JP2017195560A - 発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト且つ容易に半田の厚みを十分確保して、耐ヒートサイクル性能を向上させることができる発振器を提供する。【解決手段】ガラスエポキシ基板１上にフットパターン４が形成され、ガラスエポキシ基板１上のフットパターン４が形成されていない領域に小型部品３が複数搭載され、小型部品３の上に大型部品２が搭載され、小型部品３によって大型部品２が持ち上げられてガラスエポキシ基板１と大型部品２との間に隙間が形成されて、当該隙間に半田５が充填されて、ガラスエポキシ基板１のフットパターン４と大型部品２の端子電極とが接続された発振器としている。【選択図】図１

Description

本発明は、発振器に係り、特に低コスト且つ容易に半田の厚みを確保して、耐ヒートサイクル性能を向上させることができる発振器に関する。

［先行技術の説明］
従来、アルミナ等のセラミックをパッケージの主材料とする大型の電子部品（例えば、水晶振動子）をガラスエポキシ樹脂から成る回路基板に半田で搭載した発振器がある。
このような発振器では、セラミック等を使用した電子部品と、ガラスエポキシ樹脂の回路基板との熱膨張係数の差から、ヒートサイクルが生じる使用環境において、実装半田に応力が加わってクラックが生じ、接続不良が発生することがある。

特に、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）では、電源のオン／オフが繰り返される環境で用いられると、オン／オフの度に周囲温度から恒温槽制御温度（例えば８５℃）までの温度変化が加わるため、半田にクラックが生じやすい。

一方、回路基板と電子部品との間の半田の厚みを厚くすると、熱ストレスを緩和して耐ヒートサイクル性能が向上することが知られている。
従来、半田ペーストに金属片（金属球）を入れて半田の厚みを確保したり、部品に突起を設けて、基板と部品との間の隙間を大きくする技術があった。

［関連技術］
半田の厚みを確保して耐ヒートサイクル性能の向上を図る技術として、特開２００７−９７２１２号公報「水晶発振器」（京セラ株式会社、特許文献１）、特開２００８−２７７６６０号公報「ＬＧＡ半導体実装構造」（力成科技股▲分▼有限公司、特許文献２）、特許第５７７７３５０号公報「発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）がある。

特許文献１には、多層基板の下面に電子部品素子を搭載した水晶発振器において、端子電極上にその高さが電子部品素子よりも高い導電体を接合することが記載されている。
特許文献２には、基板の下表面に配置された半田接合層よりも厚みが厚いフートスタンドを基板の下方に設置したＬＧＡ半導体実装構造が記載されている。

また、特許文献３には、発振器において、回路部品の端子電極に接続する基板の電極パターンの上に、突起部を形成して、回路部品の端子電極と基板の電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成することが記載されている。

特開２００７−９７２１２号公報 特開２００８−２７７６６０号公報 特許第５７７７３５０号公報

しかしながら、従来の半田ペーストに金属片を入れる方法や、部品に突起を設ける方法では、専用の部材（半田ペースト、部品）を用意しなければならず、汎用性がないためコストが高くなってしまうという問題点があった。
同様に、特許文献１及び特許文献２でもコストが高いという問題点があった。

また、特許文献３では、基板の電極パターン上にメッキ層から成る突起部を形成しており、特殊な基板となるためコストが高くなり、更に、突起部は２０μｍ程度の高さにしかならず、十分な高さの突起部を形成するものではない。

尚、特許文献１〜３には、半田の厚みを確保するために、基板上に小型部品を搭載し、当該小型部品で大型部品を持ち上げて基板と大型部品との間に隙間を形成することは記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、汎用性の高い部材を使用して、低コスト且つ容易に半田の厚みを十分確保して、耐ヒートサイクル性能を向上させることができる発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、エポキシ樹脂の基板と、基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、基板上に形成され、回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、基板上に搭載され、回路部品を持ち上げて、回路部品の端子電極と電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する、回路部品よりも小さい小型部品と、電極パターン上に塗布され、電極パターンと端子電極との間の空間に充填されて、電極パターンと端子電極とを接続する半田とを有することを特徴としている。

また、本発明は、上記発振器において、小型部品が、基板上の電極パターンが形成されていない領域に搭載されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記発振器において、小型部品が、電極パターンの上に搭載されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記発振器において、小型部品をダミー部品としたことを特徴としている。

