JP2005108923A

JP2005108923A - 電子部品用パッケージ

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Publication number: JP2005108923A
Application number: JP2003336853A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Miura; 靖典三浦
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP3864417B2

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平面矩形状のベース１と、当該電子部品素子を気密封止するキャップ２とを有してなる電子部品用パッケージであって、前記ベースの底面の対向辺に沿って一対の端子電極１２，１３が形成されてなり、当該一対の端子電極は、お互いに対向して電極が形成される領域と、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域とを有してなり、前記ベースの一対の端子電極と回路基板とが導電性接合材により接合されている。
【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、特開２００２−７６８１３号には、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

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るとともに、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に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、ベースの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。

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平面矩形状のベースと、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、前記ベースの底面の対向辺に沿って一対の端子電極が形成されてなり、当該一対の端子電極は、お互いに対向して電極が形成される領域と、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域とを有してなり、前記ベースの一対の端子電極と回路基板とが導電性接合材により接合されたことを特徴としている。

また、上述の構成において、前記一対の端子電極をベースの中心点に対して対称に配置してなるとともに、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域をベースの角部に配置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からなり、前記端子電極がメタライズにより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。

また、上述の構成において、前記端子電極の一部に同材質のメタライズからなるバンプを形成したことを特徴とする。

また、上述の構成において、前記端子電極の延伸する方向のベース幅寸法に対して、端子電極の延伸寸法を６０％〜８５％として形成されてなることを特徴とする。

本発明によれば、ベース底面に形成された一対の端子電極は、お互いに対向して電極が形成される領域と、お互いに対向しない一方の端子電極が形成されない領域とを有している。このため、前記対向する端子電極領域により、回路基板との接合強度を高めつつ、電子部品用パッケージ（ベース）が回路基板上で三次元的にねじれることを抑えることができるので、回路基板の反りなど影響を軽減できる。また、一方の端子電極が形成されない領域の存在により、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、当該一方の端子電極が形成されない領域に向かって電子部品用パッケージ（ベース）の応力を逃がすことができるので、電子部品用パッケージと回路基板との間に介在するはんだに応力が集中して、はんだから疲労破壊が生じにくくすることができる。従って、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、前記一対の端子電極をベースの中心点に対して対称に配置してなるとともに、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域をベースの角部に配置しているので、端子電極の方向性がなくなり、電子部品パッケージの搭載作業性が向上する。また、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、一対の端子電極における一方の端子電極が形成されない角部領域に向かって相互に応力を逃がすので、電子部品用パッケージ（ベース）の中心点で平面的に回転させるように応力緩和する。このため、偏りのないより効率的な応力緩和が行え、はんだクラック等の発生を飛躍的に抑制することができる。

請求項３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、電子部品用パッケージ（ベース）の応力を緩和し、電子部品用パッケージと回路基板との間に介在するはんだにクラックを発生させない。また、特別の加工工程を経ることなく、従来からのメタライズの技術により、熱膨張の応力緩和できる端子電極の構造が得られるので、極めて容易かつ安価に形成することができる。

請求項４によれば、上述の作用効果に加え、前記端子電極の一部に同材質のメタライズからなるバンプを形成しているので、より効率的に応力を緩和できるとともに緩衝効果の高い構成となり、しかもバンプで浮き上がった隙間部分に導電性接合材がたまり接合面積が増大するので、回路基板との接合強度をより高めることができる。また、同材質のメタライズを積層することで極めて容易かつ安価にバンプを形成できる。

請求項５によれば、上述の作用効果に加え、前記端子電極の延伸する方向のベース幅寸法に対して、端子電極の延伸寸法を６０％〜８５％とすることで、本発明の応力緩和する機能がより一層向上する。

