JP2004297457A

JP2004297457A - 容量内蔵型圧電共振子及び圧電発振装置

Info

Publication number: JP2004297457A
Application number: JP2003087260A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Eguchi; 知宣江口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】異なる熱膨張係数を有する２種類の圧電共振子及びコンデンサ素子を熱硬化型接着剤層を介して接合しても、その後の加工が問題無く、歩留まりを向上できる容量内蔵型圧電共振子及び圧電発振装置を提供する。
【解決手段】圧電基板１０の両主面に対向する振動電極１１、１２を形成してなる圧電共振子１と、誘電体基板２０の両主面に容量電極２１〜２３を形成してなるコンデンサ素子２とを対向配置するとともに、圧電共振子１とコンデンサ素子２とを、空隙４１、５１、６１を有する熱硬化型接着剤層５を介して接合してなる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量内蔵型圧電共振子及び圧電発振装置に関し、特に、熱膨張係数が異なる圧電共振子とコンデンサ素子を熱硬化型接着剤層を介して接合してなる容量内蔵型圧電共振子及び圧電発振装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、多くの電子機器にはＣＰＵが搭載され、一定の基準信号のもとに動作している。基準信号の発生には、一般的にコルピッツ型発振回路が用いられており、このコルピッツ型発振回路は、図５に示す等価回路のように、インバータＩの両端に並列に帰還抵抗Ｒｆ及び圧電共振子Ｒｅが接続され、圧電共振子ＲｅのＧＮＤ端子間に容量成分Ｃ１及びＣ２が接続され、インバータＩの出力側と圧電共振子Ｒｅの間に異常発振抑制のためダンピング抵抗Ｒｄが接続されて構成されている。
【０００３】
特に、圧電応用商品であるセラミックスレゾネータは、水晶やＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３等の単結晶を用いた発振子に比べ、コストメリットが高いことに加え、発振立ち上がり時間が数十μｓｅｃ〜数百μｓｅｃであり、水晶や単結晶を用いた発振子に比べ２桁程度速く、高速立ち上がりが求められる携帯電話や携帯パソコンなどに広く利用されている。
【０００４】
近年では、高密度実装の点から、回路基板への表面実装（ＳＭＤ）が可能であることに加え、発振回路の簡略化のため、上述の２つの容量成分Ｃ１、Ｃ２と圧電共振子Ｒｅとを１つの電子部品としてなる容量内蔵型圧電共振子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
上述の容量内蔵型圧電共振子は、圧電基板の両主面に互いに対向する振動電極を形成した圧電共振子と、誘電体基板の両主面に容量電極パターンを形成したコンデンサ素子とを対向配置すると共に、その圧電基板の振動電極と誘電体基板の容量電極パターンとを熱硬化型接着剤で接合して構成されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３０３６８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電共振子とコンデンサ素子とを接合させた積層体において、圧電基板と誘電体基板の熱膨張係数が大きく異なる場合に、熱硬化型接着剤に熱をかけて樹脂を硬化すると、硬化後の貼り合わされた圧電基板と誘電体基板が水平面に対して反るという問題があった。
【０００８】
これは、圧電共振子とコンデンサ素子を十分に接合するためには、熱硬化型接着剤との接着面積を大きくする必要があるが、板状の熱硬化型接着剤層で接合すると、接着面積を大きくすることができるものの、矩形板状であるため剛性が大きく、圧電基板と誘電体基板の熱膨張係数差により、その積層体が反るという問題があった。
【０００９】
また、圧電共振子とコンデンサ素子の積層体を粘着シートに貼り付け、ダイシングマシン等でチップの大きさに切断するが、反りが大きいため、粘着シートに貼り付けにくく、無理に貼ろうとすると積層体が割れるといった問題を生じていた。
【００１０】
さらに、圧電基板と誘電体基板の熱膨張係数が異なる場合には、圧電共振子とコンデンサ素子との接合部に残留応力が存在しているため、外部からの応力により接続不良が発生するという問題点を有していた。特に、容量内蔵型圧電共振子を基板等にリフロー半田付けする際に、上記接合部も高温に曝されるが、残留応力が存在しているため、接合部が解除される虞があった。
