JP2004047577A - 電子部品装置 - Google Patents

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井之上　久幸
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Abstract

【課題】マザーボードに実装する際の超音波振動や、車載用途等の強い機械的振動が長期間加わっても、ワイヤ細線の共振現象による折損を最小限に抑え、例え１つのワイヤ細線が折損しても残りのワイヤ細線にて接続の断線を発生させることなく、高い信頼性を確保することのできる電子部品装置を提供する。
【解決手段】電子部品素子の素子電極パッドと基板の接続用導体パターンの接続において、複数のワイヤ細線を介して接続を行う。
また、複数のワイヤ細線は、互いに長さ、線径、材質を異ならせることで、機械的な固有振動数を相違させる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品素子を搭載し、ワイヤで結線して接続をとる電子部品装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ワイヤボンディングによる接続をとった電子部品装置として、例えば図８に示す弾性表面波共振子１００がある。弾性表面波共振子１００は、電子部品素子である弾性表面波素子１１０、基板１２０、金属製蓋体１３０とから構成される。
【０００３】
弾性表面波素子１１０は、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電基板に振動電極パターン１１１及び素子電極パッド１１２が形成されている。
【０００４】
基板１２０には、弾性表面波素子１１０を搭載するキャビティ１２１が形成されており、キャビティ１２１内部には接続用導体パターン１２２が形成された段差部１２３が、キャビティ１２１開口周囲には封止用のシールリング１２４が設けられている。接続用導体パターン１２２は、基板１２０に形成した内部配線パターン、ビアホール導体などによって基板１２０の外面に形成された端子電極１２５と電気的に接続されるように構成されている。ここで、弾性表面波素子１１０の搭載と接続は、キャビティ１２１の底面に接着剤１２６にて弾性表面波素子１１０を接着固定し、その後、弾性表面波素子１１０の素子電極パッド１１２と基板１２０の段差部１２３の接続用導体パターン１２２との間をワイヤ細線１４０にて接続を行っていた。ワイヤ細線１４０は、両端のボンディング部において素子電極パッド１１２や接続用導体パターン１２２に固定されているが、アーチ状の架線部はキャビティ１２１内で拘束のないフリーの状態となっている。
【０００５】
金属製蓋体１３０は、キャビティ１２１開口部を覆うように配置した後、シールリング１２４に沿ってシーム溶接によって気密封止を行っている。
【０００６】
上述の弾性表面波共振子１００は、電子機器のマザーボードに実装される際にはしばしば超音波振動に曝される。例えば、リフロー半田後のフラックス洗浄工程や、基板や部品固定のための超音波樹脂溶着、更に、マザーボードから外部回路への接続などのためにワイヤボンディング接続が行わる。これらの工程では通常１５ＫＨｚ〜６０ＫＨｚの超音波振動が用いられるため、弾性表面波共振子１００にも超音波振動が印加される。
【０００７】
また、上述の弾性表面波共振子１００が車載用の部品として使用される場合、エンジンの振動や走行時の振動等極めて強い振動が長期間に渡って加わることとなり、通常の民生用部品とは比較にならない、極めて過酷な条件下での使用となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の弾性表面波共振子１００においては、実装工程で印加される超音波振動や、車載用途で印加される機械的振動によって、
ワイヤ細線１４０も拘束のないフリー状態のアーチ状架線部が振動する。
