(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて導出されている第１配線層を有する第１基体と、前記第１基体の搭載部に固定され、電極が前記第１配線層に接続されている水晶振動子と、下面に搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて導出されている第２配線層を有する第２基体と、前記第２基体の搭載部に固定され、電極が第２配線層に接続されている前記水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子と、前記第１基体の下面と第２基体の上面とを接合する接合材とから成る水晶デバイスであって、
前記第１基体の線熱膨張係数が１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）、第２基体の線熱膨張係数が２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）、第１配線層及び第２配線層の比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ以下であり、かつ前記接合材の弾性率が４ＧＰａ以下であることを特徴とする水晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において、時間および周波数の高精度の基準源として使用される温度補償型の水晶デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において時間および周波数の高精度の基準源として使用される温度補償型の水晶デバイスは、一般に、四角板状の水晶基板に電圧印加用の電極を形成して成る水晶振動子と、この水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子とを、水晶振動子収納用パッケージ内に気密に収容することによって形成されている。
【０００３】
前記水晶振動子収納用パッケージは、一般に、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に水晶振動子を収容する空所を形成するための凹部を、下面中央部に半導体素子を収容する空所となる凹部を、それぞれ有するとともに、各凹部表面から外表面にかけて導出された、タングステン、モリブデン等の高融点金属等の金属材料から成る配線層を有する基体と、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料、または酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料から成る蓋体とから構成されている。
【０００４】
そして、水晶振動子の電極を基体上面の凹部内表面に露出する配線層及びその周辺の基体表面に導電性接着材等の固定材を介して取着することにより、水晶振動子を凹部内に接着固定するとともに配線層に電気的に接続し、また、基体下面の凹部内に半導体素子を収容し、接着材を介して接着固定するとともに半導体素子の電極を配線層に電気的に接続し、しかる後、基体の上面に蓋体を接着材による接着やシーム溶接等の接合手段により取着して基体と蓋体とから成る容器内部に水晶振動子を気密に収容するとともに基体下面の凹部内に収容した半導体素子を蓋体や封止用樹脂で封止することによって製品としての水晶デバイスが完成する。
【０００５】
なお、水晶振動子を取着するための導電性接着材としては、一般に、エポキシ樹脂等の有機樹脂と、銀粉末等の導電性粉末とを主材として混合して成る導電性接着材が使用されている。
【０００６】
また、蓋体を基体にシーム溶接で取着する場合、通常、予め基体の凹部周囲に枠状のロウ付け用メタライズ層を形成しておくとともにこのメタライズ層に金属枠体をロウ付けし、金属枠体に蓋体をシーム溶接する方法が用いられる。
【０００７】
更に前記水晶デバイスの外部電気回路基板への実装は、基体の外表面に導出された配線層を外部電気回路基板の配線導体に半田等の導電性接続材を介して接続することによって行われ、水晶振動子は配線層を介し外部電気回路に電気的に接続されるとともに外部電気回路から印加される電圧に応じて所定の周波数で振動し、基準信号を外部電気回路に供給する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の水晶デバイスは、水晶振動子の線熱膨張係数が約１８×１０-6／℃であるのに対し、水晶振動子が搭載固定される酸化アルミニウム質焼結体から成る基体の線熱膨張係数が約７×１０-6／℃であり、大きく相違すること、基体に水晶振動子を固定する固定材が硬質のエポキシ樹脂と導電性粉末とから成り変形しにくいこと、温度補償用の半導体素子が作動時に熱を発生すること等から、水晶デバイスを作動させた際、温度補償用半導体素子の発する熱が基体と水晶振動子の両者に繰り返し作用し、その結果、基体と水晶振動子との線熱膨張係数差に起因する熱応力が固定材に繰り返し作用し、固定材に機械的な破壊を招来して水晶振動子の固定材を介しての固定が破れ、水晶デバイスとしての機能が喪失するという欠点を有していた。
【０００９】
そこで、上記欠点を解消するため、基体の線熱膨張係数を水晶振動子の線熱膨張係数に近似するように高くし、基体と水晶振動子との間に大きな熱応力が生じることを防止するという手段が考えられる。
【００１０】
しかしながら、基体の線熱膨張係数を水晶振動子に近似するように高くした場合、線熱膨張係数が約２．５×１０-6／℃（４０〜４００℃）と低いシリコンから成る半導体素子と、基体との間で線熱膨張係数の差が非常に大きくなり、基体と半導体素子との間に両者の線熱膨張係数差に起因して大きな熱応力が生じ、この熱応力により、硬くて脆い半導体素子や、半導体素子を基体に接着する接着材に機械的な破壊が発生し、半導体素子が正常に作動しなくなって半導体素子による水晶振動子の温度補償ができなくなり、水晶デバイスとしての信頼性が大きく低下してしまう、という問題が誘発される。
