(57)【要約】【課題】  気密封止型電子部品の無鉛化に対応するとともに、キャップにベースを圧入する際の挿入性と嵌合特性、および外部端子との接続性を低下させることなく、金属膜の剥離が生じることのないより信頼性に優れた気密封止型電子部品を提供する。【解決手段】  金属製のシェル１０に絶縁ガラス１３が充填され、当該絶縁ガラスに金属製のリード端子１１，１２が貫通固定されたベース１と、当該ベースに搭載される電子素子２と、前記ベースに圧入されることにより前記電子素子を気密封止する金属製のキャップ３とからなる気密封止型電子部品であって、前記金属製のシェルと金属製のリード端子には銅またはニッケルの下地層１００を介して、錫銅合金からなる第１層１０１が形成され、その上面に銅からなる第２層１０２が形成されるとともに、ニッケルまたは銀からなる第３層１０３を形成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製のシェルに絶縁ガラスが充填され、当該絶縁ガラスに金属製のリード端子が貫通固定されたベースと、当該ベースに搭載される電子素子と、前記ベースに圧入されることにより前記電子素子を気密封止する金属製のキャップとからなる気密封止型電子部品であって、
前記金属製のシェルと金属製のリード端子には銅またはニッケルの下地層を介して、錫銅合金からなる第１層が形成され、その上面に銅からなる第２層が形成されるとともに、ニッケルまたは銀からなる第３層が形成されてなることを特徴とする気密封止型電子部品。
【請求項２】
前記第１層は銅が１０〜２０ｗｔ％の錫銅合金層からなることを特徴とする特許請求項１記載の気密封止型電子部品。
【請求項３】
前記第３層の上面には、金や銀の第４層が形成されてなることを特徴とする特許請求項１、または特許請求項２記載の気密封止型電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶振動子等の電子部品に関するものであり、特に、キャップにベースが圧入されることにより気密封止され、耐熱性を有する気密封止型電子部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属製のシェルに絶縁ガラスが充填され、当該絶縁ガラスに金属製のリード端子が貫通固定されたベースを用い、当該ベースに円筒状の金属製のキャップを圧入する気密封止構成は、例えばシリンダー型の容器に収納された音叉型水晶振動子等で慣用されている。当該気密封止はベース、キャップのいずれか一方あるいは両者の接合部分に軟質金属を形成し、相対的に若干大きな径の略円柱状のベースに円筒状のキャップを圧入することにより、軟質金属の塑性変形によりシールが行われるものである。
【０００３】
従来の構成は、例えばベースの金属製のシェルの基材はコバールからなり、当該シェルとリード端子の表面に錫と鉛を主成分として含有するはんだめっき層を形成した構成である。また、キャップは洋白等の銅ニッケル系合金から構成されていた。以上の金属膜構成により、ベース側のはんだ層が軟質で、延性に優れているため、両金属が強く密着した状態で圧入されることにより塑性変形し、圧入を容易にしていた。
【０００４】
ところで近年においては、リフローソルダリング環境に対応させる必要があり、２４０〜２７０℃等の高温環境により実装基板への搭載を行うため、この圧入部分および水晶振動片などの電子素子を搭載するインナーリード部分の金属膜構成も耐熱性が要求されるようになっている。
【０００５】
このような要求に対応するためにはんだ組成を例えば鉛９：錫１と鉛含有量を増加させ融点の高いはんだが用いられてきた。しかしながら、鉛は人体に対して有害な物質であるため世界的にその使用を抑制あるいは禁止する傾向にあり、上記はんだ組成はこのような無鉛化の動向に反するものであり、代替品が求められている。
【０００６】
このような無鉛化を考慮した構成が特開２００１−９５８７号（特許文献１）に開示されている。特許文献１においては、リード端子を含むベースとキャップの表面には、錫銅合金などの鉛フリーはんだめっき層が施されており、当該鉛フリーはんだめっき層がシール材料として用いられている。銅の溶融温度は高いため、めっき後のベース、キャップは高温で処理することができ、いわゆる耐熱仕様品に適用することができる。そして温度が比較的低めのものでは、リフローソルダリング環境にも対応させることができる。
