JP3929675B2

JP3929675B2 - 圧電振動子

Info

Publication number: JP3929675B2
Application number: JP2000106774A
Authority: JP
Inventors: 宏明植竹; 盛吾福地
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001308673A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話及び携帯情報端末等に用いられる圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の圧電振動子の組立工程では、金属薄膜の電極パターンが形成されたチップ、例えば、水晶（ＳｉＯ₂）からなる音叉型水晶振動片と、その保持器であるプラグのインナーリードの接合に、ハンダや接着剤が用いられている。この工程はマウント工程と呼ばれている。マウント工程の後に、金属製のケースにより気密封止してシリンダタイプの圧電振動子の組立が終了する。図６（ａ）は、音叉型水晶振動子の水晶振動片３３上の金属電極薄膜のパターンを示す模式図である。同図に示すように、通常はプラグとの接合部であるマウントパッド３４、励振のための主電極３８及び側面電極３９からなる電極部３５、マウントパッド３４とこれら主電極３８及び側面電極３９からなる電極部３５を接続するためのリード３６、周波数を調整するための錘部３７の４つの部分がある。これらは、同材質の金属薄膜でチップの表裏に形成される。図６（ｂ）は、水晶振動片３３の片側の振動棒の断面を示しており、水晶振動片３３のＺ面である上下面に主電極３８が、またＸ面である側面には側面電極３９が形成されている。金属薄膜材料としては、図６（ｃ）（図６（ａ）のＣＣ₁部の断面図）に示すように、例えば下地の金属薄膜４０としてはクロム（Ｃｒ）、表面の金属薄膜４１としては金（Ａｕ）等が用いられる。膜厚は両者ともに５００オングストロームから１０００オングストローム前後である。
【０００３】
一方、プラグのインナーリードには、プラグの製造工程で、その表面に予め１０〜１５ミクロンの膜厚のハンダが電解メッキでコーティングされている。プラグとチップをハンダで接合する場合は、インナーリードとマウントパッド３４を位置合わせした後に、インナーリード表面のハンダの膜を加熱した窒素（N₂）等の熱風で溶かし、この溶融したハンダでマウントパッド３４を濡らすことでハンダによる接合が可能となる。
【０００４】
従来のハンダメッキ材料では、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）を、その重量割合が９：１ないし１：９に調合したものが用いられてきた。圧電振動子をリフロープロセスで基板に装着する場合は、後者の鉛の比率が高いいわゆる高温ハンダをメッキ材料として採用していた。しかしながら、ハンダ中の鉛の有害性が広く認識された今日、鉛を取り除き、代わりに銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）、銅（Ｃｕ）等をＳｎに添加したいわゆる鉛フリーハンダが開発されつつあり、圧電振動子も鉛フリーメッキのプラグの採用が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような鉛フリーハンダをメッキ材料として用いたプラグにチップをマウントして完成させた圧電振動子と、従来の鉛を含んだハンダメッキ製のプラグにマウントして完成させた圧電振動子のリフロー前後の周波数変化を、実験により比較した結果、前者のサンプルの方が周波数変化が明らかに大きいことが判明した。
【０００６】
