JP2014192186A - 圧電／電歪素子及び配線基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】セラミックス基板に対する導電層の密着力を向上可能な圧電／電歪素子及び配線基板を提供する。
【解決手段】圧電／電歪素子１００は、圧電体１０（基板の一例）と、第１密着層２０（密着層の一例）と、第１導電層３０（導電層の一例）と、第１アンカー部４０（アンカー部の一例）と、を備える。圧電体１０は、セラミックスを主成分として含有する。第１密着層２０は、圧電体１０の第１主面１０Ｓ（主面の一例）上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する。第１導電層３０は、第１密着層２０上に形成される。第１アンカー部４０は、第１密着層２０上に形成され第１導電層３０に食い込む。第１アンカー部４０は、ガラスを主成分として含有する。
【選択図】図２
【解決手段】圧電／電歪素子１００は、圧電体１０（基板の一例）と、第１密着層２０（密着層の一例）と、第１導電層３０（導電層の一例）と、第１アンカー部４０（アンカー部の一例）と、を備える。圧電体１０は、セラミックスを主成分として含有する。第１密着層２０は、圧電体１０の第１主面１０Ｓ（主面の一例）上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する。第１導電層３０は、第１密着層２０上に形成される。第１アンカー部４０は、第１密着層２０上に形成され第１導電層３０に食い込む。第１アンカー部４０は、ガラスを主成分として含有する。
【選択図】図２
Description
本発明は、セラミックス基板と導電層を備える圧電／電歪素子及び配線基板に関する。
特許文献１では、有機金化合物と、有機ロジウムと有機ビスマスと有機亜鉛を所定割合で含有する有機金属組成物が開示されている。この有機金属組成物によれば、ガラス質基材の表面に導電層を形成する際の成膜性を向上できるとされている。
しかしながら、特許文献１の有機金属組成物を用いてセラミックス基板上に導電層を形成すると、セラミックス基板に対する導電層の密着力が低いため、導電層が剥離しやすいという問題がある。
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板に対する導電層の密着力を向上可能な圧電／電歪素子及び配線基板を提供することを目的とする。
本発明に係る圧電／電歪素子は、基板と、基板の主面上に形成される密着層と、密着層上に形成される導電層と、密着層上に形成され導電層に食い込むアンカー部と、を備える。基板は、セラミックスを主成分として含有する。密着層は、金属酸化物を主成分として含有する。アンカー部は、ガラスを主成分として含有する。
本発明によれば、セラミックス基板に対する導電層の密着力を向上可能な圧電／電歪素子及び配線基板を提供することができる。
次に、図面を参照しながら、本発明に係る電極構造が適用された圧電／電歪素子について説明する。このような圧電／電歪素子は、インクジェットヘッド用のアクチュエータ、ジャイロセンサ、発振子、或いはインジェクター用アクチュエータなどに利用することができる。
なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（圧電／電歪素子１００の構成）
圧電／電歪素子１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、圧電／電歪素子の構成を示す断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。
圧電／電歪素子１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、圧電／電歪素子の構成を示す断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。
圧電／電歪素子１００は、圧電体１０と、第１密着層２０と、第１導電層３０と、複数の第１アンカー部４０と、第２密着層５０と、第２導電層６０と、複数の第２アンカー部７０と、を備える。
圧電体１０は、第１導電層３０と第２導電層６０の間に配置される。圧電体１０は、板状に形成され、第１主面１０Ｓと第２主面１０Ｔを有する。第１主面１０Ｓ上には第１密着層２０が形成され、第２主面１０Ｔ上には第２密着層５０が配置される。圧電体１０の厚みは、３μｍ〜５００μｍとすることができる。
