JP2002290191A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基体上での水晶振動子および半導体素子の固定
が破れ、長期信頼性および温度補償の精度が低い。 【解決手段】 上面に搭載部を有する第１基体１ａと、
該第１基体１ａの搭載部に固定されている水晶振動子５
と、下面に搭載部を有する第２基体１ｂと、該第２基体
１ｂの搭載部に固定され、前記水晶振動子５の温度補償
を行なう半導体素子６と、前記第１基体１ｂの下面と第
２基体１ａの上面とを接合する接合材８とから成る水晶
デバイスであって、前記第１基体１ａの線熱膨張係数が
１４×１０ ^-6／℃乃至２０×１０^-6／℃（４０〜４００
℃）、第２基体１ｂの線熱膨張係数が２×１０^-6／℃乃
至８×１０^-6／℃（４０〜４００℃）であり、かつ前記
接合材８の弾性率が４ＧＰａ以下である

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導
電性接着材等の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
容し、接着材を介して接着固定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導電性
接着材としては、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、水晶振動子の線熱膨張係数が約１８×
１０^-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線熱膨張係
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固定材が硬質のエポキシ樹脂
と導電性粉末とから成り変形しにくいこと、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線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】そこで、上記欠点を解消するため、基体の
線熱膨張係数を水晶振動子の線熱膨張係数に近似するよ
うに高くし、基体と水晶振動子との間に大きな熱応力が
生じることを防止するという手段が考えられる。

【００１０】しかしながら、基体の線熱膨張係数を水晶
振動子に近似するように高くした場合、線熱膨張係数が
約２．５×１０^-6／℃（４０〜４００℃）と低いシリコ
ンから成る半導体素子と、基体との間で線熱膨張係数の
差が非常に大きくなり、基体と半導体素子との間に両者
の線熱膨張係数差に起因して大きな熱応力が生じ、この
熱応力により、硬くて脆い半導体素子や、半導体素子を
基体に接着する接着材に機械的な破壊が発生し、半導体
素子が正常に作動しなくなって半導体素子による水晶振
動子の温度補償ができなくなり、水晶デバイスとしての
信頼性が大きく低下してしまう、という問題が誘発され
る。

【００１１】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、水晶振動子と基体との間の線熱膨張
係数差を小さくし、水晶振動子を基体に長期にわたって
良好に接着固定しておくことを可能とするとともに半導
体素子で水晶振動子の温度補償を長期にわたって行なう
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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上面に搭載部
を有する第１基体と、該第１基体の搭載部に固定されて
いる水晶振動子と、下面に搭載部を有する第２基体と、
該第２基体の搭載部に固定され、前記水晶振動子の温度
補償を行なう半導体素子と、前記第１基体の下面と第２
基体の上面とを接合する接合材とから成る水晶デバイス
であって、前記第１基体の線熱膨張係数が１４×１０^-6
／℃乃至２０×１０^-6／℃（４０〜４００℃）、第２基
体の線熱膨張係数が２×１０^-6／℃乃至８×１０^-6／℃
（４０〜４００℃）であり、かつ前記接合材の弾性率が
４ＧＰａ以下であることを特徴とするものである。

【００１３】本発明によれば水晶振動子が固定される第
１基体の線熱膨張係数を１４×１０ ^-6／℃乃至２０×１
０^-6／℃（４０〜４００℃）とし、水晶振動子の線熱膨
張係数（１８×１０^-6／℃：４０〜４００℃）に近似さ
せたことから水晶振動子と第１基体に熱が作用したとし
ても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その
結果、水晶振動子を第１基体に強固に接着固定すること
を可能とするとともに水晶振動子を安定に作動させるこ
とができる。

