JP2010004216A - 電子部品およびその電子部品を有する電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電極を有するガラスよりなる基板部材をもつ表面実装部品パッケージの回路基板への実装信頼性を向上させる。
【解決の手段】ガラス基板１の外部電極を導電樹脂電極１２、前記導電樹脂電極１２を越えて前記ガラス基板１まで広がるスパッタ金属電極１３およびはんだ付け電極１４の構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明はガラスを構成部材として持つ電子部品とそれを無鉛はんだで実装した電子回路
基板に関するものである。

電子部品たとえば水晶振動子は、電子機器の基準発振源や、マイクロコンピュータの
クロック源などとして用いられている。この水晶振動子は中空かつ真空の気密封止された
小型の表面実装型パッケージに水晶振動片を封入して構成される。
この中空の気密封止された小型の表面実装型パッケージの従来のものとしてセラミック
スの容器に金属製の蓋を接合した表面実装型パッケージが製造されている。

しかしこのセラミックスを用いたパッケージは高価なためガラスを利用したパッケージが考案されている（特許文献１）。

図８にこのようなガラスを用いた水晶振動子を断面図に示す。
この図では回路基板にはんだにより水晶振動子を接続した状態で示している。
ガラス基板１にガラスまたは金属製の蓋２が接合材３で接合されており、外部電極４と内部電極６とは貫通電極５により接続されている。内部電極６には接続材７により水晶振動片８が接続されている。
外部電極はガラスフリットをバインダーとする厚膜導電ペーストやスパッタ金属膜を下地としてその上にＮｉとＳｎのめっきを形成するなどの構造をもっている。

このような水晶振動子ははんだ９により回路基板１１のランド１０と接続・固定され実装される。
このような表面実装型水晶振動子は極めて小型化しており、そのためガラス基板１の厚みは０．４ｍｍからは０．２ｍｍ更にはそれ以下というようなものとなっている。
フロート法により製造されたソーダガラスの薄板ガラスは極めて低コストという特徴をもちこのような表面実装部品パッケージに有利である。

またガラスを使用するとガラス基板上に多数のパッケージ領域を形成することにより、水晶振動片との接合や蓋とベースの接合を多数一括して行えるという利点もある。
更にガラスをパッケージの部材として利用した水晶振動子は水晶振動片を気密封止後にレーザーにより周波数調整が可能であるという大きな利点をもつ。
しかしながらこのソーダガラスはガラスのうちでも最も強度が低いという欠点がある。
このような金属片端子がないタイプの表面実装パッケージは応力の緩和機構をほとんどもたないため基板との熱膨張差による熱応力や基板の変形応力の影響を直接受けることとなり、回路基板上にはんだ付けされた表面実装パッケージは基板の変形、落下衝撃、熱衝撃等により大きな応力を受ける。
そのため回路基板の変形等により亀裂が入り水晶振動子の発信停止に至ることがある。
またこの亀裂発生は融点が高くかつクリープ強度が高く熱応力緩和が起こりにくいＰｂフリーはんだでおこりやすい。

そこでこの欠点を改善する方法としてガラスを化学強化することが考案されている。（特許文献２）。
あるいはガラスの代わりのガラス・セラミックス（結晶化ガラス）を利用することが考案されている。（特許文献３）
特開２００２−１２４８４５号公報 特開平７−２１２１５９号公報 特開平１０−３３５９７０号公報

化学強化したソーダガラスでは強度は向上するがその切断に際してかえって亀裂が発生して切断部から破壊を生じやすいという欠点を生じる。
また化学強化後、数百℃の熱を受けると化学強化の効果が損なわれるというような欠点もある。
また結晶化ガラスは高強度ではあるが極めて高価であるという欠点をもつ。
そこで本発明は低コストなガラスを構成要素とした電子回路基板に実装しても変形等の応力に強い電子部品を実現することを目的とするものである。

上記課題を解決するため本発明の電子部品ではほぼ同一面上に導電樹脂電極、スパッタ金属電極、はんだ付け電極よりなる外部電極を形成したガラスよりなる基板部材を有するパッケージに電子デバイスを設置した電子部品において前記スパッタ金属電極および前記はんだ付け電極が前記導電樹脂電極を越えて前記ガラスよりなる基板部材まで広がっている構造とする。

