JP5996433B2 - 圧電コンポーネントに外部電極を接合するためのはんだ材料、及びはんだ材料を有する圧電コンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、圧電コンポーネントに外部電極を接合するためのはんだ材料に関する。このようなコンポーネントは、例えば圧電アクチュエータとし、自動車のインジェクションバルブを作動させるよう組み込むことができる。

特許文献１（欧州特許第０８４４６７８号）に記載されている圧電アクチュエータにおいては、外部電極をベース金属化層にはんだ付けする。

欧州特許第０８４４６７８号明細書

本発明の課題は、圧電コンポーネントに外部電極を接合するためのはんだ材料であって、外部電極に対して可能な限り信頼性が高く、かつ耐久性のある接合が得られる、はんだ材料を得ることにある。

外部電極を圧電コンポーネントに接合するため、はんだ材料を塗布する。本発明によるはんだ材料は、主成分としての錫と、コバルト、タングステン、オスミウム、チタン、バナジウム、鉄及び希土類金属（レアアースメタル）より成る群から選択した少なくとも１つの添加物とを含有する。

このような錫ベースのはんだ材料を使用することにより、外部電極を信頼性高く圧電コンポーネントに接合することができる。このことは、機械的応力が外部電極の剥離につながる場合に、圧電コンポーネントにとっては特に必須である。

本発明によるはんだ材料は、例えば外部電極を圧電アクチュエータに固定するのに適している。圧電アクチュエータは基体を備え、この基体は電圧印加で作動して膨張する。この膨張時に基体の外側面に機械的応力及びクラックを生じる可能性がある。基体に対する外部電極の固定は膨張時の負荷に耐えるものでなければならず、これにより圧電コンポーネントの電気的接触が保証される。

圧電アクチュエータは、例えば多層構造で構成する。基体は、互いに順次積層した圧電層及びこれら圧電層相互間に配置した電極層を備える。圧電層は例えばセラミック材で構成され、電極層は銅ペースト、銀ペースト又は銀−パラジウムペーストで形成される。好適には、圧電層及び電極層は一緒に焼結し、これにより一体的な焼結体を構成する。

好適には、電極層との電気的接触を生ずるため、ベース金属化層を基体の外側面に形成する。このベース金属化層は、例えば基体における互いに対向する２つの外側面に形成することができる。好適には、電極層はベース金属化層の一方まで達するよう交互に配置するため、ベース金属化層の他方に対しては交互に途絶している。このような構成とすることにより、ベース金属化層を介して隣接する電極層相互間に電圧を加えることができる。

ベース金属化層は例えば焼付けたペーストにより形成し、これらペーストは、その主成分として、銅又は銀−パラジウムを含有することができる。さらにこれらペーストには、酸化錫又は二酸化ケイ素などのガラス融剤を含有させてもよく、これにより焼結した基体に対して特に堅固な接合が可能となる。

本発明の実施形態におけるはんだ材料は、ベース金属化層に信頼性高く接合しながらも脱金属化（溶解）を全く引き起こさないよう、又は引き起こしたとしても僅かに留まるよう構成する。このような構成とした場合、はんだ材料を直接ベース金属化層に塗布することができる。上述した添加物として適しているコバルト、タングステン、オスミウム、チタン、バナジウム、鉄及び希土類金属などの高融点金属の使用により、はんだ材料内における拡散現象の遅延が可能となる。これら添加物ははんだ材料の凝固において種晶として機能することにより、微細な粒子構造の生成を可能とする。これにより、ベース金属化層の方向への錫拡散及びベース金属化層の成分に対する錫の反応を回避できる。

好適な実施形態において、半田材料はコバルトを添加物として含有する。本発明によれば、コバルトの使用によりはんだ材料の接合性が特に向上することが明らかになった。好適には、添加物の含有割合は０．０３質量％〜０．１７質量％とする。

本発明における実施形態において、はんだ材料は、さらに、銀、銅、ニッケル及びアンチモンより成る群から選択した少なくとも１つの添加物を含有する。このような添加物により、はんだ材料の融点、脆性及び濡れ性を調節することができる。

さらに本発明のはんだ材料は、高い温度安定性を備える。この温度安定性は、例えば銀及び銅を添加物として使用することで調節することができる。

はんだ材料は、添加物として銀を、例えば２．５質量％〜３．５質量％の割合で含有する。さらに付加的又は代替的に、はんだ材料は添加物として、銅を例えば０．３質量％〜０．７質量％の割合で含有する。

