物理量検出装置

【課題】センサーを内蔵するセラミックパッケージと、これを実装する基板との線膨張率の差に起因して、熱サイクルを受けたときでも、電極のハンダ付け部分にクラックを生じることのない物理量検出装置を提供する。
【解決手段】検出素子を有するセラミックパッケージをハンダ実装する際、中継基板を介して実装できるようにした。中継基板にはセラミックパッケージの端子と接続される端子電極を含むパッケージ搭載部と、中継基板面の延在方向に突出する突出部を設け、この突出部にパッケージ搭載部と接続される外部電極を設け、この外部電極を介して実装基板にハンダ付けするようにした。突出部の途中にはくびれ部を設け、弾性変形し易くしておき、熱膨張・収縮による変化を吸収できるようにしておくことでハンダクラックの発生を抑制する。このとき、中継基板としては線膨張係数が実装基板より小さく、セラミックパッケージよりも大きい基板を用いる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物理量検出装置に係り、特に、圧電振動片などを内蔵してジャイロセンサーなどとして機能するセラミックパッケージを実装基板に実装して形成される物理量検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子を用いていろいろな物理量を検出する装置が知られており、これは一般に圧電振動片を内蔵したセラミックパッケージを、処理回路が形成された実装基板に実装して構成されている。セラミックパッケージは圧電振動片から信号を取り出すために、その外面に外部電極を形成しており、この外部電極をガラスエポキシ材料からなる実装基板（以下、ガラエポ基板という）の回路端子にハンダ付けして電気的な結合を図っている。
【０００３】
ところが、セラミックパッケージをハンダ付けによりガラエポ基板に実装する場合、セラミックパッケージと基板との線膨張率の違いにより、熱サイクルによりハンダクラックが生じるという問題がある。特に、端子間距離が大きいときにクラックが生じやすい。例えばハンダ結合のためにリフロー処理を行った後に冷却すると、セラミックパッケージは線膨張率の小さく、ガラエポ基板はセラミックパッケージよりは大きいため、ガラエポ基板の熱収縮が大きくなってハンダ結合部にクラックが生じる可能性がある。
【０００４】
このような問題に対し、従来はセラミックパッケージの外部電極とガラエポ基板端子との間をリードフレームによって結合して、熱サイクルによる応力緩和を図っていたが、リードフレームを用いることによるコスト高の問題が大きく、工程的にも簡易に製造できる熱膨張吸収型の物理量検出装置が望まれていた。
【０００５】
なお、実装するパッケージと基板との間の線膨張率の違いによるハンダクラックの問題に対処するための対策技術として特許文献１に記載されているものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、ジャイロセンサーなどの物理量検出センサーを内蔵するセラミックパッケージと、これを実装する客先基板との線膨張率の差に起因して、熱サイクルを受けたときでも、電極のハンダ付け部分にクラックを生じることのない応力緩和機構を備えた物理量検出装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る物理量検出装置は、物理量検出素子を有するセラミックパッケージをハンダ実装する際、直接実装基板にハンダ付けするのではなく、中継基板を介して実装できるようにした構成とした。中継基板にはセラミックパッケージの端子と電気的に接続される端子電極を含むパッケージ搭載部と、中継基板の延在方向に突出する突出部を設け、この突出部に前記端子電極と電気的接続がなされる外部電極を設け、この外部電極を介して実装基板にハンダ付けするようにしたものである。突出部の途中にはくびれ部を設け、弾性変形し易くしておき、熱膨張・収縮による変化を吸収できるようにしておくことでハンダクラックの発生を抑制する。このとき、中継基板としては線膨張係数が実装基板より小さく、セラミックパッケージよりも大きい基板を用いるようにすればよい。具体的な適用例は以下のようになる。
【０００９】
［適用例１］物理量検出素子を含み複数の端子を有するセラミックパッケージと、前記複数の端子を電気的に接続する端子電極を含むパッケージ搭載部を有し、前記端子電極に接続され外部への電気的接続のための外部電極を有する中継基板と、を含む物理量検出装置であって、前記中継基板は、当該中継基板の延在方向に突出する突出部を備え、前記外部電極が前記突出部に形成されることを特徴とする物理量検出装置。
【００１０】
