WO2015194461A1

WO2015194461A1 - セラミックスデバイス、及び接合体

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Publication number: WO2015194461A1
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Inventors: 政之植谷; 健賀來; 勇治梅田
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Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2015-12-23
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Abstract

　外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高い圧電デバイスを提供する。この圧電デバイスは、本体部と、外部電極と、を備えた焼成体である。外部電極は、本体部の上下面を覆う表面電極と、本体部の側面を覆い且つ表面電極と接続する側面電極と、を備える。この圧電デバイスは、全ての構成部材を共焼成することによって得られる。表面電極は、白金（Ｐｔ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）を含んで構成される。側面電極も、白金（Ｐｔ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）を含んで構成される。加えて、側面電極には、金（Ａｕ）が含有されている。側面電極における金の含有率は、３～２０重量％であることが好ましい。

Description

セラミックスデバイス、及び接合体

　本発明は、セラミックスデバイスに関し、特に、圧電デバイスとして機能するセラミックスデバイスに関する。圧電デバイスは、圧電／電歪デバイスとも称呼される。

　この種の圧電デバイスの一例として、特許文献１には、図１１に示すように、本体部８１０と、外部電極８１１と、を備えた焼成体である圧電デバイス８００が記載されている。図１１に示す圧電デバイス８００では、本体部８１０は、圧電層８２０と内部電極８２１とが交互に積層された積層体である。内部電極８２０は、内部電極８２１Ａ、８２１Ｂを備える。外部電極８１１は、本体部８１０の上面８６０の一部を覆う一対の表面電極８４０Ａ、８４０Ｂと、本体部８１０の対応する側の側面８７０Ａ、８７０Ｂの少なくとも一部を覆い且つ対応する側の内部電極８２１Ａ、８２１Ｂ及び表面電極８４０Ａ、８４０Ｂと接続する一対の側面電極８５０Ａ、８５０Ｂと、を備える。通常、外部電極８１１（表面電極８４０Ａ、８４０Ｂ、及び側面電極８５０Ａ、８５０Ｂ）、並びに、内部電極８２１は、白金（Ｐｔ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）（以下、「白金等」を呼ぶ。）を含んで構成される。これは、白金等が、「融点が高く、且つ、酸化され難い（従って、酸化されることなく酸素雰囲気で安定して焼成され得る）」という特性を有することに基づく。

　この種の圧電デバイスは、光学レンズの位置制御用素子（例えば、カメラ用オートフォーカスやズーム用の超音波モータ）や、磁気的情報等の読取り及び／又は書込み用素子の位置制御用素子（例えば、ハードディスクドライブの磁気ヘッド用のアクチュエータ）、或いは機械的振動を電気信号に変換するセンサ等として活発に開発されてきている。

国際公開第２０１２／１３２６６１号パンフレット

　ところで、図１１に示す圧電デバイス８００は、例えば、図１２に示すように、はんだ９２０Ａ、９２０Ｂを利用して基板９１０Ａ、９１０Ｂに組み付けられる場合がある。図１２に示す例では、圧電デバイス８００の下面８６１の両端部８８０Ａ、８８０Ｂが、互いに離れて位置する一対の基板９１０Ａ、９１０Ｂの向かい合う端部９４０Ａ、９４０Ｂの上面９５０Ａ、９５０Ｂにそれぞれ載置された状態で、圧電デバイス８００の一対の側面電極８５０Ａ、８５０Ｂと一対の基板９１０Ａ、９１０Ｂの端部９４０Ａ、９４０Ｂとが、はんだ９２０Ａ、９２０Ｂを利用して接合・固定されている。接合・固定は、銅端子９３０Ａ、９３０Ｂに対して行われる。

　はんだの融点は、はんだの組成（はんだを構成する物質）に応じて大きく異なり、融点が比較的高いはんだ（例えば、２００～２５０℃。典型的には、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及び、銀（Ａｇ）などによって構成される）もあれば、融点が比較的低いはんだ（例えば、２００℃未満。典型的には、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、及び、銀（Ａｇ）などによって構成される）もある。以下、「融点が２００℃未満のはんだ」を特に、「低融点はんだ」と呼ぶ。

　上記のように、圧電デバイスの側面電極と基板とがはんだを用いて接合・固定される場合、低融点はんだを使用すると、比較的低い温度の（溶融した）はんだを利用して、前記接合する工程が実行され得る。従って、この工程にてはんだから基板へと伝達される熱の量が比較的少なくなる。この結果、以下の利点がある。

