JP2008035410A - 圧電デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来では、導電性接着剤により外部接続用電極と素子接続用電極パッドとの固着を行った場合、導電性接着剤を固化させなければならないが、固化後は硬度が高くなってしまい、且つ付着面積が比較的広いので、圧電振動素子の振動を抑圧してしまい振動特性を悪化させる場合がある。
【解決手段】圧電振動素子に形成した基板接続用電極と、絶縁基板に形成した素子接続用電極パッドとの間を、少なくとも１本のニッケルピラーにより電気的且つ機械的に接続固着した圧電デバイス及びその製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は電子部品の一つである圧電デバイス及びその製造方法に関し、特に、圧電デバイス内に搭載される圧電振動素子の搭載構造及びその搭載方法に関する。

現在、携帯電話等の移動体通信機器やデジタル家電などの電子機器内には、電子部品の一つとして、圧電振動子、圧電発振器又は圧電フィルタ等の圧電デバイスが搭載されており、圧電振動子や圧電発振器は、電子機器内の基準信号発生源やタイミングデバイスとして、圧電フィルタは受信した信号から所望の周波数の信号のみを取り出すデバイスとして使用されている。近年では、電子機器類の著しい小型化に伴い、これら電子機器に用いられる圧電デバイスについても更なる小型化が求められている。

圧電デバイス一つである圧電振動子を例示して説明すると、圧電振動子に使用される圧電振動素子は、圧電片の表裏主面上に、圧電片を励振させる励振用電極と、圧電振動素子を搭載する絶縁性の基板に形成される素子接続用電極パッドとの接続をとるための基板接続用電極と、励振用電極と基板接続用電極とを導通接続する引き出し電極とを形成して構成されている。圧電振動素子形状として小型化に有利な所謂短冊形状が主流となってきた。

図４は、従来技術の一例として、上述した各種電極を形成した圧電振動素子４１を、絶縁基板４６上に搭載し、導電性接着剤４８により導通固着した構造を有する圧電振動子４０の長さ方向の断面図である。即ち、矩形状主面形状を有する平板状の圧電振動素子４１を構成する圧電片４２の表裏主面上には、圧電片４２を挟んで対向する励振用電極４３と、励振用電極４３から圧電片４２の表裏主面で異なる方向の短辺へそれぞれ延設した引き出し電極が形成され、更に、引き出し電極と電気的に接続し、且つ後述する絶縁基板４６側の素子接続用電極パッド４７との導通を取るための基板接続用電極４５が、圧電片４２の両短辺縁部に形成されている。

このように構成された圧電振動素子４１を、絶縁基板４６及び後述する蓋体４９により形成された気密空間内に配置する。その際に、圧電振動素子４１側の基板接続用電極４５と、絶縁基板４６の一方の主面に金などの金属により形成されている素子接続用電極パッド４７との間を、導電性接着剤４８により導通接続を行っている。又、この導電性接着剤４８は加熱固化することにより圧電振動素子４１の絶縁基板４６上での姿勢保持を行っている。

このように圧電振動素子４１を搭載した絶縁基板４６の一方の主面上に、周囲にフランジを形成した開口部を有する箱形状で金属製の蓋体４９を、圧電振動素子４１を蓋体４９内部空間に収納するように配置し、蓋体４９のフランジ部分と基板４６の一方の主面を、封止材を介して気密封止することで、圧電振動子４０が形成される。

尚、他の圧電デバイスとしては、セラミックス製の容器体内の凹部空間内に、圧電振動素子と、この圧電振動素子と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に搭載した形態の圧電発振器や、パッケージ内部に搭載する圧電振動素子をフィルタとして機能させた圧電フィルタ等がある。