このように構成することで、熱サイクルを受けてガラエポ基板などの実装基板とセラミックパッケージとの間に線膨張率の違いに起因する熱膨張・収縮による形状変化が生じても、中継基板の突出部が変形してその形状変化を吸収するために、電極接続のためのハンダ部に応力が集中せず、クラックを生じることが有効に防止される。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の物理量検出装置であって、前記セラミックパッケージと電気的に接続される前記中継基板は、前記セラミックパッケージよりも線膨張係数が大きく、前記物理量検出装置が実装される基板よりも線膨張係数が小さくなるような、線膨張係数を有する材料で構成されていることを特徴とする物理量検出装置。
【００１２】
この構成では、中継基板の熱膨張による変化量がセラミックパッケージと実装基板の中間に相当するため、ハンダ接合部へ熱膨張変化量がセラミックパッケージ側と実装基板側で按分され、より高いハンダクラック防止効果が得られることになる。
【００１３】
［適用例３］適用例１に記載の物理量検出装置であって、前記突出部は途中に減肉されたくびれ部を設けてなることを特徴とする物理量検出装置。
この構成では、減肉脚部の弾性変化が大きく形状変化の吸収率が高くなるので、ハンダ接合部への応力集中を抑制できる効果がある。
【００１４】
［適用例４］適用例３に記載の物理量検出装置であって、前記くびれ部が、水平方向または垂直方向に屈曲する屈曲部を備えたことを特徴とする物理量検出装置。
このように構成することにより、屈曲部に可撓性を持たせることができ、より高い応力集中防止効果が得られる。
【００１５】
［適用例５］適用例１ないし４のいずれか１に記載の物理量検出装置であって、前記中継基板は前記セラミックパッケージの周囲を囲む枠部を有し、前記突出部をこの枠部の外縁に形成するとともに内縁部に前記パッケージ搭載部と繋がるインナー突出部を設けてなることを特徴とする物理量検出装置。
このような構成では、中継基板の枠部の内側と外側でそれぞれ熱膨張・収縮の変化を吸収できる。
【００１６】
［適用例６］適用例１ないし４のいずれか１に記載の物理量検出装置であって、前記中継基板は前記セラミックパッケージの周囲を囲む枠部を有し、前記外部電極が設けられた突出部をこの枠部の外縁に形成するとともに、内縁部にはセラミックパッケージの端子と電気的接続をなす電極が設けられたインナー突出部を設け、このインナー突出部によって前記セラミックパッケージが搭載されるパッケージ搭載部を形成してなることを特徴とする物理量検出装置。
【００１７】
この構成では、セラミックパッケージがインナー突出部で支えられた形態となるので、セラミックパッケージの移動自由度が大きくなり、温度変化に起因するハンダ接合部への応力集中緩和効果を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る物理量検出装置の実装状態の斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図３】図２の横断面図である。
【図４】第２実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図５】図４の横断面図である。
【図６】第３実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図７】図６の横断面図である。
【図８】第４実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図９】第５実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図１０】図９の横断面図である。
【図１１】第６実施形態に係る物理量検出装置の平面図である。
【図１２】第７実施形態に係る物理量検出装置のセラミックパッケージを省略した平面図である。
【図１３】図１２のＥ−Ｅ線断面図である。
【図１４】図１２のＦ−Ｆ線断面図である。
【図１５】第８実施形態に係る物理量検出装置のセラミックパッケージを省略した平面図である。
【図１６】図１５のＧ−Ｇ線断面図である。
【図１７】図１５のＨ−Ｈ線断面図である。
【図１８】第９実施形態に係る物理量検出装置のセラミックパッケージを省略した平面図である。
【図１９】図１８のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２０】図１８のＪ−Ｊ線断面図である。
【図２１】第１０実施形態に係る物理量検出装置のセラミックパッケージを省略した平面図である。
【図２２】図２１のＫ−Ｋ線断面図である。
