JP2009188375A - 電子部品用パッケージ及び圧電振動子 - Google Patents
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Abstract
変化に耐えられるパッケージを得る。
【解決手段】上面側に電子部品20を搭載可能な矩形状の積層セラミック製のパッケージ
本体6と、電子部品20を含むパッケージ本体6の上面側の開口部空間を気密封止する蓋
部材30と、からなる。パッケージ本体6は、上面側の凹部の内底部に形成され、電子部
品20を接続する一対の電極パッド15と、底面の短手方向両側に形成され、実装面に複
数のバンプ10b、10c、11b、11cを有する一対の実装端子10、11と、を備
えている。更に、一対の電極パッド15と一対の実装端子10、11とをそれぞれ電気的
に接続する複数の接続電極14と、を備えている。
【選択図】図1
Description
めるように実装端子の構造を改善した電子部品用パッケージと、それを用いた圧電振動子
に関する。
が容易に得られ、経年変化が小さいこと等のため、通信用機器から民生用機器の基準周波
数源として広く用いられている。近年、機器が小型化、軽量化されると共に表面実装型水
晶振動子のさらなる小型化への要求が強くなっている。
周知のように、表面実装型水晶振動子は、水晶板の両主面に、真空蒸着法、あるいはス
パッタリング法を用いて金属膜(励振電極)を形成し、パッケージ本体内に収容し、該パ
ッケージ本体の周縁部に蓋をシーム溶接等で気密封止して構成される。
この理由は、車載用機器では低温から高温までの厳しい温度環境にさらされ、圧電振動子
のパッケージの線膨張係数と、圧電振動子が実装される回路基板とのそれとに差があると
、繰り返しの温度変化によりパッケージと回路基板とを接続する半田に歪みが掛かり、半
田の疲労破壊が生じる虞があるためである。更に、近年表面実装型水晶振動子の形状が小
型化され、パッケージの実装端子の面積も一段と小さくなっている。実装端子(端子電極
)と回路基板との接続強度を強化した表面実装型水晶振動子の一例が特許文献1に開示さ
れている。図10(a)は表面実装型水晶振動子の側面断面図、同図(b)は底面図であ
る。表面実装型水晶振動子70は上部が開口した凹部を有する平面矩形状のパッケージ本
体71と、当該パッケージ本体71の中に収容される水晶振動素子75と、パッケージ本
体71の上部開口部に接合される蓋72とからなる。表面実装型水晶振動子70は回路基
板90の配線パターン91上に半田85を介して接続される。
された一対の端子電極82、83は、互いに対向して形成される領域82a、83aと、
一方の端子電極のみが形成されない領域82b、83bとを有している。これらの領域は
、パッケージ本体71の中心点に対して点対称に配置されている。また、パッケージ本体
71の四隅にはキャスタレーションC1〜C4が形成され、キャスタレーションC1、C
3は夫々端子電極82、83と接続されている。このようなパッケージ本体71を構成す
ることにより、温度環境が変化し、パッケージ本体71と回路基板90との熱膨張差によ
り端子電極82、83に応力が生じても、一方の端子電極が形成されない角領域82b、
83bに向かって相互に応力を逃がすので、パッケージ本体71の中心点で平面的に回転
させるように応力が発生し、応力が緩和される。その結果、半田クラック等の発生を飛躍
的に抑制することができると開示されている。
また、特許文献2にはパッケージ裏面の四隅に4つの端子電極を形成し、各端子電極の
中央部に小さな凸部を形成したパッケージが開示されている。このパッケージを用いた圧
電振動子を回路基板上に搭載すると、端子電極と回路基板との間に間隙が得られ、十分な
量と厚みの半田がこの間隙に入るため、十分な接合強度が得られると開示される。
が夫々パッケージ本体の角部に形成した1つのキャスタレーションC1、C3を経由して
パッケージ内部に収容した圧電振動素子と導通するように構成されているため、端子電極
82、83とキャスタレーションC1、C3との接続部にクラックが発生すると、水晶振
動子が機能しない虞があるという問題があった。
特許文献2の手法では、パッケージの端子電極面と回路基板のランド電極面との間の半
田量は多くなるものの、歪みが集中する箇所の半田量が必ずしも多くないという問題があ
った。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、パッケージの実装端子と回路基
