JP4885377B2

JP4885377B2 - Method for manufacturing piezoelectric device

Info

Publication number: JP4885377B2
Application number: JP2001206053A
Authority: JP
Inventors: 真理若林; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003023188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスなどの透明な基板上に形成される圧電デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電圧を印加することによって機械的振動を得たり、逆に、機械振動を与えることによって電圧を発生させるという圧電体の特徴を活かした圧電体装置は、近年、圧電アクチュエータや圧電センサ、周波数フィルタ、音響機器、超音波機器として広く利用されている。圧電体装置の特徴として、駆動に際して電磁ノイズを発生させず、またノイズの影響も受けないことがあげられる。この様な特徴を持つゆえに圧電体装置はアクチュエータやセンサ、フィルタ等の振動部分に用いられており、上記機器の微小化の要求に伴い、圧電体装置自身の微小化も要求されている。先ず、従来の圧電体装置の構成を説明する。
【０００３】
図９に従来の圧電体装置の構造を示す。アルミニウム、真鍮、ステンレススチールなどの金属、あるいはシリコン、ガラス、セラミックスなどの基板２と圧電体１より構成されており、この基板２と圧電体１は従来の接合方法による接合層１０を介して接合されている。従来の接合方法による接合層１０とは、有機高分子材料からなる接着剤やろう材を言う。有機高分子材料からなる接着剤には主にエポキシ系樹脂が使用されている。はじめに、基板の接合面に接着剤を塗布し、塗布した面と圧電体を加圧密着させて所望の温度にて接着剤を硬化させて接合をおこなう。
【０００４】
一方、接着剤による接合の他に、基板と圧電体をはんだ付けにより接合する方法が、特開昭５２-１０９０４号公報、特開昭５８−９９１００号公報に提示されている。そのほか、銀ろう付けなどの硬ろう接合法、金、クロム、インジウムなどの多層メタライズ、または、低膨張合金を用いた金属薄膜をろう材としたろう接合法がある。いずれの手法においても、圧電体１には電極が設けられており、電極を通じて交流電圧が印加されるような構成になっている。
【０００５】
上記の説明のように、圧電体装置の基本的構成は圧電体と基板を接着剤で貼り合わせた構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のような構造、製造方法では、以下のような問題点があった。
【０００７】
すなわち、従来のように接着剤を使用した場合、圧電体より発生した力が伝播する際に接着層で乱反射したり吸収されてしまい、その結果として、振動部の電気的および機械的な性能や信頼性を低下させてしまうだけでなく、圧電体との接着界面における剥離現象も生じさせてしまうという不具合があった。
【０００８】
上述のように、合成樹脂系の接着剤を用いて接合した圧電体装置では、振動波の減衰が著しく、適用が困難であった。そこで、接着剤の他に、はんだ付による接合方法が提案されており、その例を１７０６５７３号公報、３０３９９７１号公報に見ることができる。中でも３０３９９７１号公報では、はんだと馴染み難く、使用中に接合部が剥離しやすい圧電セラミックス材を用いた接合において、接合面にメタライズ層を形成することにより接合強度を高め、かつ圧電素子の接着を短時間で行なうことを目的としている。
【０００９】
しかしながら、はんだ層に存在する空孔が、振動の吸収や乱反射の原因となり、圧電体の振動特性を低減させるだけでなく、長期信頼性を低下させるという問題がある。はんだ接合プロセスでは、接合時にはんだやフラックスから発生したガスが、接合層に閉じ込められ（ボイドの発生）接合強度や熱伝導性の低下を引き起こす大きな要因となっており、デバイスの小型化大電流化の流れを阻止している。
また、接着性を高めるために、金属を用いた焼結接合やろう付などの接合方法も行われているが、いずれの場合も３５０℃以上の高温化での接合が必須となるため、圧電体と基板の熱膨張の差より接着後に圧電体装置の基板に反りが発生してしまうという問題がある。
【００１０】
