JP2008263407A - 表面実装用の電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電子デバイスの外部端子間又は回路基板のパッド間のハンダのオーバーフローを防止する表面実装用の電子デバイスを提供する。
【解決手段】表面実装用の電子デバイス１００は、外面に表面実装用の外部端子１５を備えた絶縁材料から成るベース基板１０と、プリント基板に実装される面の外部端子１５の周囲に形成された溝部１３とを備える。なお、前記ベース基板１０は、熱硬化性樹脂を含有する樹脂基板から構成され、前記溝部１３は、熱的加工又は機械加工で形成される。また、前記ベース基板１０は、セラミック基板から構成され、前記溝部１３は、型押し又は型抜きして形成された後、前記外部端子１５をメタライズインクで印刷して形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は表面実装用の電子デバイスを技術分野とし、特に回路基板に搭載される際にハンダによるショートを防止した電子デバイスに関する。

水晶デバイスは水晶振動子や発振器及びフィルタ等の周波数制御素子として広く知られ、通信機器を含む各種の電子機器の回路基板に載置される。近年では、表面実装用の水晶デバイスが普及し、抵抗やコンデンサ等の他の電子デバイスとともに回路基板に搭載される。一般に、ペースト状のハンダが塗布された回路基板に、表面実装機によって電子デバイスが搭載される。その後、電子デバイスが搭載された実装基板がリフロー炉を搬送されて、電子デバイスのハンダ付けが完了する。

しかしながら、集積化の要求に応じるため、電子デバイスが密接に回路基板に配置される必要がある。このため、回路基板上に各電子デバイスの外部端子に対応したパッドが極めて近接している。また、表面実装用の電子デバイスは小型化が進み、電子デバイスの外部端子間の距離が狭くなってきている。そこで、電子デバイスを回路基板にハンダ付けしようとする場合、電子デバイスの外部端子の間の距離が近接しているため、各外部端子間にオーバーフローしたハンダが互いに接続されショートとなる。各外部端子の間でショートにならない場合であっても、溢れたハンダがボール状になって実装基板上の他の部品に影響を与えてしまうことがある。

図７は、ベースプリント基板２１０を有する圧電発振器２００を回路基板ＰＢへ実装した状態を示す図である。具体的には、回路基板ＰＢは、パッド１１５が形成されており、そのパッド１１５にペースト状のハンダＳＯＬが塗布される。ハンダＳＯＬが所定量以上に塗布された状態で圧電発振器２００が実装されてからリフロー炉に入ると、ベースプリント基板２１０と回路基板ＰＢとの間にハンダボールが形成され、外部端子２１５間でショートになるおそれがある。
特開２００３−１２４７７３号公報

ペースト状のハンダの量を少なめにすると、外部端子２１５とパッド１１５との間で電気的導通が不十分になることもある。また、ハンダリフロー後に各電子デバイスと回路基板との接続の良否を検出することは困難である。また、電子デバイスと回路基板との接続欠陥が生じて、電子デバイスと配線との接続状態が即時に検出できず、製品の歩留まりが低下する問題も起こる。

上記課題を解決するため、本発明は、電子デバイスの外部端子間又は回路基板のパッド間のハンダのオーバーフローを防止する表面実装用の電子デバイスを提供することを目的とする。

第１の観点の表面実装用の電子デバイスは、外面に表面実装用の外部端子を備えた絶縁材料から成るベース基板と、プリント基板に実装される面の外部端子の周囲に形成された溝部と、を備えた。
この構成により、表面実装時にハンダが多めに回路基板に塗布された場合であっても、オーバーフローしたハンダが溝部に入り込むため。外部端子間でショートすることが少なくなる。

第２の観点の表面実装用の電子デバイスのベース基板は、熱硬化性樹脂を含有する樹脂基板から構成され、溝部が熱的加工又は機械加工で形成される。
電子デバイスのベース基板が熱硬化性樹脂を含む樹脂基板であれば、溝部が熱的加工、例えばレーザー加工で形成される。また機械的加工であれば、例えばドリル加工もしくはルータ加工で形成される。

第３の観点の表面実装用の電子デバイスのベース基板は、セラミック基板から構成され、溝部は型押し又は型抜きして形成された後、外部端子をメタライズインクで印刷して形成される。
電子デバイスのベース基板がセラミック基板であれば、焼成する前に溝部を型押し又は型抜きして形成して、その後メタライジングを行えば、溝部を形成することができる。

