JP6163023B2 - 水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、外部電極が無電解メッキにより形成される水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法に関する。

所定の周波数で振動する水晶振動片を備える表面実装型の水晶デバイスが知られている。水晶デバイスの底面には外部電極が形成されており、水晶デバイスはこの外部電極とプリント基板等とがハンダを介して接合されることによりプリント基板に接合される。しかし、外部電極はハンダに直接接触するため、接合のために加熱されたハンダの熱が外部電極に伝わり、これにより外部電極が剥離し又は外部電極が損傷を受ける場合があった。また、外部電極がハンダに吸収されることにより組成が変わり、損傷を受ける場合があった。

このような問題に対して、例えば特許文献１では、チップ型電子部品の外部電極がニッケルメッキ等の厚膜を含んで形成される旨を示している。また、このように外部電極が厚膜として形成されることにより外部電極が受ける損傷が軽減される旨が示されている。他方、特許文献２では、水晶デバイスの外部電極がニッケルの無電解メッキにより形成される旨を示している。

特開２０００−２５２３７５号公報 特開２０１２−４４１０５号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に示されるようなニッケルのメッキ層を含む外部電極では幾つかの問題がある。第１に、通常の無電解メッキでは、メッキ層に鉛（Ｐｂ）が含まれるという問題がある。欧州連合（ＥＵ）による指令であるＲｏＨＳ指令では鉛の使用が制限されており、外部電極における鉛含有量が１０００ｐｐｍ以下にならなければならない。第２に、水晶デバイスでは落下耐性及び曲げ耐性の基準を満たす必要があるが、単純に外部電極の形成工程において鉛の使用を減らした場合にはこのような基準を満たすことが困難であるという問題がある。

その為、本発明では、外部電極の鉛含有量を少なくすると共に、落下耐性及び曲げ耐性が高く維持された水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

第１観点の水晶デバイスは、表面実装型の水晶デバイスであって、所定の周波数で振動する水晶振動片と、ガラス又は水晶材料で形成され、底面に水晶デバイスを実装するための外部電極が形成され、底面の反対側の面に水晶振動片が載置されるベース板と、を有する。また、外部電極は、ベース板の表面にスパッタにより形成される金属膜と、金属膜の表面に無電解メッキにより形成される無電解メッキ膜と、を含み、無電解メッキ膜が鉛及びビスマスを含有するニッケル層を含む。

第２観点の水晶デバイスは、第１観点において、ニッケル層全体の体積に対する鉛の含有量が９０ｐｐｍから４７０ｐｐｍであり、ビスマスの含有量が５６００ｐｐｍから７０００ｐｐｍである。

第３観点の水晶デバイスは、第１観点及び第２観点において、金属膜が少なくとも、ベース板の表面に形成されるクロム層、クロム層の表面に形成されるニッケルタングステン層、及びニッケルタングステン層の表面に形成される金層を含む。

第４観点の水晶デバイスは、第１観点から第３観点において、無電解メッキ膜が、無電解メッキにより金属膜の表面にパラジウム層が形成され、パラジウム層の表面にニッケル層が形成され、ニッケル層の表面に金層が形成されることにより形成される。

第５観点の水晶デバイスの製造方法は、表面実装型の水晶デバイスの製造方法であって、複数の水晶振動片を用意する工程と、矩形形状に形成された複数のベース板を有するベースウエハを用意する工程と、複数のリッド板を有するリッドウエハを用意する工程と、ベースウエハの一方の主面の水晶デバイスを実装するための外部電極が形成される領域にスパッタにより金属膜を形成する金属膜形成工程と、ベースウエハの他方の主面に複数の水晶振動片を載置する載置工程と、リッドウエハを、水晶振動片が密封されるようにベースウエハの他方の主面に接合する接合工程と、ベースウエハの一方の主面に無電解メッキを施して金属膜の表面にニッケル層を含む無電解メッキ膜を形成する無電解メッキ工程と、を備え、ニッケル層の無電解メッキが鉛及びビスマスを含有するメッキ液にベースウエハを含浸させることにより行い、メッキ液に含まれる鉛の含有量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２０ｍｌ／Ｌであり、ビスマスの含有量が３．００ｍｌ／Ｌである。

第６観点の水晶デバイスの製造方法は、所定の振動数で振動する振動部と、振動部を囲む枠部と、振動部と枠部とを連結する連結部と、を含む複数の水晶振動片を有する水晶ウエハを用意する工程と、矩形形状に形成された複数のベース板を有するベースウエハを用意する工程と、複数のリッド板を有するリッドウエハを用意する工程と、ベースウエハの一方の主面の水晶デバイスを実装するための外部電極が形成される領域にスパッタにより金属膜を形成する金属膜形成工程と、各ベース板の他方の主面に水晶振動片がそれぞれ載置されるように、ベースウエハと水晶ウエハとを接合する載置工程と、リッドウエハを、振動部が密封されるように水晶ウエハに接合する接合工程と、ベースウエハに無電解メッキを施して金属膜の表面にニッケル層を含む無電解メッキ膜を形成する無電解メッキ工程と、を備える。ニッケル層の無電解メッキは鉛及びビスマスを含有するメッキ液にベースウエハを含浸させることにより行い、メッキ液に含まれる鉛の含有量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２０ｍｌ／Ｌであり、ビスマスの含有量が３．００ｍｌ／Ｌである。

第７観点の水晶デバイスの製造方法は、第５観点及び第６観点において、金属膜が少なくとも、ベースウエハの表面に形成されるクロム膜、クロム膜の表面に形成されるニッケルタングステン膜、及びニッケルタングステン膜の表面に形成される金膜を含む。