上述したような不具合は、微小構造の駆動源として上記圧電体装置の振動部分を実現しようとした場合、その大きさがサブミリメートルクラスとなるために、相対的に接着層の影響が大きくなる。
【００１１】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決して製造工程を簡略化できしかも特性の向上、安定した圧電体装置の製造方法および装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上にレーザー光を入射させる平滑面を形成する第１の工程と、基板の接合面にメタライズ層を形成する第２の工程と、圧電体の接合面にメタライズ層を形成する第３の工程と、ろう付け接合層を介して圧電体と基板を接合するとともに、レーザー光を入射し、基板とろう付け接合層の界面においてレーザー光を全反射させる第４の工程と、全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる第５の工程と、真空引きすることにより、気化させた残留物質を接合層から除去する第６の工程を備えることとした。
【００１３】
また、ろう付接合層には、ろう付接合層と基板との界面で全反射が起こる角度でレーザー光を入射することとした。
【００１４】
また、レーザー光として近赤外レーザー光を用いることとした。
【００１５】
また、基板上にレーザー光を照射する工程において、ろう付け接合層と基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することとした。
【００１６】
また、基板がレーザー光を透過する材質であることとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上にレーザー光を入射させる平滑面を形成する第１の工程と、基板の接合面にメタライズ層を形成する第２の工程と、圧電体の接合面にメタライズ層を形成する第３の工程と、ろう付け接合層を介して圧電体と基板を接合するとともに、レーザー光を入射し、基板とろう付け接合層の界面においてレーザー光を全反射させる第４の工程と、全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる第５の工程と、真空引きすることにより、気化させた残留物質を接合層から除去する第６の工程とを備えることとした。
【００１８】
また、ろう付接合層には、ろう付接合層と基板との界面で全反射が起こる角度でレーザー光を入射することとした。
【００１９】
また、入射させるレーザーとして、近赤外レーザーを用いることとした。
これは、照射したレーザー光が基板とろう付け層との界面において全反射現象を起こした場合に接合界面にしみるエバネッセント光を利用すると、接合層に残留した水分やガスを選択的に除去するため、はんだ溶融時に発生したガスを除去して接合層に生じる空孔や間隙をなくし、緻密な接合層を構成することができるからである。特に、近赤外の波長１０６４ｎｍは、水分中の水酸基（-ＯＨ基）の振動モードに相当する。このため、ろう付接合層中に存在する水分がガス化されて外部へ押しやられる。よって、接合層中の空隙が減少し、接合不良を改善することができる。
【００２０】
従来のはんだ付けを用いた接合に比べて、ボイドが接合層に閉じ込められることがないため、装置の信頼性向上に繋がる。
【００２１】
また、基板上にレーザー光を照射する工程において、ろう付け接合層と基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することとした。
【００２２】
これは、基板とろう付け接合層との界面において、接合層にしみるエバネッセント光の強度、位置、照射面積を接合層の深さ方向に制御するためである。さらに、入射面でのレーザー光の乱反射を避けることで接合面でのレーザーの集光位置、集光面積を高精度で制御するためである。
【００２３】
また、基板がレーザー光を透過する材質であることとした。
【００２４】
これは、接合面まで高効率でレーザー光を入射させることを目的として、基板自身に対するレーザー光の反射、吸収を回避できる材質を選択する必要があるからである。接合面でレーザー光を全反射させるため、ガラスやアクリル樹脂などの透過率の高い基板が有効である。
【００２５】
（実施例１）
以下に本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、本発明による圧電体装置の斜視図であり、図１を矢印Ａの方向から見たものを図２に示す。圧電体１の接合面にはメタライズ層４が形成されている。基板２にはレーザー光５が入射するための平滑面６が構成されている。基板２の接合面にはメタライズ層４が形成されており、平滑面６よりレーザー光を入射する。
