JP2007089003A - Piezoelectric component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層構造の圧電部品に関し、特に発振子、フィルタに用いられる圧電部品に関する。 The present invention relates to a piezoelectric component having a laminated structure, and more particularly to a piezoelectric component used for an oscillator and a filter.
この種の圧電部品は、例えば、特許文献1に開示されるように、圧電素子を構成する圧電基板の一面にベース基板を接着し、圧電基板の他面に天板を接着した組立体となる。圧電基板は、圧電セラミックスから構成され、その一面に第1の電極(表電極)を有し、他面に第1の電極と対向する第2 の電極(裏電極)を有する。第1の電極及び第2の電極は、第1のリード電極及び第2のリード電極を有し、リード電極を介して、組立体の外部に導出される。 For example, as disclosed in Patent Document 1, this type of piezoelectric component is an assembly in which a base substrate is bonded to one surface of a piezoelectric substrate constituting a piezoelectric element, and a top plate is bonded to the other surface of the piezoelectric substrate. . The piezoelectric substrate is made of piezoelectric ceramics, and has a first electrode (front electrode) on one surface and a second electrode (back electrode) facing the first electrode on the other surface. The first electrode and the second electrode have a first lead electrode and a second lead electrode, and are led out of the assembly through the lead electrode.
圧電基板とベース基板とを接着する接着層、及び、圧電基板と天板とを接着する接着層は、圧電基板に設けられた第1の電極及び第2の電極による振動を許容する密閉された振動空間を有する。ベース基板及び天板は、主として、振動空間を構成する接着層を保護するために備えられる。ベース基板は、更に、端子電極を、外部回路基板等にハンダ付けする際のハンダ付け部分として用いられる。 The adhesive layer that bonds the piezoelectric substrate and the base substrate, and the adhesive layer that bonds the piezoelectric substrate and the top plate are hermetically sealed to allow vibration by the first electrode and the second electrode provided on the piezoelectric substrate. It has a vibration space. The base substrate and the top plate are mainly provided to protect the adhesive layer that constitutes the vibration space. The base substrate is further used as a soldering portion when soldering the terminal electrode to an external circuit board or the like.
上述した圧電部品において、端子電極は、従来は、印刷等の厚膜技術を適用して形成していた。ところが、最近は、圧電部品の小型化、薄型化、量産性の向上及び電極品質の向上等の観点から、蒸着、スパッタ、めっきまたはこれらの技術を組み合わせた薄膜技術によって、薄膜の端子電極を形成する技術が主流になっている。 In the piezoelectric component described above, the terminal electrode is conventionally formed by applying a thick film technique such as printing. Recently, however, thin-film terminal electrodes have been formed by vapor deposition, sputtering, plating, or thin film technology combining these techniques, from the viewpoints of miniaturization, thinning, improvement of mass productivity, and improvement of electrode quality of piezoelectric parts. Technology is becoming mainstream.
このため、圧電セラミックスで構成された圧電基板と、圧電基板の両面に配置されるベース基板及び天板との間の熱膨張係数の差に起因する熱ストレスが発生した場合、この熱ストレスのために、薄膜で形成された端子電極に断線故障が発生することがある。
従来、天板及びベース基板は、特許文献1に開示されるように、圧電基板を構成する圧電セラミック材料とは異なる材料、例えば、アルミナによって構成されている。このため、圧電基板と、天板及びベース基板と間の熱膨張係数差が大きくなり、この大きな熱膨張係数差に起因して発生する熱ストレスにより、 薄膜で形成された端子電極に断線故障が発生していた。
For this reason, if thermal stress is caused by the difference in thermal expansion coefficient between the piezoelectric substrate made of piezoelectric ceramic and the base substrate and the top plate arranged on both sides of the piezoelectric substrate, In addition, a disconnection failure may occur in a terminal electrode formed of a thin film.
Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, the top plate and the base substrate are made of a material different from the piezoelectric ceramic material constituting the piezoelectric substrate, for example, alumina. For this reason, the thermal expansion coefficient difference between the piezoelectric substrate, the top plate, and the base substrate becomes large, and a disconnection failure occurs in the terminal electrode formed of the thin film due to the thermal stress caused by the large thermal expansion coefficient difference. It has occurred.
