JP2004072637A

JP2004072637A - Crystal resonator for surface mounting

Info

Publication number: JP2004072637A
Application number: JP2002232090A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Miura; 三浦　正明
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: JP3905804B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface mounting resonator with simple structure of which the thermal impact characteristics are enhanced by absorbing impact, especially, thermal impact. <P>SOLUTION: In this crystal resonator for surface mounting constituted by storing a crystal chip electrically/mechanically connected with a terminal electrode on the inner bottom surface in a case main body formed in the rectangular shape having a mounting terminal on the bottom surface, covering the crystal chip, tightly sealing the crystal oscillator, it is constituted by providing a plate shaped metal plate of copper or a copper alloy, which is more flexible than soldering on the mounting terminal. In addition, the crystal resonator is constituted by forming rustproof film for preventing rust on the surface of the copper or the copper alloy. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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．[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface mounted crystal resonator (hereinafter referred to as a surface mounted resonator) in an industrial technical field, and in particular, a vehicle mounted surface mounted crystal resonator having improved thermal shock characteristics by absorbing thermal shock. About.
[0002]
(Background of the Invention) Since a surface mount resonator does not have a lead wire as a terminal, it has low electromagnetic radiation and is suitable for EMI measures. For this reason, in recent years, for example, it is applied to an automobile as an oscillation source of many electronic control devices including an engine control device.
[0003]
(Example of Prior Art) FIGS. 3 (a) and 3 (b) are views of a surface mount vibrator for explaining a conventional example, wherein FIG. 3 (a) is a sectional view and FIG.
The surface mount resonator is configured such that a crystal blank 2 is accommodated in a container body 1 having a concave shape, a cover 3 is covered, and the crystal blank 2 is hermetically sealed. The container body 1 is made of a laminated ceramic, and has a pair of terminal electrodes 4 on the inner bottom surface. The pair of terminal electrodes 4 are provided on one end side of the container body 1 and the conductive paths 5 extend therefrom, and extend from the lamination surface to the back surfaces on both end sides via the end surface electrodes 5a. Then, it is electrically connected to the pair of mounting terminals 6.
[0004]
As shown in FIG. 4, the pair of mounting terminals are formed in the central regions on both ends to form two terminals (FIG. 4A). Alternatively, four terminals are formed at both corners on both ends, as shown in FIG. 4B, for example, the mounting terminals 6 at both corners are electrically connected in common. The crystal blank 2 has excitation electrodes (not shown) on both main surfaces, and extraction electrodes extend on both sides of one end. Then, both ends of the one end are fixed to the terminal electrode 4 by the conductive adhesive 7 to be electrically and mechanically connected.
[0005]
Then, the surface-mounted vibrator 8 is placed on the cream solder 11 applied to the circuit terminals 10 on the set substrate 9, and is conveyed and mounted on a high heat path (FIG. 5). The set substrate 9 is generally made of a glass epoxy material. In this case, since the solder 11 crawls on the end surface electrode 5a of the surface mount vibrator 8, the melting of the solder can be confirmed and the connection strength can be increased.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
(Problems of the prior art) However, the surface mount resonator having the above configuration is mounted on the above-mentioned set substrate 9 constituting the control device and the like, and is left in the automobile regardless of day or night. In particular, there is a large difference in temperature between the engine and places exposed to direct sunlight. In addition, shock and vibration occur during movement.
[0007]
For this reason, the expansion coefficient differs from that of the set substrate 9 made of, for example, a glass epoxy material, and cracks (chips, cracks, etc.) occur in the solder due to repeated stress. In the worst case, there is a problem of causing peeling. Incidentally, the thermal expansion coefficient of the container body (alumina ceramic) is 5.5 × 10 ⁻⁶ / ° C., that of the set substrate 9 is 14 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the difference Δα between them is 8.5 × 10 ^−6. / ° C. The expansion coefficient of the solder is 17.5 × 10 ⁻⁶ / ° C.
