JP5449163B2 - 圧電セラミック基板に使用する接合パッド - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、本明細書のすべての参照文献と同様に参照により本出願に組み込まれる２００７年８月３１日に出願された米国仮出願番号６０／９６７，０３３号の出願日の利益を主張する。

本発明は、一般的には圧電基板に関連し、より特定的には圧電基板のための接合パッド及び電極に関連する。

圧電デバイスは多様なシステム及びアプリケーションで用途が見出されている。圧電デバイスは、超音波変換器、水中聴音器、アクチュエーター、モーションコントロール装置、振動発生、インクジェットプリンターで使用されている。

圧電デバイスは圧電デバイスに電源を供給するか、圧電デバイスにより生成された電力を除去するためのインターフェイスを必要とする。

１つのあり得るインターフェイスは、圧電デバイスに１以上の電極の形態の接点物質を取り付けることで提供され得る。従来技術の圧電デバイスでは、スパッタや無電解化学堆積によって堆積され、リードやワイヤを取り付けるために半田付け可能な材料でできた電極が使用されていた。従来技術の電極のいくつかは、ニッケルや金、錫などの材料で形成されていた。

欧州特許出願公開第１７６４８４３号明細書

残念なことに、金は電極に使用するには高価であり、無電解ニッケルはセラミック基板に対する接着強度が低い。

セラミック基板に対する良好な接着性を有し、低コストであり、半田性が優れ、接合パッドからの顕著な制動効果（減衰効果／damping effect）無しに圧電基板が機械的に振動することを許容する圧電基板に使用される接合パッドが必要とされていた。

本発明の特徴の１つは、頂部表面、底部表面及び少なくとも１の側部表面を有する圧電基板を含む圧電装置を提供することである。頂部電極は、頂部表面に配置され、第１開口が頂部電極に位置する。底部電極は底部表面に配置される。

１実施形態では、第１厚膜接合パッドが第１開口に配置され、頂部電極と電気的に接触する。他の実施形態では、第２接合パッドが底部電極に位置する第２開口に配置される。第２接合パッドは底部電極と電気的に接続状態にある。

更なる実施形態では、第２厚膜接合パッドが頂部表面に配置され、第１側部表面に延在する。第２厚膜接合パッドは底部電極と電気的に接続状態にある。

本発明の種々の特徴は以下の記述及び下記の添付図面により最も良く理解される。
図１は、本発明に従う圧電装置の斜視図 図２は、図１の圧電装置の縦方向断面図 図３は、図１の圧電装置の製造工程のフローチャート 図４は、本発明に従う他の実施形態の圧電装置の斜視図 図５は、図４の圧電装置の縦方向断面図 図６は、図４の圧電装置の製造工程のフローチャート

本発明に従う圧電装置１０が図１，２に示されている。

圧電装置１０は、頂部表面１３、底部表面１４及び４つの側部表面又は面１６，１８，２０，２２を有する概略矩形形状の圧電基板１２を含む。基板１２は側部表面（複数）の間の交差部の境界２４（図１）と、頂部表面と側部表面（複数）の間の交差部の境界２６（図１）を規定する。基板１２は更に、対向する長手方向端部２８，３０を規定する。示されてはいないが、基板１２が円形や方形などの他の形状を有し得ることが理解できる。

圧電基板１２は、ＰＺＴの略号で広く知られるチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(ZrTi)O3）や、例えば、水晶やニオブ酸リチウム（lithium niobate）などの他の材料などの多様な圧電セラミック材料から形成することができる。圧電基板１２は、圧電効果を示し、電圧が印加されると基板の全体の形状が変化する。

圧電装置１０は、約０．４００インチの長さ、約０．１００インチの幅、約０．０２５インチの高さの全体的な寸法を有し得る。

薄膜頂部電極４０が頂部表面１３の全領域（すなわち、全長及び全幅）に位置して覆い被さり、薄膜底部電極５０が底部表面１４の全領域（すなわち、全長及び全幅）に位置して覆い被さっている。薄膜電極４０，５０は、ニッケルとバナジウムなどの半田付け不能な金属組成物で形成することができ、又は、ニッケルとクロムの組成物から形成することができる。この組成物は、通常のスパッタリング工程を用いて堆積することができる。頂部電極４０は、対向する長手方向端部４２，４４と、端部４４（図１，２）に隣接して位置する円形孔４６を規定する。底部電極５０は、対向する長手方向端部５２，５４と、端部５４（図１，２）に隣接する円形孔５６を規定する。図示の実施形態では、孔４６，５６は、正反対の関係で配置されている。

