JP2011082870A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】積層構造の圧電デバイスの接合時におけるロウ材の濡れ広がりを防止し、ＣＩ値や周波数の変化を防止する圧電デバイスを提供する。
【解決手段】圧電デバイスは、振動領域に形成された励振電極２６Ａと電気的に接続され、外部に電極を引き出すための接続電極２５Ａを有する圧電素子と、前記接続電極２５Ａが金属系ロウ材により電気的に接続される外部電極４４Ａ、４４Ｂを有する基体と、を備えた圧電デバイスであって、前記圧電素子の圧電基板上には、前記励振電極２６Ａと前記接続電極２５Ａとをつなぐ引き出し電極２７Ａが形成され、前記引き出し電極２７Ａの表面には、前記励振電極２６Ａと前記接続電極２５Ａとを隔てるように、前記引き出し電極２７Ａよりも濡れ性の低い材料が形成されると共に、前記引き出し電極２７Ａの表面上の前記材料が前記圧電基板の地肌にまで延出されて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子上に励振電極と電気的に接続された引き出し電極を有し、この引き出し電極と金属系ロウ材で接合される基体を備えた圧電デバイスに関する。

従来、複数の基板を重ねて形成された圧電デバイスがある。図６は従来の圧電デバイスの構成概略図である。（１）に示すように中央の基板１００は上下面を凹状に加工して振動領域１０２を備えた逆メサ形にして、振動領域１０２の上下に内部空間Ｓが形成されている。振動領域１０２の上下面には励振電極１０４が形成され外部電極１０６に接続する引き出し電極１０８と電気的に接続させている。

積層構造の３枚の基板の接着は、振動領域１０２を備えた基板１００を上下面から挟むように上下の基板１１０，１１２の接合面に金／錫などの金属系のロウ材１１４で接合固定している。このときロウ材１１４は内部空間Ｓの外周に沿って塗布した後、加熱溶融して基板同士を接合させている。

このような圧電デバイスは引き出し電極１０８とロウ材１１４とが接触する構造となっており、水晶板を接合するためにロウ材を加熱溶融すると、金／錫などの金属系のロウ材１１４は引き出し電極１０８に濡れ広がって、励振電極１０４までの距離が短い引き出し電極１０８の場合、励振電極１０４まで濡れ広がろうとする虞がある。ロウ材１１４が励振電極１０４に付着すると中央の振動領域１０２の重量が重くなりＣＩ値や周波数が変化して所望の圧電デバイスの特性を得ることができない。

そこで特許文献１では、図６（２）に示すように励振電極２００と引き出し電極２０２とをつなぐ連結電極２０４の表面に金属系ロウ材２０６と濡れ性の悪い凸状の材料２０８が、励振電極２００と引き出し電極２０２とを隔てるように配置させている。このような構成により、金属系ロウ材２０６が振動領域に付着することを防止でき、優れた振動特性を得ることができる。

特開２００６−２５４２１０号公報

しかしながら濡れ性の悪い凸状の材料２０８となるＳｉＯ２は、Ａｕ膜との密着性が悪い。また特許文献１には濡れ性の悪い材料は、連結電極を切断しないようにして、連結電極の表面の幅一杯に被膜するように形成されている。このため、連結電極上に配置したＳｉＯ２膜が落下衝撃等により剥離する虞がある。パッケージ内で剥離したＳｉＯ２膜は、異物となり、励振電極に付着すると、発振周波数が変わり安定した圧電デバイスの特性が得られなくなるという問題がある。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、積層構造の圧電デバイスの接合時におけるロウ材の濡れ広がりを防止するとともに、ＣＩ値や周波数の変化を防止することができる圧電デバイスを提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］振動領域に形成された励振電極と電気的に接続され、外部に電極を引き出すための接続電極を有する圧電素子と、前記接続電極が金属系ロウ材により電気的に接続される外部電極を有する基体と、を備えた圧電デバイスであって、前記圧電素子の圧電基板上には、前記励振電極と前記接続電極とをつなぐ引き出し電極が形成され、前記引き出し電極の表面には、前記励振電極と前記接続電極とを隔てるように、前記引き出し電極よりも濡れ性の低い材料が形成されると共に、前記引き出し電極の表面上の前記材料が前記圧電基板の地肌にまで延出されて形成されていることを特徴とする圧電デバイス。

