(57)【要約】【課題】  圧入のためのめっきを改善し圧入性と耐熱性、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、下地金属１０に対し、上からＡｇ層１６、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
2009065603.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た耐熱バリア層と、前記耐熱バリア層の上に形成されたＡｇ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Ａｇ層の上に形成された表面保護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または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記耐熱バリア層はＮｉであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【請求項５】
前記表面保護層はＡｕ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６】
前記中間密着層はＣｕであることを特徴とする請求項３に記載の水晶振動子。
【請求項７】
前記リードが１本よりなり、前記水晶振動片の一方の電極が前記リードに接続され、前記水晶振動片の他方の電極が前記ステムに接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【請求項８】
前記水晶振動片の前記他方の電極と前記ステムの接合はワイヤボンディングであることを特徴とする請求項７に記載の水晶振動子。
【請求項９】
前記水晶振動片の前記一方の電極と前記リードの接合はＡｕバンプであることを特徴とする請求項７に記載の水晶振動子。
【請求項１０】
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合金層の上に耐熱バリア層を形成し、前記耐熱バリア層の上にＡｇ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１１】
前記めっきの形成において、前記耐熱バリア層と前記無鉛Ｓｎ合金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１０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水晶振動子とされ、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の電極は、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。
【００１３】
このシリンダー形水晶振動子では通常リードは２本であるが、小形化のためリードを一本とし、一方の水晶振動片の電極との接合はステムとワイヤボンディングで行うことも可能である（たとえば特許文献２参照）。
【００１４】
このような場合、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。
【００１５】
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３参照）、あるいはめっきをＣｕ−Ｚｎ合金とする（たとえば特許文献４参照）、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５参照）、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６参照）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２００７−１２９５２０号報
【特許文献３】特開２００３−３２０６６号報
【特許文献４】特開２００５−１５０３２２号報
【特許文献５】特開２００３−４６０１０号報
【特許文献６】特開２００６−１０８８８５号報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
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。
【００１７】
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、圧入性や耐衝撃性、長期信頼性に悪影響を与える。
【００１８】
本発明は、上記欠点を改善し、圧入性と耐熱性、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】
【００１９】
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た耐熱バリア層と、前記耐熱バリア層の上に形成されたＡｇ層とを有することを特徴とする。
【００２０】
前記めっきは、前記Ａｇ層の上に形成された表面保護層を有することを特徴とする。
【００２１】
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。
【００２２】
前記耐熱バリア層はＮｉとする。
【００２３】
前記表面保護層はＡｕとする。
【００２４】
前記中間密着層はＣｕとする。
【００２５】
前記リードは１本よりなり、前記水晶振動片の一方の電極が前記リードに接続され、前記水晶振動片の他方の電極が前記ステムに接続されていることを特徴とする。
【００２６】
前記水晶振動片の前記他方の電極と前記ステムの接合はワイヤボンディングであることを特徴とする。
【００２７】
前記水晶振動片の前記一方の電極と前記リードの接合はＡｕバンプであることを特徴とする。
【００２８】
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合金層の上に耐熱バリア層を形成し、前記耐熱バリア層の上にＡｇ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。
【００２９】
また前記めっきの形成において、前記耐熱バリア層と前記無鉛Ｓｎ合金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】
【００３０】
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、Ａｇ層と無鉛Ｓｎ合金との反応を耐熱バリア層が防止し、接合部の機械的性質や信頼性への悪影響を生じない。また接合材としてＡｕの利用が可能となり、かつ軟らかい無鉛Ｓｎ合金とＡｇを主体とするめっきであるため圧入性も良好となる。
【００３１】
また、表面保護層を形成することによりＡｇ層の表面酸化が防止でき、各種接合が良好に行われる。
【００３２】
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。
【００３３】
また耐熱バリア層をＮｉとすると、めっき形成性が良好となる。
【００３４】
