(57)【要約】【課題】  圧入のためのめっきを改善し耐熱性と耐衝撃性や長期信頼性に優れたシリンダー形の圧入封止型水晶振動子ならびにその製造方法を提供する。【解決手段】  ステムおよびリードのめっきを、上から表面保護層１６、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層１５、無鉛Ｓｎ合金層１４、下地層１３の順に形成する。【選択図】  図１
2009049850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のステムと、前記ステム内を貫通するように配置されるリードと、前記ステム内に充填されて前記リードを前記ステム内に固定・支持する充填材とでなる気密端子と、
前記リードのうち、前記ステムの一方の端面側から突出している部分である内部リードに接合材により接合された水晶振動片と、
前記内部リード及び前記水晶振動片を覆うように、前記ステムの外周面に圧入された有底筒型のケースと、
を有する水晶振動子において、
前記ステム及び前記リードにめっきが形成され、
前記めっきが、下地層と、前記下地層の上に形成された無鉛Ｓｎ合金層と、前記無鉛Ｓｎ合金層の上に形成されてＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層と、前記耐熱バリア層の上に形成された表面保護層とを有することを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記めっきは、前記耐熱バリア層と前記無鉛Ｓｎ合金層との間に形成された中間密着層を有することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記表面保護層はＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記中間密着層はＣｕであることを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子。
【請求項５】
前記耐熱バリア層の厚みは１μｍから５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項６】
前記接合材はＡｕであることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項７】
筒状のステムと、前記ステム内を貫通するように配置されるリードと、前記ステム内に充填されて前記リードを前記ステム内に固定・支持する充填材とでなる気密端子と、
前記リードのうち、前記ステムの一方の端面側から突出している部分である内部リードに接合材により接合された水晶振動片と、
前記内部リード及び前記水晶振動片を覆うように、前記ステムの外周面に圧入された有底筒型のケースと、
を有する水晶振動子の製造方法において、
前記ステム及び前記リードに、下地層を形成し、前記下地層の上に無鉛Ｓｎ合金層を形成し、前記無鉛Ｓｎ合金層の上にＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層を形成し、前記耐熱バリア層の上に表面保護層を形成することにより、前記ステム及び前記リードにめっきを形成することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
【請求項８】
前記めっきの形成において前記無鉛Ｓｎ合金層と前記耐熱バリア層との間に中間密着層を形成することを特徴とする請求項７に記載の水晶振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダー形水晶振動子の圧入封止のためのめっきとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は、電子機器の基準発振源や、マイクロコンピュータのクロック源などとして用いられている。この水晶振動子の小型のものとしてシリンダー形で圧入封止型の水晶振動子が製造されている。
【０００３】
このシリンダー形水晶振動子は、図４に長手方向で切断して見た平面図として示すように、気密端子１と水晶振動片２とケース３とを主要部材として構成されている。気密端子１は、円筒状のステム４と、このステム４内を貫通するリード６と、ステム４内に充填されてリード６をステム４内に固定するガラスよりなる充填材５とにより構成されている。リード６は充填材５により２つの部分に分離され、一方（内部リード６ａ）は導電性の接合材８により電極７を通じて水晶振動片２と接合されている。
