JP2013183211A

JP2013183211A - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP2013183211A
Application number: JP2012044253A
Authority: JP
Inventors: Naoya Nakano; 直哉中野
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12

Abstract

【課題】圧電素子にクラックが生じる可能性を低減させ周波数特性を向上させる圧電素子の提供。
【解決手段】圧電デバイスは、素子搭載用部材１と、素子搭載用部材１に実装された圧電素子２とを含んでいる。素子搭載用部材１は、絶縁基体11と、絶縁基体11上に設けられた複数の実装用パッド12とを含んでいる。圧電素子２は、複数の実装用パッド12のそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプ13によって複数の実装用パッド12に電気的に接続されている。複数の金属バンプ13は、複数の実装用パッド12のそれぞれにおいて平面的に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば携帯電子機器等において用いられる圧電デバイスに関するものである。

例えば携帯電子機器等において用いられる圧電デバイスは、素子搭載用部材と、素子搭載用部材に実装された圧電素子とを含んでいる。素子搭載用部材は、絶縁基体と、絶縁基体上に設けられた複数の実装用パッドとを有している。圧電素子は、導電性を有する接合部材によって複数の実装用パッドに電気的に接続されている。なお、例えば接合部材の硬化時における接合部材の収縮による圧電素子内の残留応力に関する技術課題等を解決するために、接合部材として複数の金属バンプが用いられた構造が提案されている。

特開2000−232332号公報

しかしながら、接合部材として複数の金属バンプが用いられた構造に関しては、例えば圧電素子の実装時における超音波および荷重の印加等によって、圧電素子にクラックが生じる場合があり、圧電素子の周波数特性が低下する可能性があった。

本発明の一つの態様による圧電デバイスは、素子搭載用部材と、素子搭載用部材に実装された圧電素子とを含んでいる。素子搭載用部材は、絶縁基体と、絶縁基体上に設けられた複数の実装用パッドとを含んでいる。圧電素子は、複数の実装用パッドのそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプによって複数の実装用パッドに電気的に接続されている。複数の金属バンプは、複数の実装用パッドのそれぞれにおいて平面的に配置されている。

本発明の一つの態様による圧電デバイスにおいて、圧電素子が、複数の実装用パッドのそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプによって複数の実装用パッドに電気的に接続されており、複数の金属バンプが、複数の実装用パッドのそれぞれにおいて平面的に配置されていることによって、例えば圧電素子にクラックが生じる可能性が低減されており、圧電素子の周波数特性が向上されている。複数の金属バンプが、複数の実装用パッドのそれぞれにおいて平面的に配置されていることによって、例えば圧電素子の実装時における超音波および荷重の印加に際して、圧電素子における応力が直線状に生じる可能性が低減されている。

本発明の実施形態における圧電デバイスを示す分解斜視図および部分拡大平面図である。図１に示された圧電デバイスの縦断面図を示している。圧電デバイスの製造方法を工程毎に順に示す図である。図１に示された圧電デバイスの実装用パッド上における複数の金属バンプの配置に関する変形例を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示されているように、本発明の実施形態における圧電デバイスは、素子搭載用部材１と、素子搭載部材１に搭載された圧電素子２と、圧電素子２を覆うように素子搭載用部材１に接合された蓋部材３とを含んでいる。なお、図１において、圧電デバイスは仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、以下、便宜的に、上方向とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。

素子搭載用部材１は、絶縁基体11と、絶縁基体11の上に設けられた複数の実装用パッド12と、複数の実装用パッド12のそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプ13とを含んでいる。

絶縁基体11は、例えば酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料からなる。絶縁基体11は、例えば酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），シリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ）およびマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法またはカレンダーロール法等を採用してシート状に成形することによってセラミックグリーンシートを得て、次に、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して、必要に応じて複数枚のセラミックグリーンシートを積層し、高温（約1500〜1800℃）で焼成することによって製作される。

絶縁基体11は、圧電素子12を収容するための凹部（すなわち、キャビティ）11ａを有している。凹部11ａは、蓋部材３によって気密に封止される。

複数の実装用パッド12は、凹部11ａの底面に設けられている。図１の部分拡大図に示された例において、複数の実装用パッド12は、仮想のｙ軸方向に配置されている。複数の実装用パッド12は、絶縁基体11用のセラミックグリーンシートにスクリーン印刷法等の印刷手段によって複数の実装用パッド12のメタライズペーストを印刷塗布し、絶縁基体11用の生成形体とともに焼成することによって形成される。

メタライズペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダーおよび有機溶剤、また必要に応じて分散剤等を加えてボールミル，三本ロールミルまたはプラネタリーミキサー等の混練手段によって混合および混練することで作製する。また、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼成後の絶縁基体11との接合強度を高めたりするために、ガラスまたはセラミックスの粉末を添加してもよい。複数の実装用パッド12は、ニッケルめっき層と、ニッケルめっき層上に形成された金めっき層とを有している。

複数の金属バンプ13は、複数の実装用パッド12のそれぞれに設けられている。以下、説明の便宜上、複数の金属バンプ13については、符号13の後にアルファベットのａ〜ｄを付して複数の金属バンプ13ａ〜13ｄとして説明することがある。一つの実装用パッド12に設けられた複数の金属バンプ13ａ〜13ｄは、平面的に配置されている。ここで、“平面的に配置”とは、二次元に配置されていることをいい、図１において、複数の金属バンプ13ａ〜13ｄは、仮想のｘ軸方向およびｙ軸方向に分散して配置されている。複数の金属バンプ13は、例えば金または半田等から成る。

圧電素子２は、例えば水晶振動素子であり、複数の金属バンプ13によって複数の実装用パッド12のそれぞれに電気的に接続されている。圧電素子２は、平板状の圧電基板21と、圧電基板21の下面および上面に設けられた複数の励振電極22と、圧電基板21の下面および上面に設けられており励振電極22にそれぞれ電気的に接続された端子電極23とを含んでいる。圧電基板21は、例えば水晶等の石英材料から成り、平面視で長方形状を有している。複数の励振電極22は、平面視において、それぞれ圧電基板21の中央部に配置されている。複数の端子電極23のそれぞれは、圧電基板21の上面から下面にかけて設けられている。

蓋部材３は、例えば金属材料から成り、四角形の板形状を有している。なお、蓋部材３は、例えばシームリング等を介して素子搭載用部材１に接合されている。

本実施形態の圧電デバイスにおいて、圧電素子２が、複数の実装用パッド12のそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプ13（例えば13ａ〜13ｄ）によって複数の実装用パッド12に電気的に接続されており、複数の金属バンプ13（例えば13ａ〜13ｄ）が、複数の実装用パッド12のそれぞれにおいて平面的に配置されていることによって、例えば圧電素子２にクラックが生じる可能性が低減されており、圧電素子２の周波数特性が向上されている。

複数の金属バンプ13（例えば13ａ〜13ｄ）が、複数の実装用パッド12のそれぞれにおいて平面的に配置されていることによって、例えば圧電素子２の実装時における超音波および荷重の印加に際して、圧電素子２における応力が、平面的に分散されて、直線状に生じる可能性が低減されている。

また、複数の金属バンプ13（例えば13ａ〜13ｄ）が、複数の実装用パッド12のそれぞれにおいて平面的に配置されていることによって、例えば圧電素子２の実装後に圧電デバイスに衝撃が加えられた場合等においても、圧電素子２に加わる力が平面的に分散される。

ここで、圧電デバイスの製造方法の例として、図３を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示す例のように、複数の実装用パッド12が絶縁基体11の上に設けられた素子搭載用部材１を準備する。素子搭載用部材１は、例えば、上述したような絶縁基体11がセラミックから成り、同時焼成によって形成されたメタライズから成る実装用パッド12を有しており、実装用パッド12の表面はめっきにより形成された金皮膜を有する。

次に、図３（ｂ）に示す例のように、素子搭載用部材１の実装用パッド12上に金属バンプ13を形成する。金属バンプ13を形成する方法例としては、例えば、ワイヤボンディングと同じ装置を用いて金（Ａｕ）ワイヤを実装用パッド12上に接続した後、ワイヤの根元から切断し微小突起を形成してする方法がある。

