JP3961267B2

JP3961267B2 - 水晶デバイス

Info

Publication number: JP3961267B2
Application number: JP2001347446A
Authority: JP
Inventors: 卓也大内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2003152495A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において、時間および周波数の高精度の基準源として使用される温度補償型の水晶デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において時間および周波数の高精度の基準源として使用される温度補償型の水晶デバイスは、一般に、四角板状の水晶基板に電圧印加用の電極を形成して成る水晶振動子と、この水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子とを、水晶振動子収納用パッケージ内に気密に収容することによって形成されている。
【０００３】
前記水晶振動子収納用パッケージは、一般に、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に水晶振動子を収容する空所を形成するための凹部を、下面中央部に半導体素子を収容する空所となる凹部を、それぞれ有するとともに、各凹部表面から外表面にかけて導出された、タングステン、モリブデン等の高融点金属等の金属材料から成る配線層を有する基体と、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料、または酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料から成る蓋体とから構成されている。
【０００４】
そして、水晶振動子の電極を基体上面の凹部内表面に露出する配線層及びその周辺の基体表面に固定材を介して取着することにより、水晶振動子を凹部内に接着固定するとともに配線層に電気的に接続し、また、基体下面の凹部内に半導体素子を収容するとともに半導体素子の電極を配線層に電気的に接続し、しかる後、基体の上面に蓋体を接着材による接着やシーム溶接等の接合手段により取着して基体と蓋体とから成る容器内部に水晶振動子を気密に収容するとともに基体下面の凹部内に収容した半導体素子を蓋体や封止用樹脂で封止することによって製品としての水晶デバイスが完成する。
【０００５】
なお、水晶振動子を取着するための固定材としては、一般に、エポキシ樹脂等の有機樹脂と、銀粉末等の導電性粉末とを主材として混合して成る導電性接着材が使用されている。
【０００６】
また、蓋体を基体にシーム溶接で取着する場合、通常、予め基体の凹部周囲に枠状のロウ付け用メタライズ層を形成しておくとともにこのメタライズ層に金属枠体をロウ付けし、金属枠体に蓋体をシーム溶接する方法が用いられる。
【０００７】
更に前記水晶デバイスの外部電気回路基板への実装は、基体の外表面に導出された配線層を外部電気回路基板の配線導体に半田等の導電性接続材を介して接続することによって行われ、水晶振動子は配線層を介し外部電気回路に電気的に接続されるとともに外部電気回路から印加される電圧に応じて所定の周波数で振動し、基準信号を外部電気回路に供給する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水晶デバイスは、基体に形成されている配線層がタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属材料により形成されており、該タングステン等はその比電気抵抗が５．４μΩ・ｃｍ（２０℃）以上と高いことから配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰が生じ、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることができないという欠点を有していた。
【０００９】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、基体に搭載した半導体素子により水晶振動子の温度補償を有効に行なうことができ、かつ水晶振動子の基準信号を外部電気回路に正確かつ確実に供給することができる水晶デバイスを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に水晶振動子の搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて配線層が導出されている基体と、前記搭載部に搭載されている水晶振動子とから成る水晶デバイスであって、前記基体が１０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ_２、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ_２Ｏ_３から成る酸化物焼結体で、前記配線層が２．