(57)【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キャップとからなる電子部品において、
少なくとも前記金属製のシェル外周にはニッケル層または銅層が形成され、当該ニッケル層上に銀層が形成されるか、または当該銅層上に銀層が形成され、当該銀層上に金層が形成されていることを特徴とする気密封止型電子部品。
【請求項２】
前記リード端子にも、ニッケル層または銅層が形成され、当該ニッケル層上に銀層が形成されるか、または当該銅層上に銀層が形成され、当該銀層上に金層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の気密封止型電子部品。
【請求項３】
前記金層の厚さが０．０５μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の気密封止型電子部品。
【請求項４】
前記銀層の厚さが５μｍ〜１５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の気密封止型電子部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は水晶振動子等の電子部品に関するものであり、特に無鉛化に対応するとともに耐熱性に優れた気密封止型の電子部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属製のシェルに絶縁ガラスが充填され、当該絶縁ガラスにリード端子が貫通固定された気密ベースを用い、当該気密ベースに円筒状のキャップを圧入する気密封止構成は、例えば特公昭５８−４７０８３号で開示されているように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、その表面にニッケルあるいは銅層がメッキ等の手段により形成され、さらにその表面に錫層を形成した構成である。また、キャップは洋白等の鉄ニッケル系合金からなり、少なくともベースと圧接される領域には鉛１：錫９比率の半田が形成されていた。以上の構成により、ベース側の錫やキャップ側の半田層が軟質であるため、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でてきた。すなわち、リフローソルダリングにおいては、２４０〜２６０℃の高温環境により実装基板への搭載を行うため、この圧入部分の金属構成も耐熱性が要求されるようになった。
【０００５】
このような要求に対応するために半田組成を例えば鉛９：錫１と鉛含有量を増加させ融点を上げた半田が用いられてきた。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る。上記半田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た。
【０００６】
このような無鉛化を考慮した構成が特開２００１−６８１９４号に開示されており、この中で無鉛化されたろう材として錫−銀系合金あるいは錫−ビスマス系合金が例示されている。しかしながらこのような合金は表面に酸化層が形成されやすく、軟質金属による気密性能が極端に低下することがあった。また本公開公報には、ろう材の表面に酸化防止用の錫膜を形成した旨も開示されているが、錫膜の融点は２２０℃であり、上述のリフローソルダリング温度よりも融点が低く、気密性低下をまねくおそれがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、圧入後の気密性を低下させることなく無鉛化に対応することを１つの目的とするとともに、耐熱性に優れた気密封止を行う電子部品を提供することをもう１つの目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は請求項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キャップとからなる電子部品において、少なくとも前記金属製のシェル外周にはニッケル層または銅層が形成され、当該層上に銀層が形成され、当該銀層上に金層が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
前記ニッケル層または銅層は、その上部に形成される銀層の膜形成強度を向上させ、膜の安定性を高める。当該銀層はその軟質性において従来用いられていた錫には劣るが、ある程度の軟質性を有し、圧入時に必要な塑性変形を発生させることができる。また銀は周知のとおり融点が高く、銀を圧入時のシール材として用いた電子部品においては、これが比較的高い温度条件（例えば２６０〜２８０℃）のリフローソルダリング環境にさらされた場合でも、シール材の溶融等による不具合が発生することはない。また当該銀層の上部に形成された金層は下の銀層の酸化を防止するとともに、良好な延性により圧入をスムーズに進めることができ、また気密性を向上させることができる。
【００１０】
なお、前述のとおり銀は従来用いられていた錫に較べて軟質性に劣るが、これはベースに対するキャップの圧入時の製造精度を向上させることにより、不具合発生を防止することができる。例えばキャップが圧入されるベースの微視的な傾き、位置ずれを極力排除する高精度な治具を用いたり、またキャップ側の圧入方向の微視的な位置ずれを排除する高精度な装置、治具を用いることにより圧入時の不具合を無くすことができる。
【００１１】
また請求項２に示すように、請求項１記載の構成において、前記錫層および銀層および金層の構成をリード端子に形成してもよい。最上層の金層によりリード端子の酸化を防止でき、実装基板への半田付け性を向上させることができる。
【００１２】