圧電体１０は、従来用いられている圧電セラミックス材料を主成分として含有する。この圧電セラミックスとしては、鉛系圧電セラミックスのほか、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマスなどが挙げられる。鉛系圧電セラミックスとしては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛などが挙げられる。
特に、第１密着層２０及び第２密着層５０がビスマス（Ｂｉ）や鉛（Ｐｂ）を含有する場合、圧電体１０は、ＢｉやＰｂとの反応性が良好な鉛系圧電セラミックスを主成分として含有すること好ましい。なお、本実施形態において、組成物Ｘが物質Ｙを「主成分として含有する」とは、組成物Ｘ全体のうち、物質Ｙが好ましくは６０重量％以上を占め、より好ましくは７０重量％以上を占め、さらに好ましくは９０重量％以上を占めることを意味する。
また、圧電体１０には、ランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン、セリウム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、イットリウム、タンタル、リチウム、ビスマス、スズの少なくとも１つが添加されていてもよい。例えば、鉛系圧電セラミックスにランタンやストロンチウムを添加することによって、抗電界や圧電特性を調整することができる。
第１密着層２０は、圧電体１０の第１主面１０Ｓ上に形成される。第１密着層２０は、圧電体１０と第１導電層３０に挟まれている。第１密着層２０の厚みは、２ｎｍ〜２００ｎｍとすることができ、５ｎｍ〜１００ｎｍがより好ましい。
第１密着層２０は、第１導電層３０のうち圧電体１０と密着している密着面３０Ｓの略全面を覆っていることが好ましい。ただし、第１密着層２０には局所的に空隙が形成されていてもよく、その空隙において圧電体１０と第１導電層３０は直接接触していてもよい。第１密着層２０による密着面３０Ｓの被覆率は、９０％以上であることが好ましい。
第１密着層２０は、金属酸化物を主成分として含有する。第１密着層２０が含有する金属酸化物は、酸化ビスマス、酸化鉛及び酸化バナジウムの少なくとも１つを含む。この金属酸化物は、圧電体１０が含有するセラミックスと化学結合していことが好ましい。これによって、圧電体１０に対する第１密着層２０の密着力が向上される。
なお、第１密着層２０は、結晶性であってもよい。すなわち、第１密着層２０を構成する粒子は、繰り返し規則正しく配列されていてもよい。
第１導電層３０は、第１密着層２０上に形成される。第１導電層３０は、圧電体１０を挟んで第２導電層６０の反対側に設けられる。第１導電層３０は、圧電／電歪素子１００の電極として機能する。第１導電層３０の厚みは、５０ｎｍ〜５μｍとすることができる。
第１導電層３０は、従来用いられている電極材料を主成分として含有する。このような電極材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及び白金（Ｐｔ）の少なくとも１つ又はこれらの合金が挙げられる。第１導電層３０の平面形状は特に問わないが、矩形、櫛形、丸形などにすることができる。
第１アンカー部４０は、第１密着層２０上に形成され、第１導電層３０に食い込んでいる。第１アンカー部４０は、第１導電層３０の結晶粒の三重点に位置していてもよい。
第１アンカー部４０の断面形状は、半楕円形や半円形やくさび形であればよいが、第１導電層３０の内部に深く食い込んでいることが好ましい。第１アンカー部４０の食い込み深さは、５ｎｍ〜５０ｎｍとすることができる。このような第１アンカー部４０によるアンカー効果によって、第１導電層３０は第１密着層２０に密着する。
第１アンカー部４０は、ガラスを主成分として含有する。このガラスは、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を含んでいることが好ましい。このようなガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２-Ｂ２Ｏ３-ＺｎＯ系ガラス、ＳｉＯ２-Ｂ２Ｏ３-Ｎａ２Ｏ系ガラス、ＳｉＯ２-Ｂ２Ｏ３-Ｋ２Ｏ系ガラス、ＳｉＯ２-Ｂ２Ｏ３-Ａｌ２Ｏ３系ガラスなどが挙げられる。第１アンカー部４０が含有するガラスは、第１密着層２０が含有する金属酸化物と化学結合していることが好ましい。これによって、第１密着層２０に対する第１アンカー部４０の密着力をより向上させることができる。