以上のような課題に対して本出願人は、特許文献2において、天板及びベース基板は、圧電基板に対する熱膨張係数の差が、(−8ppm/℃)〜(+8ppm/℃)の範囲内とすることを提案している。この提案により、蒸着、スパッタ、めっき、または、これらを組み合わせた薄膜技術によって、薄膜の端子電極を形成した場合でも、端子電極が熱ストレスによって断線するのを回避し得る。熱膨張係数の差を、上述した範囲内に納める具体的一例として、天板及びベース基板を、圧電基板と同一組成系の圧電セラミックス材料で構成することが開示されている。
In order to solve the above-mentioned problems, the applicant of the present invention disclosed in
以上の圧電部品は、表面実装部品(SMD)として用いられ、プリント基板等の回路基板に表面実装される。つまり、ベース基板に形成された端子電極を、回路基板上の導体パターンに合わせてハンダ付けによって固定される。
圧電部品の使用環境、特に使用環境の温度差が大きい場合には、圧電部品と回路基板とを固定するハンダにクラックが発生することがある。これは、圧電部品と回路基板との線膨張係数の差異に基づくものと解される。例えば、自動車に搭載される圧電部品は、例えば、−55℃と125℃との間の熱衝撃試験が実施されるが、このような条件下において、ハンダにクラックが発生することを回避しなければならない。
そこで本発明は、過酷な使用環境においても圧電部品と回路基板とを固定するハンダのクラック発生を抑制することのできる圧電部品の提供を課題とする。
The above piezoelectric components are used as surface mount components (SMD) and are surface mounted on a circuit board such as a printed circuit board. That is, the terminal electrode formed on the base substrate is fixed by soldering according to the conductor pattern on the circuit board.
When there is a large temperature difference in the usage environment of the piezoelectric component, particularly the usage environment, cracks may occur in the solder that fixes the piezoelectric component and the circuit board. This is understood to be based on the difference in linear expansion coefficient between the piezoelectric component and the circuit board. For example, a piezoelectric component mounted on an automobile is subjected to a thermal shock test between, for example, −55 ° C. and 125 ° C., but under such conditions, cracks in the solder must be avoided. I must.
Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric component capable of suppressing the occurrence of cracks in solder that fixes the piezoelectric component and the circuit board even in a severe usage environment.
本発明は、ベース基板、圧電基板及び天板が順次積層された圧電部と、ベース基板を介して圧電部が実装される回路基板と、を含み、圧電部と回路基板とが線膨張係数について以下の式(1)の関係を満足するとともに、ベース基板が、ビッカース硬度(Hv)が13×108Pa以下、最大ひずみεが2×10-3以上であることを特徴とする圧電部品により前記課題を解決する。
−70%≦(αb−αm)/αm≦70%…式(1)
ただし、前記ベース基板の線膨張係数:αb(−55〜150℃)
前記圧電基板の線膨張係数:αz(−55〜150℃)
前記回路基板の線膨張係数:αp(−55〜150℃)
αm=(αp+αz)/2
The present invention includes a piezoelectric unit in which a base substrate, a piezoelectric substrate, and a top plate are sequentially stacked, and a circuit board on which the piezoelectric unit is mounted via the base substrate, and the piezoelectric unit and the circuit substrate have a linear expansion coefficient. A piezoelectric substrate characterized by satisfying the relationship of the following formula (1) and having a Vickers hardness (Hv) of 13 × 10 8 Pa or less and a maximum strain ε of 2 × 10 −3 or more. The problem is solved.
−70% ≦ (αb−αm) / αm ≦ 70% Formula (1)
However, the linear expansion coefficient of the base substrate: αb (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate: αz (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the circuit board: αp (−55 to 150 ° C.)
αm = (αp + αz) / 2
本発明において、ベース基板と圧電基板とが略同一の表面積を有することが好ましい。生産効率を上げるために、マザー基板を用いて複数の圧電部を構成する前駆体を作製し、その後この前駆体を切断することにより個別の圧電部を得ることにより、ベース基板と圧電基板とが略同一の表面積を有する圧電部を作製することができる。
また本発明において、圧電基板は、厚み滑りモードを用いた圧電セラミックス基板から構成されることが好ましい。圧電基板の厚さによって適用される周波数が決定されるので、4〜20MHzといった低周波数が適用されるデバイスでは低背化のために、厚み滑りモードが最も適している。
上記した本発明の条件を満足するためには、ベース基板をステアタイトを主成分とすることが好ましい。ステアタイトにその他の成分が添加または混合されていてもよい。
In the present invention, it is preferable that the base substrate and the piezoelectric substrate have substantially the same surface area. In order to increase the production efficiency, a mother substrate is used to prepare a precursor that constitutes a plurality of piezoelectric parts, and then the precursor is cut to obtain individual piezoelectric parts. Piezoelectric parts having substantially the same surface area can be produced.