【０００７】
しかしながら、鉛フリー高温はんだめっき層では、鉛を含有するはんだめっき層に比べて、外部端子とのろう付け性が低下するおそれがあった。また錫銅合金からなるはんだめっき層では、鉛を含む高温はんだめっき層に比べて、固相温度が上がらずに半溶融状態となり耐熱性に劣ることがある。このため、鉛を含む接合用の高温はんだと合金化して融点を低下させたり、ガスが発生したりすることがあった。
【０００８】
このような錫銅合金からなる鉛フリーはんだによる問題点を考慮した構成が特開２００５−１７５６５４号（特許文献２）に開示されている。つまり特許文献２においては、錫を主成分とするシール層の上面に錫の拡散等を防止するための合金化防止層（ニッケル、クロム、チタン）と、はんだ付けの品質を向上させるための最上層（銀、金）とを形成したものが開示されている。しかしながら、このような構成では、リフローソルダリング環境に対応させた場合、前記シール層と合金化防止層のなじみが悪く、かつ合金化防止層にくらべて溶融温度が低いシール層が先に溶融するため、これらの境界部分にて合金化防止膜より上面の金属膜が一体となって剥離するなどの問題を生じることがあった。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−９５８７号
【特許文献２】特開２００５−１７５６５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、気密封止型電子部品の無鉛化に対応するとともに、キャップにベースを圧入する際の挿入性と嵌合特性、および外部端子との接続性を低下させることなく、金属膜の剥離が生じることのないより信頼性に優れた気密封止型電子部品を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明では、特許請求項１に示すように、金属製のシェルに絶縁ガラスが充填され、当該絶縁ガラスに金属製のリード端子が貫通固定されたベースと、当該ベースに搭載される電子素子と、前記ベースに圧入されることにより前記電子素子を気密封止する金属製のキャップとからなる気密封止型電子部品であって、前記金属製のシェルと金属製のリード端子には銅またはニッケルの下地層を介して、錫銅合金からなる第１層が形成され、その上面に銅からなる第２層が形成されるとともに、ニッケルまたは銀からなる第３層が形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
上記構成により、前記金属製のシェルと金属製のリード端子とが同じ層構成の金属膜とすることで、キャップにベース圧入するためのシール用金属膜とリード端子ではんだ接合するための接合用金属膜とをめっきなどの手法により容易かつ安価に一体形成することができる。
【００１３】
シール用金属膜として錫銅合金からなる第１層を形成することで、錫銅の軟質性により圧入時の気密性確保が有効に機能して圧入後の気密性を低下させることなく、より耐熱性を高め、無鉛化に対応することができる。つまりキャップにベースを圧入する際の挿入性と嵌合特性が優れた耐熱性のある鉛フリーシール材料が得られる。このような錫銅合金からなる第１層の下面には銅またはニッケルの下地層が形成されているので、安定した状態で厚み管理の容易な錫銅合金からなる第１層を形成することができるだけでなく、ベース母材やリード端子母材とのなじみもよくなり密着強度も向上する。電子素子あるいは実装基板へのはんだ付け性も向上させることができる。前記第１層の厚みを５μｍ以上で形成することで、圧入後の気密性を低下させることなく、キャップをベースへ圧入する際の応力を緩和して、よりスムーズな気密封止が行える。前記第１層の厚みを２０μｍ以下に形成することで、第１層が不均一な厚みで形成されることによる、シェルからリード端子側への回り込みをなくすことができるため、電子素子の搭載ずれ、シェルとリード端子のショートを抑制することができる。そして、圧入されたキャップがベースから受ける拡張される応力や、圧入するベースがキャップから受ける締め付けられる応力を最小限度に抑え、キャップやベースの絶縁ガラスにクラックが入るのを防止するので、電子部品の気密不良をなくすことができる。
【００１４】