【図２３】図２１のＬ−Ｌ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明に係る物理量検出装置の具体的実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図３に第１実施形態に係る物理量検出装置１０を模式的に示している。この物理量検出装置は、例えばジャイロセンサーとして構成されたセラミックパッケージ１２を有している。セラミックパッケージ１２は、物理量検出素子としての圧電振動片を内蔵しており（図示せず）、金属リッド１４により内部が密閉され、パッケージ下面に内蔵素子からの検出信号を取り出すための金属パッドからなる外部端子１６が複数設けられた構造となっている。このようなセラミックパッケージ１２は、実装回路基板であるガラエポ基板１８にハンダ実装されることになるが、当該実施形態では中継基板２０を介して実装するように構成されている。
【００２０】
中継基板２０はセラミックパッケージ１２を搭載するパッケージ搭載部２２を有し、このパッケージ搭載部２２に前記セラミックパッケージ１２と前記複数の外部端子１６と各々電気的に接続される複数の端子電極２４を有している。かつ、ガラエポ基板１８の回路配線２６の端子にハンダ実装される金属パッドからなる複数の外部電極２８を有しており、セラミックパッケージ１２からの信号をガラエポ基板１８の回路配線２６の端子に中継する役割をなしている。当然ながら、中継基板２０の前記端子電極２４と外部電極２８とは、図示しないスルーホールや表面配線により電気的に接続されている。
【００２１】
ところで、この中継基板２０は、セラミックパッケージ１２を搭載するパッケージ搭載部２２の側縁部に、当該中継基板２０の延在方向に突出する突出部３０を備え、前記外部電極２８を前記突出部３０の先端部下面に形成するように構成されている。セラミックパッケージ１２は長辺と短辺をもつ矩形平面を有しているが、前記パッケージ搭載部２２はそれより若干大きい相似の矩形平面をもつ平板形状とされ、前記突出部３０はパッケージ搭載部２２における対向する長辺部に長辺と垂直方向にであって、基板面と水平に延在する板状突起として形成されている。このような突出部３０は引き出し電極数の数だけ設けられ、模式的に示している図示の例では、セラミックパッケージ１２の外部端子１６が４箇所設けられているので、突出部３０も４本設けた構成とされる。当然、外部端子１６が増えれば、その分だけ突出部３０も増える。
【００２２】
このような中継基板２０を用い、そのパッケージ搭載部２２上の端子電極にセラミックパッケージ１２をハンダ実装し、中継基板２０の外部電極２８を介して実装基板であるガラエポ基板１８の回路配線２６の端子にハンダ実装することで、検出信号の電路が確保される。
【００２３】
このように構成することで、熱サイクルを受けてガラエポ基板１８などの実装基板とセラミックパッケージ１２との間に線膨張率の違いに起因する熱膨張・収縮による形状変化が生じても、中継基板２０の突出部３０が変形してその形状変化を吸収するために、電極接続されているハンダ部に応力が集中せず、クラックを生じることが有効に防止される。
【００２４】
また、この第１実施形態では、前記セラミックパッケージ１２と電気的に接続される前記中継基板２０は、前記セラミックパッケージ１２を構成しているセラミック材料よりも線膨張係数が大きく、かつ、物理量検出装置１０が実装されるガラエポ基板１８よりも線膨張係数が小さくなるような、線膨張係数を有する材料で構成している。例えば、セラミック材料としてアルミナを用い、実装基板の材料としてガラスエポキシを用いた場合、各々の線膨張係数は、
セラミック材料（アルミナ）：α＝６．０×１０＾^−５／℃
ガラスエポキシ：α＝０．８〜３．０×１０＾^−５／℃
となっているので、中継基板２０の材料としては、線膨張率αがそれらの中間の値をもつ、例えばポリフタルアミド（ＰＰＡ）を用いて製作する。この線膨張率αは、α＝０．６〜３．０×１０＾^−５／℃である。
【００２５】
中継基板２０の熱膨張による変化量がセラミックパッケージ１２と実装基板であるガラエポ基板１８の中間に相当するため、ハンダ接合部へ熱膨張変化量がセラミックパッケージ１２側とガラエポ基板１８側で按分され、より高いハンダクラック防止効果が得られることになる。
【００２６】
また、第１実施形態では、前記突出部３０は途中に減肉されたくびれ部３２を設けている。このくびれ部３２は突出部３０の基部の上面と側面に溝を掘って減肉したもので、このくびれ部３２はしたがって弾性率が小さく、可撓性がこの部分で大きくなる。斯かる構成とすることで、実施形態に係る物理量検出装置が熱サイクルを受けても、減肉くびれ部３２の弾性変化が大きく、形状変化の吸収率が高くなるので、ハンダ接合部への応力集中を抑制できる。
【００２７】
