JP6154146B2

JP6154146B2 - 圧電部品

Info

Publication number: JP6154146B2
Application number: JP2013014438A
Authority: JP
Inventors: 昌志高田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2033-01-29
Also published as: JP2014146975A

Description

本発明は、高信頼性および高精度な周波数特性が求められる圧電部品に関するものである。

従来、支持基板と、支持基板上に搭載された圧電素子と、圧電素子を覆うように支持基板上に設けられたキャップとを含み、キャップは接合材を介して支持基板と接合された構成の圧電部品（レゾネータ）が知られている（特許文献１を参照）。

ここで、熱硬化性樹脂からなる接合材によってキャップが支持基板上に接合され、内部空間を封止している。このとき、接合材はその一部がキャップの内壁を一様に這い上がるように形成される。

特開平８−１１１６２７号公報

近年、小型化の要求に対し、キャップが薄くなってきている。しかしながら、キャップが薄くなると、熱によりキャップが膨張したり収縮したりしたときに、応力がキャップの角部に集中し、キャップの角部においてねじれるような変形が生じてしまうおそれがある。そして、このねじり変形とともに、支持基板および圧電素子までに歪みが生じ、圧電部品の周波数が変動して、周波数公差の精度が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、温度変化によっても周波数の変動が少ない圧電部品を提供することを目的とする。

本発明の圧電部品は、支持基板と、該支持基板上に搭載された圧電素子と、該圧電素子を覆うように前記支持基板上に設けられたキャップとを含み、該キャップは接合材を介して支持基板と接合されており、前記接合材の前記キャップの内壁に沿った平面視厚みが前
記キャップの角部において厚くなっているとともに、前記キャップの内壁の角部が平面視で丸みを帯びていて、それぞれの前記角部のうちの少なくとも一つの曲率半径が異なっていることを特徴とする。

また、本発明の圧電部品は、前記接合材の前記キャップの内壁に沿った形状がフィレット状であることを特徴とする。

また、本発明の圧電部品は、前記キャップの内壁の角部および前記接合材の前記角部に対応する部位の内面がともに平面視で丸みを帯びていて、前記接合材の前記角部に対応する部位の内面のほうが曲率半径が大きいことを特徴とする。

また、本発明の圧電部品は、前記接合材の這い上がり高さは、前記角部に対応する部位のほうが他の部位よりも高いことを特徴とする。

また、本発明の圧電部品は、前記キャップの外壁の少なくとも角部には、前記樹脂封止材が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の圧電部品は、前記キャップが金属からなることを特徴とする。

本発明によれば、接合材のキャップ内壁に沿った平面視厚みがキャップの角部において厚くなっていることで、ねじり変形を抑えることができる。したがって、温度変化によっても支持基板および圧電素子の歪みが小さく、周波数の変動が少ないので、周波数の温度特性が安定した圧電部品を実現することができる。

（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略概略平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。本発明の圧電部品の実施の形態の一例の要部拡大平面図である。本発明の圧電部品の実施の形態の他の例の要部平面図である。（ａ）は図３に示すＣ−Ｃ線で切断した圧電部品の他の例の概略断面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の要部拡大斜視図である。（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の他の例の要部平面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の要部拡大斜視図である。比較例としての従来の圧電部品の一例の要部平面図である。

本発明の圧電部品の実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の圧電部品の実施の形態の一例を示す一部省略（キャップの天板省略）概略平面図（図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ線で切断した断面図）、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。

図１に示す例の圧電部品は、支持基板１と、支持基板１上に搭載された圧電素子２と、圧電素子２を覆うように支持基板１上に設けられたキャップ４とを含み、キャップ４は接合材５を介して支持基板１と接合されていて、接合材５のキャップ４内壁に沿った平面視厚みがキャップ４の角部４１において厚くなっている。

支持基板１は、例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの四角形状の平板として形成された支持基板本体１１を含んでいる。この支持基板本体１１としては、アルミナ等のセラミック材料、及びガラスエポキシ等の樹脂系材料を用いることができる。