第８観点の水晶デバイスの製造方法は、第５観点から第７観点において、無電解メッキ工程が、ニッケル層が形成される前に無電解メッキによりパラジウム層が形成され、ニッケル層の表面に無電解メッキにより金層が形成される。

本発明の水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法によれば、外部電極の鉛含有量を少なくすると共に、落下耐性及び曲げ耐性を高く維持することができる。

水晶デバイス１００の分解斜視図である。 （ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図である。 （ｂ）は、図２（ａ）の点線１６１の拡大図である。 水晶デバイス１００の製造方法が示されたフローチャートである。 （ａ）は、ベースウエハＷ１２０の＋Ｙ’軸側の面の平面図である。 （ｂ）は、ベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面の平面図である。 リッドウエハＷ１１０の＋Ｙ’軸側の面の平面図である。 （ａ）は、水晶振動片１３０が載置されたベースウエハＷ１２０の部分断面図である。 （ｂ）は、リッドウエハＷ１１０、水晶振動片１３０、及びベースウエハＷ１２０の部分断面図である。 （ｃ）は、リッドウエハＷ１１０、水晶振動片１３０、及び無電解メッキ膜１５３が形成されたベースウエハＷ１２０の部分断面図である。 （ａ）は、安定剤としての鉛（Ｐｂ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。 （ｂ）は、安定剤としてのビスマス（Ｂｉ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。 （ｃ）は、安定剤としてビスマス（Ｂｉ）が添加されている場合において、さらに安定剤として添加された鉛（Ｐｂ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。 水晶デバイス２００の分解斜視図である。 （ａ）は、図８のＢ−Ｂ断面図である。 （ｂ）は、図９（ａ）の点線１６３の拡大図である。 水晶デバイス２００の製造方法が示されたフローチャートである。 水晶ウエハＷ２３０の平面図である。 （ａ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及びベースウエハＷ２２０の部分断面図である。 （ｂ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及び第２金属膜１５２が形成されたベースウエハＷ２２０の部分断面図である。 （ｃ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及び無電解メッキ膜１５３が形成されたベースウエハＷ２２０の部分断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜水晶デバイス１００の構成＞
図１は、水晶デバイス１００の分解斜視図である。水晶デバイス１００は、リッド板１１０と、ベース板１２０と、水晶振動片１３０と、により構成されている。水晶振動片１３０には例えばＡＴカットの水晶振動片が用いられる。ＡＴカットの水晶振動片は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。以下の説明では、ＡＴカットの水晶振動片の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、水晶デバイス１００においては水晶デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’軸方向として説明する。

水晶振動片１３０は、所定の周波数で振動し、矩形形状に形成される振動部１３４と、振動部１３４の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面に形成された励振電極１３１と、各励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出された引出電極１３２と、を有している。振動部１３４の＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３１から振動部１３４の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側に引き出され、さらに振動部１３４の＋Ｚ’軸側の側面を介して振動部１３４の−Ｙ’軸側の面にまで引き出されている。振動部１３４の−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３１から振動部１３４の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角にまで引き出されている。

ベース板１２０は、水晶材料又はガラスを基材とし、この基材の表面に電極が形成されることにより形成される。ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の周囲には、封止材１４２（図２（ａ）参照）を介してリッド板１１０に接合されるための接合面１２２が形成されている。また、ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の中央には、接合面１２２から−Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１２１が形成されている。凹部１２１には一対の接続電極１２３が形成されており、各接続電極１２３は導電性接着剤１４１（図２（ａ）参照）を介して水晶振動片１３０の引出電極１３２に電気的に接続される。ベース板１２０の−Ｙ’軸側の面である底面には、水晶デバイス１００をプリント基板等へ実装するための外部電極１２４が形成されている。また、ベース板１２０の側面の四隅には、ベース板１２０の内側に凹んだキャスタレーション１２６が形成されており、キャスタレーション１２６の側面には側面電極１２５が形成されている。外部電極１２４は側面電極１２５を介して接続電極１２３に電気的に接続されている。

リッド板１１０は、−Ｙ’軸側の面に＋Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１１１が形成されている。また、凹部１１１を囲むように接合面１１２が形成されている。接合面１１２は封止材１４２（図２（ａ）参照）を介してベース板１２０の接合面１２２に接合される。

図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図である。ベース板１２０の接合面１２２とリッド板１１０の接合面１１２とが封止材１４２を介して接合されることにより、水晶デバイス１００内には密閉されたキャビティ１０１が形成される。水晶振動片１３０はキャビティ１０１内に配置されており、引出電極１３２が導電性接着剤１４１を介してベース板１２０の接続電極１２３に電気的に接合されている。これにより、励振電極１３１は外部電極１２４に電気的に接続される。外部電極１２４は、ベース板１２０の基材の−Ｙ’軸側の面の表面に形成される第１金属膜１５１及び第１金属膜１５１の表面に形成される無電解メッキ膜１５３により構成されている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の点線１６１の拡大図である。図２（ｂ）では、外部電極１２４の拡大断面図が示されている。第１金属膜１５１は、第１層１５１ａ、第２層１５１ｂ、及び第３層１５１ｃの３つの層により形成されている。第１層１５１ａはベース板１２０の基材の表面に形成される層であり、クロム（Ｃｒ）により形成される。クロム（Ｃｒ）はベース板１２０の基材である水晶材料及びガラスに良く密着するため第１層１５１ａの素材として用いられる。また、金属膜１５１の表面に形成される第３層１５１ｃは、金（Ａｕ）により形成される。クロム（Ｃｒ）は水晶材料及びガラスには良く密着するが、ハンダ等にはなじまないため、第１金属膜１５１の表面はハンダ等に良くなじむ金（Ａｕ）で覆われる。さらに、第１金属膜１５１では、第１層１５１ａと第３層１５１ｃとの間に第２層１５１ｂが形成される。第１層１５１ａを構成するクロム（Ｃｒ）は、製造工程中に熱などがかかった場合に他の層に拡散し、クロム（Ｃｒ）とベース板１２０との密着が弱くなる。また、クロム（Ｃｒ）が第１金属膜１５１の表面に拡散した場合には、クロム（Ｃｒ）が酸化して無電解メッキ膜１５３等の成膜が困難になる。このようなクロム（Ｃｒ）の拡散を防ぐために第２層１５１ｂを設け、クロム（Ｃｒ）が金（Ａｕ）層に拡散することが防がれている。