【０００４】
ケース３は、一端面が開口し、他端面が閉塞した有底円筒形であり、洋白（Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金）の表面にＮｉめっきしたものである。このケース３は、内部リード６ａ及び水晶振動片２を内部に収納するように、真空中にて、ケース３の開口端面側がステム４の外周面に圧接するようにステム４に圧入されている。封止状態で水晶振動子の外部に出るリードの部分（外部リード６ｂ）は、回路基板等との接合に使用される。
【０００５】
図５は気密端子１のリード６を通る面での詳細な断面図であり、ステム４はステム下地金属１０とその表面に形成されためっき１２よりなり、リード６はリード下地金属１１とその表面に形成されためっき１２よりなる。ステム下地金属１０は４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）であり、リード下地金属１１はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）よりなる。
【０００６】
リード下地金属１１の表面のめっき１２は、充填材５に囲まれた部分を除く内部リード６ａと外部リード６ｂに形成される。この内部リード６ａと外部リード６ｂは、ステムのめっきと同時にめっき付けするのがコスト的に有利なため、ステムの圧入のためのめっきと同じめっきが同時に形成される。
【０００７】
めっき１２は圧入封止に重要な役割をもち、圧入には固相接合で軟らかく低応力でよく延びる金属が利用される。ケース３に気密端子１が圧入されるとステム４に形成されためっき１２が圧接され、気密封止を実現している。そのようなめっきとして従来は、Ｐｂを主成分とする高融点はんだが使用されていた。なお、圧入のための軟質金属を主構成層とするめっき１２は、ケース３に形成することも可能であるが、この場合、圧入による金属削り粉が気密封止内に入るという問題が生じやすい。
【０００８】
シリンダー形水晶振動子は、このままあるいは樹脂封止して直方体形状に成形し表面実装型圧電振動子とされ、はんだによって回路基板に接合される。ところが近年有害物質の使用禁止が要求され、はんだにおいても無鉛化が要求されるようになり、シリンダー形の圧入封止型水晶振動子においても圧入のためのめっきの無鉛化が進められている。
【０００９】
ここで回路基板への接合（主としてリフローはんだ付け）のためのはんだも無鉛化され、この場合にはたとえばＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを代表とするような無鉛はんだが使用される。この無鉛はんだの融点は２２０℃付近であり、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの１８３℃よりかなり高くなっている。
【００１０】
このため圧入部およびリード部に形成されるめっきは、無鉛化、圧入性、耐熱性（耐リフロー性）、めっき形成性などが要求されることとなる。なかでも圧入には軟らかく、低応力で高延性を示す金属が求められ、Ｐｂ以外ではＳｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどが考えられるが、Ｐｂとともに再結晶温度が低く、めっきを形成しやすい無鉛Ｓｎ合金が主流となっている（たとえば特許文献１参照）。
【００１１】
無鉛Ｓｎ合金は、回路基板のはんだ付けにも使用されているため、耐熱性（耐リフロー性）の向上が必要となる。耐熱性は、圧入部のリークでは問題になることは少ないが、特に内部リードと水晶振動片の接合（内部接合）において重要となる。
【００１２】
内部リードと水晶振動片は、はんだ、導電接着剤、バンプなどの導電性の接合材により電気的導通と機械的固定を目的とする接合が行われるが、この接合部の接合材の部分溶融などによる微量の変動は水晶振動子の電気的特性に大きな影響を与える。また無鉛Ｓｎ合金は、Ａｕとの反応性が極めて強いため、たとえば水晶振動子と内部リードの接合にＡｕのバンプやワイヤボンディングは使用できないなどの制約もある。
【００１３】
