JP2009100353A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】表面実装時の半田クラックを防止した表面実装用の水晶デバイスを提供する。
【解決手段】水晶片２を搭載し、カバー４により密閉封入され、外底面に一対の外部端子３を有する矩形状とした容器本体１を備えた水晶デバイスにおいて、前記外部端子３は外底面側から一層目３ａと二層目３ｂの二層構造として、前記二層目３ｂは前記一層目３ａの外周から離間した中央領域として平坦面状とし、前記二層目３ｂの面積を前記一層目３ａよりも小さくした構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は表面実装用の水晶デバイス（以下、表面実装デバイスとする）を技術分野とし、特に表面実装時の半田クラックを防止する外部端子に関する。

（発明の背景）
表面実装デバイス例えば表面実装振動子は小型・軽量であることから周波数や時間の基準源として発振回路に取り込まれ、各種の電子機器に内蔵される。近年では、温度環境に変化の大きい特に車載用では、経時変化（ヒートサイクル）に伴う熱膨張係数差による半田クラックを防止したものが求められる。

（従来技術の一例）
第４図及び第５図は一従来例を説明する表面実装振動子の図で、各図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。

表面実装振動子は一般には２端子型（第４図）と４端子型（第５図）があり、この例では、いずれの場合も積層セラミックからなる凹状とした矩形状の容器本体１に水晶片２を収容する。２端子型の場合は、容器本体１の内底面には長さ方向の両端部に図示しない水晶端子を有し、積層面及び側面のスルーホール（端面電極）を経て外底面の外部端子３に接続する。そして、容器本体１の開口端面をガラス封止によってセラミック等からなるカバー４を接合し、水晶片２を密閉封入する。

４端子型の場合は、容器本体１の内底面には長さ方向の一端部両側に図示しない水晶端子を有し、積層面を経て例えば一組の対角部に外部端子３として延出する。そして、容器本体１の開口端面には例えばシーム溶接による金属からなるカバー４を接合して水晶片２を密閉封入する。容器本体１の他組の対角部にはカバー４と電気的に接続したアース端子としての外部端子３を有する。

水晶片２は両主面に励振電極５ａを有し、２端子型の場合は両端部に引出電極５ｂを延出し、４端子型の場合は一端部両側に引出電極５ｂを延出する。そして、容器本体１の両端部の水晶端子、あるいは一端部両側の水晶端子に引出電極５ｂの延出した水晶片２の外周部を導電性接着剤６によって固着する。

そして、これらの２端子型や４端子型とした表面実装振動子は、第６図に示したように例えば自動車用電子装置の図示しないセット基板７に、例えば印刷等によるクリーム半田を用いた半田リフローによって搭載（固着）される。図中の符号７は加熱による溶融半田を含み、半田にはクリーム半田のみならず通常の半田や鉛フリー半田も含まれる。
特許第３６８５６８３号公報（特開2001-308490号公報） 特開２００６−５０２７号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の表面実装振動子では表面実装振動子の容器本体（セラミック）１とセット基板７との熱膨張係数差から熱的な経時変化に基づき、半田クラックを生ずる問題があった。これらの場合、例えば２端子型では、第７図（ａ）のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ線及び矢印で示すように、対向する両端側の外部端子３の対角方向の外周から半田クラックを生じる。

４端子型では、二組の対角方向（４角部）に配置された、各対角方向の外周から半田クラックを生ずる「第７図（ｂ）」。これらは、いずれも対角方向での応力が最も大きいことに起因し、通常ではいずれか一箇所の外部端子３に応力が集中してその外周から半田クラックを生じる。そして、結果として、例えばセット基板７からの外部端子３の剥離や接続不良を生ずる。

（発明の目的）
本発明は表面実装時の半田クラックを防止した表面実装デバイスを提供することを目的とする。

（着目点）
本発明では半田クラックの発生さらに考察したところ、半田に含浸（混入）した液状の図示しないフラックスがさらに半田クラック（亀裂）を大きくすることが判明した。すなわち、フラックスはセット基板７への搭載時における半田溶融時の熱によって膨張して気泡等を形成する。そして、充分に脱泡されずに微小なボイド（欠陥、空洞）を半田の内部に形成したまま硬化する。

したがって、セット基板への実装後、ボイドが半田内に均一に形成された場合は、応力が最も大きい外周角部自体の強度も小さくなって、ヒートサイクルによる亀裂をも発生しやすい。そして、外周角部から生じた小さな亀裂は、ボイドに沿って進行し、亀裂自体（半田クラック）を大きくする。このことから、本発明では、フラックスによるボイドを減少させる点に着目した。

（解決手段）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、少なくとも水晶片を搭載して密閉封入されて外底面に少なくとも一対の外部端子を有する矩形状とした容器本体を備えた水晶デバイスにおいて、前記外部端子は外底面側から一層目と二層目の二層構造として、前記二層目は前記一層目の外周から離間した中央領域として平坦面状とし、前記二層目の面積を前記一層目よりも小さくした構成とする。