図７は、リフロー実験での振動子の周波数のシフトを示す図である。リフローの温度パターンは、表面実装型の小型電子部品を基板に装着する為に採用される一般的な温度パターンであり、最高温度は２４０℃が約１０秒持続する。今回のサンプルは、このリフロープロセスを２回連続して行った。周波数シフトの許容値は±５ppmである。図７（ａ）は、鉛を含む従来の高温ハンダメッキをプラグに用いたものである。図７（ｂ）は、ＳｎとＣｕの亜共晶合金（Ｃｕの重量割合が６〜７％）のメッキ品である。周波数シフトの値は、（ａ）が−３ppm以内に収まっているのに対して、（ｂ）は数十ppmのものがある。このような大きな周波数変化を引き起こしたサンプルのケースを取り除き、金属電極表面を光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察した結果、マウントパッド部内に留まるべきハンダが、リフローの際の熱で、リード、主電極表面あるいは側面電極表面に拡散していることが観察された。周波数の変化は、拡散により振動子片内の重量バランスがリフローの前後で変化して引き起こされたものと推定された。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、鉛フリーハンダをメッキ材料としたプラグを用いてマウントした圧電振動子のリフロー前後の周波数変化を減少させて、Ｓｎ/Ｐｂハンダメッキを用いて組み立てた従来の圧電振動子のそれと同等の高い周波数安定性を持つ圧電振動子を提供することを課題とする。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の手段は、リード部、主電極部及び側面電極部へハンダメッキ構成材料が拡散するのを防ぐ目的で、電極パターンの一部をエッチングした電極パターンを持つことを特徴とする圧電振動子にある。つまり、圧電振動片に電極用に形成したリードの表面金属薄膜あるいはリードと電極部の一部の表面金属薄膜と、前記圧電振動片の基端部に形成されたマウントパッドの表面金属薄膜との間に、表面金属薄膜の剥離部である溝が形成されることを特徴とする圧電振動子である。
【０００９】
本発明の第２の手段は、マウントパッドの膜構成において、インナーリードに接触する最表面層の膜の下に形成される拡散防止膜となる下地金属薄膜の面積を最表面層の表面金属薄膜よりも大きくし、最表面層とリード部の間にこの拡散防止膜があるように形成したことを特徴とする圧電振動子にある。
【００１０】
かかる本発明では、ハンダ構成材料のリード部及び電極部への拡散が防止され、リフロー工程での周波数変化を規定値以内に十分抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、圧電振動子の概観図であり、金属薄膜の電極パターンが形成されたチップ、その保持器であるプラグ１０と、圧電振動子内部を気密封止する金属製のケース１３からなるシリンダタイプの圧電振動子である。圧電振動子のチップは例えば水晶（ＳｉＯ₂）からなる音叉型の水晶振動片１２である。
【００１３】
プラグ１０はアウターリード２５とインナーリード１１とステム２６からなる。プラグ１０のインナーリード１１には、プラグの製造工程で、その表面に予め１０〜１５ミクロンの膜厚のハンダが電解メッキでコーティングされている。本実施形態ではハンダはＳｎとＣｕの亜共晶合金（Ｃｕの重量割合が６〜７％）の鉛フリーハンダを用いた。マウント工程において、プラグ１０と水晶振動片１２はインナーリード１１と水晶振動片１２上のマウントパッド１４を位置合わせした後に、インナーリード１１の表面のハンダ膜を加熱した窒素（Ｎ₂）等の熱風で溶かし、この溶融したハンダでマウントパッド１４を濡らすことにより接合される。マウント工程の後に、金属製のケース１３をプラグ１０のステム２６に圧入し固定することにより圧電振動子の内部が気密封止される。
【００１４】
図２、図３は、本発明の一実施形態に関わる圧電振動子のチップ上の金属電極薄膜のパターンを示す図である。先にも述べたとおり、圧電振動子のチップは例えば水晶（ＳｉＯ₂）からなる音叉型の水晶振動片１２である。金属電極薄膜は、水晶振動片１２上に下地金属薄膜２０が形成され、下地金属薄膜２０上に表面金属薄膜２１が形成される構成である。
【００１５】
水晶振動片１２の表面に形成される電極パターンは、励振のための主電極及び側面電極からなる電極部１５、マウントパッド１４とこれら主電極１８及び側面電極１９からなる電極部１５を接続するためのリード１６、周波数を調整するための錘部１７の４つの部分がある。これらは、同材質の金属薄膜で水晶振動片１２の表面に形成される。水晶振動片１２のＺ面である上下面に主電極１８が、またＸ面である側面には側面電極１９が形成されている。金属薄膜材料としては、例えば下地金属薄膜２０としてはクロム（Ｃｒ）、表面金属薄膜２１としては金（Ａｕ）等が用いられる。膜厚は両者ともに５００オングストロームから１０００オングストローム前後である。