　第１に、基板、及び、基板に設けられる部品に対して耐熱性の低い材料が使用され得る。この結果、前記材料についての選択肢が広がる。第２に、前記工程中にて基板、及び、基板に設けられる部品に発生する熱応力が低減され得、基板及び部品にクラック等が生じる可能性が低減され得る。この結果、前記クラック等に起因して基板上の電気的な接続が遮断される事態が発生し難くなる。第３に、基板に対してエポキシ樹脂を用いた接着剤が使用される場合、前記工程において、エポキシ樹脂を用いた接着剤を硬化させる処理も同時に実行され得る。この結果、作業全体に要する工数を少なくすることができる。第４に、圧電層（圧電材料）が分極した後の状態にある圧電デバイスの側面電極と基板とが接合される場合、前記工程中にて、圧電層（圧電材料）が脱分極し難い。この結果、作業全体に要する工数を少なくすることができる。

　一方、低融点はんだを利用すると、以下の問題も発生する。即ち、一般に、白金等に対する低融点はんだのぬれ性が比較的低い。従って、圧電デバイスの側面電極が白金等のみで構成されている場合、前記側面電極の表面上にて（溶融した）低融点はんだがぬれ広がり難くなる。従って、前記側面電極と低融点はんだとの間の接合面積が狭くなり、この結果、前記側面電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が低下し得る。前記側面電極（前記外部電極）と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性を高めることが望まれているところである。

　本発明の目的は、前記外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高いセラミックスデバイス（圧電デバイス）を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に係るセラミックスデバイス（圧電デバイス）の特徴は、前記外部電極が、白金等（白金（Ｐｔ）、又は、パラジウム（Ｐｄ））を（主材料として）含んで構成され、且つ、前記外部電極（典型的には、前記側面電極）には、金（Ａｕ）が含有されていること、にある。ここにおいて、前記外部電極（前記表面電極＋前記側面電極）、及び、前記内部電極が、同じ材料（即ち、白金等＋金）によって構成され得る。金を含む電極が、前記側面電極のみであってもよいし、前記表面電極のみであってもよい。低融点はんだと接合される対象となる電極が、白金等に加えて金を含むように構成される。また、前記本体部、及び前記外部電極は、共焼成され得る。

　上記構成によれば、セラミックスデバイス（圧電デバイス）の外部電極（典型的には、前記側面電極）が白金等のみで構成されている場合と比べて、前記外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高くなることが判明した（詳細については後述する）。これは以下の理由に基づくと推測される。

　即ち、金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）の状態図（図示せず）から容易に理解できるように、金（Ａｕ）が、低融点はんだに含まれるスズ（Ｓｎ）と接触する場合、２００℃程度の比較的低い温度でも、金とスズが合金相を形成することが知られている。

　従って、上記構成のように、白金等で構成された外部電極に金が含まれている場合、２００℃程度の溶融した低融点はんだが外部電極の表面に接触すると、外部電極に含まれる金が溶融した低融点はんだに溶解し得る。この金の溶解に起因して、溶解した金の周囲に存在する白金等も溶融した低融点はんだに溶解し易くなる。この結果、外部電極と低融点はんだとの接合部に、少なくともスズと白金等とを含む化合物層が形成され得る。この化合物層の形成によって、外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。換言すれば、外部電極に含まれる金が「外部電極に含まれる白金等を溶解させて化合物層を形成する助剤」として機能することによって、外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。

　以上、上記構成によれば、セラミックスデバイス（圧電デバイス）の外部電極が白金等のみで構成されている場合と比べて、外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高くなる。

　上記圧電デバイスにおいては、前記外部電極における金の含有率が３～２０重量％であることが好適である。これによれば、そうでない場合と比べて、外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性がより一層高くなることが判明した（詳細については後述する）。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスの斜視図である。図１に示した圧電デバイスの２－２断面図である。基材上に形成された大きな積層体を切断して同一工程で多数個の圧電デバイス対応部を取り出す際の切断の様子を示した図である。切断によって基材上に多数個の圧電デバイス対応部が取り出された状態を示した図である。図１に示した圧電デバイスの製造過程を示す第１の図である。図１に示した圧電デバイスの製造過程を示す第２の図である。図１に示した圧電デバイスが、はんだを利用して基板に組み付けられた状態を示す図である。図７に示した「基板に組み付けられた状態の圧電デバイス」の図２に対応する断面図である。実験に使用されたサンプルのリフロー前の状態の一例を示した図である。実験に使用されたサンプルのリフロー後の状態の一例を示した図である。従来の圧電デバイスの図１に対応する図である。従来の圧電デバイスが、はんだを利用して基板に組み付けられた状態を示す図である。

