JP4674133B2

JP4674133B2 - 水晶及び金からなる複合体の製造方法

Info

Publication number: JP4674133B2
Application number: JP2005224999A
Authority: JP
Inventors: 利彦大家; 明博内海; 哲夫矢野; 宗英勝村; 一正山内; 裕之中井
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2007043453A

Description

本発明は、水晶に金が接合されてなる複合体の製造方法に関する。より詳細には、水晶と金とが高い接合強度で接合されてなる複合体の製造方法に関する。

近年、材質の異なる２つの部材を重ね合わせて接合した複合材料が、様々な分野で広く使用されている。このような複合材料の代表的なものとして、セラミックスと金属との接合体が挙げられる。このセラミックスと金属の接合体は、精密機械部材、電気機器部材、電子機器や光デバイス等に応用されている。特に、水晶と金の接合体は、水晶振動子等に用いられ、非常に広範囲な工業製品に使用されている。

従来、セラミックス部材と金属部材とを接合させる場合、予め、バインダー層として、活性な金属層をセラミックス部材の接合面に形成（メタライズ）し、そこに目的の金属部材を接合する方法が一般的に採用されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の方法では、セラミックスの表面にバインダー層を形成するために、メッキ法や真空蒸着法等によりセラミックス表面に金属層を形成させた後、真空又は還元雰囲気で、高温にすることにより金属をセラミックス中に拡散させることが必要である。

そのため、従来のセラミックス部材と金属部材とを接合させる方法では、バインダー層を形成するための操作が煩雑であり、また、バインダー層としてクロム等の有害金属の使用が必要となる場合がある等の問題点がある。さらに、従来の方法のようにバインダー層を介して得られたセラミックス部材と金属部材との複合材料では、セラミックス部材と金属部材との接合強度が不十分であるという欠点もある。

このような従来技術を背景として、簡便な方法で、しかも優れた接合強度で、材質の異なる二種の部材を接合する新たな技術、特に水晶と金とを接合する新たな技術の開発が望まれている。

特開平５−２４９４３号公報

上記課題に鑑み、本発明の目的は、簡便な方法でしかも優れた接合強度で、水晶と金からなる複合体の製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る、水晶と金との複合体の製造方法は、（１）水晶と金とを接触させる工程と、（２）水晶側からレーザ光を照射して、金の表面温度を金の沸点以上とし、水晶との界面でアブレーションを起こさせることにより、前記金と前記水晶を接合させる工程とを有することを特徴とする。

なお、レーザ光は、可視光であることが好ましい。
また、レーザ光の照射では、１回以上５回以下のパルス照射を行い、且つ１回のパルス照射における照射エネルギーが５０μＪ以上４００μＪ以下であることが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶と金の複合体は、水晶と金を接合させた接合体に限られない。例えば、上記いずれかの方法により、金に水晶を含浸させたものや、仮止め程度に接着させたものなども含む。

本発明の製造方法によれば、水晶に対して、直接、金を接合させることよって、これら両部材が接合された複合体を製造できる。それ故、本発明の製造方法は、バインダー層を設ける工程が不要であり、簡便な工程により実施できる。

また、本発明の製造方法で得られた複合体は、水晶と金との接合強度が高いので、それ自体有用性が高い。例えば、本発明の方法により製造された水晶と金の接合体は、水晶振動子等の構成部材として好適に使用される。

以下に、本発明に係る金と水晶の複合体の製造方法を詳細に説明する。
本発明に係る製造方法によると、水晶が金に直接的に接合されてなる複合体が製造される。

水晶の形状については特に制限されるものではなく、目的製造物である複合体の形状に応じて適宜選定すればよい。

水晶の厚みは、２０ｍｍ以下が好ましく、さらに５ｍｍ以下であることが好ましい。レーザ光の透過率を考慮して、水晶と金との接合面へのレーザ光の照射強度を確保するためである。
一方、水晶自体の強度等を確保するという観点から、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
また、水晶と接合される金の形状については、特に制限されない。例えば、接合される水晶と同一形状であってもよく、また水晶と異なる形状であってもよい。また、接合される金の厚みについても特に制限されるものではないが、通常０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ程度が例示される。

本発明において使用されるレーザ光は、水晶と金との関係で、水晶を透過し、且つ金で吸収されるような波長を有するものが適宜選択される。レーザ光の具体例としては、ＣＯ_２レーザ等の赤外光、エキシマレーザ等の紫外光、ＹＡＧレーザ等の可視領域から紫外領域に亘る光、色素レーザ、半導体レーザ、ファイバーレーザ及びチタンサファイアレーザ等を用いることができる。

本発明の製造方法では、まず、水晶と金とを接触させる（工程（１））。具体的には、当該工程は、製造目的とする複合体の形状・構造に基づいて、水晶と金の接触位置を決定する。

当該工程（１）の実施態様としては、例えば、上記水晶と上記金とを所定の位置関係で重ね合わせる方法が例示される。また例えば、上記水晶と上記金との大きさが異なる場合には、当該工程は、小さい方の部材上に大きい方の部材を所定の位置に置くことにより実施できる。