第１アンカー部４０において、Ｓｉ濃度（重量％）のＢ濃度（重量％）に対する比（以下、重量濃度比という。）は、２．５以上であることが好ましい。
第２密着層５０は、圧電体１０の第２主面２０Ｔ上に形成される。第２密着層５０は、第１密着層２０と同様の構成を有する。第２密着層５０は、第１密着層２０を構成する金属酸化物を主成分として含有する。
第２導電層６０は、第２密着層５０上に形成される。第２導電層６０は、圧電体１０を挟んで第１導電層３０の反対側に設けられる。第２導電層６０は、圧電／電歪素子１００の電極として機能する。第２導電層６０は、第１導電層３０を構成する電極材料を主成分として含有する。
第２アンカー部７０は、第２密着層５０上に形成され、第２導電層６０に食い込んでいる。第２アンカー部７０は、第１アンカー部４０を構成するガラスを主成分として含有する。
（圧電／電歪素子１００の製造方法）
次に、圧電／電歪素子１００の製造方法について説明する。
次に、圧電／電歪素子１００の製造方法について説明する。
まず、圧電セラミックス粉末、ビヒクル、分散剤及び可塑剤からなるグリーンシートを所定温度に加熱して脱脂する。
次に、グリーンシートを電気炉に投入して所定条件（９００℃〜１３００℃、１時間〜１０時間）で焼成して圧電体１０を作製する。
次に、所定割合いの第１密着層２０の金属酸化物、第１導電層３０の電極材料、及び第１アンカー部４０のガラスとなるように、各構成元素の有機金属化合物を有機溶剤に溶解することによって、有機金属化合物のペーストを作製する。同様に、所定割合いの第２密着層５０の金属酸化物、第２導電層６０の電極材料、及び第２アンカー部７０のガラスとなるように、各構成元素の有機金属化合物を有機溶剤に溶解することによって、有機金属化合物のペーストを作製する。
次に、スクリーン印刷法、スピンコート法或いはスプレーコート法などを用いて、有機金属化合物のペーストを圧電体１０の第１及び第２主面１０Ｓ，１０Ｔそれぞれに塗布する。また、必要に応じて、例えばフォトリソ法などにより、ペーストをパターニングしてもよい。なお、このパターニングは有機金属化合物の焼成後に行っても良い。
次に、有機金属化合物のペーストを所定条件（５５０℃〜９００℃、０．１時間〜１時間）で焼成することによって、圧電体１０の第１主面１０Ｓ側に第１密着層２０、第１導電層３０及び第１アンカー部４０が形成され、圧電体１０の第２主面１０Ｔ側に第２密着層５０、第２導電層６０及び第２アンカー部７０が形成される。
（作用及び効果）
圧電／電歪素子１００は、圧電体１０（基板の一例）と、第１密着層２０（密着層の一例）と、第１導電層３０（導電層の一例）と、第１アンカー部４０（アンカー部の一例）と、を備える。圧電体１０は、セラミックスを主成分として含有する。第１密着層２０は、圧電体１０の第１主面１０Ｓ（主面の一例）上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する。第１導電層３０は、第１密着層２０上に形成される。第１アンカー部４０は、第１密着層２０上に形成され第１導電層３０に食い込む。第１アンカー部４０は、ガラスを主成分として含有する。
圧電／電歪素子１００は、圧電体１０（基板の一例）と、第１密着層２０（密着層の一例）と、第１導電層３０（導電層の一例）と、第１アンカー部４０（アンカー部の一例）と、を備える。圧電体１０は、セラミックスを主成分として含有する。第１密着層２０は、圧電体１０の第１主面１０Ｓ（主面の一例）上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する。第１導電層３０は、第１密着層２０上に形成される。第１アンカー部４０は、第１密着層２０上に形成され第１導電層３０に食い込む。第１アンカー部４０は、ガラスを主成分として含有する。
従って、第１アンカー部４０は第１密着層２０に密着し、第１密着層２０は圧電体１０に密着する。また、第１導電層３０は、第１アンカー部４０によるアンカー効果によって第１密着層２０に密着する。このように、第１密着層２０及び第１アンカー部４０を介することによって、圧電体１０に対する第１導電層３０の密着力を向上させることができる。
（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、圧電／電歪素子１００は、第２密着層５０と第２アンカー部７０を備えることとしたが、圧電／電歪素子１００は、第２密着層５０と第２アンカー部７０を備えていなくてもよい。この場合、第２導電層６０は、圧電体１０の第２主面２２Ｔ０Ｔ上に形成されていればよい。
