JP5777350B2 - 発振器 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスエポキシ樹脂の回路基板を使用した発振器に係り、特に、半田への歪みを緩和させ耐ヒートサイクル性能を向上させた発振器に関する。

［従来の技術］
従来、水晶発振器において、ガラスエポキシ樹脂を回路基板に使用したものがある。
当該回路基板上に金属の電極パターンが形成され、当該電極パターン上にセラミック等の電子部品が半田付けによって実装されるようになっていた。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００４−２００１８７号公報「プリント配線板」（株式会社ニコン）［特許文献１］、特開２００７−１０４００５号公報「表面実装用の水晶発振器」（日本電波工業株式会社）［特許文献２］がある。

特許文献１には、はんだボールバンプが接合される電極ランドに円柱状の凸部を設け、横方向のストレスをはんだボールバンプと電極ランドとの境界だけでなく、凸部の側面でも受けるようにしたことが示されている。

特許文献２には、水晶振動子と実装基板とを接合する表面実装発振器において、水晶振動子における振動子端子と実装基板の接続端子とを半田によって接合する場合に、接続端子に凸部が形成されていることが示されている。

特開２００４−２００１８７号公報 特開２００７−１０４００５号公報

しかしながら、上記従来の発振器では、セラミック等を使用した電子部品（回路部品）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歪みが集中し、半田にクラックが生じるという問題点があった。

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使用環境では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、電源オン／オフ毎に加わるため、半田にクラックが生じ、長期信頼性に問題があった。

尚、特許文献１では、凸部が形成された電極ランドと対向する電極とは、はんだボールバンプで接合するものの、非接触であり、横方向の力に対応するもので、電極ランドと対向する電極との熱膨張係数の差による半田への歪みを対応するものとはなっていない。

また、特許文献２では、振動子用端子と凸部が形成された接続端子とを半田で接合するものであるが、振動子用端子と接続端子とは同じタングステンで構成されており、両者の熱膨張係数の差による半田への歪みを考慮したものとはなっていない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、簡易な構成で安価に温度変化に伴う半田クラックの発生を抑制し、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、基板上の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２端子の電極パターンと、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が形成されるように、電極パターン上であって端子電極に接触する部分に形成された突起部と、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、回路部品搭載後のリフローにより電極パターンと端子電極の側面との間にフィレット形状で形成される半田とを有することを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、電極パターン上に形成される突起部は、対向する電極パターン側に設けられていることを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、電極パターン上で突起部が形成されていない箇所にフィレット形状の半田が形成されることを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、一つの電極パターン上には、複数の突起部が設けられていることを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、突起部の高さが、１０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、突起部の高さが、２０μｍ〜５０μｍであることを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、端子の電極パターンが互いに対向する方向が、基板の線膨張率の最も小さい方向に揃えるように、電極パターンを配置したことを特徴とする。

本発明は、上記発振器において、恒温槽付水晶発振器に適用したことを特徴とする。

本発明によれば、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２端子の電極パターンと、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が形成されるように、電極パターン上であって端子電極に接触する部分に形成された突起部と、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、回路部品搭載後のリフローにより電極パターンと端子電極の側面との間にフィレット形状で形成される半田とを有する発振器としているので、半田を厚く形成して接着を強固にでき、簡易な構成で安価に温度変化に伴う半田クラックの発生を抑制し、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。

本発明によれば、端子の電極パターンが互いに対向する方向が、基板の線膨張率の最も小さい方向に揃えるように、電極パターンを配置した上記発振器としているので、簡易な構成で安価に温度変化に伴う半田クラックの発生を抑制し、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。

本発振器の平面説明図である。 本発振器の断面説明図である。 電極パターンと端子電極の接続部分（半田部分）の拡大説明図である。 第１の実施例における突起部の形状を示す図である。 第２の実施例における突起部の形状を示す図である。 第３の実施例における突起部の形状を示す図である。 第４の実施例における突起部の形状を示す図である。

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、ガラスエポキシ樹脂の回路基板上に形成される電極パターン上に、回路部品の端子電極と接触する部分に、突起部を形成し、当該突起部によって端子電極と電極パターンとの間に形成された空間に、半田が充填されると共に、端子電極の側面に半田がフィレット形状に形成されているものであり、これにより、半田の接着が強固になり、回路部品とガラスエポキシ樹脂材との熱膨張係数の差から温度変化によって生じる実装半田の歪みを緩和させ、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。

