CN102473837A - 金属板与压电体的粘接结构及粘接方法 - Google Patents

金属板与压电体的粘接结构及粘接方法 Download PDF

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Abstract

提供一种压电体与金属板之间的导电性和粘接性优异的粘接结构。在用导电性粘接剂(10)将金属板(1)和压电体(2)的电极(3)进行导电性粘接的粘接结构中，导电性粘接剂(10)包含平均粒子直径为纳米级别的碳黑(12a)，且导电性粘接剂(10)是将碳黑包含在无溶剂类或溶剂类树脂中以便形成平均粒子直径在1μm～50μm的凝聚体(12)的糊料状粘接剂。将导电性粘接剂(10)涂布在金属板和压电体的电极之间，对金属板(1)和压电体(2)进行加热/加压以使碳黑凝聚体(12)变形，来使导电性粘接剂(10)固化。

Description

金属板与压电体的粘接结构及粘接方法
技术领域
本发明涉及如使用于压电微风机(microblower)的驱动体等的压电振动板的、金属板与压电体的粘接结构及粘接方法，
背景技术
作为用于有效地放出在便携式电子设备的壳体内部产生的热量的送风用风机、或用于供给燃料电池中为了发电所需的氧气的送风用风机，已知有压电微风机(参照专利文献1)。压电微风机是利用根据施加电压而进行弯曲振动的振动板的一种泵，具有结构简单、结构又小又薄、且功耗低的优点。
图1表示使用于压电微风机的振动板的一个示例。在图1中，在金属制膜片1上粘接有压电体(压电陶瓷板)2，在压电体2的正面和反面具有电极3、4。一个电极3与膜片1电导通。通过对膜片1与压电体2的电极4之间施加规定交流电压，能使振动板整体进行弯曲振动，且能送出空气。另外，作为振动板，不限于在膜片1上直接粘接压电体2的形式，且可以有如下各种形式：在膜片1上粘接其它金属板、且在该其它金属板上粘接压电体2；或在膜片1的正反两个表面上粘接压电体2等。
图2(a)～(c)表示压电体2的电极3与金属板1(膜片)的粘接结构的示例。
图2(a)是使用不具有导电性辅助剂的粘接剂5的示例，将压电体2与金属板1之间的粘接厚度减薄到极限为止，利用电极3与金属板1的接触(欧姆接触)来获得导通。
图2(b)是将碳球6添加到粘接剂5中作为导电性辅助剂，经由碳球6来获得导电性。碳球6的直径例如约为20μm左右，且不与电极3与金属板1直接导通。
图2(c)是将平均粒子直径为数十nm的碳黑7添加到粘接剂5中作为导电性辅助剂，除了利用压电体2的电极3与金属板1之间的接触的导电性之外，经由碳黑7来获得导电性。
如图2(a)所示，使用不具有导电性辅助剂的粘接剂5的情况下，存在如下问题：在粘接后的潮湿试验中粘接剂膨胀湿润时，电阻值上升(导电性下降)。如图2(b)所示在使用添加了碳球6的粘接剂5的情况下，存在如下问题：在压电体2中容易发生以碳球6作为起点的开裂，且粘接剂变厚，压电体2的振动特性变差。此外，还存在如下问题：由于与电极的接触成为点接触，或最大粒子成为隔离件而小粒子直径的粒子不参与导通，因此电阻值变高。如图2(c)所示在使用了微小粒子直径的碳黑7的情况下，存在如下问题：根据碳黑7的含量，对粘接剂的粘度/触变性的影响大，对操作性/涂布性产生不良影响。而且，还存在如下问题：在粘接后的潮湿试验中粘接剂膨胀湿润时，电阻值上升(导电性下降)。
在专利文献2中，公开了一种导电性粘接剂，该导电性粘接剂用来将储能元件中的活性物质层和集电体之间粘接起来。该粘接剂是含有作为导电材料的碳粉末(例如碳黑)、作为接合剂的树脂、作为溶剂的水的糊料状的导电性粘接剂，碳粉末的初级粒子的重量平均粒子直径在5nm～100nm的范围内，碳粉末量对于碳粉末和树脂的总和量在5～50重量％的范围内，糊料状导电性粘接剂的含水率在70～95重量％的范围内。