そこで耐熱性向上を目的に圧入のためのめっきをＡｇとする（たとえば特許文献２参照）、あるいはめっきをＣｕ−Ｚｎ合金とする（たとえば特許文献３参照）、または無鉛Ｓｎ合金の上に耐熱バリア層としてＡｇを厚めに形成する（たとえば特許文献４参照）、あるいは無鉛Ｓｎ合金の上にＣｕを厚めに形成する（たとえば特許文献５参照）などが考えられている。
【特許文献１】特開２００７−１１６６２２号報
【特許文献２】特開２００３−３２０６６号報
【特許文献３】特開２００５−１５０３２２号報
【特許文献４】特開２００３−４６０１０号報
【特許文献５】特開２００６−１０８８８５号報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
圧入のためのめっきを無鉛Ｓｎ合金以外のＡｇやＣｕ−Ｚｎ合金にした場合、再結晶温度が高く、加工硬化が生じる、延性が小さい、硬いなどのため、圧入性が劣り、圧入作業が難しくなったり歩留まりの低下を生じたりする。
【００１５】
無鉛Ｓｎ合金の上に耐熱バリア層としてＡｇやＣｕ層を形成した場合、ＡｇやＣｕと無鉛Ｓｎ合金の反応性が大きいため、厚いＡｇやＣｕ層を形成する必要があり、かつＳｎとの間で形成される脆い金属間化合物層が厚いため、耐衝撃性や長期信頼性に悪影響を与える。
【００１６】
本発明は、上記欠点を改善し、耐熱性と耐衝撃性や長期信頼性に優れたシリンダー形の圧入封止型水晶振動子ならびにその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決する本発明の水晶振動子は、筒状のステムと、前記ステム内を貫通するように配置されるリードと、前記ステム内に充填されて前記リードを前記ステム内に固定・支持する充填材とでなる気密端子と、前記リードのうち、前記ステムの一方の端面側から突出している部分である内部リードに接合材により接合された水晶振動片と、前記内部リード及び前記水晶振動片を覆うように、前記ステムの外周面に圧入された有底筒型のケースと、を有する水晶振動子において、前記ステム及び前記リードにめっきが形成され、前記めっきが、下地層と、前記下地層の上に形成された無鉛Ｓｎ合金層と、前記無鉛Ｓｎ合金層の上に形成されてＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層と、前記耐熱バリア層の上に形成された表面保護層とを有することを特徴とする。
【００１８】
前記めっきは、前記耐熱バリア層と前記Ｓｎ合金層との間に形成された中間密着層を有することを特徴とする。
【００１９】
前記表面保護層はＡｕとする。
【００２０】
前記中間密着層はＣｕとする。
【００２１】
前記耐熱バリア層の厚みは１μｍから５μｍとする。
【００２２】
前記接合材はＡｕとする。
【００２３】
本発明の水晶振動子の製造方法は、筒状のステムと、前記ステム内を貫通するように配置されるリードと、前記ステム内に充填されて前記リードを前記ステム内に固定・支持する充填材とでなる気密端子と、前記リードのうち、前記ステムの一方の端面側から突出している部分である内部リードに接合材により接合された水晶振動片と、前記内部リード及び前記水晶振動片を覆うように、前記ステムの外周面に圧入された有底筒型のケースと、を有する水晶振動子の製造方法において、前記ステム及び前記リードに、下地層を形成し、前記下地層の上に無鉛Ｓｎ合金層を形成し、前記無鉛Ｓｎ合金層の上にＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層を形成し、前記耐熱バリア層の上に表面保護層を形成することにより、前記ステム及び前記リードにめっきを形成することを特徴とする。
【００２４】
また、前記めっきの形成において前記無鉛Ｓｎ合金層と前記耐熱バリア層との間に中間密着層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の水晶振動子によれば、水晶振動子の回路基板へのはんだ付け等のような熱を蒙る際に、接合材と無鉛Ｓｎ合金との反応をＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔから選ばれた金属からなる耐熱バリア層が防止し、かつＳｎとＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔとの反応により生成する金属間化合物は薄くなる。特に耐熱バリア層としてＮｉを選択した場合、Ｎｉは種々の接合材、特にはんだとの接合性が良好であり、接合部の機械的性質や信頼性への悪影響を生じない。
