CN1541026A - 表面安装电子元件封装 - Google Patents

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Abstract

一种表面安装电子元件封装，所述封装将在大约250℃或更高的回流温度下回流焊接在电路板上，其包括和外壳盖子。所述外壳具有高于回流温度的软化温度，所述盖子具有低于回流温度的软化温度。在所述封装中，软化盖子补偿了回流造成的外壳与盖子之间的热膨胀差异产生的粘合表面上的应力。

Description

表面安装电子元件封装
技术领域
本发明提供一种表面安装电子元件封装结构。
背景技术
压电声元件在电子装置、家用器具、便携式电话等中被广泛地用作用于产生声音报警和工作音响的压电发声器、压电接收器或其他元件。典型的压电声元件包括固定在外壳中的膜片，所述外壳用盖子关闭，日本未审查专利申请出版物No.2000-310990公开了一种这样的元件。
目前电子装置的体积极大地缩小，希望使用表面安装型压电声元件，其能够直接安装在电路板上。对于表面安装电子元件，电子元件的外壳和盖子必须具有高于回流温度的耐热性。因此，所述外壳和盖子由耐热树脂制成，例如LCP(液晶聚合物)、SPS(间同聚苯乙烯)、PPS(硫化聚亚苯)或环氧树脂。
回流温度依赖于所用焊料的成分。当前对含铅焊料的限制扩展了无铅焊料的应用。但是含铅焊料在220℃至240℃的范围内回流，无铅焊料250℃或更高温度下回流，并因此需要电子元件封装的更高耐热性。
一般地，树脂外壳和盖子的耐热性或软化温度被设定得高于回流温度。外壳和盖子的外形因此能够得到保持而不会由于回流而软化。采用含铅焊料的回流不会严重影响具有外壳和盖子的封装结构。但是，如果由软化温度高于回流温度的树脂形成的外壳和盖子经受高温回流处理，由外壳和盖子之间热膨胀差异产生的应力作用在它们的粘合表面上。在回流过程中或者在后续的下落冲击试验中，所述应力有可能使不利地导致外壳和盖子分开。即使在相同材料中，树脂(特别是LCP)的热膨胀根据模制条件、外形、回流方向等而发生变化，结果，部分之间的热膨胀差异较大。因此，上述问题变得非常明显。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的优选实施例提供了一种表面安装电子元件的封装，能够减小由高温回流焊接施加在外壳和盖子的粘合表面上的应力，并能够防止回流后可能发生的粘合表面分离和粘合强度减小。
根据本发明的优选实施例，一种表面安装电子元件封装，所述电子元件将在大约250℃或更高的回流温度下回流焊接到电路板上，所述封装包括：具有开口的外壳，其中容纳电子元件的零件；和粘合到所述外壳以靠近所述开口的盖子。所述外壳具有高于回流温度的软化温度，所述盖子具有低于回流温度的软化温度。
如果具有高于回流温度的软化温度的外壳和盖子利用无铅焊料在大约250℃或更高的温度下经受回流，由于外壳和盖子的热膨胀之间的差异，过大的应力施加在它们的粘合表面上。另一方面，在本发明的优选实施例中，由于盖子的耐热性或者软化温度低于回流温度，应力由软化的盖子补偿。此处软化温度指根据JIS K 7202中规定的方法B的温度。因此，不仅能够防止回流过程中盖子从外壳脱离，还能防止回流后粘合强度减小。另外，如果外壳和盖子的软化温度都高于回流温度，则在回流后在外壳或者盖子中会留下不利的变形。在本发明的优选实施例中，软化外壳能够防止回流后的变形。由于外壳的软化温度高于回流温度，即使元件具有低强度，也没有过大的负载施加在电子元件的零件上。因此，可以防止零件的特性偏离或者意外变化。并且，外部尺寸得到稳定。
外壳和盖子优选由LCP制成。LCP由于其卓越的耐热性而适用于表面安装电子元件封装。但是，即使在相同材料中，LCP的热膨胀根据模制条件、外形、回流方向等而发生变化，因此各个部分之间的热膨胀很大。例如，在模制流方向上的热膨胀系数与垂至于模制流的方向上的热膨胀系数相差几倍到十倍。具有大体U形横截面的外壳和扁平盖子组合在其间必然产生热膨胀系数差异。因此，通过使用LCP和利用LCP特征的优点，可以有效防止粘合部分分离。
