JP2002252540A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基体上での水晶振動子の固定が破れ、長期信頼
性が低い。 【解決手段】上下両面に搭載部１ａ、１ｂを有する基体
１と、該基体１上面の搭載部１ａに固定材を介して固定
されている水晶振動子５と、前記基体１下面の搭載部１
ｂに搭載され前記水晶振動子５の温度補償を行う半導体
素子６とから成る水晶デバイス７であって、前記基体１
が酸化アルミニウム質焼結体から成り、かつ前記基体に
水晶振動子を固定する固定材８の弾性率が２．８ＧＰａ
以下であることを特徴とする水晶デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、水晶振動子の熱膨張係数が約１８×１
０^-6／℃であるのに対し、水晶振動子が搭載固定される
酸化アルミニウム質焼結体から成る基体の熱膨張係数が
約７×１０^-6／℃であり、大きく相違すること、基体に
水晶振動子を固定するエポキシ樹脂等から成る固定材の
弾性率（ヤング率）が約４ＧＰａと高く、変形しにくい
こと、温度補償用の半導体素子が作動時に熱を発生する
こと等から、水晶デバイスを作動させた際、温度補償用
半導体素子の発する熱が基体と水晶振動子の両者に繰り
返し作用し、その結果、基体と水晶振動子との熱膨張係
数差に起因する熱応力が固定材に繰り返し作用し、固定
材に機械的な破壊を招来して水晶振動子の固定材を介し
ての固定が破れ、水晶デバイスとしての機能が喪失する
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うことができ、かつ酸化
アルミニウム質焼結体から成る基体に水晶振動子を長期
にわたり確実、強固に固定することを可能とした、高精
度かつ長期信頼性に優れた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、上下両面に搭
載部を有し、該各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、該基体上面の搭載部に固定材を介
して固定されている水晶振動子と、前記基体下面の搭載
部に搭載され、前記水晶振動子の温度補償を行う半導体
素子とから成る水晶デバイスであって、前記基体が酸化
アルミニウム質焼結体から成り、かつ前記基体に水晶振
動子を固定する固定材の弾性率が２．８ＧＰａ以下であ
ることを特徴とするものである。

【００１１】また本発明の水晶デバイスは、前記固定材
がゴム粒子を添加したエポキシ樹脂から成ることを特徴
とするものである。

【００１２】本発明の水晶デバイスによれば、酸化アル
ミニウム質焼結体から成る基体に水晶振動子を固定する
固定材として、例えば、ゴム粒子を添加したエポキシ樹
脂等から成る弾性率が２．８ＧＰａ以下のものを使用し
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
の熱応力は固定材を適度に変形させることによって吸収
され、固定材に機械的な破壊が招来することはなく、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。

【００１３】

【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。

【００１４】前記基体１は、酸化アルミニウム質焼結体
から成り、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。

【００１５】前記基体１は、例えば、酸化アルミニウ
ム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の
原料粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー、可塑剤、
分散剤等を添加混合して泥漿状のスラリーとなし、この
スラリーを従来周知のドクターブレード法を採用してシ
ート状となすことにより複数枚のグリーンシート（セラ
ミック生シート）を得、次にこのグリーンシートに適当
な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに上下に
積層し還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成するこ
とによって製作される。

【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８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９を介して接続される。

【００１７】前記配線層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、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金
属材料や、銅中に高融点金属粉末を分散させた金属材料
により形成されており、タングステンから成る場合であ
れば、タングステン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。

【００１８】なお、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が良
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。

【００１９】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（Ｒｍ
ｓ）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８を介して接続する際、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
９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。

【００２０】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（Ｒ
ａ）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
ことによって行われる。

【００２１】前記配線層２のうち基体１上面側の凹部１
ａ表面に露出する部位には水晶振動子５が固定材８を介
して固定されており、該固定材８は例えば、ゴム粒子を
添加したエポキシ樹脂等の弾性率が２．８ＧＰａ以下の
もので形成されている。