このワイヤ細線１４０の振動は、両端を固定した弦の振動としてとらえることができる。この時、印加される振動の振動数とワイヤ細線１４０の固有振動数が一致すると、ワイヤ細線１４０が印加された振動に共振する結果、ワイヤ細線１４０の振動の振幅が指数関数的に非常に大きくなり、かつその振動が持続することとなる。このことによって、ワイヤ細線１４０に弾性疲労が起こり、さらには、折損し電気的接続が断たれるといった事態になる可能性があった。特に、車載用部品の場合、この折損、断線は極めて重大で致命的な事故につながる恐れもあった。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、マザーボードへの実装時の超音波振動や、また、車載用途等の強い機械的振動が長期間加わっても、ワイヤ細線に折損による断線が発生することなく、高い信頼性を確保することのできる電子部品装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために本発明の電子部品装置は、接続用導体パターンが形成された基板に、素子電極パッドが形成された電子部品素子を搭載するとともに、前記電子部品素子の素子電極パッドと前記基板の接続用導体パターンとをワイヤ細線で結線して接続して成る電子部品装置において、前記電子部品素子の１つの素子電極パッドから複数のワイヤ細線を介して前記接続用導体パターンを接続したことを特徴とする電子部品装置である。
【００１１】
また、前記複数のワイヤ細線は、結線された状態での各々のワイヤ細線の機械的な固有振動数が互いに相違していることを特徴とする電子部品装置である。
【００１２】
更に、前記複数のワイヤ細線の機械的な固有振動数は、１つのワイヤ細線の機械的振動数のｎ倍（ｎは自然数）以外の固有振動数を有することを特徴とする電子部品装置である。
【００１３】
更にまた、前記複数のワイヤ細線は、互いに長さ、線径あるいは材質のいずれかが異なることを特徴とする電子部品装置である。
【作用】
本発明の第一の発明によれば、電子部品素子の素子電極パッドと基板の接続用導体パターンとをワイヤ細線で結線して接続する際、１つの素子電極パッドから複数のワイヤ細線を介して接続用導体パターンと接続している。これにより、複数のワイヤ細線で１つの素子電極パッドから接続用導体パターンへの接続経路を複数構成することとなり、ワイヤ細線の断線に対する安全設計となる。即ち、１本のワイヤ細線が断線しても残りのワイヤ細線で接続は確保でき電子部品装置として不具合に至ることはない。
【００１４】
また、本発明の第二の発明によれば、複数のワイヤ細線は結線された状態での各々のワイヤ細線の機械的な固有振動数が互いに相違している。これにより、外部から印加される振動の周波数が、あるワイヤ細線の固有振動数と一致しても他のワイヤ細線の固有振動数とは一致しないため、他のワイヤ細線においては共振現象は発生せず折損が起こる心配はない。
【００１５】
更に、本発明の第三の発明によれば、複数のワイヤ細線の機械的な固有振動数は、１つのワイヤ細線の機械的振動数のｎ倍（ｎは自然数）以外の固有振動数を有している。これにより、１つのワイヤ細線以外の他のワイヤ細線は、外部から印加される振動のｎ倍の高調波成分に対しても共振現象は発生しないため折損が起こる心配はない。
【００１６】
更にまた、本発明の第四の発明によれば、複数のワイヤ細線は、互いに長さ、線径あるいは材質のいずれかが異なっている。これにより、複数のワイヤ細線の機械的な固有振動数を互いに相違することを確実なものにすることができる。
【００１７】
従って、上述のように本発明によって、マザーボードへの実装時の超音波振動や、また、車載用途等の強い機械的振動が長期間加わっても、ワイヤ細線の共振現象による折損を最小限に抑え、例え１つのワイヤ細線が折損しても残りのワイヤ細線にて接続の断線を発生させることなく、高い信頼性を確保することのできる電子部品装置を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電子部品装置を図面に基づいて詳説する。
【００１９】
図１は本発明の電子部品装置である弾性表面波共振子１の外観斜視図である。また、図２は弾性表面波共振子１の、後述の金属製蓋体３０を省略した外観斜視図であり、図３は同じく弾性表面波共振子１の金属製蓋体３０を省略した平面図である。