【００１１】
また従来の水晶デバイスは、基体に形成されている配線層がタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属材料により形成されており、該タングステン等はその比電気抵抗が５．４μΩ・ｃｍ（２０℃）以上と高いことから配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰が生じ、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることができないという欠点を有していた。
【００１２】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、水晶振動子および半導体素子の固定を強固とし、半導体素子による水晶振動子の温度補償を有効に行なうとともに水晶振動子の基準信号を外部電気回路に正確、かつ確実に供給することができる高信頼性の水晶デバイスを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて導出されている第１配線層を有する第１基体と、前記第１基体の搭載部に固定され、電極が前記第１配線層に接続されている水晶振動子と、下面に搭載部を有し、該搭載部から外表面にかけて導出されている第２配線層を有する第２基体と、前記第２基体の搭載部に固定され、電極が第２配線層に接続されている前記水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子と、前記第１基体の下面と第２基体の上面とを接合する接合材とから成る水晶デバイスであって、前記第１基体の線熱膨張係数が１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）、第２基体の線熱膨張係数が２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）、第１配線層及び第２配線層の比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ以下であり、かつ前記接合材の弾性率が４ＧＰａ以下であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明によれば水晶振動子が固定される第１基体の線熱膨張係数を１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）とし、水晶振動子の線熱膨張係数（１８×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから水晶振動子と第１基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、水晶振動子を第１基体に強固に接着固定することを可能とするとともに水晶振動子を安定に作動させることができる。
【００１５】
また本発明によれば水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子が固定される第２基体の線熱膨張係数を２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）とし、半導体素子の線熱膨張係数（２．５×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから半導体素子と第２基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体素子を第２基体に強固に接着固定することを可能とするとともに半導体素子によって水晶振動子の温度補償を長期間にわたり正確に行なうことができる。
【００１６】
更に本発明によれば、第１基体と第２基体とを接合する接合材の弾性率を４ＧＰａ以下としたことから、第１基体と第２基体との間の線熱膨張係数の差に起因して、両者間に大きな熱応力が発生したとしても、その熱応力は接合材を適度に変形させることによって効果的に吸収され、第１基体、第２基体または第１基体と第２基体とを接合する接合材に機械的な破壊が生じることを有効に防止することができるとともに水晶振動子と半導体素子との接続を完全とし、これによって水晶デバイスの長期信頼性を高いものとなすことができる。
【００１７】
また更に本発明によれば水晶振動子及び半導体素子が接続される第１配線層及び第２配線層の比電気抵抗を２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い値としたことから、第１配線層及び第２配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰を生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の水晶デバイスについて添付の図面を基にして詳細に説明する。
図１は本発明の水晶デバイスの一実施例を示す断面図であり、図１において、１ａは第１基体、１ｂは第２基体、２ａは第１配線層、２ｂは第２配線層、３は蓋体、５は水晶振動子、６は半導体素子、８は接合材である。
【００１９】
この第１基体１ａに水晶振動子５を、第２基体１ｂに半導体素子６をそれぞれ気密に固定収容するとともに第１基体１ａと第２基体１ｂとを接合材を介し接着することによって水晶デバイス７が形成される。
【００２０】