　以下、図面を参照しながら本発明による圧電デバイスの実施形態について説明する。

（構成）
　図１、及び、図１の２－２断面図である図２に示すように、本実施形態に係る圧電デバイス１００は、焼成体であり、直方体状の本体部１１０と、本体部１１０の表面の少なくとも一部を覆うように本体部１１０に設けられた外部電極１１１と、を備える。

　本体部１１０は、圧電材料からなる複数（本例では６つ）の圧電層１３０と、複数（本例では５つ）の層状の内部電極１３１とを有し、最上層及び最下層として圧電層１３０が位置し且つ圧電層１３０と内部電極１３１とが交互に積層された積層体である。圧電層１３０と内部電極１３１の各層は互いに平行に積層されている。本体部１１０のサイズ（焼成後）は、例えば、幅（ｘ軸方向）０．２～１０．０ｍｍ、奥行き（ｙ軸方向）０．１～１０．０ｍｍ、高さ（ｚ軸方向）０．０１～１０．０ｍｍである。各圧電層１３０（焼成後）の厚さ（ｚ軸方向）は１．０～１００．０μｍであり、各内部電極１３１（焼成後）の厚さ（ｚ軸方向）は０．３～５．０μｍである。

　図２に示すように、外部電極１１１は、本体部１１０の上下面１６０、１６１の一部を覆う表面電極１４０と、本体部１１０の側面１７０Ａ、１７０Ｂの一部を覆う側面電極１４１とを備える。側面電極１４１は、内部電極１３１及び表面電極１４０と電気的に接続されている。より具体的には、（３つの）内部電極１３１Ａ、表面電極１４０Ａ、及び側面電極１４１Ａ（以下、これらを総称して「第１電極群１５０Ａ」と呼ぶ）が互いに電気的に接続され、（２つの）内部電極１３１Ｂ、表面電極１４０Ｂ、及び側面電極１４１Ｂ（以下、これらを総称して「第２電極群１５０Ｂ」と呼ぶ）が互いに電気的に接続されている。

　第１、第２電極群１５０Ａ、１５０Ｂは、絶縁体である圧電層１３０を介して接続されることによって、互いに電気的に絶縁されている。換言すると、互いに電気的に接続された（３つの）内部電極１３１Ａと、互いに電気的に接続された（２つの）内部電極１３１Ｂとは、櫛歯状の電極を構成している。表面電極１４０（焼成後）の厚さは０．５～１０．０μｍであり、側面電極１４１（焼成後）の厚さは０．５～１０．０μｍである。なお、本例では、内部電極が５層となっているが、内部電極の層の数は特に限定されない（ゼロであってもよい）。

　この圧電デバイス１００では、第１、第２電極群１５０Ａ、１５０Ｂの間に与える電位差を調整することによって圧電層１３０（従って、本体部１１０）の変形量が制御され得る。この原理を利用することによって、この圧電デバイス１００は、対象物の位置を制御するアクチュエータとして利用され得る。この対象物として、光学レンズ、磁気ヘッド、光ヘッド等が挙げられる。また、この圧電デバイス１００では、圧電層１３０（従って、本体部１１０）の変形量に応じて第１、第２電極群１５０Ａ、１５０Ｂの間に発生する電位差が変化する。この原理を利用することによって、この圧電デバイス１００は、超音波センサ、加速度センサ、角速度センサ、衝撃センサ、質量センサ等の各種センサとしても利用され得る。

　圧電層１３０の材料（圧電材料）としては、圧電セラミックス、電歪セラミックス、強誘電体セラミックス、或いは反強誘電体セラミックスが採用されることが好適である。具体的な材料としては、ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、マンガンタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ナトリウムビスマス、ニオブ酸カリウムナトリウム、タンタル酸ストロンチウムビスマス等を単独であるいは混合物として含有するセラミックスが挙げられる。

　外部電極１１１（表面電極１４０と側面電極１４１）、及び内部電極１３１の材料（電極材料）としては、室温で固体であり、導電性に優れた金属で構成されていることが好ましい。具体的には、外部電極１１１（表面電極１４０と側面電極１４１）、及び内部電極１３１は、白金（Ｐｔ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）、或いは、これらの合金で構成される。これは、白金、又は、パラジウムが、「融点が高く、且つ、酸化され難い（従って、酸化されることなく酸素雰囲気で安定して焼成され得る）」という特性を有することに基づく。なお、表面電極１４０及び内部電極１３１は、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、鉛等の金属単体、もしくはこれらの合金で構成されてもよい。しかしながら、本体部１１０との共焼成を行う観点からは、表面電極１４０及び内部電極１３１は、側面電極１４１と同様、白金（Ｐｔ）又は、パラジウム（Ｐｄ）、或いは、これらの合金で構成されることが好ましい。