また、本発明は、エポキシ樹脂の基板と、基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、基板上に形成され、回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、基板上に搭載され、回路部品を持ち上げて、回路部品の端子電極と電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する金属片と、電極パターン上に塗布され、電極パターンと端子電極との間の空間に充填されて、電極パターンと端子電極とを接続する半田とを有することを特徴としている。

本発明によれば、エポキシ樹脂の基板と、基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、基板上に形成され、回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、基板上に搭載され、回路部品を持ち上げて、回路部品の端子電極と電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する、回路部品よりも小さい小型部品と、電極パターン上に塗布され、電極パターンと端子電極との間の空間に充填されて、電極パターンと端子電極とを接続する半田とを有する発振器としているので、簡易な工法と汎用性の高い安価な部品とを用いて、端子電極と電極パターンとの間に十分な高さの空間を形成し、低コストで容易に半田を十分厚く形成して熱ストレスを緩和でき、耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、小型部品をダミー部品とした上記発振器としているので、発振器の特性に影響を与えることなく、小型部品の配置の自由度を増大させることができる効果がある。

また、本発明によれば、エポキシ樹脂の基板と、基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、基板上に形成され、回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、基板上に搭載され、回路部品を持ち上げて、回路部品の端子電極と電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する金属片と、電極パターン上に塗布され、電極パターンと端子電極との間の空間に充填されて、電極パターンと端子電極とを接続する半田とを有する発振器としているので、小型部品を用いる場合よりも更に低コストで耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る発振器は、ガラスエポキシ基板上に電極パターン（フットパターン）が形成され、フットパターンが形成されていない領域に小型部品が複数搭載され、小型部品の上に大型部品が搭載され、小型部品によって大型部品が持ち上げられてフットパターンと大型部品との間に隙間が形成されて、当該隙間に半田が充填されて、ガラスエポキシ基板のフットパターンと大型部品の端子電極とが半田によって接続されたものであり、安価で汎用性の高い小型部品を用いて、基板と大型部品との間に十分な高さの隙間を形成して、充填される半田の厚みを十分厚く形成でき、低コスト且つ容易に耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

また、本発明の実施の形態に係る発振器は、小型部品の代わりに金属片が搭載され、その上に大型部品が搭載されて、大型部品が金属片によって持ち上げられて形成された隙間に半田が充填されて接続されたものであり、ガラスエポキシ基板と大型部品との間に十分な高さの隙間を形成して、半田の厚みを十分厚く形成でき、更にコストを低減し、容易に耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る発振器について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る発振器（第１の発振器）は、ガラスエポキシ基板（基板）１の上に、水晶振動子等の大型部品２の端子電極と接続するフットパターン４が４つ（４端子）形成され、フットパターン４が形成されていない部分に、小型部品３が４つ搭載されている。
尚、フットパターン４は、請求項に記載した電極パターンに相当し、大型部品２は、回路部品に相当している。

そして、アルミナ等のセラミックパッケージを備えた大型部品２が、小型部品３の上に搭載されて、小型部品３によって基板１から持ち上げられた状態で保持され、大型部品２の底面の端子電極と、基板１のフットパターン４との間に隙間が形成され、当該隙間に半田５が充填されて、端子電極とフットパターン４とが半田５によって接続固定されている。

小型部品３の数や搭載位置は、図１（ａ）の例に限らないが、上に搭載される大型部品２が水平に、且つ安定して搭載できる数及び位置とする。
また、図１（ａ）では、小型部品３を横長となる向きに搭載しているが、これに限るものではない。
尚、小型部品３の搭載位置には、小型部品３を半田付けするための金属パターン（図示省略）が形成されており、小型部品３は、各金属パターンの上に半田付けされている。小型部品３用の金属パターンは、大型部品２用のフットパターン４と同一の工程で形成されるものであり、簡易な工程で小型部品３を搭載することができるものである。
また、図１（ａ）では、わかりやすいように半田を省略している。

小型部品３としては、例えば、０４０２サイズチップ抵抗器、０６０３サイズチップ抵抗器等の汎用部品を用いることができる。
図１では、小型部品３として、例えば0.4×0.2×0.1mmの大きさの抵抗器を用い、大型部品２として例えば、5.0×3.2×1.0mmの水晶振動子を用いた例を示している。