次に、図３（ｃ）に示す例のように、超音波接合によって、圧電素子２の端子電極23を素子搭載用部材１の金属バンプ13に接合する。このときの超音波接合は、圧電素子２を固定した状態で素子搭載用部材１に荷重を印加しながら素子搭載用部材１に水平方向の超音波振動を与えることによって行われるのが好ましい。端子電極23が金属バンプ13に接する状態で治具41によって圧電素子２を固定し、素子搭載用部材１に超音波接合装置のホーン42を当接させて素子搭載用部材１（特に実装用パッド12）に水平方向（図中の白抜き矢印）の超音波振動が加えられる。このように、圧電素子２ではなく素子搭載用部材１から荷重および超音波振動を印加することから、圧電素子２から荷重および超音波振動を印加する場合に比較して圧電素子２に加わる応力を小さくすることができ、圧電素子２にクラックが発生する可能性をより低減することが可能となる。
なお、図３（ｃ）では省略しているが、金属バンプ13の周囲の、圧電素子２と素子搭載用部材１との間にはアンダーフィル樹脂を充填して、端子電極23と金属バンプ13との接合を補強する。アンダーフィル樹脂は、例えば、液状の熱硬化性エポキシ樹脂を注入して硬化させることで充填できる。アンダーフィル樹脂は、熱膨張係数や粘度の調整のためにＳｉＯ_２等の無機フィラーを含んでもよい。
そして、図３（ｄ）に示す例のように、圧電素子２を覆うように素子搭載用部材１に蓋部材３を接合することで、圧電素子２が気密封止された圧電デバイスとなる。蓋部材３の素子搭載用部材１への接合は、ろう材による接合でもよいし、シーム溶接でもよい。

ここから、実装用パッド12上における複数の金属バンプ13の配置に関する変形例について図４を参照して説明する。

図４に示された複数の金属バンプ13の配置に関する変形例において、図１の部分拡大平面図に示された複数の金属バンプ13の配置に関する例と異なる点は、図１の部分拡大平面図に示された例において、複数の金属バンプ13が隣り合う列同士において同じ位置関係に配置されているのに対して、図４に示された変形例においては、複数の金属バンプ13が、隣り合う列同士において互い違いに配置されていることである。図４において、説明の便宜上、複数の金属バンプ13は、符号13の後ろにアルファベットのａ〜ｃおよび符号の１〜３を付して複数の金属バンプ13ａ_１〜13ａ_３、13ｂ_１〜13ｂ_２および13ｃ_１〜13ｃ_３としても示されている。

複数の金属バンプ13は、複数の金属バンプ列13ａ〜13ｃを有している。複数の金属バンプ列13ａ〜13ｃは、複数の金属バンプ13ａ_１〜13ａ_３、13ｂ_１〜13ｂ_２および13ｃ_１〜13ｃ_３を有している。複数の金属バンプ13ａ_１〜13ａ_３、13ｂ_１〜13ｂ_２および13ｃ_１〜13ｃ_３は、隣り合う列13ａ〜13ｃ同士において互い違いに配置されている。

変形例の圧電デバイスにおいて、複数の金属バンプ13ａ_１〜13ａ_３、13ｂ_１〜13ｂ_２および13ｃ_１〜13ｃ_３が、隣り合う列13ａ〜13ｃ同士において互い違いに配置されていることによって、圧電素子２の実装時において応力が発生したり、または圧電素子２の実装後に衝撃が加わったりした場合でも、力が平面的に分散されやすくなり、例えば圧電素子２にクラックが生じる可能性がさらに低減されている。したがって、変形例における圧電デバイスは、圧電素子２の周波数特性がさらに向上されている。

１素子搭載用部材
11 絶縁基体
11ａ凹部
12 実装用パッド
13、13ａ〜13ｄ金属バンプ
２圧電素子
21 圧電基板
22 励振電極
23 端子電極
３蓋部材
41 治具
42 ホーン

Claims

絶縁基体および該絶縁基体上に設けられた複数の実装用パッドを含む素子搭載用部材と、
前記複数の実装用パッドのそれぞれの表面上に設けられた複数の金属バンプによって前記複数の実装用パッドに電気的に接続された圧電素子とを備えており、
前記複数の金属バンプが前記複数の実装用パッドのそれぞれにおいて平面的に配置されていることを特徴とする圧電デバイス。
前記複数の金属バンプが、隣り合う列同士において互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。