【００２０】
弾性表面波共振子１は、主に、電子部品素子としての弾性表面波素子１０、基板２０、金属製蓋体３０とから構成される。
【００２１】
弾性表面波素子１０は、図３に示すように、矩形状のタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等の圧電基板１１の主面に、弾性表面波振動を励振するための櫛歯状の励振電極１２や反射電極１３、及び接続のための入力側素子電極パッド１４ａ、出力側素子電極パッド１４ｘが形成されている。
励振電極１２や反射電極１３は、アルミニウムや金等の金属材料をスパッタや蒸着等の成膜工法により、例えば、２０００Åの厚みで形成される。また、励振電極１２から延出される素子電極パッド１４は、励振電極１２や反射電極１３と同様にアルミニウムや金等の金属材料をスパッタや蒸着等で成膜することで形成されるが、後述するワイヤボンディングの接続強度を確保するために、例えば、１４，０００Åといった膜厚で厚く形成される。
【００２２】
基板２０は、セラミック基板が複数積層されたセラミック多層基板から成り、弾性表面波共振素子１０を搭載するための直方体状のキャビティ２１を有している。また、キャビティ２１内部には弾性表面波素子１０の搭載部と平行に段差部２２が形成されており、段差部２２の上面には金等の金属材料をメッキ等の工法により入力側接続用導体パターン２３ａ、出力側接続用導体パターン２３ｘが形成されている。また、基板２０の外面には、外部接続用の入力側端子電極２４ａ出力側端子電極２４ｘ、アース端子電極２５が形成されており、入力側端子電極２４ａおよび出力側端子電極２４ｘは、基板２０内部の配線パターンによってそれぞれ入力側接続用導体パターン２３ａ、出力側接続用導体パターン２３ｘと接続している。キャビティ２１の開口部周囲には、シールリング２６が形成されている。シールリング２６は、鉄、ニッケル、コバルト等の合金から成り、必要に応じてニッケルや金等のメッキが施される。
【００２３】
金属性蓋体３０は、コバールや４２アロイ等の金属からなり、キャビティ２１の開口部に載置され、シーム溶接を施すことでキャビティ２１の気密封止を行う。
ここで、弾性表面波素子１０の搭載、接続は以下の手順で行う。
まず、キャビティ２１の内底面にシリコン樹脂やエポキシ樹脂などから成る接着剤を塗布した後、弾性表面波素子１０を載置し接着、固定を行う。その後、弾性表面波素子１０の素子電極パッド１４と基板２０の段差部２２の接続用導体パターン２３とをアルミニウムや金からなる直径３０μｍ程度のワイヤ細線４０ａ、４０ｂ、４０ｘ、４０ｙ（総称して符号４０を付す。）をワイヤボンディング法により架線し接続する。
【００２４】
このワイヤボンディングにおいて、本発明の第一の特徴的なことは、まず、図３に示すように１つの素子電極パッド１４と接続用導体パターン２３とを複数のワイヤ細線４０で接続していることである。即ち、入力側においては、入力側素子電極パッド１４ａと入力側接続用導体パターン２３ａ間を２本の入力側ワイヤ細線４０ａ、４０ｂで接続し、同様に出力側においては、出力側素子電極パッド１４ｘと出力側接続用導体パターン２３ｘ間を２本の出力側ワイヤ細線４０ｘ、４０ｙで接続している。図３では、若干離れた位置で略平行に２本のワイヤ細線４０ａ、４０ｂ、及び４０ｘ、４０ｙで接続しているが、図４に示すように４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、及び４０ｘ、４０ｙ、４０ｚの３本であっても良いし、また３本以上であっても良い。また、接続する位置においても、素子電極パッド１４と接続用導体パターン２３の電気的接続がとれれば、ワイヤ細線４０の配置位置は限定されることはない。
【００２５】
また、本発明の第二の特徴的なことは、複数の結線されたワイヤ細線４０の機械的な固有振動数を互いに相違させていることである。例えば、入力側のワイヤ細線４０ａと４０ｂにおいて、一方のワイヤ細線４０ａの固有振動数が８４ＫＨｚであれば他方残りのワイヤ細線４０ｂの固有振動数は１９０ＫＨｚにして、固有振動数を互いに相違させている。これは、出力側のワイヤ細線４０ｘ、４０ｙの場合においても同様である。