また、上記実施形態においては、密着層２０は、密着層２０の構成元素を含む有機金属化合物のペーストを焼成することによって、圧電体１０と第１導電層３０の間に自然に形成されることとしたが、これに限られるものではない。密着層２０は、密着層２０の構成元素を含むターゲットを用いたスパッタ法などによっても形成することができる。
また、上記実施形態では、本発明に係る電極構造を圧電／電歪素子１００に適用した場合について説明したが、これに限られるものではない。本発明に係る電極構造は、セラミックス基板上に形成された電気配線（導電層の一例）を有する配線基板にも適用可能である。この場合には、電気配線が第１密着層２０と第１導電層３０とを有していればよい。このような配線基板としては、セラミックス基板上にプリント配線が形成されたプリント基板などが挙げられる。このセラミックス基板は、圧電セラミックス材料以外の材料（例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））によって構成することができる。
以下において本発明に係る実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
［サンプルNo.１、３〜２０の作製］
以下のようにして、サンプルNo.１、３〜２０を作製した。
以下のようにして、サンプルNo.１、３〜２０を作製した。
まず、セラミックスにビヒクル、分散剤及び可塑剤を混合したスラリーを用いてグリーンシートを作製した。表１に示す通り、サンプルNo.１，３〜１４，１６〜２０ではＰＴＺを用い、サンプルNo.１５ではＹＳＺ（ＺｒＯ２−６ｗｔ％Ｙ２Ｏ３）を用いた。
次に、グリーンシートを電気炉に投入して、サンプルNo.１，３〜１４，１６〜２０では１２００℃で２時間、サンプルNo.１５では１４００℃で２時間焼成して基板を作製した。
次に、表１に示す割合の有機金属化合物を有機溶剤に溶解することによって、有機金属化合物のペーストを作製した。
次に、スクリーン印刷法を用いて、有機金属化合物のペーストを基板の一主面に塗布した。
次に、有機金属化合物のペーストを７００℃で１０分間焼成して導電層を形成した。これによって、サンプルNo.１、３〜１８では、図３の断面ＳＥＭ画像に示すように、Ａｕ膜と密着層（酸化ビスマス、酸化バナジウム）とＡｕ膜に食い込んだホウケイ酸ガラス粒が形成されていた。一方で、サンプルNo.１９では密着層が形成されず、サンプルNo.２０ではガラス粒が形成されていなかった。
なお、表１に示すように、密着層の厚みはＢｉ又はＶの添加量と相関していた。
［サンプルNo.２の作製］
以下のようにして、サンプルNo.２を作製した。
以下のようにして、サンプルNo.２を作製した。
まず、上述のサンプルNo.１、３〜２０と同様に基板を作製した。
次に、スパッタ法を用いて、基板の一主面上に１０ｎｍ厚のＢｉ２Ｏ３膜を密着層として形成した。
次に、表１に示す割合の有機金属化合物を有機溶剤に溶解することによって、有機金属化合物のペーストを作製した。
次に、スクリーン印刷法を用いて、有機金属化合物のペーストをＢｉ２Ｏ３膜上に塗布した。
次に、有機金属化合物のペーストを７００℃で１０分間焼成して、Ｂｉ２Ｏ３膜上のガラス粒と導電層を形成した。
［引っかき試験による剥離］
各サンプルのＡｕ膜表面を針先で引っかいて、その引っかき傷を光学顕微鏡で確認した。Ａｕ膜の剥離状態を表１にまとめて示す。
各サンプルのＡｕ膜表面を針先で引っかいて、その引っかき傷を光学顕微鏡で確認した。Ａｕ膜の剥離状態を表１にまとめて示す。
図４はサンプルＮｏ．３の傷痕を示す光学顕微鏡写真であり、図５はサンプルＮｏ．４の傷痕を示す光学顕微鏡写真である。また、図６はサンプルＮｏ．１９の傷痕を示す光学顕微鏡写真であり、図７はサンプルＮｏ．２０の傷痕を示す光学顕微鏡写真である。これらの光学顕微鏡では、斜めに走る引っかき傷内の黒色領域がＡｕ膜の剥離した箇所である。
また、図４のサンプルＮｏ．３ではＡｕ膜がほとんど剥離していないのに対して、図５のサンプルＮｏ．４ではサンプルＮｏ．３よりも大きめにＡｕ膜が剥離していた。これは、シリコンの比率を高めることで焼成時のガラス粒の硬さが維持され、ガラス粒をＡｕ膜に深く食い込ませることができたためである。従って、シリコンのホウ素に対する重量濃度比は、２．５以上が好ましいことが分かった。