　また、特に、側面電極１４１には金（Ａｕ）が含有されている。側面電極１４１における金の含有率については後述する。表面電極１４０及び内部電極１３１にも金が含有されていてもよい。

（製造方法）
　次に、上記圧電デバイスの製造方法について簡単に説明する。以下、「焼成前」であることは、対応する部材の名称に「グリーン」を付し、或いは、対応する部材の符号の末尾に「ｇ」を付すことによって示される。

　本例では、先ず、図３に示すように、平板状の基材３００上に、圧電デバイスに対応する部分（以下、「グリーン圧電デバイス対応部」と呼ぶ）１００ｇが所定の間隔をおいてマトリクス状に複数個（３×７個）整列した状態で含まれる１枚の大きなグリーン積層体３０１が形成される。この大きなグリーン積層体３０１は、本体部１１０に対応するグリーン積層体部１１０ｇと、その上下面１６０ｇ、１６１ｇに形成された表面電極１４０に対応するグリーン電極膜１４０ｇ、１４０ｇと、を含む。

　本体部１１０に対応するグリーン積層体部１１０ｇは、圧電層１３０に対応するグリーン圧電シート１３０ｇと、内部電極１３１に対応するグリーン電極膜１３１ｇとが交互に積層されて形成される。グリーン圧電シート１３０ｇは、ドクターブレード法等の周知の手法の一つを利用して前記圧電材料を含むペーストを成形することによって形成される。グリーン圧電シート１３０ｇ上へのグリーン電極膜１３１ｇの形成は、スクリーン印刷、スプレーコート、インクジェット等の周知の手法の一つを利用して内部電極１３１の材料を含むペーストを成形することによってなされる。グリーン圧電シート１３０ｇとグリーン電極膜１３１ｇとの圧着性をより確実とするため、グリーン圧電シート１３０ｇとグリーン電極膜１３１ｇとの間にグリーン接着層が介装されてもよい。この場合、グリーン圧電シート１３０ｇ上へのグリーン接着層の形成は、塗付等の周知の手法の一つを利用してなされる。

　グリーン積層体部１１０ｇの上下面１６０ｇ、１６１ｇのそれぞれへのグリーン電極膜１４０ｇの形成も、スクリーン印刷、スプレーコート、インクジェット等の周知の手法の一つを利用して表面電極１４０の材料を含むペーストを成形することによってなされる。具体的には、例えば、このペーストは、白金又はパラジウム等の電極材料の粉末、バインダ、分散媒、溶剤等を含む。バインダとしては、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂などが使用され、溶剤としては、テルピネオール、テキサノール、イソプロピルアルコールなどが使用され得る。このペーストに金の粉末が含まれてもよい。前記電極材料の粉末（及び、金の粉末）の粒径は、例えば、０．１～２．０μｍである。

　次いで、図３に示す切断線（２点鎖線を参照）３１０に沿って切断加工、パンチ加工等の機械加工を施す。この結果、図４に示すように、基材３００上において、複数個（３×７個）のグリーン圧電デバイス対応部１００ｇを同一工程で取り出すことができる。以下、説明の便宜上、取り出された複数のグリーン圧電デバイス対応部１００ｇのうちの１つのみに着目して説明を続ける。

　図５は、取り出された１つのグリーン圧電デバイス対応部１００ｇの図２に対応する断面を示す。図５に示すように、本例では、グリーン圧電デバイス対応部１００ｇは、本体部１１０に対応するグリーン積層体１１０ｇと、グリーン積層体１１０ｇの上下面１６０ｇ、１６１ｇに形成された表面電極１４０に対応するグリーン電極膜１４０ｇ、１４０ｇとから構成される。グリーン積層体１１０ｇは、最上層及び最下層として圧電シート１３０ｇが位置し且つ圧電シート１３０ｇと電極膜１３１ｇとが交互に積層された積層体である。