[0008]
The distortion A generated at the solder joint is substantially represented by the following equation (1). Here, m is about the length of the surface mount oscillator (terminal interval between mounting terminals), the half value of the terminal 2m, and ΔT is the maximum and minimum temperature difference of thermal shock (heat cycle) (for example, when -40 to 150 ° C. ΔT = 190 ° C.) and h is the distance between the surface mount oscillator and the set substrate 9 (approximately the thickness of the solder 11). The thickness of the electrodes 5 and 10 is negligibly small compared to the thickness of the solder 11.
[0009]
In short, the strain A decreases in inverse proportion only to the thickness of the solder, and increases in proportion to the half value m of the terminal interval 2 m, the expansion coefficient difference Δα, and the temperature difference ΔT.
A ≒ (m · Δα · ΔT) / h (1)
[0010]
From these facts, as shown in FIG. 6, for example, a through hole is provided in the bottom surface of the container body 1 to form an airtight terminal by the glass 12, and a flat lead wire electrically connected to both ends of the crystal blank 2. 13 is derived and bent to form the mounting terminal 6. As a result, there is a type in which the distance h between the surface-mount vibrator 8 and the set board 9 is increased, and the thermal shock is absorbed by the resiliency of the lead wires 13 to prevent the occurrence of solder cracks.
[0011]
However, in this case, the configuration is complicated and the cost is increased because the terminals are airtight. Further, since the glass 12 is used as the hermetic terminal, there is a problem that the glass 12 is damaged by an impact such as a drop and the hermetic leakage is caused thereby.
[0012]
(Object of the Invention) It is an object of the present invention to provide a surface-mounted vibrator having a simple structure in which thermal shock is improved by absorbing a shock, particularly a thermal shock.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a configuration in which a metal plate made of, for example, copper or a copper alloy, which is more flexible than a flat solder, is provided on a mounting terminal provided on the back surface of the container body. Thus, stress generated in the solder due to thermal shock is absorbed by the flexibility of the metal plate made of copper or a copper alloy, and functions as a so-called shock absorbing plate to prevent cracks. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
First Embodiment, Claims 1, 2 and 3
FIG. 1 is a sectional view of a surface-mount vibrator for explaining a first embodiment of the present invention. The same parts as those in the prior art are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be simplified or omitted.
As described above, the surface mount resonator is configured such that the crystal piece 2 is housed in the container body 1, the cover 3 is covered, and the crystal piece 2 is hermetically sealed. Here, the mounting terminals 6 are two terminals as a central region on both ends of the bottom surface of the container body 1. Then, the copper plate 14 is joined (brazed) on the mounting terminals 6 with silver brazing. The surface of the copper plate 14 is plated with a rust preventive material such as Ni or gold.
[0015]
With such a configuration, the coefficient of thermal expansion of the copper plate 14 is about 17.0 × 10 ⁻⁶ / ° C., which is substantially equal to 17.5 × 10 ⁻⁶ / ° C. of the solder 11. Therefore, the copper plate 14 and the solder 11 expand and contract integrally with the thermal shock. The copper plate 14 is more flexible and expandable and contractable than the solder 11. On the other hand, the solder after curing is a brittle material.
[0016]
As a result, when a stress is generated in the solder 11 and the copper 14 interposed therebetween due to a difference in thermal expansion between the container body 1 and the set substrate 9, the copper plate 14 is first mechanically deformed to absorb the stress. Therefore, the occurrence of cracks in the solder 11 is prevented. The copper plate 14 functions as a so-called thermal shock absorbing plate. However, when a stress greater than the mechanical deformation absorbed by the copper plate 14 is applied, cracks occur in the brittle solder 11.
[0017]
Further, since the copper plate 14 is interposed, the distance h between the surface mount resonator of the above-described formula (1) and the set substrate 9 is increased, so that it is possible to suppress the generation of distortion, particularly for the solder 11, interposed therebetween. FIG. 2 shows the amount of distortion (vertical axis) generated in the solder 11 when the thickness (horizontal axis) of the copper plate 14 is changed.