【００２７】
図９に示した従来の圧電体装置と比較して、全反射角でレーザー光を照射し、ろう付接合層にエバネッセント光を発生させることにより、有機接着剤やはんだ溶融時に発生するガスが接合層に閉じ込められることを阻止できる。よって、接合部の空隙をなくし、緻密な接合層を形成することができる。接合不良部分を減少させ、接合強度を向上させる効果がある。また、接合層に生じた空隙が原因となる振動の吸収、乱反射を低減させることが可能である。よって、構成された装置の振動特性の劣化を阻止できる。
【００２８】
次いで、本発明の実施例１における圧電体装置の製造方法を図３、図４を用いて説明する。圧電体装置の製造方法の工程を表す模式図を図３に、製造工程のフローチャートを図４に示す。
【００２９】
はじめに、レーザー光を照射し接合界面において全反射現象を起こすための平滑面を基板上に形成する（工程Ａ）。形成方法は機械研磨、エッチング処理、化学電解研磨などいずれの手法を用いても構わない。本実施例では、基板に低熱膨張ガラスを用い、機械研磨で照射面積１．５×８ｍｍ、表面粗さＲａ=０．１３にメタライズ層を形成する（工程Ｂ）。メタライズ層の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、めっき法などいずれの手法を用いても構わない。形成するメタライズ層は圧電体と補助基板との密着性を高めるため中間層にＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗなどを一層、もしくは多層メタライズすることが望ましい。
ろう付接合層にはんだを用いる場合メタライズ層は、はんだと共晶反応するＡｕが望ましい。本実施例では、圧電体にＰＺＴを用いた。ＰＺＴの接合面には、第１層目にＣｒ、第２層目にＮｉ、第３層目にＡｕをスパッタ法によりメタライズした。
【００３０】
次いで、工程Ｃによりろう付層を形成し、圧電体と基板とをろう接合する。本実施例でははんだを用いた。具体的には、はんだで接合しようとする圧電体の表面ならびに補助基板の接合表面を清浄化する。清浄化した圧電体と基板のメタライズ層表面にはんだペーストを塗布する。ペーストを塗布した接合面を重ね合わせて治具を用いて仮固定する。仮固定した試料を加圧加熱してはんだを溶融させ圧電体と基板を接合する。次に仮固定した試料を真空チャンバー内に設置し真空引きする。チャンバー内の真空度が５×１０^-5ｔｏｒｒに到達したら、バルブを開放して試料をレーザー照射室に移動する。レーザー照射室のレーザーは色素レーザーから倍波を取り、波長１０６４ｎｍのパルス波を集光して照射できる状態にある。移動した試料にレーザー光を全反射条件の入射角度で照射する。
【００３１】
入射角度と接合層にしみるエバネッセント光の深さの相関は次のようにして評価した。
【００３２】
ろう付接合層部分に予め蛍光色素を塗布した標準試料を準備し、基板の平滑面より照射したパルスレーザーにより蛍光色素が励起光を発生する状態を作成した。ここで色素から発する励起光強度を単一光子係数法により測定し、入射角度を変化させた時の蛍光強度の経時変化を調べた。照射するレーザー光が全反射条件に達した際に、入射角度に対する蛍光強度から接合界面に染み出したエバネッセント光の深さを決定した。
【００３３】
次いで、接合層へのレーザー光照射工程（工程Ｄ）では、上記の評価方法により決定した入射角のレーザー光を照射した。レーザー光を照射するとエバネッセント波が基板とろう付接合層との界面に発生し、この時発生したエバネッセント波が水酸基（-ＯＨ基）を振動させることによって、ろう付接合層中に残存する水分、および有機成分がガス化される。レーザー照射後、窒素ガスを導入して大気圧に回復した。圧力を回復するとともに、仮固定した治具を接合面に対して垂直に加圧した後、試料をレーザー室より引き上げた。バルブを閉鎖して真空チャンバー内で試料を５分間静置して溶融したはんだを固体化させた。
【００３４】
ここで、エバネッセント波を接合界面に発生させる効果について説明する。接着剤による接合においては接合面にパーティクル、ダストなどの異物がある場合、異物のある部分の接合が行なわれず空隙が生じる。同様に、はんだを用いた接合においては、接合面の異物だけでなく、はんだ溶融時に発生するガスによりボイドが生じる。生じた空隙、ボイドなどは、接合強度が著しく弱くなるといった接合不良の原因となる。