【００１４】また本発明によれば水晶振動子の温度補償
を行なう半導体素子が固定される第２基体の線熱膨張係
数を２×１０^-6／℃乃至８×１０^-6／℃（４０〜４００
℃）とし、半導体素子の線熱膨張係数（２．５×１０^-6
／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから半導体素
子と第２基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱
応力が発生することはなく、その結果、半導体素子を第
２基体に強固に接着固定することを可能とするとともに
半導体素子によって水晶振動子の温度補償を長期間にわ
たり正確に行なうことができる。

【００１５】更に本発明によれば、第１基体と第２基体
とを接合する接合材の弾性率を４ＧＰａ以下としたこと
から、第１基体と第２基体との間の線熱膨張係数の差に
起因して、両者間に大きな熱応力が発生したとしても、
その熱応力は接合材を適度に変形させることによって効
果的に吸収され、第１基体、第２基体または第１基体と
第２基体とを接合する接合材に機械的な破壊が生じるこ
とを有効に防止することができるとともに水晶振動子と
半導体素子との接続を完全とし、これによって水晶デバ
イスの長期信頼性を高いものとなすことができる。

【００１６】

【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、１ａは第１基体、１ｂは第２基体、２ａ、２ｂ
は配線層、３は蓋体、５は水晶振動子、６は半導体素
子、８は接合材である。

【００１７】この第１基体１ａに水晶振動子５を、第２
基体１ｂに半導体素子６をそれぞれ気密に固定収容する
とともに第１基体１ａと第２基体１ｂとを接合材８を介
し接着することによって水晶デバイス７が形成される。

【００１８】前記第１基体１ａは、ガラスセラミック焼
結体や結晶性ガラス等から成り、その上面に凹部Ａが設
けてあり、該凹部Ａ内には水晶振動子５が収容される。

【００１９】前記第１基体１ａはその線熱膨張係数が１
４×１０^-6／℃乃至２０×１０^-6／℃（４０〜４００
℃）であり、水晶振動子５の線熱膨張係数（約１８×１
０−⁶／℃：４０〜４００℃）に近似することから、第
１基体１ａの凹部Ａ内に水晶振動子５を固定収容した
後、両者に熱が作用しても両者間に大きな熱応力が発生
することはなく、その結果、水晶振動子５を第１基体１
ａの凹部Ａ内に確実、強固に固定することができる。

【００２０】前記線熱膨張係数が１４×１０^-6／℃乃至
２０×１０^-6／℃（４０〜４００℃）の第１基体１ａ
は、具体的には、例えば、酸化バリウムを５〜６０重量
％含有するガラスと、４０〜４００℃における線熱膨張
係数が８×１０^-6／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィ
ラーとからなり、前記ガラスおよび／またはフィラー中
にジルコニウム（Ｚｒ）化合物をＺｒＯ₂換算で０．１
〜２５重量％の割合で含有させたガラスセラミック焼結
体が好適に使用される。

【００２１】前記ガラスセラミック焼結体は、ガラス成
分として酸化バリウムを５〜６０重量％含有するガラス
を用いることが大事である。この酸化バリウム含有ガラ
スは低軟化点であり、比較的高い熱膨張係数を有してい
るために、ガラス量を少なく、かつ高熱膨張のフィラー
を多く添加することが可能であり、高い線熱膨張係数を
有する焼結体が容易に得られる。酸化バリウムの量を５
〜６０重量％の範囲とするのは、５重量％より少ないと
ガラスの低軟化点化が困難となるとともに線熱膨張係数
が低くなり、高熱膨張のガラスセラミック焼結体を作製
するのが難しく、６０重量％より多いとガラス化が困難
であり、特性が不安定となりやすく、また耐薬品性が著
しく低下してしまうためである。特に酸化バリウムの量
は２０〜４０重量％が望ましい。

【００２２】またこのガラス中には鉛（Ｐｂ）を実質的
に含まないことが望ましい。鉛は毒性を有するため製造
工程中での被毒を防止するための格別な装置および管理
を必要とするために焼結体を安価に製造することができ
なくなるためである。鉛が不純物として不可避的に混入
する場合を考慮すると、鉛の含有量は０．０５重量％以
下であることが望ましい。

