JP6563792B2

JP6563792B2 - 圧電部品

Info

Publication number: JP6563792B2
Application number: JP2015231934A
Authority: JP
Inventors: 俊介毎原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: JP2017098888A

Description

本発明は、発振子として用いられる圧電部品に関するものである。

支持基板と、支持基板の主面上に両端部が固定された圧電素子と、圧電素子を覆うように支持基板の主面上の外周部に取り付けられた蓋体とを備え、支持基板および蓋体の側面には、圧電素子と電気的に接続された側面電極が支持基板の厚み方向に延びて設けられた構成の圧電発振子が知られている。この圧電発振子は、例えばはんだによって側面電極が外部回路基板と電気的に接続されて使用される（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−０８９００３号公報

上記のような圧電発振子は車載部品としても用いられることから、広温度範囲における長期熱サイクルを印加される環境下での機械的強度の高信頼性が要求される。

ところが、従来の圧電発振子は、このような環境下において、外部回路基板とはんだで接続された側面電極の幅方向の端に位置する当該側面電極と支持基板との境界および当該側面電極と蓋体との境界に応力がかかり、側面電極の剥離が生じたり、支持基板または蓋体にクラックが発生したりするおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、広温度範囲における長期熱サイクルを印加される環境下においても、機械的強度の信頼性が高い圧電部品を提供することを目的とする。

本発明の圧電部品は、支持基板と、該支持基板の主面上に搭載された圧電素子と、該圧電素子を覆うように前記支持基板の主面上の外周部に取り付けられた蓋体とを備え、前記支持基板の側面から前記蓋体の側面にかけて側面電極が前記支持基板の厚み方向に延びて設けられており、前記側面電極の幅が前記厚み方向に沿って変化しているとともに前記支持基板と前記蓋体との境界で最も広くなっていることを特徴とする。

本発明によれば、広温度範囲における長期熱サイクルを印加される環境下においても、側面電極と支持基板との境界および側面電極と蓋体との境界にかかる応力が分散され、側面電極の剥離が生じたり、支持基板または蓋体にクラックが発生したりするのを抑制することができ、機械的強度の信頼性が高い圧電部品を得ることができる。

（ａ）は本実施形態の圧電部品の一例の一部省略概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品をＡ−Ａ線で切断した断面図、（ｃ）は（ａ）に示す圧電部品の底面図である。本実施形態の圧電部品の一例の概略側面図である。本実施形態の圧電部品の他の例の概略側面図である。本実施形態の圧電部品の他の例の概略側面図である。

以下、添付図面を参照して、本実施形態の圧電部品の一例を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１（ａ）は本実施形態の圧電部品の一例の一部省略概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す圧電部品をＡ−Ａ線で切断した断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）に示す圧電部品の底面図である。また、図２は本実施形態の圧電部品の一例の概略側面図である。なお、図１（ａ）において一部省略とは、蓋体５を省略していることを意味している。

図１に示す圧電部品は、支持基板１と、支持基板１の主面上に搭載された圧電素子２と、圧電素子２を覆うように支持基板１の主面上の外周部に取り付けられた蓋体５とを備え、支持基板１の側面から蓋体５の側面にかけて側面電極１２５が支持基板１の厚み方向に延びて設けられていて、側面電極１２５の幅が厚み方向に沿って変化している。

支持基板１は、例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの長方形状の平板として形成された誘電体１１を含んでいる。誘電体１１としては、アルミナやチタン酸バリウム等のセラミック材料、及びガラスエポキシ等の樹脂系材料を用いることができる。

支持基板１を構成する誘電体１１の一方の主面（本例では上面）には第１容量電極１２１および第２容量電極１２２が設けられている。この第１容量電極１２１および第２容量電極１２２は、圧電素子２の振動電極２１と電気的に接続されるとともに、後述するグランド電極１２３との間で容量を形成するための電極である。この第１容量電極１２１は支持基板１の長手方向の一方の端部側から中央部に向かって延びて配置され、第２容量電極１２２は支持基板１の長手方向の他方の端部側から中央部に向かって延びて配置されている。

