JP3905804B2 - 表面実装用の水晶振動子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装用の水晶振動子（以下、表面実装振動子とする）を産業上の技術分野とし、特に熱衝撃を吸収して熱衝撃特性を良好にした車載用の表面実装水晶振動子に関する。
【０００２】
（発明の背景）表面実装振動子は端子としてのリード線を有しないことから、電磁放射が少なくＥＭＩ対策に適する。このことから、近年では、例えば自動車にエンジン制御装置を含む多くの電子制御装置の発振源として適用される。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図は一従来例を説明する表面実装振動子の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）はカバー３を除く平面図である。
表面実装振動子は、凹状とした容器本体１に水晶片２を収容してカバー３を被せ、水晶片２を密閉封入してなる。容器本体１は積層セラミックからなり、内底面には一対の端子電極４を有する。一対の端子電極４は容器本体１の一端側に設けられて導電路５が延出し、積層面から端面電極５ａを経て両端側の裏面に延出する。そして、一対の実装端子６と電気的に接続する。
【０００４】
一対の実装端子は、第４図に示したように両端側の中央領域に形成されて２端子とする「同図（ａ）」。あるいは両端側の両角部に形成されて４端子とし「同図（ｂ）」、例えば両角部の実装端子６は電気的に共通接続する。水晶片２は両主面に図示しない励振電極を有し、一端部両側に引出電極を延出する。そして、一端部両側が導電性接着剤７によって端子電極４に固着されて電気的・機械的に接続する。
【０００５】
そして、表面実装振動子８は、セット基板９上の回路端子１０に塗布されたクリーム半田１１上に載置され、高熱路を搬送されて実装される（第５図）。セット基板９は一般にガラスエポキシ材からなる。この場合、表面実装振動子８の端面電極５ａに半田１１が這い上がることによって、半田の溶融を確認できるとともに接続強度が高められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（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、制御装置等を構成する前述のセット基板９に搭載され、自動車内に日夜を問わずに放置される。特に、エンジン近傍や直射日光にさらされる場所では寒暖差が激しい。また、移動中には衝撃及び震動をもたらす。
【０００７】
このため、例えばガラスエポキシ材からなるセット基板９との膨張係数が異なって、度重なる応力によって半田にクラック（欠け、ひび等）を生じる。そして、最悪の場合は剥離を引き起こす問題があった。ちなみに、容器本体（アルミナセラミック）の熱膨張率は5.5×10-6／℃、セット基板９のそれは14×10-6／℃であり、両者の差Δαは8.5×10-6／℃となる。なお、半田の膨張率は17.5×10-6／℃である。
【０００８】
そして、半田接合部に生ずる歪みＡは概ね次式（１）で示される。但し、ｍは約表面実装振動子の長さ（実装端子の端子間隔）端子２ｍの半値、ΔＴは熱衝撃（ヒートサイクル）の最大と最小の温度差（例えば-40〜150℃とした場合はΔＴ＝190℃）、ｈは表面実装振動子とセット基板９の距離（概ね半田１１の厚み）である。なお、半田１１の厚みに比較して電極５、１０の厚みは無視できるほど小さい。
【０００９】
要するに、歪みＡは半田の厚みにのみ反比例して減少し、端子間隔２ｍの半値ｍ、膨張係数差Δα、温度差ΔＴに比例して増加する。
Ａ≒（ｍ・Δα・ΔＴ）／ｈ・・・・（１）
【００１０】
これらのことから、例えば第６図に示したように、容器本体１の底面に貫通孔を設けてガラス１２により気密端子とし、水晶片２の両端部と電気的に接続した平板状のリード線１３を導出して折曲して実装端子６とする。これにより、表面実装振動子８とセット基板９の距離ｈを大きくし、またリード線１３のバネ性によって熱衝撃を吸収して半田のクラック発生を防止したものがある。
【００１１】
しかし、この場合には、気密端子とするために構成が複雑でコストアップになる。さらに、気密端子としてガラス１２を使用するので、落下等の衝撃によってガラス１２の破損等及びこれによる気密漏れの問題もあった。
【００１２】
