JP6760809B2

JP6760809B2 - 圧電部品

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Publication number: JP6760809B2
Application number: JP2016185721A
Authority: JP
Inventors: 俊介毎原
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Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: JP2018050235A

Description

本開示は、例えば発振子として用いられる圧電部品に関するものである。

マイコンのクロック用発振子として、支持基板の上に圧電素子を搭載した圧電発振子（圧電部品）が知られている。この圧電部品における支持基板を構成する基板本体の下面には、一対の入出力端子電極が設けられ、この一対の入出力端子電極の間にグランド端子電極が設けられている。一方、支持基板の上面には、グランド端子電極との間で負荷容量を形成する一対の容量電極が設けられている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平１１−０９７９６５号公報

ここで、グランド端子電極を形成する際のグランド端子電極の熱収縮によって基板本体に歪が生じたり、支持基板を外部回路基板に実装する際に基板本体と外部回路基板との熱膨張差によって基板本体に歪が生じたりして、圧電部品の負荷容量が変動することがある。

また、使用時の温度変化によって基板本体に歪が生じて、圧電部品の負荷容量が変動することもある。

これらの負荷容量の変動により、外部回路基板への実装時および使用時に発振周波数がばらついて、当該発振周波数を高精度に維持することが困難であった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、実装時および使用時において発振周波数を高精度に維持することのできる圧電部品を提供することを目的とする。

本開示の圧電部品は、互いに対向する一対の励振電極を有する直方体状の圧電素子と、該圧電素子の長手方向の両端部を固定して支持する支持基板とを備え、該支持基板は、基板本体の上面に、前記一対の励振電極と電気的に接続された一対の容量電極を有しているとともに、前記基板本体の下面に、前記一対の容量電極と電気的に接続された一対の入出力端子電極と、該一対の入出力端子電極の間に前記一対の容量電極それぞれにまたがって対向するように配置され、基板本体を介してそれぞれ対向する領域において負荷容量を形
成するグランド端子電極とを有しており、前記一対の入出力端子電極の厚みが前記グランド端子電極の厚みよりも厚い。

本開示の圧電部品によれば、実装時および使用時において発振周波数を高精度に維持することができる。

圧電部品の実施形態の一例を示す概略斜視図である。（ａ）は図１に示す圧電部品の一部省略平面図、（ｂ）は図１に示す圧電部品のＡ−Ａ線で切断した断面図、（ｃ）は図１に示す圧電部品の底面図である。（ａ）は圧電部品の実施形態の他の例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の底面図である。（ａ）は圧電部品の実施形態の他の例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示す圧電部品の底面図である。（ａ）〜（ｃ）は圧電部品の実施形態の他の例のバリエーションを示す底面図である。

以下、添付図面を参照して、圧電部品の実施形態の例について説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は圧電部品の実施形態の一例を示す概略斜視図であり、図２（ａ）は図１に示す圧電部品の一部省略平面図、図２（ｂ）は図１に示す圧電部品のＡ−Ａ線で切断した断面図、図２（ｃ）は図１に示す圧電部品の底面図である。

図１および図２に示す圧電部品１００は、互いに対向する一対の励振電極２１を有する直方体状の圧電素子２と、圧電素子２の長手方向の両端部を固定して支持する支持基板１とを備えている。支持基板１は、基板本体１１の上面に、一対の励振電極２１と電気的に接続された一対の容量電極１２を有している。また、支持基板１は、基板本体１１の下面に、一対の容量電極１２と電気的に接続された一対の入出力端子電極１４と、一対の入出力端子電極１４の間に配置されたグランド端子電極１３とを有している。そして、一対の入出力端子電極１４の厚みがグランド端子電極１３の厚みよりも厚い。

支持基板１は、圧電素子２の長手方向の両端部を上面に固定して支持する基板である。例えば、長さが２．５ｍｍ〜７．５ｍｍ、幅が１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ、厚みが０．１ｍｍ〜１ｍｍの長方形状の平板として形成された誘電体からなる基板本体１１を有している。

基板本体１１としては、アルミナやチタン酸バリウム等のセラミック材料、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は、基板本体１１の上面に、一対の励振電極２１と電気的に接続された一対の容量電極１２を有している。