第２層１５１ｂは、例えばニッケルタングステン（Ｎｉ―Ｗ）により形成される。また第２層１５１ｂには、プラチナ（白金、Ｐｔ）等が用いられても良い。無電解メッキ膜１５３を含む電極は、無電解メッキ膜１５３を含まない電極よりも、無電解メッキ膜１５３により生じる応力によりベース板１２０に歪みが生じるため剥離しやすくなる。第１金属膜１５１では第２層１５１ｂが設けられることによりクロム（Ｃｒ）の拡散が防がれており、第１金属膜１５１とベース板１２０の基材との密着が強く保持される。これにより、第１金属膜１５１が容易に剥離することが防がれている。

無電解メッキ膜１５３は、第１金属膜１５１の表面に形成される第１層１５３ａと、第１層１５３ａの表面に形成される第２層１５３ｂと、第２層１５３ｂの表面に形成される第３層１５３ｃとにより形成される。第１層１５３ａはパラジウム（Ｐｄ）の層である。第２層１５３ｂはニッケル（Ｎｉ）の層であり、第３層１５３ｃは金（Ａｕ）の層である。ニッケルで形成される第２層１５３ｂは、外部電極１２４を形成する層の中で最も厚く形成され、その厚さＴＮは例えば約１μｍに形成される。

＜水晶デバイス１００の製造方法＞
図３は、水晶デバイス１００の製造方法が示されたフローチャートである。以下、図３のフローチャートに従って、水晶デバイス１００の製造方法について説明する。

ステップＳ１０１では、複数の水晶振動片１３０が用意される。ステップＳ１０１では、まず水晶材料により形成された水晶ウエハ（不図示）に複数の水晶振動片１３０の外形がエッチング等により形成される。さらに各水晶振動片１３０にスパッタ又は真空蒸着等により励振電極１３１及び引出電極１３２が形成される。複数の水晶振動片１３０は、水晶ウエハに形成された各水晶振動片１３０が、水晶ウエハから折り取られ又は切り離されることにより用意される。

ステップＳ２０１では、ベースウエハＷ１２０が用意される。ベースウエハＷ１２０には複数のベース板１２０が形成される。ベースウエハＷ１２０は水晶材料又はガラスを基材としており、ベースウエハＷ１２０にはエッチングにより凹部１２１及びウエハが切断されてキャスタレーション１２６となる貫通孔１７２（図４（ａ）参照）が形成される。

ステップＳ２０２では、ベースウエハＷ１２０に第１金属膜１５１が形成される。ステップＳ２０２は金属膜形成工程である。ベースウエハＷ１２０に形成される第１金属膜１５１は、図２（ｂ）に示されるように、第１層１５１ａを構成するクロム（Ｃｒ）、第２層１５１ｂを構成するニッケルタングステン（Ｎｉ−Ｗ）、及び第３層１５１ｃを構成する金（Ａｕ）により形成される。これらの層は、スパッタ又は真空蒸着により形成される。ステップＳ２０２では、第１金属膜１５１が形成されることにより、各ベース板１２０に接続電極１２３、側面電極１２５の一部、及び外部電極１２４の一部が形成される。

図４（ａ）は、ベースウエハＷ１２０の＋Ｙ’軸側の面の平面図である。図４（ａ）に示されたベースウエハＷ１２０には複数のベース板１２０が形成されており、各ベース板１２０はＸ軸方向及びＺ’軸方向に並んで形成されている。また、図４（ａ）では、互いに隣接したベース板１２０の境界にスクライブライン１７１が示されている。スクライブライン１７１は後述されるステップＳ４０４でウエハが切断される位置を示す線である。Ｘ軸方向に伸びるスクライブライン１７１と、Ｚ’軸方向に伸びるスクライブライン１７１とが交差する位置には、ベースウエハＷ１２０をＹ’軸方向に貫通する貫通孔１７２が形成されている。貫通孔１７２は、後述されるステップＳ４０４でウエハが切断された後にキャスタレーション１２６となる。また、各ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面には凹部１２１が形成されており、各ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面には接続電極１２３が形成されている。

図４（ｂ）は、ベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面の平面図である。ベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面には、外部電極１２４の一部となる第１金属膜１５１が形成されている。第１金属膜１５１は、ベースウエハＷ１２０のＺ’軸方向に伸びるように形成されている。また、第１金属膜１５１は、貫通孔１７２内にも形成されている。第１金属膜１５１は貫通孔１７２に形成される側面電極１２５を介して接続電極１２３に電気的に接続される。

図３に戻って、ステップＳ３０１では、リッドウエハＷ１１０が用意される。リッドウエハＷ１１０には、複数のリッド板１１０が形成される。各リッド板１１０の−Ｙ’軸側の面には凹部１１１が形成される。