【００３５】
接合型の圧電体装置の場合、生じた空隙が小さく少ないほど接合不良の可能性は低くなるが、レーザー照射によって空隙をなくすと接合不良の可能性を低減することができる。また、接合層へエバネッセント波を染み込ませることによって、接合の良好な領域においては一様に応力がはたらき、良好な特性を持つ弾性表面波素子を得ることができる。
【００３６】
本実施例における弾性表面波素子の効果を確認するため、本実施例における弾性表面波素子と、接着剤によって貼り合わせた構造を有する接合型弾性表面波素子について、インピーダンス特性、ならびに挿入損失を測定して比較をおこなった。比較の対象とするＰＺＴとガラス基板を接着剤で貼り合わせた接合型弾性表面波素子は、本実施例における弾性表面波素子と同寸法のものである。
【００３７】
次に、図１と図２に示す圧電体装置を弾性表面波の発振部に用いた弾性表面波素子の構成、ならびに動作を説明する。図５は弾性表面波素子の一部切欠斜視図であり、図６は、図５のａ−ａ’部での断面図である。図５と図６に示す弾性表面波素子は、伝搬基板である圧電体１、補助基板８、櫛型電極９で構成されている。櫛型電極９は、圧電体１と補助基板８との接合面と反対側の面上に形成され、補助基板８には圧電体１との接合面と別にレーザー光を照射するための平滑面が形成されている。本実施例における弾性表面波素子においては、圧電体１と補助基板８とがはんだにより接合されている。なお、本実施例における弾性表面波素子においては、圧電体１として厚さ２３５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛を用い、補助基板８として、厚さ７００μｍの低熱膨張ガラス基板を用いている。
【００３８】
次に、本実施例の動作を説明する。櫛型電極９に交番電界を印加することによって、弾性表面波が励振され、圧電体１表面に沿って弾性表面波が伝搬する。この弾性表面波は櫛形電極９で再び電気信号に変換される。以上によって、弾性表面波として機能するものである。なお、図５と図６には櫛型電極を用いた弾性表面波素子の基本構造を示しているが、フィルタや共振子にする場合には、櫛型電極の数や構成を必要に応じて変更する。
【００３９】
続いて本実施例における弾性表面波の素子の製造プロセスについて説明する。本実施例の弾性表面波素子における製造プロセスは、圧電体と補助基板との接合と補助基板へのレーザー光照射によるろう付接合層へのエバネッセント波発生との大きく２つのプロセスに分かれる。本実施例の製造プロセスは図３と図４に示した圧電体装置の製造工程と同様におこなう。
【００４０】
本実施例では、補助基板上にレーザー光を照射する平滑面を形成した後、圧電体と補助基板とのはんだによる接合をおこなった。
【００４１】
はじめにはんだによる接合について説明する。
【００４２】
まず、スパッタ法により接合面にＡｕ膜を形成する。形成するメタライズ層は圧電体と補助基板との密着性を高めるためＡｕ膜との中間層にＣｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗなどを一層、もしくは多層メタライズすることが望ましい。本実施例では、圧電体にＰＺＴを用い、補助基板にはガラスを用いた。中間層としてＣｒ層とＮｉ層を形成した。また、メタライズ層を形成する方法はスパッタ法に限定するものではなく、ＣＶＤ法、めっき法などいずれの方法でも構わない。
【００４３】
続いて、はんだで接合しようとする圧電体の表面ならびに補助基板の接合表面を清浄化する。清浄化した圧電体と補助基板のメタライズ層表面にはんだペーストを塗布する。ペーストを塗布した接合面を重ね合わせて治具を用いて仮固定する。仮固定した試料を加圧加熱してはんだを溶融させ圧電体と補助基板を接合する。本実施例でははんだペーストを用いたが、ろう付接合層はペーストに限定するものではなく、シートはんだ、めっきはんだなどいずれの材料でも構わない。
【００４４】
次に仮固定した試料を真空チャンバー内に設置し真空引きする。チャンバー内の真空度が５×１０^-5ｔｏｒｒに到達したら、バルブを開放して試料をレーザー照射室に移動する。レーザー照射室のはんだは１９０℃に加熱して溶融状態にある。移動した試料にレーザー光を全反射条件の入射角で照射する。レーザー光を照射するとエバネッセント波が補助基板とろう付接合層との界面に発生し、このときろう付接合層にしみ出したエバネッセント波が水酸基（−ＯＨ基）を振動させることによって、ろう付接合層中に残存する水分、および有機成分がガス化され接合層より除去される。レーザー照射後、窒素ガスを導入して大気圧に回復する。このとき仮固定した治具を接合面に対して垂直に加圧する。加圧後、試料をレーザー室より引き上げる。バルブを閉鎖して真空チャンバー内で試料を５分間静置して注入したはんだを固体化させた。