支持基板１を構成する基板本体１１の上面には一対の容量電極（第１容量電極１２１および第２容量電極１２２）が設けられている。この第１容量電極１２１および第２容量電極１２２は、圧電素子２の励振電極２１と電気的に接続されるとともに、後述するグランド端子電極１３との間で容量を形成するための電極である。この第１容量電極１２１は、基板本体１１の長手方向の一方の端部側（図の左側）に配置されて当該基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びた領域と、基板本体１１の長手方向の一方の端部側から中央部に向かって延びて配置された領域とを有している。また、第２容量電極１２２は、基板本体１１の長手方向の他方の端部側（図の右側）に配置されて当該基板本体１１の幅方向（短手方向）に延びた領域と、支持基板１の長手方向の他方の端部側から中央部に向かって延びて配置された領域とを有している。なお、第１容量電極１２１の第２容量電極領域１２２とは、基板本体１１の上面の長手方向の中央部に間隔をあけて配置されている。

また、支持基板１は、基板本体１１の下面に、一対の容量電極１２と電気的に接続された一対の入出力端子電極１４と、一対の入出力端子電極１４の間に配置されたグランド端子電極１３とを有している。

一対の入出力端子電極１４は、電気信号の入り口または出口となる端子電極であって、
基板本体１１の下面に当該基板本体１１の幅方向に延びて設けられている。また、一対の入出力端子電極１４は、基板本体１１の上面に設けられた容量電極１２と電気的に接続されているとともに、外部回路基板に実装された際に外部回路と電気的に接続される。

グランド端子電極１３は、基板本体１１の下面における一対の入出力端子電極１４の間に配置され、当該基板本体１１の幅方向に延びて設けられている。また、グランド端子電極１３は、基板本体１１を挟んで第１容量電極１２１と第２容量電極１２２とにまたがって対向して、静電容量（負荷容量）を形成している。

本例のように、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが基板本体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド端子電極１３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが対向する領域の面積が等しくなるように設定されることにより、それぞれの対向する領域で得られる静電容量が等しくなる。また、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが基板本体１１を介して対向する場合は、第１容量電極１２１とグランド端子電極１３とが対向する領域および第２容量電極１２２とグランド端子電極１３とが対向する領域を大きくすることができるので、静電容量を大きく形成することができる。なお、それぞれの対向する領域で得られる静電容量は、圧電部品２が接続されてともに発振回路を構成する増幅回路素子の特性によって定められる。

さらに、支持基板１の側面には、第１容量電極１２１または第２容量電極１２２と入出力端子電極１４とを電気的に接続する側面電極１５が設けられている。また、支持基板１の側面には、外部回路基板へのはんだ接合などの関係で、支持基板１の側面において、グランド端子電極１３と電気的に接続された側面電極１６も設けられている。

第１容量電極１２１，第２容量電極１２２，グランド端子電極１３，入出力端子電極１４，側面電極１５、１６の材料としては、金，銀，銅，アルミニウム，タングステン等の金属粉末を樹脂中に分散させた導電性樹脂（導電性ペースト）や、それら金属粉末にガラス等の添加物を加えて焼き付けた厚膜導体等を用いることができる。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、直方体状の圧電素子２が長手方向の両端部を固定されて搭載されている。支持基板１の上には、必要により第１の支持部３１および第２の支持部３２が設けられていて、圧電素子２の長手方向の両端部が第１の支持部３１および第２の支持部３２によって支持されるようにして、圧電素子２が振動可能に搭載されている。

第１の支持部３１および第２の支持部３２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樹脂中に分散させてなる突起状の部位である。例えば、縦、横方向の長さ（径）が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、厚みが１０μｍ〜１００μｍで、角柱状、円柱状などに形成される。第１の支持部３１および第２の支持部３２は、それぞれ１本ずつであっても、複数本ずつであってもよい。