小型部品３の種類は、小型で安価な汎用部品であれば任意に選択でき、発振器の形状や大きさに応じて、小型部品３を適宜選択することが可能である。
例えば、０４０２サイズチップ抵抗器の厚さは約0.13mm、０６０３サイズチップ抵抗器の厚さは約0.23mmである。
小型部品３は、レイアウト（取り付け位置）の自由度を大きくするため、回路を構成する部品ではなく、発振器の性能に影響を与えないダミー部品とすることが望ましい。

そして、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、小型部品３を配置したことによって、基板１上のフットパターン４と大型部品２との間に少なくとも小型部品３の高さ分の隙間が形成され、この隙間に半田５が浸入して、十分な厚さに形成されるものである。
これにより、ヒートサイクルが生じる使用環境下においても、半田にかかる応力を緩和してクラックを生じにくくして、耐ヒートサイクル性能を向上させることができるものである。

特に、第１の発振器では、特許文献３のように、金属膜を形成し、パターニングして突起部を形成するのに比べて、汎用性の高い簡易な工法で小型部品３を搭載するだけでよく、特殊なプロセスや材料を不要とし、容易に基板１と大型部品２との間に隙間を形成でき、また、汎用部品を用いるため安価であり、コストを低減させることができるものである。

更に、特許文献３の金属パターンでは、大型部品２と基板１のフットパターン４との間の隙間の高さは約２０μｍ程度であったが、第１の発振器は約０．１mm（１００μｍ）と大幅に高さを増大させることができ、半田の厚さを厚くして、耐ヒートサイクル性能及び信頼性を向上させることができるものである。

［第２の実施の形態：図２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る発振器について図２を用いて説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
図２に示すように、第２の実施の形態に係る発振器（第２の発振器）は、基板１上のフットパターン４の形状が第１の発振器よりも大きく、２つ（２端子）形成されているものである。第１の発振器に比べて、大型部品２と基板１とを接続する半田付け面積が広くなる。

第２の発振器では、小型部品３をフットパターン４の上に配置している。
具体的には、フットパターン４の上に小型部品搭載用の絶縁層を２つずつ形成し、各絶縁層の上に小型部品３を半田付けするための金属パターンを形成し、当該各金属パターンの上に小型部品３を半田によって搭載している。
このように形成することにより、フットパターン４の上であっても、小型部品３を搭載できるものである。

第２の発振器も第１の発振器と同様に、小型部品３の上に大型部品２を搭載することにより、基板１のフットパターン４と大型部品２との間の隙間を確保し、半田５の厚みを十分厚く形成して熱ストレスを緩和し、耐ヒートサイクル性能を向上させることができるものである。

［第３の実施の形態：図３］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る発振器について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態に係る発振器の構造を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
図３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る発振器（第３の発振器）は、第１の発振器において小型部品３の代わりに金属片６を用いて大型部品２を持ち上げる構成としている。

具体的には、第３の発振器では、基板１上の、フットパターン４が設けられていない領域（ここでは基板１の中央部）に、金属片６を半田付けするための金属パターン４１が形成され、当該金属パターン４１の上にクリーム半田を搭載し、その上に金属片６を搭載し、リフローを行って形成している。

金属片６は、黄銅等の金属から成る板状の小片であり、フットパターン４及び大型部品２の端子電極に接触しない程度の大きさに形成されている。図３の例では、2.0×1.6×0.1mmの寸法としており、第１，第２の発振器で用いられている小型部品３と同程度の厚みとしている。
また、金属片６として、アルミナ板に半田が付着するようにメッキ処理した板を用いてもよい。

金属片６は、既存の電子部品と違い、厚みを自由に決められるので、個々の発振器に応じて最適な厚さとすることができるものである。
更に、金属片６は、小型部品３に比べて一層安価であり、低コストで耐ヒートサイクル性能を向上させることができるものである。
金属片６の形状は、四角形に限るものではなく、円形、楕円形や他の形状でも構わない。また、複数個設けてもよい。