（発明の目的）本発明は衝撃特に熱衝撃を吸収して熱衝撃性を向上した簡易構成の表面実装振動子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、容器本体の裏面に設けた実装端子上に平板状とした半田よりも柔軟な例えば銅や銅の合金とした金属板を設けた構成とする。これにより、特に熱衝撃によって半田に生ずる応力を銅や銅の合金とした金属板の柔軟性によって吸収し、言わば衝撃吸収板として機能してクラックの発生を防止する。以下、本発明の各実施例を説明する。
【００１４】
【第１実施例、請求項１、２及び３】
第１図は本発明の第１実施例を説明する表面実装振動子の断面図である。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、前述したように容器本体１に水晶片２を収容してカバー３を被せ、水晶片２を密閉封入してなる。ここでは、実装端子６は容器本体１の底面両端側の中央領域として２端子とする。そして、実装端子６上に銅板１４を銀ロウによって接合（ロウ付け）する。銅板１４の表面にはＮｉや金等の防錆材がメッキされる。
【００１５】
このような構成であれば、銅板１４の熱膨張率は約17.0×10-6／℃であり、半田１１の17.5×10-6／℃と概ね等しい。したがって、銅板１４と半田１１とは熱衝撃に対して一体的に伸縮する。そして、銅板１４は半田１１に比較して柔軟性に富み伸縮自在である。一方、硬化後の半田は脆性材である。
【００１６】
これらにより、容器本体１とセット基板９との熱膨張差によって、両者間に介在した半田１１と銅１４とに応力が発生すると、銅板１４が先ず機械変形して応力を吸収する。したがって、半田１１にクラックが発生することを防止する。銅板１４は言わば熱衝撃吸収板として機能する。但し、銅板１４で吸収する機械変形以上の応力が加わると、脆性材の半田１１にクラックが生ずる。
【００１７】
また、銅板１４を介在させることによって、前述した（１）式の表面実装振動子とセット基板９との距離ｈを大きくするので、両者間に介在した特に半田１１に対する歪みの発生を抑制できる。第２図は銅板１４の厚み（横軸）を変化させたときの半田１１に生ずる歪み量（縦軸）である。
【００１８】
但し、ここでの歪み量は、従来の半田のみとした歪み量を１００としたときの相対的な最大歪（％）で、ＦＥＭによるシミュレーション結果である。また、２ｍ＝８ｍｍ（表面実装振動子の長さ、実装端子間隔）、銅板の大きさは1.5×0.7ｍｍである。
【００１９】
この図（曲線）から明らかなように、銅板の厚みが0.2ｍｍを超えて約0.3ｍｍになると、従来の歪み量の約40％になり、約0.5ｍｍで30％になり、それ以降は概ね飽和する。なお、銅板１４の面積をこれより小さくすると（1.1×0.3ｍｍ）、厚み0.3ｍｍで60％となるものの概ね同様の結果となった。なお、半田１１の厚みは概ね50〜80μｍであり、銅板１４の厚みが支配的になる。
【００２０】
これらの場合、端子間隔２ｍの半値ｍを４ｍｍにして距離ｈを0.2ｍｍ以上にすると効果を示し始めるので、半値ｍと距離ｈとの比ｍ／ｈを約20以下にすれば効果が期待できる。そして、実用的な効果は距離ｈを0.3ｍｍ以上にすればよいので、この場合は半値ｍと距離ｈとの比ｍ／ｈを約１３以下にすればよい。そして、銅板１４の厚みを大きくすると高さ寸法も大きくなるので、現実的には銅板１４の厚みは１ｍｍ（ｍ／ｈが４）以内として、4＜ｍ／ｈ＜13又は20とすればよい。
【００２１】
また、銅板１４に代えて銅球にすると半田のみの場合よりもいい結果を得るが、銅球の先端に応力が集中して半田にクラックを生ずる。これに対して、銅板１４の場合は平板なので応力が均一になり、銅球よりも最大歪みが小さくなる。
【００２２】
【他の事項】
上記実施例では２端子とした例を示したが、４角部に実装端子６を設けた場合でも適用できる。また、表面実装振動子として説明したが、例えば多重モードを利用したフィルタ素子や、ＩＣ等を組み込んで一体化した発振器等の表面実装用の水晶デバイスに適用できる。ただし、これらの場合は、実装端子の種類は異なり、例えば発振器の場合は出力、電源、アース等の端子となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、容器本体の裏面に設けた実装端子上に平板状とした半田よりも柔軟な例えば銅や銅の合金とした金属板を設けたので、衝撃特に熱衝撃を吸収して熱衝撃性を向上した簡易構成の表面実装振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の断面図である。