前記第１基体１ａは線熱膨張係数が１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）のガラスセラミック焼結体や結晶性ガラス等から成り、その上面に凹部Ａが設けてあり、該凹部Ａ内には水晶振動子５が収容される。
【００２１】
また前記第１基体１ａはその上面の凹部Ａ表面から外表面にかけて第１配線層２ａが被着形成されており、第１配線層２ａの凹部Ａ表面に露出する部位に水晶振動子５の電極が導電性接着材等の固定材９を介して接着固定され、第１基体１ａの外表面に導出する部位は外部電気回路の配線導体や後述する第２基体１ｂの第２配線層２ｂと接続される。
【００２２】
前記第１基体１ａはその線熱膨張係数が１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）であり、水晶振動子５の線熱膨張係数（約１８×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似することから、第１基体１ａの凹部Ａ内に水晶振動子５を固定収容した後、両者に熱が作用しても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、水晶振動子５を第１基体１ａの凹部Ａ内に確実、強固に固定することができる。
【００２３】
前記線熱膨張係数が１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）の第１基体１ａは、具体的には、例えば、酸化バリウムを５〜６０重量％含有するガラスと、４０〜４００℃における線熱膨張係数が８×１０-6／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなり、前記ガラスおよび／またはフィラー中にジルコニウム（Ｚｒ）化合物をＺｒＯ2換算で０．１〜２５重量％の割合で含有させたガラスセラミック焼結体が好適に使用される。
【００２４】
前記ガラスセラミック焼結体は、ガラス成分として酸化バリウムを５〜６０重量％含有するガラスを用いることが大事である。この酸化バリウム含有ガラスは低軟化点であり、比較的高い線熱膨張係数を有しているために、ガラス量を少なく、かつ高熱膨張のフィラーを多く添加することが可能であり、高い線熱膨張係数を有する焼結体が容易に得られる。酸化バリウムの量を５〜６０重量％の範囲とするのは、５重量％より少ないとガラスの低軟化点化が困難となるとともに線熱膨張係数が低くなり、高熱膨張のガラスセラミック焼結体を作製するのが難しく、６０重量％より多いとガラス化が困難であり、特性が不安定となりやすく、また耐薬品性が著しく低下してしまうためである。特に酸化バリウムの量は２０〜４０重量％が望ましい。
【００２５】
またこのガラス中には鉛（Ｐｂ）を実質的に含まないことが望ましい。鉛は毒性を有するため製造工程中での被毒を防止するための格別な装置および管理を必要とするために焼結体を安価に製造することができなくなるためである。鉛が不純物として不可避的に混入する場合を考慮すると、鉛の含有量は０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００２６】
更にこのガラスの４０〜４００℃における線熱膨張係数が７×１０-6／℃〜１８×１０-6／℃、特に８×１０-6／℃〜１３×１０-6／℃であることが望ましい。これは線熱膨張係数が上記範囲を逸脱するとフィラーとの熱膨張差が生じ、ガラスセラミック焼結体の強度の低下の原因になるためである。
【００２７】
また更に、前記酸化バリウム含有ガラスの屈伏点は、４００〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは酸化バリウム含有ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに第１基体１ａと同時に焼成される後述する第１配線層２ａとの焼成条件のマッチングを図るため必要であり、屈伏点が４００℃より低いとガラスが低い温度で焼結が開始されるために、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等の焼結開始温度が６００〜８００℃の第１配線層２ａとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮散できなくなりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼす結果になるためである。また屈伏点が８００℃より高いとガラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、高価なガラスを大量に必要とするために焼結体のコストを高めることになる。
【００２８】
前記の特性を満足するガラスとしては、前記酸化バリウム以外に、少なくとも酸化珪素（ＳｉＯ2）を２５〜６０重量％の割合で含み、残部が酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の群から選ばれる少なくとも１種によって構成される。
【００２９】
一方、前記ガラスと組み合わせるフィラー成分としては、４０〜４００℃における線熱膨張係数が８×１０-6／℃以上の金属酸化物を少なくとも含有することが焼結体の高熱膨張化を図る上で大事である。線熱膨張係数が８×１０-6／℃以上の金属酸化物を含有しないと、ガラスセラミック焼結体の線熱膨張係数を１４×１０-6／℃以上に高めることができないためである。
【００３０】