前述のような構造の圧電デバイスについては、以下のような文献が開示されている。
特開平１０−３２４３０号公報 特開平１０−５１２６５号公報 特開２００１−９４３８５公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述したような圧電振動子等の圧電デバイスにおいて、通常、容器体に形成した素子接続用電極パッドに導電性接着剤が塗布され、その導電性接着剤に圧電振動素子に形成された外部接続用電極が接触する形態で圧電振動素子が配置され、必要であれば外部接続用電極及び導電性接着剤の上に更に導電性接着剤を塗布した形態を成しているが、加熱固化前の導電性接着剤は軟性且つ流動性のために、圧電振動素子の配置姿勢を保持することが難しく、最悪の場合、図５（ｂ）のように圧電振動素子の一部が容器体や蓋体に接触してしまい、そのため圧電振動素子の振動特性に著しい不具合が生じてしまう場合がある。

又、圧電振動素子に形成した外部接続用電極と素子接続用電極パッドとの直接の固着導通には、導電性接着剤が用いられている。導電性接着剤を外部接続用電極と素子接続用電極パッド間に一定量塗布し直接的な固着を行った場合、導電性接着剤に固着作用が生じさせるためには導電性接着剤を固化させなければならないが、固化後の接合材は導電性を有するために含まれる金属成分のために硬度が高くなってしまい、且つ圧電振動素子に導電性接着剤が付着する面積が比較的広いので、接合した圧電振動素子の振動を抑圧してしまい、圧電振動素子の振動特性を悪化させる場合がある。又、金属により形成された素子接続用電極パッドの表面は非常に平滑であるため、接合材を付着させ固化した場合、素子接続用電極パッドと接合材間の接合力が弱くなってしまう懸念がある。

更に、導電性接着剤を固化するためには加熱や紫外線照射を行うが、所定の硬度まで固化し特性を安定するためには一定時間が必要であり、圧電デバイスの製造時間遅延の原因の一つとなる懸念がある。又、導電性接着剤の多くではエポキシやシリコーン等の有機物をバインダーとして使用しているため、固化後においても、外部からの加熱や時間経過に伴い、その導電性や硬度等の特性が変化してしまい、導電性接着剤を使用した圧電デバイスとしての特性に悪影響を及ぼす虞がある。

本発明は前述した課題を解決するために成されたものであり、少なくとも、絶縁基板の表面上に一対の素子接続用電極パッドが形成されており、この素子接続用電極パッド上に平板状の圧電振動素子を配置し、圧電振動素子表面に形成されている一対の基板接続用電極と素子接続用電極パッドとが、対向する各々の基板接続用電極と該素子接続用電極パッド間で電気的且つ機械的に接続固着されており、更に圧電振動素子が搭載されている空間を気密に封止する蓋体とにより構成される圧電デバイスにおいて、
上記基板接続用電極と素子接続用電極パッドとの間を、少なくとも１本のニッケルピラーにより電気的且つ機械的に接続固着してあることを特徴とする圧電デバイスである。

又、圧電振動素子に形成されている基板接続用電極が、圧電振動素子の主面中心を基準として相対するエッジ縁部の少なくとも表裏主面に形成されていることを特徴とする前段落記載の圧電デバイスでもある。

更に、少なくとも、絶縁基板の一方の表面上に一対の素子接続用電極パッドを形成し、この素子接続用電極パッド上に圧電振動素子を配置し、圧電振動素子表面に形成されている一対の基板接続用電極と素子接続用電極パッドとを、対向する各々の基板接続用電極と素子接続用電極パッド間で電気的且つ機械的に接続固着し、更に圧電振動素子が搭載されている空間を蓋体により気密に封止する圧電デバイスの製造方法において、
各々の素子接続用電極パッド上に、少なくとも１個のニッケルボール、又は少なくとも１箇所の圧電振動素子側に向かって突起した凸部を形成したニッケルメッキ層を形成する工程と、
このニッケルボール又はニッケルメッキ層の上に、圧電振動素子を、圧電振動素子に形成した基板接続用電極がニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部と対向する形態で配置する工程と、
ニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部と該基板接続用電極との間に電圧を印加し、ニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部から基板接続用電極に向かってニッケルピラーを成長させ、このニッケルピラーを介して該素子接続用電極パッドと基板接続用電極とを電気的且つ機械的に接続固着する工程とを具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法である。