　次に、図６に示すように、グリーン圧電デバイス対応部１００ｇの側面１７０Ａｇ、１７０Ｂｇの所定箇所にそれぞれ、側面電極１４１に対応するグリーン電極膜１４１ｇが形成される。このグリーン電極膜１４１ｇの形成も、スクリーン印刷、スプレーコート、インクジェット等の周知の手法の一つを利用して側面電極１４１の材料を含むペーストを成形することによってなされる。具体的には、例えば、このペーストは、白金又はパラジウム等の電極材料の粉末、バインダ、分散媒、溶剤等を含む。バインダとしては、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂などが使用され、溶剤としては、テルピネオール、テキサノール、イソプロピルアルコールなどが使用され得る。このペーストには、金の粉末が含まれる。前記電極材料の粉末、及び、金の粉末の粒径は、例えば、０．１～２．０μｍである。

　そして、図６に示したグリーン圧電デバイス対応部１００ｇに対し、所定温度（例えば、９００～１２００℃）で所定時間（例えば最高温度の保持時間が、０．５～３時間）に亘って焼成が実行される。換言すれば、本体部１１０に対応するグリーン積層体部１１０ｇ（圧電層１３０に対応するグリーン圧電シート１３０ｇ、及び、内部電極１３１に対応するグリーン電極膜１３１ｇ）、並びに、表面電極１４０に対応するグリーン電極膜１４０ｇ及び側面電極１４１に対応するグリーン電極膜１４１ｇ、が共焼成される。この結果、図１及び図２に示す圧電デバイス１００（焼成後）が得られる。

　なお、上述した例では、前記大きなグリーン積層体３０１において電極膜１４０ｇが形成された状態で機械加工がなされた。この結果、図５に示すように、各グリーン圧電デバイス対応部１００ｇが前記機械加工によって取り出された段階にて既に、同対応部１００ｇには電極膜１４０ｇが形成されている。これに対し、前記大きなグリーン積層体３０１において電極膜１４０ｇが形成されていない状態で機械加工がなされてもよい。この場合、各グリーン圧電デバイス対応部１００ｇが前記機械加工によって取り出された後に、各グリーン圧電デバイス対応部１００ｇに対して電極膜１４０ｇが形成され、その後、電極膜１４１ｇが形成され得る。また、各グリーン圧電デバイス対応部１００ｇに対して電極膜１４１ｇが形成され、その後、電極膜１４０ｇが形成されてもよい。

（圧電デバイスの組み付けの一例）
　以上、説明した本実施形態に係る圧電デバイス１００は、例えば、図７及び図８に示すように、はんだ４２０Ａ、４２０Ｂを利用して基板４１０Ａ、４１０Ｂに組み付けられる。この例では、先ず、圧電デバイス１００の下面１６１の両端部１８０Ａ、１８０Ｂが、互いに離れて位置する一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂの向かい合う端部４４０Ａ、４４０Ｂの上面４５０Ａ、４５０Ｂ（より具体的には、端部４４０Ａ、４４０Ｂの上面４５０Ａ、４５０Ｂに設けられた銅端子４３０Ａ、４３０Ｂの上面）にそれぞれ載置される。次に、この状態で、圧電デバイス１００の一対の側面電極１４１Ａ、１４１Ｂと一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂの端部４４０Ａ、４４０Ｂとが、はんだ４２０Ａ、４２０Ｂを利用して接合・固定される。これにより、一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂに対する圧電デバイス１００の組み付けが完了する。

　このように一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂに対して組み付けられた圧電デバイス１００では、第１、第２電極群１５０Ａ、１５０Ｂの間に与える電位差を変更することによって、圧電層１３０（従って、本体部１１０）の変形量が変化する（図８に示す矢印を参照）。この結果、一対の基板間の距離（間隔）が変化する。この原理を利用して、この圧電デバイスは、光学レンズ等の対象物の位置を制御するアクチュエータとして利用され得る。或いは、このように一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂに対して組み付けられた圧電デバイス１００では、一対の基板４１０Ａ、４１０Ｂに対して基板４１０Ａ、４１０Ｂ間の距離（間隔）が変化する方向に加えられる力の大きさを変更することによって、圧電層１３０（従って、本体部１１０）の変形量が変化し（図８に示す矢印を参照）、その変形量に応じて第１、第２電極群１５０Ａ、１５０Ｂの間に発生する電位差が変化する。この原理を利用して、この圧電デバイス１００は、質量センサ等の各種センサとしても利用され得る。

（作用・効果）
　上述した圧電デバイスの組み付けに際し、はんだとして、上述した「低融点はんだ」（融点が２００℃以下のはんだ）を使用することが好適である。低融点はんだは、典型的には、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、及び、銀（Ａｇ）を含んで構成される。低融点はんだを使用すると、比較的低い温度の（溶融した）はんだを利用して、前記接合する工程が実行され得ることに起因して、上記「発明の概要」の欄に記載した種々の利点がある。

