JP2004343684A - 表面実装型電子部品の筐体構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高温のリフローはんだ付けにおいて、ケースとカバーとの接合面にかかる応力を軽減し、リフロー後の接合剥離や接合強度低下を軽減できる表面実装型電子部品の筐体構造を提供する。
【解決手段】回路基板に対して２５０℃以上でリフローはんだ付けされる表面実装型電子部品において、筐体を構成するケースはリフロー温度より高い軟化温度を持ち、カバーはリフロー温度より低い軟化温度を持つ。リフロー時の熱膨張差によるケースとカバーの接合面の応力を、カバーの軟化によって緩和する。
【選択図】 図２

Description

本発明は表面実装型電子部品の筐体構造に関するものである。

従来、電子機器、家電製品、携帯電話機などにおいて、警報音や動作音を発生する圧電サウンダや圧電レシーバなどとして圧電音響部品が広く用いられている。圧電音響部品は、特許文献１のように、振動板をケースの中に収納固定するとともに、ケースの開口部をカバーで閉鎖した構造となっている。

近年、電子機器の小型化に伴い、圧電音響部品にも回路基板に直接実装できる表面実装型が望まれている。表面実装型電子部品の場合、そのケースおよびカバーには、リフロー温度より高い耐熱性が求められる。そのため、ケースおよびカバーの材料として、ＬＣＰ（液晶ポリマー），ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの耐熱樹脂が用いられる。

リフロー温度ははんだ材料によって左右される。近年の鉛を含むはんだの使用規制により、鉛フリーはんだの使用範囲が広がっている。しかし、鉛を含むはんだを用いたリフロー温度は２２０〜２４０℃程度であるのに対し、鉛フリーはんだを用いたリフロー温度は２５０℃以上であり、電子部品の筐体構造にも更なる耐熱性が求められる。

一般に、樹脂製ケースおよびカバーの耐熱性つまり軟化温度はリフロー温度より高く設定されている。そのため、リフロー時にもケースおよびカバーが軟化せず形状が保たれる。鉛を含むはんだを用いたリフローを行う場合には、このようなケースおよびカバーを持つ筐体構造であっても、重大な問題は発生しない。しかし、鉛フリーはんだを用いた高温のリフロー時には、上記のようなリフロー温度より高い軟化温度を持つ樹脂材料でケースとカバーとを構成すると、ケースとカバーとの熱膨張差による応力が接合面に加わり、リフロー途中にカバーがケースから剥離したり、リフロー後の落下衝撃試験において、カバーがケースから剥離するという問題が発生した。樹脂材料、特にＬＣＰの場合、同一材料であっても、成形条件、形状、樹脂流動方向などにより、場所による熱膨張差が大きいため、上記の問題が一層顕著になっていた。
特開２０００−３１０９９０号公報

そこで、本発明の目的は、高温のリフローはんだ付けにおいて、ケースとカバーとの接合面にかかる応力を軽減し、リフロー後の接合剥離や接合強度低下を軽減できる表面実装型電子部品の筐体構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、回路基板に対して２５０℃以上でリフローはんだ付けされる表面実装型電子部品において、内部に電子部品素子を保持したケースと、このケースの開口部に接合固定されるカバーとからなり、上記ケースの軟化温度はリフロー温度より高く、上記カバーの軟化温度はリフロー温度より低いことを特徴とする表面実装型電子部品の筐体構造を提供する。

鉛フリーはんだのように２５０℃以上でリフローを行う場合、ケースとカバーとが共にリフロー温度より高い軟化温度を有すると、その熱膨張差によって接合面に過大な応力がかかる。これに対し、本発明では、カバーの耐熱性、つまり軟化温度がリフロー温度より低いので、熱膨張差による接合面の応力を軟化したカバーによって吸収し、接合面にかかる応力を軽減することができる。ここで、軟化温度とは、ＪＩＳ Ｋ７２０７ Ｂ法に基づく温度のことである。その結果、リフロー途中にカバーがケースから剥離する問題を解消できることは勿論、リフロー後の落下試験においても接合剥離や接合強度の低下を軽減できる。
また、従来のようなケースおよびカバーが共にリフロー温度より高い軟化温度を持つ場合には、リフロー後にケースあるいはカバーに変形が残るという問題があったが、本発明ではカバーの軟化により、リフロー後の変形を防止できる。
なお、電子部品素子を保持しているケースの軟化温度はリフロー温度より高いので、電子部品素子が強度的に弱いものであっても電子部品素子に過大な負荷がかからず、電子部品素子の特性ずれを防止できる。また、ケースの外形寸法が安定する。