【００１６】
図２（ａ）は、リード１６のＡｕからなる表面金属薄膜２１をエッチンッグ法により剥離したパターンの模式図である。同図でハッチングした領域が表面金属薄膜２１をエッチングにより剥離し溝２４とした部分（剥離部）である。この剥離工程はマウント工程以前に行う。又、図２（ｂ）に示す様に、水晶振動片１２の側面の表面金属薄膜２１も取り除くことが望ましい。これは、マウント工程において、インナーリード１１とマウントパッド１４の相対位置が若干ずれた場合に、マウントパッド１４の側面にハンダが付着し、これがリフローで拡散して側面電極１９近傍に到達して周波数の変化を引き起こす場合があるからである。図２（ｃ）は図２（ｂ）のＡＡ₁部の断面を示す。同図において、マウントパッド１４とリード１６を形成する表面金属薄膜が互いに離間して存在する。つまり、リード１６の一部の表面金属薄膜２１が剥離され、マウントパッド１４とリード１６との間に溝２４が形成されている。マウントパッド１４と主電極１８及び側面電極１９からなる電極部１５とは、Ｃｒからなる下地金属薄膜２０で接続されている。表面金属薄膜２１をエッチングにより剥離する溝２４の幅（例えば図２（ａ）のｈ）の最小値は、２０ミクロン程度が必要である。一方、剥離する溝２４の幅ｈの最大値は、図３に示すように、振動子の錘部分を除く、主電極１８及び側面電極１９の部分に及ぶことが可能である。
【００１７】
ハンダ構成材料であるＳｎ及びＣｕの拡散の様子を比較するとＡｕの中のほうがＣｒの中の場合より拡散の程度が大きいことが既に知られている。従って、Ａｕを剥離してＣｒの単体の薄膜にすると、リフロー工程中でのハンダ構成材料のリード１６や電極部１５への拡散が減少し、周波数の変化を抑制できる。尚、図３で示される例を採用して、主電極１８及び側面電極１９からなる電極部１５の部分まで表面金属薄膜２１のＡｕ膜を剥離した電極パターンで水晶振動片１２を試作した結果、振動子として重要な電気的特性である共振抵抗値の増加は極微少であり、無視できるものであった。また、高温放置特性や熱衝撃特性等の信頼性事項は全て満たされて、振動子としての特性に全く問題がなかった。図２（ａ）では、リード１６の下地金属薄膜２０はそのまま残した方法を示したが、この下地金属薄膜２０まで剥離し、ハンダメッキ材料の拡散係数が相対的に小さくなるような第３の別材質の導電性薄膜でマウントパッド１４と主電極及び側面電極部を接続しても良い。
【００１８】
図４は、本発明の第２の手段を説明する図である。図４（ａ）は、マウントパッド１４上の表面金属薄膜２１の面積をその下地金属薄膜２０より小さくなるように形成したパターンを示す図である。このように金属薄膜を形成することにより、マウントパッド１４上の表面金属薄膜２１とリード１６の表面金属薄膜２１とが離間し溝２４を形成することになる。図４（ｂ）は、ＢＢ₁Ｂ₂部の断面図である。表面金属薄膜２１の材質をＡｕ、その下地金属薄膜２０をＣｒにすれば、前述した場合と同じ理由により、クロムはハンダ構成材料の拡散防止膜として機能する。下地のクロムからなる下地金属薄膜２０の面積が広いことから、最表面のＡｕからなる表面金属薄膜２１の面積一杯にハンダが濡れた場合でも、リード１６に拡散することがない。この結果、リフロー工程における周波数の変化を抑制することが可能になる。図４（ａ）に示す様にマウントパッド１４とリード１６との間に形成する下地金属薄膜２０の露出部分（溝２４）の寸法ｈ₁は、ＣｒがＡｕよりも２０ミクロン以上外側に広がるように決めることが望ましく、３０ミクロンから４０ミクロンあれば十分である。
【００１９】
金属薄膜２１の面積を金属薄膜２０より小さくする手段は容易であって、例えば成膜後にエッチング法を用いて加工すれば良い。さらに、図４（ｃ）に示すのは、ハンダ流れを改善するための４層構造のマウントパッド１４に本手段を適用した例である。表面金属薄膜２１上に金属薄膜２２を形成し、金属薄膜２２上に金属薄膜２３を形成した。金属薄膜２２、２３はそれぞれＣｒ、Ａｕの場合を示した。最下地のＣｒからなる下地金属薄膜２０によってハンダ構成材料の拡散が同様に防止される。