第４の観点の表面実装用の電子デバイスにおいて、溝部の深さは０．１ｍｍからベース基板の厚さの８０パーセントである。
この程度の深さであれば、オーバーフローしたハンダを収納することができる。また、ベース基板の厚さの８０パーセントを超えると、ベース基板が弱くなり耐久性の観点から好ましくない。

第５の観点の表面実装用の電子デバイスにおいて、溝部の溝幅は０．１ｍｍから２．０ｍｍである。
この程度の深さであれば、オーバーフローしたハンダを収納することができる。

電気デバイスは、水晶発振子又は水晶振動子を含む。
電気デバイスの中では、水晶発振子は大型の部類に入る。このため、回路基板に塗布されるハンダの量が多めであるため、特にこれらに適している。

本発明の表面実装の電子デバイスは、電子デバイスの外部端子間又は回路基板のパッド間のハンダのオーバーフローを防止するという利点がある。

＜圧電発振子１００の構成＞
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明に係る表面実装型の温度制御型高安定圧電発振器（以下、圧電発振器という）１００の実施例を示す断面図である。圧電発振器１００は、ベースプリント基板１０とサブプリント基板４０とからなる。サブプリント基板４０には、温度制御回路部品又は発振回路用のいくつかの電子部品３１と水晶振動子３２とが導電性接着剤２１によって固定されている。ベースプリント基板１０には、圧電発振器１００を回路基板ＰＢ（図３参照）に表面実装するため、４箇所又は６箇所に設けられた外部端子１５が底面側に設けられる。外部端子１５は、表面実装後にハンダ付けのメニスカス状態を目視できるように、ベースプリント基板１０の側面では、外部端子１５と電子部品３１又は水晶振動片３２とは、メッキ配線又はリード線などにより電気的に接続されている。

また、ベースプリント基板１０には、黄銅などを材料とする金属支柱５０の一方の端部が孔部１１に差し込まれ、導電性接着剤２１によって固定されている。金属支柱５０の他方の端部は導電性接着剤２１によってサブプリント基板４０に固定されている。二段重ねとなったベースプリント基板１０とサブプリント基板４０とを封止するように、全体を金属ケース４８で覆っている。このような構成の圧電発振器１００は、３ｍｍ角から５０ｍｍ角ほどの大きさになる。

図２は、ベースプリント基板１０と外部電極１５とを説明する図である。図２（ａ）はベースプリント基板１０と金属支柱５０との固定状態及び外部端子１５を示した拡大図である。図２（ｂ）は、ベースプリント基板１０の裏面を示した図である。

図２（ａ）に示すように、金属支柱５０は、黄銅の軸５４のフランジ５１を形成している。黄銅の軸５４は、フランジ５１を突き抜けるように、軸部５２を有している。黄銅の軸５４の直径は、０．０３ｍｍほどから１ｍｍ程度であり、フランジ５１の直径は、０．０４ｍｍほどから３ｍｍ程度である。黄銅の軸５４の直径より二倍程度あればよい。

ベースプリント基板１０には、軸部５２が挿入されるように、孔部１１が形成されている。ベースプリント基板１０はガラスエポキシ積層板で構成されている。ベースプリント基板１０の厚さは、０．６ｍｍから３ｍｍ程度であり、孔部１１の深さは、ベースプリント基板１０の厚さの９割から３割ほどに形成されている。ベースプリント基板１として、ガラスエポキシ積層板以外にも、ガラス布・ガラス不織布基材、エポキシ樹脂積層板、コンポジット積層板、紙基材エポキシ樹脂積層板又は紙基材フェノール樹脂積層板などの熱硬化性樹脂を使用することができる。これらは、レーザー加工、ドリル加工又はルータ加工などで容易に孔又は溝加工することができる。

孔部１１の径は、フランジ５１の径より小さくなっており、且つ軸部５２と同等又はそれ以上の径より大きくなっている。孔部１１は先端がプラットなルータを使ってベースプリント基板１０に形成する。孔部１１の周りには銅メッキ１２が施されている。外部端子１５と銅メッキ１２と電気的に接続されている。そして、金属支柱５０のフランジ５１と銅メッキ１２とが導電性接着剤２１で固定されている。