【００４５】
本実施例における弾性表面波素子の効果を確認するため、本実施例における弾性表面波素子と、接着剤によって貼り合わせた構造を有する接合型弾性表面波素子について、インピーダンス特性、ならびに挿入損失を測定して比較をおこなった。比較の対象とするＰＺＴとガラス基板を接着剤で貼り合わせた接合型弾性表面波素子は、本実施例における弾性表面波素子と同寸法のものである。
【００４６】
図７に従来の接合方法によって構成された弾性表面波素子の振動特性を示し、図８に本発明にかかる弾性表面波素子の振動特性を示す。
【００４７】
アドミタンス特性においては、周波数1〜１５ＭＨｚ付近に現われる各振動モードの波形を比較したところ、接着剤貼り合わせによる弾性表面波素子では、スプリアスが多く、***振点のアドミタンス値のバラツキが目立つが、本実施例における弾性表面波素子では、スプリアスの少ない安定した波形が得られている。
【００４８】
一方、主共振周波数における振動モードの挿入損失の比較では、接着剤貼り合わせの弾性表面波素子では-２から-１４の４５％のバラツキが見られたのに対して、本実施例による弾性表面波素子では-１から-２と２．４％のバラツキにとどまった。従来の弾性表面波素子に比べ、接合の不良によるバラツキも低減され、安定した特性が得られていることも確認された。
【００４９】
以上のように、本実施例においては、圧電体としてＰＺＴを用いたが、これに限らず他の圧電体を用いた場合でも同様の効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
この発明によれば、圧電体と基板をはんだのようなろう材を用いて接合する際に、基板側面からレーザー光を圧電体との接合面に向けて照射することによって接合界面で全反射現象を起こし、接合層にしみたエバネッセント光を利用して接合層中に残留する水分を選択的に除去することを特徴としている。レーザー光の入射角は基板とろう付接合層との界面で全反射が起きる範囲とし、また、基板には、全反射現象が起きるような平滑面を形成した構造を特徴としている。照射するレーザー光の波長を１０６４ｎｍと設定することで水分子、あるいは有機分子中の水酸基（-ＯＨ基）の振動を引き起こすことができる。よって、ろう付接合層中に残存する水分がガス化され真空引きすることによって接合層の外部へ押しやることができる。したがって、はんだ溶融時に発生するガスが接合層に閉じ込められることを回避することができる。
【００５１】
従来法で問題点となった接合層に閉じ込められたガスによって生じるボイドが原因とされる接合強度の劣化、ならびに振動特性の低下をなくすことが可能である。これにより、圧電体層より発生した力が接合不良部で乱反射したり、吸収されることなく伝播し、不要なスプリアス振動が発生せず、良好な振動特性を示す。さらに、本発明による接合型圧電装置をデバイスに利用したモータやアクチュエータ、センサなどの効率、および耐久性を向上させることができる。特に、マイクロマシンのような微小構造の駆動源として電気的および機械的性能を向上させ、信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における圧電体装置の斜視図。
【図２】図１の視線Ａの位置から眺めた図。
【図３】本発明の圧電体装置の製造工程を表す模式図。
【図４】本発明の圧電体装置製造工程のフローチャート。
【図５】本発明の実施例１における弾性表面波素子の斜視図。
【図６】図５の視線Ａの方向から眺めたａ−ａ’部での断面図
【図７】従来の接合方法による弾性表面波素子の振動特性を表す図表。
【図８】本発明の実施例１における弾性表面波素子の振動特性を表す図表。
【図９】従来の接合方法による圧電体装置の構造を示す概略図。
【符号の説明】
１圧電体
２基板
３ろう付接合層
４メタライズ層
５レーザー光
６平滑面
７電極
８補助基板
９櫛型電極
１０従来の接着層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric device formed on a transparent substrate such as glass.