導電樹脂電極はパッケージの内部電極と接続するパッケージの外部への取り出し電極と接続する構造とする。
電子デバイスは水晶振動片とする。
本発明の電子部品のパッケージはガラスの基板部材とガラスの蓋部材より構成する。
ガラスがフロート法により製造された薄板ソーダガラスとする。
本発明の電子回路基板は導電樹脂層、前記導電樹脂層を越えて前記ガラスよりなる基板部材まで広がるスパッタ金属電極およびはんだ付け電極よりなる外部電極を形成したガラスよりなる基板部材を有するパッケージに電子デバイスを設置した電子部品の前記外部電極と電子回路基板の電極とを無鉛はんだにより接合する。

本発明によればガラスよりなる基板部材の上に導電樹脂層を形成しさらにその上に導電樹脂電極を越えてガラスよりなる基板部材まで広がるスパッタ金属、はんだ付け電極よりなる外部電極を形成することにより導電樹脂層を金属層とガラスで密封封止した外部電極構造とすることにより、柔軟性があり応力緩和性はあるが、耐湿性に劣り、透湿・吸湿により抵抗低下や接合強度低下、マイグレーションなど信頼性低下の恐れのある導電樹脂を使用した電子部品において、電子回路基板にはんだ付けした状態でも信頼性の低下を生じさせずに応力によりガラスに亀裂等を発生させない外部電極とすることが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
本発明はガラスを構成要素とするパッケージを使用する表面実装電子部品において、特にガラスを基板部材とし、このガラス基板部材に電子回路基板へのはんだ接合に利用する外部電極を形成し、その外部電極に導電樹脂を利用する。

図１に本発明の電子部品のガラス基板上の外部電極の断面図を示す。
内部電極と接続する取出し電極である貫通電極６をもつガラス基板１には導電樹脂電極１２が形成され、その上に導電樹脂電極１２を完全に覆い、ガラス基板１までかかるようにスパッタ金属電極１３が形成され、更にその上にはんだ付け電極１４が形成される。はんだ付け電極１４は、導電樹脂電極１２とスパッタ金属電極１３とが露出しないように延設され、ガラス基板１とはんだ付け電極１４とで導電樹脂電極１２とスパッタ金属電極１３を完全に被覆するように配置される。

導電樹脂電極１２はエポキシ樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアリルエーテル樹脂などに導電フィラーを混合したものが利用できる。
導電フィラーとしてはＡｇ、ＡｇとＰｄの合金などが利用できる。

導電樹脂電極１２の上に形成するスパッタ金属電極１３はＣｒとＣｕやＮｉなどの積層構造とする。
Ｎｉは無電解めっきにおいて触媒作用をもち最も好ましいが、密着性を得るためにはＣｒを下地としてスパッタ形成することが好ましい。またＣｕも良好なめっき形成を可能とする。
スパッタ金属電極１３の上にははんだ付けのためのはんだ付け電極１４を形成する。
はんだ付け電極はＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｔなどに保護層としてＡｕ、ＳｎあるいはＰｄとＡｕの積層などを形成する。Ｐｔでは保護層はなくてもよい。
はんだ付け電極の形成方法としてはスパッタやめっきがあるが、スパッタのみでは十分な厚みを確保できない場合が多いため本発明ではめっきを用いることが好ましい。

めっきは電解めっき、無電解めっきが可能であるが、給電用の配線が必要ない無電解めっきが好ましい。バレルめっきによる電解めっきは本発明のようにガラスのウェハないし基板を利用する場合は利用できない。
Ｎｉでは無電解めっきにはＮｉ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｂ系の無電解めっきが利用できる。
はんだ付け電極１４としてはたとえばＣｕを１０μｍ以上、またはＮｉを２μｍ以上、あるいはＣｕの上にＮｉを形成するなどし、更にその上に保護層としてＳｎ、Ａｕなどの単層、ＰｄとＡｕの２層などを形成する。

貫通電極としてはＡｇあるいはＡｇＰｄなどの金属とガラスフリットよりなる厚膜ペーストを充填して焼成した厚膜電極、ＦｅＮｉ合金、コバール合金などの金属リードをガラスフリットで封止した気密封止電極などが利用できる。