外部端子１５の周囲には、溝部１３が形成されている。但し、溝部１３ａは回路基板ＰＢ（図３参照）に表面実装されるベースプリント基板１０の底面のみに形成されており、側面までは溝部１３ａが形成されていない。圧電発振器１００の側面から、外部端子１５のハンダのメニスカス状態を目視しやすくするためである。

溝部１３ｂは回路基板ＰＢの底面すべてに形成されている。加工がしやすいからである。溝部１３（１３ａ及び１３ｂ）の深さは、０．１ｍｍからベースプリント基板１０の厚さの８０パーセントであり、溝部１３の溝幅は、０．１ｍｍから２．０ｍｍである。回路基板ＰＢに塗布されるハンダＳＯＬの量にも依存するが、表面実装の圧電発振器１００の大きさを考慮すれば、溝部１３の深さ及び溝幅を組み合わせれば、溝部１３がハンダのオーバーフローを抑えることができる。なお、本発明では、溝部１３ａでもオーバーフローを抑えることができるし、溝部１３ｂでもオーバーフローを抑えることができる。

＜圧電発振子１００の回路基板ＰＢへの実装＞
図３は、圧電発振子１００を回路基板ＰＢへ実装する状態を示した図であり、図３（ａ）は、圧電発振子１００の実装前の側面図であり、図３（ｂ）は、圧電発振子１００の実装後の側面図である。

図３（ａ）において、回路基板ＰＢには回路を構成し電子デバイスなどが実装されるパッド１１５が形成されている。そして、そのパッド１１５にハンダＳＯＬが塗布されている。不図示の赤外線式又は熱風式のリフロー炉でハンダ付けされるため、パッド１１５にペースト状のハンダＳＯＬが塗布される。

通常は、穴の開いたステンレス製のメタルマスク（不図示）上で、スキージ（不図示）を使ってペースト状のハンダＳＯＬをしごくことにより、パッド１１５に一定の厚さで転写を行う。そして、ハンダＳＯＬが塗布された部分に圧電発振子１００が実装される。通常は、ＮＣ制御の表面実装機で圧電発振子１００の実装が行われる。

図３（ｂ）に示すように、圧電発振子１００が実装されると、余分なハンダＳＯＬは溝部１３に挿入される。このため、スキージを使ってペースト状のハンダがパッド１１５に多少多めに転写された場合であっても、ハンダボールなどが形成されない。外部端子１５間でショートしないようにソルダレジストが外部端子１５間に形成されることもあるが、そのソルダレジストを形成する必要も無くなる。

また、外部端子１５の形状はこれまでと同様な形状であり、ベースプリント基板１０の裏面の外部端子１５がベースプリント基板１０の側面まで延びている。このため、ハンダ付けのメニスカス状態を目視できる。

＜水晶発振子１５０の構成＞
次に、水晶発振子１５０について、図面を参照して説明する。
図４は、水晶発振子１５０の概略図を示している。図１（ａ）は全体斜視図であり、図１（ｂ）は水晶発振子１５０の断面図であり、図１（ｃ）は金属蓋体６１を取り外した上面図である。

表面実装型の水晶発振子１５０は、絶縁性のセラミックパッケージ６０と水晶発振子１５０のパッケージを覆う金属蓋体６１とからなる。金属蓋体６１は、コバール（鉄（Ｆｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／コバルト（Ｃｏ）合金）製である。セラミックパッケージ６０は、アルミナを主原料とするセラミック粉末及びバインダ等を含むスラリーを用いたグリーンシートからプレス抜きされた底面用セラミック層６０ａ、壁用セラミック層６０ｂ及び台座用セラミック層６０ｃからなる。パッケージを構成するセラミックパッケージ６０の材料として、アルミナを主原料とするセラミック粉末の代わりにガラスセラミック又は無収縮ガラスセラミック基板を使用したり、窒化アルミニウム又はムライトなどを使用したりしてもよい。図４（ｂ）から理解されるように、これら複数のセラミック層６０ａ〜６０ｃから構成されたパッケージ６０は、キャビティを形成し、このキャビティ内に、電子部品３１又は音叉型水晶振動片３３を実装する。

