(57)【要約】      （修正有）【課題】半田クラックを防止した外部端子構造の電子部品を提供する。【解決手段】セラミックからなる表面実装基板と、前記表面実装基板の外底面に設けられた主成分をＮｉとした外部端子とを有し、前記外部端子を半田によってセット基板に接続してなる表面実装用の電子部品において、前記セラミックのヤング率、膨張率及び断面積をＥ1、α1及びＡ1とし、前記Ｎiのヤング率、膨張率及び断面積をＥ2、α2及びＡ2とし、前記セラミックと前記Ｎｉの合成膨張率αxを次式（１）としたとき、  αx＝（Ｅ1・α1・Ａ1＋Ｅ2・α2・Ａ2）／（Ｅ1・Ａ1＋Ｅ2・Ａ2）  ・・・（１）  前記合成膨張率αxは前記セラミックの膨張率α1よりも2.9〜21.6％増加した構成とする。【選択図】図１
2008118585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックからなる表面実装基板と、前記表面実装基板の外底面に設けられた主成分をＮｉとした外部端子とを有し、前記外部端子を半田によってセット基板に接続してなる表面実装用の電子部品において、前記セラミックのヤング率、膨張率及び断面積をＥ1、α1及びＡ1とし、前記Ｎiのヤング率、膨張率及び断面積をＥ2、α2及びＡ2とし、前記セラミックと前記Ｎｉの合成膨張率αxを次式（１）としたとき、
αx＝（Ｅ1・α1・Ａ1＋Ｅ2・α2・Ａ2）／（Ｅ1・Ａ1＋Ｅ2・Ａ2）  ・・・（１）
前記合成膨張率αxは前記セラミックの膨張率α1よりも2.9〜21.6％増加したことを特徴とする電子部品。
【請求項２】
請求項１において、前記セラミックの膨張率α1は7.6×10-6として、前記表面実装基板の厚みを0.18ｍｍとしたとき、前記Ｎiの厚みを0.01〜0.1ｍｍとした電子部品。
【請求項３】
請求項１において、前記電子部品は少なくとも水晶片を密閉封入した水晶デバイスである電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面実装用の電子部品を技術分野とし、特に電子部品を水晶振動子（以下、表面実装振動子とする）としてセット基板に対する接合状態を良好に維持した水晶振動子に関する。
【０００２】
（発明の背景）
表面実装振動子は小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器に周波数や時間の基準源として内蔵される。近年では、表面実装振動子が搭載されるセット基板との膨張係数差による半田クラックが問題視されている。
【０００３】
（従来技術の一例）
第５図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）はセット基板に搭載した表面実装振動子の断面図、同図（ｂ）は表面実装振動子の底面図、同図（ｃ）は一部拡大断面図である。
【０００４】
表面実装振動子は積層セラミックからなる凹状の容器本体１に水晶片２を収容し、カバー３を被せて密閉封入してなる。容器本体１の内底面には一対の水晶端子４を一端部両側に有し、外底面にはセット基板５に対する実装端子としての外部端子６を有する。外部端子６は例えば対向する一組の対角部に形成され、水晶端子４と積層面及び側面を経て電気的に接続する。
【０００５】
水晶片２は例えばＡＴカットとして、両主面の励振電極７から一端部両側に引出電極８を延出する（第６図）。そして、引出電極８の延出した一端部両側が導電性接着剤９によって水晶端子４に固着される。カバー３は金属として、容器本体１の開口端面上に設けられた図示しない金属厚膜を含む金属リング上に例えばシーム溶接によって接合される。そして、容器本体１の他組の対角部に形成されたアース用の外部端子６に電気的に接続する。
【０００６】
水晶端子４及び金属カバー３と電気的に接続した容器本体１の外底面に設けられた外部端子６は、一般に、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎi）、金（Ａu）の順に積層されて形成される。タングステンはセラミックに対する接合強度の点から、ニッケルは電極本体として、金は半田１０との密着強度の点から選択される。
【０００７】
このことから、外部端子６の厚みは電極本体としてのニッケルに依存し、例えばニッケルの厚みは0.003〜0.009ｍｍ（3〜9μｍ）として、タングステンは１μｍ、金は0.5μｍ程度となる。そして、例えばタングステンはセラミックのグリーンシートの状態で印刷され、容器本体１とともに一体的に焼成されて形成される。ニッケル及び金は焼成後に例えば電解メッキによって形成される。