上記本発明の圧電デバイスおいて、圧電デバイス内に搭載されている圧電振動素子に形成された基板接続用電極と、圧電デバイスを構成する絶縁基板に形成された素子接続用電極パッド間の電気的及び機械的な接続を金属製のニッケルピラーにて行うことにより、ニッケルピラーを形成した直後から圧電振動素子の所望する配置姿勢で絶縁基板上において保持することができるので、圧電デバイス内での圧電振動素子の姿勢をニッケルピラーにより最良の状態で常時保持することができるので、圧電振動素子の姿勢不良に起因する振動特性の悪化を防止することが可能となる。

又、本発明では、微細なニッケルピラーを介しての圧電振動素子と絶縁基板との固着導通を図っているため、導電性接着剤による固着導通に比べ接合固着する面積が著しく小さくなる。そのため、固着導通部材形成による圧電振動素子の振動特性の悪化を最小限に小さくすることが可能となる。更に、本発明の圧電デバイスでは、導電性接着剤を使用していないため、導電性接着剤の特性変化に伴う圧電デバイスの特性悪化がない。

又、本発明による圧電デバイスの製造方法により、圧電デバイスを構成する絶縁基板に形成された素子接続用電極パッド間の電気的及び機械的な接続を行う金属製のニッケルピラーを瞬間的な電圧印加により形成するので、導電性接着剤を用いたものに比べ、圧電デバイスの製造時間を著しく短縮することが可能となる。

以上の作用により、安価であり且つ内部に搭載する圧電振動素子の振動特性が良好な圧電デバイスを提供できる効果を奏する。

以下に、本発明における圧電デバイスの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る圧電デバイスを、圧電デバイスの一つである圧電振動子を例に示した概略分解外観図である。図２は、図１記載の圧電振動子を組み立てた後、同図記載の仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図の一部分を拡大して示したものである。図３は、図２記載の点線円Ｂ部分を拡大して示した拡大部分断面図である。尚、各図では、同じ符号は同じ部品を示し、又説明を明りょうにするため構造体の一部は図示していない。更に図示した構造体の寸法も一部誇張して示している。

即ち、図１、図２及び図３において、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム或いは圧電セラミックス等の圧電素材から形成され、且つ短冊薄板状の外形形状の圧電素板１１の表裏主面上は、圧電素板１１のほぼ中央に略長方形の励振用電極１２が表裏主面で対向するように蒸着法により形成されており、この励振用電極１２から表裏主面で異なる圧電素板１１の短辺方向へ延設した引き出し電極１３と、引き出し電極１３と電気的に接続し、且つ後述する容器体１５に形成された素子接続用電極パッド１６との導通を取るための基板接続用電極１４が圧電素板１１の両短辺辺縁部に形成されて圧電振動素子１０を構成している。

このような形状の圧電振動素子１０を搭載する絶縁基板１５は、主構造材として主面形状を矩形とした平板形状のセラミックス材又はガラスエポキシ材が使用されており、絶縁基板１５の一方の主面上には、圧電振動素子１０を搭載した際に圧電振動素子１０の両短辺辺縁部に形成された基板接続用電極１４と対向する位置に、素子接続用電極パッド１６が形成されている。尚、本実施形態では、素子接続用電極パッド１６の長さ寸法を圧電振動素子１０の短辺寸法の約半分とし、且つ２つの素子接続用電極パッド１６を絶縁基板主面の中心点を基準として点対称となる形態で形成しているが、他に素子接続用電極パッド１６の長さ寸法を圧電振動素子１０の短辺寸法と同等の寸法とし、且つ２つの素子接続用電極パッド１６を絶縁基板主面の長辺を均等に二分割する中心線を基準として線対称となる形態で形成しても良い。

又、絶縁基板１５の一方の主面上の各辺縁部には、後述する蓋体１７を接合するための封止用導体パターン１８が環状に形成されており、更に絶縁基板１５の他方の主面上には、外部の実装基板に形成されている電子回路パターンと電気的且つ機械的に接続するための外部接続用電極端子１９が形成されている。この外部接続用電極端子１９と素子接続用電極パッド１６とは、接続を所望する外部接続用電極端子と素子接続用電極パッド間で、絶縁基板１５に形成した導配線やビアホールにより電気的に接続されている。