上記構成により濡れ性の低い材料を圧電基板上の地肌まで延出させて、密着性が高まり、落下衝撃等で剥離してパッケージ内で異物が発生することを防止できる。また励振電極に近い引き出し電極からのロウ材の濡れ広がりを止めることができるので、励振電極に付着することによるＣＩ値や周波数の変化を防止することができる。また接続電極から引き出し電極へのロウ材の濡れ広がりを止めることにより、共晶合金による接合強度を維持することができる。

［適用例２］前記引き出し電極は、前記圧電基板の主面上から下地層、上地層の順に形成されていることを特徴とする適用例１に記載の圧電デバイス。
基板と密着性の高い下地層の上に上地層を形成しているので、引き出し電極が基板から剥離することを防止できる。

［適用例３］前記下地層は、Ｃｒ又はＮｉからなり、前記上地層はＡｕからなる金属膜であることを特徴とする適用例２に記載の圧電デバイス。
基体とＡｕ膜に密着性の良いＣｒ又はＮｉの下地層を用いているので、基体からＡｕ膜の剥離を防止することができる。

［適用例４］前記濡れ性の低い材料が形成される領域の引き出し電極は、下地層が一部露出していることを特徴とする適用例２又は適用例３に記載の圧電デバイス。
上記構成により濡れ性の低い材料と引き出し電極との密着性を高めることができる。従って基板から濡れ性の低い材料が剥離してパッケージ内に異物が発生することを防止できる。

［適用例５］前記上地層の表面に前記下地層と同じ材料からなる最表層を形成し、当該最表層の表面に前記濡れ性の低い材料が形成されていることを特徴とする適用例２又は適用例３に記載の圧電デバイス。
上記構成により濡れ性の低い材料と引き出し電極との密着性を高めることができる。従って基板から濡れ性の低い材料が剥離してパッケージ内に異物が発生することを防止できる。

本発明に係る圧電デバイスの一実施例である圧電振動子を第２保持基板の斜め下方から見た分解斜視図である。 前記圧電振動子の第１保持基板の斜め上方から見た分解斜視図である。 前記圧電振動子の側面から見た断面の模式図である。 接続電極の部分拡大図である。 変形例の凸部の説明図である。 従来の圧電デバイスの構成概略図である。

本発明の圧電デバイスの実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の圧電デバイスの一実施例である圧電振動子の第２保持基板の斜め下方から見た分解斜視図である。図２は前記圧電振動子の第１保持基板の斜め上方から見た分解斜視図である。図３は前記圧電振動子の側面から見た断面の模式図である。

圧電振動子１０は、振動体基板２０と、当該振動体基板２０の両主面を夫々保持する第１保持基板３０と、第２保持基板４０と、第１接合部５０と、第２接合部６０、凸部７０を主な構成要素としている。

圧電素子となる振動体基板２０は、振動体２１と、この振動体２１外周と所定間隔を隔てて振動体２１を囲む枠体２２とから構成されている。振動体２１と枠体２２とは連結部２３Ａ，２３Ｂを介して一体形成されている。なお本実施形態の振動体２１は、枠体２２よりも薄肉に形成されており、連結部２３Ａ，２３Ｂはテーパ状に形成している。振動体２１を中心として連結部２３Ａと対角線上に位置する枠体２２には突出部２４を形成している。連結部２３Ａと突出部２４の裏面（第２保持基板４０側）には、一対の接続電極２５Ａ，２５Ｂが形成されている。振動体２１の表裏面には、一対の励振電極２６Ａ，２６Ｂが対向して形成されている。励振電極２６Ａ，２６Ｂは夫々引き出し電極２７Ａ，２７Ｂを介して振動体基板２０の裏面に対角線上に形成した接続電極２５Ａ，２５Ｂと電気的に接続している。本発明の引き出し電極２７Ａ，２７Ｂは、圧電基板となる振動体基板２０の主面上から下地層、上地層の順に形成されている。下地層は、振動体基盤２０と密着性の良いＣｒ又はＮｉを材質に用いている。一方、上地層はＡｕからなる導電性の金属膜であり、いずれもスパッタリング法などの被膜形成方法により形成することができる。

