JP3516367B2

JP3516367B2 - ガラス−セラミック複合体およびそれを用いたフラットパッケージ型圧電部品

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Publication number: JP3516367B2
Application number: JP01529296A
Authority: JP
Inventors: 克弥寺井
Original assignee: エヌイーシーショットコンポーネンツ株式会社
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 2004-04-05
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: KR100212102B1; EP0787695A3; JPH09208261A; EP0787695A2; US5877101A; KR970059127A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水晶の熱膨張係数に
略一致した熱膨張係数を有するガラス−セラミック複合
体および信頼性の高い水晶振動子やＳＡＷ共振子等の圧
電部品用の面実装用フラットパッケージに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子等のデバイスを面実装部品と
して使用する場合、図４に示すようにアルミナを主材料
とするベース部材１に水晶片２を固着したのちアルミナ
を主材とするキャップ部材３をかぶせ、低融点のガラス
封止部４で気密封止して使用している。封止されたパッ
ケージ５は回路基板上に半田リフロー法等で実装され
る。パッケージを封止する際や、回路基板に実装する際
には、パッケージは加熱されるが、パッケージ５と水晶
片２の熱膨張係数が異なるため、加熱冷却後に水晶片２
に応力歪が発生する。そのため水晶片２の共振周波数が
変動し、目的とする周波数特性が得られない。その対策
として、例えば「ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＵＰＤＡＴ
Ｅ」（１９９０年第４号Ｐ．８３〜Ｐ８８）に述べられ
ている前記図４の構造のようにベース部材１に水晶片２
をバネ性サポータ６を介して固着したのち気密封止して
使用している。

【０００３】あるいは、図５のごとく特開平２−１０５
７１０号公報に述べられているように、水晶片２の電極
リード部７を水晶片２の同じ端部に導き、水晶片２を直
接ベース部材１上にサポータを介さずに電極パッド部８
に固着する方法も提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
水晶振動子では、パッケージ５と水晶片２の熱膨張係数
が異なる[例えば、アルミナの熱膨張係数は７０〜８０
×１０^-7／℃、水晶（Ｚロング）は１３９×１０^-7／
℃]ので、加熱冷却後に、応力歪が発生し水晶振動子の
共振周波数が変動し、目的とする周波数特性が得られな
い。

【０００５】また、前記課題を解決するために、水晶片
２をばね性のサポータ６を介してパッケージ５に接続す
る場合、製造コストが高くなる、またパッケージ５が厚
くなる等の問題がある。

【０００６】さらに、パッケージ５の主材料であるアル
ミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）は焼結温度が１５００〜１６００℃
であり、パッケージ５内部の配線導体を同時焼成する場
合、導体としてタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）等の高融点金属を使用する必要がある。これら高融
点金属は電気伝導率が低くまた半田付け出来ないので、
ニッケル（Ｎｉ）メッキ、および金（Ａｕ）メッキを施
す必要がある。そのため製造時に、工数、コストとも多
大なものとなっている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決し、水晶板等圧電部品の熱膨張係数に近いパッケージ
材料を提供することを目的として提案されたもので、Ｐ
が結晶核を形成している結晶化ガラス中にフォルステラ
イトを４０〜６０重量％含むガラス−セラミック複合体
であって、前記結晶化ガラスの組成（重量％）は酸化物
基準で、ＳｉＯ_２が７５〜８５％、Ｐ₂Ｏ₅が５％超〜１
０％、ＭｇＯが０〜５％、Ｒ_２Ｏ（但しＲはＬｉ、Ｋか
ら選ばれる１種類以上とする）が８〜２０％、Ｎａ_２Ｏ
が０〜２％であることを特徴とする。また、前記結晶化
ガラスの他の組成（重量％）は酸化物基準で、ＳｉＯ_２
が４０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が２０〜３０％、Ｐ_２Ｏ_５
が１０〜２０％、ＢａＯが０〜５％、Ｘ_２Ｏ（但しＸは
Ｎａ、Ｋから選ばれる１種類以上とする）が５〜１０％
であることを特徴とする。また、前記結晶化ガラスにお
いてＰが結晶核を形成していること、平均粒径が０．１
〜３μｍのガラスおよびフォルステライトの微粉末を混
合してなることなどを特徴とする。また、前記組成のガ
ラス−セラミック複合体を用いたパッケージであること
を特徴とする。さらに、フラットパッケージ型圧電部品
としては、電極リード部を配した水晶片と、前記水晶片
に電気的かつ機械的に接続される一対の電極パッド部を
有するベース部材と、キャップ部材とを備え、前期ベー
ス部材およびキャップ部材が、請求項１、２または３記
載のガラス−セラミック複合体を用いて形成されたこと
を特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明のガラス−セラミック複合
体は、Ｐが結晶核を形成している結晶化ガラス中にフォ
ルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）を４０〜６０重量
％分散させた形態を有することを特徴とし、前記結晶化
ガラス自体は熱膨張係数（または熱膨張率）が１００〜
２００×１０^-7／℃程度のものが好適し、下記に示すよ
うな酸化物基準でのガラス組成のものが選定される。か
かるガラス−セラミック複合体はガラスとフォルステラ
イトの相互効果により熱膨張係数が水晶板等の圧電部品
の熱膨張係数と同一であるか、またはこれに近い値にな
るので、この材料でパッケージを構成することにより、
水晶板等の圧電部品をサポータを介さずに直接装着で
き、しかも共振周波数の変動を抑制できるという特徴が
ある。