また請求項３に示すように、上記各構成において、前記金層を０．０５μｍ〜１μｍの厚さで形成するとよい。金層が０．０５μｍ以下の場合であると、銀の酸化防止作用が機能しにくくなり、銀の酸化層が形成されると銀の軟質性が低下し、また表面の平滑性も損なわれてくる。このような表面状態で圧入を行うと銀の塑性変形による気密性が低下し、例えば内部を真空に保つ必要のある音叉型水晶振動子に適用した場合、気密性の低下によりＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が悪化し、振動子としての機能が極端に低下するというように、封止の信頼性が低下する。金層の厚さが１μｍ以上となると気密性能の向上はあまり認められず、金を用いることによるコスト高が顕著となる。また金層が厚くなるとリード端子部分を半田等の接合材にて接合する際、接合材中に金が拡散して接合材が脆くなることが知られている。よって、このような観点からも金層を厚くしすぎると好ましくなく、性能対価格あるいは性能品質の確保を考慮すれば金層の厚さは０．０５μｍ〜１μｍが好ましい。
【００１３】
さらに請求項４に示すように、銀層の厚さを５μｍ〜１５μｍとするとよい。銀層は、前述のとおりある程度の軟質性を有し、圧入時に必要な塑性変形を発生させ気密封止性能を高めることができ、また耐熱性にも優れているという利点を有している。銀層を５μｍ未満とした場合、銀による塑性変形領域（厚さ）が少なくなり、下部の金属層の状態が平滑でない等の場合、当該金属層の影響を銀層が受け、たとえ上述のように精度良く圧入を行った場合でも、気密封止性能は十分ではなくなることがある。５μｍ以上にすると下部の金属層の影響をあまり受けなくなり、気密封止性能が安定する。
【００１４】
また銀層の厚さをあまり厚くするのも好ましくない。すなわち、例えば銀層をメッキ等により形成していくと、図３に示すように徐々にベースの面部分ｔ１に対し角部分ｔ２の厚みが増え、膜厚を厚くするにつれてこの現象が顕著になる。なお、図３にはベース部分の断面図であり、上記現象を強調して記載した模式図である。このような表面状態で圧入を行うと圧入時のキャップの歪み、破損等につながり、結果として気密封止性能を低下させてしまうことになる。銀層の厚さを１５μｍ以下とすることにより、このような現象による気密封止性能低下を防ぐことができる。以上から銀層の厚さは５〜１５μｍとすることが好ましい範囲といえる。
【００１５】
次に本発明品と従来品について、各性能について比較確認を行った。用いたサンプルは下記従来品、本発明品、比較品各５０個であり、確認した性能は、気密性、半田付け性、耐熱（耐リフローソルダリング）性能である。気密性はヘリウムリーク試験により確認した。すなわち、各々メッキ処理したベースに水晶振動素子（電子素子）を搭載し、キャップにて気密封止（圧入）した水晶振動子をヘリウムリーク試験により気密性能を確認した。試験前後で特性変化（周波数変化、ＣＩ値変化等）が所定基準内のものを良品（○）、平均的には所定基準内であるがバラツキが大きく製造条件によっては基準外となるものを境界品（△）、所定基準外のものを不良品（×）とした。
【００１６】
半田付け性は半田ぬれ性試験により確認した。水晶振動子の外部リード端子を所定条件で半田槽に浸漬し、浸漬部分のぬれ割合（ぬれ面積割合）について観察した。ぬれ割合が８５％以上のものを良品（○）とし、特にぬれ割合が９５％以上のものを優良品（◎）とした。またぬれ割合が７５％以下のものを不良品（×）とした。
【００１７】
また耐熱（耐リフローソルダリング）性能は所定条件（例えばリフローソルダリング環境の２４０〜２６０℃）の加熱による特性変化（周波数変化、ＣＩ値変化等）の有無により確認した。試験前後で特性変化が所定基準内のものを良品（○）、所定基準外のものを不良品（×）とした。
【００１８】
試験結果を表１に示す。
【表１】
0003558129.tif 000002
【００１９】
いずれの金属膜もベースのシェルおよびリード端子に形成した。従来品１はＰｂ９：Ｓｎ１含有の耐熱半田を１２μｍ形成したもので、従来品２はＳｎを５μｍ、その上にＡｇを３μｍ形成したもの、従来品３はＳｎを５μｍ、その上にＡｇを８μｍ形成したものである。また、本発明品１はＮｉを３μｍ、その上にＡｇを５μｍ、その上にＡｕを０．０５μｍ形成したもの、本発明品２はＮｉを３μｍ、その上にＡｇを５μｍ、その上にＡｕを１μｍ形成したもの、本発明品３はＮｉを３μｍ、その上にＡｇを８μｍ、その上にＡｕを０．０５μｍ形成したもの、本発明品４はＮｉを３μｍ、その上にＡｇを８μｍ、その上にＡｕを１μｍ形成したもの、本発明品５はＮｉを２μｍ、その上にＡｇを１５μｍ、その上にＡｕを０．０５μｍ形成したもの、本発明品６はＮｉを２μｍ、その上にＡｇを１５μｍ、その上にＡｕを１μｍ形成したものである。比較品１はＮｉを５μｍ、その上にＡｇを２μｍ、その上にＡｕを０．０５μｍ形成したもの、比較品２はＮｉを５μｍ、その上にＡｇを２μｍ、その上にＡｕを１μｍ形成したもの、比較品３はＮｉを５μｍ、その上にＡｇを５μｍ、その上にＡｕを０．０３μｍ形成したもの、比較品４はＮｉを２μｍ、その上にＡｇを１８μｍ、その上にＡｕを０．０５μｍ形成したもの、比較品５はＮｉを３μｍ、その上にＡｇを５μｍ、その上にＡｕを２μｍ形成したものである。
【００２０】
上記実験結果から、従来品は半田付け性あるいは耐熱性に劣っており、実用に供することは好ましくない。これに対して本発明品は気密性、半田付け性、耐熱性とも良好な試験結果を得ており、特に半田付け性については９５％以上の半田ぬれ性を示しており、極めて良好であることを示している。また比較品１〜４はいずれも半田付け性、耐熱性は良好であるが気密性のバラツキが大きく、やや信頼性に欠いていることが理解できる。また比較品５は上記各特性については良好であるが、前述したように金のコスト高と、金による接合材への悪影響が出る可能性が高くなる。
【００２１】
【実施例】
本発明の実施例について、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は図１のベース部分の部分拡大図である。