図５は、リッドウエハＷ１１０の＋Ｙ’軸側の面の平面図である。リッドウエハＷ１１０には複数のリッド板１１０が形成され、各リッド板１１０はＸ軸方向及びＺ’軸方向に並んで形成されている。各リッド板１１０の−Ｙ’軸側の面には凹部１１１及び接合面１１２が形成される。図５では、隣接する各リッド板１１０の間が二点鎖線で示されており、この二点鎖線はスクライブライン１７１となる。

ステップＳ４０１では、ベースウエハＷ１２０に水晶振動片１３０が載置される。ステップＳ４０１は載置工程である。水晶振動片１３０は、ベースウエハＷ１２０の各凹部１２１に、導電性接着剤１４１を介して載置される。

図６（ａ）は、水晶振動片１３０が載置されたベースウエハＷ１２０の部分断面図である。図６（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む断面図が示されている。引出電極１３２と接続電極１２３とを導電性接着剤１４１を介して電気的に接続することにより、水晶振動片１３０がベースウエハＷ１２０の凹部１２１に載置される。また、これにより励振電極１３１とベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面に形成される第１金属膜１５１とが電気的に接続される。

ステップＳ４０２では、ベースウエハＷ１２０とリッドウエハＷ１１０とが接合される。ステップＳ４０２は、接合工程である。ベースウエハＷ１２０とリッドウエハＷ１１０とは、ベースウエハＷ１２０の接合面１２２又はリッドウエハＷ１１０の接合面１１２に封止材１４２が塗布された後に、ベースウエハＷ１２０の接合面１２２とリッドウエハＷ１１０の接合面１１２とが封止材１４２を挟んで互いに向かい合うように接合される。

図６（ｂ）は、リッドウエハＷ１１０、水晶振動片１３０、及びベースウエハＷ１２０の部分断面図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）と同様の断面を含む断面図が示されている。リッドウエハＷ１１０とベースウエハＷ１２０とが封止材１４２を介して接合されることにより、密封されたキャビティ１０１が形成される。キャビティ１０１には、水晶振動片１３０が載置される。

ステップＳ４０３では、無電解メッキ膜１５３が形成される。ステップＳ４０３は、無電解メッキ工程である。ステップＳ４０３では、ベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面に形成される第１金属膜１５１の表面に無電解メッキがかけられることにより、リッドウエハＷ１１０の＋Ｙ’軸側の面、ベースウエハＷ１２０の−Ｙ’軸側の面、及び貫通孔１７２の側面に無電解メッキ膜１５３が形成される。

図６（ｃ）は、リッドウエハＷ１１０、水晶振動片１３０、及び無電解メッキ膜１５３が形成されたベースウエハＷ１２０の部分断面図である。図６（ｃ）には、図６（ｂ）と同様の断面が示されている。無電解メッキ膜１５３の形成は、まず図２（ｂ）に示されるように、パラジウム（Ｐｄ）の無電解メッキにより第１層１５３ａが形成され、第１層１５３ａの表面にニッケル（Ｎｉ）の無電解メッキにより第２層１５３ｂが形成され、第２層１５３ｂの表面に金（Ａｕ）の無電解メッキにより第３層１５３ｃが形成されることにより行われる。

ステップＳ４０４では、リッドウエハＷ１１０及びベースウエハＷ１２０が切断される。リッドウエハＷ１１０及びベースウエハＷ１２０は、スクライブライン１７１において、ダイシング等により切断される。

＜無電解メッキにより形成された無電解メッキ膜の評価＞
欧州連合（ＥＵ）では、欧州連合（ＥＵ）による指令であるＲｏＨＳ指令により、水晶デバイスの外部電極の鉛の含有量を１０００ｐｐｍ以下にしなければならないと規定されている。水晶デバイスの無電解メッキは、メッキ液にベースウエハを含浸することにより行われるが、このメッキ液にはメッキ液を安定させるために安定剤が入れられる。市販の安定剤には鉛（Ｐｂ）又はビスマス（Ｂｉ）等が使用されるが、鉛の安定剤が使用された場合には、この鉛が無電解メッキ膜に含まれることにより、外部電極から鉛が検出される。従来の無電解メッキの方法では、鉛の含有量が１０００ｐｐｍを超えてしまい、問題となっている。

一方、水晶デバイスでは、水晶デバイスが落下した場合でも外部電極に剥離が起こらないことが求められる。また、外部電極が厚く形成される場合には、外部電極の収縮などの応力が水晶デバイスに加わり水晶デバイスにクラックなどが生じやすくなる場合があるが、水晶デバイスに曲げ応力がかかった場合でも水晶デバイスにクラックなどが生じないことが求められる。すなわち、水晶デバイスには、外部電極から鉛の含有量を減らすと共に、このような落下耐性及び曲げ耐性を満たすことが求められる。以下の図７（ａ）から図７（ｃ）において、安定剤としての鉛又はビスマスの添加量を変化させて水晶デバイスの落下試験及び曲げ試験を行った結果を示す。ここで、落下試験は、水晶デバイスの６面に対してそれぞれ水晶デバイスを落下させることを１セットとし、これを５０セット行い、最終的に水晶デバイスの外部電極に剥離等の不具合が起きているか否かを確認している。また、曲げ試験では、９０ｍｍの長さの水晶板に外部電極と同様の構成の電極を形成し、この水晶板を３ｍｍ曲げることによって水晶板にクラックが入るか否かの確認を行っている。また、図に示される鉛（Ｐｂ）又はビスマス（Ｂｉ）の添加量は、ニッケルで形成される第２層１５３ｂを形成する際に使用される安定剤としての鉛（Ｐｂ）又はビスマス（Ｂｉ）のメッキ液への添加量を示している。

