JP2014103627A - 圧電振動デバイスの実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性接着剤を用いた圧電振動デバイスの実装において、接合信頼性の高い圧電振動デバイスの実装構造を提供することを目的とする。
【解決手段】 表面実装型モジュールを構成する容器２に実装される水晶振動子４と、前記容器の内底面２１０のパッド電極７との接合領域は、
外部接続電極６とベース基材との間に導電性接着剤Ｓが介在する第１接合領域Ｚ１と、
外部接続電極６とパッド電極７とが対向する領域の間に導電性接着剤Ｓが介在する第２接合領域Ｚ２と、
ベース基材とパッド電極７との間に導電性接着剤Ｓが介在する第３接合領域Ｚ３の３つの接合領域からなっている。
第２接合領域Ｚ２はベースの外底面の中心Ｃを基準として第１接合領域Ｚ１よりも内側にあり、かつ第３接合領域Ｚ３よりも外側に位置している。
【選択図】 図２

Description

本発明は圧電振動デバイスの、外部基板又は当該圧電振動デバイスを収容する容器への実装構造に関する。

水晶振動子や水晶発振器等の圧電振動デバイスは各種通信機器等のタイミングデバイスとして広く用いられている。圧電振動デバイスの一例として、水晶振動子と半導体回路素子（ＩＣ）等の複数の回路部品を回路基板の同一面上に実装した後、当該基板をカバーで覆ったディスクリート型と呼ばれる水晶発振器が存在する。前記水晶発振器に用いられる水晶振動子は、ベース（箱状体）の内部に水晶振動片を搭載し、当該ベースに蓋を接合することによって水晶振動片を気密封止した構造となっている。そして前記ベースの外底面に設けられた外部接続用の端子（外部接続電極）と、回路基板上に設けられたパッド電極とが半田を介して導電接合される。

ところで近年の各種通信機器等の小型化や高密度実装化に伴い、水晶発振器においても水晶振動子と半導体回路素子（ＩＣ）とが近接する位置関係となってきている。例えば水晶発振器を構成する容器に設けられた凹部の内底面にＩＣを搭載し、次いで水晶振動子を前記内底面に半田接合する場合、半田接合時に発生したフラックスにＩＣが晒されて経年変化によってＩＣがダメージを受けるおそれがある。このため半田を使用せず、導電性接着剤を用いて電子部品を基板に接合する電子部品の実装構造が例えば特許文献１に開示されている。

特開２０００−２００９５３号

特許文献１に係る構成は、導電性接着剤の絶縁性材料に対する接合性が、金属材料に対する接合性よりも良好であることに鑑み、絶縁性材料からなる圧電振動デバイスの基材（外殻部材）に導電性接着剤が接合する部位を設けている。そして特許文献１では、外部接続電極（端子電極）とパッド電極（基板電極）とが導電性接着剤を介して対向する領域と、電子部品の基材（外殻部材）とパッド電極とが導電性接着剤を介して対向する領域と、外部接続電極と基板の基材（基板電極以外の領域）とが導電性接着剤を介して対向する領域の３つの領域を有する実装構造が開示されている（例えば特許文献１の図１０）。

特許文献１で開示されている前述の３つの接合領域を有する実装構造において、電子部品の基材とパッド電極とが対向する領域および外部接続電極と基板の基材とが対向する領域は、外部接続電極とパッド電極とが対向する領域に対して内側（外部接続電極間の中央寄り）に位置している。このような構成においては電子部品の外縁よりも内側の位置で導電性接着剤との接合力を向上させることはできるが、電子部品の外縁部分における接合力との差異により、応力差が大きくなって接合が不安定となるおそれがある。また電子部品が更に小型になると、外部接続電極間の距離が縮小されるため前記応力差の影響がより顕在化してくる。その結果、接合部位からクラック等が発生しやすくなり、接合不良が発生する危険性が増大してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、導電性接着剤を用いた圧電振動デバイスの実装において、接合信頼性の高い圧電振動デバイスの実装構造を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、圧電振動デバイスの外部接続電極が、外部基板又は当該圧電振動デバイスを収容する容器に設けられたパッド電極と部分的に対向するように、導電性接着剤を介して導電接合されてなる圧電振動デバイスの実装構造であって、前記圧電振動デバイスは絶縁性材料を基材とするベースを有し、当該ベースの外底面には少なくとも一対の外部接続電極が形成され、前記外部基板又は容器は絶縁性材料からなるとともに前記外部接続電極と対応したパッド電極を備え、前記圧電振動デバイスと、前記外部基板又は前記容器との接合領域が、前記外部接続電極と、前記外部基板又は前記容器の基材との間に導電性接着剤が介在する第１接合領域と、前記外部接続電極と前記パッド電極とが対向する領域であって、当該領域の外部接続電極とパッド電極との間に導電性接着剤が介在する第２接合領域と、前記ベースの外底面の基材とパッド電極との間に導電性接着剤が介在する第３接合領域の３つの接合領域からなり、前記第２接合領域が、前記ベースの外底面の中心を基準として前記第１接合領域よりも内側にあり、かつ前記第３接合領域よりも外側にあることを特徴とする。