円形の厚膜頂部接合パッド６０（図１，２）が孔４６に位置し、基板１２の頂部表面１３のある部分に据え付けられている。円形の厚膜接合パッド７０（図２）が孔５６に位置し、基板１２の底部表面１４のある部分を覆っている。厚膜接合パッド６０，７０は、銀や金、又は、銀とパラジウムなどの組成物などの半田付け可能な材料で形成することができる。この厚膜組成物は、通常の厚膜スクリーニング及び焼成工程を用いて設けることができる。

頂部接合パッド６０は、頂部表面６２、基板１２の頂部表面１３と当接する関係にある底部表面６４、及び、外周表面６６を規定する。底部接合パッド７０は、頂部表面７２、基板１２の底部表面１４と当接する関係にある底部表面７４、及び、外周表面７６を規定する。接合パッド６０，７０は、電極４０，５０よりも厚く、従って、図１，２に示すように隣接する電極４０，５０の頂部表面の上方に延在する。電極４０，５０は、典型的には約７５０オングストロームの厚みを有する。接合パッド６０，７０は、典型的には約３５０μインチの厚みを有する。接合パッド６０，７０は、典型的には約０．０７０インチの直径又は幅を有する。

電極４０，５０は、接合パッド６０，７０と、それらの外周側部板表面６６，７６に沿って接合し、製造工程の間に機械的、電気的接合を形成する。

接合パッド６０，７０により、圧電装置１０を印刷回路基板などの他の外部電気回路に接続することが可能になる。接合パッド６０，７０は、リフロー半田ペーストや導電性接着剤の使用を介して印刷回路基板に接続され得る。

接合パッド６０，７０は厚膜材料／工程を用いて形成されるため、接合パッド６０，７０は、基板１２に対して高い接合強さを有する。小径の厚膜接合パッドを広い薄膜電極との組み合わせで使用することにより、接合パッドによる顕著な制動効果（damping effect）無しに、圧電装置を機械的に振動させることが可能になる。もし全体の電極が厚膜材料で製造されていたならば、厚膜材料の大きい体積が圧電セラミック内での振動エネルギーを制動するように作用し、所望の性能特性を変化させてしまうであろう。

製造工程
圧電装置１０の製造工程１００は図３に示されており、以下の一連の工程を含む。

１．ステップ１０２で、ＰＺＴ基板１２のアレイが最終的な厚みになるように研削又は研磨される。
２．ステップ１０４で、厚膜銀ペースト材料及び通常のスクリーン印刷工程を用いて基板１２の頂部表面１３上に接合パッド６０がスクリーン印刷される。
３．ステップ１０６で、接合パッド６０を乾燥させる。
４．ステップ１０８で、基板１２は炉内に配置され、約摂氏９００度に加熱することで接合パッド６０を焼成し（sinter）、頂部表面１３に接合させる。
５．接合パッド７０を使用する場合であれば、ステップ１１０で、接合パッド７０が厚膜銀ペースト材料及び通常のスクリーン印刷工程を用いて基板１２の底部表面１４上にスクリーン印刷される。
６．ステップ１１２で、接合パッド７０を乾燥させる。
７．ステップ１１４で、基板１２は炉内に配置され、約摂氏９００度に加熱することで接合パッド７０を焼成し、底部表面１４に接合させる。
８．ステップ１１５で、基板１２の頂部表面１３、底部表面１４及び側部表面２０，２２上にシャドウマスクを配置して接合パッド６０，７０を覆う。
９．ステップ１１６で、基板１２はスパッタリングチャンバーに配置され、ＮｉＶ又はＮｉＣｒを表面１３，１４の露出した部分にスパッタ堆積することで電極４０，５０を形成する。
１０．基板１２がアレイとして処理されていた場合は、ステップ１１８で基板１２は個々の部分又は単一体にカットされ得る。

代替実施形態
本発明に従う他の実施形態の圧電装置２００が図４，５に示されている。圧電装置２００は、頂部表面１３、底部表面１４、４つの側部表面１６，１８，２０，２２を有する概略矩形形状の圧電基板１２を含む。基板１２は側部表面（複数）の間の交差部の境界２４（図４）と、頂部表面と側部表面（複数）の間の交差部の境界２６（図４）を規定する。基板１２は、対向する長手方向端部２８，３０を規定する。基板１２は、円形や方形などの他の形状も有し得る。

圧電基板１２は、ＰＺＴの略号で広く知られるチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(ZrTi)O3）などの多様な圧電セラミック材料から形成することができる。圧電基板１２は、水晶やニオブ酸リチウム（lithium niobate）などの他の材料で形成することもできる。圧電基板１２は、圧電効果を示し、電圧が印加されると基板の全体の形状が変化する。