图2(d)表示使用专利文献2所示的导电性粘接剂的粘接结构的一个示例。这与图2(c)相同是将作为导电性辅助剂的碳黑7添加到粘接剂5中，电极3与金属板1不直接导通，而是经由碳黑7来获得导电性。由于比图2(c)添加更大量的碳黑7，因此可认为导电性比图2(c)有提高。
然而，若在树脂中含有5～50重量％的大量的5～100nm的碳黑7，则粘接剂的粘度或触变性大大增加，对涂布稳定性(涂布量偏差，涂布后的平整性)产生不良影响。因此，在专利文献2中，通过在糊料中含水(70～95重量％)来解决该问题。因而，在不使用水的反应系统(环氧树脂等)中不能解决上述问题。此外，由于随着碳黑7的含量增大，树脂含量相对减少，因此粘接力下降。而且，由于作为溶剂含有大量的水，因此存在如下问题：粘接剂固化时成为多孔状，容易因吸水而使粘接剂膨胀湿润，长期可靠性不佳。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2008/069266
专利文献2：日本专利特开2001-316655号公报
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的目的在于提供具有良好的导电性和粘接性的、压电体与金属板的粘接结构和粘接方法。
用于解决问题的方法
为了实现上述目的，第一发明提供一种粘接结构，该粘接结构具备：金属板；在面向所述金属板的面上具有电极的压电体；以及导电性粘接剂，该导电性粘接剂包含作为导电辅助剂的碳黑，将所述金属板与压电体的电极进行导电性粘接，该粘接结构的特征在于，固化前的所述导电性粘接剂包含平均粒子直径在纳米级别的碳黑，且所述导电性粘接剂呈糊料状，其中该碳黑包含在无溶剂类或溶剂类树脂中从而形成平均粒子直径为1μm～50μm的凝聚体，在所述金属板与压电体的电极之间涂布所述糊料状的导电性粘接剂，对所述金属板与压电体进行加热/加压，从而在使所述碳黑凝聚体变形的状态下，使所述导电性粘接剂固化。
第二发明提供一种粘接方法，该粘接方法是对于金属板、和在面向所述金属板的面上具有电极的压电体，使用包含作为导电辅助剂的碳黑的导电性粘接剂，来将所述金属板和压电体的电极进行导电性粘接，该粘接方法的特征在于，包括涂布工序，在所述金属板与压电体的电极之间涂布糊料状的所述导电性粘接剂，所述导电性粘接剂包含平均粒子直径为纳米级别的碳黑，且该碳黑包含在无溶剂类或溶剂类树脂中以形成平均粒子直径为1μm～50μm的凝聚体；以及固化工序，在涂布了所述导电性粘接剂之后，对所述金属板与压电体进行加热/加压，从而在使所述碳黑凝聚体变形的状态下，使所述导电性粘接剂固化。
本发明的导电性粘接剂包含平均粒子直径在纳米级别的碳黑，且该导电性粘接剂是该碳黑包含在树脂中从而形成平均粒子直径为1μm～50μm的凝聚体的糊料状。凝聚体，是指碳黑的初级粒子用分子间力等来结合、且成为平均粒子直径在1μm以上的块状。因此，与相同量的碳黑以分散状态包含在树脂中的情况相比，对粘接剂的粘度或触变性的影响较小，且操作性/涂布性较好。凝聚体本身没有刚性，对金属板和压电体进行加热/加压时，由于凝聚体仿照金属板和压电体的凹凸而变形，因此对压电体的破坏较少，且不增加粘接剂厚度，并能赋予导电性。由于金属板与压电体的导通性不仅是经由碳黑获得，还通过金属板和压电体的电极直接接触来获得，因此能获得高导通性(低电阻性)。
本发明的平均粒子直径，可通过如下步骤来求出：例如拍摄粒子体的SEM图像，对获取的图像进行2值化处理来求出粒子体的面积，求出将该面积换算成圆时的直径。用SEM图像既可以拍摄初级粒子，也可以拍摄次级粒子。
如果凝聚体的粒子直径不满1μm，则由于树脂粘度大大增加，因此下限尺寸优选为1μm，另一方面，如果上限尺寸超过50μm，则由于凝聚体的大小比金属板和电极的表面的凹凸要大，因此粘接剂厚度增加。因此，上限尺寸优选设为50μm。
