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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