　しかしながら、一般に、白金又はパラジウムに対する「低融点はんだ」のぬれ性が比較的低いので、圧電デバイスの側面電極が白金又はパラジウムのみで構成されている場合、側面電極の表面上にて（溶融した）「低融点はんだ」がぬれ広がり難くなる。従って、側面電極と「低融点はんだ」との間の接合面積が狭くなり、この結果、側面電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が低下する、という問題が発生し得る。

　この問題に対し、本発明者は、側面電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性を高めるため、種々の実験・研究等を行った。この結果、本発明者は、側面電極が、白金又はパラジウムで構成されている場合において、その側面電極に金が含有されていると、側面電極が白金又はパラジウムのみで構成されている場合と比べて、側面電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなること、並びに、その接合に関する信頼性が、側面電極における金の含有率と強い相関があること、を見出した。以下、このことを確認した試験について説明する。

（試験）
　この試験では、サンプルとして、図９（リフロー前）、及び図１０（リフロー後）に示す形態のものが使用された。このサンプルにおける圧電板５００、及び、電極板５０１は、それぞれ、図１に示す上記圧電デバイス１００の本体部１１０（圧電層１３０）、及び、側面電極１４１に対応している。この圧電板５００は、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの薄い直方体状を呈している。この電極板５０１は、縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ５μｍの薄い直方体状を呈している。図９に示す低融点はんだ５０２（リフロー前）は、縦１ｍｍ、横１ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの領域に形成されたはんだペーストである。

　このサンプルは、以下のように作製された。まず、圧電体材料の粉末を含む圧電ペーストを用いてグリーンシートが形成された。具体的には、例えば、圧電体材料の粉末に、溶媒、バインダ、及び可塑剤を加えた得られた圧電ペーストが、ボールミルを用いて混合された。溶媒としてキシレン及びブタノールの混合溶剤が使用され、バインダとしてＰＶＢが使用され、可塑剤としてＤＯＰが使用された。次に、混合された圧電ペーストをドクターブレード法によってＰＥＴフィルム上に塗布することによって、圧電グリーンシートが形成された。

　次に、その圧電グリーンシートの上面に、電極材料の粉末を含む電極ペーストをスクリーン印刷等を利用して成形することによって、電極板の成形体が形成（積層）された。電極材料の粉末としては、白金粉末に金粉末が混入されたものが使用された。白金粉末の粒径（焼成前）は０．３～０．７μｍであり、金粉末の粒径（焼成前）は０．３～０．７μｍであった。電極ペースト用のバインダとしては、エチルセルロースが使用され、電極ペースト用の溶剤としては、テキサノールが使用された。

　次いで、この焼成前の積層体が共焼成された。焼成温度は１１００℃で、焼成時間は２時間であった。そして、焼成後の電極板５０１の上に、リフロー前の状態にある低融点はんだ５０２が載置された。これにより、図９に示すサンプルが得られた。低融点はんだとしては、ＰＦ１４２－ＬＴ７（ニホンハンダ（株）製：Ｓｎ－５７Ｂｉ－１Ａｇ）が使用された。

　この図９に示すサンプルに対して、低融点はんだに対してリフロー（加熱）が行われた。具体的には、先ず、１２０～１３０℃で８０秒間に亘って予備加熱がなされた。その後、１４０℃以上の加熱時間が合計で８０秒以上となるように連続的に昇温が行われた。この間の最高温度は１９５℃であった。その結果、図１０に示すように、低融点はんだ５０３が溶融して変形するとともに、低融点はんだ５０３が電極板５０１の上面に接合された（はんだ付けが完了した）。

　この試験では、このようにはんだ付けが完了したサンプルに対して、「低融点はんだの濡れ性」と、「共焼成後の電極板の状態」と、「低融点はんだの剥離の有無」が評価された。「低融点はんだの濡れ性」は、電極板の上面に対する低融点はんだの接触角の大きさを計測することによって評価された（接触角が小さいほど濡れ性が良い）。「共焼成後の電極板の状態」は、焼成により電極板に凝集が発生しているか否かを判定することによって評価された（凝集が発生していないと、電極板の状態が良い）。「低融点はんだの剥離の有無」は、テープ試験法を用いて簡易的に評価された。具体的には、低融点はんだの上面に粘着テープ（スコッチテープ（３Ｍ社製））が１０秒間指で押しながら貼り付けられ、その後、そのテープが貼り付け面に対して垂直方向に瞬間的に引き剥がされた。これにより、低融点はんだが電極板から剥離する。そして、その剥離された低融点はんだの剥離界面が観察された。