このような第１実施形態に係る物理量検出装置１０では、温度変化によって発生する応力のセラミックパッケージ１２を実装するハンダ接合部への集中を緩和することができ、ハンダクラックの発生を抑制することができる。
【００２８】
次に、図４〜図５は第２実施形態に係る物理量検出装置１０２を示す、図４はその平面図、図５はその断面図である。この第２実施形態は、突出部３０の基部に４面に溝を形成することにより、周回溝によって減肉されたくびれ部３２２を形成した点が第１実施形態と異なる。その他は第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
【００２９】
この実施形態では、減肉量が第１実施形態の場合より多くなるので、くびれ部３２２の可撓性がより高くなり、温度変化による形態変化の吸収効果がより高く、ハンダクラックの防止効果が良好となる。
【００３０】
図６〜図７は第３実施形態に係る物理量検出装置の平面図と断面図である。この第３実施形態に係る物理量検出装置１０３では、突出部３０の基部に断面積の小さいくびれ部３２３を有しているが、このくびれ部３２３に垂直方向に円弧を描くように上方に湾曲した半円弧状の上方屈曲部３４３を備えたものである。その他は第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
このように構成することにより、上方屈曲部により特に上下方向に多くの可撓性を持たせることができ、より高い応力集中防止効果が得られる。
【００３１】
図８は第４実施形態に係る物理量検出装置の平面図と断面図である。第４実施形態に係る物理量検出装置１０４は、第３実施形態の変形例であり、突出部３０のくびれ部３２４に水平方向に湾曲する半円弧状の水平屈曲部３４４を設けた点が、異なるのみである。水平屈曲部３４４は線対称に形成され、実施形態では同一縁辺に配置される屈曲部３４４の互いの屈曲方向が向き合うように形成されている。その他は第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一番号を付して説明を省略する。
この実施形態では、水平方向の可撓性が強いくびれ部３２４を構成することができる。
【００３２】
図９〜図１０は第５実施形態に係る物理量検出装置の平面図と断面図である。第５実施形態の物理量検出装置１０５では、前記突出部３０に設けたくびれ部３２５を湾曲させる代わりに、くびれ部３２５の側縁に縦溝３６を千鳥状に形成して、水平方向にジグザグに屈曲したジグザグ屈曲部３４５を設けたものである。このような実施形態によれば、水平方向の撓み性が良好となり、温度変形の吸収ができ、ハンダ接合部への応力集中を緩和できる。
【００３３】
図１１は第６実施形態に係る物理量検出装置の平面図と断面図である。この第６実施形態に係る物理量検出装置１０６は、突出部３０の基部に形成されたくびれ部３２６を水平面から見てＬ字形状としたものである。したがって、くびれ部３２６はセラミックパッケージ１２の長辺に垂直な部分と水平な部分を有し、ＸＹ平面に沿った形状変形を吸収するのに好適となる。
【００３４】
図１２〜図１４は第７実施形態に係る物理量検出装置１０７の平面図と断面図である。この図ではセラミックパッケージ１２を省略して示している。
この実施形態では、第１の実施形態に係る物理量検出装置に用いられる中継基板構成に加えて、前記セラミックパッケージ１２の周囲を囲む枠部３８を有し、前記突出部３０をこの枠部の外縁に形成するとともに内縁部に前記パッケージ搭載部と繋がるインナー突出部４０を設けた中継基板２０７としたものである。すなわち、セラミックパッケージ１２が搭載されるパッケージ搭載部２２の周囲に間隔を隔てて枠部３８を設け、枠部３８の四隅部分に外方に延在する突出部３０を設け、この突出部３０の下面に外部電極２８を設けたものである。枠部３８とパッケージ搭載部２２とを連絡するために、インナー突出部４０が設けられ、セラミックパッケージ１２を支えるようにしている。枠部３８とインナー突出部４０、並びに外方に延在する突出部３０を連携する脚部４２はパッケージ搭載部２２の肉厚より薄肉に形成され、脚部４２は第１実施形態のくびれ部に相当する。
このような構成では、中継基板２０７の枠部３８の内側と外側でそれぞれ熱膨張・収縮の変化を吸収できる。
【００３５】
図１５〜図１７は第８実施形態に係る物理量検出装置１０８の平面図と断面図である。この図ではセラミックパッケージ１２を省略して示している。
この物理量検出装置１０８は、第７実施形態における脚部４２８を水平面から見てＬ字形状としたものである。したがって、脚部４２８はセラミックパッケージ１２の長辺に垂直な部分と水平な部分を有し、ＸＹ平面に沿った形状変形を吸収するのに好適となる。
