JP4661050B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は表面実装用の圧電発振器のパッケージ構造の改良に関し、特に圧電振動子と、ＩＣ部品を搭載した実装基板を二階建て構造に積層して電極同士を鉛フリー半田にて接合した圧電発振器において発生し易い不具合を解消するための技術に関する。

携帯電話機等の移動体通信機器の普及に伴う低価格化、及び小型化の急速な進展により、これらの通信機器に使用される水晶発振器等の圧電発振器に対しても、低価格化、小型化、及び薄型化の要請が高まっている。
このような要請に対応するために、図４に示した如き表面実装型圧電発振器が提案されている。この圧電発振器１００は、底部に表面実装用の外部電極１０４を備えると共に、上面に凹所１０２を備えた矩形の実装基板１０１と、実装基板１０１の外枠上面に形成した接合電極１０５と半田１１５によって接合される接合電極１１１を下面に備えた圧電振動子１１０とを２階建て構造で接合一体化するとともに、実装基板１０１の凹所１０２内底面の内部電極上にＩＣ部品１０３を搭載した構成を備えている。ＩＣ部品１０３は、発振回路及び温度補償回路をチップ部品化したものである。
圧電振動子１１０は、上面に凹所を備えたセラミック容器１１２の凹所１１３内に図示しない圧電振動素子１１４を収容すると共に、該凹所１１３を金属蓋１１５にて気密封止した構成を備えている。
ところで、最近では、環境問題への対応等の社会的要請から有害物質である鉛を含んだ従来の共晶半田（錫−鉛半田）に代えて、鉛を含まない鉛フリー半田（錫−銀−銅系、錫−銅系、錫−亜鉛系等）が多用されるに到っている。このため、上記の如き圧電発振器を構成する実装基板１０１と圧電振動子１１０の各接合電極１０５、１１１間の接合にも鉛フリー半田１１５が使用されている。
一方、鉛フリー半田を用いて接続される各接合電極１０５と１１１は、夫々実装基板１０１とセラミック容器１１２上に、例えば、タングステン、銅等のメタライズ下地層、ニッケルメッキ層等の中間層、表面の金メッキ層を順次積層した構成を備えている。
金メッキ層の厚みは、０．５〜０．８μｍ程度である。なお、各接合電極１０５、１１１を実装基板１０１やセラミック容器１１２に形成する際には、実装基板１０１底部の外部電極１０４や、セラミック容器内の内部電極等を同時に同一の手順にて製造するため、各電極は同一の積層構造となる。
半田接合に際しては、例えば実装基板１０１の接合電極１０５面に塗布した適量のクリーム半田上に、圧電振動子１１０の接合電極１１１が載置されるように圧電振動子と実装基板を位置決めした状態で、リフロー炉内において加熱してから冷却硬化させる手順が実施される。
ところで、表層に金メッキ層を備えた電極間を錫−鉛半田により接合した場合に、金メッキ層が半田中に固溶して消失することによって、半田接合部分にクラックや接合不良が生じる所謂「半田食われ現象」が発生することが知られている（特許第３３７７８５０号）。この現象は、金が固溶することによって半田層の一部が金を多く含んだ脆性の低い合金に変質することによって発生すると考えられる。
特許第３３７７８５０号においては、このような不具合を解消するために、電極表面の金メッキ層を溶融除去してから半田メッキ層を形成することにより、リフロー時に金が半田中の錫と固溶して食われを起こすことがなく、半田メッキ層と半田とが拡散し合って強固且つ確実に接合されるようにしている。

しかし、この従来例は明らかに工程数が増大し、複雑化するため、生産性の低下、コストアップを招く虞が強い。
なお、このような「半田食われ現象」と類似した現象は、鉛フリー半田においても同様に発生することが確認されている。
即ち、図５（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は図４に示した圧電発振器において接合電極間を鉛フリー半田によって接合する場合に接合不良が発生する状態を示す拡大図、時間−リフロー温度プロファイルを示す図、及び半田中における金濃度と融点との関係を示す図である。
まず、図５（ａ）（１）では、実装基板１０１上の接合電極１０５上に鉛フリーのクリーム半田１１５を印刷してから、接合電極１０５上に接合電極１１１が適切に位置決めされるようにクリーム半田１１５をサイドイッチ状に挟んだ状態で圧電振動子１１０を載置する。この状態でリフロー炉内での加熱を開始した場合には、（ｂ）（１）に示すようにクリーム半田の融点に達していない段階では図示の状態が維持される。
次に、図５（ａ）（２）は溶融状態を示しており、リフロー炉内での加熱によって、（ｂ）（２）のように融点に達した場合に、クリーム半田１１５が振動子側の接合電極１１１の全面に展開するが、この際に接合電極１０５、１１１の表層を構成する金メッキ層が半田内に拡散を開始し、（ｃ）に示すように半田１１５側の金濃度増加、相対的な半田量の低下により融点が上昇する。融点の上昇によって金を含んだ半田は完全に溶融できない状態となる。
次いで、図５（ａ）（３）は温度降下時の状態を示しており、界面に金−錫合金が析出して濡れ性が低下し、更に毛細管現象により半田が丸まろうとするため半田の引き込みが行われる。そして、加熱時に半田全体が完全に溶融されてないため、冷却時にフラックスガスが抜けきらずにボイドが形成される。即ち、半田が融点にまで昇温して完全に溶融する場合には十分な凝集が行われるためフラックスガスが排出された状態となるが、半田が完全に溶融できない場合には半田の凝集が不十分となるためフラックスガスが残留し、そのまま硬化してしまう。また、同様に溶融が不十分であると、半田が丸まろうとするため接合電極面に展開することができない。