また、表面保護層をＡｕとすると、ワイヤボンディングやＡｕバンプの圧接が良好に行われる。
【００３５】
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。
【００３６】
また、リードを１本とし、水晶振動片の一方の電極をリードに接続し、他方の電極をステムに接続することにより、小形化が可能となる。
【００３７】
また、ステムと水晶振動片の他方の電極の接続をワイヤボンディングとすると、簡易な構造での接合が可能となる。
【００３８】
本発明の水晶振動子の製造方法によれば、Ａｇ層と無鉛Ｓｎ合金との反応を生じさせず、接合材としてＡｕの利用ができる。また接合部の機械的性質や信頼性も良好であり、かつ無鉛Ｓｎ合金とＡｇを主体とするめっきであるため圧入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】
【００３９】
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。
【００４０】
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、Ａｇ層１６の順にめっきが形成されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。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。Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ等とＳｎの合金では以上のような欠点があるが圧入にためだけであれば特に問題はない。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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としては反応の少ない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を利用する。
【００４９】
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、Ａｇ層１６と無鉛Ｓｎ合金層１４の反応防止と信頼性確保に都合がよい。
【００５０】
Ｓｎと化合物を形成しない金属としてはＣｒが代表的でＷ、Ｔａなども化合物を形成しないがめっき形成は簡単ではなく、量産性に劣る。
【００５１】
図２には無鉛Ｓｎ合金層１４と耐熱バリア層１５の間に中間密着層１８を形成し、Ａｇ層１６の上に表面保護層１７を形成した例を示す。この中間密着層１８と表面保護層１７は必ずしも必要ではなく、どちらか一方だけを形成することも可能である。
【００５２】
中間密着層１８は主にＣｕであり、無鉛Ｓｎ合金層１４と耐熱バリア層１５のめっき形成性を向上させるとともに、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。
【００５３】
また表面保護層１６は、Ａｇの酸化による接合不良を防止し、主にＡｕが利用される。
【００５４】
水晶振動片の電極とリードの接合にはバンプ、はんだ、導電接着剤などが利用できる。
【００５５】
リードは２本または１本でもよい。リードが１本の場合は、図３に気密端子と水晶振動片の接合部を断面図で示すように、水晶振動片２の一方の電極７との接続をステムと行う。水晶振動片２の電極７とステム（のめっき１２）の接合にはワイヤボンディング１９が利用できる。ワイヤボンディングにはＡｕ、Ａｌ、Ｃｕなどが利用できるがＡｕが好ましい。
【実施例１】
【００５６】
図１に断面図で示す構成のめっきをリードとステムに形成した。
【００５７】
すなわち、下地層１３をＣｕとし、無鉛Ｓｎ合金層１４として１０μｍ厚みのＳｎ―２重量％Ｃｕ合金を形成し、耐熱バリア層１５として厚み２μｍのＮｉを形成し、その上にＡｇ層１６を５μｍ形成し、図１に示す構成のめっきを気密端子のリードとステムに形成した。リードは２本で水晶振動片の電極との接合はＡｕバンプで行った。
【００５８】
ケースにこの気密端子を圧入した。圧入性に問題はなかった。耐リフロー性にも問題はなかった。
【実施例２】
【００５９】
図２に断面図で示す構成のめっきをリードとステムに形成した。
【００６０】
すなわち、下地層１３をＣｕとし、無鉛Ｓｎ合金層１４として１０μｍ厚みのＳｎ―２重量％Ｃｕ合金を形成し、中間密着層１８としてＣｕストライクを形成し、耐熱バリア層１５として厚み１μｍのＮｉを形成し、その上にＡｇ層１６を５μｍ形成し、更にその上に表面保護層１７としてＡｕを０．４μｍ形成し、図２に示す構成のめっきの気密端子のリードとステムに形成した。リードは２本で水晶振動片の電極との接合はＡｕバンプあるいはＳｎ−８０重量％Ａｕはんだで行った。
【００６１】
ケースにこの気密端子を圧入した。圧入性に問題はなかった。耐リフロー性にも問題はなかった。
【実施例３】
【００６２】
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。
【００６３】
リードを１本とし、水晶振動片２の一方の電極７は、接合材８としてのＡｕバンプにより、内部リード６ａに対して圧接による接合が行われている。水晶振動片２の他方の電極７には、ステム（のめっき１２）との間でワイヤボンディング１９が形成されている。
【００６４】
めっきは、図１に示す下地層１３をＣｕとし、無鉛Ｓｎ合金層１４として１０μｍ厚みのＳｎ―２重量％Ｃｕ合金を形成し、耐熱バリア層１５として厚み２μｍのＮｉを形成し、その上にＡｇ層１６を５μｍ形成したものと、図２に示す下地層１３をＣｕとし、無鉛Ｓｎ合金層１４として１０μｍ厚みのＳｎ―２重量％Ｃｕ合金を形成し、中間密着層１８としてＣｕストライクを形成し、耐熱バリア層１５として厚み１μｍのＮｉを形成し、その上にＡｇ層１６を５μｍ形成し、更にその上に表面保護層１７としてＡｕを０．４μｍ形成したものの２種類を作成した。ワイヤボンディングはＡｕで行った。
【００６５】
この場合でも、圧入性は勿論、耐リフロー性にも問題はなかった。水晶振動片２の電極７とリードの接合材８をＳｎ−８０重量％Ａｕはんだとした場合、水晶振動片２の他方の電極７とステム（のめっき１２）の間のワイヤボンディング１９をＡｕとした場合も、同様に圧入性、耐リフロー性に問題はなかった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【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】
【００６７】
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  Ａｇ層
１７  表面保護層
１８  中間密着層
１９  ワイヤボンディング
【図１】
2009065603.tif 000003
【図２】
2009065603.tif 000004
【図３】
2009065603.tif 000005
【図４】
2009065603.tif 000006
【図５】
2009065603.tif 000007