図４のグラフは、第１の実施形態（図１から図３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ているものを示している。
表面実装型水晶振動子は、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２に示すように、ベース長辺方向の端子電極の寸法Ｌ１を、Ａ０．９ｍｍと、Ｂ１．１ｍｍに設定し、ベース短辺方向の端子電極の寸法Ｌ２を、各端子電極の起点としたＡ線およびＢ線から、ベース短辺方向の寸法Ｗ（端子電極の延伸する方向）に対して３０％から９０％まで５％づつ寸法を増加した各々もの、すなわち、前記Ａのサンプル１３個、前記Ｂのサンプル１３個、合計２６個について検証した。
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、共晶はんだ（Ｐｂ３７−Ｓｎ６３）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＋１２５°まで温度上昇させ、＋１２５°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、５０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３０００サイクルまで繰り返した。そして、途中ではんだクラックが確認された時点で試験を中止し、そのときのサイクル数をカウントした。
これらの試験データから、本発明の構成を採用するにあたり、前記端子電極の延伸する方向のベース幅寸法に対して、端子電極の延伸寸法を６０％〜８５％とすることで、最適な効果が得られることが見出された。なお、ベース長辺方向の端子電極の寸法Ｌ１を０．９ｍｍと１．１ｍｍの２パターンについて行っても、同様の傾向見られるので、ベースの短辺方向に対する端子電極の寸法Ｌ２がはんだ応力を緩和する上で特に重要な構成要件となることがわかる。

以上のように、本発明は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ことができる。

本発明による第１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は第１の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の斜視図であり、図２は図１の底面図であり、図３は第１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。

図３に示すように、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１ａ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１ａとほぼ等しい枠体１ｂからなり、これら各層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１ｂ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、断面でみて凹形の電子素子収納部１０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。なお、当該ガラス層１１ａは形成していなくてもベースとフタの気密接合を行うことが可能であるが、ガラス層１１ａを形成することにより接合強度を向上させることができる。このベース外周の４角には上下にキャスタレーションＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。このうちキャスタレーションＣ１，Ｃ３の下方には連結電極１２１，１３１が形成され、当該連結電極１２１，１３１は後述の端子電極１２，１３と電気的につながっている。

また、図１に示すように、ベース１の底面には一対の端子電極１２、１３が形成されており、これら端子電極は連結電極１２１，１３１（１３１については図示せず）およびキャスタレーションＣ１，Ｃ３を介して、ベース内部の底面に形成された電極パッド１２２，１３２（１３２については図示せず）へと電気的に延出されている。なお、これらの端子電極、連結電極、電極パッドは、ダングステン、モリブデン等のメタライズ材料をベースと一体的に焼成して形成し、当該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１２２，１３２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の表裏面には一対の励振電極が形成され、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１２２，１３２に引き出されており、当該電極パッド１２２，１３２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３に示すようにインナーメニスカス２１ａ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３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の形状に特徴があるので、以下詳細を説明する。図２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、お互いに対向して電極が形成される領域１２ａ，１３ａと、お互い対向しないで一方の端子電極のみが形成さない領域１２ｂ，１３ｂとを有している。これらの領域は、ベース１の中心点に対して点対称に配置してなるとともに、前記お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域１２ｂ，１３ｂをベースの対角部であるキャスタレーションＣ２，Ｃ４に配置している。また、端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ３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されている。

これらの構成により、端子電極１２，１３の方向性がなくなり、表面実装型水晶振動子の搭載作業性が向上する。また、端子電極領域１２ａ，１３ａにより、回路基板との接合強度を高めつつ、ベース１が回路基板上で三次元的にねじれることを抑えることができるので、回路基板４の反りなど影響を軽減できる。また、ベース１と回路基板４との熱膨張差による応力生じても、一方の端子電極が形成されない角部領域１２ｂ，１３ｂに向かって相互に応力を逃がすので、ベース１の中心点で平面的に回転させるように応力緩和する。このため、偏りのないより効率的な応力緩和が行え、はんだクラック等の発生を飛躍的に抑制することができる。特に、本発明の第１の実施形態のように、ベースに対してキャップをガラスなどの封止接合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は、水晶振動子の入出力端子以外のアース端子等を必要としない一対の端子電極構造（２極の端子電極構造）となっているので、極めて有効である。

また、本発明の第１の実施形態の端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ３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。

次に、本発明による第２の実施形態を表面実装型の水晶振動子を例にとり図５とともに説明する。図５は第２の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図である。第１の実施形態と同様の部分は同番号を付すとともに、説明の一部を割愛している。