In the present invention, the piezoelectric substrate is preferably composed of a piezoelectric ceramic substrate using a thickness shear mode. Since the frequency to be applied is determined by the thickness of the piezoelectric substrate, the thickness sliding mode is most suitable for reducing the height in a device to which a low frequency of 4 to 20 MHz is applied.
In order to satisfy the above-described conditions of the present invention, the base substrate is preferably composed mainly of steatite. Other components may be added to or mixed with steatite.
本発明によれば、温度差の激しい使用環境において、圧電部と回路基板とを固定するハンダのクラック発生を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the solder that fixes the piezoelectric portion and the circuit board in an environment where the temperature difference is severe.
図1は本発明に係る圧電部の分解斜視図、図2は図1に示した圧電部の組立状態を示す斜視図、図3は図2の3−3線に沿った断面図である。図示実施例は、共振子または発振子等として使用するのに適した圧電部の例を示している。図示された圧電部は、圧電素子1と、天板2と、ベース基板4と、第1乃至第3の端子電極41〜43を含み、更に、第1の空洞層21、第1の封止層22、第2の空洞層31及び第2の封止層32を含んでいる。
1 is an exploded perspective view of a piezoelectric portion according to the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing an assembled state of the piezoelectric portion shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. The illustrated embodiment shows an example of a piezoelectric part suitable for use as a resonator or an oscillator. The illustrated piezoelectric portion includes the piezoelectric element 1, the
圧電素子1は、圧電基板11と、第1の電極12と、第2の電極13とを含む。圧電基板11の構成材料は、従来より周知のものを用いることができる。第1の電極12は、第1のリード電極14を有し、圧電基板11の表面に設けられる。第1のリード電極14は、第1の電極12に導通し、端部が圧電基板11の側端縁に導出される。図示実施例では、第1のリード電極14は2つ設けられ、同一辺の両隅部に導かれている。
The piezoelectric element 1 includes a
第2の電極13は、圧電基板11の裏面に設けられ、第1の電極12と対向する。第1の電極12及び第2の電極13は振動部を構成する。
The
第2のリード電極15は、第2の電極13に導通し、端部が圧電基板11の側端縁に導出される。図示実施例では、第2のリード電極15は2つ設けられ、第1のリード電極14が導かれた辺とは、反対側にある辺の両隅部に導かれている。第1の電極12、第2の電極13、第1のリード電極14及び第2のリード電極15は、スパッタ等の薄膜技術または厚膜技術の適用によって形成できる。
第1のリード電極14及び第2のリード電極15は、圧電基板11の側端縁に導出される端部に端部電極16、17を有し、膜厚が他の部分よりも厚くなっている。導通が確保できれば必ずしも他の部分よりも膜厚を厚くする必要はない。
The
The
天板2は、第1の空洞層21及び第1の封止層22を介して、 圧電基板11の一面に接着されている。具体的には、第1の空洞層21の一面が圧電基板11の一面に接着され、第1の封止層22の一面が第1の空洞層21の他面に接着され、第1の封止層22の他面に、天板2の一面が接着されている。この天板2により、第1の空洞層21及び第1の封止層22に対する保護及び補強作用が得られ、機械的強度及び信頼性の高い圧電部が得られる。接着に当っては、接着剤を用いてもよいし、第1の空洞層21または第1の封止層22の有する接着力を利用してもよい。
The
ベース基板4は、第2の空洞層31及び第2の封止層32を介して、圧電基板11の一面に接着されている。具体的には、第2の空洞層31の一面が圧電基板11の一面に接着され、第2の封止層32の一面が第2の空洞層31の他面に接着され、第2の封止層32の他面に、ベース基板4の一面が接着されている。接着に当っては、接着剤を用いてもよいし、第2の空洞層31または第2の封止層32の有する接着力を利用してもよい。このベース基板4は、その一面側で第2の封止層32、第2の空洞層31、圧電素子1、第1の空洞層21、第1の封止層22及び天板2を支持する。これにより、ベース基板4による補強作用が得られ、機械的強度の高い圧電部品が得られる。
The base substrate 4 is bonded to one surface of the
第1乃至第3の端子電極41〜43は、ベース基板4、第2の封止層32、第2の空洞層31、圧電基板11、第1の空洞層21、第1の封止層22及び天板2より構成される組立体の側面に、互いに所定間隔を隔てて、帯状に形成されている。
The first to third
第1の端子電極41は、組立体において、第1のリード電極14の導出された側面に形成され、第1のリード電極14に接続される。
第2の端子電極42は、組立体において、第2のリード電極15の導出された側面に形成され、第2のリード電極15に接続される。第3の端子電極43は、アース電極として用いられる。
The first