好適なはんだ材料は、主成分としての錫、及び添加物として、銀を２．５質量％〜３．５質量％の割合、銅を０．３質量％〜０．７質量％の割合、さらにコバルトを０．０３質量％〜０．１７質量％の割合で含有するものとする。本発明においては、例えばＳｎ/Ａｇ３/Ｃｕ０．５/Ｃｏ０．１はんだ材料が使用され、このはんだ材料における基準含有割合は銀が３．０質量％、銅が０．５質量％、コバルトが０．１質量％であり、はんだ材料の残りは錫で構成される。

好適には、はんだ材料は鉛フリー（無鉛）とする。特にはんだ材料は、欧州連合が指定する電気・電子機器に使用される特定有害物質の低減に関するＲｏＨＳガイドラインに抵触するものであってはならない。

さらに本発明は、上述したはんだ材料を使用する圧電コンポーネントに関する。この圧電コンポーネントは、圧電層及びこれら圧電層相互間に配置する電極層で構成される基体を備える。基体における外側面の少なくとも一方には、ベース金属化層を形成する。はんだ材料は、このベース金属化層上に塗布する。

好適には、はんだ材料を使用して外部電極をコンポーネントの基体に固定する。外部電極は、例えばワイヤメッシュとして形成する。別の実施形態において、外部電極はいわゆるハープ状導線として形成する。このハープ状導線においては、互いに平行に配置した導線を基体に固定し、これら導線が基体から離間して配置する他の接点に達する。

一実施形態において、はんだ材料はベース金属化層に直接塗布する。これにより、コンポーネントを特に安価に製造することが可能となる。

別の一実施形態においては、ベース金属化層にコーティングを塗布する。好適には、このコーティングははんだ材料の濡れ性を向上させる。はんだ材料は、このコーティング層に塗布する。これにより、特に信頼性の高いはんだ接合が可能となる。

このようなコーティングは、スパッタ法によりベース金属化層に形成することができる。コーティングは、例えば銀、ニッケル、クロム又は銅より成る群から選択した金属を含有する。

基体に対する外部電極の固定においては、外部電極をベース金属化層上に又はベース金属化層のコーティング上に配置する。外部電極は、例えばはんだ材料により被覆される。外部電極を基体に配置した後、加熱によりはんだ材料を溶融させ、これによりベース金属化層又はコーティングとの一体的な結合が実現される。好適には、外部電極ははんだ付けに際して押し付けることにより、省スペース化を図り、かつ信頼性の高い接合が可能となる。

以下、上述した本発明のコンポーネント及びはんだ材料の可能な用途を、概略的かつ縮尺どおりではない図面につき説明する。

ワイヤメッシュ形状とした外部電極を有する圧電コンポーネントを示す横断面図である。 ハープ状導線とした外部電極を有する圧電コンポーネントを示す横断面図である。 圧電コンポーネントに外部電極を固定する第１実施形態を示す横断面図である。 圧電コンポーネントに外部電極を固定する第２実施形態を示す横断面図である。

図１は、圧電アクチュエータとして構成した圧電コンポーネント１の横断面図を示す。圧電コンポーネント１は、互いに順次に積層した圧電層３及び電極層（図示せず）で構成される基体２を備える。圧電層３及び電極層は、積層方向Ｓに沿って互いにに積層し、焼結する。基体２の長手方向軸線は、積層方向Ｓに対応する。

圧電層３の製造には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電セラミック材で構成される薄いフォイルを使用する。電極層の形成は、スクリーン印刷法により金属ペースト、例えば銅ペースト又は銀−パラジウムペーストを、フォイルに塗布することで行うことができる。その後、このようなフォイルを積層し、プレスし、一緒に焼結する。

電極層は、積層方向Ｓに沿って基体２の外側面２１ａ，２１ｂまで交互に達するよう配置し、従って他方の外側面２１ｂ，２１ａに対しては離間している。電極層をこのように配置することにより、基体２内にいわゆる不活性領域３１ａ，３１ｂが存在し、これら不活性領域３１ａ，３１ｂにおいては、積層方向Ｓに沿って隣接する電極層は、異なる極性でオーバーラップしない。不活性領域３１ａ，３１ｂには電圧が加っても、コンポーネント１はわずかにしか膨張しないか又は全く膨張しない。