　この試験では、電極板における金（Ａｕ）の含有率（Ａｕ含有率、重量％）が異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１１種類の水準が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。

　表１の「Ａｕ含有率（重量％）」とは、「側面電極の全重量」に対する「側面電極にてＡｕが占める総重量」の割合（％）を指す。表１の各水準について記載された「Ａｕ含有率」の値は、焼成後の値（Ｎ＝１０の平均値）である。表１において、水準１のみについては、「側面電極に金が含まれず、側面電極が白金のみで構成される」従来の構成（Ａｕ含有率＝０％）が採用された。Ａｕ含有率の調整は、上記電極ペーストに混入される金粉末の量（重量割合）を調整することによってなされた。

　そして、各水準について、１０個のサンプルに対して、それぞれ、上述した評価が行われた。表１において、「はんだの濡れ性」について、「×」とは、接触角が９０°より大きいことを指し、「○」とは、接触角が約９０°であることを指し、「◎」とは、接触角が９０°未満であることを指す。「共焼成後の電極板の状態」について、「○」とは、電極板の内部で凝集が見られないことを指し、「△」とは、電極板の内部で凝集が一部だけ見られることを指す。「はんだの剥離の有無」について、「×」とは、１つ以上のサンプルにおいて電極板とはんだとの間で剥離が発生していたことを指し、「○」とは、電極板とはんだとの間で剥離が発生していたサンプルが一つもなかったことを指す。なお、水準１０、１１では、共焼成時に電極板の内部で凝集が過度に発生したことによって、電極板の形状が保持できず、その結果、サンプルを得ることができなかった。従って、上記各評価を実行することができなかった。

　表１から理解できるように、Ａｕ含有率が３重量％以上の場合（水準４～９を参照）、Ａｕ含有率が３重量％未満の場合（水準１～３を参照）と比べて、低融点はんだの濡れ性が良く、且つ、低融点はんだの剥離が発生し難い、といえる。また、Ａｕ含有率が５重量％以上の場合、低融点はんだの濡れ性が特に良い。Ａｕ含有率が１５％以下である場合、共焼成後の電極板の状態が特に良い。なお、上述のように（表１も参照）、Ａｕ含有率が２０重量％を超えると、電極板の内部での凝集に起因して電極板の形状が保持され得ない。したがって、Ａｕ含有率は望ましくは３重量％以上２０重量％以下であり、さらに望ましくは５重量％以上２０重量％以下であり、特に望ましくは５重量％以上１５重量％以下である。Ａｕ含有率が３重量％以上１５重量％以下であってもよい。

　このように、白金で構成される電極板に金が含まれると、そうでない場合と比べて電極板と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなるのは、以下の理由に基づくと推測される。

　即ち、金（Ａｕ）とスズ（Ｓｎ）の状態図（図示せず）から容易に理解できるように、金（Ａｕ）が、低融点はんだに含まれるスズ（Ｓｎ）と接触する場合、２００℃程度の比較的低い温度でも、金とスズが合金相を形成することが知られている。従って、白金で構成された電極板に金が含まれている場合、２００℃程度の溶融した「低融点はんだ」が電極板の表面に接触すると、電極板に含まれる金が溶融した「低融点はんだ」に溶解し得る。この金の溶解に起因して、溶解した金の周囲に存在する白金も溶融した「低融点はんだ」に溶解し易くなる。この結果、電極板と「低融点はんだ」との接合部に、少なくともスズと白金とを含む化合物層が形成され得る。この化合物層の形成によって、電極板と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。換言すれば、電極板に含まれる金が「電極板に含まれる白金を溶解させて化合物層を形成する助剤」として機能することによって、電極板と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。

　Ａｕ含有率が３重量％未満であると、Ａｕ含有率が３重量％以上である場合と比べて、はんだの濡れ性が悪く、且つ、はんだの剥離が発生し易いのは、Ａｕ含有率が少な過ぎて、上述した「金の助剤機能」が十分に発揮され得ないことに起因する、と考えられる。また、Ａｕ含有率が２０重量％を超えると、焼成時に凝集が過度に発生して電極板が自身の形状を保持できなくなるのは、Ａｕ含有率が多過ぎて電極板全体としての融点が低下したことに起因する、と考えられる。