この基板１５の一方の主面上には、上述した各種電極が形成された圧電振動素子１０が、素子接続用電極パッド１６上に、圧電振動素子１０の基板接続用電極１４が位置するように配置され、この素子接続用電極パッド１６と基板接続用電極１４との間が、ニッケルピラー２０により電気的且つ機械的に接続されている。

このニッケルピラー２０の主素材はニッケル金属であり、長さ約２００μｍ、断面直径約５μｍでスパイラル構造を有しており、素子接続用電極パッド１６との接合部分は略球体状又はドーム状に成っている。このようなニッケルピラー２０を介しての圧電振動素子１０の基板接続用電極１４と絶縁基板１５の素子接続用電極パッド１６との固着導通を図っているため、導電性接着剤による固着導通に比べ接合固着する面積が著しく小さくなる。そのため、ニッケルピラー２０による圧電振動素子１０の振動特性の悪化を最小限に小さくすることが可能となる。尚、各々の素子接続用電極パッド１６と基板接続用電極１４との間に形成されるニッケルピラー２０の本数は、本実施形態のように各１本ずつでも圧電振動素子１０を絶縁基板１５上に固定することは十分の可能であるが、更に複数本のニッケルピラーを形成しても構わない。

上述したような、ニッケルピラー２０を介して圧電振動素子１０の基板接続用電極１４と絶縁基板１５の素子接続用電極パッド１６との固着導通することで圧電振動素子１０を一方の主面上に搭載した絶縁基板１５の一方の主面上には、周囲にフランジを形成した開口部を有し、且つフランジの開口側表面上に環状のロウ材２１が形成されている概略箱形状の金属製の蓋体１７を、圧電振動素子１０を蓋体１７内部空間に収納するように配置し、蓋体１７のフランジ部分に形成したロウ材２１と絶縁基板１５の一方の主面に形成されている封止用導体パターン１８とが、圧電振動素子１０が収納された空間が気密に成るように接合することにより圧電振動子１が形成される。

次に上述したような形態の圧電振動子の製造方法を説明する。
まず、外部接続用電極端子１９や封止用導体パターン１８を表面上に形成した絶縁基板１５の一方の主面上に形成した各々の素子接続用電極パッド１６上に、少なくとも１個のニッケルボール、又は圧電振動素子１０側に向かって突起した少なくとも１個の凸部を形成したニッケルメッキ層を形成する。ニッケルボールの直径は約１０μｍであり、凸部の場合では、このニッケルボールと同等程度の大きさの凸部を形成する。

次に、ニッケルボール又は凸部を有するニッケルメッキ層の上に、圧電振動素子１０を、圧電振動素子１０に形成した基板接続用電極１４がニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部と対向する形態で配置する。この際、ニッケルボールの圧電振動素子１０側先端又は凸部先端と、圧電振動素子１０の基板接続用電極１４表面との距離は、２００μｍ以下とする。

次に、ニッケルボール又は凸部を有するニッケルメッキ層の上に、圧電振動素子１０を配置した絶縁基板１５を、露点温度が−５０℃の窒素ガス中に配置し、ニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部と基板接続用電極１４との間に２５０Ｖの電圧を印加する。するとニッケルボール又はニッケルメッキ層の凸部から基板接続用電極１４に向かってニッケルピラー２０がスパイラル形態で成長し、基板接続用電極１４表面にニッケルピラー２０の先端が接合する。これによりニッケルピラー２０を介して素子接続用電極パッド１６と基板接続用電極１４とを電気的且つ機械的に接続固着する。

その後、絶縁基板１５の一方の主面上に、周囲にフランジを形成した開口部を有し、且つフランジの開口側表面上に環状のロウ材２１が形成されている概略箱形状の金属製の蓋体１７を、圧電振動素子１０を蓋体１７内部空間に収納し、且つフランジの開口側表面上に環状のロウ材２１が絶縁基板１５の一方の主面上の各辺縁部に環状に形成されている封止用導体パターン１８に接触する形態で配置し、ロウ材２１を加熱溶融して、圧電振動素子１０が収納された空間が気密に成るように絶縁基板１５と蓋体１７を接合し圧電振動子１を形成する。