优选地，盖子的软化温度处于大约180℃至240℃的范围内。在这种情况下，盖子通过回流软化，但外形得到有利的保持。另外，可以利用价格低廉的材料。外壳和盖子可以用环氧粘合剂粘合。环氧粘合剂价格低廉并且具有较高粘合力。作为选择，外壳和盖子可以用硅酮胶粘合。虽然硅酮胶在固化过程中会产生硅氧烷从而污染外壳，硅酮胶的粘合力不会由于固化而减小，但是其他粘合剂(例如环氧粘合剂)会减小。并且，杨氏模量低，从而减轻了具有较大热膨胀差异的外壳和盖子的粘合表面应力。
所述零件可以是压电膜片，所述压电膜片弯曲模式振动以响应所施加的交替信号(交流信号或者矩形波信号)。外壳可以具有一对固定端子，用于把交替信号施加于压电膜片，并且外壳和盖子至少其中之一具有声音释放孔，声音通过所述释放孔发出。优选地用于便携式电话和其他设备的压电声元件需要较高的下落冲击特性。如果在回流后盖子由于坠落碰撞而与外壳分离，声音空间被破坏，因此不产生需要的声压。通过采用根据本发明实施例的外壳和盖子的组合，最终的表面安装压电声元件表现出了卓越的坠落碰撞特性。
在本发明的优选实施例中，外壳和盖子分别具有高于回流温度和低于回流温度的软化温度。因此，施加在粘合表面上的应力由于应力被软化的盖子减弱而减小，所述应力例如在大约250℃或更高的温度下进行无铅回流焊接时由于外壳与盖子之间的热膨胀差异而产生。结果，可以防止在回流过程中盖子从外壳上分离，并且回流后粘合强度的减小也被削弱。另外，可以防止回流后在外壳或盖子中留有变形。由于外壳的软化温度高于回流温度，没有过大负载施加在电子元件的零件上。因此可以防止元件的特性偏离。
通过下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明，本发明的其他特征、元素、特征和优势将变得更为明显。
附图说明
图1是根据本发明第一优选实施例的表面安装电子元件的分解透视图；
图2是图1所示电子元件的截面图；
图3是图1所示电子元件的膜片的透视图；
图4A和图4B是采用硅酮胶的样本在回流前和回流后的粘合强度的图表；
图5A和图5B是采用环氧粘合剂的样本在回流前和回流后的粘合强度的图表；以及
图6是根据本发明第二优选实施例的表面安装电子元件封装的分解透视图。
具体实施方式
下面将参照附图对根据本发明的优选实施例进行说明。
第一优选实施例
图1和图2说明了根据本发明第一优选实施例的压电声元件，其是一种类型的表面安装电子元件。所述压电声元件通常包括单压电晶片(unimorph)压电膜片1、外壳10和盖子20。
压电膜片1优选包括四边形压电板2和金属板3，金属板3优选具有与压电板2大体相同的宽度和比压电板2略大的长度。压电板2分别在其顶表面和后表面具有顶电极2a和后电极2b并沿厚度方向极化。后电极2b粘合至金属板3以彼此相对。在本发明的优选实施例中，压电板2粘合至金属板3，从而在金属板3的长度方向上移动至一侧，因此金属板3具有暴露于另外一侧的暴露部分3a。压电板2优选由压电陶瓷制成，例如PZT(压电换能器)。金属板3优选由可导、弹簧-弹性材料制成，尤其是杨氏模量接近压电板2的材料。例如，优选使用磷青铜或42Ni。由42Ni制成的金属板3具有与陶器(例如PZT)接近的热膨胀系数，因此提供较高可靠性。
膜片1按照其长度方向上的两侧被固定的方式容纳在外壳10中。更明确地，外壳10由绝缘材料制成，例如陶瓷或者树脂，优选具有大体U形的横截面，具有底部10a和四个侧壁10b至10e。所述外壳还具有连续支撑部分10f，用于在侧壁10b至10e的内侧支撑压电板2。例如，外壳10通过一体地模制耐热性树脂形成，所述耐热性树脂例如可以是LCP、SPS、PPS或环氧树脂，尤其是软化温度高于回流温度的树脂。外部连接端子11和12通过侧壁10b和10d从支撑部分10f的上表面至外壳10的底表面嵌物模塑在外壳10的较短侧壁10b和10d中。并且，在较长侧壁中的一个侧壁10c的上侧形成凹口10g，声音从凹口10g发出，并且在其他较长侧壁10e附近的底部10a形成了阻尼孔10h。