このような線熱膨張係数が８×１０-6／℃以上の金属酸化物としては、クリストバライト（ＳｉＯ2）、クォーツ（ＳｉＯ2）、トリジマイト（ＳｉＯ2）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ウオラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ネフェリン（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・ＳｉＯ2）、メルビナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2）、マグネシア（ＭｇＯ）、カーネギアイト（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4Ｏ10）、ヒスイ（Ｎａ2Ｏ・Ａｌ2Ｏ3・４ＳｉＯ2）の群から選ばれる少なくとも一種以上が挙げられる。これらの中でも、クリストバライト、クォーツ、トリジマイト等のＳｉＯ2系材料やフォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる一種が高熱膨張化を図る上で望ましい。
【００３１】
前記ガラスとフィラーは、焼成温度や最終的に得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張特性などの目的に応じて適当な比率で混合される。前記酸化バリウム含有ガラスは、フィラー無添加では収縮開始温度は７００℃以下で、８５０℃以上では溶融してしまい、第１配線層２ａ等を配設することができない。しかし、フィラーを混合することにより焼成過程において結晶の析出が起こり、フィラー成分を液相焼結させるための液相を適切な温度で形成させることができる。また、成形体全体の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフィラーの含有量の調整により第１配線層２ａとの同時焼成条件のマッチングを図ることができる。
【００３２】
前記ガラスとフィラーの比率は前記ガラス粉末を２０〜８０体積％と、フィラー粉末を８０〜２０体積％との割合とすることが好適である。このガラスとフィラー成分の量を上記の範囲とするのはガラス成分量が２０体積％より少ない、言い換えればフィラーが８０体積％より多いと液相焼結することが難しく、焼成温度が高くなり、第１配線層２ａとの同時焼成時に第１配線層２ａが溶融してしまう恐れがある。またガラスが８０体積％より多い、言い換えるとフィラーが２０体積％より少ないと焼結体の特性がガラスの特性に大きく依存してしまい、材料特性の制御が困難となるとともに、焼結開始温度が低くなるために第１配線層２ａとの同時焼成が難しくなるという問題が生じる。またガラス量が多いために原料のコストも高くなる傾向にある。
【００３３】
また、フィラー成分量は、酸化バリウムの屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。すなわち、ガラスの屈伏点が４００〜７００℃と低い場合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は４０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対して、ガラスの屈伏点が７００〜８００℃と高い場合、焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体積％と比較的少なく配合することが望ましい。
【００３４】
更に前記ガラスセラミック焼結体は、前記フィラー成分中および／またはガラス成分中にジルコニウム化合物（Ｚｒ化合物）を酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）換算で０．１〜２５重量％の割合で含有させておくことが大事である。前記Ｚｒ化合物は酸化バリウム含有ガラスに溶融し、ガラスの耐酸化性を高める作用をなし、これによってガラスセラミック焼結体の耐薬品性を向上させることができるとともに酸性溶液あるいはアルカリ性溶液での処理後のガラスセラミック焼結体の外観の変化や第１配線層２ａの被着強度の劣化を抑制することが可能となる。
【００３５】
前記Ｚｒ化合物としては、例えば、ＺｒＯ2、ＺｒＳｉＯ4、ＣａＯ・ＺｒＯ2、ＺｒＢ2、ＺｒＰ2Ｏ7、ＺｒＢの群から選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このＺｒ化合物は化合物粉末としてフィラー成分中の一成分として混合する。この場合、添加時のＺｒ化合物、特にＺｒＯ2のＢＥＴ比表面積によって、ガラスセラミック焼結体の耐薬品性が変化する傾向にあり、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ2／ｇ以上であることが望ましく、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ2／ｇよりも小さいと耐薬品性の改善効果が小さくなる傾向にある。また他の配合形態としては、ガラス粉末として酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化珪素（ＳｉＯ2）以外の成分として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）を含有するガラスを用いてもよい。
【００３６】
なお、前記Ｚｒ化合物を上記範囲としたのは、０．１重量％よりも少ないと耐薬品性の改善効果が低く、２５重量％よりも多いと線熱膨張係数が１４×１０-6／℃よりも低くなるためである。特にＺｒ化合物はＺｒＯ2換算で０．２〜１０重量％が望ましい。
【００３７】
その他に、着色成分として、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケルの群から選ばれる少なくとも１種を配合してもよい。
【００３８】
