JP2006032645A

JP2006032645A - 電子部品用パッケージ

Info

Publication number: JP2006032645A
Application number: JP2004209208A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kusai; 強草井
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】電子部品用のパッケージと回路基板の搭載接合の信頼性を向上させ、かつ加工が容易でコスト安の電子部品用パッケージを提供する。
【解決手段】電子部品素子を保持するのベース１と、キャップ２とを有してなる電子部品用パッケージであって、前記ベースには、導電性接合材により回路基板と接合され、ベースの底面に形成される底面端子電極１２２，１３２と、当該底面端子電極の一部をベースの側面に延出して形成された側面端子電極１２１，１３１が形成されており、各底面端子電極の面積を前記ベースの底面積の１２％以上とし、各底面端子電極の面積の和を前記ベースの底面積の４８％以下とするとともに、前記各側面端子電極の面積を、前記各底面端子電極の面積の５％以上とした。
【選択図】図１

Description

本発明は電子機器等に用いられる表面実装型の電子部品用パッケージに関し、特に水晶振動子や水晶フィルタ、水晶発振器などの表面実装型圧電振動デバイスを導電性接合材により回路基板へ接合する際の接合安定性を向上させるものである。

気密封止を必要とする電子部品の例として、水晶振動子、水晶フィルタ、水晶発振器等の圧電振動デバイスがあげられる。これら各製品はいずれも水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄膜電極を外気から保護するため、気密封止されている。

これら圧電振動デバイスは部品の表面実装化の要求から、セラミック材料からなるパッケージ内に気密的に収納する構成が増加している。例えば、特許文献１には、水晶振動板の搭載部を有するベース（実装基板）と断面が逆凹形のキャップ（カバー）とからなり、これらを気密的に封止したセラミック材料からなるパッケージを回路基板に搭載し、はんだなどの導電性接合材を介して接合する構成が開示されている。

ここでは、ベースの底面に端子電極が形成されており、はんだの這い上がりによる接続状態を確認するために、当該端子電極はベース側面に形成されたキャスタレーション（スルーホール）によりベースの底面から側面に延出している。また、回路基板は、加工の容易性とコスト的なメリットから、網目状のガラス繊維にエポキシ樹脂材を含浸させたいわゆるガラスエポキシ基板が広く使用されており、この回路基板の電極パターン上部にはスクリーン印刷などの手法によりペースト状のはんだが塗布されている。この回路基板の電極パターンに上記パッケージの端子電極を重ね合わせて搭載し、溶融炉にて前記ペースト状のはんだを溶融させ、回路基板上に圧電振動デバイスがはんだ接合されている。
特開２００２−７６８１３号特開２００４−６４７０１号

しかしながら、前記パッケージと回路基板との熱膨張差により、これらを接合するはんだに応力が生じ、クラックが発生することがある。特に、パッケージがアルミナ等のセラミック材料からなり、回路基板としてガラスエポキシ基板からなるものを組み合わせたものを、車載用などの耐熱用途向けに使用した場合、高温環境におかれ、パッケージの熱膨張係数に対して回路基板の熱膨張係数が大きく、はんだから疲労破壊が生じやすくなる。このため、通常の温度環境ではそれほど問題とならなかったはんだクラックの問題点が高温環境では顕著にあらわれ、衝撃が加わるとはんだクラック部分から剥離が生じるといった問題点があった。

上記特許文献１では、これらに対応するため、ベース底面の端子電極間に溝を形成しているが、溝を加工する工程が増加しコスト高となるだけでなく、ベースの溝部分の機械的強度が低下する。また、ベースの底面の端子電極を一辺側のみに形成しているが、回路基板への搭載の安定性が悪く、また回路基板の反りなどの応力に対しては弱いといった問題があった。