圧電装置２００は、約０．４００インチの長さ、約０．１００インチの幅、約０．０２５インチの高さの全体的な寸法を有し得る。

薄膜頂部電極４０が頂部表面１３上に位置して覆い被さり、薄膜底部電極５０が底部表面１４上に位置して覆い被さっている。薄膜電極４０，５０は、ニッケルとバナジウムなどの半田付け不能な金属組成物で形成することができ、又は、ニッケルとクロムの組成物から形成することができる。この組成物は、通常のスパッタリング工程を用いて堆積することができる。頂部電極４０は、対向する長手方向端部４２，４４と、その端部４４に隣接して形成された円形孔４６を規定する。図４，５の実施形態では、電極４０は、頂部表面１３の全長よりも短い頂部表面１３のある長さに渡って延在しており、従って、電極端部４４は、側部表面２２から離間し、側部表面２２の手前の頂部表面１３上のある位置で終端している。電極５０は、底部表面の全長、全幅に延在している。底部電極５０は、対向する端部５２，５４を規定する。

概略円形の厚膜頂部接合パッド６０が孔４６内に位置し、基板１２の頂部表面１３上に据え付けられている。厚膜接合パッド６０は、銀とパラジウムなどの半田付け可能な金属組成物から形成することができ、又は、銀や金の組成物から形成することができる。頂部接合パッド６０は、頂部表面６２、底部表面６４、及び、外周側部表面６６を規定する。接合パッド６０は、電極４０の頂部表面及び厚みの上方に延在できるだけの厚みを有する。

包込（ラップアラウンド）接合パッド２１０は、頂部表面１３の端部３０及び隣接する側部表面２２の全長及び全幅に位置し、これを覆っている。包込接合パッド２１０は、銀とパラジウムなどの半田付け可能な金属組成物から形成することができ、又は、銀や金の組成物から形成することができる。包込電極２１０は、このように、頂部表面１３に配置された頂部部分２２０と、側部表面２２に配置された側部部分を規定し、底部表面１４の電極５０の末端部分５４と一体になるように終端している。頂部部分２２０は、頂部表面２２２と、頂部表面１３に当接接触する底部表面２２４を規定する。側部部分２３０は、外側表面２３２と、側部表面２２に接触する内側表面２３４を規定する。

電極４０は、パッド２１０、より詳細には、その頂部部分２２０から離間して、電極４０の遠位端４４とパッド２１０の近位端２２５（図５）の間に位置する頂部表面１３の領域に規定される電気絶縁領域又はギャップ又はスペース２４０を規定している。電気絶縁領域２４０は、電極４０を包込接合パッド２１０から電気的に絶縁している。

包込パッド２１０は、電極４０の厚みよりも大きい厚みを有する。電極４０は典型的には約７５０オングストロームの厚みを有する。接合パッド６０は、典型的には約３５０μインチの厚みと、典型的には約０．０７０インチの径又は幅を有する。接合パッド６０の最大径は、電極４０の表面積の約５０パーセント未満であり得る。

電極５０は、典型的には約７５０Åの厚みを有する。包込接合パッド２１０は、典型的には約３５０μインチの厚みを有する。

厚膜組成物は、通常の厚膜スクリーニング及び焼成工程を用いて堆積させ得る。

電極４０は、外周表面６６に沿って接合パッド６０と接続され、製造工程の間に機械的、電気的接合を形成する。上記のように、電極５０は、側部部分２３０に沿って包込接合パッド２１０と接続され、製造工程の間に機械的及び電気的接合を形成する。

接合パッド６０，２１０は、圧電装置２００が印刷回路基板などの他の外部電気回路と接続することを可能にする。接合パッド６０，２１０は、リフロー半田ペーストや導電性接着剤の使用を介して印刷回路基板に取り付けられ得る。

接合パッド６０，２１０は厚膜材料／工程を用いて形成されるため、接合パッド６０，２１０は基板１２への高い接合強度を有する。

基板１２は複数の側面を有する矩形のウェファの形態で示され、接合パッドは円形で示されているが、基板及び接合パッドは、任意の適切な形状に形成し得ることが理解される。例えば、基板は円形であり得、接合パッドは方形であり得る。