基体２の対向する外側面２１ａ，２１ｂには、それぞれ不活性領域３１ａ，３１ｂに隣接してワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂの形式とした外部電極を配置する。ワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂは、はんだ材料６ａ，６ｂにより基体２における外側面２１ａ，２１ｂのベース金属化層（図示せず）に固定する。

ワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂは多数の互いに織り合わせた導線７０を有し、これら導線７０は積層方向Ｓに対して４５°の角度で延在する。導線７０はスチールを基材とし、銅被覆を施す。図示の断面図では交点７３を示し、導線７０はこれら交点７３において互いに９０°の角度で交差する。

図示の実施形態において、ワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂはその全面にわたってベース金属化層４にはんだ付けする。このことはすなわち、ベース金属化層４との接合を生ずるはんだ材料６ａ，６ｂが、少なくとも部分的にワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂのあらゆる導線部分に存在することを意味する。特に、はんだ材料６ａ，６ｂは、ベース金属化層４に対面する導線部分に存在する。

はんだ材料６ａ，６ｂは、主成分として錫と、及びコバルトからなる添加物とを含有する。さらに、はんだ材料６ａ，６ｂは、主成分としての錫の他に、２．５質量％〜３．５質量％の割合で銀からなる添加物、０．３質量％〜０．７質量％の割合で銅からなる添加物、及び０．０３質量％〜０．１７質量％の割合のコバルトからなる添加物を含有するものとすることができる。

このような添加物によれば、はんだ材料６ａ，６ｂによるベース金属化層の脱金属化（溶解）を低減することが可能となる。特にベース金属化層に対する錫の拡散を遅延させることにより、錫とベース金属化層との反応を回避することができる。さらに、はんだ材料６ａ，６ｂのベース金属化層に対する信頼性の高い固着を可能とする。

図２は、圧電アクチュエータとした圧電コンポーネント１における外部電極の別の実施形態を示す。

基体２は、互いに順次積層した圧電層３及び電極層（図示せず）を有する。電極層は、基体２における角部２２ａ，２２ｂの一方まで交互に達するよう配置し、対角線上の角部２２ｂ，２２ａに対して離間させる。これにより、不活性領域３１ａ，３１ｂが対向する角部２２ａ，２２ｂ領域に存在することとなる。内部電極に電気的に接触するため、不活性領域２２ａ，２２ｂに隣接して、互いに対向する外側面２１ａ，２１ｂにベース金属化層（図示せず）を形成する。細長い帯状に形成したベース金属化層は、基体２の積層方向Ｓに延在させる。

各ベース金属化層上にははんだ材料６ａ，６ｂを塗布し、このはんだ材料６ａ，６ｂによりハープ状導線７２ａ，７２ｂの形式とした外部電極を基体２に固定する。各ハープ状導線７２ａ，７２ｂは多数の互いに平行に延在する導線７０ａ，７０ｂを有し、これら導線７０ａ，７０ｂは基体２の角部２２ａ，２２ｂを包囲するよう配置する。ハープ状導線７２ａ，７２ｂの遊端は、接点ピン８ａ，８ｂとして構成した端子に接続する。

はんだ材料６ａ，６ｂは、主成分としての錫と、コバルト、タングステン、オスミウム、チタン、バナジウム、鉄及び希土類金属より成る群から選択した少なくとも１つの添加物とを含有する。

図３は、圧電コンポーネント１に外部電極７を固定する第１実施形態を詳細に示す。この実施形態における圧電コンポーネント１は、例えば図１又は図２に示すような圧電アクチュエータとして構成する。

圧電コンポーネント１の基体２には、多数の導線７０を有する外部電極７を固定する。この外部電極７は、例えば図１に示すようなワイヤメッシュ７１ａ，７１ｂとして、又は図２に示すようにハープ状導線７２ａ，７２ｂとして構成することができる。

基体２の外側面２１には、ベース金属化層４を形成する。このベース金属化層４は焼付けた銅ペーストで形成し、銅ペーストはガラス融剤（フラックス）を含有する。このガラス融剤が圧電層３及び電極層内に部分的に拡散することにより、基体２に対して特に堅固な結合を実現することが可能となる。ベース金属化層４の厚さは、例えば２０〜５０μｍとする。