前記ガラスセラミック焼結体は上記のように調合されたガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、適当な成形の有機樹脂バインダーを添加した後、ドクターブレード法や圧延法、金型プレス法等の成形手段により任意の形状、例えば、シート状に成形し、しかる後、約８００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００３９】
また前記第１基体１ａは、凹部Ａの表面から外表面にかけて第１配線層２ａが導出されており、第１配線層２ａの凹部Ａ表面に露出する部位に水晶振動子５の電極が導電性接着材等の固定材９を介して接着固定され、外表面に導出された部位は外部電気回路基板の配線導体や後述する第２基体１ｂの第２配線層２ｂと接続される。
【００４０】
前記第１配線層２ａは第１基体１ａと同時焼成によって形成され、第１基体１ａの焼成温度が約８００℃と低いことから比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や金、銀を使用することができ、銅から成る場合であれば、銅粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー等を添加混合して得た金属ペーストを、第１基体１ａとなるグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で所定パターンに印刷塗布しておくことによって第１基体１ａの所定位置に所定パターンに形成される。
【００４１】
前記第１配線層２ａはその比電気抵抗を２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下の低い値に抑えることができるため、第１配線層２ａに水晶振動子５の基準信号や後述する半導体素子６の駆動信号を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰が生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子５と半導体素子６との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【００４２】
なお、前記第１配線層２ａは、その露出する表面をニッケル、銅、金等の耐食性およびロウ材の濡れ性の良好な金属から成るめっき層（不図示）で被覆しておくと、第１配線層２ａの酸化腐食を良好に防止することができるとともに、第１配線層２ａに対する半田等のロウ材の濡れ性を良好とすることができ、外部電気回路基板の配線導体等に対する第１配線層２ａの接続をより一層容易、かつ確実なものとすることができる。従って、前記第１配線層２ａは、その露出する表面をニッケル、銅、金等のめっき層、例えば、順次被着された厚み１μｍ〜１０μｍのニッケルまたはニッケル合金めっき層、厚み０．１〜３μｍの金めっき層で被覆しておくことが好ましい。
【００４３】
また前記第１配線層２ａの表面をニッケル、銅、金等のめっき層で被覆する場合、その最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下としておくと最表面の光の反射率が４０％以上となって水晶振動子５を第１配線層２ａに固定材９を介して接着する際、その位置決め等の作業が容易となる。従って、前記第１配線層２ａの表面をニッケル、銅、金等のめっき層で被覆する場合、その最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下としておくことが好ましい。
【００４４】
更に前記第１配線層２ａの表面を被覆するニッケル、銅、金等からなるめっき層の最表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を１．５μｍ以下、自乗平均平方根粗さ（Ｒｍｓ）を１．８μｍ以下とするには第１配線層２ａを従来周知のワット浴にイオウ化合物等の光沢剤を添加した電解ニッケルめっき液に浸漬して第１配線層２ａの表面にニッケルめっき層を被着させ、しかる後、シアン系の電解金めっき液中に浸漬し、ニッケルめっき層表面に金めっき層を被着させることによって行われる。
【００４５】
更にまた第１配線層２ａには水晶振動子５が固定材９を介して接着固定され、同時に水晶振動子５の電極が第１配線層２ａに電気的に接続される。
【００４６】
前記固定材９は、一般に、銀粉末等の導電性粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に添加することによって形成されており、第１配線層２ａ上に水晶振動子５を、未硬化の熱硬化性樹脂に導電性粉末を添加して成る未硬化の固定材を介して、位置決めセットし、未硬化の熱硬化性樹脂を加熱硬化することによって水晶振動子５を凹部Ａ内の所定位置に固定するとともに水晶振動子５の電極を第１配線層２ａに電気的に接続する。
【００４７】
前記水晶振動子５が固定材９を介して接着固定されている第１基体１ａはまたその上面に蓋体３が取着され、これによって第１基体１ａと蓋体３とから成る容器４内部に水晶振動子５が気密に収容される。
【００４８】
前記蓋体３は、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金等の金属材料や、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料により形成され、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金のインゴット（塊）に圧延加工、打抜き加工等の周知の金属加工を施すことによって形成される。
【００４９】