【００２６】
また、本発明の第三の特徴的なことは、複数のワイヤ細線４０の固有振動数は、１つのワイヤ細線４０の機械的振動数のｎ倍以外の固有振動数を有することである。例えば、一方のワイヤ細線４０ａの固有振動数が８４ＫＨｚとすると他方残りのワイヤ細線４０ｂは８４ＫＨｚのｎ倍、即ち１６８ＫＨｚ（２倍），２５２ＫＨｚ（３倍）といった振動数以外の固有振動数を有することである。つまり、一方のワイヤ細線４０ａの固有振動数が８４ＫＨｚであれば、他方残りのワイヤ細線４０ｂの固有振動数は１２６ＫＨｚや２１０ＫＨｚとする。これも、出力側のワイヤ細線４０ｘ、４０ｙの場合においても同様である。
【００２７】
また、本発明の第四の特徴的なことは、上述のワイヤ細線４０の機械的な固有振動数を変えるために、互いの長さ、線径あるいは材質のいずれかを異ならせていることである。即ち、一方のワイヤ細線４０ａの長さが０．８ｍｍであれば他方残りのワイヤ細線４０ｂの長さは０．５ｍｍ、また、一方のワイヤ細線４０ａの線径が３０μｍであれば他方残りのワイヤ細線４０ｂの線径は２５μｍ、更に、一方のワイヤ細線４０ａの材質がアルミニウムであれば他方残りのワイヤ細線４０ｂの材質は金といったようにする。これは、出力側のワイヤ細線４０ｘ、４０ｙの場合においても同様である。あるいはこれらの変更をいくつか同時に実施しても良い。これらにより複数のワイヤ細線４０の固有振動数を変更することができる。この理由として、結線されたワイヤ細線４０はそのボンディング部が振動の節となる自由に振動できるアーチ状の弦とみなすことができるため、ワイヤ細線４０の長さを変えることで固有振動数を変えることができるからである。また、線径を変えることで断面二次モーメントが変化しその結果固有振動数を変えることができる。更に、材質を変えることで、密度、ヤング率が変化するため固有振動数も変えることができる。
上述の、ワイヤ細線４０の長さ、線径、材質（密度、ヤング率）と固有振動数の関係は式（１）の固有振動数計算式で表すことができる。
【００２８】
【数１】
Figure 2004047577
【００２９】
式（１）に基づき、図５に長さを変えた場合の固有振動数の変化を示す計算結果の特性図を、図６に線径を変えた場合の固有振動数の変化を示す特性図を、図７に材質を変えた場合の固有振動数の変化を示す特性図である。これらの結果より互いに固有振動数の相違するように、長さ、線径、材質を選べば良い。
【００３０】
また、振動数のｎ倍の高次の振動数以外の固有振動数を有するためには、式（１）より振動数のｎ倍の高次の振動数以外の固有振動数を有する長さや、線径を算出して安全領域の寸法を求めれば良い。
【００３１】
ここに、表１には、ワイヤ細線４０の高次振動数（１×ｆ、２×ｆ、３×ｆ）と長さ（線径３０μｍ、材質Ａｕ）の関係において安全領域（振動数±１０％）値を示す一覧を示し、表２には、具体的な安全領域を示す一例を示すものである。
【００３２】
【表１】
Figure 2004047577
【００３３】
【表２】
Figure 2004047577
【００３４】
また、表３には、ワイヤ細線４０の高次振動数（１×ｆ、２×ｆ、３×ｆ）と線径（長さ０．８ｍｍ、材質Ａｕ）の関係において安全領域（振動数±１０％）値を示す一覧を示し、表４には、具体的な安全領域を示す一例を示すものである。
【００３５】
【表３】
Figure 2004047577
【００３６】
【表４】
Figure 2004047577
【００３７】
このように、ワイヤ細線、長さの安全領域寸法範囲を、表２、表４に示すような範囲に、線径の安全領域寸法範囲を選択することにより、振動数のｎ倍の高次の振動数以外の固有振動数を有することができる。なお、ここでは、より効果を確実にするために高次の振動数に対して前後１０％のマージンをとり、この範囲の振動数を除外する固有振動数として適切な長さ、あるいは線径を求めたものである。
【００３８】