図７（ａ）は、安定剤としての鉛（Ｐｂ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。図７（ａ）の試験で使用された安定剤には鉛（Ｐｂ）が用いられているが、ビスマス（Ｂｉ）は使用されていない。また、落下試験及び曲げ試験は、それぞれ１０個のサンプルが用意されることにより行われ、各サンプルについて外部電極の剥離及び水晶板へのクラックの有無が判断されている。試験により外部電極の剥離及びクラックが確認された場合には、そのサンプルは不合格となる。また、グラフの横軸には安定剤としての鉛（Ｐｂ）の添加量が示されている。各試験は鉛の添加量が、０．２５ｍｌ／Ｌ、０．５ｍｌ／Ｌ、１．０ｍｌ／Ｌ、２．０ｍｌ／Ｌ、及び３．０ｍｌ／Ｌとなるように行われている。グラフの縦軸には、各試験において不合格となったサンプル数が示されている。

Ｐｂ添加量が０．２５ｍｌ／Ｌの場合には、曲げ試験において、１０個のサンプル中８個のサンプルが不合格になっている。また、曲げ試験においては、Ｐｂ添加量が０．５ｍｌ／Ｌの場合に１０個、Ｐｂ添加量が１．０ｍｌ／Ｌの場合に４個の不合格サンプルが確認されている。一方、落下試験においては、Ｐｂ添加量が０．５ｍｌ／Ｌの場合に１個の不合格サンプルが確認されている。Ｐｂ添加量が２．０ｍｌ／Ｌ及び３．０ｍｌ／Ｌの安定剤を使用した場合には、不合格サンプルは確認されなかった。

図７（ａ）に示されるように、Ｐｂ添加量が３．０ｍｌ／Ｌの安定剤を使用した場合には不合格サンプルは確認されないため、従来はＰｂ添加量が３．０ｍｌ／Ｌの安定剤を使用して無電解メッキを行っていた。しかし、ＩＣＰ発光分光分析又は原子吸光法によりＰｂ添加量が３．０ｍｌ／Ｌの安定剤を使用した場合の無電解メッキにより形成されたニッケル層からは、ＲｏＨＳ指令の基準値である１０００ｐｐｍを超えた６３００ｐｐｍの鉛が検出されている。また、この値を基にＰｂ添加量が２．０ｍｌ／Ｌの安定剤によりニッケル層が形成される場合のニッケル層の鉛の含有量を計算すると、ニッケル層に含まれると予想される鉛の含有量は４２００ｐｐｍとなり、ＲｏＨＳ指令の基準値を超えてしまう。

図７（ｂ）は、安定剤としてのビスマス（Ｂｉ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。図７（ｂ）の試験では安定剤としてビスマス（Ｂｉ）が添加されているが、鉛（Ｐｂ）は添加されていない。図７（ｂ）に示されるように、曲げ試験では図７（ｂ）に示される全ての添加量において不合格サンプルが出ている。また、落下試験においてもＢｉ添加量が１．０ｍｌ／Ｌの場合に１個の不合格サンプルが発生している。

一般的には、安定剤として鉛を使用する代わりにビスマスが使用される場合があるが、水晶デバイスにおいては曲げ試験に合格することができないため、水晶デバイスにおいては鉛の代わりにビスマス使用した安定剤を使用することはできないと考えられる。

図７（ｃ）は、安定剤としてビスマス（Ｂｉ）が添加されている場合において、さらに安定剤として添加された鉛（Ｐｂ）の添加量と落下試験及び曲げ試験における不合格サンプル数との関係が示されたグラフである。図７（ｃ）の試験では安定剤としてビスマス（Ｂｉ）が３．０ｍｌ／Ｌ添加されている。図７（ｃ）では、鉛（Ｐｂ）添加量が０．０ｍｌ／Ｌの場合に落下試験で１個の不合格サンプルが発生し、鉛（Ｐｂ）添加量が０．２５ｍｌ／Ｌの場合に曲げ試験で５個の不合格サンプルが発生している。

一方、図７（ｃ）では、鉛（Ｐｂ）添加量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２ｍｌ／Ｌの範囲で落下試験及び曲げ試験に不合格サンプルが出ていない。そのため、ビスマス（Ｂｉ）添加量が３．０ｍｌ／Ｌ、鉛（Ｐｂ）添加量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２ｍｌ／Ｌの範囲の安定剤は水晶デバイスに用いることができると考えられる。また、この場合の無電解メッキで形成されたニッケル層における鉛の含有量は、安定剤として３．０ｍｌ／Ｌの鉛を使用した場合に６３００ｐｐｍの鉛が検出されたことから計算すると、安定剤としての鉛（Ｐｂ）添加量が０．０５ｍｌ／Ｌの場合に１０５ｐｐｍ、安定剤としての鉛（Ｐｂ）添加量が０．２ｍｌ／Ｌの場合に４２０ｐｐｍとなることが予測される。また、分析の誤差及びサンプルのロット間の誤差等を考慮すると、数値には１割程度の誤差が生じうると考えられる。これらのことより、ニッケル層における鉛の検出量は、鉛（Ｐｂ）添加量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２ｍｌ／Ｌの範囲で約９０ｐｐｍから約４７０ｐｐｍが含まれることが予想される。この範囲はＲｏＨＳ指令の外部電極の鉛の含有量が１０００ｐｐｍ以下の範囲を十分満たすことができる。