上述した圧電振動子１の製造方法を用いることにより、圧電振動子１を構成する絶縁基板１５に形成された素子接続用電極パッド１６間の電気的及び機械的な接続を行う金属製のニッケルピラー２０を瞬間的な電圧印加により形成するので、導電性接着剤を用いた製造方法に比べ、圧電振動子１の製造時間を著しく短縮することが可能となる。

尚、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。例えば、上述した実施形態では、本発明を使用する圧電デバイスの一例として圧電振動子を例示して説明したが、他の圧電デバイスとして、箱状の容器体内の凹部空間内に、圧電振動素子と、この圧電振動素子と電気的に接続した発振回路を内蔵した集積回路素子とを一緒に搭載した形態の圧電発振器や、内部に搭載する圧電振動素子を周波数フィルタとして機能させた圧電フィルタ等の他の形態の圧電デバイスにおける、内部に搭載する圧電振動素子の電気的及び機械的接続固着形態に本発明を用いることは可能である。

図１は、本発明に係る圧電デバイスを、圧電デバイスの一つである圧電振動子を例に示した概略分解外観図である。 図２は、図１記載の圧電振動子を組み立てた後、同図記載の仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図の一部分を拡大して示したものである。 図３は、図２記載の点線円Ｂ部分を拡大して示した拡大部分断面図である。 図４は、従来の圧電デバイスを、圧電デバイスの一つである圧電振動子を例に示した概略部分断面図である。

符号の説明

１・・・圧電振動子（圧電デバイス）
１０・・・圧電振動素子
１１・・・圧電素板
１２・・・励振用電極
１４・・・基板接続用電極
１５・・・絶縁基板
１６・・・素子接続用電極パッド
１７・・・蓋体
２０・・・ニッケルピラー

Claims (3)

1. 少なくとも、絶縁基板の表面上に一対の素子接続用電極パッドが形成されており、該素子接続用電極パッド上に平板状の圧電振動素子を配置し、圧電振動素子表面に形成されている一対の基板接続用電極と該素子接続用電極パッドとが、対向する各々の該基板接続用電極と該素子接続用電極パッド間で電気的且つ機械的に接続固着されており、更に該圧電振動素子が搭載されている空間を気密に封止する蓋体とにより構成される圧電デバイスにおいて、
   該基板接続用電極と該素子接続用電極パッドとの間を、少なくとも１本のニッケルピラーにより電気的且つ機械的に接続固着してあることを特徴とする圧電デバイス。
2. 該圧電振動素子に形成されている該基板接続用電極が、該圧電振動素子の中心を基準として相対するエッジ縁部の少なくとも表裏主面に形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 少なくとも、絶縁基板の表面上に一対の素子接続用電極パッドを形成し、該素子接続用電極パッド上に圧電振動素子を配置し、圧電振動素子表面に形成されている一対の基板接続用電極と該素子接続用電極パッドとを、対向する各々の該基板接続用電極と該素子接続用電極パッド間で電気的且つ機械的に接続固着し、更に該圧電振動素子が搭載されている空間を蓋体により気密に封止する圧電デバイスの製造方法において、
   各々の該素子接続用電極パッド上に、少なくとも１個のニッケルボール、又は少なくとも１箇所の圧電振動素子側に向かって突起した凸部を形成したニッケルメッキ層を形成する工程と、
   該ニッケルボール又は該ニッケルメッキ層の上に、該圧電振動素子を、該圧電振動素子に形成した該基板接続用電極が該ニッケルボール又は該ニッケルメッキ層の該凸部と対向する形態で配置する工程と、
   該ニッケルボール又は該ニッケルメッキ層の該凸部と該基板接続用電極との間に電圧を印加し、該ニッケルボール又は該ニッケルメッキ層の該凸部から該基板接続用電極に向かってニッケルピラーを成長させ、該ニッケルピラーを介して該素子接続用電極パッドと該基板接続用電極とを電気的且つ機械的に接続固着する工程と
   を具備することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

Images