支持基板１を構成する支持基板本体１１の下面には、一対の信号端子１２１、１２２およびグランド端子１３が設けられている。また、支持基板本体１１の上面には、信号端子１２１、１２２と電気的に接続されるように配線導体１４１、１４２が設けられている。これらは、例えば金，銀，銅，アルミニウム、タングステン等の金属粉末を含む導電性ペーストを印刷し、焼結させてなるものである。また、必要に応じてＮｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ等のめっきを形成したものでもよい。

支持基板１の上には、圧電素子２が両端を固定されるようにして搭載されている。具体的には、圧電素子２の両端部が導電性接合材３によって支持基板１上に振動可能に固定されている。

圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの四角形状の平板として形成され、長さ方向または厚み方向に分極処理されたものである。この圧電体２１は、例えば、チタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，ニオブ酸ナトリウム，ニオブ酸カリウム，ビスマス層状化合物等を基材とする圧電セラミックスや、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶を用いて形成することができる。

また、圧電素子２は、圧電体２１の一方主面および他方主面にそれぞれ互いに対向する領域を有するように配置された電極（励振電極２２、２３）を備えている。圧電体の２１の上側の主面に設けられた励振電極２２は一方の端部から他方の端部側に向けて延びるように設けられ、圧電体の２１の下側の主面に設けられた励振電極２３は他方の端部から一方の端部側に向けて延びるように設けられ、それぞれ互いに対向する領域を有している。この励振電極２２、２３は、例えば金，銀，銅，アルミニウム等の金属を用いることができ、それぞれ圧電体２１の表面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。そして、導電性接合材３を介して圧電素子２の励振電極２２が配線導体１４１と電気的に接続されているとともに、導電性接合材３を介して圧電素子２の励振電極２３が配線導体１４２と電気的に接続されている。

ここで、導電性接合材３は、支持基板１の上面と圧電素子２の下面との間に所定の空間（間隙）を確保する機能も有している。このような導電性接合材３としては、例えばはんだや導電性接着剤等が用いられ、はんだであれば、例えば銅，錫，銀からなる鉛を含まない材料等を用いることができ、導電性接着剤であれば、銀，銅，ニッケル等の導電性粒子を７５〜９５質量％含有したエポキシ系の導電性樹脂またはシリコーン系の樹脂を用いることができる。

このような圧電素子２は、両端部から励振電極２２および励振電極２３間に電圧を印加したとき、励振電極２２と励振電極２３とが対向する領域において、特定の周波数で厚み縦振動もしくは厚みすべり振動の圧電振動を発生させるようになっているものである。

支持基板１の上には圧電素子２を覆うようにキャップ４が設けられている。このキャップ４は、例えば厚み２５０〜３００μｍで、支持基板１の形状に対応するように開口部を有する例えば直方体状に形成されたもので、支持基板１の上面の周縁部に接合材５で接合されている。これにより、支持基板１とともに形成した空間に収容されている圧電素子２を外部からの物理的な影響や化学的な影響から保護する機能と、支持基板１とともに形成した空間内への水等の異物の浸入を防ぐための気密封止機能を有している。

キャップ４の材料として、例えば、ＳＵＳなどの金属、アルミナなどのセラミックス，樹脂，ガラス等を用いることができる。また、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料に無機フィラーを２５〜８０質量％の割合で含有させて支持基板１との熱膨張係数の差を小さくするようにしたものでもよい。特に、外部の熱の影響を受けやすい金属からなる場合に、後述する本発明の効果が有効に作用する。

接合材５の材料としては、例えばエポキシ系、エポキシアクリレート系、シリコーン系の接着剤が挙げられる。

そして、図１（ａ）および図２に示すように、接合材５のキャップ４内壁に沿った平面視厚みがキャップ４の角部４１（内壁の角部４１）において厚くなっている。

ここで、接合材５のキャップ４内壁に沿った平面視厚みがキャップ４の角部４１におい
て厚くなっているとは、図６に示すようなキャップ４の角部４１における接合材５の通常の厚みに比して積極的に厚みを厚くした構造のもののことをいう。