［実施の形態の効果］
本発明の第１の実施の形態に係る発振器によれば、ガラスエポキシ基板１上に電極パターン（フットパターン）４が形成され、フットパターン４が形成されていない領域に小型部品３が複数搭載され、小型部品３の上に大型部品２が搭載され、小型部品３によって大型部品２が持ち上げられてガラスエポキシ基板１と大型部品２との間に隙間が形成されて、当該隙間に半田５が充填されて、ガラスエポキシ基板１のフットパターン４と大型部品２の端子電極とが接続された発振器としているので、安価で汎用性の高い小型部品を用いて、基板と大型部品との間に十分な高さの隙間を形成して、充填される半田の厚みを十分厚く形成でき、低コスト且つ簡易な工程で容易に耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

本発明の第２の実施の形態に係る発振器によれば、ガラスエポキシ基板１上にフットパターン４が形成され、フットパターン４の上に絶縁層が形成され、絶縁層の上に小型部品３が搭載され、小型部品３の上に大型部品２が搭載され、小型部品３によって大型部品２が持ち上げられてガラスエポキシ基板１のフットパターン４と大型部品２との間に隙間が形成されて、当該隙間に半田５が充填されて、ガラスエポキシ基板１のフットパターン４と大型部品２の端子電極とが接続された発振器としているので、フットパターン４が大きく形成されている場合でも、小型部品３を搭載して、充填される半田の厚みを十分厚く形成でき、低コスト且つ容易に耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

本発明の第３の実施の形態に係る発振器によれば、ガラスエポキシ基板１上にフットパターン４が形成され、フットパターン４が形成されていない領域に金属片６が搭載され、金属片６の上に大型部品２が搭載され、金属片６によって大型部品２が持ち上げられてガラスエポキシ基板１と大型部品２との間に隙間が形成されて、当該隙間に半田５が充填されて、ガラスエポキシ基板１のフットパターン４と大型部品２の端子電極とが接続された発振器としているので、一層コストを低減して、容易に耐ヒートサイクル性能を向上させることができる効果がある。

また、第１〜第３の発振器では、基板側の構造が特徴となっているため、大型部品自体は従来と同じものでよく、大型部品の設計やプロセスの変更は不要であり、多様な大型部品に適用できる効果がある。

尚、ここでは、第１の発振器及び第２の発振器において、小型部品３として同一種類の部品を用いているが、高さが同一であれば、異なる種類の部品を組み合わせて用いてもよい。
更に、第１、第２の発振器によれば、小型部品３の搭載場所を、フットパターン４の形成されていない領域又はフットパターン４上としているので、基板１上の任意の位置に搭載でき、目的とする製品の電極の形状やレイアウトに応じて適宜選択することが可能である。
更にまた、第１〜第３の発振器において、小型部品３や金属片６の数量は、制限されるものではなく、大型部品２が基板１に対して平行に取り付けられる数であれば何個でも良い。

本発明は、低コスト且つ容易に半田の厚みを確保して、耐ヒートサイクル性能を向上させることができる発振器に適している。

１...ガラスエポキシ基板（基板）、 ２...大型部品、 ３...小型部品、 ４...フットパターン、 ５...半田、 ６...金属片、 ４１...金属パターン

Claims (5)

1. エポキシ樹脂の基板と、前記基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、
   前記基板上に形成され、前記回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、
   前記基板上に搭載され、前記回路部品を持ち上げて、前記回路部品の端子電極と前記電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する、前記回路部品よりも小さい小型部品と、
   前記電極パターン上に塗布され、前記電極パターンと前記端子電極との間の空間に充填されて、前記電極パターンと前記端子電極とを接続する半田とを有することを特徴とする発振器。
2. 小型部品が、基板上の電極パターンが形成されていない領域に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の発振器。
3. 小型部品が、電極パターンの上に搭載されていることを特徴とする請求項１記載の発振器。
4. 小型部品をダミー部品としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の発振器。
5. エポキシ樹脂の基板と、前記基板上に搭載される回路部品とを備える発振器であって、
   前記基板上に形成され、前記回路部品の端子電極に半田により接続する電極パターンと、
   前記基板上に搭載され、前記回路部品を持ち上げて、前記回路部品の端子電極と前記電極パターンとの間に半田を充填するための空間を形成する金属片と、
   前記電極パターン上に塗布され、前記電極パターンと前記端子電極との間の空間に充填されて、前記電極パターンと前記端子電極とを接続する半田とを有することを特徴とする発振器。

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