[0018]
However, the strain amount here is a relative maximum strain (%) when the conventional solder only strain amount is set to 100, and is a simulation result by FEM. In addition, 2 m = 8 mm (the length of the surface mount oscillator, the interval between mounting terminals), and the size of the copper plate is 1.5 × 0.7 mm.
[0019]
As is clear from this figure (curve), when the thickness of the copper plate exceeds 0.2 mm and becomes about 0.3 mm, it becomes about 40% of the conventional strain amount, and about 0.5 mm becomes 30%. Thereafter, it is almost saturated. When the area of the copper plate 14 was made smaller (1.1 × 0.3 mm), the same result was obtained although the thickness was 0.3 mm and the area was 60%. The thickness of the solder 11 is approximately 50 to 80 μm, and the thickness of the copper plate 14 becomes dominant.
[0020]
In these cases, when the half value m of the terminal interval 2 m is set to 4 mm and the distance h is set to 0.2 mm or more, the effect starts to be exhibited. Therefore, if the ratio m / h between the half value m and the distance h is set to about 20 or less, the effect is expected. it can. Since the practical effect is only required to make the distance h 0.3 mm or more, the ratio m / h between the half value m and the distance h may be made about 13 or less. Since the height dimension increases when the thickness of the copper plate 14 is increased, the thickness of the copper plate 14 may be set to 4 <m / h <13 or 20 with the thickness of the copper plate 14 actually being within 1 mm (m / h is 4). .
[0021]
Further, when a copper ball is used instead of the copper plate 14, a better result is obtained than when only the solder is used, but stress concentrates on the tip of the copper ball and cracks occur in the solder. On the other hand, since the copper plate 14 is a flat plate, the stress is uniform, and the maximum distortion is smaller than that of the copper ball.
[0022]
[Other matters]
In the above-described embodiment, an example in which two terminals are used has been described. Also, the surface mount resonator has been described. However, the present invention can be applied to a surface mount crystal device such as a filter element using a multiple mode or an oscillator integrated with an integrated IC or the like. However, in these cases, the types of the mounting terminals are different. For example, in the case of an oscillator, the terminals are output, power supply, and ground.
[0023]
【The invention's effect】
The present invention provides a metal plate made of, for example, copper or a copper alloy, which is more flexible than the flat solder, on the mounting terminals provided on the back surface of the container body. Thus, a surface-mounted resonator having a simplified configuration with improved characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a surface-mount vibrator mounted on a set board for explaining an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relative value of a maximum strain using thickness as a parameter as compared with a conventional example illustrating the operation of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a surface-mount vibrator for explaining a conventional example.
FIG. 4 is a bottom view of a surface-mount vibrator for explaining a conventional example.
FIG. 5 is a side view of a surface mount resonator mounted on a set board for explaining a problem of the conventional example.
FIG. 6 is a side view of a surface mount resonator mounted on a set board for explaining another conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Container main body, 2 crystal pieces, 3 covers, 4 terminal electrodes, 5 conductive paths, 6 mounting terminals, 7 conductive adhesives, 8 surface mount vibrators, 9 set substrates, 10 circuit terminals, 11 solders, 12 glasses, 13 Lead wire, 14 copper plate.

Claims

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。For surface mounting, a crystal piece electrically and mechanically connected to the terminal electrode on the inner bottom is housed and covered in a rectangular container body with mounting terminals on the bottom, and the crystal piece is hermetically sealed. 3. The crystal resonator according to claim 1, wherein a metal plate made of copper or a copper alloy, which is more flexible than the flat solder, is provided on the mounting terminal.

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。2. The crystal unit according to claim 1, wherein a rust-preventing film for preventing rust is formed on a surface of said copper or copper alloy.