なお励振電極２６Ｂは、接続電極２５Ａ，２５Ｂが形成された主面の裏面に形成されている。このため、励振電極２６Ｂから引き出された引き出し電極２７Ｂは、連結部２３Ｂの側面を経由して（引き出して）接続電極２５Ａ，２５Ｂが形成された主面の接続電極２５Ｂと接続させている。

図４は接続電極の部分拡大図である。図４（１）は接続電極２５Ａの部分拡大図であり、（２）は接続電極２５Ｂの部分拡大図であり、（３）は（１）のＡ−Ａ線の断面図である。（１）に示すように接続電極２５Ａと励振電極２６Ａの間に形成した引き出し電極２７Ａ上に凸部７０Ａを形成している。凸部７０は、後述する低融点金属層（金属系ロウ材）に対し、引き出し電極２７よりも濡れ性の低い材料であり、また低融点金属層と共晶合金を形成しない材料である。凸部７０は一例としてＳｉＯ２を用いることができる。ここで有機物を用いると加熱の際にガスが発生し、励振電極に付着してＣＩ値や周波数が変化してしまうが、ＳｉＯ２を用いることにより加熱の際にガスが発生することがなく、励振電極に付着することによるＣＩ値や周波数の変化を防止することができる。

凸部７０は、引き出し電極２７の上地層に直接形成すると密着性が弱く剥離し易い。このため（３）に示すように、まず振動体基板２０上の下地層８０、上地層８２からなる引き出し電極２７Ａの上地層８２の上に密着性の高い下地層８４（Ｃｒ又はＮｉ）をスパッタリング法などの被膜形成方法により形成する。ついで、最表層となる下地層８４の上と、振動体基板２０の地肌の両方に接触、換言すれば引き出し電極２７Ａを覆うように（引き出し電極２７と交差する方向）凸部７０Ａをスパッタリング法などの被膜形成方法により形成している。

（２）に示す接続電極２５Ｂも同様に、まず引き出し電極２７Ｂ上に下地層８４をスパッタリング法などの被膜形成方法により形成し最表層とする。ついで最表層と振動体基板２０の地肌に接触するように凸部７０Ｂをスパッタリング法などの被膜形成方法により形成している。

なお実施形態に係る振動体基板２０は、一例として平板状のＡＴカット水晶基板を用いて説明するが、振動体基板２０は水晶以外にもタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の圧電材料、シリコン半導体などの半導体材料、またはその他絶縁体材料などを適用することが可能である。

第１及び第２保持基板３０，４０は、材質に水晶、ガラス或いはセラミック基板を用いることができる。第１及び第２保持基板３０，４０は、熱膨張係数差による内部応力を回避するために振動体基板２０と同質の材料を用いることが好ましい。第１保持基板３０は、前記振動体基板２０の上面を覆う平板基板である。第２保持基板４０は、前記振動体基板２０の下面を支持する平板基板である。基体となる第２保持基板４０は、振動体基板２０の下面に形成した接続電極２５Ａ，２５Ｂと対向する位置に貫通孔４２Ａ，４２Ｂが形成されている。貫通孔４２Ａ，４２Ｂは内部に金属被膜した貫通電極４３Ａ，４３Ｂが形成されている。第２保持基板４０の下面には、外部電極４４Ａ，４４Ｂが形成されている。外部電極４４Ａ，４４Ｂは貫通電極４３Ａ，４３Ｂと電気的に接続させている。