【０００８】
このようなものでは、例えばガラスエポキシ材からなるセット基板５に設けられた銅（Ｃu）からなる回路端子１１に半田１０のリフローによって外部端子６が接合されて、表面実装振動子が搭載される。半田１０は側面電極にはい上がっていわゆる半田フィレットを形成し、半田１０の溶融が確認される。
【非特許文献１】TOYOTA Technical Review Vol．54 No.1 Aug.2005 P143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（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（容器本体１）では、例えば経時変化特に温度変化に伴い、セット基板５への固着材としての半田１０にひび（亀裂）や欠け等のクラックを生ずる問題があった。すなわち、容器本体１（セラミック）と半田１０では温度に対する膨張率が大きく異なり、ちなみにセラミックの7.6×10-6に対して半田１０は17×10-6と２倍以上となる。したがって、温度変化の繰り返しによって半田１０に非線形歪みが蓄積してクラックを生ずる問題があった。
【００１０】
なお、容器本体１（セラミック）にも膨張率差に基づく応力は生ずるが、特に材料組成による半田１０の非線形歪みの降伏点がセラミックやガラスエポキシよりも早いので、半田１０にクラック生じる。また、半田１０とセット基板（ガラスエポキシ）とは膨張率が接近するので、これによる応力は小さい。
【００１１】
（発明の目的）
本発明は半田クラックを防止した外部端子構造の電子部品、特に水晶デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、セラミックからなる表面実装基板と、前記実装基板の外底面に設けられた主成分をＮｉとした外部端子とを有し、前記外部端子を半田によってセット基板に接続してなる表面実装用の電子部品において、前記セラミックのヤング率、膨張率及び断面積をＥ1、α1及びＡ1とし、前記Ｎiのヤング率、膨張率及び断面積をＥ2、α2及びＡ2とし、前記セラミックと前記Ｎｉの合成膨張率αxを次式（１）としたとき、
αx＝（Ｅ1・α1・Ａ1＋Ｅ2・α2・Ａ2）／（Ｅ1・Ａ1＋Ｅ2・Ａ2）  ・・・（１）
前記合成膨張率αxは前記セラミックの膨張率α1よりも2.9〜21.6％増加した構成とする。
【発明の効果】
【００１３】
このような構成であれば、合成膨張率αxはセラミックよりも大きくなって半田の膨張率に接近する。したがって、繰り返しの温度変化があっても半田に生ずる非線形歪みを少なくして、半田クラックを防止する。
【００１４】
（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記セラミックの膨張率α1は7.6×10-6として、前記表面実装基板の厚みを0.18ｍｍとしたとき、前記Ｎiの厚みを0.01〜0.1ｍｍとする。これにより、請求項１での合成膨張率αxを特定できるとともに、セラミックの膨張係数よりも2.9〜21.6％増加するＮiの膜厚を明確にする。
【００１５】
同請求項３では、請求項１において、前記電子部品は少なくとも水晶片を密閉封入した水晶デバイスとする。これにより、電子部品を特定して用途をさらに明確にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
第１図は本発明の一実施形態を説明する表面実装振動子の一部拡大断面図である。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。
【００１７】
表面実装振動子は、前述したように、セラミックからなる容器本体１の内底面に設けられた水晶端子４に、励振電極７から引出電極８の延出した水晶片２の一端部両側を固着し、容器本体１の開口端面をシーム溶接とした金属カバー３によって封止してなる（前第５図参照）。水晶端子４及び金属カバー３と電気的に接合して容器本体１の外底面に設けられた外部端子６は、前述同様にＷ、Ｎi、Ａuの順に積層され、Ｎiの厚みが支配的になる。
【００１８】
ここで、板状の二つの物質が接合しているとき、合成膨張率αxは一般に次式（１）になる。但し、Ｅ1、α1、Ａ1は一方の物質の、Ｅ2、α2、Ａ2は他方の物質のヤング率、膨張率、断面積であり、各物質の長さは単位長さとする。