板のランド電極との接続強度を高め、半田接合部の亀裂を防止する電子部品用パッケージ
と、それを用いた圧電振動子を提供することにある。
形態又は適用例として実現することが可能である。
記パッケージ本体を気密封止する蓋部材と、からなる電子部品用パッケージであって、前
記パッケージ本体の内部に形成された一対の電極パッドと、前記パッケージ本体の底面の
短手方向両側に形成され、かつ実装面に複数の段差部を有する一対の実装端子と、前記一
対のパッドと前記一対の実装端子をそれぞれ電気的に接続する複数の接続電極と、を備え
た電子部品用パッケージを特徴とする。
パッケージと回路基板との接続強度を高めると共に、発生する半田接合部内の歪みを複数
の段差部のエッジ領域で分散させることにより、半田の亀裂を防止できるという効果があ
る。
ーションにそれぞれ前記接続電極を形成した適用例1に記載の電子部品用パッケージを特
徴とする。
振動素子と実装端子との導通のみならず、パッケージと回路基板との接続強度を高めるこ
とができるという効果がある。
1又は2に記載の電子部品用パッケージを特徴とする。
形状に基づいて形成される半田の曲面に沿って分散させることで、半田の亀裂を防止する
ことができるという効果がある。
部を有し、一方の前記段差部はパッケージ本体の中央部寄りに形成され、他方の前記段差
部は端部寄りに形成され、前記一方の段差部と他方の段差部とは、高さが異なる適用例1
乃至3の何れか一項に記載の電子部品用パッケージを特徴とする。
位置と、パッケージの中央部寄りを除く実装端子の周縁部の半田を厚くすることで、実装
端子と回路基板のランド電極との接続強度が高められると共に、実装面に設けた段差部に
より、環境温度の変化に起因して発生する歪みを複数の段差部のエッジ領域に分散させる
ことで、半田の亀裂を防止することができるという効果がある。
の電子部品用パッケージを特徴とする。
温度の変化に起因して発生する歪みを各段差部の半田に分散させることで、半田の亀裂を
防止することができるという効果がある。
5の何れか一項に記載の電子部品用パッケージを特徴とする。
度が大きくなると共に、ダミー電極の段差部により温度変化で生じる歪みを分散させるこ
とができるので、環境温度の変化に強いパッケージが得られるという効果がある。
振動子を特徴とする。
、圧電振動子のパッケージと電子機器の回路基板との接続強度が大きいと共に、温度変化
により生じる歪みを段差部のエッジ領域で分散させるので、大きな温度変化、振動、衝撃
に耐えられる電子機器が構成できるという効果がある。
発明に係る第1の実施の形態の電子部品用パッケージと、これを用いた圧電振動子の構造
を示す概略図で、同図(a)は断面図、同図(b)は底面図である。電子部品用パッケー
ジ1は、図1(a)に示すように、上面側に電子部品20を搭載可能な矩形状の積層セラ
ミック製のパッケージ本体6と、電子部品20を含むパッケージ本体6の上面側の開口部
空間を気密封止する蓋部材30と、からなる。パッケージ本体6は、図1(a)に示すよ
うに、上面側の凹部の内底部に形成され、電子部品20を接続する一対の電極パッド15
と、同図(b)に示すように、底面の短手方向両側に形成され、実装面に複数の段差部(
バンプ)10b、10c、11b、11cを有する一対の実装端子10、11と、を備え
ている。更に、図1(a)に示すように、一対の電極パッド15と一対の実装端子10、
11とをそれぞれ電気的に接続する複数の接続電極14と、を備えている。
叉型水晶振動素子20の図示しない一対のリード電極は、パッケージ本体6の一対の電極
パッド15に導電性接着剤を用いて接着、固定される。そして、蓋部材30として金属製
の蓋を用いる場合、蓋部材30はパッケージ本体6の上部周縁部に形成したシールリング
部に抵抗溶接(シーム溶接)等の手段を用いて溶接され、パッケージ本体6は気密封止さ
れる。また、図1(b)に示すように、パッケージ本体6の四隅にキャスタレーションC
1、C2、C3、C4を形成し、該キャスタレーションC1、C2、C3、C4はそれぞ
れ実装端子10、11に接続され、実装端子10、11と電極パッド15とを導通する接
続電極14として機能する。一方、キャスタレーションC1〜C4はパッケージ1を回路
基板に搭載する際、半田の這い上がり(フィレット)により回路基板とパッケージ1との
接続強度を強める効果がある。
また、図1(c)に示すように、キャスタレーションC’はパッケージ本体6底面の短
手方向両側の中央部にそれぞれ1カ所ずつ設けた構成であってもよい。