　以上、白金で構成された側面電極に金が含有されると、側面電極が白金のみで構成されている場合と比べて、側面電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる。更に、側面電極のＡｕ含有率が３～２０重量％であると、前記接合に関する信頼性がより一層高くなる。

　以上、上記実験では、電極板の材料として白金が使用された例が示されているが、電極板の材料として白金に代えてパラジウムが使用された場合においても、全く同じ結果が得られたことを別途確認している。即ち、パラジウムで構成された電極板に金が含有されると、電極板がパラジウムのみで構成されている場合と比べて、電極板と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる。更に、電極板のＡｕ含有率が３～２０重量％であると、前記接合に関する信頼性がより一層高くなる。更には、電極板の材料として白金に代えて、白金とパラジウムとの合金が使用された場合においても、全く同じ結果が得られたことを別途確認している。

　本発明は上記実施形態に限らず、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、白金又はパラジウムで構成された側面電極１４１に金が含有され、その側面電極１４１に低融点はんだが接合されたが、白金又はパラジウムで構成された表面電極１４０に金が含有され、その表面電極１４０に低融点はんだが接合されてもよい。

　また、上記実施形態では、本体部１１０が、圧電層１３０と内部電極１３１が交互に積層された積層体であるが、本体部１１０が圧電材料のみからなる（内部電極を有さない）圧電体であってもよい。また、本体部１１０が圧電材料以外のセラミックス材料のみからなる（内部電極を有さない）セラミックス体であってもよい。

　なお、外部電極が白金（Ｐｔ）で構成される場合、金（Ａｕ）の代わりに、銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）が添加されても、外部電極と低融点はんだとの間の接合に関する信頼性が高くなることが別途確認されている。これも、金の場合と同様のメカニズムに基づくものと推測される。即ち、白金で構成された外部電極に「銀又は銅」が含まれる場合、２００℃程度の溶融した「低融点はんだ」が外部電極の表面に接触すると、外部電極に含まれる「銀又は銅」が溶融した低融点はんだに溶解して「銀又は銅」とスズとの合金相が形成される。この「銀又は銅」の溶解に起因して、溶解した「銀又は銅」の周囲に存在する白金も溶融した低融点はんだに溶解し、この結果、外部電極と「低融点はんだ」との接合部に、少なくともスズと白金とを含む化合物層が形成され得る。この化合物層の形成によって、外部電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。換言すれば、外部電極に含まれる「銀又は銅」が「外部電極に含まれる白金を溶解させて化合物層を形成する助剤」として機能することによって、外部電極と「低融点はんだ」との間の接合に関する信頼性が高くなる、と推測される。

　１１０…本体部、１３０…圧電層、１３１…内部電極、１１１…外部電極、１４０…表面電極、１４１…側面電極

Claims

　表面を有し、セラミックス材料からなる部分を含む本体部と、
　前記表面の一部を覆い、白金及びパラジウムの両方又は片方を含み、金をさらに含む外部電極と、
を備える焼成体であるセラミックスデバイス。
　前記表面が上下面及び側面を有し、
　前記外部電極が前記側面の少なくとも一部を覆う側面電極であり、
　前記セラミックスデバイスが前記上下面の少なくとも一部を覆い前記側面電極に接続される表面電極をさらに備える
請求項１のセラミックスデバイス。
　前記表面電極が、白金及びパラジウムの両方又は片方を含み、金をさらに含む
請求項１又は２のセラミックスデバイス。
　前記表面が上下面及び側面を有し、
　前記外部電極が前記上下面の少なくとも一部を覆う表面電極であり、
　前記セラミックスデバイスが前記側面の少なくとも一部を覆い前記表面電極に接続される側面電極をさらに備える
請求項１のセラミックスデバイス。
　前記セラミック材料が圧電材料であり、
　前記セラミックスデバイスが圧電デバイスとして機能し、
　前記本体部は、
　前記圧電材料からなる少なくとも２つの圧電層と少なくとも１つの内部電極とが積層された積層体である
請求項１から４までのいずれかのセラミックスデバイス。
　前記外部電極における金の含有率が３～２０重量％である
請求項１から５までのいずれかのセラミックスデバイス。
　前記本体部及び前記外部電極が共焼成されて得られた
　請求項１から６までのいずれかのセラミックスデバイス。
　請求項１から７までのいずれかのセラミックスデバイスと、
　基板と、
　前記セラミックスデバイスが備える外部電極を前記基板に接合し、２００℃未満の融点を有するはんだと、
を備える接合体。