また、第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に導電性接合材４が設けられていて、圧電素子２の両端部の少なくとも下面と第１の支持部３１および第２の支持部３２とが接合されている。そして、第１の支持部３１および第２の支持部３２が導電性を有する材料で形成されているため、圧電素子２の振動電極２１と第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とは導通され、振動電極２１から第１容量電極１２１または第２容量電極１２２まで電気的に接続されている。このような導電性接合材４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。

図示しないが、導電性接合材４は、必要により第１の支持部３１および第２の支持部３２の側方にあって振動電極２１と第１容量電極１２１および第２容量電極１２２とを直接電気的に接続していたり、圧電素子２の端面を這い上がって設けられたりしている。

圧電素子２は、圧電体２２と、圧電体２２の一方主面（上面）および他方主面（下面）にそれぞれ互いに対向する領域（交差領域）を有するように設けられた一対の振動電極２１とを備えている。

圧電素子２を構成する圧電体２２は、例えば、長さが１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ、幅が０．２ｍｍ〜２ｍｍ、厚みが４０μｍ〜１ｍｍの直方体に形成されたものである。この圧電体２２は、例えばチタン酸鉛，チタン酸ジルコン酸鉛，タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、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を用いて形成することができる。

また、圧電体２２の一方主面（上面）に設けられた振動電極２１は長手方向の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２２の他方主面（下面）に設けられた振動電極２１は長手方向の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。この振動電極２１は、例えば金，銀，銅，アルミニウム，クロム，ニッケル等の金属を用いることができ、それぞれ圧電体２２の表面に例えば０．１μｍ〜３μｍの厚みに被着される。そして、図に示すように、圧電素子２の両端面には端面電極２３が設けられており、この端面電極２３，導電性接合材４および第１の支持部３１を介して上面の振動電極２１が第１容量電極１２１と電気的に接続されている。また、導電性接合材４および第２の支持部３２を介して下面の励振電極２１が第２容量電極１２２と電気的に接続されている。

このような圧電素子２は、一対の振動電極２１間に電圧を印加したとき、振動電極２１が対向する領域（交差領域）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。

なお、図１、図２（ｂ）に示すように、圧電素子２を覆うように支持基板１の上に蓋体５が設けられていてもよい。蓋体５は、支持基板１の上面の外周部に、例えばエポキシ系やアクリル系の接着剤、リフロー耐熱性の観点から好ましくはエポキシ系の接着剤で接合されている。これにより、支持基板１とともに形成した内部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圧電部品１００とすることができる。なお、蓋体５の材料として、例えば、ステンレス鋼などの金属、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％の割合で含有させたものでもよい。

そして、圧電部品１００は、一対の入出力端子電極１４の厚みがグランド端子電極１３の厚みよりも厚い。

一般に、グランド端子電極１３の形成時には当該グランド端子電極１３の熱収縮によって基板本体１１に歪が生じたり、支持基板１を外部回路基板に実装する際に基板本体１１と外部回路基板との熱膨張差によって基板本体１１に歪が生じたりして、圧電部品１００の負荷容量が変動しやすい。これに対し、グランド端子電極１３の厚みを薄くすることで
、グランド端子電極１３にかかる応力を低減でき、基板本体１１の歪を抑制して、負荷容量の変動が抑制される。

一方、圧電部品１００を外部回路基板へ実装する際、室温→高温（２５０℃程度）→室温の温度変化が生じる。ここで、支持基板１と外部回路基板との熱膨張差により、外部回路基板に実装した後の支持基板１には、特に長手方向の応力が印加され、歪が生じて、圧電部品１００の負荷容量が変動しやすい。これに対し、外部回路基板への実装時に熱応力がより多く加わる支持基板１の長手方向の一方端部側および他方端部側の位置に設けられた入出力端子電極１４の厚みを厚くすることで、外部回路基板への実装時の支持基板１に印加される応力が入出力端子電極１４の変形で緩和される。これにより、外部回路基板への実装後の基板本体１１の歪を抑制して、負荷容量の変動が抑制される。

また、グランド端子電極１３の厚みを薄く、入出力端子電極１４の厚みを厚くすることで、使用時の温度変化によって基板本体１１に歪が生じて、圧電部品１００の負荷容量の変動も抑制することができる。