請求項２のように、ケースおよびカバーをＬＣＰで形成してもよい。
ＬＣＰは耐熱性および耐溶剤性に優れているので、表面実装型電子部品の筐体に適している。しかし、ＬＣＰの場合、同一材料であっても、成形条件、形状、樹脂流動方向などにより、場所による熱膨張差が大きい。例えば、成形流動方向と成形流動直角方向とで数倍〜１０倍も熱膨張係数が異なる。ケースを凹形状、カバーを平板形状とすると、両者の間には熱膨張係数差が必ず生じる。そこで、本発明にＬＣＰを用いることで、ＬＣＰとしての特性を生かしながら接合剥離を効果的に防止できる。

請求項３のように、カバーの軟化温度を１８０℃〜２４０℃とするのがよい。この場合には、カバーがリフロー時に一旦柔らかくなるが、形状が保持される利点がある。また、安価な材料を選定できる。
請求項４のように、ケースとカバーとをエポキシ系接着剤によって接合してもよい。エポキシ系接着剤は安価であり、かつ接着強度が高い。
請求項５のように、ケースとカバーとをシリコーン系接着剤によって接合してもよい。シリコーン系接着剤がケース内で使用されている場合には、その硬化時のシロキ酸ガスによりケースを汚染し、他の接着剤（例えばエポキシ接着剤）では接着力が低下するのに対し、シリコーン接着剤であれば接着力が低下しない。また、ヤング率が低く、熱膨張差の大きなケースとカバーに対して接着面の応力を緩和する効果が大きい。

請求項６のように、電子部品素子は、交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板であり、ケースには上記圧電振動板に交番信号を印加する一対の端子が固定されており、ケースおよびカバーのいずれか少なくとも一方に、鳴動音を放出する放音穴が形成されている構造としてもよい。
圧電音響部品は携帯電話などに用いられるが、高い落下衝撃性能が要求される。ところが、リフロー後に落下衝撃などでカバーがケースから剥離すると、音響空間が破壊され、所望の音圧が得られなくなる。そのため、ケースおよびカバー材料として本発明を適用することで、落下衝撃性に優れた表面実装型の圧電音響部品を得ることができる。

以上のように、請求項１に記載の発明によれば、筐体を構成するケースはリフロー温度より高い軟化温度を持ち、カバーはリフロー温度より低い軟化温度を持つようにしたので、鉛フリーはんだのように２５０℃以上でリフローを行う場合、ケースとカバーの熱膨張差による接合面の応力を軟化したカバーによって吸収し、接合面にかかる応力を軽減できる。その結果、リフロー途中にカバーがケースから剥離するのを防止できると共に、リフロー後の接合強度の低下を軽減できる。また、リフロー後にケースあるいはカバーに変形が残るという問題も解消できる。
電子部品素子を保持しているケースの軟化温度はリフロー温度より高いので、電子部品素子に過大な負荷がかからず、電子部品素子の特性ずれを防止できるという効果を有する。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１，図２は本発明にかかる表面実装型電子部品の一例である圧電音響部品を示す。
この圧電音響部品は、大略、ユニモルフ型の圧電振動板１とケース１０とカバー２０とで構成されている。