【００２６】
また、耐熱バリア層とＳｎ合金層との間に中間密着層を形成すると、耐熱バリア層と無鉛Ｓｎ合金層のめっき形成が良好な状態で行われる。
【００２７】
また、表面保護層をＡｕとすると、Ａｕバンプによる圧接やワイヤボンディングが可能となるあるいは耐熱バリア層の表面酸化が防止でき、はんだ接合が良好に行われる。
【００２８】
また、中間密着層をＣｕとすると、耐熱バリア層と無鉛Ｓｎ合金層のめっき形成が良好な状態で行われるとともに、Ｃｕと無鉛Ｓｎ合金の間での金属間化合物の形成により無鉛Ｓｎ合金の融点が上昇し耐熱性が向上する。
【００２９】
また、耐熱バリア層の厚みを１μｍから５μｍとすると、耐熱バリア層が特に優れた効果を示す厚さと圧入性にさほど悪影響を示さない厚みを確保できる。
【００３０】
また、接合材をＡｕとすると、リードと水晶振動片のはんだによらない接合が可能となる。
【００３１】
本発明の水晶振動子の製造方法によれば、接合材と無鉛Ｓｎ合金との反応を生じない、あるいは種々の接合材との接合が可能となり、接合部の機械的性質や信頼性も良好なシリンダー形圧入封止水晶振動子が製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明のシリンダー形圧入封止水晶振動子の圧入のためのステムとリードに形成されためっきの構成を示す断面図である。ステム（あるいはリード）となる下地金属１０に、下地層１３、無鉛Ｓｎ合金層１４、耐熱バリア層１５、表面保護層１６の順にめっきが形成されている。
【００３４】
めっきを構成する金属のなかで圧入に最も重要な無鉛Ｓｎ合金層１４は、合金化によりできるだけ融点を高くして回路基板のはんだ付けに使用するＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを代表とするような無鉛はんだと融点差を大きくすることが好ましい。
【００３５】
Ｓｎと合金を形成して融点を上昇させる無害な金属としては、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕやＺｎがある。Ｎｉ、Ｃｏやなども融点を上昇させる効果があるが、微量で大きく融点が変化するため組成と融点制御が困難になるおそれがある。
【００３６】
ＡｇとＡｕ、特にＡｕは、合金量が多くＳｎと合金化して硬くなりまた脆い金属間化合物が悪影響を与えるおそれがある。Ｚｎは、Ｓｎとの共晶で各々Ｓｎ、Ｚｎの単体金属として存在し軟らかさを保つため都合がいいが、Ｚｎの酸化による欠陥が発生しやすくなるおそれがある。
【００３７】
Ｃｕは、Ｓｎ合金では脆い金属間化合物として存在するが量が少ないため実用の範囲内では問題となるような悪影響は生ぜず、したがってＳｎＣｕ合金が最も好ましい。
【００３８】
ところで、たとえばＳｎ−Ｃｕ合金でも正確には上昇するのは凝固開始温度（液相線）であって凝固終了温度（固相線）は共晶温度２２７℃で変わらず、固液共存範囲が広がるだけであるが、凝固開始温度の上昇にともない耐リフロー性も実用上問題ない状態となり、特にＳｎ合金の周囲にＡｕ、ＣｕやＮｉなどが存在しＳｎと反応して高融点の金属間化合物を形成する状態では特に耐リフロー性が向上することとなる。
【００３９】
めっきによる無鉛Ｓｎ合金は、脱ガスが少なく軟らかいものであることが好ましい。従って光沢剤等の有機物のめっき液への添加は好ましくない。また、めっき後に脱ガスを行うことが好ましい。
【００４０】
ステム及びリードには、下地層１３としてＣｕまたはＮｉ好ましくはＣｕをめっきで構成する。この下地層１３は、ステム（あるいはリード）の下地金属１０と無鉛Ｓｎ合金層１４とのめっき形成性を向上させる。
【００４１】
耐熱バリア層１５としては、Ｓｎと反応しない金属あるいは反応が少ない金属を利用することができる。ただし、リードと水晶振動片の接合にはＳｎＣｕ合金などのはんだを使用することがあり、そのためにはＳｎとある程度反応する金属を使用する。
【００４２】
通常、めっきに利用される金属のＳｎとの反応の強さはＡｕ＞Ａｇ＞Ｐｄ＞Ｃｕ＞Ｎｉの順であり、Ｆｅ、Ｃｏ、ＰｔなどもＮｉと同等の反応性をもつ。ただし、Ｆｅは錆びやすく耐熱バリア層１５としてはＮｉ、Ｃｏ、Ｐｔなどが利用できるが、めっきの形成しやすさから好ましくはＮｉを形成する。