【０００９】

【実施例】本発明のガラス−セラミック複合体の組成と
特性について、実施例１〜１１の結果を表１に示す。な
お、表１にはガラス自体の熱膨張係数も示す。

【００１０】

【表１】

【００１１】各実施例において、ガラス成分およびフォ
ルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）の粉末を湿式ボー
ルミルで粉砕混合して平均粒径が０．１〜３μｍとなる
ように微粉末化し、乾燥、らいかい後粉末成形プレスを
行い、大気雰囲気中にて８００℃〜１０００℃で１〜２
時間で焼成した後直方体に切断し、熱膨張係数、抗折強
度を測定した。それらの結果は表１に示すとおりであ
る。また、特に実施例１と実施例９の組成のものについ
て温度に対する伸びを従来のものと比較して図２に示し
た。本発明のものは、ほぼ水晶と同様の伸びを示し、従
来のものより大幅に改良されていることが確認できた。

【００１２】実施例１〜７の組成のものは、リチウム系
の結晶化ガラス（ガラス自体の熱膨張係数は１１０〜１
６０×１０^−７／℃程度のもの）に対しフォルステライ
トが４０〜６０重量％混合されており、またガラス組成
は重量％でＳｉＯ_２が７５〜８５％、Ｐ₂Ｏ₅が５％超〜
１０％、ＭｇＯが０〜５％、Ｒ_２Ｏ（但しＲはＬｉ、Ｋ
から選ばれる１種類以上とする）が８〜２０％、Ｎａ_２
Ｏが０〜２％である第１群のガラス−セラミック複合体
として区分できる。このガラス−セラミック複合体は熱
膨張係数が略１００〜１４０×１０^−７／℃であり、水
晶（Ｚロング）の１３９×１０^−７／℃よりは小さいが
かなり近い値であって、従来のアルミナ（熱膨張係数＝
７０〜８０×１０^−７／℃）に比べて各段に改良されて
いる。また、ガラスの結晶化と成分材料の微粉化により
抗析強度もほとんどの組成のものが２５００〜４５００
ｋｇ／ｃｍ^２と大きく、パッケージ材料として好適す
る。

【００１３】次に、実施例８〜１１の組成のものは、シ
リカ−アルミナ−ソーダ系の結晶化ガラス（ガラス自体
の熱膨張係数は１７０〜２００×１０^−７／℃程度のも
の）に４０〜６０重量％のフォルステライトを混合した
もので、ガラス組成は重量％でＳｉＯ_２が４０〜５５
％、Ａｌ_２Ｏ_３が２０〜３０％、Ｐ_２Ｏ_５が１０〜２０
％、ＢａＯが０〜５％、Ｘ_２Ｏ（但しＸはＮａ、Ｋから
選ばれる１種類以上とする）が５〜１０％である第２群
のガラス−セラミック複合体として区分できる。このシ
リカ−アルミナ−ソーダ系ガラスは、前記リチウム系ガ
ラスに比べて焼結温度が低く、熱膨張係数が大きいとい
う特徴がある。このガラス−セラミック複合体は、熱膨
張係数が１３５〜１４４×１０^−７／℃であって、水晶
（Ｚロング）の１３９×１０^−７／℃と略一致するとい
う従来にない優れた材料である。また、ガラスの結晶化
と微粉末化により、抗析強度もほとんどのものが２５０
０〜３１００ｋｇ／ｃｍ^２であり、パッケージ材料とし
て好適である。

【００１４】本発明のガラス−セラミック複合体は、前
記のように水晶と略同一か、またはこれに近い熱膨張係
数を有するにもかかわらず、従来のアルミナに近い抗折
強度を有するという特徴がある。これはガラス組成の選
定、フォルステライトの混合、Ｐ₂ Ｏ₅ の使用などによ
るものである。ガラス成分中に適量のＰ₂ Ｏ₅ を含むこ
とにより、焼結過程を経てＰ₂ Ｏ₅ が核となってガラス
成分が結晶化し強度が向上するものである。このため本
発明ではＰ₂ Ｏ₅ は必須成分である。また、本発明にお
いてガラス成分に対しフォルステライトを４０〜６０重
量％の範囲を逸脱して混合すると焼結の段階でガラス中
に気孔が生じ、充分な抗折強度が得られないといった不
具合が生じる。