手方向両側の中央部にそれぞれ1カ所ずつ設ける。そして、これらの実装端子10、11
は、始めに実装端子ベース10a、11aをスクリーン印刷等の手法を用いてパッケージ
本体6に塗布し、該実装端子ベース10a、11aの面上でパッケージ本体6の中心部寄
りに、それぞれ矩形状の大きな段差部(バンプ)10b、11bと、該実装端子ベース1
0a、11aの面上でパッケージ本体6の端部寄りにそれぞれ矩形状の小さな段差部10
c、11cと、をスクリーン印刷等の手法を用いて塗布し、パッケージ本体6と同時に焼
成して形成する。つまり、実装端子10(11)は実装端子ベース10a(11a)と、
矩形状の2つの大小の段差部10b、10c(11b、11c)とからなる。スクリーン
印刷の一回の塗布で焼成後の段差部の厚さは10μm〜15μm程度となるので、適切な
厚さの段差部(バンプ)10b、10c、11b、11cを形成する。
、つまり実装端子ベース11aと段差部11b、11cとの要部拡大側面図である。図2
から分かるように、半田28の厚さは、h2(段差部11b、11cの下の半田の厚み)
に比べ、h1(実装端子ベース11aの下の半田の厚み)が大きくなるようにパッケージ
の実装端子11を構成する。
パッケージを回路基板に実装した場合、周囲の温度変化によりパッケージと回路基板と
の線膨張係数の差に起因して、半田接合部に歪みが生じる。パッケージの実装端子の形状
と発生する歪みとの関係を調べるべく、パッケージの実装端子10、11の種類として、
図3(a)〜(d)の底面図に示すような4種類を選んだ。図3(a)は、実装端子10
、11が標準の面積を有するパッケージ、同図(b)は(a)より大きな実装端子面積を
有するパッケージ、同図(c)は、(a)のパッケージにそれぞれ2カ所の段差部(バン
プ)10b、11bを設けたパッケージ、同図(d)は短手方向両側の中央部にそれぞれ
1カ所のキャスタレーションC’を設けたパッケージである。図3(a)〜(d)に示す
パッケージを回路基板に半田を介して実装する場合に、接合材の半田に生じる歪みの大き
さとその領域をシミュレーションにより求めた。図3(a)、(b)、(d)に示すパッ
ケージの場合、接合部の半田の厚さh(図4(a)に示す)を70μmとし、図3(c)
のように段差部10b、11bを設けた場合の接合部の半田の厚さh1(図4(b)に示
す)を100μmとした。また、シミュレーションの条件は、半田の凝固点(+218℃
)を応力の出発点(応力フリー)と仮定し、温度サイクルの温度条件(−40℃⇔+12
5℃)において、温度変化が最も大きい+218℃から−40℃を荷重条件として、半田
にかかる歪みの大きさと歪みの大きな領域とをシミュレーションにより求めた。つまり、
半田の凝固点(+218℃)ではパッケージと回路基板とには歪みは生じないが、温度が
常温に戻ると歪みは発生し、−40℃では歪みは最大となる。なお、温度変動については
モデル内で一様に起きるものとし、パッケージを構成する材料の残留応力は考慮しなかっ
た。
−40℃〜+125℃の温度サイクル試験を加えた場合に生じる歪みの大きな領域を示し
たもので、A、B、C、D、Eで示す領域、特にD、Eで示す領域に大きな歪みが生じる
ことがシミュレーションの結果分かった。図3(a)の左側の実装端子にも右側の歪みと
対称な歪みが生じることは説明するまでもない。また、図3(b)〜(d)のパッケージ
についても大きな歪みの生じる領域は、図3(a)の右側の図とほぼ同様の領域であった
。
また、−40℃〜+125℃の温度サイクルを加えた場合に実装端子のキャスタレーシ
ョンC1〜C4に生じる最大歪みを、図3(a)〜(d)のそれぞれの実装端子の形状に
ついて求めた。図3(e)は、同図(a)に示す実装端子の形状のキャスタレーションに
生じる最大歪みを100とした場合の、同図(b)〜(d)の実装端子のキャスタレーシ
ョンに生じる最大歪みを相対値で示した図で、横軸に実装端子の形状を示す図番(a)〜
(d)を、縦軸は相対半田歪みを示す図である。図3(e)より同図(c)のパッケージ
のように実装端子10、11に段差部10b、11bを設けた場合が、キャスタレーショ
ンに生じる最大歪みが一番小さくなることを見出した。
端子の底面との間に介在する半田が厚くなり、歪みが緩和されるのも一因とされる。また
、半田の厚みと接続強度との関係は特開平5−308179号公報に開示されており、半
田厚みに対し接続強度には極大値があり、適切な厚さがある。以上のシミュレーションの
結果を踏まえ、歪みが大きい領域、つまりパッケージの中心から最も離れた位置と、パッ