そして、支持基板１の他方の主面（本例では下面）には、誘電体１１を挟んで第１容量電極１２１と第２容量電極１２２とにまたがって対向するグランド電極１２３と、信号入出力のための入出力電極１２４とが設けられている。

さらに、支持基板１の側面には、一方主面（本例では上面）から他方主面（本例では下面）にかけて、第１容量電極１２１または第２容量電極１２２と入出力電極１２４とを電気的に接続する側面電極１２５が設けられている。

本例のように、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが誘電体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド電極１２３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが対向する領域の面積が等しくなるように設定されることにより、それぞれの対向する領域で得られる静電容量が等しくなる。また、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが誘電体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド電極１２３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド電極１２３とが対向する領域を大きくすることができるので、容量を大きく形成することができる。なお、それぞれの対向する領域で得られる静電容量は、圧電部品が接続されてともに発振回路を構成する増幅回路素子の特性によって定められる。

なお、図では、外部回路基板へのはんだ接合などの関係で、支持基板１の側面において、グランド電極１２３に電気的に接続される部位にも側面電極１２６が設けられている。

第１容量電極１２１，第２容量電極１２２，グランド電極１２３，側面電極１２５、１２６の材料としては、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させた導電性樹脂（導電性ペースト）や、それら金属粉末にガラス等の添加物を加えて焼き付けた厚膜導体等を用いることができる。必要に応じてＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっきを形成したものでもよい。

支持基板１の主面上には、圧電素子２が両端部を固定されて搭載されている。具体的には、支持基板１の上に第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられていて、圧電素子２の長手方向の両端部が第１の支持部３１および第２の支持部３２によって支持されるようにして、圧電素子２が振動可能に搭載されている。

第１の支持部３１および第２の支持部３２は、例えば金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させてなる突起状の部位である。例えば、縦、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚みが１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状などに形成される。

また、図１では、第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に導電性接合材４が設けられていて、圧電素子２の両端部の少なくとも下面と第１の支持部３１および第２の支持部３２とが接合されている。なお、第１の支持部３１および第２の支持部３２が導電性を有する材料で形成されているため、圧電素子２の振動電極２１と第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とは、導通されている。このような導電性接合材４としては、例えばはんだや導電性接着剤等が用いられ、はんだであれば、例えば銅，錫，銀からなる鉛を含まない材料等を用いることができ、導電性接着剤であれば、銀，銅，ニッケル等の導電性粒子を７５〜９５質量％含有したエポキシ系の導電性樹脂またはシリコーン系の樹脂を用いることができる。

圧電素子２は、圧電体２２と、圧電体２２の両主面（一方主面および他方主面）にそれぞれ互いに対向するように設けられた振動電極２１とを備える長尺状の圧電素子である。圧電素子２を構成する圧電体２２は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの四角形状の平板に形成されたものである。この圧電体２２は、例えばチタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸ナトリウム，ニオブ酸カリウム，ビスマス層状化合物等を基材とする圧電セラミックスを用いて形成することができる。

また、圧電素子２は、圧電体２２の一方主面および他方主面にそれぞれ互いに対向する領域（交差領域）を有するように配置された振動電極２１を備えている。圧電体２２の一方主面（上側の主面）に設けられた振動電極２１は長手方向の一方の端部から他方の端部側に向けて延びるように設けられ、圧電体２２の他方主面（下側の主面）に設けられた振動電極２１は長手方向の他方の端部から一方の端部側に向けて延びるように設けられ、それぞれ互いに対向する領域を有している。この振動電極２１は、例えば金，銀，銅，アルミニウム等の金属を用いることができ、それぞれ圧電体２２の表面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。そして、図に示すように、圧電素子２の両端面には端面電極２３が設けられており、この端面電極２３および導電性接合材４を介して圧電素子２の振動電極２１が第１容量電極１２１と電気的に接続されているとともに、導電性接合材４を介して圧電素子２の振動電極２１が第２容量電極１２２と電気的に接続されている。

このような圧電素子２は、振動電極２１間に電圧を印加したとき、振動電極２１が対向する領域（交差領域）において、特定の周波数で厚み縦振動もしくは厚みすべり振動の圧電振動を発生させるようになっているものである。