更に前記蓋体３の第１基体１ａへの取着は、ロウ材、ガラス、有機樹脂接着剤等の接合材を介して行なう方法や、シーム溶接等の溶接法により行なうことができ、例えば、蓋体３をシーム溶接にて取着する場合は通常、第１基体１ａ上面の凹部Ａ周囲に枠状のロウ付け用メタライズ層１２を第１配線層２ａと同様の方法で被着させておくとともに、該ロウ付け用メタライズ層１２に金属枠体１３を銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けし、しかる後、前記金属枠体１３に金属製の蓋体３を載置させるとともに蓋体３の外縁部をシーム溶接することによって行なわれる。この場合、金属枠体１３は、その上面と側面との間の角部に曲率半径が５〜３０μｍの丸みを形成しておくと金属枠体１３の上面側にバリが形成されることがなく、この金属枠体１３の上面に蓋体３をシーム溶接する際に両者を信頼性高く気密に、かつ強固に接合させることができる。従って、前記金属枠体１３はその上面と側面との間の角部を曲率半径が５〜３０μｍの丸みをもたせるようにしておくことが好ましい。
【００５０】
また更に、前記金属枠体１３は、その下面と側面との間の角部に曲率半径が４０〜８０μｍの丸みを形成しておくと、該金属枠体１３をロウ付け用メタライズ層１２にロウ材を介して接合する際、ロウ付け用メタライズ層１２と金属枠体１３の下面側角部との間に空間が形成されるとともに該空間にロウ材の大きな溜まりが形成されて金属枠体１３のロウ付け用メタライズ層１２への接合が強固となる。従って、前記金属枠体１３をロウ付け用メタライズ層１２にロウ材を介して強固に接合させるには金属枠体１３の下面と側面との間の角部に曲率半径が４０〜８０μｍの丸みを形成しておくことが好ましい。
【００５１】
前記水晶振動子５が固定収容されている第１基体１ａの下方には半導体素子６を固定収容する第２基体１ｂが配されている。
【００５２】
前記第２基体１ｂは線熱膨張係数が２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）の、例えば、１０〜６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９〜５０ｍｏｌ％のＳｎＯ2、１３〜７２ｍｏｌ％のＢ2Ｏ3から成る酸化物焼結体や、Ｓｉ成分がＳｉＯ2に換算して２５〜８０重量％、Ｂａ成分がＢａＯに換算して１５〜７０重量％、Ｂ成分がＢ2Ｏ3に換算して１．５〜５重量％，Ａｌ成分がＡｌ2Ｏ3に換算して１〜３０重量％、Ｃａ成分がＣａＯに換算して０重量％を超え３０重量％以下含まれる焼結体等から成り、その下面に凹部Ｂが設けてあり、該凹部Ｂ内には水晶振動子５の温度補償を行なう半導体素子６が収容される。
【００５３】
また前記第２基体１ｂは、凹部Ｂの表面から外表面にかけて第２配線層２ｂが被着形成されており、第２配線層２ｂの凹部Ｂ表面に露出する部位には半導体素子６の電極がボンディングワイヤ等の導電性接続部材１１を介して接続され、外表面に導出された部位は第１基体１ａの第１配線層２ａや外部電気回路基板の配線導体に接続される。
【００５４】
前記第２基体１ｂは、その線熱膨張係数が２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）であり、半導体素子６の線熱膨張係数（シリコン：約２．５×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似することから、第２基体１ｂの凹部Ｂ内に半導体素子６を収容するとともに接着材１０を介して接着固定した後、両者に熱が作用しても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体素子６を第２基体１ｂの凹部Ｂ内に確実、強固に固定することができる。
【００５５】
前記線熱膨張係数が２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）の第２基体１ｂは、具体的には、１０〜６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９〜５０ｍｏｌ％のＳｎＯ2、１３〜７２ｍｏｌ％のＢ2Ｏ3から成る酸化物焼結体や、Ｓｉ成分がＳｉＯ2に換算して２５〜８０重量％、Ｂａ成分がＢａＯに換算して１５〜７０重量％、Ｂ成分がＢ2Ｏ3に換算して１．５〜５重量％、Ａｌ成分がＡｌ2Ｏ3に換算して１〜３０重量％、Ｃａ成分がＣａＯに換算して０重量％を超え３０重量％以下含まれる焼結体等から成り、例えば、１０〜６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９〜５０ｍｏｌ％のＳｎＯ2、１３〜７２ｍｏｌ％のＢ2Ｏ3から成る酸化物焼結体から成る場合であれば、ＢａＯ、ＳｎＯ2、Ｂ2Ｏ3等の原料粉末にアクリル樹脂を主成分とするバインダー及び分散剤、可塑剤、有機溶媒を加えて泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシート（生シート）となし、しかる後、前記グリーンシートに適当な打抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約８００℃〜１２００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００５６】
なお、前記第２基体１ｂを１０〜６８ｍｏｌ％のＢａＯ、９〜５０ｍｏｌ％のＳｎＯ2、１３〜７２ｍｏｌ％のＢ2Ｏ3とから成る酸化物焼結体で形成する場合、ＢａＯが１０ｍｏｌ％未満であると誘電損失が大きくなって第２配線層２ｂを伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまい、また６８ｍｏｌ％を超えると第２基体１ｂの機械的強度が大きく低下してしまう。従って、前記酸化物焼結体はそれを構成するＢａＯの量が１０乃至６８ｍｏｌ％に特定される。