導電樹脂は柔軟性があり応力緩和性を有し、各種応力に対しガラス基板部材の破壊を抑制する効果を有する。
しかし一方で導電樹脂は耐湿性に劣り、透湿・吸湿により抵抗低下や接合強度低下など信頼性低下の恐れがある。
Ａｇをフィラーとする導電樹脂ではマイグレーションなども生じる。また、導電樹脂電極１２上に導電樹脂電極１２を利用して直接めっき形成をした場合には、導電樹脂電極１２の周縁部のガラス基板１と接触する部分での外気からの遮蔽が不十分となり、水分が浸入することを完全に防止できない。

しかしながら本発明では導電樹脂電極１２の上に真空中でスパッタによりスパッタ金属電極１３をガラス基板１にかけて形成し、導電樹脂電極１２が露出しないように完全に覆うため、導電樹脂電極１２はその後のめっきや外気の水分の影響を受けなくなり極めて信頼性の優れたものとなる。
またスパッタにより金属電極を形成することにより、樹脂の吸湿の極めて少ない
状態で導電樹脂の封止を行えることとなる。
また本発明では導電樹脂にスパッタ金属を形成するので容易に無電解めっきが形成できる。
以上のように導電樹脂電極１２の上に真空中でスパッタによりスパッタ金属電極１３を形成することの効果は大きい。

図２に本発明の外部電極形成工程を説明する。
印刷工程（ａ）では内部電極と接続する取出し電極、この場合は貫通電極６をもつガラス基板１に接続するように基板部材のパッケージ空間外側に導電樹脂電極１２をスクリーン印刷などによりパターン形成する。

この導電樹脂電極１２を硬化処理したあとスパッタ工程（ｂ）ではスパッタによりスパッタ金属電極１３により導電樹脂電極１２を完全に覆い、露出部の無いようにガラス基板１に広がるスパッタ金属電極１３を形成する。
スパッタは真空中で行われるため導電樹脂は吸湿などの少ない良好な状態でスパッタ金属とガラスにより気密封止された状態となる。更にめっき工程（ｃ）ではスパッタ金属電極１３を利用して無電解めっきによりはんだ付け電極１４を形成する。
なお本工程は通常ガラス基板に多数のパッケージ領域を形成しそれぞれのパッケージ領域に対応する外部電極を一括して多数形成し、その後ガラス基板を切断して各パッケージに個片化する。

図３は本発明の第２の外部電極構造例の断面図である。
ガラス基板１の端面（側面）を経由した内部電極と接続する取出し電極１５をもつガラス基板１には取り出し電極１５と接続して導電樹脂電極１２が形成され、その上にガラス基板１までかかるスパッタ金属電極１３が形成され更にその上にはんだ付け電極１４が形成される。
この場合にはスパッタ金属電極１３は取出し電極１５にかかる構造をとる。
取り出し電極１５はこの図ではわからないが通常は角の部分にキャスタレーション電極として形成される。

図４は本発明の電子部品の実施例である。
ガラス基板１にガラスまたは金属製の蓋２が接合材３で接合されており、外部電極４と内部電極６とは蓋２とガラス基板１の接合面を経由する層間電極１５により接続されている。内部電極６には接続材７により水晶振動片８が接続されている。
蓋がガラスの場合は陽極接合や接合材にＡｕ−２０重量％Ｓｎはんだを使用する、有機接着剤を使用する、ガラスペースト、フラックスレスはんだ接合を使用するなどが可能である。
ガラスに空間を形成するための凹部を形成するにはガラスのプレス成形を利用する、エッチングを利用する、サンドブラストを利用する、厚膜法により側壁を形成する、側壁としてガラスプリフォームを接合するなどの方法がある。

水晶振動片と内部電極の接続には接合剤として有機導電性接着剤を使用する、Ａｕ−２０重量％Ｓｎはんだを使用する、その他の高温はんだを使用する、Ａｕバンプによる超音波接合を利用する、前記方法とワイヤボンディングを併用するなどが可能である。
層間電極からはガラス基板部材の外部電極に伸びる電極配線が形成されている。
この電極配線は導電樹脂電極と接続している。
導電樹脂電極にはガラス基板部材にかかるスパッタ金属電極とその上のはんだ付け電極が形成されている。基板あるいは蓋用の薄板ガラスにはフロート法で製造した薄板のソーダガラスを利用すると低コスト化が可能である。
フロート法では平滑度の良好な薄板ソーダガラスの製造が容易である。
またこのソーダガラスは研磨性が良好で０．３ｍｍあるいは０．２ｍｍの厚みの平滑な薄板ガラスが比較的容易に得られる。
またソーダガラスは熱膨張率が水晶振動子に近く、振動特性において有利である。