ケージの中央部寄りを除く実装端子の周縁部の半田厚を厚くするように実装端子の形状を
設計する。更に、図3(a)の右側の実装端子上に示す歪みの分布図のように、実装端子
の境界部に歪みが集中するので、実装端子ベース10a、11a上に複数の段差部10b
、10c、11b、11cを設け、該段差部のエッジ部分で歪みを分散させるような実装
端子を有するパッケージを種々製作した。そして、それらのクラック率(ある断面におけ
る、はんだ全長に対するクラック長さの割合)を調査した。その結果、図1に示すパッケ
ージの実装電極を採用した場合、断面はんだクラック率が低く、すなわち、よりクラック
の発生を低減できることがわかった。
拡大側面図であり、回路基板25のランド電極26と、パッケージ1’の実装端子11a
との間には厚さhの半田層が介在する。上記のシミュレーションより環境温度が変化する
とパッケージ1’の端部のPで示す領域の歪みが最大になることがシミュレーションの結
果分かった。図4(b)は本発明に係る電子部品用パッケージ1を回路基板25に実装し
たものの要部拡大側面図であり、環境温度が変化するとパッケージ1の端部のPで示す領
域と、段差部11b、11cのそれぞれの境界のQ1、Q2で示す領域で歪みが最大にな
ることがシミュレーションの結果判明した。このように複数の段差部11b、11cを設
けることにより、パッケージ1と回路基板との線膨張係数に違いに起因する歪みを、各領
域P、Q1、Q2に分散することが可能となるので、環境温度の繰り返し変化による半田
の劣化、即ち半田の亀裂を防止することができる。
部(バンプ)10b、10c、11b、11cとの位置関係にある。実装端子11を例に
して説明すると、図1(b)の底面図に示すように、実装端子ベース11aの図中右端と
、大きな方の矩形状の段差部11bの右端をほぼ一致させ、図中上下方向(短辺方向)で
は端子ベース11aのほぼ中央に段差部11bを位置させる。小さな方の矩形状の段差部
11cは、段差部11bと間隔を隔してパッケージ本体6の端部寄りに配置する。つまり
、段差部11b、11cは、実装端子11を半田により回路基板側のランド電極に接合し
たときに、電子部品用パッケージ1の中心から最も離れた位置と、パッケージの中央部寄
りを除く実装端子11の周縁部との半田が厚くなるような形状とする。このように歪みが
大きく掛かる領域の半田を厚くするのが第1の特徴である。
本発明の第2の特徴は、複数の段差部10b、10c、11b、11cを設けることに
より、パッケージ短手方向に比べて長手方向に強く働く歪みを、該段差部10b、10c
、11b、11cのエッジ部分で分散させることが可能となり、半田の亀裂破壊を防止す
ることができる。
実装端子を実装基板のランド電極に半田を介して接合した場合に、ランド電極と実装端子
間の導通抵抗が−40℃〜+125℃の温度サイクル(ヒートサイクル)の回数により、
どのように変化するか実験した。図5(a)はパッケージを搭載する基板上の測定用パタ
ーン40であり、41a、41bはランド電極、42a、42bは配線導体、43a、4
3bは導通抵抗測定用の端子電極である。図5(b)は、複数の測定用パターン40を格
子状に配した、導通抵抗測定に実際に用いた基板45の平面図である。
導通抵抗の実験に用いたパッケージは、図1に示した段差部付実装端子を有するパッケ
ージと、比較のために図3(a)〜(d)に示した一般的な実装端子を有するパッケージ
とを用いた。なお、実装端子とランド電極とを接合する半田の導通抵抗を測定するためで
あるので、パッケージ本体内部の電極パッド同士、例えば図1(a)の2個の電極パッド
15は短絡したパッケージを用いた。測定点は、ヒートサイクル前、500回、1000
回、1500回、2000回、2500回、3000回のヒートサイクル試験後の導通抵
抗を測定した。
ロ、ハは、それぞれ図3(a)、図3(d)、図1(c)に示した実装端子を有するパッ
ケージの、ヒートサイクル回数と導通抵抗との関係を示す図である。
図6より本発明の段差部付実装端子を有するパッケージが、導通抵抗のヒートサイクル
試験でも良好な結果を示すことが判明した。
段差部10d、11dの構成である。パッケージ2の実装端子10は、実装端子ベース1
0aと複数の円形の段差部10dとからなり、同様に実装端子11は、実装端子ベース1
1aと複数の円形の段差部11dとからなる。図7の実施例では段差部10d、11dが
共に5個ずつの場合で、パッケージ2の中心部寄りにそれぞれ2個の段差部10d、11