【００１１】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、異なる熱膨張係数を有する２種類の圧電共振子及びコンデンサ素子を熱硬化型接着剤層を介して接合しても、その後の加工が問題無く、歩留まりを向上できる容量内蔵型圧電共振子及び圧電発振装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の容量内蔵型圧電共振子は、圧電基板の両主面に対向する振動電極を形成してなる圧電共振子と、誘電体基板の両主面に容量電極を形成してなるコンデンサ素子とを対向配置するとともに、前記圧電共振子と前記コンデンサ素子とを、空隙を有する熱硬化型接着剤層を介して接合してなることを特徴とする。
【００１３】
このような内蔵型圧電共振子では、圧電共振子とコンデンサ素子とを、空隙を有する熱硬化型接着剤層を介して接合するため、圧電共振子とコンデンサ素子を充分な接合面積で接合できるとともに、空隙の存在により熱硬化型接着剤層の剛性が低下し、圧電共振子とコンデンサ素子の熱膨張係数差による応力を、熱硬化型接着剤層によりある程度吸収することができ、圧電共振子とコンデンサ素子の積層体の反りや、残留応力を低減できる。
【００１４】
このため、容量内蔵型圧電共振子を基板等にリフロー半田付けする際等に、容量内蔵型圧電共振子に印加される２３０〜２６０℃の高温においてもストレスの発生を減少させることができる。
【００１５】
本発明の容量内蔵型圧電共振子は、４０〜３００℃における圧電共振子の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子の熱膨張係数αｄが異なることを特徴とする。４０〜３００℃における圧電共振子の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子の熱膨張係数αｄの差が１０〜２５×１０^−６／℃であることを特徴とする。このように圧電共振子の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子の熱膨張係数αｄが異なる場合には、特に本発明を好適に用いることができる。
【００１６】
また、本発明の容量内蔵型圧電共振子は、熱硬化型接着剤層の空隙は、所定間隔を置いて複数形成されていることを特徴とする。このような容量内蔵型圧電共振子では、圧電共振子とコンデンサ素子を十分に接合できるとともに、圧電共振子とコンデンサ素子の熱膨張係数差による応力を十分に吸収することができる。
【００１７】
本発明の圧電発振装置は、インバータＩと、帰還抵抗Ｒｆと、上記した容量内蔵型圧電共振子と、ダンピング抵抗Ｒｄからなることを特徴とする。上述した容量内蔵型圧電共振子は、大きな負荷容量を有する小型薄板形状の容量素子の内蔵が可能であり、圧電発振装置の位相量を大きくでき、発振安定性を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の容量内蔵型圧電共振子を図面に基づいて簡単に説明する。図１は本発明の容量内蔵型圧電共振子を示すもので、図２は、図１の容量内蔵型圧電共振子の圧電共振子の記載を省略した平面図である。
【００１９】
容量内蔵型圧電共振子は、図１に示すように圧電共振子１の下面に、コンデンサ素子２の上面を熱硬化型接着剤層５、６で接合して構成されており、圧電共振子１は、圧電基板１０の両主面に、振動電極１１、１２を形成して構成されており、振動電極１１は圧電基板１０の上面に形成され圧電基板１０の一方端部にまで延出され、振動電極１２は圧電基板１０の下面に形成され他方端部にまで延出されている。
【００２０】
圧電基板１０の材質としては、主成分がＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｔｉ、Ｚｒ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５等の圧電セラミック材料、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、四硼酸リチウムなどの単結晶材料などが用いられる。また、振動電極１１、１２は、例えばＡｇ系材料を主成分とする薄膜の導体膜によって形成されている。
【００２１】
