ３に切り出す前に、上記のバックグラインドと放射線保護膜１２を形成する工程を実行すればよい。これにより、複数個のＩＣチップ３に対して放射線保護膜１２についても一括して同時に形成することが可能になり、放射線保護膜１２を設けることに伴う生産性の低下を防ぐことができる。特に、ＩＣチップ３におけるＩＣ端子８を金メッキ層によって構成する場合には、放射線保護膜１２も金層によって構成することにより、ＩＣ端子８と放射線保護膜１２の形成とを同時に同一工程で行うことが可能となり、放射線保護膜１２を効率よく形成することが可能となる。
【００３７】
なお、このようにして製造されたＩＣチップ３は、水晶保持端子４、接続電極９及び実装電極１１が予め設けられていて既に凹部１ａに水晶片２が密閉封入されている容器本体１に対し、バンプ１０を用いたフリップチップボンディングにより固着され、これにより、本実施形態の水晶発振器が完成する。
【符号の説明】
【００３８】
１ 容器本体；１ａ，１ｂ 凹部；２ 水晶片；３ ＩＣチップ；４ 水晶保持端子；５ 導電性接着剤；６ 金属リング；７ 金属カバー；８ ＩＣ端子；９ 接続電極；１０ バンプ；１１ 実装電極；１２ 放射線保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の主面を備える容器本体と、前記第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、前記第１の凹部内に前記水晶片を密閉封入するために前記第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し前記第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器において、
前記ＩＣチップの一方の主面である回路形成面に前記電子回路が形成され、
前記ＩＣチップは、前記回路形成面が前記第２の凹部の底面に対向するようにしてフリップチップボンディングにより前記第２の凹部の底面に固着され、
前記ＩＣチップの他方の主面には放射線保護膜が形成されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記放射線保護膜は、前記ＩＣチップを構成する半導体基板材料よりも大きな密度を有する膜である、請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記放射線保護膜は、前記ＩＣチップを構成する半導体基板材料よりもＸ線質量吸収係数が大きな材料によって構成されている、請求項１または２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
表面実装型温度補償水晶発振器として構成された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶発振器。
【請求項５】
第１及び第２の主面を備える容器本体と、前記第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、前記第１の凹部内に前記水晶片を密閉封入するために前記第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し前記第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器の製造方法において、
複数個のＩＣチップに対応する大きさの半導体ウェハを用い、前記半導体ウェハの一方の主面である回路形成面に前記複数個のＩＣチップに相当する数の前記電子回路を一括して形成し、前記半導体ウェハの他方の主面に前記複数個のＩＣチップに相当する放射線保護膜を一括して形成することと、
前記電子回路及び前記放射線保護膜が形成された前記半導体ウェハから個々の前記ＩＣチップを切り出すことと、
予め前記第１の凹部に前記水晶片が密閉されている前記容器本体の前記第２の凹部の凹部に対し、前記回路形成面が前記第２の凹部の底面に対向するようにして、前記切り出されたＩＣチップをフリップチップボンディングにより固着することと、
を有することを特徴とする、製造方法。
【請求項６】
前記フリップチップボンディングはバンプを用いるフリップチップボンディングであり、
前記放射線保護膜を形成する工程において、同時に、前記回路形成面に前記バンプとの接合に用いられるＩＣ端子を形成する、請求項５に記載の製造方法。
【請求項１】
第１及び第２の主面を備える容器本体と、前記第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、前記第１の凹部内に前記水晶片を密閉封入するために前記第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し前記第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器において、
前記ＩＣチップの一方の主面である回路形成面に前記電子回路が形成され、
前記ＩＣチップは、前記回路形成面が前記第２の凹部の底面に対向するようにしてフリップチップボンディングにより前記第２の凹部の底面に固着され、
前記ＩＣチップの他方の主面には放射線保護膜が形成されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記放射線保護膜は、前記ＩＣチップを構成する半導体基板材料よりも大きな密度を有する膜である、請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記放射線保護膜は、前記ＩＣチップを構成する半導体基板材料よりもＸ線質量吸収係数が大きな材料によって構成されている、請求項１または２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
表面実装型温度補償水晶発振器として構成された請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶発振器。
【請求項５】
第１及び第２の主面を備える容器本体と、前記第１の主面に形成された第１の凹部内に収容された水晶片と、前記第１の凹部内に前記水晶片を密閉封入するために前記第１の凹部を閉じる金属製のカバーと、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し前記第２の凹部内に収容されたＩＣチップと、を有する水晶発振器の製造方法において、
複数個のＩＣチップに対応する大きさの半導体ウェハを用い、前記半導体ウェハの一方の主面である回路形成面に前記複数個のＩＣチップに相当する数の前記電子回路を一括して形成し、前記半導体ウェハの他方の主面に前記複数個のＩＣチップに相当する放射線保護膜を一括して形成することと、
前記電子回路及び前記放射線保護膜が形成された前記半導体ウェハから個々の前記ＩＣチップを切り出すことと、
予め前記第１の凹部に前記水晶片が密閉されている前記容器本体の前記第２の凹部の凹部に対し、前記回路形成面が前記第２の凹部の底面に対向するようにして、前記切り出されたＩＣチップをフリップチップボンディングにより固着することと、
を有することを特徴とする、製造方法。
【請求項６】
前記フリップチップボンディングはバンプを用いるフリップチップボンディングであり、
前記放射線保護膜を形成する工程において、同時に、前記回路形成面に前記バンプとの接合に用いられるＩＣ端子を形成する、請求項５に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１３４６４２（Ｐ２０１２−１３４６４２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３３３５（Ｐ２０１０−２８３３３５）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]