第２の実施形態の一対の端子電極１２，１３では、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、一方の端子電極が形成されない角部領域１２ｂ，１３ｂに向かって、各端子電極１２，１３の形状を暫時小さく形成している。また、図５（ｃ）に示すように、一方の端子電極が形成されない角部領域１２ｂ，１３ｂに向かって、曲率Ｒ１、Ｒ２を形成している。そして、これらの形状に加えて、上記第１の実施形態と同様に、前記端子電極１２、１３は、お互いに対向して電極が形成される領域１２ａ，１３ａと、お互い対向しないで一方の端子電極のみが形成さない領域１２ｂ，１３ｂとを有している。これらの領域は、ベース１の中心点に対して点対称に配置してなるとともに、前記お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域１２ｂ，１３ｂをベースの対角部であるキャスタレーションＣ２，Ｃ４に配置している。また、端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ３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されている。これらの形態では、相互の応力抑制効果を高め、より一層ベース１の中心点で回転させるように応力緩和することができる好ましい形態となっている。また、図５（ｃ）のように端子電極の端に曲率を形成することで、この部分での応力集中を防ぐことができる。

次に、本発明による第３の実施形態を表面実装型の水晶振動子を例にとり図６とともに説明する。図６は第３の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図である。第１の実施形態と同様の部分は同番号を付すとともに、説明の一部を割愛している。

第３の実施形態の一対の端子電極１２，１３では、図６に示すように、端子電極をお互いに対向して電極が形成される領域とお互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域を、ベースの中心点に対して非対称に配置している。すなわち、端子電極１２，１３がお互いに対向して電極が形成される領域１２ａ，１３ａと、端子電極１３のみがお互い対向しないで一方の端子電極のみが形成さない領域１３ｂとを有している。また、端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ３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されている。この形態では、端子に方向性を持たせる事が必要なときに有効な構成となる。

次に、本発明による第４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７は第４の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図であり、図８は第４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る。第１の実施形態と同様の部分は同番号を付すとともに、説明の一部を割愛している。

本発明の第４の実施形態では、図７に示すように、ベース１の底面には一対の端子電極１２、１３が形成されており、各端子電極の上部両端部には、それぞれ２つのバンプ１４，１４が形成されている。これらのバンプは、端子電極のメタライズ上部に同材質のメタライズ（ダングステン、モリブデン等）を所望の形状で積層することで形成しており、これら端子電極とバンプのメタライズ材料をベースと一体的に焼成して、当該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。そして、これらの形状に加えて、上記第１の実施形態と同様に、前記端子電極１２、１３は、お互いに対向して電極が形成される領域１２ａ，１３ａと、お互い対向しないで一方の端子電極のみが形成さない領域１２ｂ，１３ｂとを有している。これらの領域は、ベース１の中心点に対して点対称に配置してなるとともに、前記お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域１２ｂ，１３ｂをベースの対角部であるキャスタレーションＣ２，Ｃ４に配置している。また、端子電極１２，１３は、キャスタレーションＣ１，Ｃ３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されている。

これらの構成により、ベース１と回路基板４との熱膨張差による応力生じても、バンプと端子電極の段差によっても応力を緩和できる構成となり、しかもバンプで浮き上がった隙間部分に導電性接合材がたまるので、回路基板との接合強度をより高めることができる。特に、本発明の第４の実施形態のように、各端子電極の上部両端部においてそれぞれ２つのバンプ１４，１４を形成しているので、表面実装型水晶振動子の回路基板に搭載する際に傾きが生じなくなり、より安定した搭載が可能となる。

なお、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。

第１の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の斜視図。図１の底面図。第１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。はんだ耐久試験の検証データを示すグラフ。第２の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図。第３の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図。第４の実施形態を示す表面実装型水晶振動子の底面図。第４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。

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平面矩形状のベースと、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、
前記ベースの底面の対向辺に沿って一対の端子電極が形成されてなり、
当該一対の端子電極は、お互いに対向して電極が形成される領域と、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域とを有してなり、
前記ベースの一対の端子電極と回路基板とが導電性接合材により接合されたことを特徴とする電子部品用パッケージ。
前記一対の端子電極をベースの中心点に対して対称に配置してなるとともに、お互い対向しないで一方の端子電極が形成されない領域をベースの角部に配置した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からなり、前記端子電極がメタライズにより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、または特許請求項２記載の電子部品用パッケージ。
前記端子電極の一部に同材質のメタライズからなるバンプを形成したことを特徴とする特許請求項１〜３のうちいずれか１項記載の電子部品用パッケージ。
前記端子電極の延伸する方向のベース幅寸法に対して、端子電極の延伸寸法を６０％〜８５％として形成されてなることを特徴とする特許請求項１〜４のうちいずれか１項記載の電子部品用パッケージ。