【００３６】
図１８〜図２０は第９実施形態に係る物理量検出装置１０９の平面図と断面図である。この図ではセラミックパッケージ１２を省略して示している。
この物理量検出装置１０９は、第７実施形態の変形例であり、セラミックパッケージ１２を搭載するパッケージ搭載部２２を矩形平板により形成するのではなく、インナー突出部４０によって形成している点が相違する。すなわち、中継基板２０９は前記セラミックパッケージ１２の周囲を囲む枠部３８を有し、前記外部電極２８が設けられた突出部３０をこの枠部３８の外縁に形成するとともに、内縁部にはセラミックパッケージ１２の端子１６と電気的接続をなす端子電極２４が設けられたインナー突出部４０を設け、このインナー突出部４０によって前記セラミックパッケージ１２が搭載されるパッケージ搭載部を形成してなる。インナー突出部４０の先端には厚肉のアイランド４４が形成されており、ここにセラミックパッケージ１２を搭載支持するようにしている。
【００３７】
この構成では、セラミックパッケージ１２がインナー突出部４０で支えられた形態となるので、セラミックパッケージ１２の移動自由度が大きくなり、温度変化に起因するハンダ接合部への応力集中緩和効果を高くできる。
【００３８】
図２１〜図２３は第１０実施形態に係る物理量検出装置１０１０の平面図と断面図である。この図ではセラミックパッケージ１２を省略して示している。
この実施形態に係る物理量検出装置１０１０は、第８実施形態と第９実施形態を組み合わせたもので、Ｌ字形状にした脚部４２８の構成とするとともに、パッケージ搭載部２２をインナー突出部４０によって形成したものである。
この構成によれば、中継基板２０１０の可撓性が高く、ハンダ接合部への応力集中防止効果が高い。
【符号の説明】
【００３９】
１０………物理量検出装置、１２………セラミックパッケージ、１４………金属リッド、１６………外部端子（金属パッド）、１８………ガラエポ基板、２０………中継基板、２２………パッケージ搭載部、２４………端子電極、２６………回路配線、２８………外部電極（金属パッド）３０………突出部、３２、３２２〜３２６………くびれ部、３４３………上方屈曲部、３４４………水平屈曲部、３４５………ジグザク屈曲部、３６………縦溝、３８………枠部、４０………インナー突出部、４２………脚部、４４………アイランド

【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量検出素子を含み複数の端子を有するセラミックパッケージと、
前記複数の端子を電気的に接続する端子電極を含むパッケージ搭載部を有し、前記端子電極に電気的に接続され外部への電気的接続のための外部電極を有する中継基板と、を含む物理量検出装置であって、
前記中継基板は、当該中継基板の延在方向に突出する突出部を備え、前記外部電極が前記突出部に形成されることを特徴とする物理量検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物理量検出装置であって、
前記セラミックパッケージと電気的に接続される前記中継基板は、前記セラミックパッケージよりも線膨張係数が大きく、前記物理量検出装置が実装される基板よりも線膨張係数が小さくなるような、線膨張係数を有する材料で構成されていることを特徴とする物理量検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の物理量検出装置であって、
前記突出部は途中に減肉されたくびれ部を設けてなることを特徴とする物理量検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の物理量検出装置であって、
前記くびれ部が、水平方向または垂直方向に屈曲する屈曲部を備えたことを特徴とする物理量検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の物理量検出装置であって、
前記中継基板は前記セラミックパッケージの周囲を囲む枠部を有し、前記突出部をこの枠部の外縁に形成するとともに内縁部に前記パッケージ搭載部と繋がるインナー突出部を設けてなることを特徴とする物理量検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の物理量検出装置であって、
前記中継基板は前記セラミックパッケージの周囲を囲む枠部を有し、前記外部電極が設けられた突出部をこの枠部の外縁に形成するとともに、内縁部にはセラミックパッケージの端子と電気的接続をなす電極が設けられたインナー突出部を設け、このインナー突出部によって前記セラミックパッケージが搭載されるパッケージ搭載部を形成してなることを特徴とする物理量検出装置。

【図１】