また、ビスマス（Ｂｉ）の添加量は、鉛（Ｐｂ）とビスマス（Ｂｉ）との割合を考慮すると、ニッケル層から約６３００ｐｐｍのビスマスが検出されると考えられる。約１割程度の誤差を考慮すると、ビスマスはニッケル層から約５６００ｐｐｍから７０００ｐｐｍの範囲で検出されると考えられる。

以上により、安定剤としてビスマス（Ｂｉ）が３．０ｍｌ／Ｌ添加され、鉛（Ｐｂ）が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２ｍｌ／Ｌの範囲で添加された場合では、落下試験及び曲げ試験に耐えることができるため好ましい。また、この範囲でニッケル層から検出される鉛の予想量は、約９０ｐｐｍから約４７０ｐｐｍの間となり、十分にＲｏＨＳ指令の基準値である１０００ｐｐｍ以内に収まるため好ましい。無電解メッキにより形成されるニッケル層は外部電極全体の９割以上を形成しているため、外部電極全体の鉛の含有量も十分に１０００ｐｐｍ以内に収まると考えられる。

（第２実施形態）
水晶振動片には、振動部の周囲を囲むように枠部が形成された水晶振動片を用いてもよい。以下に枠部を有する水晶振動片が用いられた水晶デバイス２００について説明する。また、以下の説明において、第１実施形態と同じ部分に関しては同一の符号を付してその説明を省略する。

＜水晶デバイス２００の構成＞
図８は、水晶デバイス２００の分解斜視図である。水晶デバイス２００は、リッド板１１０と、ベース板２２０と、水晶振動片２３０と、により構成されている。水晶デバイス２００では、第１実施形態と同様に、水晶振動片２３０にＡＴカットの水晶振動片が用いられている。

水晶振動片２３０は、所定の周波数で振動し、矩形形状に形成される振動部２３４と、振動部２３４の周囲を囲むように形成されている枠部２３５と、振動部２３４と枠部２３５とを連結する連結部２３６と、を有している。振動部２３４と枠部２３５との間には水晶振動片２３０をＹ’軸方向に貫通する貫通溝２３７が形成されており、振動部２３４と枠部２３５とが直接接触しないように形成されている。振動部２３４の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側に連結されている連結部２３６を介して振動部２３４と枠部２３５とは連結されている。また、振動部２３４の＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面には励振電極２３１が形成されており、各励振電極２３１からはそれぞれ引出電極２３２が枠部２３５にまで引き出されている。振動部２３４の＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極２３１から引き出される引出電極２３２は、＋Ｚ’軸側の連結部２３６を介して枠部２３５の−Ｘ軸側に引き出され、さらに枠部２３５の−Ｙ’軸側の面の＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまで引き出されている。振動部２３４の−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極２３１から引き出される引出電極２３２は、−Ｚ’軸側の連結部２３６を介して枠部２３５の−Ｘ軸側に引き出され、枠部２３５の−Ｙ’軸側の面の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角にまで引き出されている。

ベース板２２０には、＋Ｙ’軸側の面の周囲に封止材１４２（図９参照）を介してリッド板１１０に接合される接合面１２２が形成されている。また、ベース板２２０の＋Ｙ’軸側の面の中央には、接合面１２２から−Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１２１が形成されている。ベース板２２０の−Ｙ’軸側の面には外部電極２２４が形成されており、ベース板２２０の側面の角にはキャスタレーション１２６が形成されている。また、接合面１２２のキャスタレーション１２６の周囲には、接続電極２２３が形成されている。接続電極２２３はキャスタレーション１２６に形成される側面電極２２５を介して外部電極２２４に電気的に接続される。

図９（ａ）は、図８のＢ−Ｂ断面図である。水晶デバイス２００は、リッド板１１０の接合面１１２と枠部２３５の＋Ｙ’軸側の面とが封止材１４２を介して接合され、ベース板２２０の接合面１２２と枠部２３５の−Ｙ’軸側の面とが封止材１４２を介して接合される。また、水晶振動片２３０とベース板２２０との接合時に、引出電極２３２と接続電極２２３とが電気的に接合される。これにより、励振電極２３１は外部電極２２４に電気的に接続される。外部電極２２４はベース板２２０の基材の表面に形成される第１金属膜１５１、第１金属膜１５１の表面に形成される第２金属膜１５２、及び第２金属膜１５２の表面に形成される無電解メッキ膜１５３により形成される。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の点線１６３の拡大図である。図９（ｂ）では、外部電極２２４の拡大断面図が示されている。第１金属膜１５１は、第１層１５１ａ、第２層１５１ｂ、及び第３層１５１ｃの３つの層により形成されている。図２（ｂ）で説明されたように、第１層１５１ａはクロム（Ｃｒ）により形成され、第２層１５１ｂはニッケルタングステン（Ｎｉ―Ｗ）等により形成され、第３層１５１ｃは金（Ａｕ）により形成される。

第２金属膜１５２は、第１金属膜１５１の表面に形成される第１層１５２ａ、第１層１５２ａの表面に形成される第２層１５２ｂ、及び第２層１５２ｂの表面に形成される第３層１５２ｃにより形成されている。第１層１５２ａ、第２層１５２ｂ、及び第３層１５２ｃは、それぞれ第１金属膜１５１の第１層１５１ａ、第２層１５１ｂ、及び第３層１５１ｃと同一の構成により形成される。すなわち、第２金属膜１５２と第１金属膜１５１とは同一の層の構成により形成される。