αx＝（Ｅ1・α1・Ａ1＋Ｅ2・α2・Ａ2）／（Ｅ1・Ａ1＋Ｅ2・Ａ2）  ・・・（１）
【００１９】
また、表面実装振動子をセット基板５にする際の各材料、即ち容器本体（セラミック）１、外部端子６の電極本体（Ｎi）、半田１０、セット基板（ガラスエポキシ）５、回路端子（Ｃu）１１の材料定数は例えば次になる。なお、ここでの半田１０はいわゆる鉛フリー半田であって、Ｓn（95.75）、Ａg（3.5）、Ｃu（0.75）からなる。なお、括弧内は重量比（％）である。
セラミック     Ｎi     半田    エポキシ    Ｃu
ヤング率（109Pa）      280        199.5    35.8      13        16.2
膨張率（10-6）       7.6         13.4    17        14       102.9
【００２０】
これらから、従来例での容器本体１（セラミック）と外部端子６（Ｎi）との合成膨張率αxを求めると、7.73×10-6になる。但し、容器本体１の厚みは底壁層の厚みで0.18ｍｍ、Ｎiの厚みは0.003〜0.009ｍｍ中の0.006ｍｍとする。したがって、合成膨張率7.73×10-6はセラミック単体の場合と殆ど変わらず、半田１０の１／２以下となる。これにより、従来例では、温度変化に伴う膨張率差によって、半田１０にクラック（非線形歪みの蓄積結果）が生ずることが理解される。
【００２１】
一方、表面実装振動子（容器本体１）が実装されるセット基板（ガラスエポキシ）５と回路端子１１（Ｃu）との合成膨張率は16.69×10-6になる。但し、ガラスエポキシの厚みは一般的な1.6ｍｍ、Ｃｕの厚みは0.04ｍｍとする。したがって、この場合には半田１０の膨張率と同程度となるので、セット基板５と半田１０との間には前述したように殆ど応力が生じない。したがって、これによる非線形歪みもなく、半田１０クラックの要因から排除できる。
【００２２】
これらの事象から、半田１０クラックを防止するには、容器本体（セラミック）１と外部端子６の電極本体（Ｎi）との合成膨張率を半田の膨張率と同程度にすればよいことが導かれる。この場合、式（１）から明らかなように、容器本体１とＮiとのヤング率及び膨張率は定数なので、合成膨張率αxを半田の膨張率（17×10-6）に接近させるには、容器本体１（底壁）の厚みを小さくして、Ｎiの厚みを大きくすればよいことになる。
【００２３】
すなわち、式（１）のＥ1、α1、Ａ1をセラミック、Ｅ2、α2、Ａ2をＮiとすると、セラミックのヤング率Ｅ1（280×109Pa）は半田のヤング率Ｅ2（35.8×109Pa）に対して格段に大きいので、セラミックの断面積Ａ1を決定する厚みを大きくすると、合成膨張率αxはセラミックに依存して小さいままとなる。
【００２４】
したがって、セラミックの厚みは小さくして、セラミックの膨張率α1（7.6×10-6）よりも大きい膨張率α2（13.4×10-6）のニッケルの膜厚（断面積Ｅ2）を大きくすればよいことになる。そして、セラミックの底壁は製造上の点から、一定の厚みを必要とするので、ここでは従来通りの厚みとして、Ｎiの膜厚を大きくすることによって合成膨張率αxを半田の膨張率（17×10-6）に接近させる。
【００２５】
ちなみに、ニッケル（Ｎi）の膜厚に対するセラミック（厚み0.18ｍｍ）との合成膨張率αxは次になる（第２図参照）。すなわち、ニッケルの厚みに比例して合成膨張係数αxは大きくなる。
Ｎiの厚みｔ（ｍｍ）  0.006    0.010    0.020    0.050    0.1
合成膨張率αx（10-6）  7.73     7.82     8.03     8.56    9.24
【００２６】
第３図はニッケルの膜厚ｔ及びそのときの合成膨張率αxを横軸として、温度変化が繰り返し生じた場合即ち温度サイクル数に対して半田に生ずる非線形歪みΔεを縦軸とした関係図である。ここでの温度サイクル数は低温から高温に上昇させて再度低温に戻したときを１サイクルとし、非線形歪みΔεは温度サイクル３サイクル後の非線形歪みの積算値（６Δε）を６で除算した、半サイクルにおける非線形歪みの平均値である。また、非線形歪みΔεはニッケルの膜厚が0.006ｍｍのときの非線形歪みを基準「１」とした比率で表している。
【００２７】