［本発振器：図１，図２］
本発明の実施の形態に係る発振器について図１、図２を参照しながら説明する。図１は、本発振器の平面説明図であり、図２は、本発振器の断面説明図である。
本発振器は、図１，２に示すように、エポキシ樹脂の基板１上に、金属の電極パターン４が形成され、その電極パターン４上に、回路部品（電子部品）２が搭載される。

具体的には、電子部品２の電極パターン４に接続する部分には、端子電極３か形成され、端子電極３と電極パターン４とが半田５によって固定されている。
尚、電子部品２は、例えば、セラミック等で形成される。

また、基板１のエポキシ樹脂の材質として、ＣＥＭ−３（Composite Epoxy Material 3）又はＦＲ−４（Flame Retardant Type 4）等を用いる。
ＣＥＭ−３は、ガラスエポキシ基板のことで、ガラス繊維とエポキシ樹脂を混合した板をベースとしたものである。
ＦＲ−４は、ガラスエポキシ基板のことで、ガラス繊維で編んだ布にエポキシ樹脂を含浸させた板をベースにしたものである。

［部分的拡大説明：図３］
更に、電極パターン４と端子電極３との半田５を介した接続部分について図３を参照しながら説明する。図３は、電極パターンと端子電極の接続部分（半田部分）の拡大説明図である。
図３に示すように、基板１上に形成された電極パターン４には、電子部品２の端子電極３と接触する部分に、突起部（凸部）６が形成されている。

そして、電極パターン４上に半田５が塗布され、更に、電子部品２が搭載される。
具体的には、突起部６の先端が端子電極３に接触し、電極パターン４と端子電極３との間に形成された空間に半田５が充填された状態になり、リフロー後に、端子電極３の側面に半田５のフィレット形状が形成される。

突起部６の凸部の高さは、発振器の製品によっても異なるが、１０μｍ〜１００μｍ程度であり、更に、２０μｍ〜５０μｍ程度が最適な値となる。
また、突起部６は、例えば、電極パターン４上にメッキ層を形成し、マスキングによって特定部分を残すようにすることで製造する。
更に、突起部６は、対向する電極パターン４側に形成され、突起部６が形成されていないスペースに、上述した半田５のフィレット形状が形成されることになる。

突起部６がない従来の構成に比べて、本発振器では、電極パターン４と端子電極３とを接着する半田５の量が多くなる（厚くなる）ため、電極パターン４と端子電極３との接着を強固にすることができる。
これにより、電極パターン４が形成された基板１と端子電極３が形成された電子部品２とが、熱膨張係数が異なっていたとしても、温度変化によって生じる実装半田の歪みを緩和させ、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。

次に、電極パターン４に形成される突起部６の形状について４つのパターンを例示的に図４〜７を用いて説明する。図４は、第１の実施例における突起部の形状を示す図であり、図５は、第２の実施例における突起部の形状を示す図であり、図６は、第３の実施例における突起部の形状を示す図であり、図７は、第４の実施例における突起部の形状を示す図である。尚、図４〜７において、上側の図が平面説明図であり、下側の図が断面説明図である。

［第１の実施例：図４］
第１の実施例では、図４に示すように、電極パターン４上で、対向する電極パターン４側に２つの円柱の突起部６を設けている。
また、電極パターン４上で突起部６が形成されていないスペースに、半田５のフィレット形状が形成されることになる。
尚、マスキングで突起部６を形成するため、円柱の形状の方が製造し易い。

［第２の実施例：図５］
第２の実施例では、図５に示すように、電極パターン４上で、対向する電極パターン４側に四角柱の突起部６を設けている。
第１の実施例と同様に、電極パターン４上で突起部６が形成されていないスペースに、半田５のフィレット形状が形成されることになる。

第１の実施例に比べて、端子電極３と突起部６との接触面が増えるため、電極パターン４と端子電極３との間の半田５が充填される空間が減り、接着の強度が若干低下するが、電子部品２の搭載の安定度は高くなる。

［第３の実施例：図６］
第３の実施例では、図６に示すように、電極パターン４上で、対向する電極パターン４側に３つの円柱の突起部６を設けている。
第１の実施例と同様に、電極パターン４上で突起部６が形成されていないスペースに、半田５のフィレット形状が形成されることになる。
尚、マスキングで突起部６を形成するため、円柱の形状の方が製造し易い。

第２の実施例と同様に、第１の実施例に比べて、端子電極３と突起部６との接触面が増えるため、電極パターン４と端子電極３との間の半田５が充填される空間が減り、接着の強度が若干低下するが、電子部品２の搭載の安定度は高くなる。