【００１５】前記第１群の組成において、Ｐ₂Ｏ₅が１０
重量％を超えると分相して安定なガラスが得られない
し、1重量％より少ないと結晶化が不十分となる。ま
た、絶縁抵抗や耐湿性を向上するためにはＮａ_２Ｏは少
ない方がよく、２重量％以下が望ましい。また、ＭｇＯ
はガラスに溶融性を持たせる成分で、多すぎるとガラス
の結晶化が抑制される不具合が生じるので５重量％以下
が望ましい。ＳｉＯ_２、Ｌｉ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏなどはガラス
の骨格となる成分であり、熱膨張係数、溶融性、ガラス
の結晶化などを考慮して組成を選定する必要がある。実
験結果によるとＳｉＯ_２は７５〜８５重量％が望まし
く、この範囲より多いと必要な熱膨張係数が得られない
し、少ないと溶融性に乏しくなるという不具合が生じ
る。また、Ｒ_２Ｏ（Ｒ＝Ｌｉ、Ｋなど）は８〜２０重量
％が望ましく、この範囲より多いとガラスの熱膨張係数
が下がり、少ないと溶融性に乏しくなるという不具合が
生じる。

【００１６】前記第２群の組成においてＳｉＯ_２、Ａｌ
_２Ｏ_３、Ｘ_２Ｏはガラスの骨格となる成分であり、いず
れも前記の組成範囲が望ましい。この範囲を超えると、
結晶化が進行しない、溶融性に乏しくなる、必要な熱膨
張係数が得られないといった不具合が生じる。ＢａＯは
溶融性を付与する成分であり、０〜５重量％が望まし
い。この範囲より多いとガラスの結晶化が進行しないと
いった不具合が生じる。Ｐ_２Ｏ_５は結晶核を形成する成
分であり、第２群の組成では１０〜２０重量％が望まし
い。２０重量％を超えると分相し安定なガラスが得られ
ない。下限値は１重量％であり、これより少ないとガラ
スの結晶化が不十分となり必要な強度が得られない。以
上のように第１群および第２群に記載された組成範囲を
逸脱すると、水晶と略同一もしくはこれに近い熱膨張係
数を有し、かつ実用上充分な強度と耐湿性を併せ持つガ
ラス−セラミック複合体を実現することが著しく困難に
なる。

【００１７】次に、本発明のガラス−セラミック複合体
を用いたフラットパッケージについて説明する。表１に
示す実施例１および実施例９に示す原料粉末を使用し
て、以下に述べる製造工程に従って従来と同等な構造の
パッケージを作成した。（ａ）前記材料とバインダー、溶剤を混合し、スラリー
を製造してドクターブレード法により厚さ１００〜３０
０μｍのグリーンシートを作成する。（ｂ）前記グリーンシートにスルーホールを形成し、Ａ
ｇ／Ｐｄペーストをスクリーン印刷し、スルーホールを
充填するとともに内部導体部を形成する。（ｃ）別のグリーンシートにＡｇ／Ｐｄペーストをスク
リーン印刷し、外部取り出し電極部を形成する。（ｄ）別のグリーンシートに水晶振動子のキャビティ用
の穴を打ち抜く。（ｅ）前記（ｂ）〜（ｄ）のグリーンシートを積層し、
８０℃で２００〜４００ｋｇ／ｃｍ²の圧力でプレスす
る。（ｆ）前記積層体を脱バインダーし、８００〜１０００
℃で焼成する。（ｇ）焼成された積層体を切断し、図１に示すパッケー
ジのベース部材１を得る。（ｈ）ベース部材１と同じ混合粉末を用いてパッケージ
のキャップ部材を粉末プレスにより形成し、８００℃〜
１０００℃で焼成しキャップ部材３を得る。（ｉ）前記ベース部材１に予め低融点のガラス封止部４
を形成しておき、図１に示す構成で前記ベース部材１上
の電極パッド部８０と水晶片２の電極リード部７を導電
性接着剤で固着した後、前記キャップ部材３で封止し、
水晶振動子用パッケージ５０を完成する。