【図２】本発明の一実施例の作用を説明する従来例と比較した厚みをパラメータとした最大歪みの相対値である。
【図３】従来例を説明する表面実装振動子の断面図である。
【図４】従来例を説明する表面実装振動子の底面図である。
【図５】従来例の問題点を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の側面図である。
【図６】他の従来例を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の側面図である。
【符号の説明】
１ 容器本体、２ 水晶片、３ カバー、４ 端子電極、５ 導電路、６ 実装端子、７ 導電性接着剤、８ 表面実装振動子、９ セット基板、１０ 回路端子、１１ 半田、１２ ガラス、１３ リード線、１４ 銅板．
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装用の水晶振動子（以下、表面実装振動子とする）を産業上の技術分野とし、特に熱衝撃を吸収して熱衝撃特性を良好にした車載用の表面実装水晶振動子に関する。
【０００２】
（発明の背景）表面実装振動子は端子としてのリード線を有しないことから、電磁放射が少なくＥＭＩ対策に適する。このことから、近年では、例えば自動車にエンジン制御装置を含む多くの電子制御装置の発振源として適用される。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図は一従来例を説明する表面実装振動子の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）はカバー３を除く平面図である。
表面実装振動子は、凹状とした容器本体１に水晶片２を収容してカバー３を被せ、水晶片２を密閉封入してなる。容器本体１は積層セラミックからなり、内底面には一対の端子電極４を有する。一対の端子電極４は容器本体１の一端側に設けられて導電路５が延出し、積層面から端面電極５ａを経て両端側の裏面に延出する。そして、一対の実装端子６と電気的に接続する。
【０００４】
一対の実装端子は、第４図に示したように両端側の中央領域に形成されて２端子とする「同図（ａ）」。あるいは両端側の両角部に形成されて４端子とし「同図（ｂ）」、例えば両角部の実装端子６は電気的に共通接続する。水晶片２は両主面に図示しない励振電極を有し、一端部両側に引出電極を延出する。そして、一端部両側が導電性接着剤７によって端子電極４に固着されて電気的・機械的に接続する。
【０００５】
そして、表面実装振動子８は、セット基板９上の回路端子１０に塗布されたクリーム半田１１上に載置され、高熱路を搬送されて実装される（第５図）。セット基板９は一般にガラスエポキシ材からなる。この場合、表面実装振動子８の端面電極５ａに半田１１が這い上がることによって、半田の溶融を確認できるとともに接続強度が高められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
（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、制御装置等を構成する前述のセット基板９に搭載され、自動車内に日夜を問わずに放置される。特に、エンジン近傍や直射日光にさらされる場所では寒暖差が激しい。また、移動中には衝撃及び震動をもたらす。
【０００７】
このため、例えばガラスエポキシ材からなるセット基板９との膨張係数が異なって、度重なる応力によって半田にクラック（欠け、ひび等）を生じる。そして、最悪の場合は剥離を引き起こす問題があった。ちなみに、容器本体（アルミナセラミック）の熱膨張率は5.5×10-6／℃、セット基板９のそれは14×10-6／℃であり、両者の差Δαは8.5×10-6／℃となる。なお、半田の膨張率は17.5×10-6／℃である。
【０００８】
そして、半田接合部に生ずる歪みＡは概ね次式（１）で示される。但し、ｍは約表面実装振動子の長さ（実装端子の端子間隔）端子２ｍの半値、ΔＴは熱衝撃（ヒートサイクル）の最大と最小の温度差（例えば-40〜150℃とした場合はΔＴ＝190℃）、ｈは表面実装振動子とセット基板９の距離（概ね半田１１の厚み）である。なお、半田１１の厚みに比較して電極５、１０の厚みは無視できるほど小さい。