無電解メッキ膜１５３は、第２金属膜１５２の表面に形成される第１層１５３ａと、第１層１５３ａの表面に形成される第２層１５３ｂと、第２層１５３ｂの表面に形成される第３層１５３ｃと、により形成される。第１層１５３ａはパラジウム（Ｐｄ）の層である。第２層１５３ｂはニッケル（Ｎｉ）の層であり、その厚さＴＮは例えば約１μｍに形成される。また、外部電極２２４とハンダ等との接続を確実に行うために、第２層１５３ｂの表面に金（Ａｕ）により第３層１５３ｃが形成される。

＜水晶デバイス２００の製造方法＞
図１０は、水晶デバイス２００の製造方法が示されたフローチャートである。以下、図１１のフローチャートに従って、水晶デバイス２００の製造方法について説明する。

ステップＳ５０１では、水晶ウエハＷ２３０が用意される。水晶ウエハＷ２３０には複数の水晶振動片２３０が形成されている。ステップＳ５０１は、水晶ウエハを用意する工程である。

図１１は、水晶ウエハＷ２３０の平面図である。水晶ウエハＷ２３０には複数の水晶振動片２３０が形成されている。図１１では、互いに隣接した水晶振動片２３０の境界にスクライブライン１７１が示されている。水晶ウエハＷ２３０には、エッチングにより貫通溝２３７が形成され、励振電極２３１及び引出電極２３２が形成されることにより複数の水晶振動片２３０が形成される。

ステップＳ６０１では、ベースウエハＷ２２０が用意される。ベースウエハＷ２２０には、複数のベース板２２０が形成される。ステップＳ６０１は、ベースウエハＷ２２０を用意する工程である。

ステップＳ６０２では、ベースウエハＷ２２０に第１金属膜１５１が形成される。第１金属膜１５１は、図９（ａ）に示されたように、接続電極２２３及び側面電極２２５と外部電極２２４との一部を形成する。ステップＳ６０２は、金属膜形成工程である。

ステップＳ７０１では、リッドウエハＷ１１０が用意される。リッドウエハＷ１１０には、複数のリッド板１１０が形成されている。ステップＳ７０１はリッドウエハＷ１１０を形成する工程である。

ステップＳ８０１では、ベースウエハＷ２２０に水晶ウエハＷ２３０が載置される。ステップＳ８０１は、ベースウエハＷ２２０の各ベース板２２０の＋Ｙ’軸側の面に、水晶ウエハＷ２３０の各水晶振動片２３０が対応して載置されるようにベースウエハＷ２２０と水晶ウエハＷ２３０とを接合する載置工程である。この載置工程では、ベースウエハＷ２２０の接合面１２２が水晶ウエハＷ２３０に形成される枠部２３５の−Ｙ’軸側の面に封止材１４２を介して接合される。

ステップＳ８０２では、水晶ウエハＷ２３０とリッドウエハＷ１１０とが接合される。ステップＳ８０２は、水晶振動片２３０の振動部２３４を密封するように、リッドウエハＷ１１０を、水晶ウエハＷ２３０の＋Ｙ’軸側の面に封止材１４２を介して接合する接合工程である。

図１２（ａ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及びベースウエハＷ２２０の部分断面図である。図１２（ａ）は図８のＢ−Ｂ断面を含む断面図である。ベースウエハＷ２２０は、水晶ウエハＷ２３０の枠部２３５の−Ｙ’軸側の面に封止材１４２を介して接合されている。また、接続電極２２３が引出電極２３２に電気的に接続されている。リッドウエハＷ１１０は、水晶ウエハＷ２３０の枠部２３５の＋Ｙ’軸側の面に封止材１４２を介して接合されている。これによりウエハにキャビティ２０１が形成され、振動部２３４がこのキャビティ２０１に密封される。

ステップＳ８０３では、リッドウエハＷ１１０及びベースウエハＷ２２０に第２金属膜１５２が形成される。

図１２（ｂ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及び第２金属膜１５２が形成されたベースウエハＷ２２０の部分断面図である。第２金属膜１５２は、図９（ｂ）に示されるように、ベースウエハ２２０の−Ｙ’軸側からスパッタ又は真空蒸着によりクロム（Ｃｒ）、ニッケルタングステン（Ｎｉ−Ｗ）、及び金（Ａｕ）の層が形成されることにより形成される。

ステップＳ８０４は、ベースウエハＷ２２０に無電解メッキ膜１５３が形成される。無電解メッキ膜１５３は、ベースウエハＷ２２０に形成される第２金属膜１５２の表面に、無電解メッキにより形成される。

図１２（ｃ）は、水晶ウエハＷ２３０、リッドウエハＷ１１０、及び無電解メッキ膜１５３が形成されたベースウエハＷ２２０の部分断面図である。無電解メッキ膜１５３は、図９（ｂ）に示されるように第１層１５３ａ、第２層１５３ｂ、及び第３層１５３ｃにより形成される。ステップＳ８０４では、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、及び金（Ａｕ）の層がそれぞれ無電解メッキにより形成されることにより、第１層１５３ａ、第２層１５３ｂ、及び第３層１５３ｃが形成される。

ステップＳ８０５では、ベースウエハＷ２２０、リッドウエハＷ１１０、及び水晶ウエハＷ２３０がスクライブライン１７１で切断される。これにより、個々の水晶デバイス２００が形成される。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

例えば、水晶デバイスには発振器が組み込まれて水晶発振器として形成されても良い。また、上記の実施形態では水晶振動片にＡＴカットの水晶振動片である場合を示したが、同じように厚みすべりモードで振動するＢＴカットの水晶振動片などであっても同様に適用できる。