圧電振動板１は、図３に示すように、表裏面に電極２ａ，２ｂを有し、厚み方向に分極処理された四角形の圧電板２と、圧電板２と幅寸法が同一で長さ寸法がやや長い長方形に形成され、圧電板２の裏面電極２ｂに対面接着された金属板３とで構成されている。この実施形態では、圧電板２が金属板３に対して長さ方向の一辺側へ偏った位置に接着されており、金属板３の長さ方向の他辺側には金属板３が露出した露出部３ａを有する。圧電板２としては、例えばＰＺＴなどの圧電セラミックスが用いられる。また、金属板３は良導電性とバネ弾性とを兼ね備えた材料が望ましく、特にヤング率が圧電板２と近い材料が望ましい。そのため、例えばリン青銅，４２Ｎｉなどが用いられる。なお、金属板３が４２Ｎｉの場合には、セラミック（ＰＺＴ等）と熱膨張係数が近いので、より信頼性の高いものが得られる。

振動板１は、ケース１０の内側に収納され、その長さ方向両端部が固定されている。すなわち、ケース１０はセラミックスまたは樹脂などの絶縁性材料で底壁部１０ａと４つの側壁部１０ｂ〜１０ｅとを持つ凹形状に形成され、各側壁部１０ｂ〜１０ｅの内側には振動板１の周辺部を支持するステップ状の支持部１０ｆが連続的に形成されている。ケース１０は、例えばＬＣＰ（液晶ポリマー），ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの耐熱樹脂で一体成形され、特にリフロー温度より高い軟化温度を有する樹脂材料で形成されている。ケース１０の短辺側の２つの側壁部１０ｂ，１０ｄの内側には、支持部１０ｆの上面から側壁部１０ｂ，１０ｄの外側面を経てケース１０の底面まで回りこむように外部接続用の端子１１，１２がインサート成形されている。また、長辺側の側壁部１０ｃの上縁には放音孔となる切欠部１０ｇが形成され、側壁部１０ｅ近傍の底壁部１０ａには制動孔１０ｈが形成されている。

振動板１はその金属板３が底壁部１０ａと対面するように、ケース１０に収納され、支持部１０ｆ上に載置される。そして、振動板１の短辺側の２辺のほぼ中央部が絶縁性接着剤１３で固定されている。この接着剤１３には、エポキシ系接着剤やウレタン系接着剤などの絶縁性接着剤が使用されるが、ここではウレタン系接着剤などの弾性接着剤を用いている。接着剤１３を塗布・硬化させた後、この接着剤１３の上面を跨ぐように導電性接着剤１４が塗布され、硬化されている。その結果、振動板１の一辺においては、表面電極２ａと端子１１とが電気的に接続され、他辺においては、金属板３の露出部３ａと端子１２とが電気的に接続される。

上記接着剤１３は、振動板１の２辺をケース１０に対し固定する接着剤としての役割のほか、圧電板２の表面電極２ａを端子１１に導電性接着剤１４で接続する際、この導電性接着剤１４が金属板３にも付着して短絡する恐れがあるため、接着剤５によって金属板３に絶縁膜を形成しておき、短絡を防止する役割を持つ。さらに、導電性接着剤１４の硬化収縮応力の振動板１に対する影響を抑制する弾性体としての役割も有する。
その後、振動板１の周囲とケース１０の内周との間が、シリコーンゴムなどの弾性封止剤１５で封止されている。

上記のように振動板１をケース１０に固定した後、ケース１０の開口部には接着剤２１によってカバー２０が接着される。カバー２０もケース１０と同様な樹脂材料で平板状に形成されているが、リフロー温度より低い軟化温度を有する樹脂材料で形成されている。接着剤２１としては、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などの公知の接着剤が用いられる。カバー２０を接着することで、カバー２０と振動板１との間には音響空間１６（図２参照）が形成され、表面実装型の圧電音響部品が完成する。