一方、コンデンサ素子２は、誘電体基板２０の上下両主面に２つの容量成分を形成するための複数の容量電極２１、２２、２３を形成して構成されており、誘電体基板２０の上面に形成された容量電極２１、２２は、誘電体基板２０の中央部で所定間隔をおいて離間しており、容量電極２１は誘電体基板２０の一方側端部まで延出され、容量電極２２は誘電体基板２０の他方側端部まで延出されている。
【００２２】
容量電極２３は、誘電体基板２０の上面に形成された容量電極２１、２２に対向するように、誘電体基板２０の中央部下面に形成されている。
【００２３】
誘電体基板２０の材質としては、ＰＴ（チタン酸鉛）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢａＴｉＯ_３（チタン酸バリウム）等の誘電体セラミック材料が用いられる。
【００２４】
誘電体基板２０の平面形状は、上述の圧電基板１０の平面形状と同一形状とされており、圧電共振子１とコンデンサ素子２の接合は、圧電共振子１の長さ方向両端部下面を、コンデンサ素子２の長さ方向両端部上面に、熱硬化型接着剤層５、６で接合されている。
【００２５】
具体的に説明すると、圧電基板１０の振動電極１１が形成された部分の下面が、誘電体基板２０の上面に形成された容量電極２１に、熱硬化型接着剤層５で接合されており、圧電基板１０の下面に形成された振動電極１２と、誘電体基板２０の上面に形成された容量電極２２が熱硬化型接着剤層６で接合されている。
【００２６】
圧電共振子１の振動電極１１、１２と、コンデンサ素子２の容量電極２１、２２は、圧電共振子１とコンデンサ素子２の積層体の側面に形成された接続電極３１、３２により、それぞれ電気的に接続されている。
【００２７】
そして、本発明の容量内蔵型圧電共振子では、圧電共振子１とコンデンサ素子２を接合する熱硬化型接着剤層５、６が、長さ方向に所定幅Ｌで形成されており、その熱硬化型接着剤層５、６には空隙４１が複数形成されている。
【００２８】
即ち、熱硬化型接着剤層５、６は、容量内蔵型圧電共振子の長さ方向両端部に、対向するように形成されており、振動電極１１、１２が引き出される方向の両端部が、空隙４１を有する熱硬化型接着剤層５、６を介して、容量電極２１、２２が引き出される方向の両端部に接合されている。熱硬化型接着剤層５、６は２液性のものが広く知られている。
【００２９】
熱硬化型接着剤層５、６の幅Ｌは長い方が、圧電共振子１とコンデンサ素子２を強固に接合できるものの、剛性が高くなるため、本願発明では、図２に示すように、熱硬化型接着剤層５、６内部に空隙４１を形成した。
【００３０】
図２は、圧電共振子１とコンデンサ素子２を貼り合わせた後、圧電共振子１を取り除き、圧電共振子１側から見た平面図を示すもので、熱硬化型接着剤層５、６の空隙４１は、圧電共振子１の幅方向Ｗに向けて所定間隔をおいて複数形成されており、空隙４１は熱硬化型接着剤層５、６内に存在している。
【００３１】
このような空隙４１を熱硬化型接着剤層５、６内部に所定間隔をおいて形成することにより、熱硬化型接着剤層５、６による接合幅Ｌを広げたとしても、空隙４１部分では接着していないため、熱硬化型接着剤層５、６は弾性を有しており、圧電共振子１とコンデンサ素子２の熱膨張係数差による応力発生を抑制できる。
【００３２】
熱硬化型接着剤層５、６は、エポキシ樹脂を主成分とする接着剤等、圧電素子の圧電性がなくならない程度の温度で硬化可能であれば良い。また、熱硬化型接着剤層５、６に設けた空隙４１の形状を楕円形状としたが、空隙４１の形状は、図２に記載したものに限定されるものではなく、例えば、四角形状、三角形状等、種々の形状を採用できる。
【００３３】
また、外部回路との電気的結合のため、液晶ポリマーなどの耐熱性に優れた樹脂材料のほか、アルミナ製基板、ガラスエポキシ樹脂など他の絶縁材料よりなる筐体状ケースに封入しても良い。
【００３４】
本発明は、４０〜３００℃における圧電共振子１の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子２の熱膨張係数αｄが異なる場合に好適に用いることができる。特に、４０〜３００℃における圧電共振子１の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子２の熱膨張係数αｄの差が１０〜２５×１０^−６／℃であることが望ましい。
【００３５】
次に本発明の容量内蔵型圧電共振子の製造について説明する。まず、圧電基板１０上に蒸着・スパッタ等により振動電極１１、１２を形成して圧電共振子１を作製するとともに、誘電体基板２０の上下面に容量電極２１〜２３を形成し、コンデンサ素子２を作製する。