また、サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．２の引っかき試験では、共に良好な結果が得られた。従って、密着層の形成方法に関わらずＡｕ膜の密着性を向上できることが分かった。
また、サンプルＮｏ．１３とサンプルＮｏ．１４の引っかき試験では、サンプルＮｏ．１３の方が良好な結果であった。これは、酸化バナジウムよりも酸化ビスマスの方がＰＺＴとの密着力が高いためであると考えられる。従って、鉛系セラミックスの基板には酸化ビスマスの密着層が好適であることが分かった。
また、サンプルＮｏ．１３とサンプルＮｏ．１５の引っかき試験では、共に良好な結果が得られた。従って、基板の材料に関わらず、Ａｕ膜の密着性を向上できることが分かった。
また、サンプルＮｏ．１７，１８の引っかき試験でも良好な結果が得られたため、ガラス粒の数が少なくても十分にＡｕ膜の密着性を向上できることが分かった。
また、サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．１６の引っかき試験では、サンプルＮｏ．１の方が良好な結果であった。このことから、密着層（酸化ビスマス）を１０ｎｍ以上の厚みにすることによってＡｕ膜の密着性をより向上できることが分かった。
また、サンプルＮｏ．１０とサンプルNo.1１の引っかき試験では、サンプルＮｏ．１０の方が良好な結果であった。これは、サンプルNo.1１では密着層が厚すぎて、引っかき試験により密着層自体が損傷したためと考えられる。従って、密着層（酸化ビスマス）を１００ｎｍ以下の厚みに制限することによってＡｕ膜の密着性をより向上できることが分かった。
さらに、表１には示されていないが、サンプルＮｏ．１とサンプルＮｏ．１６の断面ＴＥＭ画像を用いて、密着層（酸化ビスマス）によるＡｕ膜の被覆率を測定した。具体的には、Ａｕ膜の基板側表面のうち酸化ビスマスによって覆われている割合を被覆率として算出した。その結果、サンプルＮｏ．１の被覆率は９１％であったが、サンプルＮｏ．１６の被覆率は７８％であった。そして、被覆率と引っかき試験の結果を照らし合わせると、被覆率が高いほどＡｕ膜の密着性を向上できることが分かった。
１０ 圧電体
２０ 第１密着層
３０ 第１導電層
４０ 第１アンカー部
５０ 第２密着層
６０ 第２導電層
７０ 第２アンカー部
２０ 第１密着層
３０ 第１導電層
４０ 第１アンカー部
５０ 第２密着層
６０ 第２導電層
７０ 第２アンカー部
Claims (8)
- セラミックスを主成分として含有する基板と、
前記基板の主面上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する密着層と、
前記密着層上に形成される第１導電層と、
前記密着層上に形成され前記導電層に食い込んでおり、ガラスを主成分として含有するアンカー部と、
前記基板を挟んで前記第１導電層の反対側に配置される第２導電層と、
を備える圧電／電歪素子。 - 前記密着層が含有する金属酸化物は、酸化ビスマス、酸化鉛及び酸化バナジウムの少なくとも１つを含む、
請求項１に記載の圧電／電歪素子。 - 前記アンカー部が含有するガラスは、酸化シリコン及び酸化ホウ素を含む、
請求項１又は２に記載の圧電／電歪素子。 - 前記アンカー部におけるシリコンのホウ素に対する重量濃度比は、２．５以上である、
請求項３に記載の圧電／電歪素子。 - 前記アンカー部は、前記導電層の結晶粒の三重点に位置する、
請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電／電歪素子。 - 前記基板が含有するセラミックスは、鉛系圧電セラミックスである、
請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電／電歪素子。 - 前記導電層は、金、銀、銅及び白金の少なくとも１つを主成分として含有する、
請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電／電歪素子。 - セラミックスを主成分として含有する基板と、
前記基板の主面上に形成され、金属酸化物を主成分として含有する密着層と、
前記密着層上に形成される導電層と、
前記密着層上に形成され前記導電層に食い込んでおり、ガラスを主成分として含有するアンカー部と、
を備える配線基板。
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