具体的には、図２に示すように、キャップ４の内壁の一つの面に対応する接合材５の平面視厚み（最も薄い部分の厚み）をＬ１、角部３１を挟んで隣り合うキャップ４の内壁の他の一つの面に対応する接合材５の平面視厚み（最も薄い部分の厚み）をＬ２としたときに、キャップ４の内壁とＬ１の厚みの位置から延びる仮想延長線とＬ２の厚みの位置から延びる仮想延長線とで囲まれる領域をキャップ４の角部４１の内側に仮想的に形成する。そして、この領域の対角線の長さをＬ３とし、キャップ４の角部４１から対角線の延長上に位置する接合材５の内壁までの距離をＬ４としたときに、Ｌ４がＬ３の２倍以上になっている状態のことを意味する。

図６に示すようにＬ４がＬ３の２倍未満であると、キャップ４の角部４１においてねじれるような変形が生じてしまうおそれがある。これに対し、本発明のように、接合材５のキャップ４内壁に沿った平面視厚みがキャップ４の角部４１において厚くなっている（積極的に厚みを厚くして、Ｌ４がＬ３の２倍以上になっている）ことにより、ねじり変形が抑制され、支持基板１および圧電素子２の歪みが小さくなる。したがって、温度変化によっても周波数の変動が抑制される（周波数の温度特性が安定になる）。特に、図２に示すように３倍以上であるのがねじり変形抑制の点で効果的であり、また５倍以下であるのが圧電部品の小型化の点でよい。

ここで、図１（ｂ）に示すように、ねじり変形を抑制する形状として、接合材５のキャップ４の内壁に沿った形状がフィレット状であるのが好ましい。なお、フィレット状とは、支持基板１を下側にしてみたとき、キャップ４の内壁から支持基板１の上面にかけて裾拡がりの形状をなしていることを意味する。このような形状により、接合面積を多くすることができ、接合力を高めるとともに、接合材５の端からの剥離を抑制することができる。

また、図３に示すように、キャップ４の内壁の角部４１および接合材５の角部に対応する部位の内面５１がともに平面視で丸みを帯びていて、接合材５の角部に対応する部位の内面５１のほうが曲率半径が大きいのが好ましい。

封止面の破壊（クラック進展）は応力の集中する角部４１から起こりやすいが、キャップ４の内壁の角部４１および接合材５の角部に対応する部位の内面５１がともに平面視で丸みを帯びていることでこの破壊（クラック進展）が抑制され、さらに接合材５の角部に対応する部位の内面５１のほうが曲率半径が大きいことで、十分な厚みによるねじり変形を抑制する効果が高まるとともに、熱応力による破壊（クラック進展）を抑制する効果も高まる。

また、図４に示すように、接合材５の這い上がり高さは、角部４１に対応する部位のほうが他の部位よりも高いのが好ましく、角部４１に対応する部位を他の部位よりも高くすることで、さらにねじり変形を抑える効果が得られる。

また、キャップ４の内壁の角部４１が平面視で丸みを帯びていて、それぞれの角部４１のうちの少なくとも一つの曲率半径が異なっているのが好ましい。これにより、圧電部品から不要モードとして外に漏れた、または外部からの振動により、キャップ４および支持基板１が振動する共振を分散させ、低減させるという効果が得られる。

また、図５に示すように、キャップ４の外壁の少なくとも角部４２には、接合材５が形成されていてもよい。例えば、キャップ４と支持基板１との境界付近から、キャップ４の
外壁を這い上がるように上側に向かって接合材５が形成されるとともにとともに、支持基板１の外壁（下側）にも拡がるように接合材５が形成される構成が挙げられる。これにより、ねじり変形を抑える効果がさらに高まり、温度変化による周波数の変動がさらに抑制される（周波数の温度特性がさらに安定になる）。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更・改良等が可能である。

次に、本実施の形態の圧電部品の製造方法の例について説明する。

まず、支持基板１を作製するための多数個取り基板を作製する。例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ，溶剤，可塑剤等を加えてグリーンシートとする。このグリーンシートに必要により孔加工を施した後、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を含む導電性ペーストを印刷し、積層する。これを例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成する。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２１は、例えば、原料粉末を水や分散剤と共にボールミルを用いて混合した後に、バインダ、可塑剤等を加え、乾燥、整粒する。このようにして得られた原料をプレス成型後、焼成し、圧電磁器を得る。得られた圧電磁器の端面に電極を形成し、例えば２５℃〜３００℃の温度にて厚み方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２１の上下面に形成される励振電極２２および励振電極２３は、得られた圧電磁器に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体２１の上下面に金属膜を被着させ、厚みが１μｍ〜１０μｍ程度のフォトレジスト膜をそれぞれの金属膜上にスクリーン印刷等を用いて形成した後に、フォトエッチングによってパターニングすることによって、形成することができる。パターンニングされた圧電磁器を所定のサイズにダイシング等でカットすることにより圧電素子２が作製される。