【００３６】
そして、コンデンサ素子２の上面に熱硬化型接着剤を所定パターンで付着させ、一方、圧電共振子１の上面に熱硬化型接着剤を所定パターンで付着させ、コンデンサ素子２の上面に圧電共振子１を載置して熱硬化させ、その積層体の側面に接続電極３１、３２を形成することにより得られる。
【００３７】
熱硬化型接着剤層５、６中に空隙４１を形成するには、コンデンサ素子２と圧電共振子１における熱硬化型接着剤の形成パターンを、空隙４１を形成する部分に熱硬化型接着剤を付着させないようにすることにより可能である。
【００３８】
一方、容量内蔵型圧電共振子を多数有するブロック体をチップ形状に切断することにより、容量内蔵型圧電共振子を形成する方法の場合も、上記とほぼ同様にして形成することができる。
【００３９】
即ち、圧電母基板に、対向する振動電極を所定間隔をおいて複数形成し、一方、誘電体母基板に、対向する容量電極を所定間隔をおいて複数形成し、容量電極が形成された誘電体母基板に、熱硬化型接着剤を付着させ、この誘電体母基板に熱硬化型接着剤を介して圧電母基板を接合する。熱硬化型接着剤の硬化後に、この積層体の主面全面にダイシングテープを貼りつけ、これをチップ状にカットすることにより、本発明の容量内蔵型圧電共振子を得ることができる。
【００４０】
尚、上記形態では、図２に示すように、熱硬化型接着剤層５、６中に空隙４１を形成した例について説明したが、本発明は、図３に示すように、熱硬化型接着剤層５、６の対向する側に、即ち内側に向けて開口する空隙５１を、容量内蔵型圧電共振子の幅方向に所定間隔をおいて複数形成しても良い。
【００４１】
この場合には、圧電共振子１とコンデンサ素子２の積層体の側面に接続電極３１、３２を形成する場合であっても、空隙５１により接続電極の形成を妨げることがない。
【００４２】
また、図４に示すように、熱硬化型接着剤層を、長さ方向に所定間隔をおいて形成された２条の接着剤層６０ａ、６０ｂにより構成し、接着剤層６０ａ、６０ｂの間に空隙６１を形成してもよい。この場合には、熱硬化型接着剤の形成パターンを簡単に形成できるため、製造が容易となる。
【００４３】
【実施例】
実施例１
ＰＴを主成分とする熱膨張係数α＝−１０．０×１０^−６／℃（４０〜３００℃）の圧電母基板の両主面に、対向する振動電極を所定間隔をおいて複数形成した。圧電母基板は幅３０．７ｍｍ×長さ３０．７ｍｍ×厚み０．１５ｍｍの形状で、長さ方向に２６０〜３００℃で２５ｋＶの直流電圧を２０分印加し分極したものを用いた。
【００４４】
また、ＰＺＴを主成分とする熱膨張係数α＝２．７０×１０^−６／℃（４０〜３００℃）の誘電体母基板の両主面に、対向する容量電極を所定間隔をおいて複数形成した。誘電体母基板は幅３０．７ｍｍ×長さ３０．７ｍｍ×厚み０．２０ｍｍの形状のものを用いた。
【００４５】
上記圧電母基板と誘電体母基板に、エポキシ樹脂を塗布して所定パターンを形成し、この圧電母基板と誘電体母基板を貼り合わせ、２３０℃で硬化させ、複数の容量内蔵型圧電共振子を有する積層体を作製した。
【００４６】
この積層体をダイシングテープへ貼付して切断し、１．５ｍｍ×０．９ｍｍのチップとし、両端面に接続電極を形成して、振動電極と容量電極を電気的に結合し、本発明の容量内蔵型圧電共振子を作製した。
【００４７】
熱硬化型接着剤層は、圧電共振子の長さ方向Ｌの長さを５０μｍとし、図２に示すように、内部に楕円形状の空隙を、圧電共振子の幅方向Ｗに２００μｍの間隔をおいて４個形成した。空隙は、圧電共振子の幅方向Ｗの長さを３０μｍとした。
【００４８】
得られた１００個の容量内蔵型圧電共振子を、厚み滑り振動モードの基本波を用いて、リフロー耐熱性試験を行った。リフロー耐熱性試験は、ピーク温度２３０℃のリフロー炉を連続して３回投入することにより行い、試験後の電気特性をインピーダンスアナライザにて測定した。また、この容量内蔵型圧電共振子をインバータＩ：ＭＣ７４ＨＣＵ０４，帰還抵抗Ｒｆ：１ＭΩ，ダンピング抵抗Ｒｄ２００Ωで構成される発振回路に投入し、電源電圧５Ｖを入力して発振させた。
【００４９】
また、比較例として、熱硬化型接着剤層に空隙を形成することなく、ベタパターンとする以外は、上記と同様にして容量内蔵型圧電共振子を作製し、上記と同様にしてリフロー耐熱性試験を行った。
【００５０】
この結果、本発明の容量内蔵型圧電共振子は、試験投入数１００個に対し、圧電共振子の割れによる電気特性の低下若しくは不発振の試料が３個であったのに対して、比較例の容量内蔵型圧電共振子では、試験投入数１００個に対し、圧電共振子の割れによる電気特性の低下若しくは不発振の試料が１７個見つかった。