５μΩ・ｃｍ以下の比電気抵抗を有する金属材で形成されており、かつ前記搭載部の前記配線層上に、ゴム粒子および導電性粉末を添加したエポキシ樹脂から成り、弾性率が２．４ＧＰａ以下であって、前記基体と前記水晶振動子との間に発生する熱応力によって変形する導電性の支持体が形成されているとともに、該支持体に導電性の固定材を介して、前記水晶振動子が接着固定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の水晶デバイスによれば、基体を１０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃から成る酸化物焼結体で形成し、かかる酸化物焼結体の焼成温度が約８００〜１２００℃と低いことから、基体と同時焼成により形成される配線層を比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号等を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰を生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００１３】
また本発明の水晶デバイスによれば、基体の搭載部の配線層上に、ゴム粒子および導電性粉末を添加したエポキシ樹脂から成る弾性率が２．４ＧＰａ以下であって、基体と水晶振動子との間に発生する熱応力によって変形する導電性の支持体を被着させるとともに、該支持体に水晶振動子を導電性の固定材で接着固定するようにしたことから、水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子が作動時に熱を発生し、その熱が基体と水晶振動子に繰り返し作用して基体と水晶振動子との間に両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が繰り返し発生したとしても、その熱応力は支持体を適度に変形させることによって吸収され、水晶振動子の基体に対する固定が破れることはなく、その結果、基体に水晶振動子を長期間にわたり確実、強固に固定することが可能となり、水晶デバイスの長期信頼性を高いものとなすことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の水晶デバイスについて添付の図面を基にして詳細に説明する。
図１は本発明の水晶デバイスの一実施例を示す断面図であり、図１において、１は基体、２は配線層、３は蓋体である。この基体１と蓋体３とにより形成される容器４内に水晶振動子５を気密に収容するとともに、基体１下面に半導体素子６を搭載収容することにより水晶デバイス７が形成される。
【００１５】
前記基体１は、１０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃から成る酸化物焼結体で形成されており、その上下両面に凹部１ａ、１ｂが設けてあり、上面の凹部１ａ内には水晶振動子５が収容され、下面の凹部１ｂには前記水晶振動子５の温度補償を行なうための半導体素子６がロウ材、ガラス、有機樹脂等の接着材を介して接着固定され、搭載収容される。
【００１６】
また前記基体１は、上下の凹部１ａ、１ｂの表面から外表面にかけて配線層２が導出されており、配線層２の基体１上面側の凹部１ａ表面に露出する部位に水晶振動子５の電極が導電性接着材等の固定材９を介して接着固定され、基体１下面側の凹部１ｂに露出する部位には半導体素子６の電極がボンディングワイヤ等の導電性接続部材１０を介して接続される。
【００１７】
前記酸化物焼結体から成る基体１は、例えば、ＢａＯ、ＳｎＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃等の原料粉末にアクリル樹脂を主成分とするバインダー及び分散剤、可塑剤、有機溶媒を加えて泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシート（生シート）となし、しかる後、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８００〜１２００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１８】
前記基体１はその焼成温度が約８００〜１２００℃と低いことから、基体１と同時焼成により形成される配線層２を比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、配線層２に水晶振動子５の基準信号や半導体素子６の駆動信号を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰が生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子５と半導体素子６との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００１９】
なお、前記酸化物焼結体は、ＢａＯが１０ｍｏｌ％未満であると誘電損失が大きくなって配線層２を伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまい、また６８ｍｏｌ％を超えると基体１の機械的強度が大きく低下してしまう。従って、前記酸化物焼結体はそれを構成するＢａＯの量が１０乃至６８ｍｏｌ％に特定される。