図５は本発明の第２の実施例の電子部品の断面図である。
本実施例では水晶振動片８は蓋２に接合されている。

図６は本発明の第３の実施例の電子部品の断面図である。
本発明では内部電極の外部での取り出しは貫通電極５によってなされている。
貫通電極は厚膜導電ペースト、導電樹脂、金属端子のガラスによる封入、高温はんだによる封止などにより行われる。
なお本発明の第２の実施例のように蓋側に水晶振動片を接合する場合でも内部電極と外部電極の接続は層間電極で行える。
なお本発明の第１の実施例でも貫通電極構造をとることは可能である。
なお上記では電子部品として水晶振動片を搭載した水晶振動子を例にのべたが、ＳＡＷフィルター、受・発光デバイスのような半導体やＩＣチップや加速度センサ、圧力センサその他のＭＥＭＳセンサ、光部品、高周波部品、マルチ・チップ・モジュールなどの複数のチップや要素からなる電子デバイスを封止した形態の表面実装パッケージ等であっても同様に本発明は適用できるのは勿論である。
この場合たとえば電子デバイスの電極とパッケージの内部電極との接続はワイヤボンディングやバンプ電極なども利用できる。
あるいは電池、キャパシターのような電解液を内部に封入するようなパッケージ形態にも本発明は適用できる。
更に封止方法としては中空封止だけでなく、ＬＥＤなどの半導体を封入し樹脂あるいはガラスを充填したような中実表面実装部品パッケージ形態にも本発明は適用できる。
この場合ベースに側壁を形成し樹脂あるいはガラスを充填したような表面実装部品パッケージ形態あるいはベースにチップ素子を搭載し樹脂封止ないし樹脂コートしたようなパッケージ形態にも本発明は適用できる。

図７は本発明の第４の実施例の表面実装部品パッケージの断面図である。
光センサのような電子デバイスチップ１６がガラス基板１上の内部電極６にワイヤボンディング１７により接続されている。気密封止は樹脂、ガラスなどの封止剤１８によりなされている。

以上のようなガラスを基板に使用した表面実装パッケージ型の本発明の各種電子部品は図８に示すように電子回路基板にＰｂフリーはんだで接続・固定し実装した状態でセラミック製のパッケージと同等な各種信頼性を保持していた。

本発明の外部電極構造例の断面図である。 本発明の外部電極形成工程を説明する図である。 本発明の第２の外部電極構造例の断面図である。 本発明の第１の実施例の電子部品の底面図である。 本発明の第２の実施例の電子部品の断面図である。 本発明の第３の実施例の電子部品の断面図である。 本発明の第４の実施例の電子部品の断面図である。 電子部品の実装状態を示す断面図である。

符号の説明

１ ガラス基板
２ 蓋
３ 接合材
４ 外部電極
５ 貫通電極
６ 内部電極
７ 接続材
８ 水晶振動片
９ はんだ
１０ ランド
１１ 回路基板
１２ 導電樹脂電極
１３ スパッタ金属電極
１４ はんだ付け電極
１５ 取出し電極
１６ 電子デバイスチップ
１７ ワイヤボンディング
１８ 封止剤

Claims (6)

1. 導電樹脂電極上に、スパッタ金属電極を形成し、前記スパッタ金属電極上にはんだ付け電極を積層してなる外部電極を形成したガラスよりなる基板部材を有するパッケージに電子デバイスを設置した電子部品において、前記スパッタ金属電極および前記はんだ付け電極の領域が、前記導電樹脂電極の領域より広く配置され、前記導電樹脂電極が露出しないように被覆されていることを特徴とする電子部品。
2. 前記導電樹脂電極がパッケージの内部電極と接続するパッケージの外部への取り出し電極と接続していることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
3. 前記電子デバイスが水晶振動片であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
4. 前記電子部品のパッケージがガラスよりなる基板部材とガラスよりなる蓋部材よりなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
5. 前記ガラスがフロート法により製造された薄板ソーダガラスであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
6. 導電樹脂電極、前記導電樹脂電極を越えて前記ガラスよりなる基板部材まで広がるスパッタ金属電極およびはんだ付け電極よりなる外部電極を形成したガラスよりなる基板部材を有するパッケージに電子デバイスを設置した電子部品の前記外部電極と電子回路基板の電極とを無鉛はんだにより接合したことを特徴とする電子回路基板。

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