【００１８】完成した水晶振動子の共振周波数の熱処理
温度依存性を従来品と比較して調査した。水晶振動子を
４０個作成し、まず室温にてそれぞれの共振周波数（ｆ
０）をスペクトラムアナライザーで測定した。次に各１
０個をそれぞれ、１００℃，２００℃，３００℃，４０
０℃で約３０分加熱処理し、室温まで冷却し、熱処理後
の共振周波数[ｆ（Ｔ）]を測定し、式１に従い△ｆ／ｆ
０を求めた。

【００１９】

【式１】

【００２０】測定結果を図３に示す。図３中には前記図
４に示すアルミナを主材とする従来タイプのパッケージ
で封止された水晶振動子の結果も併せて示した。これに
よれば、熱処理による共振周波数の変動は従来タイプに
比較し、実施例１の組成のもので約１／１０に抑えら
れ、また実施例９の組成のものでは約１／１５にさらに
抑えられていることが分かる。

【００２１】次に表１の他の実施例に示す原料粉末を使
用して、前記と同様の手順に従い、水晶振動子用パッケ
ージを試作し、水晶片を組み込んで完成したフラットパ
ッケージ型水晶振動子の共振周波数の熱処理温度依存性
を従来品と比較して調査したところ、図３に示す実施例
１または実施例９とほぼ同様な結果が得られた（図示は
省略する）。

【００２２】本発明は水晶振動子に限らず、水晶を用い
た電子部品ならどのようなものにでも適用できることは
いうまでもない。

【００２３】

【発明の効果】水晶振動子等の圧電部品の熱膨張係数と
パッケージの熱膨張係数が整合するため、パッケージの
封止時および封止後の熱処理においても、水晶振動子等
の周波数特性が変動しにくくなり、また、抗折強度が向
上するため衝撃や曲げの力に対して強くなり、さらに、
耐湿性に優れるため、信頼性の高い表面実装型圧電部品
を得ることが出来る。また、熱処理時の応力歪を吸収す
るためのばね性のサポータが不要になるので、パッケー
ジの薄型化、低コスト化が図れる。また、従来のアルミ
ナ製のパッケージに比べ、本発明のガラス−セラミック
複合体を用いたパッケージは焼結温度が格段に低いた
め、製造コストを低減できるほか、外部電極にタングス
テン、モリブデンなどの高融点金属を使用してニッケ
ル、金メッキなどをする必要もなく低コスト化が図れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるガラス−セラミック
複合体を用いたフラットパッケージ型水晶振動子の分解
斜視図

【図２】本発明の一実施例であるガラス−セラミック
複合体の温度変化による伸びを従来材料と比較して示す
特性図

【図３】本発明の一実施例であるガラス−セラミック
複合体を用いたフラットパッケージ型水晶振動子の共振
周波数の温度特性を従来品と比較して示す図

【図４】従来のセラミックパッケージを用いた水晶振
動子の分解斜視図

【図５】従来のセラミックパッケージを用いた他の水
晶振動子の分解斜視図

【符号の説明】

１ベース部材２水晶片３キャップ部材４ガラス封止部５０パッケージ７水晶振動子の電極リード部８０パッケージの電極パッド部１００フラットパッケージ型水晶振動子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐが結晶核を形成している結晶化ガラス中
にフォルステライトを４０〜６０重量％含むガラス−セ
ラミック複合体であって、前記結晶化ガラスは重量％
で、ＳｉO_２が７５〜８５％、Ｐ₂Ｏ₅が５％超〜１０
％、ＭｇＯが０〜５％、Ｒ_２Ｏ（但しＲはＬｉ、Ｋから
選ばれる１種類以上とする）が８〜２０％、Ｎａ_２Ｏが
０〜２％の組成物からなることを特徴とするガラス−セ
ラミック複合体。
【請求項２】Ｐが結晶核を形成している結晶化ガラス中
にフォルステライトを４０〜６０重量％含むガラス−セ
ラミック複合体であって、前記結晶化ガラスは重量％
で、ＳｉＯ_２が４０〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３が２０〜３０
％、Ｐ_２Ｏ_５が１０〜２０％、ＢａＯが０〜５％、Ｘ_２
Ｏ（但しＸはＮａ、Ｋから選ばれる１種類以上とする）
が５〜１０％の組成物からなることを特徴とするガラス
−セラミック複合体。
【請求項３】前記結晶化ガラスおよび前記フォルステラ
イトは平均粒径が０．１〜３μｍの微粉末を混合してな
ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガ
ラス−セラミック複合体。
【請求項４】電極リード部を配した水晶片と、前記水晶
片に電気的かつ機械的に接続される一対に電極パッド部
を有するベース部材と、キャップ部材とを備え、前記ベ
ース部材およびキャップ部材が、請求項１ないし３のい
ずれかに記載のガラス−セラミック複合体を用いて形成
されたことを特徴とするフラットパッケージ型圧電部
品。