【０００９】
要するに、歪みＡは半田の厚みにのみ反比例して減少し、端子間隔２ｍの半値ｍ、膨張係数差Δα、温度差ΔＴに比例して増加する。
Ａ≒（ｍ・Δα・ΔＴ）／ｈ・・・・（１）
【００１０】
これらのことから、例えば第６図に示したように、容器本体１の底面に貫通孔を設けてガラス１２により気密端子とし、水晶片２の両端部と電気的に接続した平板状のリード線１３を導出して折曲して実装端子６とする。これにより、表面実装振動子８とセット基板９の距離ｈを大きくし、またリード線１３のバネ性によって熱衝撃を吸収して半田のクラック発生を防止したものがある。
【００１１】
しかし、この場合には、気密端子とするために構成が複雑でコストアップになる。さらに、気密端子としてガラス１２を使用するので、落下等の衝撃によってガラス１２の破損等及びこれによる気密漏れの問題もあった。
【００１２】
（発明の目的）本発明は衝撃特に熱衝撃を吸収して熱衝撃性を向上した簡易構成の表面実装振動子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、容器本体の裏面に設けた実装端子上に平板状とした半田よりも柔軟な例えば銅や銅の合金とした金属板を設けた構成とする。これにより、特に熱衝撃によって半田に生ずる応力を銅や銅の合金とした金属板の柔軟性によって吸収し、言わば衝撃吸収板として機能してクラックの発生を防止する。以下、本発明の各実施例を説明する。
【００１４】
【第１実施例、請求項１、２及び３】
第１図は本発明の第１実施例を説明する表面実装振動子の断面図である。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、前述したように容器本体１に水晶片２を収容してカバー３を被せ、水晶片２を密閉封入してなる。ここでは、実装端子６は容器本体１の底面両端側の中央領域として２端子とする。そして、実装端子６上に銅板１４を銀ロウによって接合（ロウ付け）する。銅板１４の表面にはＮｉや金等の防錆材がメッキされる。
【００１５】
このような構成であれば、銅板１４の熱膨張率は約17.0×10-6／℃であり、半田１１の17.5×10-6／℃と概ね等しい。したがって、銅板１４と半田１１とは熱衝撃に対して一体的に伸縮する。そして、銅板１４は半田１１に比較して柔軟性に富み伸縮自在である。一方、硬化後の半田は脆性材である。
【００１６】
これらにより、容器本体１とセット基板９との熱膨張差によって、両者間に介在した半田１１と銅１４とに応力が発生すると、銅板１４が先ず機械変形して応力を吸収する。したがって、半田１１にクラックが発生することを防止する。銅板１４は言わば熱衝撃吸収板として機能する。但し、銅板１４で吸収する機械変形以上の応力が加わると、脆性材の半田１１にクラックが生ずる。
【００１７】
また、銅板１４を介在させることによって、前述した（１）式の表面実装振動子とセット基板９との距離ｈを大きくするので、両者間に介在した特に半田１１に対する歪みの発生を抑制できる。第２図は銅板１４の厚み（横軸）を変化させたときの半田１１に生ずる歪み量（縦軸）である。
【００１８】
但し、ここでの歪み量は、従来の半田のみとした歪み量を１００としたときの相対的な最大歪（％）で、ＦＥＭによるシミュレーション結果である。また、２ｍ＝８ｍｍ（表面実装振動子の長さ、実装端子間隔）、銅板の大きさは1.5×0.7ｍｍである。
【００１９】
この図（曲線）から明らかなように、銅板の厚みが0.2ｍｍを超えて約0.3ｍｍになると、従来の歪み量の約40％になり、約0.5ｍｍで30％になり、それ以降は概ね飽和する。なお、銅板１４の面積をこれより小さくすると（1.1×0.3ｍｍ）、厚み0.3ｍｍで60％となるものの概ね同様の結果となった。なお、半田１１の厚みは概ね50〜80μｍであり、銅板１４の厚みが支配的になる。
【００２０】
これらの場合、端子間隔２ｍの半値ｍを４ｍｍにして距離ｈを0.2ｍｍ以上にすると効果を示し始めるので、半値ｍと距離ｈとの比ｍ／ｈを約20以下にすれば効果が期待できる。そして、実用的な効果は距離ｈを0.3ｍｍ以上にすればよいので、この場合は半値ｍと距離ｈとの比ｍ／ｈを約１３以下にすればよい。そして、銅板１４の厚みを大きくすると高さ寸法も大きくなるので、現実的には銅板１４の厚みは１ｍｍ（ｍ／ｈが４）以内として、4＜ｍ／ｈ＜13又は20とすればよい。