上記特許文献２では、これらに対応するため、ベース底面の端子電極の面積を５０％以上としているが、回路基板との接合面積のみを大きくしすぎると、パッケージ側に回路基板の反りの影響を受けやすくなったり、端子電極が近接するので各端子電極間での浮遊容量の影響を受けやすくなる。つまり、パッケージ側に回路基板の反りの影響が出ると、封止材が介在する封止部分でクラックを招き、封止の信頼性を低下させる。浮遊容量の影響を受けると、圧電振動デバイスでは所定の発振周波数が変動するなど電気的特性に不具合が生じることがある。また、端子電極の面積を大きさに応じて、回路基板側の電極面積も大きくする必要があるが、回路基板に電子部品を搭載する際の位置ズレによりショートする危険性が極めて高くなるといった問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、電子部品用パッケージと回路基板との熱膨張差が生じても、はんだクラック等の悪影響を抑制し、電子部品用パッケージと回路基板の搭載接合の信頼性を向上させることを目的とするものである。

本発明の請求項１による電子部品用パッケージは、電子部品素子を保持する絶縁性のベースと、当該電子部品素子を気密封止するキャップとを有してなる電子部品用パッケージであって、前記ベースには、導電性接合材により回路基板と接合される少なくとも一対の端子電極を有し、当該各端子電極は、前記ベースの底面に形成される底面端子電極と、当該底面端子電極の一部をベースの側面に延出して形成された側面端子電極を具備してなり、前記各底面端子電極の面積を前記ベースの底面積の１２％以上とし、各底面端子電極の面積の和を前記ベースの底面積の４８％以下とするとともに、前記各側面端子電極の面積を、前記各底面端子電極の面積の５％以上としたことを特徴とする。

また、上述の構成において、前記各端子電極は、前記ベースの中心に対してお互いに対向する位置に配置されてなる。

また、上述の構成において、前記ベースはセラミック材料で形成されてなるとともに、前記側面端子電極はキャスタレーションを介してベース側面に形成したことを特徴とする。

また、上述の構成において、前記ベースはセラミック材料で形成されてなるとともに、回路基板がガラスエポキシ基板からなることを特徴とする。

本発明によれば、底面端子電極と側面端子電極を具備し、前記各底面端子電極の面積を、前記ベースの底面積の１２％以上とし、前記各側面端子電極の面積を、前記各底面端子電極の面積の５％以上とすることで、導電性接合材のフィレットの形成が促進され、回路基板との接合強度を高めることができる。しかも、前記各底面端子電極の面積の和を前記ベースの底面積の４８％以下とすることで、回路基板との接合強度を低下させることなく、回路基板の反りの影響や、端子電極が近接することによる浮遊容量の影響を軽減し、ショートの危険性をなくすことができる。従って、電子部品用パッケージ（ベース）と回路基板との熱膨張差が生じても、はんだクラック等の悪影響を抑制し、電子部品用のパッケージと回路基板の搭載接合の信頼性を飛躍的に向上させることができる。

請求項２によれば、上述の作用効果に加えて、ベースの中心に対してお互いに対向する方向に回路基板と接合されるので、さらに接合強度が高まる。

請求項３によれば、上述の作用効果に加えて、前記ベースはセラミック材料で形成されてなるとともに、前記側面端子電極はキャスタレーションを介してベース側面に形成することで、導電性接合材のフィレットがキャスタレーションに食い込んでアンカー効果を生じ、さらに接合強度を高めることができる。

請求項４によれば、上述の作用効果に加え、熱膨張の影響が高い、セラミック材料からなるパッケージと、ガラスエポキシ基板からなる回路基板とを組み合わせても、はんだクラック等の悪影響を抑制し、電子部品用のパッケージと回路基板の接合強度を低下させることがない。

本発明の実施形態（図１から図４に開示）に示す表面実装型水晶振動子のはんだ耐久試験を、下記のような条件で実施した。表面実装型水晶振動子は、短辺３．２ｍｍ、長辺５ｍｍのアルミナセラミックからなるベース（以下タイプ１とする）と、短辺２．５ｍｍ、長辺３．２ｍｍのアルミナセラミックからなるベース（以下タイプ２とする）にアルミナセラミックからなるキャップをガラス封止しており、ベース底面に形成される端子電極はタングステンメタライズにニッケルメッキされ、その上部に金メッキが施されたものを用いた。このような表面実装型水晶振動子において、図３に示すように、ベース短辺方向の底面端子電極の寸法を、タイプ１は２．４ｍｍ、タイプ２は１．６ｍｍとして固定し、長辺方向の底面端子電極の寸法Ｌ１を、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍ、１．６ｍｍ、２ｍｍ（タイプ２は実施せず）に設定し、かつ、図４に示すように、側面端子電極の高さ寸法を０．２５ｍｍとして固定し、側面端子電極の幅寸法Ｌ２を、０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．８ｍｍ、１．６ｍｍ（タイプ２は実施せず）に設定した各々ものについて検証した。