また接合用金属膜としては、錫銅合金からなる第１層の上面にニッケルまたは銀からなる第３層が形成されているので、接合用のはんだと前記第１層である錫銅合金とが合金化するのを防止しながら耐熱性を向上することができ、さらにリフローソルダリングを行う際に前記第１層からの溶融ガスが発生するのも抑制することができる。このような溶融ガスが電子部品の内部で発生しなくなることで、溶融ガスが電子部品素子へ付着して電気的特性の劣化を招くことがなくなった。特に、電子部品素子が水晶振動素子の場合、電極面に付着して周波数特性の変動を招いたり、直列共振抵抗値（ＣＩ値）の低下を招くがなくなった。前記第３層の厚みを０．０５μｍ以上で形成することで、接合用はんだとの合金化を防ぐ効果が増大し耐熱性が向上する。前記第３層の厚みを５μｍ以下で形成することで、キャップをベースへ圧入する際の応力の影響を緩和することができ、よりスムーズな気密封止が行える。
【００１５】
また錫銅合金からなる第１層と合金化防止層であるニッケルまたは銀からなる第３層との間に第３層より柔らかい銅からなる第２層を形成しているので、接合用のはんだと第１層との合金化を防ぎ、かつキャップをベースへ圧入する際の応力の影響を緩和して、よりスムーズな気密封止が行える。また、前記第１層から第３層までの各層間の密着強度をより一層向上させることができる。つまり、リフローソルダリング環境に対応させた場合であっても、これら金属層の境界部分にて剥離することがない。さらに、錫銅合金からなる第１層と銅からなる第２層の間に拡散が生じて、前記第１層より銅の重量百分率が高い第２の錫銅合金層を形成することができるため、前記第１層と第２層のさらなる密着強度向上にも寄与することができる。前記第２層の厚みを０．５μｍ以上で形成することで、第２の錫銅合金層を形成するための有効領域を確保するとともに、第１層と第３層を隔離膜として有効に機能する。前記第２層の厚みを２μｍ以下に形成することで、圧入されたキャップがベースから受ける拡張される応力や、圧入するベースがキャップから受ける締め付けられる応力を最小限度に抑え、キャップやベースの絶縁ガラスにクラックが入るのを防止するので、電子部品の気密不良をなくすことができる。
【００１６】
結果として、リフローソルダリング環境と無鉛化に対応するとともに、キャップにベースを圧入する際の挿入性と嵌合特性を低下させることなく、金属膜の剥離も生じることのないより信頼性に優れた気密封止型電子部品を提供することができる。
【００１７】
また、特許請求項２に示すように、上述の構成に加えて、前記第１層は銅が１０〜２０ｗｔ％の錫銅合金層としてもよく、この構成により上述の作用効果に加え、シール用金属膜である第１層の液相温度が３００℃以上となるため、耐熱はんだよりも液相温度が高くなり、耐熱はんだとの合金化も起こりにくくなるのでより望ましい。また銅が２０ｗｔ％以下の錫銅合金層とすることで、ベースが硬くなるのを抑制し、圧入するベースがキャップから受ける締め付けられる応力の影響も受けにくくできる。結果としてベースの絶縁ガラスにクラックが入るのを防止するので、電子部品の気密不良をなくすことができる。
【００１８】
また、特許請求項３に示すように、上述の構成に加えて、前記第３層の上面には金や銀の第４層が形成されてもよく、この構成により上述の作用効果に加え、はんだ接合する際のはんだぬれ性が向上して、はんだ付け品質が向上することができる。前記第４層の厚みを０．０１μｍ以上で形成することで、はんだぬれ性を向上させる効果が期待できる。前記第４層の厚みを０．５μｍ以下に形成することで、圧入されたキャップがベースから受ける拡張される応力や、圧入するベースがキャップから受ける締め付けられる応力を最小限度に抑えることができる。またコストを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による気密封止型電子部品によれば、気密封止型電子部品の無鉛化に対応するとともに、キャップにベースを圧入する際の挿入性と嵌合特性、および外部端子との接続性を低下させることなく、金属膜の剥離が生じることのないより信頼性に優れた気密封止型電子部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明による好ましい実施の形態について、圧入封止される気密封止型電子部品として音叉型水晶振動子を例にし、図面を参照して説明する。図１は音叉型水晶振動子の分解した内部構造を示す図であり、図２は本発明の実施形態を示すベース部分の部分拡大図であり、図３は図２の丸部分のさらなる拡大図である。なお、図２については、一方のリード端子部分のみを図示している。