【００２１】
また、銅板１４に代えて銅球にすると半田のみの場合よりもいい結果を得るが、銅球の先端に応力が集中して半田にクラックを生ずる。これに対して、銅板１４の場合は平板なので応力が均一になり、銅球よりも最大歪みが小さくなる。
【００２２】
【他の事項】
上記実施例では２端子とした例を示したが、４角部に実装端子６を設けた場合でも適用できる。また、表面実装振動子として説明したが、例えば多重モードを利用したフィルタ素子や、ＩＣ等を組み込んで一体化した発振器等の表面実装用の水晶デバイスに適用できる。ただし、これらの場合は、実装端子の種類は異なり、例えば発振器の場合は出力、電源、アース等の端子となる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、容器本体の裏面に設けた実装端子上に平板状とした半田よりも柔軟な例えば銅や銅の合金とした金属板を設けたので、衝撃特に熱衝撃を吸収して熱衝撃性を向上した簡易構成の表面実装振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の断面図である。
【図２】本発明の一実施例の作用を説明する従来例と比較した厚みをパラメータとした最大歪みの相対値である。
【図３】従来例を説明する表面実装振動子の断面図である。
【図４】従来例を説明する表面実装振動子の底面図である。
【図５】従来例の問題点を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の側面図である。
【図６】他の従来例を説明するセット基板上に搭載した表面実装振動子の側面図である。
【符号の説明】
１ 容器本体、２ 水晶片、３ カバー、４ 端子電極、５ 導電路、６ 実装端子、７ 導電性接着剤、８ 表面実装振動子、９ セット基板、１０ 回路端子、１１ 半田、１２ ガラス、１３ リード線、１４ 銅板．
Claims (2)
- 実装端子を底面に有する矩形状とした容器本体内に内底面の端子電極と電気的・機械的に接続した水晶片を収容してカバーを被せ、前記水晶片を密閉封入してなる表面実装用の水晶振動子において、前記実装端子上に平板状とした半田よりも柔軟な銅又は銅の合金とした金属板を設けたことを特徴とする水晶振動子。
- 前記銅又は銅の合金の表面には錆を防止する防錆膜が形成された請求項１の水晶振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002232090A JP3905804B2 (ja) | 2002-08-08 | 2002-08-08 | 表面実装用の水晶振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002232090A JP3905804B2 (ja) | 2002-08-08 | 2002-08-08 | 表面実装用の水晶振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004072637A JP2004072637A (ja) | 2004-03-04 |
| JP3905804B2 true JP3905804B2 (ja) | 2007-04-18 |
Family
ID=32017650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2005260600A (ja) * | 2004-03-11 | 2005-09-22 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 表面実装用の水晶振動子 |
| JP5778435B2 (ja) * | 2011-02-09 | 2015-09-16 | 日本電波工業株式会社 | 表面実装用の圧電デバイス |
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2002
- 2002-08-08 JP JP2002232090A patent/JP3905804B2/ja not_active Expired - Fee Related
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