【００２３】更にこのガラスの４０〜４００℃における
線熱膨張係数が７×１０^-6／℃〜１８×１０^-6／℃特に
８×１０^-6／℃〜１３×１０^-6／℃であることが望まし
い。これは線熱膨張係数が上記範囲を逸脱するとフィラ
ーとの熱膨張差が生じ、ガラスセラミック焼結体の強度
の低下の原因になるためである。

【００２４】また更に、前記酸化バリウム含有ガラスの
屈伏点は、４００〜８００℃、特に４００〜７００℃で
あることが望ましい。これは酸化バリウム含有ガラスお
よびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂
等の成形用バインダーを添加するが、このバインダーを
効率的に除去するとともに第１基体１ａと同時に焼成さ
れる後述する配線層２ａとの焼成条件のマッチングを図
るため必要であり、屈伏点が４００℃より低いとガラス
が低い温度で焼結が開始されるために、例えば、銀（Ａ
ｇ）、銅（Ｃｕ）等の焼結開始温度が６００〜８００℃
の配線層２ａとの同時焼成ができず、また成形体の緻密
化が低温で開始するためにバインダーは分解揮散できな
くなりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼす結果
になるためである。また屈伏点が８００℃より高いとガ
ラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、高価なガ
ラスを大量に必要とするために焼結体のコストを高める
ことになる。

【００２５】前記の特性を満足するガラスとしては、前
記酸化バリウム以外に、少なくとも酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ₂）を２５〜６０重量％の割合で含み、残部が酸化ホ
ウ素（Ｂ₂Ｏ₃）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化
カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、
酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の群から
選ばれる少なくとも１種によって構成される。

【００２６】一方、前記ガラスと組み合わせるフィラー
成分としては、４０〜４００℃における線熱膨張係数が
８×１０^-6／℃以上の金属酸化物を少なくとも含有する
ことが焼結体の高熱膨張化を図る上で大事である。線熱
膨張係数が８×１０^-6／℃以上の金属酸化物を含有しな
いと、ガラスセラミック焼結体の線熱膨張係数を１４×
１０^-6／℃以上に高めることができないためである。

【００２７】このような線熱膨張係数が８×１０^-6／℃
以上の金属酸化物としては、クリストバライト（ＳｉＯ
₂）、クォーツ（ＳｉＯ₂）、トリジマイト（Ｓｉ
Ｏ₂）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ウオ
ラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂）、モンティセラナイ
ト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ネフェリン（Ｎａ₂Ｏ
・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂）、メルビナイト（３ＣａＯ・Ｍ
ｇＯ・２ＳｉＯ₂）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ
・２ＳｉＯ₂）マグネシア（ＭｇＯ）、カーネギアイト
（Ｎａ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、エンスタタイト
（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ
₄Ｏ₁₀）、ヒスイ（Ｎａ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・４ＳｉＯ₂）の
群から選ばれる少なくとも一種以上が挙げられる。これ
らの中でも、クリストバライト、クォーツ、トリジマイ
ト等のＳｉＯ₂系材料やフォルステライト、エンスタタ
イトの群から選ばれる一種が高熱膨張化を図る上で望ま
しい。

【００２８】前記ガラスとフィラーは、焼成温度や最終
的に得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張特性など
の目的に応じて適当な比率で混合される。前記酸化バリ
ウム含有ガラスは、フィラー無添加では収縮開始温度は
７００℃以下で、８５０℃以上では溶融してしまい、配
線層２ａ等を配設することができない。しかし、フィラ
ーを混合することにより焼成過程において結晶の析出が
起こり、フィラー成分を液相焼結させるための液相を適
切な温度で形成させることができる。また、成形体全体
の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフ
ィラーの含有量の調整により配線層２ａとの同時焼成条
件のマッチングを図ることができる。