dを、パッケージ2の端部寄りにそれぞれ3個の段差部10d、11dを配置した例であ
る。このように段差部10d、11dを配置することにより、パッケージ2の中心から最
も離れた位置と、パッケージの中央部寄りを除く実装端子の周縁部の半田が厚くなり、パ
ッケージ2と回路基板との接続強度が高められると共に、パッケージ短手方向に比べて長
手方向に強く働く歪みを、各段差部10d、11dのエッジ部分で分散させることが可能
となり、半田の亀裂を防止することが可能となる。
と異なる点は、長辺方向の中央部で、短辺方向の端部寄りに2つのダミー電極12、13
とを設けたことである。ダミー電極12、13は、図8に示すように、それぞれダミー電
極ベース12a、13aと、矩形状の段差部12b、13bとにより構成される。段差部
12b、13bを付加したダミー電極12、13を設けることにより、パッケージ3と回
路基板の接続強度が高まると共に、環境温度が変化する際に生じる歪みを段差部12b、
13bの境界で分散させ、半田の亀裂を防止するパッケージが構成できる。
ッケージ2と異なる点は、長辺方向の中央部で、短辺方向の端部寄りに2つのダミー電極
16、17とを設けたことである。ダミー電極16、17は、図7に示すように、それぞ
れダミー電極ベース16a、17aと、円形状の段差部16b、17bとより構成される
。段差部16b、17bを付加したダミー電極16、17を設けることにより、パッケー
ジ4と回路基板の接続強度が高まると共に、環境温度が変化する際に生じる歪みを段差部
16b、17bのエッジ領域で分散させ、半田の亀裂を防止するパッケージが構成できる
。
ッケージの実装端子の構成は大きな歪みが加わる、パッケージの中心から遠い領域と、パ
ッケージの中央部寄りを除く実装端子の周縁部の領域の半田の厚さを厚くするような実装
端子の構造と、各段差部のエッジ領域に歪みを分散させる点が異なる。
図1に示した第1実施例では、パッケージ1の凹部に形成した電極パッド15上に音叉
型水晶振動素子を搭載した例を示したが、図7、8、9に示した第2〜4実施例のパッケ
ージ2、3、4の凹部に圧電振動素子を搭載し、表面実装型の圧電振動子を構成してもよ
い。
11a…実装端子ベース、10b、10c、10d、11b、11c、11d、12b、
13b、16b、17b…段差部(バンプ)、12、13、16、17…ダミー電極、1
2a、13a、16a、17a…ダミー電極ベース、14…接続電極、15…電極パッド
、20…電子部品、25…回路基板、26…ランド電極、28…半田、30…蓋部材、C
’、C1、C2、C3、C4…キャスタレーション、A、B、C、D、E…歪みの大きな
領域、40…測定用パターン、41a、41b…ランド電極、42a、42b…配線導体
、43a、43b 測定用の端子電極、45…基板
Claims (7)
- 電子部品を搭載可能な矩形状のパッケージ本体と、前記電子部品を含む前記パッケージ
本体を気密封止する蓋部材と、からなる電子部品用パッケージであって、
前記パッケージ本体の内部に形成された一対の電極パッドと、
前記パッケージ本体の底面の短手方向両側に形成され、かつ実装面に複数の段差部を有
する一対の実装端子と、
前記一対のパッドと前記一対の実装端子をそれぞれ電気的に接続する複数の接続電極と
、を備えたことを特徴とする電子部品用パッケージ。 - 前記パッケージ本体の四隅にキャスタレーションを形成し、該キャスタレーションにそ
れぞれ前記接続電極を形成したことを特徴とする請求項1に記載の電子部品用パッケージ
。 - 前記段差部は、前記パッケージ本体の周縁部側の面が、曲面であることを特徴とする請
求項1又は2に記載の電子部品用パッケージ。 - 前記一対の実装端子の各々において、前記段差部は少なくとも2個の段差部を有し、
一方の前記段差部はパッケージ本体の中央部寄りに形成され、
他方の前記段差部は端部寄りに形成され、
前記一方の段差部と他方の段差部とは、高さが異なることを特徴とする請求項1乃至3
の何れか一項に記載の電子部品用パッケージ。 - 前記一方の段差部は、前記他方の段差部よりも高さが高いことを特徴とする請求項4に
記載の電子部品用パッケージ。 - 前記パッケージ本体に段差部を有するダミー電極を形成したことを特徴とする請求項1
乃至5の何れか一項に記載の電子部品用パッケージ。 - 請求項1乃至6の何れか一項に記載の電子部品用パッケージを備えることを特徴とする
圧電振動子。
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