膜片1设置在外壳10的支撑部分10f，从而金属板3与底部10a相对。膜片1的较短侧大约在其中心与绝缘粘合剂13粘合以固定。绝缘粘合剂13优选包括绝缘材料，例如环氧树脂或者氨基甲酸乙酯。在本优选实施例中，使用具有弹性的氨基甲酸乙酯粘合剂。在涂敷并固化绝缘粘合剂13后，涂敷并固化导电性粘合剂14以设置得跨过绝缘粘合剂13的上表面。因此，顶电极2a在膜片1的一侧电连接至外部端子11，金属板3的暴露部分3a在另一侧电连接至外部端子12。
除了将膜片1的两侧固定在外壳10上，绝缘粘合剂13在金属板3上提供绝缘薄膜，从而防止导电性粘合剂14与金属板3的接触而造成的短路。另外，绝缘粘合剂13充当弹性体，用于减小膜片1上的应力，所述应力是由于固化产生的导电性粘合剂14收缩造成的。随后，涂敷弹性密封剂15，例如硅橡胶，以在膜片1的外围与外壳10的侧壁内表面之间密封。
在如上所述将膜片1固定在外壳10上之后，用粘合剂21以盖子20将外壳10的开口关闭。盖子20也用与外壳10相似的材料制成在平面中，所述材料具有低于回流温度的软化温度。对于粘合剂21，可以使用硅酮胶、环氧粘合剂和其他任何已知粘合剂。通过粘合盖子20，在盖子20与膜片1之间提供了声音空间16，如图2所示，这样就制成了表面安装压电声元件。
通过在端子11与12之间施加预定交替信号(交流信号或矩形波信号)，全部外部区域由外壳10支撑的膜片1弯曲振动以产生预定声音。所述声音通过由盖子20和外壳10的凹口10g限定的声音释放孔释放到外部。当然声音释放孔也可以设置在盖子20中，而不是设置在外壳10的侧壁上。在本实施例中全部外部区域由支撑部分10f支撑的膜片1可以在其两个相对侧面或者四个拐角处受到支撑，从而使其他部分可以移动。膜片1的谐振频率依赖于所述支撑部分的形状和面积。
压电声元件回流焊接在电路板上。此时，外壳10和盖子20由于加热而不同地膨胀。热膨胀系数中的这种差异在粘合表面上产生应力，从而在回流过程中或者在后续的下落冲击试验中盖子20很可能从外壳10分离。因此，在本发明的优选实施例中，外壳10由软化温度高于回流温度的树脂制成，盖子20由软化温度低于回流温度的另一种树脂制成。因此，回流造成的热膨胀差异通过软化盖子20进行补偿，从而减小粘合部分上的应力。
图4A、4B、5A和5B显示了在外壳10和盖子20之间的回流之前和之后的粘合强度(抗张强度)的测量结果。对于图4A和图4B，硅酮胶用作粘合剂21，对于图5A和图5B，环氧粘合剂用作粘合剂21。回流温度设定在大约260℃。对于图4A和图5A，外壳大约为12平方毫米，高度大约为3mm，外壳的壁厚(粘合厚度)大约0.5mm，粘合剂厚度大约0.04mm。对于图4B和图5B，外壳大约为9平方毫米，高度大约为3mm，外壳的壁厚(粘合厚度)大约0.3mm，粘合剂厚度大约0.04mm。所述外壳和盖子由两种类型的LCP(类型A和B)制成。LCP-A的软化温度高于回流温度，LCP-B的软化温度低于回流温度。
LCP-A：
软化温度：大约250℃至大约350℃
杨氏模量：大约1,400MPa
热膨胀系数(模制流方向)：大约12×10-6/℃
热膨胀系数(垂直于模制流的方向)：大约43×10-6/℃
LCP-B：
软化温度：大约180℃至大约240℃
杨氏模量：大约1,200MPa
热膨胀系数(模制流方向)：大约4×10-6/℃
热膨胀系数(垂直于模制流的方向)：大约50×10-6/℃
硅酮胶：
杨氏模量：大约1.0MPa
热膨胀系数：大约235×10-6/℃
环氧粘合剂：
杨氏模量：大约3,000MPa
热膨胀系数：大约57×10-6/℃
类型I指LCP-A用于外壳和盖子的情况(对比实例)；类型II指LCP-A和LCP-B分别用于外壳和盖子的情况(本发明优选实施例的实例)。