すなわち、支持基板１の長手方向の中央部に設けられたグランド端子電極１３の厚みを薄くし、支持基板１の長手方向の中央部ではなく一方端部側および他方端部側の位置に設けられた一対の入出力端子電極１４の厚みを厚くすることで、実装時および使用時において発振周波数を高精度に維持することのできる圧電部品１００が得られる。

グランド端子電極１３の厚みが例えば５〜５０μｍである場合に、一対の入出力端子電極１４の厚みはグランド端子電極１３の厚みの例えば１．１〜３．０倍に設定される。

ここで、図３に示すように、支持基板１を長手方向に沿って切断した断面で見たときに、一対の入出力端子電極１４およびグランド端子電極１３の下面が凸曲面である構成とすることができる。一対の入出力端子電極１４およびグランド端子電極１３の下面が丸みを帯びた凸曲面の形状であることで、一対の入出力端子電極１４およびグランド端子電極１３とこれらを外部回路基板に接合する接合材（半田等）との境界に発生する応力を様々な方向に向けて分散できるようになるため、冷熱サイクルにおける接合材の破壊を抑制して信頼性を向上できる。

また、図４に示すように、支持基板１を長手方向に沿って切断した断面で見たときに、一対の入出力端子電極１４のそれぞれの幅がグランド端子電極１３の幅よりも広い構成とする構成とすることができる。

グランド端子電極１３の幅を狭くすることで、グランド端子電極１３にかかる応力を低減でき、グランド端子電極１３および使用時の基板本体１１の歪をさらに抑制して、負荷容量の変動がさらに抑制される。また、熱応力がより多く加わる支持基板１の長手方向の一方端部側および他方端部側の位置に設けられた入出力端子電極１４の幅を広くすることで、入出力端子電極１４にかかる応力を当該入出力端子電極１４の変形で緩和することから、外部回路基板への実装時および使用時の基板本体１１の歪をさらに抑制して、負荷容量の変動がさらに抑制される。したがって、実装時および使用時において圧電部品１００の発振周波数をより高精度に維持することができる。

また、グランド端子電極１３と入出力端子電極１４との間隔を広くできるため、実装時の半田ブリッジが低減され、グランド端子電極１３と入出力端子電極１４との間の短絡を抑制できる。

グランド端子電極１３の幅が例えば０．３〜０．５ｍｍである場合に、一対の入出力端
子電極１４の幅はグランド端子電極１３の幅の例えば１．１〜２．０倍に設定される。また、グランド端子電極１３と入出力端子電極１４との間隔は、例えば０．３〜０．８ｍｍとされる。このとき、第１容量電極１２１および第２容量電極１２２は、基板本体１１の長手方向の一方の端部側または他方の端部側から中央部に向かって延びて配置された領域をそれぞれ延ばして、互いの間隔を狭くするようにして、グランド端子電極１３と対向する領域を確保するようにしてもよい。

また、図５（ａ）に示すように、グランド端子電極１３は、基板本体１１の幅方向に沿った方向の両端部の幅が狭くなっている構成とすることもできる。また、図５（ｂ）に示すように、グランド端子電極１３は、基板本体１１の幅方向に沿った方向の両端部が、内側にくり抜かれた部分を有することによって幅が狭くなっている構成とすることもできる。また、図５（ｃ）に示すように、グランド端子電極１３は、基板本体１１の幅方向に沿った方向の一方の端部のみ取り除かれた構成とすることもできる。

これらの構成においても、圧電部品１００の負荷容量の変動を抑制でき、実装時および使用時において圧電部品１００の発振周波数を高精度に維持することができる。

なお、基板本体１１がチタン酸バリウム、チタン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のうちのいずれかを主成分とする材料からなる構成とするのがよい。これにより、圧電部品１００の小型化に伴ってグランド端子電極１３の面積を小さくした場合でも、基板本体１１の比誘電率が大きいことで負荷容量を高くできる。したがって、発振周波数の変動を小さくでき、より高精度の圧電部品が得られる。