また、水晶デバイス１００では、ステップＳ２０２において第１金属膜１５１の表面にさらに第１金属膜１５１を形成して複数の金属膜を形成しても良く、水晶デバイス２００のように無電解メッキ膜１５３を形成する前に第２金属膜１５２を形成しても良い。水晶デバイス２００ではベース板２２０の外部電極２２４及び側面電極２２５が第１金属膜１５１、第２金属膜１５２、及び無電解メッキ膜１５３により形成されたが、水晶デバイス１００と同様に、第２金属膜１５２を含まず、第１金属膜１５１と無電解メッキ膜１５３とにより形成されても良い。

１００、２００ … 水晶デバイス
１０１ … キャビティ
１１０ … リッド板
１１１ … 凹部
１１２ … 接合面
１２０、２２０ … ベース板
１２１ … 凹部
１２２ … 接合面
１２３、２２３ … 接続電極
１２４、２２４ … 外部電極
１２５、２２５ … 側面電極
１２６ … キャスタレーション
１３０、２３０ … 水晶振動片
１３１、２３１ … 励振電極
１３２、２３２ … 引出電極
１３４、２３４ … 振動部
１４１ … 導電性接着剤
１４２ … 封止材
１７１ … スクライブライン
１７２ … 貫通孔
２３５ … 枠部
２３６ … 連結部
２３７ … 貫通結部
Ｗ１１０ … リッドウエハ
Ｗ１２０ … ベースウエハ

Claims (7)

1. 表面実装型の水晶デバイスであって、
   所定の周波数で振動する水晶振動片と、
   ガラス又は水晶材料で形成され、底面に前記水晶デバイスを実装するための外部電極が形成され、前記底面の反対側の面に前記水晶振動片が載置されるベース板と、を有し、
   前記外部電極は、前記ベース板の表面にスパッタにより形成される金属膜と、前記金属膜の表面に無電解メッキにより形成される無電解メッキ膜と、を含み、
   前記無電解メッキ膜が鉛及びビスマスを含有するニッケル層を含み、前記ニッケル層全体の体積に対する前記鉛の含有量が９０ｐｐｍから４７０ｐｐｍであり、前記ビスマスの含有量が５６００ｐｐｍから７０００ｐｐｍである水晶デバイス。
2. 前記金属膜は少なくとも、前記ベース板の表面に形成されるクロム層、前記クロム層の表面に形成されるニッケルタングステン層、及び前記ニッケルタングステン層の表面に形成される金層を含む請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記無電解メッキ膜は、無電解メッキにより前記金属膜の表面にパラジウム層が形成され、前記パラジウム層の表面に前記ニッケル層が形成され、前記ニッケル層の表面に金層が形成されることにより形成される請求項１又は請求項２に記載の水晶デバイス。
4. 表面実装型の水晶デバイスの製造方法であって、
   複数の水晶振動片を用意する工程と、
   矩形形状に形成された複数のベース板を有するベースウエハを用意する工程と、
   複数のリッド板を有するリッドウエハを用意する工程と、
   前記ベースウエハの一方の主面の前記水晶デバイスを実装するための外部電極が形成される領域にスパッタにより金属膜を形成する金属膜形成工程と、
   前記ベースウエハの他方の主面に前記複数の水晶振動片を載置する載置工程と、
   前記リッドウエハを、前記水晶振動片が密封されるように前記ベースウエハの他方の主面に接合する接合工程と、
   前記ベースウエハの一方の主面に無電解メッキを施して前記金属膜の表面にニッケル層を含む無電解メッキ膜を形成する無電解メッキ工程と、を備え、
   前記ニッケル層の無電解メッキは鉛及びビスマスを含有するメッキ液に前記ベースウエハを含浸させることにより行い、
   前記メッキ液に含まれる前記鉛の含有量が０．０５ｍｌ／Ｌから０．２０ｍｌ／Ｌであり、前記ビスマスの含有量が３．００ｍｌ／Ｌである水晶デバイスの製造方法。
5. 所定の振動数で振動する振動部と、前記振動部を囲む枠部と、前記振動部と前記枠部とを連結する連結部と、を含む複数の水晶振動片を有する水晶ウエハを用意する工程と、
   矩形形状に形成された複数のベース板を有するベースウエハを用意する工程と、
   複数のリッド板を有するリッドウエハを用意する工程と、
   前記ベースウエハの一方の主面の前記水晶デバイスを実装するための外部電極が形成される領域にスパッタにより金属膜を形成する金属膜形成工程と、
   前記各ベース板の他方の主面に前記水晶振動片がそれぞれ載置されるように、前記ベースウエハと前記水晶ウエハとを接合する載置工程と、
   前記リッドウエハを、前記振動部が密封されるように前記水晶ウエハに接合する接合工程と、
   前記ベースウエハに無電解メッキを施して前記金属膜の表面にニッケル層を含む無電解メッキ膜を形成する無電解メッキ工程と、を備え、
   前記ニッケル層の無電解メッキは鉛及びビスマスを含有するメッキ液に前記ベースウエハを含浸させることにより行い、
   前記メッキ液に含まれる前記鉛の含有量は０．０５ｍｌ／Ｌから０．２０ｍｌ／Ｌであり、前記ビスマスの含有量が３．００ｍｌ／Ｌである水晶デバイスの製造方法。
6. 前記金属膜は少なくとも、前記ベースウエハの表面に形成されるクロム膜、前記クロム膜の表面に形成されるニッケルタングステン膜、及び前記ニッケルタングステン膜の表面に形成される金膜を含む請求項４又は請求項５に記載の水晶デバイスの製造方法。
7. 前記無電解メッキ工程は、前記ニッケル層が形成される前に無電解メッキによりパラジウム層が形成され、前記ニッケル層の表面に無電解メッキにより金層が形成される請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の水晶デバイスの製造方法。