なお、上記タイプ１とタイプ２の表面実装が水晶振動子において、Ｌ１寸法を変更させたときのベース底面に対する各底面端子電極と、底面端子電極の全体（各底面端子電極の和）との面積比を次の通りとなる。

また、回路基板は、ガラスエポキシ材からなり、電極パッド材としては銅からなる。上記表面実装型水晶振動子と回路基板の接合は、鉛フリーはんだ（Sn-3.0Ag-0.5Cu）を使用した。上記表面実装型水晶振動子をはんだにより回路基板に接合されたものに対して、次のような環境温度試験を行った。大気圧中で、−４０°から＋１５０°まで温度上昇させ、＋１５０°から−４０°まで温度降下させるのを１サイクル（１サイクルの時間は６０分）とし、５００サイクル毎に、電子顕微鏡による断面解析によりはんだクラックを確認し、最大２０００サイクルまで繰り返した。

これらの検証結果について、下記一覧表に記載する。一覧表には、Ｌ１とＬ２の寸法を特定することによる前記各底面端子電極に対する前記各側面端子電極の面積比率（小数点以下切り捨て）と実験結果（２０００サイクルまでクラックが確認できないものを○、それ以外を×とする）とを示している。

これらの試験データから、Ｌ１が０．４ｍｍのものは全て、特性を満足できなかった。このことから、Ｌ１が０．８ｍｍ以上、すなわちベース底面に対する各底面端子電極の占有率１２％以上必要であることがわかった。さらに、前記各底面端子電極に対する前記各側面端子電極の面積の占有率が５％以上必要であることもわかる。なお、タイプ１ではＬ２が２ｍｍのもの、タイプ２ではＬ２が１．６ｍｍのものについて、底面端子電極と側面端子電極の占有率に関係なく、特性を満足できているが、上述のように、パッケージ側に回路基板の反りの影響を受けやすくなったり、端子電極が近接するので各端子電極間での浮遊容量の影響を受けやすくなったり、回路基板に電子部品を搭載する際の位置ズレによりショートする危険性が極めて高くなるので、実用上好ましい設計ではない。従って、本発明の構成を採用するにあたり、前記各底面端子電極の面積の和を前記ベースの底面積の４８％以下とするとともに、前記各底面端子電極の面積を、前記ベースの底面積の１２％以上とし、前記各側面端子電極の面積を、前記各底面端子電極の面積の５％以上とすることが、はんだヒートサイクル性能も満足でき、実用上も好ましいことがわかる。

以上のように、本発明は電子部品用パッケージ（ベース）と回路基板との熱膨張差が生じても、はんだクラック等の悪影響を抑制し、電子部品用のパッケージと回路基板の搭載接合の信頼性を飛躍的に向上させることができる。また、共晶はんだに比べて鉛フリーはんだを用いることでよりはんだクラックが抑制できる。

本発明の実施形態を表面実装型の水晶振動子を例にとり図面とともに説明する。図１は本発明の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面側斜視図であり、図２は本発明の実施形態を示す表面実装型水晶振動子を回路基板に搭載した一部断面図であり、図３は図１の底面図であり、図４は図１のＸ方向から見た側面図である。表面実装型水晶振動子は、上部が開口した凹部を有する平面矩形状のベース１と、当該ベースの中に収納される圧電振動板である水晶振動板３と、ベースの開口部に接合されるキャップ２とからなる。

ベース１は、例えばアルミナセラミック材料からなり、矩形平板形状のベース基体と、４角が張り出した状態で中央部分が大きく穿設されるとともに外形サイズが前記ベース基体とほぼ等しい枠体と、中央部分が大きく穿設されるとともに外形サイズが前記ベース基体とほぼ等しい枠体からなり、これら各層（セラミックグリーンシート）が積層されて一体的に焼成されている。上記焼成成形後、枠体の上面には前述のガラス層１１ａが焼き付け加工等の手法により形成されている。つまり、ベース１は、断面でみて凹形の圧電振動素子収納部１０と４角に支持台とを有した形態となっており、凹形周囲の堤部１１上に周状のガラス層１１ａが形成されている。このベース外周上下部には、長辺方向両端部の中央部分にキャスタレーションＣ１，Ｃ２が形成され、４角にキャスタレーションＣ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６が形成されている。このうちキャスタレーションＣ１，Ｃ２の下方には側面端子電極１２１，１３１が形成され、底面側に形成された底面端子電極１２２，１３２と電気的につながっており、これらが外部に接続される端子電極１２，１３を構成している。