【００２９】前記ガラスとフィラーの比率は前記ガラス
粉末を２０〜８０体積％と、フィラー粉末を８０〜２０
体積％との割合とすることが好適である。このガラスと
フィラー成分の量を上記の範囲とするのはガラス成分量
が２０体積％より少ない、言い換えればフィラーが８０
体積％より多いと液相焼結することが難しく、焼成温度
が高くなり、配線層２ａとの同時焼成時に配線層２ａが
溶融してしまう恐れがある。またガラスが８０体積％よ
り多い、言い換えるとフィラーが２０体積％より少ない
と焼結体の特性がガラスの特性に大きく依存してしま
い、材料特性の制御が困難となるとともに、焼結開始温
度が低くなるために配線層２ａとの同時焼成が難しくな
るという問題が生じる。またガラス量が多いために原料
のコストも高くなる傾向にある。

【００３０】また、フィラー成分量は、酸化バリウムの
屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。
すなわち、ガラスの屈伏点が４００〜７００℃と低い場
合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は４
０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対し
て、ガラスの屈伏点が７００〜８００℃と高い場合、焼
結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体積
％と比較的少なく配合することが望ましい。

【００３１】更に前記ガラスセラミック焼結体は、前記
フィラー成分中および／またはガラス成分中にジルコニ
ウム化合物（Ｚｒ化合物）を酸化ジルコニウム（ＺｒＯ
₂）換算で０．１〜２５重量％の割合で含有させておく
ことが大事である。前記Ｚｒ化合物は酸化バリウム含有
ガラスに溶融し、ガラスの耐酸化性を高める作用をな
し、これによってガラスセラミック焼結体の耐薬品性を
向上させることができるとともに酸性溶液あるいはアル
カリ性溶液での処理後のガラスセラミック焼結体の外観
の変化や配線層２ａの被着強度の劣化を抑制することが
可能となる。

【００３２】前記Ｚｒ化合物としては、例えば、ＺｒＯ
₂、ＺｒＳｉＯ₄、ＣａＯ・ＺｒＯ₂、ＺｒＢ₂、ＺｒＰ₂
Ｏ₇、ＺｒＢの群から選ばれる少なくとも一種が挙げら
れる。このＺｒ化合物は化合物粉末としてフィラー成分
中の一成分として混合する。この場合、添加時のＺｒ化
合物、特にＺｒＯ₂のＢＥＴ比表面積によって、ガラス
セラミック焼結体の耐薬品性が変化する傾向にあり、Ｂ
ＥＴ比表面積が２５ｍ ²／ｇ以上であることが望まし
く、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ²／ｇよりも小さいと耐薬
品性の改善効果が小さくなる傾向にある。また他の配合
形態としては、ガラス粉末として酸化バリウム（Ｂａ
Ｏ）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）以外の成分として酸化ジル
コニウム（ＺｒＯ₂）を含有するガラスを用いてもよ
い。

【００３３】なお、前記Ｚｒ化合物を上記範囲としたの
は、０．１重量よりも少ないと耐薬品性の改善効果が低
く、２５重量％よりも多いと線熱膨張係数が１４×１０
^-6／℃よりも低くなるためである。特にＺｒ化合物はＺ
ｒＯ₂換算で０．２〜１０重量％が望ましい。

【００３４】その他に、着色成分として、酸化クロム、
酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケルの群から選
ばれる少なくとも１種を配合してもよい。

【００３５】前記ガラスセラミック焼結体は上記のよう
に調合されたガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、
適当な成形の有機樹脂バインダーを添加した後、ドクタ
ーブレード法や圧延法、金型プレス法等の成形手段によ
り任意の形状、例えば、シート状に成形し、しかる後、
焼成することによって製作される。

【００３６】また前記第１基体１ａは、凹部Ａの表面か
ら外表面にかけて配線層２ａが導出されており、配線層
２ａの凹部Ａ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、外
表面に導出された部位は外部電気回路基板の配線導体や
後述する第２基体１ｂの配線層２ｂと接続される。