本発明において、第１及び第２接合部５０，６０と、接続電極２５Ａ，２５Ｂ及び貫通電極４３Ａ，４３Ｂは、接合する２つの端子電極の間に配置した金属ロウ材やインサート金属を一時的に溶融・液化した後、前記端子電極の金属の中へ前記金属ロウ材を拡散させて等温凝固することにより接合させる方法、所謂、液相拡散接合法（以下、ＴＬＰ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ）接合と称す）を採用している。

第１及び第２接合部５０，６０は、ＴＬＰ接合により形成された共晶合金である。本実施形態では一例として、第１及び第２接合部５０，６０にＡｕ−Ｉｎ共晶合金を形成している。第１接合部５０は、振動体基板２０と第１保持基板３０の間に形成する膜である。第２接合部６０は、振動体基板２０と第２保持基板４０の間に形成する第１接合部５０と同質の膜である。

第１接合部５０は、第１被接合部材となる第１保持基板３０の下面に形成した下地膜（金属メタライズ）５１及び低融点金属層（ロウ材）５２と、第２被接合部材となる振動体基板２０の上面に形成した接合用金属膜５３から構成されている。

具体的に下地膜５１は、まず第１保持基板３０に水晶基板と密着性の高いＣｒ層を形成し、その後Ａｕとの密着性も高いＣｒ層の上にＡｕ層を積層させて形成してなる２層構造を有する。

低融点金属層５２は、Ａｕ（融点：１０６４度）よりも融点の低いＩｎ（インジウム、融点：１５６度）を用い、Ｉｎ層を下地膜５１の最上層であるＡｕ層の表面上に積層させて形成することができる。

接合用金属膜５３は、前記下地膜５１と同様に、まず振動体基板２０の上面に水晶基板と密着性の高いＣｒ層を形成し、その後Ａｕとの密着性も高いＣｒ層の上にＡｕ層を積層させて形成してなる２層構造を有する。

なお第２接合部６０も同様に、第１被接合部材となる第２保持基板４０の上面に形成した下地膜６１及び低融点金属層６２と、第２被接合部材となる振動体基板２０の下面に形成した接合用金属膜６３から構成されている。

Ａｕ−Ｉｎ共晶合金を形成するプロセスは、具体的に両基板の接合面を重ね合わせて積層体を形成すると、第１接合部５０は、上からＣｒ層、Ａｕ層、Ｉｎ層、Ａｕ層、Ｃｒ層の積層構造となる。そしてＩｎ層の融点（約１５６度）以上の温度、例えば２００度で加熱加圧することにより、Ａｕ層間のＩｎ層を溶融して、ＩｎをＡｕ層間中へ拡散させることにより共晶反応を引き起こし、共晶合金であるＡｕ−Ｉｎを形成させる。

本発明の圧電振動子１０は、第１及び第２接合部５０，６０の接合と同時に、接続電極２５Ａ，２５Ｂと貫通電極４３Ａ，４３Ｂの液相拡散接合法による接合を行っている。接続電極２５と貫通電極４３の間に低融点金属層６２を形成し、第１及び第２の接合部５０，６０の加熱加圧と同時に、Ａｕ層間のＩｎ層が溶融して、ＩｎがＡｕ層間中へ拡散することにより共晶反応を引き起こし、共晶合金であるＡｕ−Ｉｎを形成させることができる。接続電極２５Ａでは、加熱加圧の際、溶融した低融点金属層６２は、接続電極２５Ａから引き出し電極２７Ａを解して励振電極２６Ａへ濡れ広がろうとするが、引き出し電極２７Ａよりも濡れ性の低い凸部７０Ａにより濡れ広がりが止められる。また接続電極２５Ｂでは、溶融した低融点金属層６２が接続電極２５Ｂから引き出し電極２６Ｂへ濡れ広がろうとするが、引き出し電極２７Ｂよりも濡れ性の低い凸部７０Ｂにより濡れ広がりが止められる。