The second
第1乃至第3の端子電極41〜43は、蒸着、スパッタ、めっきまたはこれらの技術を組み合わせた薄膜技術によって形成することができる。このような薄膜形成技術を適用した場合、圧電部品の小型化、薄型化、量産性の向上及び電極品質の向上等の利益を得ることができる。
The first to third
図4に示すように、図1〜図3に示した圧電部は、プリント基板50上に実装される。具体的には、プリント基板50上に形成された導体パターン51〜53に圧電素子1の端子電極41〜43が位置合わせされ、かつ導体パターン51〜53においてハンダSにより固定される。従って、端子電極41〜43は、ハンダ付け性に優れた特性を有することが望ましい。
As shown in FIG. 4, the piezoelectric part shown in FIGS. 1 to 3 is mounted on a printed
以上の構成を有する圧電部品において、ベース基板4、圧電基板11及びプリント基板50が以下の式(1)の関係を満足する。この関係を満足することにより、ハンダSのクラック発生を低減できる。以下、具体的な実験例を示す。
−70%≦(αb−αm)/αm≦70%…式(1)
ただし、ベース基板4の線膨張係数:αb(−55〜150℃)
圧電基板11の線膨張係数:αz(−55〜150℃)
プリント基板50の線膨張係数:αp(−55〜150℃)
αm=(αp+αz)/2
In the piezoelectric component having the above configuration, the base substrate 4, the
−70% ≦ (αb−αm) / αm ≦ 70% Formula (1)
However, the linear expansion coefficient of the base substrate 4: αb (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate 11: αz (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the printed circuit board 50: αp (−55 to 150 ° C.)
αm = (αp + αz) / 2
ベース基板4として、アルミナ、ステアタイト、フォルステライト、窒化アルミニウム及びムライト、さらに線膨張係数の異なる4種類(Z1〜Z4)のチタン酸鉛(PbTiO3)からなる圧電基板11を用意して、圧電部を作製した。なお、ベース基板4を構成するセラミックスの線膨張係数を表1に、圧電基板11を構成するセラミックスの材質及び線膨張係数を表2に示している。また、圧電基板11の分極は図5の白抜き矢印に示すように、厚み滑りモードとなるように、圧電基板11の面内方向とした。また、線膨張係数は、図5の実線矢印の方向で特定した。
As the base substrate 4, a
次に、作製した各圧電素子1を、ガラスエポキシ製のプリント基板50上にハンダ付けした。プリント基板50の線膨張係数は13.0ppm/℃(−55〜150℃)である。この実験用試料を、−55℃で30分保持した後に125℃で30分保持する熱衝撃付与を1000回繰り返し、ハンダへのクラック発生状況を確認した。ハンダクラックの発生率が10%を基準として、クラック発生率が10%以下を合格(○)、10%超を不合格(×)とした。その結果を表3に示す。また、表3には、(αb−αm)/αmの値も併記している。
Next, each produced piezoelectric element 1 was soldered on a printed
表3に示すように、(αb−αm)/αmの値により、クラックの発生頻度が相違する。そこで本発明では、ハンダにクラックの発生を防止又は低減する条件とし、ベース基板4及びプリント基板50の線膨張係数を、−70%≦(αb−αm)/αm≦70%の条件を満足することとする。なお、好ましくは、−55%≦(αb−αm)/αm≦55%、より好ましくは、−45%≦(αb−αm)/αm≦45%である。
As shown in Table 3, the frequency of occurrence of cracks varies depending on the value of (αb−αm) / αm. Therefore, in the present invention, the conditions for preventing or reducing the occurrence of cracks in the solder are satisfied, and the linear expansion coefficients of the base substrate 4 and the printed
本発明によるベース基板4(圧電基板11及び天板2も同様)は、各々平板状の部材を作製した後に、所定寸法に切り出した後に、表面を研磨加工して作製される。したがって、ベース基板4としては、この研磨の効率も要求される。ここで、研磨効率とは一定の回転数で研磨したときの研磨量である。そこで、この研磨効率に関して検討を行った。図6は、圧電基板(Z1)の研磨効率を100としたときの、各ベース基板4の研磨効率と硬さ(Hv(ビッカース硬さ))の関係を示している。図6に示すように、ベース基板4を構成する材料の硬さと研磨効率に相関があり、Hv(ビッカース硬さ)が13×108Pa以下であることが好ましく、Hv(ビッカース硬さ)が10×108Pa以下であることがさらに好ましく、Hv(ビッカース硬さ)が7×108Pa以下であることがより好ましい。
The base substrate 4 (the same applies to the
また、本発明によるベース基板4は、2×10-3以上の最大ひずみ(εとする)を有していることが必要である。ここで、最大ひずみ(ε)は、両端支持されている曲げ試験片において以下の通り定義される。表5に、各ベース基板4の最大ひずみ(ε)を記載する。 Further, the base substrate 4 according to the present invention needs to have a maximum strain (ε) of 2 × 10 −3 or more. Here, the maximum strain (ε) is defined as follows in a bending test piece supported at both ends. Table 5 shows the maximum strain (ε) of each base substrate 4.