在本发明的优选实施方式中，由于碳黑不是分散状态而是以凝聚体来固化，因此不像现有的利用碳黑的导电性粘接剂那样金属板与压电体的电极全面地导通(各向同性导电性)，而是以岛状分散的状态来导通(各向异性导通性)。即，金属板与电极的相对的方向上有导电性，而在平面方向上没有导电性。由于这种各向异性导电性结构，与以分散状态包含同等量的碳黑的情况相比，碳黑彼此之间的接触概率大大提高，能获得高导电性(低电阻值)。而且，粘接压电体和金属板时，由导电性粘接剂在压电体周围形成倒角(fillet)，如果该倒角的一部分绕回到压电体的上表面侧电极，则有可能发生短路。由于本发明所涉及的导电性粘接剂具有各向异性导电性，因此能可靠地防止如上所述的短路。
作为本发明所涉及的导电性粘接剂，可使用无溶剂类或溶剂类，但是至少要将使用水类溶剂的导电性粘接剂排除在外。无溶剂类是在液体状树脂中添加了碳黑的导电性粘接剂，而溶剂类是在有机溶剂中溶解聚合物、并在其中添加了碳黑的导电性粘接剂。作为无溶剂类树脂例如有环氧树脂，作为溶剂类树脂例如有丙烯酸树脂等。无论对于任何情况，固化状态下不会成为多孔状，从长期可靠性来看时，不容易发生因吸水而导致的粘接剂的膨胀湿润，不会发生导电性下降的问题。
包含在导电性粘接剂中的碳黑的平均粒子直径为纳米级别，例如是5nm～300nm的碳黑。将其添加到树脂中，使得该碳黑的初级粒子在树脂中形成平均粒子直径在1μm～50μm的凝聚体。因此，优选进行适当的分散/混练处理，使碳黑在树脂中形成具有目标粒子直径的凝聚体。
优选对金属板与压电体的电极加压，使得它们之间的距离比凝聚体的平均粒子直径要小。即，使金属板与压电体之间的距离小于糊料状态的导电性粘接剂中的凝聚体的平均粒子直径。由此，大多数凝聚体夹在金属板与压电体的电极之间，能得到可靠的导通性。
包含在导电性粘接剂中的树脂优选使用如下树脂：该树脂在固化状态下组织致密，且耐气候性、耐热性好，粘接后的潮湿试验中也难以膨胀湿润。具体而言，有环氧树脂、丙烯酸树脂、尿烷树脂等。
导电性粘接剂中的碳黑的量优选为对于碳黑和树脂的总和量是1～10重量％。这样，由于碳黑的含量少，因此粘接剂的粘度或触变性降低，操作性/涂布性较好，并且即使碳黑的含量少，但通过制成凝聚体也能获得良好的导通性。
发明的效果
如上所述，根据本发明，由于使用将碳黑添加到无溶剂类或溶剂类树脂中以便形成平均粒子直径在1μm～50μm的凝聚体的糊料状导电性粘接剂，将导电性粘接剂涂布在金属板与压电体的电极之间，通过对金属板和压电体进行加热/加压，来使导电性粘接剂固化，因此，凝聚体仿照金属板和压电体的电极的凹凸来变形，对压电体的破坏少，且不增加粘接剂厚度，并能赋予良好的导电性。此外，由于在碳黑含量少的情况下获得良好的导通性，因此能增加树脂的绝对量，粘接剂粘度或触变性降低，操作性/涂布性较好，并能在金属板和压电体之间取得良好的粘接力。而且，由于树脂不含水，因此具有如下优点：在固化状态下不会变成多孔状，不会因吸水而导致粘接剂的膨胀湿润，能提高长期的可靠性。
附图说明
图1是将压电体与金属板粘接的压电振动板的一个示例的结构图。
图2是表示现有粘接结构的放大截面图。
图3是本发明所涉及的粘接结构的加热/加压前后的截面图。
图4中，(a)是表示凝聚体尺寸和粘接剂粘度之间的关系的图，(b)是表示凝聚体尺寸和粘接厚度之间的关系的图。
图5是用于对使用导电性粘接剂将2片金属板粘接起来的情况下的导电性进行评价的图。
图6是对添加了分散碳黑的情况、以及添加了凝聚碳黑的情况的粘度/触变性、串联电阻的特性进行比较的图。
图7是经由中间板将压电体与金属板粘接的压电振动板的另一示例的结构图。
具体实施方式