【００２０】
また前記酸化物焼結体はＳｎＯ₂が９ｍｏｌ％未満であると焼結性が低下して機械的強度が不十分となり、また５０ｍｏｌ％を超えると誘電損失が大きくなって配線層２を伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまう。従って、前記酸化物焼結体はそれを構成するＳｎＯ₂の量が９乃至５０ｍｏｌ％に特定される。
【００２１】
更に前記酸化物焼結体はＢ₂Ｏ₃が１３ｍｏｌ％未満であると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる配線層２と同時に焼成するのが困難となり、また７２ｍｏｌ％を超えると酸化物焼結体の耐薬品性が低下し水晶デバイスとしての信頼性が低いものとなってしまう。従って前記酸化物焼結体はそれを構成するＢ₂Ｏ₃の量が１３乃至７２ｍｏｌ％に特定される。
【００２２】
また前記基体１に形成されている配線層２は、凹部１ａ、１ｂ内に収容される水晶振動子５および半導体素子６と外部電気回路基板の配線導体とを電気的に接続する作用をなし、例えば、金、銀、銅等の比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下の金属材により形成されており、銅から成る場合であれば、銅粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー等を添加混合して得た金属ペーストを、基体１となるグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で所定パターンに印刷塗布しておくことによって形成される。
【００２３】
前記配線層２は、その露出する表面をニッケル、金等の耐食性およびロウ材との濡れ性の良好な金属から成るめっき層（不図示）で被覆しておくと、配線層２の酸化腐食を良好に防止することができるとともに、配線層２に対する半田等のロウ材の濡れ性を良好とすることができ、外部電気回路基板の配線導体に対する配線層２の接続をより一層容易、かつ確実なものとすることができる。従って、前記配線層２は、その露出する表面をニッケル、金等のめっき層、例えば、順次被着された厚み１μｍ〜１０μｍのニッケルまたはニッケル合金めっき層、厚み０．１〜３μｍの金めっき層で被覆しておくことが好ましい。
【００２４】
また前記配線層２の表面をニッケル、金等のめっき層で被覆する場合、その最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下としておくと最表面の光の反射率が４０％以上となって水晶振動子５の電極を配線層２に固定材９を介して固定する際、および半導体素子６の電極を配線層２にボンディングワイヤ等の導電性接続部材１０を介して電気的接続する際、その位置決め等の作業が容易となる。従って、前記配線層２の表面をニッケル、金等のめっき層で被覆する場合、その最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下としておくことが好ましい。
【００２５】
更に前記配線層２の表面を被覆するニッケル、金等からなるめっき層の最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下とするには配線層２を従来周知のワット浴にイオウ化合物等の光沢剤を添加した電解ニッケルめっき液に浸漬して配線層２の表面にニッケルめっき層を被着させ、しかる後、シアン系の電解金めっき液中に浸漬し、ニッケルめっき層表面に金めっき層を被着させることによって行なわれる。
【００２６】
また更に前記基体１の凹部１ａ内表面には支持体８が取着されており、該支持体８の上面には前記配線層２の一部が導出され、配線層２の導出部が形成されている支持体８の上面に水晶振動子５が導電性接着剤等の固定材９を介して接着固定される。
【００２７】
前記支持体８はゴム粒子を添加したエポキシ樹脂等の弾性率が２．４ＧＰａ以下のもので形成されており、支持体８の弾性率が２．４ＧＰａ以下で、変形し易いことから、水晶振動子５の温度補償を行なう半導体素子６が作動時に熱を発生し、その熱が基体１と水晶振動子５に繰り返し作用して基体１と水晶振動子５との間に両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が繰り返し発生したとしても、その熱応力は支持体８を適度に変形させることによって吸収され、基体１や水晶振動子５、支持体８、固定材９等に機械的な破壊が招来することはなく、その結果、基体１に水晶振動子５を長期間にわたり確実、強固に支持固定することが可能となり、水晶デバイス７の長期信頼性を高いものとなすことができる。
【００２８】
なお、前記支持体８はその弾性率が２．４ＧＰａを超えると水晶振動子５の温度補償を行なう半導体素子６の発した熱が基体１と水晶振動子５の両者に繰り返し作用した際、基体１と水晶振動子５との両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が支持体８に繰り返し作用して支持体８に機械的な破壊を招来し、水晶振動子５の固定が破れて水晶デバイス７の信頼性が大きく低下してしまう。従って、前記支持体８はその弾性率が２．４ＧＰａ以下のものに特定される。