なお、上述の実施例では、弾性表面波素子を用いた弾性表面波共振子を用いて説明したが、電子部品素子として弾性表面波素子以外に、半導体チップ、配線基板を用いて、これら電子部品素子から配線基板（別の配線基板）に形成した信号用ワイヤ細線に広く適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の電子部品装置によれば、電子部品素子の素子電極パッドと基板の接続用導体パターンとをワイヤ細線で結線して接続する際、１つの素子電極パッドから複数のワイヤ細線を介して接続用導体パターンと接続していることでワイヤ細線の断線に対する安全設計としている。
【００４０】
また、複数のワイヤ細線は結線された状態での各々のワイヤ細線の機械的な固有振動数が互いに相違していることで、外部から印加される振動の周波数が、あるワイヤ細線の固有振動数と一致しても他のワイヤ細線の固有振動数とは一致せず共振現象は発生しないので折損が起こる心配がない。
【００４１】
更に、複数のワイヤ細線の機械的な固有振動数は、１つのワイヤ細線の機械的振動数のｎ倍（ｎは自然数）以外の固有振動数を有しているので、１つのワイヤ細線以外の他のワイヤ細線は、外部から印加される振動のｎ倍の高調波成分に対しても共振現象は発生しないので折損が起こる心配がない。
【００４２】
更にまた、複数のワイヤ細線は、互いに長さ、線径あるいは材質のいずれかが異なっていため、固有振動数を互いに相違することが確実にできる。
従って、上述のように本発明により、マザーボードへの実装時の超音波振動や、また、車載用途等の強い機械的振動が長期間加わっても、ワイヤ細線の共振現象による折損を最小限に抑え、例え１つのワイヤ細線が折損しても残りのワイヤ細線にて接続の断線を発生させることなく、高い信頼性を確保することのできる電子部品装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性表面波共振子の外観斜視図である。
【図２】本発明の弾性表面波共振子の金属製蓋体を省略した外観斜視図である。
【図３】本発明の弾性表面波共振子の金属製蓋体を省略した平面図である。
【図４】本発明の弾性表面波共振子の金属性蓋体を省略した他の実施の形態を示す平面図である。
【図５】ワイヤ細線の長さと固有振動数の関係を示す特性図である。
【図６】ワイヤ細線の線径と固有振動数の関係を示す特性図である。
【図７】ワイヤ細線の材質と固有振動数の関係を示す特性図である。
【図８】従来の弾性表面波共振子を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・弾性表面波共振子
１０・・・・弾性表面波共振素子
１４・・・・素子電極パッド
１４ａ・・・入力側素子電極パッド
１４ｘ・・・出力側素子電極パッド
２０・・・・基板
２１・・・・キャビティ
２２・・・・段差部
２３・・・・接続用導体パターン
２３ａ・・・入力側接続用導体パターン
２３ｘ・・・出力側接続用導体パターン
２４ａ・・・入力側端子電極
２４ｘ・・・出力側端子電極
３０・・・・金属製蓋体
４０・・・・ワイヤ細線
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ・・・入力側ワイヤ細線
４０ｘ、４０ｙ、４０ｚ・・・出力側ワイヤ細線

Claims (4)

  1. 接続用導体パターンが形成された基板に、素子電極パッドが形成された電子部品素子を搭載するとともに、前記電子部品素子の前記素子電極パッドと前記基板の接続用導体パターンとをワイヤ細線で結線して接続して成る電子部品装置において、
    前記電子部品素子の１つの素子電極パッドから複数のワイヤ細線を介して前記接続用導体パターンを接続したことを特徴とする電子部品装置。
  2. 前記複数のワイヤ細線は、結線された状態での各々のワイヤ細線の機械的な固有振動数が互いに相違していることを特徴とする請求項１記載の電子部品装置。
  3. 前記複数のワイヤ細線の機械的な固有振動数は、１つのワイヤ細線の機械的振動数のｎ倍（ｎは自然数）以外の固有振動数を有することを特徴とする請求項２記載の電子部品装置。
  4. 前記複数のワイヤ細線は、互いに長さ、線径あるいは材質のいずれかが異なることを特徴とする請求項２記載の電子部品装置。
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