このような構成の本発明の圧電デバイスによれば、濡れ性の低い材料となる凸部が圧電基板の地肌にまで延出されて形成されているため、剥離する虞がない。
また接続電極と励振電極の間の距離が短い引き出し電極では、共晶合金の形成の際に接続電極から引き出し電極へ濡れ広がるロウ材を凸部で止めることができる。従って励振電極に付着することによるＣＩ値や周波数の変化を防止することができる。

また接続電極から引き出し電極へロウ材の流れ込みを防止して、共晶合金の接合強度を維持することができる。従って、接続電極と外部電極との接触不良を防止することができる。

図５は変形例の凸部の部分拡大図である。（１）は引き出し電極の一部を部分的に拡大した平面図であり、（２）は（１）の断面図であり、（３）は凸部を形成した（１）の断面図である。変形例の凸部は（１）、（２）に示すように引き出し電極２７の濡れ性の低い材料が形成される領域９０の上地層８２をレーザ照射、又はフォトリソグラフィによるマスクを形成した後、エッチングにより電気的に切断しないように除去して下地層８０を一部露出させている。その後、上地層８２と振動体基板２０の地肌の両方に接触、換言すれば引き出し電極２７を覆うように（引き出し電極２７と交差する方向）凸部７０Ｃをスパッタリング法などの被膜形成方法により形成している。

また引き出し電極２７の形成の際に、下地層８０を形成し、濡れ性が低い材料が形成される領域９０に予めメッシュ状に上地層８２を形成して下地層８０を一部露出させるように形成することもできる。

このような構成であっても、濡れ性の低い材料となる凸部が圧電基板の地肌にまで延出されて形成されているため、剥離する虞がない。また接続電極と励振電極の間の距離が短い引き出し電極では、共晶合金の形成の際に接続電極から引き出し電極へ流れ込むロウ材を凸部で止めることができる。従って励振電極に付着することによるＣＩ値や周波数の変化を防止することができる。また接続電極から引き出し電極へロウ材の流れ込みを防止して、共晶合金の接合強度を維持することができる。従って、接続電極と外部電極との接触不良を防止することができる。

１０………圧電振動子、２０………振動体基板、２１………振動体、２２………枠体、２３………連結部、２４………突出部、２５………接続電極、２６………励振電極、２７………引き出し電極、３０………第１保持基板、４０………第２保持基板、４２………貫通孔、４３………貫通電極、４４………外部電極、５０………第１接合部、５１………下地膜、５２………低融点金属層、５３………接合用金属膜、６０………第２接合部、６１………下地膜、６２………低融点金属層、６３………接合用金属膜、７０………凸部、８０………下地層、８２………上地層、８４………下地層、９０………領域、１００………基板、１０２………振動領域、１０４………励振電極、１０６………外部電極、１０８………引き出し電極、１１０………基板、１１２………基板、１１４………ロウ材、２００………励振電極、２０２………引き出し電極、２０４………連結電極、２０６………金属系ロウ材、２０８………材料。

Claims (5)

1. 振動領域に形成された励振電極と電気的に接続され、外部に電極を引き出すための接続電極を有する圧電素子と、
   前記接続電極が金属系ロウ材により電気的に接続される外部電極を有する基体と、
   を備えた圧電デバイスであって、
   前記圧電素子の圧電基板上には、前記励振電極と前記接続電極とをつなぐ引き出し電極が形成され、
   前記引き出し電極の表面には、前記励振電極と前記接続電極とを隔てるように、前記引き出し電極よりも濡れ性の低い材料が形成されると共に、
   前記引き出し電極の表面上の前記材料が前記圧電基板の地肌にまで延出されて形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記引き出し電極は、前記圧電基板の主面上から下地層、上地層の順に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記下地層は、Ｃｒ又はＮｉからなり、前記上地層はＡｕからなる金属膜であることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
4. 前記濡れ性の低い材料が形成される領域の引き出し電極は、下地層が一部露出していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧電デバイス。
5. 前記上地層の表面に前記下地層と同じ材料からなる最表層を形成し、当該最表層の表面に前記濡れ性の低い材料が形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の圧電デバイス。

Images