【００５７】
また前記酸化物焼結体はＳｎＯ2が９ｍｏｌ％未満であると焼結性が低下して機械的強度が不十分となり、また５０ｍｏｌ％を超えると誘電損失が大きくなって第２配線層２ｂを伝搬する電気信号に減衰や遅延を招来してしまう。従って、前記酸化物焼結体はそれを構成するＳｎＯ2の量が９乃至５０ｍｏｌ％に特定される。
【００５８】
更に前記酸化物焼結体はＢ2Ｏ3が１３ｍｏｌ％未満であると焼成温度が高いものとなって銅等の金属材料からなる第２配線層２ｂと同時に焼成するのが困難となり、また７２ｍｏｌ％を超えると耐薬品性が低下して水晶デバイスとしての信頼性が低いものとなってしまう。従って前記酸化物焼結体はそれを構成するＢ2Ｏ3の量が１３乃至７２ｍｏｌ％に特定される。
【００５９】
前記第２基体１ｂは、また凹部Ｂの表面から外表面にかけて第２配線層２ｂが形成されており、該第２配線層２ｂの凹部Ｂ表面に露出する部位には半導体素子６の電極がボンディングワイヤ等の導電性接続部材１１を介して接続され、外表面に導出された部位は第１基体１ａの第１配線層２ａや外部電気回路基板の配線導体に接続される。
【００６０】
前記第２配線層２ｂは第２基体１ｂと同時焼成によって形成され、第２基体１ｂの焼成温度が約８００〜１２００℃と低いことから比電気抵抗が２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い銅や金、銀を使用することができ、例えば銅から成る場合であれば、銅粉末に適当な有機溶剤、有機バインダー等を添加混合して得た金属ペーストを、基体１となるグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で所定パターンに印刷塗布しておくことによって、第２基体１ｂの所定位置に所定パターンに形成される。
【００６１】
なお、前記第２配線層２ｂは、その露出する表面をニッケル、銅、金等の耐食性およびロウ材の濡れ性の良好な金属から成るめっき層（不図示）で被覆しておくと、第２配線層２ｂの酸化腐食を良好に防止することができるとともに、第２配線層２ｂに対する半田等のロウ材の濡れ性を良好とすることができ、外部電気回路基板の配線導体等に対する第２配線層２ｂの接続をより一層容易、かつ確実なものとすることができる。従って、前記第２配線層２ｂは、その露出する表面をニッケル、銅、金等のめっき層、例えば、順次被着された厚み１μｍ〜１０μｍのニッケルまたはニッケル合金めっき層、厚み０．１μｍ〜３μｍの金めっき層で被覆しておくことが好ましい。
【００６２】
前記第２基体１ｂはまたその下面に設けた凹部Ｂに前記水晶振動子５の温度補償を行なうための半導体素子６が収容固定されており、該半導体素子６は水晶振動子５の振動周波数が温度変化に伴って変動するのを制御し、水晶振動子５の振動周波数を常に一定とする作用をなす。
【００６３】
前記半導体素子６は、ロウ材、ガラス、有機樹脂等の接着材１０を介して第２基体１ｂの下面に設けた凹部Ｂの底面に接着固定されており、また半導体素子６の各電極は、ボンディングワイヤ等の導電性接続部材１１を介して第２基体１ｂの凹部Ｂに露出する第２配線層２ｂに電気的に接続されている。
【００６４】
なお前記第２基体１ｂの凹部Ｂ内に収容されている半導体素子６は凹部Ｂ内に充填させた封止樹脂１４によって気密に封止されている。
【００６５】
また、前記半導体素子６の封止は封止樹脂１４で行なうものに限定されるものではなく、第２基体１ｂの下面に蓋体を、凹部Ｂを塞ぐように取着させることによって行なってもよい。
【００６６】
更に前記水晶振動子５を固定収容する第１基体１ａと半導体素子６を固定収容する第２基体１ｂとは弾性率が４ＧＰａ以下の接合材８を介して接合されている。
【００６７】
前記接合材８はその弾性率が４ＧＰａ以下で、軟質、変形し易いことから第１基体１ａと第２基体１ｂに半導体素子６が作動時に発する熱等が繰り返し作用し、第１基体１ａと第２基体１ｂに半導体素子６が作動時に発する熱等が繰り返し作用し、第１基体１ａと第２基体１ｂとの間に両者の線熱膨張係数差に起因して大きな熱応力が繰り返し発生したとしてもその熱応力は接合材８を適度に変形させることによって吸収され、その結果、第１基体１ａと第２基体１ｂとの間に外れや第１基体１ａ、第２基体１ｂ等に機械的な破壊が生じることはなく、第１基体１ａに収容する水晶振動子５と第２基体１ｂに収容する半導体素子６とを確実に電気的接続しておくことができる。
【００６８】
なお、前記接合材８は、その弾性率が４ＧＰａを超えると変形し難くなり、第１基体１ａと第２基体１ｂとの間に発生する熱応力を効果的に吸収することができず、第１基体１ａや第２基体１ｂ、または接合材８に機械的破壊を招来し、水晶振動子５を収容する容器４の気密が破れる等の不具合を生じて水晶デバイスとしての機能を喪失してしまう。従って、前記接合材８は、その弾性率が４ＧＰａ以下に特定される。
【００６９】
前記弾性率が４ＧＰａ以下の接合材８としては、アクリルゴム、イソプレンゴム等のゴム粒子を添加したエポキシ樹脂が好適に使用され、また前記エポキシ樹脂としては、（オルソ）クレゾールノボラック型、フェノールノボラック型、ナフタレン系アラルキル型、ポリサルファイド変性型等のエポキシ樹脂が好適に使用される。
【００７０】
この場合、エポキシ樹脂へのゴム粒子の添加量を増加させることにより接合材８の弾性率を低下させることができ、エポキシ樹脂の状態（構造、架橋度、重合度、硬化剤の種類等）に応じて適宜ゴム粒子の添加量を制御することにより接合材８の弾性率を４ＧＰａ以下とすることができる。またエポキシ樹脂への３ゴム粒子の添加量が５０重量％を超えると、接合材８の保形性が大きく低下し、第１基体１ａと第２基体１ｂとを強固に接合することが困難となる傾向にある。従って、エポキシ樹脂中にゴム粒子を添加する場合、その添加量は、接合材８の弾性率を４ＧＰａ以下とする範囲で、５０重量％以下としておくことが好ましい。