そして、導電性接合材３を用いて、圧電素子２を多数個取り基板の上に搭載し、固定する。導電性接合材３が金属粉末を樹脂中に分散させてなる導電性接着剤の場合は、この導電性接着剤をディスペンサ等を用いて配線導体１４１、１４２の上に塗布しておいて、圧電素子２を載せ、加熱または紫外線照射により導電性接着剤の樹脂を硬化させればよい。

次に、多数個取り基板の上に圧電素子２が搭載された状態で周波数調整を行う。周波数調整は圧電素子２表面に形成された励振電極２２，２３を、イオンガン等によりエッチングし、長さや厚みを変えることや設計値を変えることでＩＣにマッチングさせる。また発振周波数の調整は、イオンガン照射時に信号端子１２１、１２２とグランド端子１３に発振周波数測定用の端子を接続し、発振周波数を測定しながら行い、所定の周波数になった時点でイオンガンの照射を停止する方法にて実施する。

そして、圧電素子２を覆うようにして、キャップ４の開口周縁面を支持基板１の上面の周縁部に接合する。キャップ４としては複数の凹部を有する多数個取りの集合キャップシートを用いて、凹部が圧電素子２を覆うようにして集合キャップシートを多数個取り基板の上に乗せ、キャップ４の開口周縁面となる集合キャップシートの凸部を支持基板１の上面の周縁部に接合する。例えば、準備しておいたキャップ４の開口周縁面となる集合キャップシートの凸部に接合材５（熱硬化性の絶縁性接着剤）を塗布し、キャップ４を支持基板１の上面に載せる。しかる後に、キャップ４または支持基板１を加熱することにより接合材５を１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させ、キャップ４を支持基板１の上面に接合する。

なお、接合材５のキャップ４の内壁に沿った平面視厚みがキャップ４の角部４１において厚くなっている構成とするには、接合材５の印刷時にその印刷範囲を広くすればよい。また、硬化時に軟化した絶縁性接着剤（樹脂接着剤）の表面張力を大きくするなどの温度条件を選定することで、接合材５の形状を適宜変更することができる。さらに、キャップ４の成型金型を適宜変更することで、キャップ４の内壁の角部４１の形状に丸みを設けたり曲率半径を変更したりできる。

最後に、各圧電部品（個片）の境界にそってダイシング等で切断する。

以上の方法により、本発明の圧電部品が作製される。

以上のような方法によれば、温度変化によっても周波数の変動が少ない圧電部品を生産性よく製造することが可能となる。

１：支持基板
１１：支持基板本体
１２１、１２２：信号端子
１３：グランド端子
１４１、１４２：配線導体
２：圧電素子
２１：圧電体
２２、２３：励振電極
３：導電性接合材
４：キャップ
４１：内壁の角部
４２：外壁の角部
５：接合材
５１：内面

Claims

支持基板と、該支持基板上に搭載された圧電素子と、該圧電素子を覆うように前記支持基板上に設けられたキャップとを含み、
該キャップは接合材を介して支持基板と接合されており、
前記接合材の前記キャップの内壁に沿った平面視厚みが前記キャップの角部において厚くなっているとともに、
前記キャップの内壁の角部が平面視で丸みを帯びていて、それぞれの前記角部のうちの少なくとも一つの曲率半径が異なっていることを特徴とする圧電部品。
前記接合材の前記キャップの内壁に沿った形状がフィレット状であることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記キャップの内壁の角部および前記接合材の前記角部に対応する部位の内面がともに平面視で丸みを帯びていて、前記接合材の前記角部に対応する部位の内面のほうが曲率半径が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電部品。
前記接合材の這い上がり高さは、前記角部に対応する部位のほうが他の部位よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記キャップの外壁の少なくとも角部には、前記接合材が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の圧電部品。
前記キャップが金属からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の圧電部品。