JP2003101365A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】水晶振動子の発する基準信号が配線層で大きく
減衰する。 【解決手段】水晶振動子５が搭載される搭載部１ａを有
し、該搭載部１ａから外表面にかけて導出される配線層
２を有する基体１と、前記基体１の搭載部１ａに固定材
７を介して固定され、電極が前記配線層２に電気的に接
続されている水晶振動子５と、前記基体１に取着され、
前記水晶振動子５を気密に収容する蓋体３とから成る水
晶デバイスであって、前記基体１が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、配線層
２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、かつ前記固定材７の弾性率が２．４
ＧＰａ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基準源とし
て使用される水晶デバイスは、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なる水晶振動子を、
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、および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、水晶振動子が凹部内に接
着固定されるとともに配線層に電気的に接続され、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、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
に基準信号を伝搬させた場合、基準信号に大きな減衰が
生じ、基準信号を外部電気回路に正確、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、その目的は、水晶振動子の基準信号を外部電気回路
に高速かつ正確、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、水晶振動子が
搭載される搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて
導出される配線層を有する基体と、前記基体の搭載部に
固定材を介して固定され、電極が前記配線層に電気的に
接続されている水晶振動子と、前記基体に取着され、前
記水晶振動子を気密に収容する蓋体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Ｂａ
Ｏ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ₂、１３乃至７２ｍｏ
ｌ％のＢ₂Ｏ₃から成る酸化物焼結体で、配線層が２．５
μΩ・ｃｍ以下の比電気抵抗を有する金属材で形成され
ており、かつ前記固定材の弾性率が２．４ＧＰａ以下で
あることを特徴とするものである。

【００１１】また本発明は、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、基体を１
０乃至６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳ
ｎＯ₂、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８０
０〜１２００℃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（２
０℃）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を伝搬させた場
合、基準信号に大きな減衰が生じることはなく、基準信
号を外部電気回路に正確、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
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２．４Ｇ
Ｐａ以下のものを使用したことから外部環境の変化に伴
い基体と水晶振動子に熱が繰り返し作用し、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。

【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を気密に収容することにより水晶デバイス６が形成
される。

【００１５】前記基体１は、１０乃至６８ｍｏｌ％のＢ
ａＯ、９乃至５０ｍｏｌ％のＳｎＯ ₂、１３乃至７２ｍ
ｏｌ％のＢ₂Ｏ₃から成る酸化物焼結体で形成されてお
り、その上面に水晶振動子５を収容するための空所とな
る凹部１ａが設けてあり、該凹部１ａ内に水晶振動子５
が収容される。

【００１６】また前記基体１は、凹部１ａ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７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に半田等
のロウ材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を形成する酸化物焼結体は、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の基準信号を伝搬させた場合、基準信号に大きな減衰
が生じることはなく、基準信号を外部電気回路に正確、
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１０
ｍｏｌ％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９ｍｏ
ｌ％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１３ｍｏ
ｌ％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％を超えると耐薬品性が低下して水
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内に収容される水晶振動子５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（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を配線層２に固定材
７を介して固定する際、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（Rｍ
ｓ）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（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】前記配線層２はまたその一部（凹部１ａの
内表面に露出している領域）に水晶振動子５が固定材７
を介して固定されており、該固定材７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２．４ＧＰａ以
下のもので形成されている。

【００２７】前記固定材７はその弾性率が２．４ＧＰａ
以下であり、変形し易いことから、外部環境の変化に伴
い基体１と水晶振動子５に熱が繰り返し作用し、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７を適度に変形させることによって吸収され、固定材
７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６の長期信頼性を
高いものとなすことができる。

【００２８】前記固定材７はその弾性率が２．４ＧＰａ
を超えると外部環境の変化に伴って基体１と水晶振動子
５の両者に繰り返し熱が作用すると基体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固定材７
に繰り返し作用し、固定材７に機械的な破壊を招来して
水晶振動子５の固定材７を介しての固定が破れ、水晶デ
バイス６の信頼性が大きく低下してしまう。従って、前
記固定材７はその弾性率が２．４ＧＰａ以下のものに特
定され、１．６ＧＰａ以下のものであることがより一層
好ましい。

【００２９】前記弾性率が２．４ＧＰａ以下の固定材７
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。

【００３０】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
７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７の
弾性率を２．４ＧＰａ以下とすることができる。なお、
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７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７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】前記固定材７は、その弾性率が０．１ＧＰ
ａ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７はその弾性率を、２．４ＧＰａ以下の範囲で、０．
１ＧＰａ以上としておくことが好ましい。

【００３２】なお、前記弾性率が２．４ＧＰａ以下の固
定材７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。

【００３３】また前記水晶振動子５が固定材７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、水晶デバイス６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の凹部１ａ周囲に枠状のロウ付け用メタライズ層８
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８に金属枠体９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９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９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９の上面側
にバリが形成されることがなく、この金属枠体９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９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９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９をロウ付け用メタライズ
層８にロウ材を介して接合する際、ロウ付け用メタライ
ズ層８と金属枠体９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９のロウ付け用メタライズ層８への接合が強
固となる。従って、前記金属枠体９をロウ付け用メタラ
イズ層８にロウ材を介して強固に接合させるには金属枠
体９の下面と側面との間の角部に曲率半径が４０〜８０
μｍの丸みを形成しておくことが好ましい。

【００３７】かくして上述の水晶デバイス６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は
所定の振動数で振動し、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。

【００３８】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１０を形成しておくと、この突起
１０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７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。

【００３９】また上述の水晶デバイス６では基体１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６にも適用し得る。

【００４０】

【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、該焼結体の焼成温度が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を伝搬させた場合、基準信号に
大きな減衰が生じることはなく、基準信号を外部電気回
路に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。

【００４１】また本発明の水晶デバイスによれば、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２．４Ｇ
Ｐａ以下のものを使用したことから外部環境の変化に伴
い基体と水晶振動子に熱が繰り返し作用し、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 ２・・・・・配線層 ３・・・・・蓋体 ４・・・・・容器 ５・・・・・水晶振動子 ６・・・・・水晶デバイス ７・・・・・固定材 ８・・・・・ロウ付け用メタライズ層 ９・・・・・金属枠体 １０・・・・突起

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶振動子が搭載される搭載部を有し、該
   搭載部から外表面にかけて導出される配線層を有する基
   体と、前記基体の搭載部に固定材を介して固定され、電
   極が前記配線層に電気的に接続されている水晶振動子
   と、前記基体に取着され、前記水晶振動子を気密に収容
   する蓋体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５０
   ｍｏｌ％のＳｎＯ₂、１３乃至７２ｍｏｌ％のＢ₂Ｏ₃か
   ら成る酸化物焼結体で、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
   記固定材の弾性率が２．４ＧＰａ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。