【００３７】前記配線層２ａは凹部Ａ内に固定収容され
る水晶振動子を外部電気回路基板の配線導体や第２基体
１ｂに固定収容される半導体素子６に電気的に接続する
作用をなし、銅、銀、ニッケル、パラジウム、金のうち
の一種以上から成る金属材料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、第１
基体１ａ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。

【００３８】なお、前記配線層２ａは、その露出する表
面をニッケル、銅、金等の耐食性およびロウ材の濡れ性
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２ａ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２ａ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
導体等に対する配線層２ａ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
ａは、その露出する表面をニッケル、銅、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０．１〜３μ
ｍの金めっき層で被覆しておくことが好ましい。

【００３９】また前記配線層２ａの表面をニッケル、
銅、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を配線層２
ａに固定材９を介して接着する際、その位置決め等の作
業が容易となる。従って、前記配線層２ａの表面をニッ
ケル、銅、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。

【００４０】更に前記配線層２ａの表面を被覆するニッ
ケル、銅、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（Rｍ
ｓ）を１．８μｍ以下とするには配線層２ａ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２ａ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、ニッケルメッキ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。

【００４１】更にまた配線層２ａには水晶振動子５が固
定材９を介して接着固定され、同時に水晶振動子５の電
極が配線層２ａに電気的に接続される。

【００４２】前記固定材９は、一般に、銀粉末等の導電
性粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に添加すること
によって形成されており、配線層２ａ上に水晶振動子５
を、未硬化の熱硬化性樹脂に導電性粉末を添加して成る
未硬化の固定材を介して、位置決めセットし、未硬化の
熱硬化性樹脂を加熱硬化することによって水晶振動子５
を凹部Ａ内の所定位置に固定するとともに水晶振動子５
の電極を配線層２ａに電気的に接続する。

【００４３】前記水晶振動子５が固定材９を介して接着
固定されている第１基体１ａはまたその上面に蓋体３が
取着され、これによって第１基体１ａ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。

【００４４】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。

【００４５】更に前記蓋体３の第１基体１ａ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
て行なう方法や、シーム溶接等の溶接法により行なうこ
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、第１基体１ａ上面の凹部Ａ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。

【００４６】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１
２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。前記水晶振動子５が固定収容されている第１
基体１ａの下方には半導体素子６を固定収容する第２基
体１ｂが配されている。

【００４７】前記第２基体１ｂは、酸化アルミニウム質
焼結体や、ムライト質焼結体等から成り、その下面に凹
部Ｂが設けてあり、該凹部Ｂ内には水晶振動子５の温度
補償を行なう半導体素子６が収容される。

【００４８】前記第２基体１ｂは、その線熱膨張係数が
２×１０^-6／℃乃至８×１０^-6／℃（４０〜４００℃）
であり、半導体素子６の線熱膨張係数（シリコン：約
２．５×１０^-6／℃：４０〜４００℃）に近似すること
から、第２基体１ｂの凹部Ｂ内に半導体素子６を収容す
るとともに接着材１０を介して接着固定した後、両者に
熱が作用しても両者間に大きな熱応力が発生することは
なく、その結果、半導体素子６を第２基体１ｂの凹部Ｂ
内に確実、強固に固定することができる。

【００４９】前記線熱膨張係数が２×１０^-6／℃乃至８
×１０^-6／℃（４０〜４００℃）の第２基体１ｂは、具
体的には、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結
体、窒化アルミニウム質焼結体、ホウ珪酸ガラス−酸化
アルミニウム系のガラスセラミック焼結体等から成り、
例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれ
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。

【００５０】また前記第２基体１ｂは、凹部Ｂの表面か
ら外表面にかけて配線層２ｂが導出されており、配線層
２ｂの凹部Ｂ表面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１１を介し
て接続され、外表面に導出された部位は第１基体１ａの
配線層２ａや外部電気回路基板の配線導体に接続され
る。