なお、図に示すように、圧電素子２を覆うように支持基板１の主面上の蓋体５が設けられており、当該蓋体５は支持基板１の主面上の外周部に取り付けられている。この蓋体５は、支持基板１の主面（上面）の外周部に、例えばエポキシ系やアクリル系の接着剤、リフロー耐熱性の観点から好ましくはエポキシ系の接着剤で接合されていて、これにより、支持基板１とともに形成した内部空間に収容されている圧電素子２を外部からの物理的な影響や化学的な影響から保護する機能と、支持基板１とともに形成した空間内への水等の異物の浸入を防ぐための気密封止機能を有している。なお、蓋体５の材料として、例えば、ステンレス鋼などの金属、アルミナなどのセラミックス，樹脂，ガラス等を用いることができる。また、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料に無機フィラーを２５〜８０質量％の割合で含有させて支持基板１との熱膨張係数の差を小さくするようにしたものでもよい。

そして、支持基板１の側面から蓋体５の側面にかけて側面電極１２５、１２６が支持基板１の厚み方向に延びて設けられていて、側面電極１２５、１２６の幅が厚み方向に沿って変化している。

外部回路基板と側面電極１２５、１２６とをはんだで電気的および機械的に接続したときに、外部回路基板側から側面電極１２５、１２６を引き剥がすような応力がかかる。ここで、側面電極１２５、１２６と支持基板１との境界および側面電極１２５、１２６と蓋体５との境界はかかる応力が大きくなる。これに対し、側面電極１２５、１２６の幅が厚み方向に沿って変化していることで、側面電極１２５、１２６の幅方向の少なくとも一方の端部、言い換えると支持基板１の厚み方向に延びる側面電極１２５、１２６の両辺のうちの少なくとも一方が、支持基板１の厚み方向（鉛直方向）に一直線に延びる形状とはならなくなる。これにより、応力の発生位置が鉛直方向の直線上に位置しなくなって、応力を分散させることができる。また、単位長さあたりの応力を緩和することもできる。したがって、広温度範囲における長期熱サイクルを印加される環境下においても、側面電極１２５、１２６の剥離が生じたり、支持基板１または蓋体５にクラックが発生したりするのを抑制することができ、機械的強度の信頼性が高い圧電部品を得ることができる。

ここで、側面電極１２５の幅が厚み方向に沿って変化している例としては、厚み方向の一方側から他方側に向かって幅が徐々に広くなっていく形状、正面から見て幅方向の両端部がそれぞれ異なる角度で傾斜している形状、厚み方向の両端部に幅の広くなっている部位を有している形状（いわゆる鼓状）、幅方向の少なくとも一方の端部が湾曲した形状、幅方向の少なくとも一方の端部がうねった形状（曲線状の凹凸を有する形状）、厚み方向の中央部で最も幅が広くなっている形状などが挙げられる。例えば、最も幅の狭い部位における幅は、最も幅の広い部位における幅の５０〜９５％に設定される。具体的には、側面電極１２５、１２６の最も幅の広い部位における幅が１ｍｍの場合に、最も広い部位と最も狭い部位との幅の差は５０〜５００μｍに設定される。

なお、側面電極１２５、１２６の幅としては、短絡を防止しつつ、小型でかつ応力低減により効果的な範囲として、例えば０．２ｍｍから１．２ｍｍの範囲であるのがよい。

ここで、図２に示すように、側面電極１２５、１２６の幅方向の少なくとも一方の端部が湾曲した形状であることが好ましい。また、図３に示すように、側面電極１２５、１２６の幅方向の少なくとも一方の端部が曲線状の凹凸を有する形状であってもよい。なお、図２および図３においては、側面電極１２５、１２６の幅方向の両方の端部が湾曲した形状または曲線状の凹凸を有する形状になっている。このような構成とすることで、応力を様々な方向に向けて分散できるようになるため、より械的強度の信頼性が高い圧電部品とすることができる。

ここで、図４に示すように、側面電極１２５、１２６の幅が支持基板１と蓋体５との境界で最も広くなっていてもよい。支持基板１と蓋体５との接合部位では、側面電極１２５、１２６の接合強度が低下しやすいが、この部位における側面電極１２５、１２６の幅を広くすることで、所望の接合強度を維持することができる。