【００５１】
実施例２
表１に示す圧電母基板，誘電体母基板を用いる以外は、上記と同様にして、容量内蔵型圧電共振子を作製し、上記と同様の評価を行った。
【００５２】
また、比較例として、熱硬化型接着剤層に空隙を形成することなく、ベタパターンとする以外は、上記と同様にして容量内蔵型圧電共振子を作製し、上記と同様にしてリフロー耐熱性試験を行った。これらの結果を表１に記載した。尚、表１において、ＰＴはチタン酸鉛、ＰＺＴはチタン酸ジルコン酸鉛、ＢＴはチタン酸バリウムを主成分とする磁器を意味し、熱膨張係数は、４０〜３００℃の範囲にける係数であり、単位は×１０^−６／℃である。
【００５３】
【表１】

【００５４】
この１から、本発明の容量内蔵型圧電共振子は、いずれの場合も比較例の容量内蔵型圧電共振子に対し、圧電共振子の割れによる電気特性の低下若しくは不発振の著しく少なかった。
【００５５】
実施例３
圧電母基板と誘電体母基板に、図３、図４に示すような空隙を形成するように、エポキシ樹脂を塗布して所定パターンを形成する以外は、上記実施例１と同様にして容量内蔵型圧電共振子を作製し、評価した。
【００５６】
尚、図３では、熱硬化型接着剤層は、圧電共振子の長さ方向Ｌの長さを５０μｍとし、内部に砲弾形状の空隙５１を、圧電共振子の幅方向Ｗに２００μｍの間隔をおいて４個形成した。空隙５１は、圧電共振子の幅方向Ｗの長さを３０μｍとした。また、図４では、接着剤層６０ａ、６０ｂは、圧電共振子の長さ方向Ｌの長さをそれぞれ２０μｍとし、その間に長さ方向Ｌの長さ２０μｍの空隙６１を形成した。
【００５７】
この結果、図３、図４に示す容量内蔵型圧電共振子は、試験投入数１００個に対し、圧電共振子の割れによる電気特性の低下若しくは不発振の試料が、共に４個であった。
【００５８】
【発明の効果】
以上により、本発明の構成によれば、熱硬化型接着剤層に空隙を設けることにより、熱膨張係数の差によるストレスを軽減することができ、これにより、熱膨張係数の違いによる反りが発生することはなく、また、チップの大きさに切断するのに、その積層体全面をダイシングテープへ貼付して切断するが、両基板が反ることがないため、全面をテープに貼り付けても切断で両基板割れることもなく、また、リフロー等高温に晒されても圧電共振子が割れたりしないため、製品の歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の容量内蔵型圧電共振子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】図１の圧電共振子の記載を省略した状態の平面図である。
【図３】本発明の他の容量内蔵型圧電共振子を示すもので、圧電共振子の記載を省略した状態の平面図である。
【図４】本発明のさらに他の容量内蔵型圧電共振子を示すもので、圧電共振子の記載を省略した状態の平面図である。
【図５】コルピッツ型発振装置の等価回路図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・圧電共振子
２・・・・・・・コンデンサ素子
５、６、６０ａ、６０ｂ・・・熱硬化型接着剤層
１０・・・・・・圧電基板
２０・・・・・・誘電体基板
１１、１２・・・振動電極
２１〜２３・・・容量電極
４１、５１、６１・・・・・空隙部

Claims

圧電基板の両主面に対向する振動電極を形成してなる圧電共振子と、誘電体基板の両主面に容量電極を形成してなるコンデンサ素子とを対向配置するとともに、前記圧電共振子と前記コンデンサ素子とを、空隙を有する熱硬化型接着剤層を介して接合してなることを特徴とする容量内蔵型圧電共振子。
４０〜３００℃における圧電共振子の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子の熱膨張係数αｄが異なることを特徴とする請求項１記載の容量内蔵型圧電共振子。
４０〜３００℃における圧電共振子の熱膨張係数αｐとコンデンサ素子の熱膨張係数αｄの差が１０〜２５×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１又は２記載の容量内蔵型圧電共振子。
熱硬化型接着剤層の空隙は、所定間隔を置いて複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の容量内蔵型圧電共振子。
インバータＩと、帰還抵抗Ｒｆと、請求項１乃至４のうちいずれかに記載の容量内蔵型圧電共振子と、ダンピング抵抗Ｒｄからなることを特徴とする圧電発振装置。