（発明の効果）
このような構成であれば、表面実装振動子のセット基板への搭載時には、外部端子の二層目上となる溶融半田の外周厚みは一層目上の溶融半田よりも大きくなる。また、一層目上の溶融半田の厚みは小さくなるので、表面実装振動子の自重によっての、一層目上の溶融半田への加圧力が最も大きくなる。

したがって、半田溶融時に生じたフラックスによる気泡は、加圧力の小さい二層目上の溶融半田に押し出される。そして、温度上昇とともに気泡は成長しながら、二層目の外周から気圧の低い大気中に放出（脱泡）される。これにより、溶融半田の硬化後には、半田内のフラックスの気泡によるボイドを全体的に特に中央領域の少なくする。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、前記外部端子の一層目と二層目とは各中心を同心として、前記二層目は中心に対して点対称とする。これにより、一層目上に二層目を均等に配置して、一層目の溶融半田に生ずるフラックスの気泡を万遍なく大気中に放出できる。

同請求項３では、請求項２において、前記外部端子の一層目は矩形状とし、前記二層目は前記一層目と相似形とする。これにより、請求項２の構成をさらに明確にしてフラックスの気泡を均等に大気中に放出できる。

なお、請求項２においては、これに限らず、一層目を矩形状として二層目は楕円を含む円形とすることも、あるいは一層目及び二層目をいずれも円形としてもよいことは勿論である。例えば一層目と二層目とを円とした場合は、中心から一層目及び二層目の外周までの距離が均等になるので、気泡がさらに均一に放出される。

同請求項４では、請求項３において、前記一層目５ａの長さ及び幅に対する前記二層目５ｂの同方向での長さ及び幅は0.8以下とする。これにより、一層目５ａの外周に厚みの大きい半田が塗付される領域を確保して、加熱溶融中に生じた気泡を大気中に放出をできる。なお、辺比を0.8以下とする根拠は特許文献１との相違をさらに明確にする目安であって、これに限定されるものではない。

同請求項５では、請求項１において、前記外部端子は前記容器本体の外底面における両端側の二箇所に又は４角部に形成される。これにより、それぞれ対角方向の外周角部から発生する半田クラック（亀裂）を防止する。

（特許文献１との関係）
特許文献１では、本願発明と同様に外部端子の一層目上に接合強度を高める縦横に分割された二層目を設けるものの、この場合には二層目の中心部での溶融半田に生じた気泡が二層目の突出部によって遮られたり、一層目と二層目との外周が接近するので、脱泡効果が少なく、本願発明とは目的・構成・効果が本質的に相違する。

第１図は本発明の一実施形態を説明する水晶デバイス例えば表面実装振動子の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は底面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

表面実装振動子はこの例では２端子型とし、前述したように、積層セラミックからなる凹状とした矩形状の容器本体１の一端部両側となる内底面の図示しない水晶端子に、励振電極５ａから引出電極５ｂの延出した水晶片２の両端外周部を導電性接着剤６によって固着する。容器本体１の両端側となる外底面には、水晶端子に接続する積層面及び側面のスルーホールを経ての外部端子３を有し、開口端面はガラス封止によるカバー４が接合される。

そして、この実施形態では、両端側の外部端子３はそれぞれ外底面から一層目５ａと二層目５ｂとの二層構造とする。外部端子３の一層目５ａは従来同様に平坦状の矩形状とし、二層目５ｂは平坦状として一層目５ａより平面形状を小さくする。そして、外部端子３の二層目５ｂの中心は一層目５ａと同心とし、矩形状の一層目５ａに対して概ね相似形とする。さらに、ここでは、外部端子３の一層目５ａは４角部を円弧状にする。

これらの大小異なる外部端子３の一層目５ａ及び二層目５ｂは、例えば印刷によるＣｒ（クロム）として容器本体１とともに一体的に焼成される。そして、これらクロムの表面上にＮｉ（ニッケル）及びＡｕ（金）が電界メッキ等によって形成される。要するに、下地電極としてのクロムによって大小異なる一層目５ａ及び二層目５ｂを形成する。

ここでは、外部端子３の一層目５ａの長さ（Ｌ1）を例えば２．３ｍｍ、幅（Ｗ1）を１．１７５ｍｍとし、二層目５ｂは長さ（Ｌ2）を１．６ｍｍ、幅（Ｗ2）を０．８３１ｍｍとする。これにより、長さ方向及び幅方向の辺比Ｌ2／Ｌ1、Ｗ2／Ｗ1の辺比を約0.8とする。なお、容器本体１の平面外形は３．２×２．５ｍｍである。