製造工程
圧電装置２００の製造工程３００のフローチャートが図６に示されており、以下の１連の工程が含まれる。

１．ステップ３０２で、ＰＺＴ基板１２のアレイが最終的な厚みに研削又は研磨される。
２．ステップ３０４で、厚膜銀ペースト材料及び通常のスクリーン印刷工程を用いて基板１２の頂部表面１３上に接合パッド６０及び接合パッド２１０の頂部部分２２０がスクリーン印刷される。
３．ステップ３０６で、接合パッド６０と接合パッド２１０の頂部部分２２０を乾燥させる。
４．ステップ３０８で、基板１２は炉内に配置され、約摂氏９００度に加熱することで接合パッド６０と接合パッド２１０の頂部部分２２０を焼成し、頂部表面１３に接合させる。
５．ステップ３１０で、厚膜銀ペースト材料及び通常のスクリーン印刷工程を用いて基板１２の側部表面２２に接合パッド２１０の側部部分２３０がスクリーン印刷される。
６．ステップ３１２で、接合パッド２１０の側部部分２３０を乾燥させる。
７．ステップ３１４で、基板１２は炉内に配置され、約摂氏９００度に加熱することで接合パッド２１０の側部部分２３０を焼成し、底部表面１４に接合させる。
８．ステップ３１５で、基板１２の頂部表面１３、底部表面１４及び側部表面２０，２２上にシャドウマスクを配置して接合パッド６０と接合パッド２１０の部分２２０，２３０を覆う。
９．ステップ３１６で、基板１２はスパッタリングチャンバーに配置され、ＮｉＶ又はＮｉＣｒを基板１２の表面１３，１４の露出した部分にスパッタ堆積することで電極４０，５０を形成する。
１０．基板１２がアレイとして処理されていた場合は、ステップ１１８で基板１２は個々の部分又は単一体にカットされる。

結論
これら２つの実施形態を特に参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形態及び詳細の変形をなし得ることを理解するであろう。記述された実施形態は、すべての面において、例示的なものに過ぎず、限定的でないものと考えるべきである。本発明の範囲は、従って、上記説明よりも、むしろ、添付請求の範囲により示される。請求の範囲の意味及び等価な範囲内に入るすべての変形は、請求の範囲に含まれるべきである。

Claims (12)

1. 少なくとも頂部表面及び底部表面を有する圧電基板と、
   前記頂部表面に規定された頂部電極と、
   前記頂部電極に規定された第１の孔と、
   前記底部表面に規定された底部電極と、
   前記第１の孔に配置された第１厚膜接合パッドとを有し、
   前記第１厚膜接合パッドが前記頂部電極と電気的に接触している圧電装置。
2. 前記底部電極に第２の孔が規定されている請求項１に記載の圧電装置。
3. 前記第２の孔に第２厚膜接合パッド配置され、前記第２厚膜接合パッドが前記底部電極と電気的に接触している請求項２に記載の圧電装置。
4. 前記頂部表面に第２厚膜接合パッドが配置されている請求項１に記載の圧電装置。
5. 前記頂部電極が前記頂部表面の全長よりも短い長さだけ延在し、前記第２厚膜接合パッドが前記頂部表面の前記頂部電極に覆われない領域に配置されている請求項４に記載の圧電装置。
6. 前記第２厚膜接合パッドが、前記圧電基板の前記頂部表面及び前記側部表面の１つを包み込んでいる請求項５に記載の圧電装置。
7. 頂部表面、底部表面及び少なくとも１の側部表面を有する圧電基板と、
   前記頂部表面の一部に規定された頂部電極と、
   前記頂部電極に規定された第１の孔と、
   前記底部表面に規定された底部電極と、
   前記第１の孔に配置され、前記頂部電極と電気的に接触する第１厚膜接合パッドと、
   前記頂部表面に配置され、前記側部表面に延在する第２厚膜接合パッドとを有し、
   前記第２厚膜接合パッドが前記底部電極と電気的に接触している圧電装置。
8. 前記第１、第２厚膜接合パッドが前記頂部表面に配置され、相互に離間している請求項７に記載の圧電装置。
9. 前記第２厚膜接合パッドが前記圧電基板の前記頂部表面の端部の上に配置されている請求項７に記載の圧電装置。
10. 少なくとも頂部表面と底部表面を有する圧電基板と、
    前記圧電基板の前記頂部及び底部表面のそれぞれに規定された頂部及び底部電極と、
    前記頂部及び底部電極のそれぞれに規定された第１及び第２の孔と、
    前記第１及び第２の孔のそれぞれに配置され、前記頂部及び底部電極のそれぞれと電気的に接触した第１及び第２厚膜接合パッドとを有する圧電装置。
11. 前記第１及び第２厚膜接合パッドが正反対の関係で配置されている請求項１０に記載の圧電装置。
12. 前記頂部及び底部電極が薄膜材料で形成され、前記第１及び第２厚膜接合パッドの厚みより小さい厚みを有する請求項１０に記載の圧電装置。

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