【００２０】
本発明の第１の手段と第２の手段は、単独に用いてもよいし、同時に用いることも可能である。
【００２１】
金属薄膜の材料は、ここではＡｕとＣｒの例で説明したが、その他の材料の場合も考えられる。
【００２２】
図５に、本発明の効果を定量的に示す。プラグのインナーリード部のハンダメッキ材料は、前節で述べたＳｎとＣｕの亜共晶合金を用いた。リフローの条件は前述と同じで、リフローの温度パターンは、表面実装型の小型電子部品を基板に装着する為に採用される一般的な温度パターンであり、最高温度は２４０℃が約１０秒持続する。このリフロープロセスを２回連続して行った。サンプル数は２０ケである。本発明の第１の手法を単独で用いて形成された電極構造（図３）を用いた場合を示す。リフロー前後での周波数変化量は、全てのサンプルが規定値である±５ppm以内にあり、従来のＳｎ／Ｐｂを用いたハンダメッキのプラグでのサンプルの周波数変化量（図７（ａ））に匹敵する結果が得られている。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、圧電振動子の振動片上に形成される電極薄膜と保持器であるプラグのハンダメッキ材料との間の拡散に着目し、ハンダ構成材料のリード部及び主電極及び側面電極膜中への拡散を防止するパターン及び膜構造を提供している。これにより、従来のＳｎ／Ｐｂハンダメッキ用いた圧電振動子と同等のリフロー安定性をもつ鉛フリーの圧電振動子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の水晶振動子の外観を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る水晶振動子の金属電極薄膜のパターンを示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る水晶振動子の金属電極薄膜のパターンを示す模式図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る水晶振動子のマウントパッドの電極薄膜のパターンを示す図である。
【図５】本発明の水晶振動子のリフロー実験での振動子の周波数のシフトを示す図である。
【図６】従来の水晶振動子の水晶チップ上の金属電極薄膜のパターンを示す模式図である。
【図７】リフロー実験での振動子の周波数のシフトを示す図である。
【符号の説明】
１０プラグ
１１インナーリード
１２水晶振動片
１３ケース
１４マウントパッド
１５電極部
１６リード
１７錘部
１８主電極
１９側面電極
２０下地金属薄膜
２１表面金属薄膜
２２金属薄膜
２３金属薄膜
２４溝
２５アウターリード
２６ステム
３３水晶振動片
３４マウントパッド
３５電極部
３６リード部
３７錘部
３８主電極
３９側面電極
４０下地金属薄膜
４１表面金属薄膜

Claims

圧電振動片と、前記圧電振動片をハンダにより接合するインナーリード部を有するプラグと、圧電振動子内部を気密封止するケースからなる圧電振動子において、
前記圧電振動片に形成されたマウントパッドと主電極及び側面電極を接続するリードが、前記圧電振動片の上面及び側面に渡って所定の幅で表面金属薄膜を除去した溝を有する圧電振動子。
前記所定の幅が、２０μｍ以上である請求項１に記載の圧電振動子。
前記溝と連続して、前記主電極の表面金属薄膜または側面電極の表面金属薄膜の一部が除去されている請求項１または２に記載の圧電振動子。
前記マウントパッドを構成する前記表面金属薄膜の下に位置する下地金属薄膜の面積が、前記表面金属薄膜よりも大きく形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
前記溝の下面に位置する前記下地金属薄膜を、前記下地金属薄膜よりも拡散係数の低い導電性薄膜に代えた請求項１または２に記載の圧電振動子。
前記マウントパッドが複数の表面金属薄膜と下地金属薄膜が重ねあわされた層構造を有し、最下層に形成された前記下地金属薄膜の面積が他の前記表面金属薄膜と前記下地金属薄膜よりも大きい請求項４に記載の圧電振動子。