このようなものでは、表面実装振動子をセット基板７に半田リフローによって搭載する際、予めセット基板７に印刷等によって塗付されたクリーム半田８が高熱路で加熱される。クリーム半田８にはフラックスが含浸されている。そして、加熱溶融したクリーム半田（溶融半田）７は、先ず、加熱の初期状態ではフラックス中の空気を含むガス等が膨張して多量の気泡を形成する。

次に、セット基板７との間となる外部端子３上の溶融半田８は、表面実装振動子の自重によって加圧される。この場合、外部端子３の一層目５ａ上の溶融半田８は二層目５ｂ上のそれよりも厚みが小さいので、一層目５ａ上の溶融半田８に対する加圧力は二層目５ｂ上のそれよりも大きくなる。したがって、一層目５ａ上の溶融半田８に生じた気泡は圧力差によって一層目５ａから二層目５ｂに追い出される。

次に、一層目５ａから追い出された気泡及び二層目５ｂに発生した気泡は温度上昇とともに大きさを成長しながら、二層目５ｂよりも圧力（気圧）の低い大気中に放出されて、溶融半田８から脱泡する。最後に、温度低下とともに溶融半田８は硬化し、気泡等に基づいたボイドの少ない半田８となる。

このようなことから、本実施形態での表面実装振動子は、セット基板７に搭載後の経時変化によるヒートサイクルがあっても、本来ボイドの少ない半田８なので、応力が最も大きくなる外部端子３の対角方向の外周角部からの亀裂の発生を防止する。また、仮に、外周角部に亀裂を生じても内部に進行することを抑制するので、結果として半田クラックを防止できる。

そして、この例では、外部端子３の一層目５ａと二層目５ｂとの中心を同心として、二層目５ｂが一層目５ａより小さい相似形とする。したがって、一層目５ａ上の溶融半田８に生じた気泡が満遍なく均一にして二層目５ｂ及び大気中に放出される。そして、一層目５ａと二層目５ｂとの長さ及び幅の辺比Ｌ2／Ｌ1、Ｗ2／Ｗ1を約0.8とするので、一層目５ａと二層目５ｂとの外周間に段差を確実に形成して、溶融半田８に生じた気泡の放出効果（脱泡効果）を確実にする。

また、ここでは各外部端子３の角部を円弧状にする。したがって、各外部端子３とセット基板との間の膨張係数差によって最も集中する４角部での応力を緩和する。無論、２端子及び４端子型の場合に生ずる前述した対角方向の外周部に生ずる応力をも緩和するので、対角方向の外周部からの亀裂の発生を防止する（特許文献２参照）。

（他の事項）
上記実施形態では水晶デバイスとしての表面実装振動子を２端子型として説明したが、第２図（底面図）に示したように４端子型とした場合でも同様に適用できる。この場合、例えば第３図に示したように、積層面からのスルーホールは前述した側面のみならず、角部の場合であっても同様である。

また、水晶デバイスは表面実装振動子に限らず、ＩＣチップと水晶片２とを一体的に収容した表面実装発振器にも適用できる。この場合、外部端子３は電源、アース、出力等の４端子となり、底面図は概ね前第２図と同様になる。

本発明の一実施形態を説明する水晶デバイス例えば表面実装振動子の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は底面図である。 本発明の他の例を説明する表面実装振動子の底面図である。 本発明のさらに他の例を説明する表面実装振動子の底面図である。 一従来例を説明する表面実装振動子の図で、各図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。 一従来例を説明する表面実装振動子の図で、各図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。 一従来例を説明するセット基板に対する表面実装動子の装着側面図である。 一従来例を説明する図で、同図（ａｂ）ともに半田が塗付された状態の表面実装振動子の底面図である。

符号の説明

１ 容器本体、２ 水晶片、３ 外部端子、４ カバー、５ 励振及び引出電極、６ 導電性接着剤、７ セット基板、８ 半田

Claims (5)

1. 少なくとも水晶片を搭載して密閉封入されて外底面に少なくとも一対の外部端子を有する矩形状とした容器本体を備えた水晶デバイスにおいて、前記外部端子は外底面側から一層目と二層目の二層構造として、前記二層目は前記一層目の外周から離間した中央領域として平坦面状とし、前記二層目の面積を前記一層目よりも小さくしたことを特徴とする水晶デバイス。
2. 請求項１において、前記外部端子の一層目と二層目とは各中心を同心として、前記二層目は中心に対して点対称とした水晶デバイス。
3. 請求項２において、前記外部端子の一層目は矩形状とし、前記二層目は前記一層目と相似形とした水晶デバイス。
4. 請求項３において、前記一層目の長さ及び幅に対する前記二層目の同方向での長さ及び幅は0.8以下である水晶デバイス。
5. 請求項１において、前記外部端子は前記容器本体の外底面における両端側の二箇所に又は４角部に形成された水晶デバイス。