【００５１】前記配線層２ｂは凹部Ｂ内に固定収容され
る半導体素子６を外部電気回路基板の配線導体や第１基
体１ａに固定収容される水晶振動子５に接続する作用を
なし、タングステンやモリブデン、マンガン等の金属材
料により形成されており、タングステン等の粉末に適当
な有機溶剤、有機バインダー等を添加混合して得た金属
ペーストを第２基体１ｂとなるグリーンシートの表面に
スクリーン印刷法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。

【００５２】なお、前記配線層２ｂは、その露出する表
面をニッケル、銅、金等の耐食性およびロウ材の濡れ性
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２ｂ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２ｂ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
導体等に対する配線層２ｂ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
ｂは、その露出する表面をニッケル、銅、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０．１〜３μ
ｍの金めっき層で被覆しておくことが好ましい。

【００５３】前記第２基体１ｂはまたその下面に設けた
凹部Ｂに前記水晶振動子５の温度補償を行なうための半
導体素子６が収容固定されており、該半導体素子６は水
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、水晶振動子５の振動周波数を常に一定とする
作用をなす。

【００５４】前記半導体素子６は、ロウ材、ガラス、有
機樹脂等の接着材１０を介して第２基体１ｂの下面に設
けた凹部Ｂの底面に接着固定されており、また半導体素
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１１を介して第２基体１の凹部Ｂに露出する配線層２
ｂに電気的に接続されている。

【００５５】なお前記第２基体１ｂの凹部Ｂ内に収容さ
れている半導体素子６は凹部Ｂ内に充填させた封止樹脂
１４によって気密に封止されている。

【００５６】また、前記半導体素子６の封止は封止樹脂
１４で行なうものに限定されるものではなく、第２基体
１ｂの下面に蓋体を、凹部Ｂを塞ぐように取着させるこ
とによって行なってもよい。

【００５７】更に前記水晶振動子５を固定収容する第１
基体１ａと半導体素子６を固定収容する第２基体１ｂと
は弾性率が４ＧＰａ以下の接合材８を介して接合されて
いる。

【００５８】前記接合材８はその弾性率が４ＧＰａ以下
で、軟質、変形し易いことから第１基体１ａと第２基体
１ｂに半導体素子６が作動時に発する熱等が繰り返し作
用し、第１基体１ａと第２基体１ｂに半導体素子６が作
動時に発する熱等が繰り返し作用し、第１基体１ａと第
２基体１ｂとの間に両者の線熱膨張係数差に起因して大
きな熱応力が繰り返し発生したとしてもその熱応力は接
合材８を適度に変形させることによって吸収され、その
結果、第１基体１ａと第２基体１ｂとの間に外れや第１
基体１ａ、第２基体１ｂ等に機械的な破壊が生じること
はなく、第１基体１ａに収容する水晶振動子５と第２基
体１ｂに収容する半導体素子６とを確実に電気的接続し
ておくことができる。

【００５９】なお、前記接合材８は、その弾性率が４Ｇ
Ｐａを超えると変形し難くなり、第１基体１ａと第２基
体１ｂとの間に発生する熱応力を効果的に吸収すること
ができず、第１基体１ａや第２基体１ｂ、または接合材
８に機械的破壊を招来し、水晶振動子５を収容する容器
４の気密が破れる等の不具合を生じて水晶デバイスとし
ての機能を喪失してしまう。従って、前記接合材８は、
その弾性率が４ＧＰａ以下に特定される。

【００６０】前記弾性率が４ＧＰａ以下の接合材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が好適に使用され、また前記エポキ
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接合材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接合材８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、接合材８の保形性が
大きく低下し、第１基体１ａと第２基体１ｂとを強固に
接合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、接
合材８の弾性率を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。