上記発明によれば、前記第２接合領域が、前記ベースの外底面の中心を基準として前記第１接合領域よりも内側にあり、かつ前記第３接合領域よりも外側にあるので、安定した接合を行なうことができる。これは次の理由による。

第１接合領域と第３接合領域は第２接合領域に対して両外側に位置しており、この第１接合領域と第３接合領域は露出した基材部分は同一の平面上（同一部材上）に無い。すなわち、第１接合領域では外部基板又は容器（例えばディスクリート型水晶発振器等における筐体）の基材が導電性接着剤で接合され、第３接合領域ではベース外底面の基材が導電性接着剤で接合されるので、露出した基材部分は同一の平面上には存在しない。つまり第１接合領域と第３接合領域とが、ベースおよび基板（又は容器）の双方の基材と導電性接着剤で接合される領域を有しているため接合強度を向上させることができる。

そして導電性接着剤との接合性が絶縁性材料よりも劣る第２接合領域の両外側に、導電性接着剤との接合性が良好な第１接合領域および第３接合領域が存在することによってバランス良く接着補完されるため安定した接合を行なうことができる。第２接合領域については電極同士が対向する領域であるため、良好な導電性を確保することができる。

また上記発明において、導電性接着剤として揺変性（いわゆるチクソトロピー：Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ）を有する接着剤を使用することにより、所定の塗布位置からの接着剤のはみ出しを抑制することができる。さらに、金属材料同士が対向する領域である第２接合領域に介在する接着剤の厚みを、揺変性を有していない接着剤を使用する場合に比べて相対的に厚くすることができる。同様に、第１接合領域および第３接合領域に介在する接着剤の厚みも相対的に厚くすることができる。これにより接着剤のはみ出しを抑制することができるので高密度実装に好適となる。なお金属材料同士が対向する第２接合領域において外部接続電極とパッド電極のいずれか一方または両方の表面を粗面化したり、凹部を設けることによって導電性接着剤との接触面積を拡大して、第２接合領域の接着剤との接合力を向上させるようにしてもよい。

以上のように本発明によれば、導電性接着剤を用いた圧電振動デバイスの実装において、接合信頼性の高い圧電振動デバイスの実装構造を提供することができる。

本発明の実施形態に係る水晶発振器を表す断面模式図 本発明の実施形態に係る水晶振動子の実装後の状態を表す側面図 本発明の実施形態に係る水晶発振器の底面模式図 本発明の実施形態に係る水晶振動子の実装前の状態を表す側面図 本発明の他の実施形態に係る水晶発振器の底面模式図

以下、本発明に係る圧電振動デバイスとして水晶振動子を例に挙げ、水晶振動子や集積回路素子（ＩＣ）や回路素子が収容されるＲＴＣ（リアルタイムクロックモジュール）について図１乃至３を用いて説明する。図１に示すＲＴＣ（１）は略直方体形状の表面実装型モジュールである。ＲＴＣ（１）は、水晶振動子４や集積回路素子（ＩＣ）５や回路素子（図示省略）が収容される凹部２０を備えた容器２に、カバー３が接合材を介して接合された構造となっている。具体的に容器２は、凹部２０を包囲するように起立する堤部２２の上面に設けられた接合材（図示省略）を介して、カバー３の外周縁部分とシーム溶接法やビーム溶接法や金属ろう材の加熱溶融による封止方法等によって接合されている。