上記ケース１０に設けられた端子１１，１２間に所定の交番信号（交流信号または矩形波信号）を印加すれば、振動板１の全周がケース１０の支持部１０ｆに支持されているので、振動板１は屈曲振動し、所定の鳴動音を発生することができる。鳴動音はカバー２０とケース１０の切欠部１０ｇとの間で形成される放音孔から外部へ放出される。なお、放音孔をケース１０の側壁に設けた切欠部１０ｇで構成したが、カバー２０に放音孔を設けてもよいことは勿論である。
この例では、振動板１の全周を支持部１０ｆで支持したが、振動板１の対向する２辺を支持し、残りの２辺を変位可能に封止してもよいし、振動板１の４点コーナ部を支持し、残りの部分を変位可能に封止してもよい。支持部の形状や面積によって、振動板１の共振周波数を変えることができる。

上記圧電音響部品は、回路基板に対してリフローはんだ付けされる。その際、ケース１０およびカバー２０は熱膨張するが、熱膨張差による応力が接合面に加わり、リフロー途中にカバー２０がケース１０から剥離したり、リフロー後の落下衝撃試験において、カバー２０がケース１０から剥離するという問題が発生する。そこで、本発明ではケース１０をリフロー温度より高い軟化温度を有する樹脂材料で形成し、カバー２０をリフロー温度より低い軟化温度を有する樹脂材料で形成し、リフロー時の熱膨張差をカバー２０の軟化によって吸収し、接合部における応力を軽減している。

図４，図５はリフロー前後のケース１０とカバー２０の接着強度（引張り強度）を測定したものである。
図４は接着剤２１としてシリコーン系接着剤を使用し、図５は接着剤２１としてエポキシ系接着剤を使用した。
リフロー温度は２６０℃とした。
図４および図５の（ａ）は、ケース寸法が□１２ｍｍ×高さ３ｍｍ、ケース壁厚み（接着幅）０．５ｍｍ、接着層厚み０．０４ｍｍとした場合である。
図４および図５の（ｂ）は、ケース寸法が□９ｍｍ×高さ３ｍｍ、ケース壁厚み（接着幅）０．３ｍｍ、接着層厚み０．０４ｍｍとした場合である。
ケースおよびカバーの材料として、Ａ，Ｂ２種類のＬＣＰを使用した。次のように、ＬＣＰ−Ａはリフロー温度より高い軟化温度を有し、ＬＣＰ−Ｂはリフロー温度より低い軟化温度を有する。
ＬＣＰ−Ａ：軟化温度２５０〜３５０℃
ヤング率１，４００ＭＰａ
熱膨張係数（成形流動方向）１２ｅ−６／℃
熱膨張係数（成形流動直角方向）４３ｅ−６／℃
ＬＣＰ−Ｂ：軟化温度１８０〜２４０℃
ヤング率１，２００ＭＰａ
熱膨張係数（成形流動方向）４ｅ−６／℃
熱膨張係数（成形流動直角方向）５０ｅ−６／℃
シリコーン系接着剤：ヤング率１．０ＭＰａ
熱膨張係数２３５ｅ−６／℃
エポキシ系接着剤：ヤング率３０００ＭＰａ
熱膨張係数５７ｅ−６／℃
タイプ１とは、ケースおよびカバーとして共にＬＣＰ−Ａを用いた場合（従来例）であり、タイプ２とは、ケースとしてＬＣＰ−Ａを、カバーとしてＬＣＰ−Ｂを用いた場合（本発明）である。

図４，図５から明らかなように、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤のいずれを使用した場合も、リフロー前に比べてリフロー後の接着強度は低下している。シリコーン系接着剤を用いたタイプ１（従来例）では、ケースおよびカバー共に耐熱性のよいＬＣＰ−Ａを使用しているにも拘わらず、リフロー後の接着強度が低く、落下衝撃試験における必要強度（１０Ｎ）を辛うじて満足しているに過ぎない。これに対し、タイプ２（本発明）では、ケースに耐熱性の高いＬＣＰ−Ａを使用し、カバーに耐熱性の低いＬＣＰ−Ｂを使用しているが、リフロー後の接着強度が高く、落下衝撃試験における必要強度（１０Ｎ）を十分に満たしていることがわかる。
エポキシ系接着剤を使用した場合も、シリコーン系接着剤を使用した場合とほぼ同様な傾向を示すが、エポキシ系接着剤の場合には、シリコーン系接着剤に比べて、リフロー後の接着強度が高い（３０〜４０Ｎ）ので、より信頼性の高い筐体構造を実現できる。