次に、圧電部品１００の製造方法の一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、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムなどの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し、必要により孔加工を施した後、所定温度で脱脂後、例えば９００℃〜１６００℃のピーク温度で焼成し、所定の厚みに研磨加工を実施する。その後、例えば、銀、ニッケル等の金属粉末とガラスを含む導電性ペーストを印刷し、所定の温度で焼成し、第１容量電極１２１、第２容量電極１２２、グランド端子電極１３、入出力端子電極１４などを形成して支持基板１を得る。

ここで、グランド端子電極１３と入出力端子電極１４との厚みの差をつけるには、同一製版でグランド端子電極１３と入出力端子電極１４を印刷し、乾燥させた後、入出力端子電極１４のみ再度印刷し、乾燥することで作製できる。

また、一対の入出力端子電極１４およびグランド端子電極１３の下面が凸曲面である構成とするには、溶媒と砥粒およびメディアと共に支持基板をミルに入れ、バレル研磨することで作製できる。

また、グランド端子電極１３と入出力端子電極１４との幅の差をつけるには、印刷時の幅を異ならせればよい。

得られた支持基板１に、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストによる支持部を厚み１μｍ〜１００μｍ程度に形成する。具体的には、第１容量電極１２１の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第１の支持部３１を設けるとともに、第２容量電極１２２の上に例えば金属粉末を樹脂中に分散させて固化させてなるバンプ状の第２の支持部３２を設ける。

次に、圧電素子２を構成する圧電体２２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℃の温度にて端面方向に例えば０．４ｋＶ／ｍｍ〜６ｋＶ／ｍｍの電圧をかけて分極処理を行う。

圧電体２２の上下面に形成される振動電極２１は、得られた圧電体２２に、真空蒸着法，ＰＶＤ法，スパッタリング法等を用いて圧電体２２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体２２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。

次に、導電性接合材４を用いて、圧電素子２を支持基板１の第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に搭載し、固定する。ここで、導電性接合材４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、ディスペンサ等を用いてこの導電性接着剤を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に塗布しておいて、圧電素子２を第１の支持部３１および第２の支持部３２の上に載せ、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。

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

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した後、個片となった各圧電部品の側面にスクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを印刷し、１００〜１５０℃に温度上昇させて硬化させて側面電極１５、１６を形成することで圧電部品１００を得ることができる。なお、この後に側面電極１５、１６の表面上にＮｉやＡｕ等のめっきを形成してもかまわない。

以上の方法により、本例の圧電部品１００が作製される。以上のような方法によれば、実装時および使用時において発振周波数を高精度に維持することができる圧電部品を作製することができる。

１００：圧電部品
１：支持基板
１１：基板本体
１２：容量電極
１３：グランド端子電極
１４：入出力端子電極
１５、１６：側面電極
２：圧電素子
２１：励振電極
２２：圧電体
２３：端面電極
３１：第１の支持部
３２：第２の支持部
４：導電性接合材
５：蓋体

Claims

互いに対向する一対の励振電極を有する直方体状の圧電素子と、該圧電素子の長手方向の両端部を固定して支持する支持基板とを備え、該支持基板は、基板本体の上面に、前記一対の励振電極と電気的に接続された一対の容量電極を有しているとともに、前記基板本体の下面に、前記一対の容量電極と電気的に接続された一対の入出力端子電極と、該一対の入出力端子電極の間に前記一対の容量電極それぞれにまたがって対向するように配置され、基板本体を介してそれぞれ対向する領域において負荷容量を形成するグランド端子電極とを有しており、前記一対の入出力端子電極の厚みが前記グランド端子電極の厚みよりも厚いことを特徴とする圧電部品。
前記支持基板を前記長手方向に沿って切断した断面で見たときに、前記一対の入出力端子電極および前記グランド端子電極の下面が凸曲面であることを特徴とする請求項１に記載の圧電部品。
前記支持基板を前記長手方向に沿って切断した断面で見たときに、前記一対の入出力端子電極のそれぞれの幅が前記グランド端子電極の幅よりも広いことを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の圧電部品。
前記支持基板の前記基板本体は、チタン酸バリウム、チタン酸鉛およびチタン酸ジルコン酸鉛のうちのいずれかを主成分とする材料からなる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。