本実施形態において容器２は複数のセラミックグリーンシートの積層体であり、焼成によって一体成形されている。容器２の凹部の内底面２１０には、水晶振動子やＩＣ等の電子部品が搭載される各種パッド電極と当該パッド電極と電気的に接続された電極パターンが形成されており、そのうち図１では水晶振動子が搭載されるパッド電極（符号７）のみを記載し、その他のパッド電極および電極パターンの記載は省略している。

容器２の外底面２２０には図示しない複数の外部端子が形成されている。本実施形態ではこれら複数の外部端子と前述したパッド電極および電極パターンは、タングステンを印刷焼成した後、タングステン表面にニッケルメッキ層が、さらにその上層に金メッキ層が積層された構成となっている。またこれらの外部端子は容器２の基材の内部に形成された内部配線導体（図示省略）を介して水晶振動子の入出力端子や、ＩＣの各種機能端子等と電気的に接続されている。なお本実施形態においてＩＣ５は、ＩＣの各種機能端子と対応した複数のパッド電極（図示省略）上に金属製バンプを介してＦＣＢ接合（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｂｏｎｄｉｎｇ）されている。図１では簡略化のため、ＩＣの各種機能端子やパッド電極およびバンプの記載は省略している。

本実施形態においてカバー３は板状であり、金属性材料で構成されている。ここでカバー３の材料は金属性材料に限定されるものではなく、アルミナ等の絶縁性材料であってもよい。またカバーの対向する主面のうち、容器と接合される主面の外周縁部分に予め金属ろう材を形成していてもよい。

図１において水晶振動子４は直方体状で表面実装型の水晶振動子となっており、平面視の外形寸法は３．２ｍｍ×１．５ｍｍとなっている。この水晶振動子４は発振周波数が３２．７６８ｋＨｚとなっている。そして水晶振動子４は図２に示すように箱状のベース４１と、ベース内部の凹空間に搭載される図示しない水晶振動片と、ベース４１の上面と接合される蓋４２が主な構成部材となっている。この蓋４２がベース４１と接合されることによってベース内の水晶振動片が気密封止されるようになっている。なお前述した水晶振動片は平板状であり、表裏主面には水晶振動板を駆動させるための一対の励振電極が対向形成されており、この一対の励振電極の各々からは、引出電極と、ベースとの電気機械的接続に用いられる接続電極とが水晶振動板の一端側まで導出形成されている。そして前記接続電極はベース４１の凹空間の内底面に設けられた一対の水晶搭載用端子と導電性接着剤を介して接合されている。

図２においてベース４１の外底面４１０には、外部との接続に用いられる外部接続電極６が複数形成されている。これらの複数の外部接続電極のうち一部の電極は、前述の一対の水晶搭載用端子とベース基材の内部に設けられた配線パターン（図示省略）を介して電気的に接続されている。なお前記複数の外部接続電極は前述したパッド電極７と同様の材料および膜構成となっている。

図２に示すようにベース４１は、容器２の内底面２１０と内底面２１０に設けられたパッド電極７上に導電性接着剤Ｓを介して接合されている。具体的には水晶振動子４と容器２は、ベース４１の外部接続電極６と容器２の基材（内底面２１０）との間に導電性接着剤Ｓが介在する第１接合領域Ｚ１と、外部接続電極６とパッド電極７とが対向する領域であって、当該領域の外部接続電極６とパッド電極７との間に導電性接着剤Ｓが介在する第２接合領域Ｚ２と、ベースの外底面４１０の基材とパッド電極７との間に導電性接着剤Ｓが介在する第３接合領域Ｚ３の、３つの接合領域で接合されている。本実施形態では導電性接着剤Ｓとして、シリコーン系の導電性樹脂接合材（ペースト状接着材）が使用されており、揺変性（いわゆるチクソトロピー：Ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ）を有する接着剤となっている。なお導電性接着剤はシリコーン系の導電性樹脂接合材に限定されるものではなく、他の種類の導電性樹脂接合材を使用してもよい。