【００２１】
ベース１は、金属製のシェル１０と、当該シェル内に充填された絶縁ガラス１３と、当該絶縁ガラス１３に貫通固定された金属製のリード端子１１，１２とからなる。シェル１０は例えばコバール等を基体としており、上下に貫通した円筒形状を有している。リード端子１１，１２は例えばコバールを基体とし線状に加工され、かつ前記シェル１０に所定の間隔をもって貫通配置されている。絶縁ガラス１３は例えばホウケイ酸ガラスからなり、前記シェル１０とリード端子１１，１２とを各々電気的に独立した状態でシェル内に充填されている。これらシェル１０、リード端子１１，１２、絶縁ガラス１３はガラス焼成技術により一体的に成形される。なお、シェル１０あるいはリード端子１１，１２の金属材料は上記材料に限定されるものではなく、例えばシェルに４２アロイ等の鉄ニッケル系合金を用いてもよい。
【００２２】
この一体成形されたベース１を脱脂、酸洗浄等により金属表面の洗浄や浸炭部分の除去を行い、その後次の金属膜が形成される。ベース表面すなわちシェル１０およびリード端子１１，１２のコバール表面には、例えば厚さ１〜７μｍ程度の銅層からなる下地めっき層１００が電解めっきなどにより形成される。なお、この下地めっき層１００は銅層に限らず厚さ１．５〜５μｍ程度のニッケル層としてもよい。
【００２３】
次に前記下地めっき層１００の上層には銅の重量百分率が１０〜２０ｗｔ％からなる５〜２０μｍの厚みの錫銅合金層（第１層）１０１が形成される。その上面に０．５〜２μｍの厚みの銅層（第２層）１０２と、その上面には０．０５〜５μｍの厚みのニッケル層（第３層）１０３が形成される。その上面には０．０１〜０．５μｍの厚みの金層や銀層（第４層）１０４が形成されている。以上の各層の金属膜はめっき処理により、図２と図３に示すように、ベース１のシェル１０およびリード端子１１，１２表面に上記各金属膜の層が形成される。
【００２４】
次に、リード端子のインナー側１１ａ，１２ａには電子素子である音叉型水晶振動子片２を搭載し、高温はんだあるいは無鉛高温はんだ等のろう材により接合する。より詳しくは音叉型水晶振動子片の主面および側面には図示していないが１対の励振電極が形成されており、それぞれの電極が音叉型水晶振動片下方の基部２１に引き出されている。音叉型水晶振動子片の基部２１をベースのリード端子インナー側１１ａ，１２ａに直立した状態で、かつリード端子に接触した状態で搭載し、リード端子に予め供給された前記ろう材（図示せず）により、基部の電極とリード端子とを電気的機械的に接続する。リード端子のインナー側１１ａ，１２ａとアウター側１１ｂ，１２ｂにはその表面に金層や銀層（第４層）１０４が形成されているためにろう材との接合性が向上する。
【００２５】
キャップ３は例えば洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ系合金）やリン青銅等の金属材からなり、有底の円筒状を有している。キャップ３の外周および内周面には図示しないが厚さ１〜１０μｍのニッケル層がめっき等の手段により形成されている。
【００２６】
なお、当該キャップに形成する金属層は、ニッケルに代えて銀または金を用いてもよいし、ニッケル、銅、銀、金を適宜組み合わせた多層構造であってもよい。また母材（洋白）のまま用いることも可能である。キャップの内径は前記ベースのシェル部分の外径よりも若干小さく設計されており、例えば２〜５％小さな内径寸法に設定されている。このようなキャップにより真空雰囲気中で前記電子素子である音叉型水晶振動子片を被覆し、キャップ開口部をベースに圧入する。圧入により、ベースとキャップが強く密着することにより気密封止され、キャップ内部が真空状態に保たれる。以上により、本発明の実施形態による電子部品の完成となる。