ε=σ/E
σ:曲げ強さ、E:曲げ弾性率
σ=3PL/2wt2
E=PL3/48TI
P:荷重、L:支点間距離、T:最大たわみ、I:試験片断面二次モーメント、w:試験片幅、t:試験片厚さ
ε = σ / E
σ: bending strength, E: flexural modulus σ = 3PL / 2wt 2
E = PL 3 / 48TI
P: Load, L: Distance between fulcrums, T: Maximum deflection, I: Specimen sectional moment, w: Specimen width, t: Specimen thickness
圧電部が搭載されたプリント基板50に、直径20mm、先端の曲率半径が230mmの圧力ヘッドを0.2mm/secで押し当てた。プリント基板50は、支点間距離90mmで支持されている。プリント基板50のたわみが2mm未満で破壊音がした場合には、当該プリント基板50は不合格(×)とし、2mm以上のたわみにおいて破壊音が発生した場合には合格(○)と判定した。ベース基板4毎に行った曲げ試験の結果を表5に併せて示すが、最大ひずみ(εb3)が2×10-3以上で曲げ試験判定が合格となる。
A pressure head having a diameter of 20 mm and a tip curvature radius of 230 mm was pressed against the printed
以上の結果に基づいて、本発明は圧電部と回路基板とが線膨張係数について以下の式(1)の関係を満足するとともに、ベース基板4が、ビッカース硬度(Hv)が13×108Pa以下、最大ひずみεが2×10-3以上とした。この特性を満足する材料としてステアタイトが掲げられる。
−70%≦(αb−αm)/αm≦70%…式(1)
ただし、ベース基板4の線膨張係数:αb(−55〜150℃)
圧電基板11の線膨張係数:αz(−55〜150℃)
プリント基板50の線膨張係数:αp(−55〜150℃)
αm=(αp+αz)/2
Based on the above results, in the present invention, the piezoelectric portion and the circuit board satisfy the relationship of the following formula (1) with respect to the coefficient of linear expansion, and the base substrate 4 has a Vickers hardness (Hv) of 13 × 10 8 Pa. Hereinafter, the maximum strain ε was set to 2 × 10 −3 or more. Steatite is listed as a material that satisfies this characteristic.
−70% ≦ (αb−αm) / αm ≦ 70% Formula (1)
However, the linear expansion coefficient of the base substrate 4: αb (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate 11: αz (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the printed circuit board 50: αp (−55 to 150 ° C.)
αm = (αp + αz) / 2
1…圧電素子、2…天板、4…ベース基板、50…プリント基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric element, 2 ... Top plate, 4 ... Base substrate, 50 ... Printed circuit board
Claims (4)
前記ベース基板を介して前記圧電部が実装される回路基板と、を含み、
前記圧電部と前記回路基板とが線膨張係数について以下の式(1)の関係を満足するとともに、
前記ベース基板が、ビッカース硬度(Hv)が13×108Pa以下、最大ひずみεが2×10-3以上であることを特徴とする圧電部品。
−70%≦(αb−αm)/αm≦70%…式(1)
ただし、前記ベース基板の線膨張係数:αb(−55〜150℃)
前記圧電基板の線膨張係数:αz(−55〜150℃)
前記回路基板の線膨張係数:αp(−55〜150℃)
αm=(αp+αz)/2 A piezoelectric part in which a base substrate, a piezoelectric substrate and a top plate are sequentially laminated;
A circuit board on which the piezoelectric part is mounted via the base substrate,
The piezoelectric part and the circuit board satisfy the relationship of the following formula (1) for the linear expansion coefficient,
The piezoelectric component, wherein the base substrate has a Vickers hardness (Hv) of 13 × 10 8 Pa or less and a maximum strain ε of 2 × 10 −3 or more.
−70% ≦ (αb−αm) / αm ≦ 70% Formula (1)
However, the linear expansion coefficient of the base substrate: αb (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the piezoelectric substrate: αz (−55 to 150 ° C.)
Linear expansion coefficient of the circuit board: αp (−55 to 150 ° C.)
αm = (αp + αz) / 2
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Legal Events
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A02 | Decision of refusal |
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