本発明の製造方法では、上記工程（１）に次いで、水晶側からレーザ光を照射して、金に上記水晶との界面でアブレーションを起こさせることにより、金を水晶に接合させる（工程（２））。

当該工程（２）において、レーザ光の照射により金にアブレーションを起こさせるには、該金の水晶との界面の温度が、瞬間的に該部材の構成材料の沸点以上の温度になるように、レーザ光を照射すればよい。アブレーションを生じさせるための具体的なレーザ照射条件は、使用する金の種類に応じて適宜設定すればよい。例えば、レーザ光の照射エネルギーが、５０μＪ〜４００μＪ／パルス（ただし、１パルスにおける最大ピーク時のレーザ光の放射照度３０ＭＷ／ｍｍ^２〜２４０ＭＷ／ｍｍ^２）となることが好ましい。照射エネルギーが５０μＪ／パルスを下回ると、金の界面で十分にアブレーションを生じさせることができず、十分な接合を行うことができないためであり、逆に照射エネルギーが４００μＪ／パルスを上回ると、接合される水晶自体にクラックが生じるおそれがあるためである。なお、より十分なアブレーションを生じさせるために、レーザ光の照射エネルギーは１００μＪ／パルス以上であることがなお好ましく、水晶にクラックが発生するおそれを低減するために、照射エネルギーは３００μＪ／パルス程度の照射エネルギーであることがなお好ましい。

また、レーザ光の照射は、パルス照射とすることが好ましく、界面への照射回数は、１回〜５回程度が好ましい。パルス照射とすることで界面へのレーザ光の照射エネルギーを調整し易いためである。

このように、金に水晶との界面でアブレーションを起こさせることにより、水晶側の界面に金の構成材料を付着させ、これをアンカーとして水晶に金を直接接合させることができる。

当該工程（２）における金とレーザ光透過性部との接合は、これらの両部材の接触箇所の全てにおいて行ってもよいが、これらの両部材の接触箇所の一部分についてのみ行ってもよい。

次に、本発明に係る製造方法を実施する製造装置について説明する。
図１は、本発明に係る製造方法を実施する製造装置１０の概略側面図である。
製造装置１０は、ステンレス板１１の上面に配置された水晶２１及び金部材２２の界面に対して、レーザ光３１を水晶２１の側から照射することにより、金部材２２にアブレーションを生じさせ、水晶２１と金部材２２とを接合する装置である。

また、製造装置１０は、ステンレス部材１１、保持用部材１３、重り１４、レーザ発振器１５、ビームスプリッタ１６、ハーフミラー１７、集光レンズ１８、及びＣＣＤカメラ１９等で構成される。

ステンレス板１１は、上面の略中央部に凹部１２を有し、その凹部に水晶２１と接合する金部材２２を保持する。また、ステンレス板１１は、レーザ光３１の集光点と水晶２１と金部材２２の界面とが一致するように、水平面内で、互いに直交する２方向に移動可能に構成される。

ステンレス板１１の凹部１２に配置された金部材２２の上部には、水晶２１が配置される。また、水晶２１及び金部材２２がステンレス板１１に対して移動しないように、水晶２１の上部に、ガラスや透明プラスチックといった光透過性部材で造られる保持用部材１３が配置され、更に保持用部材１３の上部に、重り１４が配置される。なお、重り１４は、保持用部材１３の上面から、水晶２１と金部材２２との界面をレーザ光で照射可能なように、その界面付近を覆わない形状、例えば、その界面付近を孔部とした円環等に形成される。また重り１４は、水晶２１及び金部材２２を固定でき、かつ水晶２１及び金部材２２に傷を付けない程度の重量を有するものであればよく、金属材料、樹脂材料、ガラス等で構成することができる。

レーザ発振器１５は、ＹＡＧレーザ等で構成され、水晶２１と金部材２２との界面において金部材２２にアブレーションを生じさせるよう、レーザ光３１を照射する。なお、使用可能なレーザはＹＡＧレーザに限られるものではなく、ＣＯ_２レーザ、半導体レーザ等、上述した各種のレーザを用いることができる。

ビームスプリッタ１６は、レーザ発振器１５から発振されるレーザ光３１の光路上に配置され、レーザ光３１を適当な強度に調整する。

ハーフミラー１７は、ビームスプリッタ１６よりも下流側の光路上に配置され、レーザ光３１を反射し、水晶２１と金部材２２の界面へレーザ光３１を導く。また、その界面の様子を観察可能なように、その界面で反射された光を透過する。

集光レンズ１８は、ハーフミラー１７よりも下流側の光路上に配置され、レーザ光３１を水晶２１と金部材２２の界面にレーザ光３１を集光する。

ＣＣＤカメラ１９は、レーザ光３１の照射位置と水晶２１と金部材２２の界面の位置を一致させるために、水晶２１と金部材２２の界面からの反射光を検出し、その界面近傍の像を観察可能に構成される。