【００２９】
また前記弾性率が２．４ＧＰａ以下の支持体８としては、アクリルゴム、イソプレンゴム等のゴム粒子を添加したエポキシ樹脂に対して、銀粉末等の導電性粉末を１５乃至６０重量％の割合で添加したものが好適に使用される。
【００３０】
更に前記エポキシ樹脂としては、（オルソ）クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ナフタレン系アラルキル型、ポリサルファイド変性型等のエポキシ樹脂、特に未硬化時に半固体状（粘度が３０００Ｐ（ポアズ）以上、室温）のものが好適に使用される。この場合、エポキシ樹脂へのゴム粒子の添加量を増加させることにより支持体８の弾性率を低下させることができ、エポキシ樹脂の状態（構造、架橋度、重合度、硬化剤の種類等）に応じて適宜ゴム粒子の添加量を制御することにより支持体８の弾性率を２．４ＧＰａ以下とすることができる。またエポキシ樹脂へのゴム粒子の添加量が５０重量％を超えると、支持体８の保形性が大きく低下し、この支持体８上に水晶振動子５を、固定材９を介して強固に接着固定することが困難となる傾向にある。従って、エポキシ樹脂中にゴム粒子を添加する場合、その添加量は、支持体８の弾性率を２．４ＧＰａ以下とする範囲で、５０重量％以下としておくことが好ましい。
【００３１】
前記支持体８は、その弾性率が１ＧＰａ未満になると、変形し易くなりすぎるため水晶振動子５を基体１上に支持固定しておくことが困難となる傾向がある。従って、前記支持体８はその弾性率を、２．４ＧＰａ以下の範囲で、１ＧＰａ以上としておくことが好ましい。
【００３２】
また、前記弾性率が２．４ＧＰａ以下の支持体８は、上述のエポキシ樹脂組成物に限らず、シリコーン樹脂等の低弾性率の熱硬化性樹脂にシリカ等のフィラー成分を添加した樹脂組成物に導電性粉末を添加することにより形成してもよい。
【００３３】
前記水晶振動子５が搭載されている基体１は、その上面に蓋体３が取着され、これによって基体１と蓋体３とから成る容器４内部に水晶振動子５が気密に収容され、水晶デバイス７となる。
【００３４】
前記蓋体３は、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料や、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料により形成され、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット（塊）に圧延加工、打ち抜き加工等の周知の金属加工を施すことによって形成される。
【００３５】
更に前記蓋体３の基体１への取着は、ロウ材、ガラス、有機樹脂接着剤等の接合材を介して行う方法や、シーム溶接等の溶接法により行うことができ、例えば、蓋体３をシーム溶接にて取着する場合は通常、基体１上面の凹部１ａ周囲に枠状のロウ付け用メタライズ層１２を配線層２と同様の方法で被着させておくとともに、該ロウ付け用メタライズ層１２に金属枠体１３を銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けし、しかる後、前記金属枠体１３に金属製の蓋体３を載置させるとともに蓋体３の外縁部をシーム溶接することによって行われる。この場合、金属枠体１３は、その上面と側面との間の角部に曲率半径が５〜３０μｍの丸みを形成しておくと金属枠体１３の上面側にバリが形成されることがなく、この金属枠体１３の上面に蓋体３をシーム溶接する際に両者を信頼性高く気密に、かつ強固に接合させることができる。従って、前記金属枠体１３はその上面と側面との間の角部を曲率半径が５〜３０μｍの丸みをもたせるようにしておくことが好ましい。
【００３６】
また更に、前記金属枠体１３は、その下面と側面との間の角部に曲率半径が４０〜８０μｍの丸みを形成しておくと、該金属枠体１３をロウ付け用メタライズ層１２にロウ材を介して接合する際、ロウ付け用メタライズ層１２と金属枠体１３の下面側角部との間に空間が形成されるとともに該空間にロウ材の大きな溜まりが形成されて金属枠体１３のロウ付け用メタライズ層１２への接合が強固となる。従って、前記金属枠体１３をロウ付け用メタライズ層１２にロウ材を介して強固に接合させるには金属枠体１３の下面と側面との間の角部に曲率半径が４０〜８０μｍの丸みを形成しておくことが好ましい。
【００３７】
また一方、前記基体１の下面に設けた凹部１ｂには水晶振動子５の温度補償を行なうための半導体素子６が収容固定されており、該半導体素子６によって水晶振動子５の振動周波数が温度変化によって変動するのを制御し、常に一定とする作用をなす。
【００３８】
前記半導体素子６はガラス、樹脂、ロウ材等の接着材を介して基体１の下面に設けた凹部１ｂの底面に接着固定され、半導体素子６の各電極はボンディングワイヤ等の導電性接続部材１０を介して基体１の凹部１ｂに露出する配線層２に電気的に接続されている。
【００３９】
また前記基体１の凹部１ｂ内に収容されている半導体素子６は凹部１ｂ内に充填させた封止樹脂１１によって気密に封止されている。