【００２７】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、上記ニッケルからなる第３層１０３に変えて、銀からなる第３層１０３を形成してもよい。すなわちこの構成によれば、前記下地めっき層１００の上層には銅の重量百分率が１０〜２０ｗｔ％からなる５〜２０μｍの厚みの第１の錫銅合金層（第１層）１０１が形成される。その上面に０．５〜２μｍの厚みの銅層（第２層）１０２と、その上面には０．０５〜５μｍの厚みの銀層（第３層）１０３が形成されている。なお、第３層の上面には必要に応じて０．０１〜０．５μｍの厚みの金層（第４層）１０４を形成してもよい。以上の各層の金属膜はめっき処理により、図４と図５に示すように、ベース１のシェル１０およびリード端子１１，１２表面に上記各金属層が形成される。
【００２８】
上記実施形態により、シール用金属膜として銅の重量百分率が１０〜２０ｗｔ％の錫銅合金からなる第１層１０１を形成することで、錫銅の軟質性により圧入時の気密性確保が有効に機能して圧入後の気密性を低下させることなく、より耐熱性を高め、無鉛化に対応することができる。特に、シール用金属膜である第１層の液相温度が３００℃以上となるため、耐熱はんだよりも液相温度が高くなり、耐熱はんだとの合金化も起こりにくくなるのでより望ましい。また銅が２０ｗｔ％以下の錫銅合金層とすることで、ベースが硬くなるのを抑制し、圧入するベースがキャップから受ける締め付けられる応力の影響も受けにくくできる。つまりキャップ３にベース１を圧入する際の挿入性と嵌合特性が優れた耐熱性のある鉛フリーシール材料が得られる。このような錫銅合金からなる第１層１０１の下面には銅またはニッケルの下地層１００が形成されているので、安定した状態で厚み管理の容易な錫銅合金からなる第１層１０１を形成することができるだけでなく、ベース母材やリード端子母材とのなじみもよくなり密着強度も向上する。音叉型水晶振動子片３あるいは実装基板へのはんだ付け性も向上させることができる。
【００２９】
また接合用金属膜としては、錫銅合金からなる第１層１０１の上面にニッケルまたは銀からなる第３層１０３が形成されているので、接合用のはんだと前記第１層１０１である錫銅合金とが合金化するのを防止しながら耐熱性を向上することができ、さらにリフローソルダリングを行う際に前記第１層１０１からの溶融ガスが発生するのも抑制することができる。
【００３０】
また錫銅合金からなる第１層１０１と合金化防止層であるニッケルまたは銀からなる第３層１０３との間に銅からなる第２層１０２を形成しているので、前記第１層１０２と第３層１０３との間に第３層１０３より柔らかい銅からなる第２層１０２を形成しているので、接合用のはんだと第１層１０２との合金化を防ぎ、かつキャップ３をベース１へ圧入する際の応力の影響を緩和して、よりスムーズな気密封止が行える。また、前記第１層１０２から第３層１０３までの各層間の密着強度をより一層向上させることができる。つまり、リフローソルダリング環境に対応させた場合であっても、これら金属層の境界部分にて剥離することがない。さらに、前記第１層１０２と銅からなる第２層１０２の間に拡散が生じて、前記第１層１０２より銅の重量百分率が高い第２の錫銅合金層を形成することができるため、前記第１層と第２層のさらなる密着強度向上にも寄与することができる。
【００３１】
また、前記接合用金属膜の最上面には、銀などの第３層１０３、あるいは金や銀などの第４層１０４が形成されているので、はんだ接合する際のはんだぬれ性が向上して、はんだ付け品質が向上することができる。
【００３２】
なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】音叉型水晶振動子の分解した内部構造を示す図。
【図２】本発明の実施形態を示すベース部分の部分拡大図。
【図３】図２の丸部分の拡大図。
【図４】本発明の他の実施形態を示すベース部分の部分拡大図。
【図５】図４の丸部分の拡大図。
【符号の説明】
【００３４】
１  ベース
２  音叉型水晶振動子片（電子素子）
３  キャップ
１０  シェル
１１，１２  リード端子
１３  絶縁ガラス
１００  下地めっき層
１０１  第１層
１０２  第２層
１０３  第３層
１０４  第４層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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