图3表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振动板的粘接结构，(a)是加热/加压前的图，(b)是加热/加压后的图。与图1相同，在膜片等金属板1上，经由导电性粘接剂10粘接压电体2，在该压电体的2个表面上具有电极3、4。导电性粘接剂10是例如在环氧树脂等无溶剂类树脂11中添加了平均粒子直径在5nm～300nm(优选为5～100nm)的碳黑12a的糊料状粘接剂，设碳黑12a的添加量相对于碳黑12a和树脂11的总和量为1～10重量％。碳黑12a不作为初级粒子存在于树脂11中，而是以块状存在于树脂11中，以便主要形成平均粒子直径在1μm～50μm的凝聚体12。所谓凝聚体12，是指碳黑12a的初级粒子用分子间力来结合、且其成为1μm以上大小的块状。
在加热/加压之前的阶段中，如图3(a)所示，凝聚体12在树脂11中处于浮游的状态，且不与金属板1或电极3接触。因而，不与金属板1和电极3相导通。由于导电性粘接剂10中包含的碳黑12a的含量较少，树脂11的量较多，因此能降低粘接剂的粘度/触变性，操作性/涂布性较好。
一旦对金属板1和压电体2进行加热/加压，则如图3(b)所示，凝聚体12仿照金属板1和电极3的表面的凹凸而变形，凝聚体12被夹在金属板1和电极3之间。因此，金属板1和电极3可靠地导通。由于碳黑12a不是以分散状态、而是保持凝聚体12的状态来固化，因此金属板1和压电体2的电极3在岛状的多个位置处相导通(各向异性导通性)。由于这种各向异性导电性的导通结构，因此与以分散状态包含同等量的碳黑12a的情况相比，碳黑12a彼此之间的接触概率大大提高，能获得高导电性(低电阻值)。
在图3(b)中，通过对金属板1和压电体2加压而使它们之间的距离d小于凝聚体12的平均粒子直径，金属板1和电极3不仅经由凝聚体12相导通，还能使金属板1和电极3彼此直接接触。因此，两者的导电性进一步提高。另外，在提取出图3(b)的左右方向的规定长度时，可以利用由金属板1的表面和压电体2的电极3的表面所包围的区域(面积)除以规定长度时的值来求出金属板1和压电体2的电极之间的距离d。即，是对于金属板表面的截面曲线的中心线的位置与对于压电体的电极表面的截面曲线的中心线的位置之间的间隔。
图4表示凝聚体尺寸与粘接剂粘度之间的关系(a)、以及凝聚体尺寸与粘接厚度之间的关系(b)。另外，设碳黑的含量为3.0重量％。可从图4(a)得知，如果凝聚体的粒子直径小于1μm，则由于粘接剂的粘度急剧上升，因此凝聚体的粒子直径优选为1μm以上。另一方面，可从图4(b)得知，如果凝聚体的粒子直径增大，则粘接厚度也相应增加，尤其是如果超过50μm，则粘接厚度增加率增大，压电体振动难以传递到金属板，因此产品特性变差。因此，凝聚体的平均粒子直径优选为1～50μm。
图5是用于对使用导电性粘接剂22将2片金属板20、21粘接起来的情况下的导电性进行评价的图。为了进行评价，假定粘接剂厚度有偏差，将直径3μm的绝缘隔离件23夹在中间用导电性粘接剂22来粘接以成为3μm的厚度，并测定金属板20、21之间的串联电阻。表1示出评价结果。另外，设粘接剂中的成分比率是：碳黑3重量％，环氧树脂97重量％。假设碳黑(初级粒子)的平均粒子直径为50nm，凝聚体的平均粒子直径为5μm，球形碳的粒子直径为3μm。
[表1]
  导电性粘接剂   无碳   分散碳   凝聚碳   球形碳
  串联电阻(Ω)   7500   105   10   100
可从表1得知，使用凝聚碳黑(本发明)的情况下，与不含碳黑的情况相比，串联电阻急剧下降是不言而喻的，且与使用分散碳黑或球形碳的情况相比，电阻值也能降低至1/10以下。即，导电性大大提高。
图6的(a)、(b)是对添加了分散碳黑的情况、以及添加了凝聚碳黑的情况的粘度/触变性、串联电阻的特性进行比较的图。(a)是表示碳黑添加量和粘度/触变性之间的关系的图，凝聚碳黑与分散碳黑相比，粘度/触变性相对于碳添加量的变化要小。因此，在设定粘度/触变性的允许线L1的情况下，对于凝聚碳黑能添加更大量的碳。另外，以相同碳添加量进行比较的情况下，由于凝聚碳黑的粘度/触变性更低，因此在粘接剂涂布工序中，能获得良好的涂布稳定性(涂布量偏差、涂布后的平整性)。另一方面，如(b)所示，碳黑添加量和串联电阻呈反比例关系，且在设定规定允许线L2的情况下，凝聚碳黑可用较少添加量而获得期望的电阻值。即，想要获得相同粘度、电阻值时，凝聚碳黑的添加量可以较少。因此，能减少成本。