図６は本発明にかかる筐体構造の第２実施形態を示す。なお、図６では、ケース１０に収納される電子部品素子（例えば圧電振動板）や端子が省略されている。
この実施形態では、ケース１０の開口部上面のコーナ部に突起１０ｉを設け、カバー２０のコーナ部に切欠２０ａを設け、カバー２０のずれを防止したものである。
この場合も、ケース１０とカバー２０とがエポキシ系あるいはシリコーン系などの公知の接着剤によって接合される。ケース１０はリフロー温度より高い軟化温度を持ち、カバー２０はリフロー温度より低い軟化温度を持つ。
この場合も、リフロー時にケース１０とカバー２０との熱膨張差によって接合部に応力がかかるが、カバー２０の軟化温度がリフロー温度より低いので、カバー２０によって応力が緩和され、接合部の剥離あるいは接合強度の低下を防止できる。また、ケース１０のコーナ部に設けられた突起１０ｉによってカバー２０の四方いずれの方向の位置ずれも防止できる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施形態では、ケースとして凹状のケースを使用し、カバーとしてケースの上面開口を閉鎖する平板状の蓋を使用したが、これに限るものではない。
例えば、筐体を下向きの凹状ケースと、その下面に接合される基板とで構成し、このケースの中に素子を保持するとともに、基板に端子電極を設けた構造でもよい。
また、ケースおよびカバーを共に凹状に形成し、それらの開口部を互いに接合してもよい。
ケースとカバーとの接合方法としては、接着剤による固定のほか、超音波溶着、熱圧着などの他の接合方法を用いてもよい。
上記実施形態では、ケースおよびカバーとしてＬＣＰを用いたが、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），エポキシなどの他の耐熱樹脂を用いることもできる。

電子部品素子としては、実施形態のような振動板に限るものではない。また、振動板も、金属板に圧電板を貼り付けたユニモルフ型振動板に限るものではなく、複数のセラミック層を内部電極を介して積層したバイモルフ型振動板を用いることもできる。

本発明にかかる表面実装型電子部品の一例の分解斜視図である。 図１に示す電子部品の断面図である。 図１に示す電子部品に用いられる振動板の斜視図である。 シリコーン系接着剤を用いた場合のリフロー前後の接合強度を示すグラフである。 エポキシ系接着剤を用いた場合のリフロー前後の接合強度を示すグラフである。 本発明にかかる表面実装型電子部品の他の例の筐体の分解斜視図である。

符号の説明

１ 圧電振動板
１０ ケース
１０ｇ 放音孔（切欠部）
１１，１２ 端子
２０ カバー
２１ 接着剤

Claims (6)

1. 回路基板に対して２５０℃以上でリフローはんだ付けされる表面実装型電子部品において、
   内部に電子部品素子を保持したケースと、このケースの開口部に接合固定されるカバーとからなり、
   上記ケースの軟化温度はリフロー温度より高く、
   上記カバーの軟化温度はリフロー温度より低いことを特徴とする表面実装型電子部品の筐体構造。
2. 上記ケースおよびカバーは、ＬＣＰで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装型電子部品の筐体構造。
3. 上記カバーの軟化温度は１８０℃〜２４０℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面実装型電子部品の筐体構造。
4. 上記ケースとカバーとはエポキシ系接着剤によって接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の表面実装型電子部品の筐体構造。
5. 上記ケースとカバーとはシリコーン系接着剤によって接合されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の表面実装型電子部品の筐体構造。
6. 上記電子部品素子は、交番信号を印加することにより屈曲振動する圧電振動板であり、
   上記ケースには上記圧電振動板に交番信号を印加する一対の端子が固定されており、
   上記ケースおよびカバーのいずれか少なくとも一方に、鳴動音を放出する放音穴が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の表面実装型電子部品の筐体構造。

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