【００４０】
なお、前記半導体素子６の封止は封止樹脂１１で行なうものに限定されるものではなく、基体１の下面に蓋体を、凹部１ｂを塞ぐように取着させることによって行なってもよい。
【００４１】
かくして上述の水晶デバイス７によれば、配線層２を外部電気回路に接続し、水晶振動子５の電極に所定の電圧を印加させることによって水晶振動子５が所定の振動数で振動するとともに、半導体素子６により水晶振動子５の温度補償が行なわれ、コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において時間および周波数の高精度の基準源として使用される。
【００４２】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、図２に示すように、配線層２の一部に突起１４を形成しておくと、この突起１４がスペーサーとなって配線層２と水晶振動子５との間に一定のスペースが確保され、このスペースに十分な固定材９が入り込んで水晶振動子５を配線層２に極めて強固に接着固定することができる。
【００４３】
また上述の水晶デバイス７では基体１上面に凹部１ａを設け、該凹部１ａ内に水晶振動子５を収容するようになしたが、これを図３に示す如く、平坦な基体１上に水晶振動子５を搭載固定し、該固定された水晶振動子５を椀状の蓋体３で気密に封止するようになした水晶デバイス７にも適用し得る。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の水晶デバイスによれば、基体を１０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃から成る酸化物焼結体で形成し、かかる酸化物焼結体の焼成温度が約８００〜１２００℃と低いことから、基体と同時焼成により形成される配線層を比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や銀、金で形成することができ、その結果、配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号等を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰を生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００４５】
また本発明の水晶デバイスによれば、基体の搭載部の配線層上に、ゴム粒子および導電性粉末を添加したエポキシ樹脂から成る弾性率が２．４ＧＰａ以下であって、基体と水晶振動子との間に発生する熱応力によって変形する導電性の支持体を被着させるとともに、該支持体に水晶振動子を導電性の固定材で接着固定するようにしたことから、水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子が作動時に熱を発生し、その熱が基体と水晶振動子に繰り返し作用して基体と水晶振動子との間に両者の熱膨張係数差に起因する熱応力が繰り返し発生したとしても、その熱応力は支持体を適度に変形させることによって吸収され、水晶振動子の基体に対する固定が破れることはなく、その結果、基体に水晶振動子を長期間にわたり確実、強固に固定することが可能となり、水晶デバイスの長期信頼性を高いものとなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水晶デバイスの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の水晶デバイスの他の実施例を示す要部断面図である。
【図３】本発明の水晶デバイスの他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・基体
１ａ・・・・凹部
１ｂ・・・・凹部
２・・・・・配線層
３・・・・・蓋体
４・・・・・容器
５・・・・・水晶振動子
６・・・・・半導体素子
７・・・・・水晶デバイス
８・・・・・支持体
９・・・・・固定材
１０・・・・導電性接続部材
１１・・・・封止樹脂
１２・・・・ロウ付け用メタライズ層
１３・・・・金属枠体
１４・・・・突起

Claims

上面に水晶振動子の搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて配線層が導出されている基体と、前記搭載部に搭載されている水晶振動子とから成る水晶デバイスであって、
前記基体が１０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ_２、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ_２Ｏ_３から成る酸化物焼結体で、前記配線層が２．５μΩ・ｃｍ以下の比電気抵抗を有する金属材で形成されており、かつ前記搭載部の前記配線層上に、ゴム粒子および導電性粉末を添加したエポキシ樹脂から成り、弾性率が２．４ＧＰａ以下であって、前記基体と前記水晶振動子との間に発生する熱応力によって変形する導電性の支持体が形成されているとともに、該支持体に導電性の固定材を介して、前記水晶振動子が接着固定されていることを特徴とする水晶デバイス。