【００６１】また前記接合材８は、その弾性率が１ＧＰ
ａ未満になると、変形し易くなりすぎるため第１基体１
ａと第２基体１ｂとを確実、強固に接合することが困難
となる傾向がある。従って、前記接合材８はその弾性率
を、４ＧＰａ以下の範囲で、かつ１ＧＰａ以上としてお
くことが好ましい。

【００６２】上記接合材８による第１基体１ａと第２基
体１ｂとの接合は、未硬化のエポキシ樹脂にゴム粒子を
添加した未硬化の接合材を介して第１基体１ａと第２基
体１ｂとを位置決めセットし、未硬化のエポキシ樹脂を
加熱硬化させることにより行なうことができる。

【００６３】なお、前記弾性率が４ＧＰａ以下の接合材
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にシリカ等のフィラー
成分を添加した樹脂組成物により形成してもよい。

【００６４】かくして上述の水晶デバイス７によれば、
配線層２ａ、２ｂ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。

【００６５】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２ａの一部に突起１５を形成しておくと、この突
起１５がスペーサーとなって配線層２ａ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２ａに
極めて強固に接着固定することができる。

【００６６】また上述の水晶デバイス７では第１基体１
ａ上面に凹部Ａを設け、該凹部Ａ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
第１基体１ａ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。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば水晶振動子が固定される
第１基体の線熱膨張係数を１４×１０ ^-6／℃乃至２０×
１０^-6／℃（４０〜４００℃）とし、水晶振動子の線熱
膨張係数（１８×１０^-6／℃：４０〜４００℃）に近似
させたことから水晶振動子と第１基体に熱が作用したと
しても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、そ
の結果、水晶振動子を第１基体に強固に接着固定するこ
とを可能とするとともに水晶振動子を安定に作動させる
ことができる。

【００６８】また本発明によれば水晶振動子の温度補償
を行なう半導体素子が固定される第２基体の線熱膨張係
数を２×１０^-6／℃乃至８×１０^-6／℃（４０〜４００
℃）とし、半導体素子の線熱膨張係数（２．５×１０^-6
／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから半導体素
子と第２基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱
応力が発生することはなく、その結果、半導体素子を第
２基体に強固に接着固定することを可能とするとともに
半導体素子によって水晶振動子の温度補償を長期間にわ
たり正確に行なうことができる。

【００６９】更に本発明によれば、第１基体と第２基体
とを接合する接合材の弾性率を４ＧＰａ以下としたこと
から、第１基体と第２基体との間の線熱膨張係数の差に
起因して、両者間に大きな熱応力が発生したとしても、
その熱応力は接合材を適度に変形させることによって効
果的に吸収され、第１基体、第２基体または第１基体と
第２基体とを接合する接合材に機械的な破壊が生じるこ
とを有効に防止することができるとともに水晶振動子と
半導体素子との接続を完全とし、これによって水晶デバ
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】

１ａ・・・・・第１基体 １ｂ・・・・・第２基体 Ａ・・・・・・凹部 Ｂ・・・・・・凹部 ２ａ、２ｂ・・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・・・・・・接合材 ９・・・・・・固定材 １０・・・・・接着材 １１・・・・・導電性接続部材 １２・・・・・ロウ付け用メタライズ層 １３・・・・・金属枠体 １４・・・・・封止樹脂 １５・・・・・突起

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上面に搭載部を有する第１基体と、該第１
   基体の搭載部に固定されている水晶振動子と、下面に搭
   載部を有する第２基体と、該第２基体の搭載部に固定さ
   れ、前記水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子と、
   前記第１基体の下面と第２基体の上面とを接合する接合
   材とから成る水晶デバイスであって、 前記第１基体の線熱膨張係数が１４×１０^-6／℃乃至２
   ０×１０^-6／℃（４０〜４００℃）、第２基体の線熱膨
   張係数が２×１０^-6／℃乃至８×１０^-6／℃（４０〜４
   ００℃）であり、かつ前記接合材の弾性率が４ＧＰａ以
   下であることを特徴とする水晶デバイス。