本発明の実施形態においては、外部接続電極６とパッド電極７は略同一面積で形成されており、第２接合領域Ｚ２のベース長辺方向（図３参照）における寸法は一つの外部接続電極またはパッド電極の前記ベース長辺方向における寸法に対して５０％以下となっている。一方、第１接合領域Ｚ１および第３接合領域Ｚ３のベース長辺方向における寸法は一つの外部接続電極またはパッド電極の前記ベース長辺方向における寸法に対して５０％以上となっている。このような寸法比率で外部接続電極とパッド電極との相対位置関係を設定することによって、より接合信頼性の高い圧電振動デバイスの実装構造を得ることができる。

上記３つの接合領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３は図２に示すように、第２接合領域Ｚ２は、ベースの外底面の中心（図３参照）を基準として第１接合領域Ｚ１よりも内側にあり、かつ第３接合領域Ｚ３よりも外側に位置している。このような位置関係となっていることにより、安定した接合を行なうことができる。これは次の理由による。

第１接合領域Ｚ１と第３接合領域Ｚ３は、第２接合領域Ｚ２に対して両外側に位置しており、この第１接合領域Ｚ１と第３接合領域Ｚ３は露出した基材部分は同一の平面上（同一部材上）に無い。すなわち、第１接合領域Ｚ１では容器２の基材（内底面２１０）が導電性接着剤Ｓで接合され、第３接合領域Ｚ３ではベース外底面４１０の基材が導電性接着剤Ｓで接合されるので、ベースおよび容器のそれぞれにおいて露出した基材部分は同一の平面上に存在しない。つまり第１接合領域Ｚ１と第３接合領域Ｚ３とが、ベース４１と容器２の双方の基材と導電性接着剤で接合される領域を有しているため接合強度を向上させることができる。これは導電性接着剤Ｓの絶縁性材料（具体的に本実施形態ではセラミック）に対する接合性が、金（外部接続電極およびパッド電極の各電極の最上層）に対する接合性よりも良好であることによるものである。

そして導電性接着剤との接合性が絶縁性材料よりも劣る第２接合領域Ｚ２の両外側に、導電性接着剤Ｓとの接合性が良好な第１接合領域Ｚ１および第３接合領域Ｚ３が存在することによって、バランス良く接着補完されるため安定した接合を行なうことができる。第２接合領域Ｚ２については電極同士が対向する領域であるため、良好な導電性を確保することができる。

本実施形態において導電性接着剤Ｓは揺変性を有しているため、所定の塗布位置からの接着剤のはみ出しを抑制することができる。例えば第１接合領域の外側方向へのはみ出しを抑制することにより、近接する電極パターンとの短絡を防止することができる。また第３接合領域の内側方向へのはみ出しを抑制することにより、水晶振動子の外部接続電極間等の短絡を防止することができる。

また本実施形態において導電性接着剤Ｓは揺変性を有しているので、金属材料同士が対向する領域である第２接合領域Ｚ２に介在する接着剤の厚みを、揺変性を有していない接着剤を使用する場合に比べて相対的に厚くすることができる。同様に、第１接合領域Ｚ１および第３接合領域Ｚ３に介在する接着剤の厚みも相対的に厚くすることができる。これにより導電性接着剤のはみ出しを抑制することができるので高密度実装に好適となる。なお第２接合領域Ｚ２において外部接続電極とパッド電極のいずれか一方または両方の表面を粗面化したり、凹部を設けることによって導電性接着剤との接触面積を拡大して、第２接合領域の接着剤との接合力を向上させるようにしてもよい。

以上は水晶振動子の容器に対する実装構造に関する説明であるが、次に本発明の実施形態に係る水晶振動子と容器との接合方法について説明する。

図４は本発明の実施形態に係る水晶振動子の実装前の状態を表す側面図である。水晶振動子４の外部接続電極６は、容器２の内底面２１０に設けられたパッド電極７に対して平面視で一部が重なるような位置関係でベース４１の外底面４１０に形成されている。