前記ベース内部の支持台の一部には、上部に電極パッド１４，１５（１５については図示せず）が形成されており、これら電極パッドはビアＶと図示しない連結電極を介して、前記端子電極１２、１３へと電気的に延出されている。これらの端子電極、連結電極、電極パッドは、例えば、ダングステン、モリブデン等のメタライズ材料を印刷した後にベースと一体的に焼成して形成し、これのうち一部のものは、メタライズ上部にニッケルメッキを形成し、その上部に金メッキを形成して構成されている。

前記電極パッド１４，１５間には圧電振動板（電子部品素子）である矩形の水晶振動板３が搭載されている。水晶振動板３の図示していないが表裏面には一対の励振電極が形成されており、例えば水晶振動板３に接してクロム、金の順に、あるいはクロム、金、クロムの順に、あるいはクロム、銀、クロムの順で電極が形成されている。各励振電極は前記ベースの各々の電極パッド１４，１５に引き出されており、当該電極パッド１４，１５に励振電極が形成された水晶振動板３が、例えばシリコーン系の導電性樹脂接合材（図示せず）により導電接合され、片持ち保持されている。

ベースを気密封止するキャップ２は平板形状であり、アルミナセラミック材料またはセラミックガラス材料からなる。当該キャップ２の接合面には、封止接合材として例えば鉛系、ビスマス系、あるいはスズリン酸系の低融点ガラス材２１が形成されており、当該ガラス材２１はベースの堤部の幅より大きくかつベース内方において電子素子収納部１０にはみ出す状態で周状にキャップ２に形成される。これにより、加熱後、図２に示すようにインナーメニスカスを作り出すことができる。

上記ベースとキャップの接合は所定温度の加熱により、キャップに形成されたガラス材を溶融させ気密封止を行う。この気密封止作業はキャップの位置決めと自重封止を行うために、マトリクス状に収納部の設けられたパレットを用い、多数個について一括処理を行えばよい。例えば、図示していないが、ベースと同サイズの凹形の収納部がマトリクス状に形成されたパレットを用意し、当該各収納部にまず前記キャップ２をそれぞれ収納した後、前記水晶振動板の保持されたベース１をその開口部がキャップ２と接触するように収納部に逆さに収納する。この状態で所定温度に加熱することによりガラス材を溶融させ、キャップの位置決めと自重封止を行う一括接合処理を行う。なお、加重錘を前記ベース１上に搭載し、各ベースとキャップの接合促進を行ってもよい。また、上記実施形態では、ベースとキャップの両接合領域にガラス接合材を形成しているが、ベースあるいはキャップの一方にのみ形成してもよい。以上により表面実装型の水晶振動子の完成となり、図２に示すように、ガラスエポキシ材からなる回路基板４の電極パッド４１，４２の上部に、例えばはんだ等の導電性接合材Ｄを介して接合される。

本発明では、上記端子電極１２，１３に特徴があるので、以下詳細を説明する。図３に示すように、ベース１の底面の対向辺に沿って形成される一対の端子電極１２、１３は、底面端子電極１２２，１３２と、当該底面端子電極からキャスタレーションＣ１，Ｃ２を介してベース側面に延出して形成された側面端子電極１２１，１３１とを具備する構成となっており、これらの各端子電極は、同形状同面積であり、前記ベースの中心に対してお互いに対向する位置に配置されている。そして、本発明では、短辺３．２ｍｍ、長辺５ｍｍのアルミナセラミックからなるベースに対して、ベース短辺方向の底面端子電極の寸法を２．４ｍｍ、長辺方向の底面端子電極の寸法Ｌ１を１．４ｍｍ（ベース底面に対する各底面端子電極の占有率２１％、底面端子電極全体の占有率４２％）に設定し、かつ側面端子電極の高さ寸法を０．２５ｍｍ、側面端子電極の幅寸法Ｌ２を１．４ｍｍ（底面端子電極に対する面積比率１０％）に設定した。