このグラフからも明らかなように、ニッケルの膜厚ｔが大きくなるほど、合成膨張率αxが大きくなって半田に接近するため、非線形歪みΔεが少なくなることが分かる。なお、これらは有限要素法を用いた非線形歪みの計算によるものである。ここで、温度変化が繰り返し生じた場合の、半田１０に発生する非線形歪みと半田１０クラックの発生との関係式に着目すると、例えば非特許文献１に示されるように、次式（２）になる。
【００２８】
Ｎf＝1000・（0.01／Δε）2  ・・（２）
但し、Ｎfは半田１０に亀裂が発生する温度サイクル数（亀裂発生サイクル数、又はクラック発生開始サイクル数）である。
【００２９】
第４図は、第３図で示した非線形歪みΔεを上記（２）式に代入して求めた、ニッケル膜厚ｔ（合成膨張率αx）とクラック発生開始サイクル数との関係式である。但し、ニッケル膜厚が0.006ｍｍのときのクラック発生開始回数を基準の「１」とした比率で表している。例えば第４図でのクラック発生開始サイクル数「５」は、ニッケル膜厚が0.006ｍｍのときのクラック発生開始サイクル数に対して５倍のサイクル数でクラックを生じたことを意味している。
【００３０】
この関係式から明らかなように、ニッケルの膜厚ｔを従来の0.003〜0.009ｍｍとしたときは、クラック発生開始サイクル数比率が１〜1.5で半田にクラックが生じる。そして、ニッケルの膜厚が0.01ｍｍ以上でクラック発生開始サイクル数比率が1.5を越え、膜厚の増加に伴って温度サイクル数は多くなる。
【００３１】
例えばニッケルの膜厚が0.02ｍｍでクラック発生開始サイクル数比率は４、0.03ｍｍで７、0.04ｍｍで10となる。このことから、ニッケルの膜厚を従来の0.009ｍｍよりも大きい0.01ｍｍ以上とすれば、半田クラックの発生を少なくできる。そして、高さ寸法等の関係から、ニッケルの膜厚は概ね0.1ｍｍ以内とする。なお、図示されていないが、ニッケルの膜厚が0.1ｍｍの場合は、クラック発生開始サイクル数比率は概ね30となる。
【００３２】
ここでは、ニッケルの膜厚ｔを0.01〜0.1ｍｍとすることによって、セラミックの膨張率α1（7.6×10-6）に対して合成膨張率αxを7.82×10-6〜9.24×10-6となって、セラミックの膨張率α1に対する増加率を2.9〜21.6％とする。したがって、セラミックの膨張率（7.6×10-6）が成分によって多少の変化があっても、基本的に増加率を2.9〜21.6％とすれば本発明を適用できる。
【００３３】
（他の事項）
上記実施形態では表面実装振動子を対象として説明したが、例えばＩＣチップとともに水晶片２を収容した表面波発振器であっても適用でき、少なくとも水晶片２を密閉封入した水晶デバイスに適用できる。また、水晶デバイスに限らず、他の電子部品にも適用できる。また、容器本体１は凹状として平板状のカバーを被せたが、容器本体１を平板状として凹状のカバーを被せてもよい。要は、水晶片の固着される表面実装基板であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態を説明する表面実装振動子の一部拡大断面図である。
【図２】本発明の一実施形態を説明するニッケルの膜厚ｔに対するセラミックとの合成膨張率αxの関係図である。
【図３】ニッケルの膜厚（合成膨張率）に対する半田に生ずる非線形歪みの関係図である。
【図４】ニッケルの膜厚（合成膨張率）に対するクラック発生開始サイクル数の関係図である。
【図５】一従来例を説明する図で、同図（ａ）はセット基板に搭載した表面実装振動子の断面図、同図（ｂ）は表面実装振動子の底面図、同図（ｃ）は一部拡大断面図である。
【図６】一従来例を説明する水晶片の平面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  容器本体、２  水晶片、３  カバー、４  水晶端子、５  セット基板、６  外部端子、７  励振電極、８  引出電極、９  導電性接着剤。１０  半田、１１  回路端子。
【図１】
2008118585.tif 000003
【図２】
2008118585.tif 000004
【図３】
2008118585.tif 000005
【図４】
2008118585.tif 000006
【図５】
2008118585.tif 000007
【図６】
2008118585.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月8日(2006.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2008118585.tif 000009