如上所述，如果总结本发明所涉及的粘接结构的效果，则如下所述。
(a)由于碳黑凝聚体能柔软变形，对粘接剂厚度增加的影响较少。
(b)由于加压粘接时，碳黑凝聚体柔软变形，因此对压电体的破坏较少。
(c)由于碳黑以凝聚体(块状)存在，因此能大大提高碳黑彼此的接触概率，与等同量的碳黑以非凝聚(初级粒子)状态存在的情况相比，能获得高导电效果(各向异性导电性)。
(d)由于在粘接状态下导电性粘接剂具有各向异性导电性，因此即使形成于压电体周围的倒角的一部分绕回至表面侧电极，也能防止短路。
(e)由于碳黑凝聚体能通过柔软变形来应对潮湿试验中的粘接剂膨胀湿润，因此能提高导通可靠性。
(f)与碳黑的初级粒子在树脂中分散的状态相比，树脂流动性高，能大大抑制对粘度/触变性的影响。
本发明所涉及的粘接结构不限于如图1所示在膜片1上直接粘附压电体2的结构，也可以是如图7所示的结构，即在膜片1上粘附金属制的中间板8，在该中间板8上粘附压电体2。在该情况下，本发明所涉及的导电性粘接剂10介于膜片1和中间板9之间、以及中间板9和压电体2之间，但是，如上所述，由于导电性粘接剂10的导电性好且粘接力优异，因此能在压电体2的电极3、中间板9、膜片1之间确保良好的导电性和粘接性。
本发明所涉及的粘接结构中，金属板和压电体的形状是任意的，可以是圆板状、四边形板状、或者圆环状。本发明所涉及的压电振动板，除了适用于输送空气等压缩性流体的压电微风机以外，还可适用于压电风扇、输送水等非压缩性流体的压电微泵、压电扬声器、压电蜂鸣器、压电传感器等。
标号说明
1 膜片(金属板)
2 压电体
3、4 电极
10 导电性粘接剂
11 无溶剂类树脂
12 凝聚体
12a 碳黑

Claims (6)

1.一种粘接结构，该粘接结构具备：金属板；在面向所述金属板的面上具有电极的压电体；以及导电性粘接剂，该导电性粘接剂包含作为导电辅助剂的碳黑，并将所述金属板与压电体的电极进行导电性粘接，该粘接结构的特征在于，
固化前的所述导电性粘接剂包含平均粒子直径在纳米级别的碳黑，且该导电性粘接剂是在无溶剂类或溶剂类树脂中包含该碳黑以便形成平均粒子直径为1μm～50μm的凝聚体的糊料状的导电性粘接剂，
在所述金属板与压电体的电极之间涂布所述糊料状的导电性粘接剂，对所述金属板与压电体进行加热/加压，从而在使所述碳黑凝聚体变形的状态下，使所述导电性粘接剂固化。
2.如权利要求1所述的粘接结构，其特征在于，对所述金属板与压电体加压，使得所述金属板与压电体的电极之间的距离小于所述凝聚体的平均粒子直径。
3.如权利要求1或2所述的粘接结构，其特征在于，处于固化状态的所述导电性粘接剂具有各向异性导电性。
4.如权利要求1至3的任一项所述的粘接结构，其特征在于，所述导电性粘接剂中的碳黑的量相对于碳黑和树脂的总和量是1～10重量％。
5.一种粘接方法，该粘接方法对于金属板、和在面向所述金属板的面上具有电极的压电体，使用包含作为导电辅助剂的碳黑的导电性粘接剂，来将所述金属板和压电体的电极进行导电性粘接，该粘接方法的特征在于，包括：
涂布工序，在所述金属板与压电体的电极之间涂布糊料状的所述导电性粘接剂，所述导电性粘接剂包含平均粒子直径为纳米级别的碳黑，且该碳黑包含在无溶剂类或溶剂类树脂中以形成平均粒子直径为1μm～50μm的凝聚体；以及
固化工序，在涂布了所述导电性粘接剂之后，对所述金属板与压电体进行加热/加压，从而在使所述碳黑凝聚体变形的状态下，使所述导电性粘接剂固化。
6.如权利要求5所述的粘接方法，其特征在于，对所述金属板与压电体加压，使得所述金属板与压电体的电极之间的距离小于所述凝聚体的平均粒子直径。
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