台座用セラミック層６０ｃの上面の一部には、電子部品３１と導通を取る銅メッキ１２が形成されている。セラミックパッケージ６０の下面に形成された少なくとも２つの外部端子１５は、回路基板ＰＢのパッド１１５に表面実装される。また、銅メッキ１２は外部端子１５と接続する。壁用セラミック層６０ｂの上端にはメタライズ層があり、金属蓋体６１の接合のために、メタライズ層上に形成された低温金属ろう材からなる封止材３９が形成されている。壁用セラミック層６０ｂと金属蓋体６１は、封止材３９を介して溶着されている。

音叉型水晶振動片３３は、その基部に導電性接着剤３７と導通接続する接着領域を有している。台座用セラミック層６０ｃには、外部電極と導通している銅メッキ１２が形成されている。音叉型水晶振動片３３は、底面用セラミック層６０ａと水平になるように導電性接着剤３７で台座用セラミック層６０ｃに接着されて、所定の振動を発生する。

図４（ａ）から（ｃ）に開示されるように、水晶発振子１５０の外部端子１５は、その周囲に溝部１３が形成されている。このため、水晶発振子１５０を回路基板ＰＢへ実装する際には、余分なハンダＳＯＬは溝部１３に挿入される。このため、スキージを使ってペースト状のハンダがパッド１１５に多少多めに転写された場合であっても、ハンダボールなどが形成されない。

＜底面用セラミック層６０ａの製造＞
図５は、セラミックパッケージ６０、特に底面用セラミック層６０ａの製造方法を示した図である。

図５（ａ）は、アルミナからなる大きなグリーンシート６１ａ１を示している。格子状の破線は、分割が予定されている分割すべき位置を仮想的に表した分割線６９である。分割線６９に囲まれたシート部分は、縦横それぞれ５ｍｍ＊７ｍｍの長方形である。溝部１３を形成するため、グリーンシート６１ａ１は、図５（ａ）に示すように、分割線６９に沿って矩形の貫通孔１８が打抜き加工機などにより穿設される。このグリーンシート６１ａ１の厚さは、溝部１３の深さを設定することになる。

次に、大きなグリーンシート６１ａ１と同じ大きさのグリーンシート６１ａ２が用意される。このグリーンシート６１ａ２は、平板であり貫通孔などは穿設されていない。そして、グリーンシート６１ａ１とグリーンシート６１ａ２とが積層される。つまり、図５（ｂ）に示すように、貫通孔１８が不貫通孔１９となる。

次に、分割線６９に沿って切断すると、各シート部分は、図５（ｃ）に示すような全体形状を有する底面用セラミック層６０ａとなる。そして壁用セラミック層６０ｂ及び台座用セラミック層６０ｃを積層して一体すると焼成前のセラミックパッケージ６０を得ることができる。図５（ｄ）は、壁用セラミック層６０ｂ及び台座用セラミック層６０ｃを描いていないが、底面用セラミック層６０ａの不貫通孔１９に、真空吸引しつつ印刷することにより、タングステンやモリブデン等の導体ペーストをスクリーン印刷することにより、電極１５を形成する。但し、スクリーン印刷は、不貫通孔１９全体に行わない。溝部１３を形成するように、不貫通孔１９の中央部分のみに導体ペーストを形成する。なお、このスクリーン印刷は、壁用セラミック層６０ｂ又は台座用セラミック層６０ｃの銅メッキ１２用にも行われるが、本説明では割愛する。

次いで、この積層体を約１５００℃において所定時間にわたり焼成すると、溝部１３を有するセラミックパッケージ６０が完成する。上記説明では、分割線６９に沿って切断してからスクリーン印刷を行った。しかし、この順序以外でもセラミックパッケージ６０を生成することができる。例えば、分割前の大きなグリーンシート６０ａに対して導体ペーストをスクリーン印刷して、その後焼成し、これを分割線６９に沿って切断しても良い。

なお上記実施例では、セラミックパッケージ６０を説明したが、充填式の樹脂パッケージであっても、外部端子１５の周囲に溝部１３を形成することができる。充填式の樹脂パッケージの材質としては、エポキシやＢＴ樹脂、ポリイミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ガラスＢＴ樹脂等を用いることができる。樹脂パッケージは、レーザー加工、ドリル加工又はルータ加工などで溝部１３を形成することができる。

また、グリーンシート６１ａ１とグリーンシート６１ａ２とを積層して底面用セラミック層６０ａを形成したガ、一枚のグリーンシートに溝部１３の逆形状（凸部）を型押しして溝部１３を形成しても良い。