如图4A至图5B所示，在使用硅酮胶和环氧粘合剂的样本中，与回流前相比，回流后的粘合强度减小。在使用硅酮胶的类型I的样本(已知类型)中，虽然外壳和盖子由耐热性LCP-A制成，回流后的粘合强度非常低，勉强满足坠落碰撞试验所需强度(10N)。另一方面，类型II的样本(本发明)显示，回流后的粘合强度足以满足所需强度，在类型II的样本中盖子由具有较低耐热性的LCP-B制成而外壳由具有较高耐热性的LCP-A制成。使用环氧粘合剂的样本表现出了与使用硅酮胶的样本大体相同的结果。环氧粘合剂能够提供更可靠的封装，因为环氧粘合剂在回流后能够提供高于硅酮胶的粘合强度(大约30N至大约40N)。
第二优选实施例
图6显示了根据本发明第二优选实施例的封装结构。但是，容纳在外壳10中诸如压电膜片的电子元件中的元件和端子从图6中省略。在本优选实施例中，外壳10在顶部拐角处具有突起10i，盖子20在拐角处具有切割面20a，以防止盖子20移位。与第一优选实施例相同，本优选实施例中的外壳10和盖子20用已知粘合剂(例如环氧粘合剂或硅酮胶)粘合。外壳10的软化温度高于回流温度，盖子20的软化温度低于回流温度。如上所述，在回流过程中外壳10和盖子20之间的热膨胀差异在本发明中的粘合部分上产生应力。但是，软化温度低于回流温度的盖子20产生应力，从而防止粘合表面分离并减小粘合强度。另外，外壳10的拐角处的突起10i防止盖子20在四个方向上移动。
虽然采用优选实施例说明了本发明，在不背离被发明范围和精神的前提下，可以在形式和细节方面进行各种修改。虽然所述外壳优选具有大体U形横截面并且在上述实施例中采用了扁平盖子，它们并不局限于上述形式。例如，封装可以包括反向的、大体U形的外壳和外壳之下的基板，零件固定在外壳内并且端子电极设置在基板上。可选地，外壳和盖子都可以具有大体U形横截面，并且它们的敞开侧相互粘合。对于外壳和盖子的粘合，除了采用粘合剂的方法之外，还可以使用超声焊接、热压缩结合和其他结合方式。虽然在上述实施例中外壳和盖子优选由LCP制成，也可以使用其他耐热性树脂，例如SPS、PPS或环氧树脂。
电子元件的零件不限于在上述优选实施例中使用的膜片。并且，所述膜片不局限于包括彼此粘合的金属板和压电板的单压电晶片型，还可以使用双压电晶片膜片，其包括陶瓷层，内电极位于所述陶瓷层中。

Claims (10)

1.一种表面安装电子元件封装，所述封装将在大约250℃或更高的回流温度下回流焊接在电路板上，其包括：
具有开口的外壳，其中容纳电子元件的零件，所述外壳具有高于回流温度的软化温度；和
粘合到所述外壳以闭合所述开口的盖子，所述盖子具有低于回流温度的软化温度。
2.根据权利要求1所述的封装，其特征在于外壳和盖子每个都包括液晶聚合物。
3.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述盖子的软化温度处于大约180℃至大约240℃的范围内。
4.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述外壳和盖子通过环氧粘合剂相互粘合。
5.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述外壳和盖子通过硅酮胶相互粘合。
6.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述零件是压电膜片，所述压电膜片响应于施加的交替信号弯曲振动，外壳具有一对固定的端子，用于把交替信号施加于压电膜片，并且外壳和盖子至少其中之一具有声音释放孔，声音通过所述释放孔发出。
7.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述零件是单压电晶片压电膜片。
8.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述零件是包括四边形压电板和金属板的压电膜片。
9.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述外壳在其顶部拐角处具有突起。
10.根据权利要求1所述的封装，其特征在于所述盖子在其拐角处具有切割面。
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