［第４の実施例：図７］
第４の実施例では、図７に示すように、電極パターン４上で、対向する電極パターン４側に２つの四角柱の突起部６を設けている。
第１の実施例と同様に、電極パターン４上で突起部６が形成されていないスペースに、半田５のフィレット形状が形成されることになる。

［応用例の実施形態］
次に、本発振器の応用例について説明する。
応用例は、本発振器において、電子部品２が搭載される２端子の電極パターン４は互いに、ガラスエポキシ樹脂の基板１で線膨張率が最も小さい方向と同じ方向に、対向するように配置される。

ここで、基板１の材質である、一般的なＣＥＭ−３の基板の場合、線膨張率は縦方向で２５ｐｐｍ／℃、横方向で２８ｐｐｍ／℃、厚さ方向で６５ｐｐｍ／℃である。
また、一般的なＦＲ−４の基板の場合、線膨張率は縦方向で１３ｐｐｍ／℃、横方向で１６ｐｐｍ／℃、厚さ方向で６０ｐｐｍ／℃である。
また、例えば、電子部品２のセラミック（アルミナ）の線膨張率は、約７ｐｐｍ／℃である。

ここで、基板１について、図１に示すように、図１の長尺方向が「縦方向」とし、短尺方向が「横方向」としている。
一般的なＦＲ−４の「縦方向」では、線膨張率１３ｐｐｍ／℃で、「横方向」の線膨張率１６ｐｐｍ／℃より小さくなっている。基板１における「厚さ」方向では、線膨張率６０ｐｐｍ／℃である。
従って、基板１で線膨張率が最も小さいのは、「縦方向」（長尺方向）となる。

そして、図１に示すように、線膨張率が最も小さい「縦方向」（長尺方向）を基準とし、その縦方向と電極パターン４が対向する方向を揃える（同じ方向にする）ようにする。
つまり、電子部品２が搭載される２端子の電極パターン４は互いに、基板１で線膨張率が最も小さい「縦方向」と同じ方向に、対向するように配置される。

［耐ヒートサイクル性能］
セラミック等の電子部品２の線膨張率と、エポキシ樹脂の基板１の線膨張率との相違によって、電子部品２に形成された端子電極３と基板１に形成された電極パターン４とが熱膨張によって特に影響を受けるのは、基板１の「縦方向」（図１では基板１の長尺方向）である。

従って、熱膨張の影響を受けやすい「縦方向」における基板１の線膨張率が小さければ、その影響を最小にすることができ、半田５に対する歪みを緩和して、半田５にクラックが発生するのを抑制でき、耐ヒートサイクル性能を向上できる効果がある。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、電極パターン４の端子電極３に接続する部分に突起部６を形成し、端子電極３と電極パターン４との間に空間を形成し、当該空間に半田５のフィレット形状を形成するようにしているので、半田５の接着強度を高めることができ、半田５のクラック発生を抑制することができ、耐ヒートサイクル性能を向上できる効果がある。

別の発振器によれば、上記本発振器の構成を元にして、エポキシ樹脂の基板１上に形成される２端子の電極パターン４が互いに対向する方向を、基板１の線膨張率が小さい方向に揃えるようにしたものであり、電極パターン４上に塗布される半田５への温度変化による歪みを緩和でき、半田５にクラックが発生するのを抑制でき、耐ヒートサイクル性能を向上できる効果がある。

本発振器及び別の発振器では、恒温槽付水晶発振器に適用することが、より効果的である。

本発明は、簡易な構成で安価に温度変化に伴う半田クラックの発生を抑制し、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好適である。

１...基板、 ２...電子部品、 ３...端子電極、 ４...電極パターン、 ５...半田、 ６...突起部（凸部）

Claims (8)

1. エポキシ樹脂の基板と、前記基板上の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２端子の電極パターンと、
   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が形成されるように、前記電極パターン上であって前記端子電極に接触する部分に形成された突起部と、
   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、前記回路部品搭載後のリフローにより前記電極パターンと前記端子電極の側面との間にフィレット形状で形成される半田とを有することを特徴とする発振器。
2. 電極パターン上に形成される突起部は、対向する電極パターン側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の発振器。
3. 電極パターン上で突起部が形成されていない箇所にフィレット形状の半田が形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の発振器。
4. 一つの電極パターン上には、複数の突起部が設けられている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. 突起部の高さは、１０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発振器。
6. 突起部の高さは、２０μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の発振器。
7. ２端子の電極パターンが互いに対向する方向が、基板の線膨張率の最も小さい方向に揃えるように、電極パターンを配置したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の発振器。
8. 恒温槽付水晶発振器に適用したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の発振器。

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