外部電極７を構成する導線７０は、はんだ材料６によりベース金属化層４に固定する。はんだ材料６は、直接隣接するようベース金属化層４上に塗布する。外部電極７を基体２に固定する際は、導線７０を基体２に押し付ける。このようにして、導線７０を信頼性高い固定を生ずることができる。これにより、導線７０は少なくとも部分的にベース金属化層４上に直接接触し、その側面領域がはんだ材料６により被覆される。本発明の一実施形態においては、導線７０部分のうち少なくともベース金属化層４に対面する導線７０の部分全体にはんだ材料６が塗布され、これにより導線７０のベース金属化層に対する全面的固定を生ずるる。

本発明における別の一実施形態においては、ベース金属化層全体にわたってはんだ受け被覆を塗布することができる。この場合、導線がベース金属化層に直接接触することはない。

本発明における別の一実施形態において、導線は部分的にベース金属化層から離間しているため、導線とベース金属化層との間にはんだ材料が充填されない中間区域が存在する。これにより、外部電極の膨張可能性を向上させることができる。

図４は、圧電コンポーネント１に対する外部電極７の固定に関する別の一実施形態を示す。

図示の実施形態においては、ベース金属化層４の全体にわたってコーティング５を塗布する。外部電極７は、はんだ材料６によりコーティング５に固定する。コーティング５は例えばスパッタ層として形成し、このスパッタ層は銀、ニッケル、クロム又は銅で構成し、０．１μｍ〜１μｍの厚さ、例えば０．３μｍの厚さとする。

コーティング５は特に良好なはんだ接合性を有し、したがって、はんだ材料６を極めて信頼性高くコーティング５に接合することができる。

基体２に対する外部電極７の固定においては、例えば基体２に銅ペースト又は銀−パラジウムペーストなどで構成されるベース金属化層４を塗布し、焼付ける。その後、コーティング５をスパッタ法によりベース金属化層４に塗布する。そして、外部電極７をコーティング５に配置し、はんだ付けする。

１ 圧電コンポーネント
２ 基体
２１，２２ａ，２１ｂ 外側面
２２ａ，２２ｂ 角部
３ 圧電層
３１ａ，３１ｂ 不活性領域
４ ベース金属化層
５ コーティング
６ はんだ材料
７０，７０ａ，７０ｂ 導線
７１，７１ａ，７１ｂ ワイヤメッシュ
７２，７２ａ，７２ｂ ハープ状導線
７３ 交点
８ａ，８ｂ 接点ピン
Ｓ 積層方向

Claims (7)

1. 外部電極を固定する、はんだ材料を有する圧電コンポーネントであって、
   圧電層（３）及び該圧電層（３）相互間に配置した電極層を有する基体（２）と、
   前記基体（２）の外側面（２１，２１ａ，２１ｂ）に形成するベース金属化層（４）と、
   外部電極を固定する、はんだ材料と、
   を備える圧電コンポーネントにおいて、
   前記はんだ材料（６，６ａ，６ｂ）は前記圧電コンポーネントにおける前記ベース金属化層（４）上に存在し、
   該はんだ材料は、その主成分として錫と、添加物として銀を２．５質量％〜３．５質量％の割合で、添加物として銅を０．３質量％〜０．７質量％の割合で、及び添加物としてコバルトを０．０３質量％〜０．１７質量％の割合で含有する、圧電コンポーネント。
2. 請求項１記載の圧電コンポーネントにおいて、鉛フリーとした、圧電コンポーネント。
3. 請求項１または２に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記はんだ材料（６，６ａ，６ｂ）を前記ベース金属化層（４）上に直接塗布した、圧電コンポーネント。
4. 請求項１または２に記載の圧電コンポーネントにおいて、前記はんだ材料（６，６ａ，６ｂ）の接合性を向上させるため、前記ベース金属化層（４）にコーティング（５）を形成し、前記はんだ材料（６，６ａ，６ｂ）を前記コーティング（５）に塗布した、圧電コンポーネント。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の圧電コンポーネントにおいて、前記ベース金属化層（４）は、焼付けたペーストで形成した、圧電コンポーネント。
6. 請求項５記載の圧電コンポーネントにおいて、焼付けた前記ペーストは、その主成分として、銅、銀及び銀−パラジウムより成る群から選択した金属を含有する、圧電コンポーネント。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の圧電コンポーネントにおいて、ワイヤメッシュ（７１ａ，７１ｂ）として構成した外部電極（７，７１ａ，７１ｂ）を備える、圧電コンポーネント。

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