係る構成とすることで、水晶２１と金部材２２との界面にレーザ光を照射し、水晶２１と金部材２２の複合体を製造することができる。

次に、図２を参照しつつ本発明に係る水晶と金の複合体、及びその複合体を有する水晶振動子について説明する。
図２（ａ）は、本発明に係る水晶振動子１の概略上面図であり、図２（ｂ）は、水晶振動子１の概略側面図である。

水晶振動子１は、セラミックス基板２の上面の中央部に、水晶板３及び金バンプ４が接合されてなる接合体５が接合されたものである。

水晶板３は、長手方向６ｍｍ×幅方向３ｍｍ×厚さ０．１６ｍｍの大きさを有する。また水晶板３の長手方向の一方の角部に、直径１００μｍの一対の金バンプ４が接合されている。水晶板３と一対の金バンプ４との接合は、上述した方法によって接合される。さらに一対の金バンプ４は、公知の接合方法によってセラミックス基板１７と接合される。

このように、水晶振動子１は、本発明に係る製造方法によって水晶板３の一端を金バンプ４を通じてセラミックス基板２に固定し、振動可能に構成したものである。

本発明によると、非常に小さい水晶板と金バンプであっても容易に接合することが可能なため、上述したような小型の水晶振動子も簡便に製造することができる。

以下、実施例を挙げて本発明に係る水晶と金の複合体を製造する方法及びその方法により製造された複合体について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

直径１５０μｍの金球上に、水晶板（縦３ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ０．１６ｍｍ）を置いた。次いで、ＹＡＧレーザ発振器（発振波長：２倍高調波５３２ｎｍ、最大出力：約２０ｍＪ）を用いて、金球と水晶板との接触部に対して、水晶板側からパルス光照射を行った。レーザ光による照射エネルギーは、１００μＪ／パルス（１パルスにおけるレーザ光の最大放射照度６０ＭＷ／ｍｍ^２）とし、３パルス連続照射した。

その結果、金球が水晶板上に接合した複合体が得られた。得られた複合体について、接合強度を測定したところ、８５ｍｇであった。また接合部の直径が約５０μｍの略円形状（面積約０．００２０ｍｍ^２）であった。

複合体の製造に用いる金球及び水晶版の大きさ、配置、用いるレーザ発振器は実施例１と同様である。
また実施例２においても、金球と水晶板との接触部に対して、水晶板側からパルス光照射を行った。
ただし、レーザ光による照射エネルギーは、１５０μＪ／パルス（１パルスにおけるレーザ光の最大放射照度９０ＭＷ／ｍｍ^２）とし、３パルス連続照射した。

その結果、金球が水晶板上に接合した複合体が得られた。得られた複合体について、接合強度を測定したところ、１０４ｍｇであった。また接合部の直径が約５０μｍの略円形状（面積約０．００２０ｍｍ^２）であった。

複合体の製造に用いる金球及び水晶版の大きさ、配置、用いるレーザ発振器は実施例１及び実施例２と同様である。
また実施例３においても、金球と水晶板との接触部に対して、水晶板側からパルス光照射を行った。

実施例３では、レーザ光による照射エネルギーを、３００μＪ／パルス（１パルスにおけるレーザ光の最大放射照度１８０ＭＷ／ｍｍ^２）とし、３パルス連続照射した。

その結果、金球が水晶板上に接合した複合体が得られた。得られた複合体について、接合強度を測定したところ、１６３ｍｇであった。また接合部の直径が約５０μｍの略円形状（面積約０．００２０ｍｍ^２）であった。

上述してきたように、本発明によると金と水晶とが強固に接合された複合体を得ることができる。

本発明に係る製造方法を実施する製造装置の概略側面図である。（ａ）は本発明に係る複合体を有する水晶振動子の概略平面図であり、（ｂ）は本発明に係る複合体を有する水晶振動子の概略側面図である。

符号の説明

１水晶振動子
２セラミックス基板
３水晶板
４金バンプ
１０製造装置
１１ステンレス部材
１２凹部
１３保持用部材
１４重り
１５レーザ発振器
１６ビームスプリッタ
１７ハーフミラー
１８集光レンズ
１９ＣＣＤカメラ
２１水晶
２２金部材
３１レーザ光

Claims

水晶及び金からなる複合体の製造方法であって、
（１）前記水晶と前記金とを接触させる工程と、
（２）前記水晶側からレーザ光を照射して、前記金の表面温度を金の沸点以上とし、前記水晶との界面でアブレーションを起こさせることにより、前記金と前記水晶を接合させる工程と、
を有することを特徴とする複合体の製造方法。
前記レーザ光が可視光である、請求項１に記載の複合体の製造方法。
前記レーザ光の照射では、１回以上５回以下のパルス照射を行い、且つ１回のパルス照射における照射エネルギーが５０μＪ以上４００μＪ以下である、請求項１又は請求項２に記載の複合体の製造方法。