つまり、接合電極１０５、１１１間を半田によって接合する場合には接合電極表面に金メッキ層を形成する必要はないが、実装基板１０１の外部電極１０４や、セラミック容器１１２の内部電極等については、フリップチップ実装に適した電極構造とするために金メッキ層を厚手に形成する必要がある。上述のように実際の絶縁基板やセラミック容器の製造工程では、これらの外部電極や内部電極は、夫々各接合電極１０５、１１１と同時に形成されるため、各接合電極１０５、１１１の表層に金メッキ層が形成されることとなる。この際、接合電極表層の金メッキ層が０．５〜０．８μｍ程度の厚みを有することとなるが、このように金メッキ層を厚くすると、両接合電極表層の金が夫々半田内に拡散した際における半田量に対する金の重量濃度が一定以上（例えば、１１〜１２ｗｔ％程度）に高くなり、金リッチ状態にある半田部分の融点が上昇して半田が溶融しないまま硬化する結果、半田がボソボソになって剥離が発生し、耐衝撃性、耐落下性が低下し、信頼性が失われることが明らかになった。
なお、一方の接合電極が金メッキ層を備えず、他方の接合電極の表層に０．３μｍ程度の比較的薄い金メッキ層を有している場合には、鉛フリー半田を用いて接合しても、金の拡散による半田のボソボソ化、ボイド発生という不具合は起きないことが確認されている。
特許第３３７７８５０号

本発明者は、表層に比較的厚い金メッキ層を備えた２つの接合電極間を鉛フリー半田によって接合する際に、両接合電極表面の金メッキ層が同時に半田中に拡散することによって接合不良が発生する不具合を解消するための実験を重ねた結果、半田接合によって両接合電極側の金が半田側に拡散した状態において、半田中における金の含有重量％が所定値以下である場合には、上記の如き接合不良が発生しにくくなることを発見し、本発明をなすに到ったものである。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ＩＣを搭載した実装基板上に、圧電振動子を鉛フリー半田を用いて接続固定した２階建て構造の圧電デバイスにおいて、表層に金メッキ層を備えた実装基板側の接合電極と、同様の構成を備えた圧電振動子側の接合電極とを鉛フリー半田によって接合する際に、両接合電極の金メッキ層が半田中に拡散したとしても、半田の冷却時にボイドが形成されたり、ボソボソになって剥離することにより、耐衝撃性、耐落下性が低下することを有効に防止できる技術を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、セラミック容器内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子と、ＩＣ部品を搭載した実装基板と、を備え、前記圧電振動子の接合電極と前記実装基板の接合電極とを、鉛フリー半田によって接合一体化した圧電発振器であって、前記各接合電極の各表層に金メッキ層を備えたものにおいて、前記鉛フリー半田の総量に対する、前記各接合電極の表層を構成する金メッキ層の割合が、７．４ｗｔ％であることを特徴とする。

圧電振動子のセラミック容器底部にＩＣ部品を搭載した実装基板を鉛フリー半田によって接合一体化した二階建て構造の表面実装型の圧電発振器において、使用する鉛フリー半田量を増量することにより、セラミック容器及び実装基板側の各接合電極表層の金メッキ層から半田内に拡散する金量を一定の比率以下に抑えるようにしたので、接合不良を有効に防止することが可能となる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電発振器の縦断面図である。
この圧電発振器は、底部に表面実装用の外部電極５を備えると共に、上面に形成した凹所２内に発振回路、温度補償回路等を構成する電子部品としてＩＣ部品３を搭載した実装基板１と、実装基板１の外枠上面に形成した接合電極４と鉛フリー半田２０によって接合される接合電極１１を下面に備えた圧電振動子１０とを２階建て構造で接合一体化した構成を備えている。
圧電振動子１０は、セラミック容器１２の上面に形成した凹所１３内に水晶振動素子等の圧電振動素子１４を収容すると共に、凹所１３を金属蓋１５にて気密封止した構成を備えている。
実装基板１側の接合電極４と、圧電振動子１０側の接合電極１１は、例えば銅膜の上にニッケル膜、金メッキ層を順次積層した構成を備え、金メッキ層の厚さは、例えば０．５〜０．８μｍ程度に設定されている。
本発明では、ＩＣ部品を搭載した実装基板上に圧電振動子を載置した状態で、両者の接合電極間を鉛フリー半田にて接合する場合に、接合電極間を必要十分な接合力により接合するために各接合電極表層に厚い金属メッキ層を形成した場合においても、リフロー時に鉛フリー半田中に拡散する金の重量割合（比）を所定値以下に極限する工夫を行うことによって、半田の冷却時にボイドが形成されたり、ボソボソ化することを防止するようにしている。