【００７１】
また前記接合材８は、その弾性率が１ＧＰａ未満になると、変形し易くなりすぎるため第１基体１ａと第２基体１ｂとを確実、強固に接合することが困難となる傾向がある。従って、前記接合材８はその弾性率を、４ＧＰａ以下の範囲で、かつ１ＧＰａ以上としておくことが好ましい。
【００７２】
上記接合材８による第１基体１ａと第２基体１ｂとの接合は、未硬化のエポキシ樹脂にゴム粒子を添加した未硬化の接合材を介して第１基体１ａと第２基体１ｂとを位置決めセットし、未硬化のエポキシ樹脂を加熱硬化させることにより行なうことができる。
【００７３】
なお、前記弾性率が４ＧＰａ以下の接合材８は、上述のエポキシ樹脂組成物に限らず、シリコーン樹脂等の低弾性率の熱硬化性樹脂にシリカ等のフィラー成分を添加した樹脂組成物により形成してもよい。
【００７４】
かくして上述の水晶デバイス７によれば、第１配線層２ａ、第２配線層２ｂを外部電気回路に接続し、水晶振動子５の電極に所定の電圧を印加させることによって水晶振動子５が所定の振動数で振動するとともに、半導体素子６により水晶振動子５の温度補償が行なわれ、コンピュータ等の情報処理装置や携帯電話等の電子装置において時間および周波数の高精度の基準源として使用される。
【００７５】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、図２に示すように、第１配線層２ａの一部に突起１５を形成しておくと、この突起１５がスペーサーとなって第１配線層２ａと水晶振動子５との間に一定のスペースが確保され、このスペースに十分な固定材９が入り込んで水晶振動子５を第１配線層２ａに極めて強固に接着固定することができる。
【００７６】
また上述の水晶デバイス７では第１基体１ａ上面に凹部Ａを設け、該凹部Ａ内に水晶振動子５を収容するようになしたが、これを図３に示す如く、平坦な第１基体１ａ上に水晶振動子５を搭載固定し、該固定された水晶振動子５を椀状の蓋体３で気密に封止するようになした水晶デバイス７にも適用し得る。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば水晶振動子が固定される第１基体の線熱膨張係数を１４×１０-6／℃乃至２０×１０-6／℃（４０〜４００℃）とし、水晶振動子の線熱膨張係数（１８×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから水晶振動子と第１基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、水晶振動子を第１基体に強固に接着固定することを可能とするとともに水晶振動子を安定に作動させることができる。
【００７８】
また本発明によれば水晶振動子の温度補償を行なう半導体素子が固定される第２基体の線熱膨張係数を２×１０-6／℃乃至８×１０-6／℃（４０〜４００℃）とし、半導体素子の線熱膨張係数（２．５×１０-6／℃：４０〜４００℃）に近似させたことから半導体素子と第２基体に熱が作用したとしても両者間に大きな熱応力が発生することはなく、その結果、半導体素子を第２基体に強固に接着固定することを可能とするとともに半導体素子によって水晶振動子の温度補償を長期間にわたり正確に行なうことができる。
【００７９】
更に本発明によれば、第１基体と第２基体とを接合する接合材の弾性率を４ＧＰａ以下としたことから、第１基体と第２基体との間の線熱膨張係数の差に起因して、両者間に大きな熱応力が発生したとしても、その熱応力は接合材を適度に変形させることによって効果的に吸収され、第１基体、第２基体または第１基体と第２基体とを接合する接合材に機械的な破壊が生じることを有効に防止することができるとともに水晶振動子と半導体素子との接続を完全とし、これによって水晶デバイスの長期信頼性を高いものとなすことができる。
【００８０】
また更に本発明によれば水晶振動子及び半導体素子が接続される第１配線層及び第２配線層の比電気抵抗を２．５μΩ・ｃｍ（２０℃）以下と低い値としたことから、第１配線層及び第２配線層に水晶振動子の基準信号や半導体素子の駆動信号等を伝搬させた場合、基準信号や駆動信号に大きな減衰を生じることはなく、基準信号や駆動信号を外部電気回路や水晶振動子と半導体素子との間に正確、かつ確実に伝搬させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水晶デバイスの一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の水晶デバイスの他の実施例を示す要部断面図である。
【図３】本発明の水晶デバイスの他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ａ・・・・・第１基体
１ｂ・・・・・第２基体
Ａ・・・・・・凹部
Ｂ・・・・・・凹部
２ａ・・・・・第１配線層
２ｂ・・・・・第２配線層
３・・・・・・蓋体
４・・・・・・容器
５・・・・・・水晶振動子
６・・・・・・半導体素子
７・・・・・・水晶デバイス
８・・・・・・接合材
９・・・・・・固定材
１０・・・・・接着材
１１・・・・・導電性接続部材
１２・・・・・ロウ付け用メタライズ層
１３・・・・・金属枠体
１４・・・・・封止樹脂
１５・・・・・突起
【図１】
0003798969.tif 000002
【図２】
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【図３】
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