次に、本実施形態の圧電部品の一例の製造方法について説明する。

まず、支持基板１を作製するための多数個取り基板を作製する。例えば、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなどの原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型し、必要により孔加工を施した後、所定温度で脱脂後、例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成し、所定の厚みに研磨加工を実施する。その後、例えば、銀、ニッケル等の金属粉末とガラスを含む導電性ペーストを印刷し、所定の温度で焼成し、第１容量電極１２１、第２容量電極１２２、グランド電極１２３、側面電極１２５、１２６などを形成して支持基板１を得る。

得られた支持基板１に、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストによる支持部を厚み１μｍ〜１００μｍ程度に形成する。具体的には、第１容量電極１２１の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第１の支持部３１を設けるとともに、第２容量電極１２２の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第２の支持部３２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電磁器（圧電体２２）は、例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型後、焼成し、圧電磁器を得る。得られた圧電磁器の端面に電極を形成し、例えば２５℃〜３００℃の温度にて端面方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２２の上下面に形成される振動電極２１は、得られた圧電体２２に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体２２の上下面に金属膜を被着させ、厚みが１μｍ〜１０μｍ程度のフォトレジスト膜をそれぞれの金属膜上にスクリーン印刷等を用いて形成した後に、フォトエッチングによってパターニングすることによって、形成することができる。パターンニングされた圧電体２２を所定のサイズにダイシング等でカットすることにより圧電素子２が作製される。

そして、導電性接合材４を用いて、圧電素子２を支持基板１の第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に搭載し、固定する。ここで、導電性接合材４が金属粉末を樹脂中に分散させてなる導電性接着剤の場合は、ディスペンサ等を用いてこの導電性接着剤を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に載せ、加熱または紫外線照射により導電性接着剤の樹脂を硬化させればよい。

そして、圧電素子２を覆うようにして、蓋体５の開口周縁面を支持基板１の上面の周縁部に接合する。蓋体５としては複数の凹部を有する多数個取りの集合蓋体シートを用いて、凹部が圧電素子２を覆うようにして集合蓋体シートを多数個取り基板の上に乗せ、蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部を支持基板１の上面の周縁部に接合する。例えば、準備しておいた蓋体５の開口周縁面となる集合蓋体シートの凸部に熱硬化性の絶縁性接着剤を塗布し、蓋体５を支持基板１の上面に載せる。しかる後に、蓋体５または支持基板１を加熱することにより絶縁性接着剤を１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させ、蓋体５を支持基板１の上面に接合する。

最後に、各圧電部品（個片）の境界にそってダイシング等で切断した後、個片となった圧電部品の側面にスクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを印刷し、１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させることで圧電部品を得ることができる。ここで、側面電極１２５、１２６の幅が厚み方向に沿って変化している構成とするには、例えば、所定の形状となる印刷パターンを形成した製版を用いて、スクリーン印刷法により側面電極１２５、１２６を形成すればよい。なお、この後に側面電極１２５、１２６の表面上にＮｉやＡｕ等のめっきを形成してもかまわない。

以上の方法により、本例の圧電部品が作製される。以上のような方法によれば、半田付けにより支持基板１および蓋体５と側面電極１２５、１２６との境界に発生する応力を抑え、高信頼性を発現する圧電部品ができる。

１支持基板
１１誘電体
１２１第１容量電極
１２２第２容量電極
１２３グランド電極
１２４入出力電極
１２５、１２６側面電極
２圧電素子
２１振動電極
２２圧電体
２３端面電極
３１第１の支持部
３２第２の支持部
４導電性接合材
５蓋体

Claims

支持基板と、
該支持基板の主面上に搭載された圧電素子と、
該圧電素子を覆うように前記支持基板の主面上の外周部に取り付けられた蓋体とを備え、前記支持基板の側面から前記蓋体の側面にかけて側面電極が前記支持基板の厚み方向に延びて設けられており、前記側面電極の幅が前記厚み方向に沿って変化しているとともに前記支持基板と前記蓋体との境界で最も広くなっていることを特徴とする圧電部品。
前記側面電極の幅方向の少なくとも一方の端部が湾曲した形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記側面電極の幅方向の少なくとも一方の端部が曲線状の凹凸を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。