【００２２】前記固定材８はその弾性率が２．８ＧＰａ
以下であり、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、その熱応力は固定材
８を適度に変形させることによって吸収され、固定材８
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。

【００２３】前記固定材８はその弾性率が２．８ＧＰａ
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、基体１と水晶振動子５との熱膨張係数差に起因
する熱応力が固定材８に繰り返し作用した場合に固定材
８に機械的な破壊を招来して水晶振動子５の固定材８を
介しての固定が破れ、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、前記固定材８はその弾性率が
２．８ＧＰａ以下のものに特定される。

【００２４】前記弾性率が２．８ＧＰａ以下の固定材８
としては、例えば、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。

【００２５】また前記エポキシ樹脂としては、ビスフェ
ノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ゴム変性型、ウレタ
ン変性型等のエポキシ樹脂、特に未硬化時に粘液状（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固定材
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固定材の弾
性率を２．８ＧＰａ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、未硬化の樹脂組成物の流動性が大きく低下し、水晶
振動子５の電極と配線層２との間に固定材８を均一に介
在させることが困難となり、水晶振動子５を基体１に強
固に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、固定材８の弾性率を２．８ＧＰａ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。

【００２６】前記固定材８は、またその弾性率が０．１
ＧＰａ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の凹部１ａ内の所定位置に確実に接着固
定しておくことが困難となる傾向がある。従って、前記
固定材８はその弾性率を２．８ＧＰａ以下の範囲で、か
つ０．１ＧＰａ以上としておくことが好ましい。

【００２７】なお、前記弾性率が２．８ＧＰａ以下の固
定材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、またはシリコー
ン樹脂等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。

【００２８】また前記水晶振動子５が固定材８を介して
接着固定されている基体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が気密に収容される。

【００２９】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。

【００３０】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１１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１１に金属枠体１２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１２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１２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１２の上面側にバリが形成されることがなく、この
金属枠体１２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１２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。

【００３１】また更に、前記金属枠体１２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１２をロウ付け用メタラ
イズ層１１にロウ材を介して接合する際、ロウ付け用メ
タライズ層１１と金属枠体１２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１２のロウ付け用メタライズ層１
１への接合が強固となる。従って、前記金属枠体１２を
ロウ付け用メタライズ層１１にロウ材を介して強固に接
合させるには金属枠体１２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。

【００３２】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伴って変動する
のを制御し、常に一定とする作用をなす。

【００３３】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９を介して基体１の凹部１
ｂに露出する配線層２に電気的に接続されている。

【００３４】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１
０によつて気密に封止されている。

【００３５】なお、前記半導体素子６の封止は封止樹脂
１０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。

【００３６】かくして上述の水晶デバイスによれば、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。

【００３７】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１３を形成しておくと、この突起
１３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８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。

【００３８】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。

【００３９】

【発明の効果】本発明の水晶デバイスによれば、酸化ア
ルミニウム質焼結体から成る基体に水晶振動子を固定す
る固定材として、例えば、ゴム粒子を添加したエポキシ
樹脂等から成る弾性率が２．８ＧＰａ以下のものを使用
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、
その熱応力は固定材を適度に変形させることによって吸
収され、固定材に機械的な破壊が招来することはなく、
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・・・・・固定材 ９・・・・・導電性接続部材 １０・・・・封止樹脂 １１・・・・ロウ付け用メタライズ層 １２・・・・金属枠体 １３・・・・突起

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上下両面に搭載部を有し、該各搭載部から
   外表面にかけて配線層が導出されている基体と、該基体
   上面の搭載部に固定材を介して固定されている水晶振動
   子と、前記基体下面の搭載部に搭載され、前記水晶振動
   子の温度補償を行う半導体素子とから成る水晶デバイス
   であって、 前記基体が酸化アルミニウム質焼結体から成り、かつ前
   記基体に水晶振動子を固定する固定材の弾性率が２．８
   ＧＰａ以下であることを特徴とする水晶デバイス。
2. 【請求項２】前記固定材がゴム粒子を添加したエポキシ
   樹脂から成ることを特徴とする請求項１に記載の水晶デ
   バイス。