＜溝部１３の形状＞
これまで説明したように、樹脂積層板、樹脂パーケージに対しては、レーザー加工、ドリル加工又はルータ加工などで溝部１３を形成することができることを示した。また、セラミックパッケージに対して焼成前に打抜き加工などを施して、溝部１３を形成することができることを示した。

図６は、各種溝部１３の断面形状を示した図である。図１ないし図５では、溝部１３の断面形状は矩形であった。これ以外にもいろいろな断面形状を形成することができる。

図６（ａ）は、溝部１３の断面形状が三角形である。このような断面形状はドリル加工で容易に形成することができる。但し、溝部１３の幅及び深さが同じであれば、矩形形状よりも少ない体積となるため、オーバーフローするハンダＳＯＬを許容する量が少なくなる。

図６（ｂ）は、溝部１３の断面形状が円形である。このような断面形状は、型押しして溝部１３を形成するときに適している。
図６（ｃ）は、溝部１３の深い方が断面積が広くなる形状である。特殊なルータ加工などをしなければならないが、溝部１３の体積が大きくなるため、オーバーフローするハンダＳＯＬを許容する量も多くすることができる。

図６（ｄ）は、矩形の溝部１３が外部端子１５から距離ΔＬ離れて形成されている。これまで説明してきた溝部１３は、外部端子１５のすぐ横に形成されていた。しかし、必ずしもすぐ横に溝部１３を形成する必要は無い。
なお、これら溝部１３は、１つの外部端子１５の周りに１重のみ形成していたが、２重に形成してもよいことは言うまでもない。

以上、圧電発振子１００又は水晶発振子１５０などの電子デバイスを回路基板ＰＢに実装する説明をした。しかし、これに限られず、チップオンボード（ＣＯＢ）構造のパッケージや、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）やボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージなどの電子デバイスに対しても適用できる。これら電子デバイスは、樹脂パッケージで製造されていることが多く、樹脂パッケージは機械的な加工性に富むのでドリル加工やルータ加工などの機械加工によって経済的かつ高精度に溝部の形成ができる。

また、水晶発振子を代表して説明したが水晶振動子でもよく、特に電子デバイスのうち大型のものが好ましい。回路基板ＰＢに対してハンダＳＯＬの塗布の前に、ソルダレジストをハンダＳＯＬの間に塗布しておいてもよい。

表面実装型の圧電発振器１００の実施例を示す断面図である。 ベースプリント基板１０と外部電極１５とを説明する図である。 圧電発振子１００を回路基板ＰＢへ実装する状態を示した図である。 水晶発振子１５０の概略図である。 底面用セラミック層６０ａの製造方法を示した図である。 各種溝部１３の断面形状を示した図である。 従来例の圧電発振器を回路基板ＰＢに実装した側面図である。

符号の説明

１０ ベースプリント基板
１３ 溝部
１５ 外部端子
３１ 電子部品
３２ 水晶振動片
３３ 音叉型水晶振動片
５０ 金属支柱
５１ フランジ
６０ セラミックパッケージ （６０ａ…底面用セラミック層， ６０ｂ…壁用セラミック層， ６０ｃ…台座用セラミック層）
１００ 圧電発振子
１１５ パッド
１５０ 水晶発振子
ＰＢ 回路基板
ＳＯＬ ハンダ

Claims (6)

1. プリント基板に実装される表面実装用の電子デバイスにおいて、
   外面に表面実装用の外部端子を備えた絶縁材料から成るベース基板と、
   前記プリント基板に実装される面の前記外部端子の周囲に形成された溝部と、
   を備えたことを特徴とする表面実装用の電子デバイス。
2. 前記ベース基板は、熱硬化性樹脂を含有する樹脂基板から構成され、
   前記溝部が熱的加工又は機械加工で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の表面実装用の電子デバイス。
3. 前記ベース基板は、セラミック基板から構成され、
   前記溝部は、型押し又は型抜きして形成された後、前記外部端子をメタライズインクで印刷して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の表面実装用の電子デバイス。
4. 前記溝部の深さは、０．１ｍｍから前記ベース基板の厚さの８０パーセントであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の表面実装用の電子デバイス。
5. 前記溝部の溝幅は、０．１ｍｍから２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の表面実装用の電子デバイス。
6. 前記電気デバイスは、水晶発振子又は水晶振動子を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の表面実装用の電子デバイス。