図２は、実装基板側の接合電極４の表層の金メッキ層の厚さを０．８μｍとし、圧電振動子（この例では、水晶振動子）側の接合電極１１の表層の金メッキ層の厚さを０．５μｍとした場合（金メッキ層の総量は一定の場合）において、所定のマスク厚及び開口面積を有したメタルマスクを用いて接合電極４（或いは、接合電極１１）上にクリームハンダを印刷する量を種々変化させて半田２０内に拡散した金の相対的な重量割合（ｗｔ％）を変化させた場合に、外観から判断される接合状態の良否の変化を示す図である。
この図によれば、接合電極４上に塗布されるクリーム半田の量が、サンプル１、２の様に、７０．８ｍｇ、８１．９ｍｇ、というように比較的少ない為に半田２０の総量中に占める金の濃度（ｗｔ％）が夫々１１．３％、９．９％と大きくなる場合には、外観から判断される接続状態が明らかに悪く、ボイドが形成され、且つボソボソ化することにより、接続状態が悪化していることが観察される。
これに対して、サンプル３のように半田量を更に増量させて金濃度を９．１ｗｔ％程度に低下させた場合には、接続状態が少しく改善していることが確認できた。しかし、この状態では、ボイドが残り、且つボソボソ感もあり、依然として実用に供することはできない接続状態である。
サンプル４は、半田量を１０８．１ｍｇとすることにより、金濃度を７．４ｗｔ％とした場合であり、この場合には外観上、接続状態が良好となっている。サンプル４については、信頼性の試験においても、十分満足できる結果を得られた。
なお、更なる詳細な実験の結果、鉛フリー半田によって、金メッキ層を備えた２つの接合電極間を接合した場合に、半田中に含まれる金の濃度が７．５ｗｔ％以下である場合に、接合状態が良好になることが判明した。

図３は金濃度が７．５％以下である水晶発振器の信頼性試験の結果を示しており、全試験において異常がないことが判明した。
本発明によれば、使用する鉛フリー半田の量を調整することによって、半田内への金の拡散による接合不良を防止できるため、接合工程の増大、複雑化を一切招かずに所期の効果を実現できる。
なお、このようにリフロー後における半田中の金濃度を７．５％以下とするための手法としては、半田中に拡散する金量を一定にしつつ半田量を増大させる方法の他に、半田量を増大させずに（或いは、半田の増大量を少なくして）接合電極表層の金メッキ層を薄くして拡散される金を減量したり、或いは半田量を増大させずに接合電極の接合面積を小さくして半田中に拡散される金の量を減少させる方法が考えられる。
なお、本発明は圧電発振器において、発振回路、温度補償回路等を構成するＩＣ部品を搭載した実装基板上に圧電振動子を重ねた上で、両者の接合電極間を鉛フリー半田にて接合する場合一般に適用することができる。
また、本発明の圧電発振器を製造する実際の工程においては、多数の実装基板個片をシート状に連結した実装基板母材を用意し、この実装基板母材上に個々の圧電振動子を載置した上で、リフローによって半田接続し、接続完了後に個片に分割するバッチ処理が実施される。
本発明は、水晶振動子以外であっても、あらゆる圧電振動子を用いたタイプの圧電発振器に適用することができる。

本発明の一実施形態に係る表面実装型圧電発振器の縦断面図。 両金メッキ層の厚さを所定に設定した場合において、使用する鉛フリー半田量を種々変化させた場合に外観から判断される接合状態の良否の変化を示す図。 金濃度が７．５％以下である水晶発振器の信頼性試験の結果を示す図。 従来例の説明図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は図４に示した圧電発振器において接合電極間を鉛フリー半田によって接合する場合に接合不良が発生する状態を示す拡大図、時間−リフロー温度プロファイルを示す図、及び半田中における金濃度と融点との関係を示す図。

符号の説明

１ 実装基板、２ 凹所、３ ＩＣ部品、４ 接合電極、１０ 圧電振動子、１１ 接合電極、１２ セラミック容器、１３ 凹所、１４ 圧電振動素子、１５ 金属蓋、２０ 鉛フリー半田。

Claims (1)

1. セラミック容器内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子と、ＩＣ部品を搭載した実装基板と、を備え、前記圧電振動子の接合電極と前記実装基板の接合電極とを、鉛フリー半田によって接合一体化した圧電発振器であって、前記各接合電極の各表層に金メッキ層を備えたものにおいて、
   前記鉛フリー半田の総量中に占める金の割合が、７．４ｗｔ％であることを特徴とする圧電発振器。

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