【００２２】
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に貫通固定されたリード端子１１，１２とからなる。シェル１０は例えばコバールあるいは鉄ニッケル系合金を基体としており、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ガラス焼成技術により一体的に成形される。
【００２３】
この一体成形されたベースを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、その後次の金属被膜が形成される。シェルおよびリード端子のコバール表面には、ニッケル層あるいは銅層１０１が２〜５μｍの厚さで形成され、その上面には銀層１０２が５〜１５μｍの厚さで形成される。またその上面には金層１０３が０．０５〜１μｍの厚さで形成される。これら各金属被膜形成はバレルメッキを用いるとよい。バレルメッキは被膜形成対象物を投入したバレルをメッキ浴に浸漬し、バレルを回転させることにより電解メッキを効率的に行うことができ、またバッチ処理が可能であることから、量産性にも優れている。
【００２４】
このようなメッキ処理により、ベースのシェルおよびリード端子表面に上記各金属層が形成される。そして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が半田等により接合される。音叉型水晶振動子片２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、それぞれの電極がリード端子部分に引き出され、前記インナー側のリード端子１１ａ，１２ａと導電接合される。
【００２５】
キャップ３は洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ系合金）からなり、有底の円筒状を有している。キャップの外周および内周面にはニッケル層３１がメッキ等の手段により形成されている。なお、当該キャップに形成する金属層は、ニッケルに代えて銅または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。キャップの内径は前記ベースのシェル部分よりも若干小さく設計されており、例えば２〜５％小さな内径に設定されている。このようなキャップを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ことにより、ベースとキャップが強く密着しキャップ内部が真空状態に保たれた気密封止を行うことができる。
【００２６】
以上により、リード端子のアウター側１１ｂ、１２ｂには表面に薄い金層が形成された電子部品を得ることができ、これにより実装基板への半田付けも半田付け性が低下することなく、スムーズな実装を行うことができる。なお電子素子をリード端子に接合する半田および電子部品を実装基板に接合する半田も無鉛のもので、かつ耐熱性に優れた材料を用いることにより、電子部品のトータルとしての無鉛化、耐熱性対応の電子部品を得ることができる。
【００２７】
また、上記構成においてニッケルあるいは銅層と銀層間に両者の合金層を形成してもよい。合金層の形成は例えばニッケルあるいは銅層、そして銀層を順次メッキ形成した後、例えば２１０℃の真空雰囲気中にて数時間の加熱により拡散処理を行うとよい。合金層領域は拡散処理時間により制御することができる。
【００２８】
当該合金層を形成することにより、ニッケルあるいは銅層と銀層との膜形成強度が向上し、圧入時の気密封止性能を向上させることができる。なお、金層は上記拡散処理後に形成すればよい。
【００２９】
なお、上記実施例においては、真空封止を行う音叉型水晶振動子を例示したが、不活性ガス雰囲気で気密封止したものに適用したり、他の振動モードの水晶振動子に適用することも可能である。またさらには、水晶振動子以外の圧電素子あるいは他の電子素子の気密封止に適用することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、銀層がベースに強固に膜形成されるとともに、圧入時に前記銀層が塑性変形し、必要な気密封止性能を確保する。また金層により銀層の酸化を防止するとともに、圧入時の気密性確保が有効に機能し、良好な延性により圧入をスムーズに進めることができる。さらにいずれの金属材料も耐熱性に優れており、比較的高い温度条件（例えば２６０〜２８０℃）のリフローソルダリングにも対応させることができ、適用温度範囲を大きく拡大することができる。またすべて鉛を用いない材料でベースに対する金属層を構成しているので、無鉛化にも対応することができる。よって、圧入後の気密性を低下させることなく無鉛化に対応するとともに、耐熱性に優れた気密封止を行う電子部品を得ることができる。
【００３１】
また請求項２によれば、上記効果に加えて最上層の金層によりリード端子の酸化を防止でき、実装基板への半田付け性を向上させることができる。
【００３２】
また請求項３によれば、気密性の確保とコストを考慮した好ましい気密封止を行った電子部品を得ることができる。
【００３３】
さらに請求項４によれば、必要な気密性を確実に得ることのできる好ましい気密封止を行った電子部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【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】図１のベース部分の部分拡大図。
【図３】膜形成の不具合状態を示すベースの部分断面図。
【符号の説明】
１  ベース
１０  シェル
１１，１２  リード端子
１３  絶縁ガラス
【図１】
0003558129.tif 000003
【図２】
0003558129.tif 000004
【図３】
0003558129.tif 000005