【００４３】
Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｔなどの金属は、Ｓｎとの反応性がＡｇ、Ｃｕなどより小さく、従って耐熱バリア層１５として比較的薄くて効果があり、また生成する脆い金属間化合物も薄く、接合材８とＳｎ合金の反応防止と信頼性確保に都合がよく、またはんだなどの接合材との接合性も良好である。
【００４４】
耐熱バリア層１５の厚みは、１μｍから５μｍとする。１μｍより薄いと、Ｓｎとほとんど反応しバリア層としての効果がなくなるおそれがある。また５μｍより厚いと、圧入性に悪影響を与え十分な気密性が得られなくなるおそれがある。
【００４５】
表面保護層１６は、Ａｕ、ＡｇまたはＡｕとＰｄの積層、好ましくはＡｕとする。この表面保護層１６は、Ｎｉなどの酸化によるはんだ付け不良を防止したり、Ａｕのバンプによる圧接やワイヤボンディングを可能にしたりする。
【実施例１】
【００４６】
ＳｎＣｕ合金層１４を１２μｍ厚みのＳｎ―２重量％Ｃｕ合金とし、耐熱バリア層１５のＮｉの厚みを変えたときの圧入性と耐熱性を調べた。圧入性は水晶振動子のインピーダンスで、耐熱性はＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ無鉛はんだのリフロー２回における表面保護層であるＡｕの反応（変色）で比較した。
【００４７】
Ｎｉ層厚みが１μｍ、３μｍおよび５μｍでは圧入性と耐熱性が優れていた。Ｎｉ層厚みが０．５μｍでは耐熱性が多少劣った。またＮｉ層厚みが７μｍでは圧入性が多少劣った。同様な結果はＰｔ、Ｃｏでも得られた。
【実施例２】
【００４８】
図２は、本発明の実施例２のステムとリードに形成されためっきの構成を示す断面図である。無鉛Ｓｎ合金層１４と耐熱バリア層１５との間に中間密着層１８が形成されている。
【００４９】
中間密着層１８はＣｕとする。この中間密着層１８は、耐熱バリア層１５と無鉛Ｓｎ合金層１４のめっき形成を良好にするとともに、Ｓｎと反応して高融点のＳｎＣｕ金属間化合物を形成し無鉛Ｓｎ合金層１４の融点をも上昇させる効果をもつ。めっき形成性だけを問題にするときはストライクめっきがよい。
【実施例３】
【００５０】
図３は、本発明の実施例３を示す断面図であり、水晶振動片２を接合した内部リード部６ａの部分断面図である。Ａｕを表面保護層とするめっき１２の上に接合材８としてＡｕバンプが形成され、水晶振動片２の電極７との間で圧接による接合が行われている。
【００５１】
この場合でもＮｉが１μｍ以上ではＡｕバンプと無鉛Ｓｎ合金との反応は生じなかったが、Ｎｉ厚み０．５μｍではＡｕバンプと無鉛Ｓｎ合金の反応が生じ、バンプシェア強度の多少の低下が見られた。Ａｕバンプの変わりにＡｕワイヤボンディングでも同様の効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の水晶振動子のステムとリードに形成されためっきの構成を示す断面図。
【図２】本発明の実施例２の水晶振動子のステムとリードに形成されためっきの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例３を示す水晶振動子の水晶振動片を接合したリード部の部分断面図である。
【図４】シリンダー形水晶振動子を長手方向で切断して見た平面図である。
【図５】シリンダー形水晶振動子の気密端子の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    気密端子
２    水晶振動片
３    ケース
４    ステム
５    充填材
６    リード
６ａ  内部リード
６ｂ  外部リード
７    電極
８    接合材
１０  ステム下地金属
１１  リード下地金属
１２  めっき
１３  下地層
１４  無鉛Ｓｎ合金層
１５  耐熱バリア層
１６  表面保護層
１８  中間密着層
【図１】
2009049850.tif 000003
【図２】
2009049850.tif 000004
【図３】
2009049850.tif 000005
【図４】
2009049850.tif 000006
【図５】
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