これらの構成により、本発明の水晶振動子の端子電極１２，１３と回路基板を接合した場合、導電性接合材のフィレットの形成が促進され、回路基板との接合強度を高めるとともに、水晶振動子のパッケージ（ベース）と回路基板との熱膨張差が生じても、はんだクラック等の悪影響を抑制する。しかも、パッケージ側に回路基板の反りの影響があっても、ガラス封止部分でクラックを招くことがない。端子電極１２と端子電極１３との間で浮遊容量の影響を受けにくくなり、所定の発振周波数が変動するなど電気的特性に不具合が生じることがない。また、回路基板に水晶振動子を搭載する際の位置ズレによりショートする危険性が低減できる。

なお、本発明の端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ２の部分を除いてベース１の底面の辺から隔離して当該ベースの底面のみに形成している。これは、細分溝（ブレーク溝）を介してベースがマトリックス状に配置されてなる焼成前のセラミックグリーンシートにおいて、前記細分溝から接しない状態で端子電極用のメタライズパターンが形成されるので、前記セラミックグリーンシートが焼成された後に各ベースとして前記細分溝で分断する際に、端子電極用のメタライズパターンが細分溝にまたがって形成されることによって前記分断作業性を妨げないようにしている。

上記実施形態では、ベースに対してキャップをガラスなどの封止材で気密封止した絶縁材質のみで構成されたパッケージであって、水晶振動子の入出力端子以外のアース端子が形成されない一対の端子電極構造、すなわち２極のみの端子電極構造のものを例にしているが、アース端子などの他の端子を含む２以上の端子電極を具備するものにも適用でき、有効なものである。また、上記実施形態では、各底面端子電極に対して１つのキャスタレーションと１つの側面端子電極を具備するものを例にしているが、各底面端子電極に対して複数のキャスタレーションと複数の側面端子電極を形成してもよく、キャスタレーションを介さずに側面端子電極のみを１つ以上形成したものであってもよい。

上記実施形態では、封止接合材としてガラス材を例にしているが、樹脂等でもよい。また、セラミックベースに金属製のキャップを用い、封止接合材に銀ロウ材等のロウ材を用いたレーザ封止、ビーム封止、シーム封止等でも適用できる。さらに、上記実施形態では、表面実装型水晶振動子を例にしているが、水晶フィルタ、水晶発振器など電子機器等に用いられる他の表面実装型の電子部品用パッケージにも適用できる。

本発明は、その精神または収容な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面側斜視図。本発明の実施の形態を示す表面実装型水晶振動子を回路基板に搭載した一部断面図。図１の底面図。図１のＸ方向から見た側面図である。

符号の説明

１ベース
２キャップ
３水晶振動板（圧電振動板）
４回路基板

Claims

電子部品素子を保持する絶縁性のベースと、当該電子部品素子を気密封止するキャップとを有してなる電子部品用パッケージであって、
前記ベースには、導電性接合材により回路基板と接合される少なくとも一対の端子電極を有し、
当該各端子電極は、前記ベースの底面に形成される底面端子電極と、当該底面端子電極の一部をベースの側面に延出して形成された側面端子電極を具備してなり、
前記各底面端子電極の面積を前記ベースの底面積の１２％以上とし、各底面端子電極の面積の和を前記ベースの底面積の４８％以下とするとともに、前記各側面端子電極の面積を、前記各底面端子電極の面積の５％以上としたことを特徴とする電子部品用パッケージ。
前記各端子電極は、前記ベースの中心に対してお互いに対向する位置に配置されてなることを特徴とする特許請求項１記載の電子部品用パッケージ。
前記ベースはセラミック材料で形成されてなるとともに、前記側面端子電極はキャスタレーションを介してベース側面に形成したことを特徴とする特許請求項１項、または特許請求項２項記載の電子部品用パッケージ。
前記ベースはセラミック材料で形成されてなるとともに、回路基板がガラスエポキシ基板からなることを特徴とする特許請求項１〜３いずれか１項記載の電子部品用パッケージ。