まず導電性接着剤Ｓが、パッド電極７の上面の内、前記平面視で一部が重なる領域を含むように一つのパッド電極に対して偏った状態、つまりパッド電極の外縁（７ａ）側に偏った状態となるようにディスペンサを用いて塗布される。このとき、塗布される導電性接着剤は一部がベース４１の外底面４１０の基材と対向するようにパッド電極の内縁（７ｂ）方向にも及んだ状態となっており、水晶振動子４との接合後の状態においてパッド電極の内縁７ｂからはみ出さない塗布量に予め調整されている。しかしながら本発明は、水晶振動子の外部接続電極とパッド電極の接合後の状態において導電性接着剤Ｓがパッド電極の内縁７ｂからパッド電極間の方向へはみ出しがあっても適用可能である。

次に、水晶振動子４を図４に示すように、外部接続電極６の一部がパッド電極７の導電性接着剤が塗布された領域の一部と平面視で重なるように水晶振動子４が位置決め載置される。前記位置決め載置によって水晶振動子の自重が加わるとともに、加重することにより、導電性接着剤Ｓが図２に示す第１接合領域Ｚ１と第３接合領域Ｚ３に及ぶように押し拡げられる。

そして前記位置決め載置後に、所定プロファイルに設定された温度条件下で導電性接着剤が硬化処理される。

本実施形態では水晶振動子の外部接続電極とパッド電極の平面視の面積の大小関係は図３に示すように、外部接続電極６の面積よりもパッド電極７の面積の方が大きくなっている。具体的に平面視長方形状のパッド電極７は、平面視長方形状の外部接続電極６の長辺の長さに対して当該長辺の伸長方向の両外側にはみ出るように長く形成され、外部接続電極６の短辺方向の幅とパッド電極７のの短辺方向の幅とは略同一となっている。しかしながら本発明は図３に示すような外部接続電極とパッド電極の平面視の面積の大小関係に限定されるものではなく、例えば図５に示すようにパッド電極８の長辺の長さが平面視長方形状の外部接続電極６の長辺の長さよりも短く形成され（外部接続電極６の短辺幅とパッド電極８の短辺幅とは略同一）、外部接続電極６の面積よりもパッド電極７の面積の方が小さい構成であってもよい。

本実施形態では圧電振動デバイスとして水晶振動子を例に挙げ、当該水晶振動子を表面実装型モジュールの内部に設けられたパッド電極上に接合する形態について説明したが、本発明は圧電振動デバイス自体を各種機器に用いられる外部基板上に設けられたパッド電極上に接合する形態においても適用可能である。つまり外部接続電極を有する圧電振動子や圧電発振器を、前記外部接続電極と対応したパッド電極を備えた対象物に、導電性接着剤を介して行なう接合に適用可能である。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

圧電振動デバイスの量産に適用できる。

１ 表面実装型モジュール
２ 容器
３ カバー
４ 水晶振動子
４１ ベース
４２ 蓋
５ 集積回路素子
６ 外部接続電極
７、８ パッド電極
４１０ ベース外底面
２０ 凹部
Ｓ 導電性接着剤
Ｚ１ 第１接合領域
Ｚ２ 第２接合領域
Ｚ３ 第３接合領域

Claims (1)

1. 圧電振動デバイスの外部接続電極が、外部基板又は当該圧電振動デバイスを収容する容器に設けられたパッド電極と部分的に対向するように、導電性接着剤を介して導電接合されてなる圧電振動デバイスの実装構造であって、
   前記圧電振動デバイスは絶縁性材料を基材とするベースを有し、当該ベースの外底面には少なくとも一対の外部接続電極が形成され、
   前記外部基板又は容器は絶縁性材料からなるとともに前記外部接続電極と対応したパッド電極を備え、
   前記圧電振動デバイスと、前記外部基板又は前記容器との接合領域が、
   前記外部接続電極と、前記外部基板又は前記容器の基材との間に導電性接着剤が介在する第１接合領域と、
   前記外部接続電極と前記パッド電極とが対向する領域であって、当該領域の外部接続電極とパッド電極との間に導電性接着剤が介在する第２接合領域と、
   前記ベースの外底面の基材とパッド電極との間に導電性接着剤が介在する第３接合領域の３つの接合領域からなり、
   前記第２接合領域が、前記ベースの外底面の中心を基準として前記第１接合領域よりも内側にあり、かつ前記第３接合領域よりも外側にあることを特徴とする圧電振動デバイスの実装構造。

Images