[0002]
[Prior art]
Piezoelectric devices that take advantage of the characteristics of piezoelectric bodies to obtain mechanical vibrations by applying voltage, or conversely to generate voltages by applying mechanical vibrations, have recently become piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, frequency filters, Widely used as acoustic equipment and ultrasonic equipment. A feature of the piezoelectric device is that it does not generate electromagnetic noise during driving and is not affected by noise. Because of such characteristics, the piezoelectric device is used for vibration parts such as actuators, sensors, filters, and the like, and the miniaturization of the piezoelectric device itself is also required in accordance with the demand for miniaturization of the above devices. First, the configuration of a conventional piezoelectric device will be described.
[0003]
FIG. 9 shows the structure of a conventional piezoelectric device. The substrate 2 is composed of a metal 2 such as aluminum, brass, and stainless steel, or silicon, glass, ceramics, and the piezoelectric body 1, and the substrate 2 and the piezoelectric body 1 are bonded via a bonding layer 10 by a conventional bonding method. Has been. The joining layer 10 by the conventional joining method means the adhesive agent and brazing material which consist of organic polymer materials. Epoxy resins are mainly used for adhesives made of organic polymer materials. First, an adhesive is applied to the bonding surface of the substrate, the applied surface and the piezoelectric body are pressed and adhered, and the adhesive is cured at a desired temperature to perform bonding.
[0004]
On the other hand, in addition to bonding with an adhesive, methods for bonding a substrate and a piezoelectric body by soldering are proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 52-10904 and 58-99100. In addition, there are a brazing method using a brazing material such as a hard brazing method such as silver brazing, a multi-layer metallization such as gold, chromium and indium, or a metal thin film using a low expansion alloy. In any method, the piezoelectric body 1 is provided with an electrode, and an AC voltage is applied through the electrode.
[0005]
As described above, the basic structure of the piezoelectric device has a structure in which the piezoelectric body and the substrate are bonded together with an adhesive.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional structure and manufacturing method have the following problems.
[0007]
That is, when an adhesive is used as in the past, when the force generated from the piezoelectric body propagates, it is irregularly reflected or absorbed by the adhesive layer, resulting in the electrical and mechanical performance of the vibrating part and In addition to lowering the reliability, there is a problem in that a peeling phenomenon occurs at the adhesive interface with the piezoelectric body.
[0008]
As described above, in a piezoelectric device joined using a synthetic resin-based adhesive, vibration waves are remarkably attenuated and are difficult to apply. Then, the joining method by soldering other than an adhesive agent is proposed, and the example can be seen in 1706573 gazette and 3039971 gazette. In particular, in Japanese Patent No. 3039971, the bonding strength is increased by forming a metallized layer on the bonding surface in bonding using a piezoelectric ceramic material that is difficult to become familiar with solder and easily peels off during use. It is intended to be done in a short time.
[0009]
However, the holes present in the solder layer cause vibration absorption and irregular reflection, which not only reduces the vibration characteristics of the piezoelectric body, but also reduces the long-term reliability. In the soldering process, gas generated from solder and flux during bonding is confined in the bonding layer (void generation), which is a major factor in reducing bonding strength and thermal conductivity. Is blocking the flow.
In addition, in order to improve the adhesion, joining methods such as sintered joining and brazing using metal are also performed, but in any case, joining at a high temperature of 350 ° C. or more is essential, so piezoelectric Due to the difference in thermal expansion between the body and the substrate, there is a problem that the substrate of the piezoelectric device is warped after bonding.
[0010]
When the vibration part of the piezoelectric device is to be realized as a micro structure drive source, the above-described problems are relatively affected by the adhesive layer because the size is in the submillimeter class.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing a piezoelectric device that can solve these problems, simplify the manufacturing process, improve the characteristics, and stabilize the characteristics.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention includes a first step of forming a smooth surface on which a laser beam is incident on a substrate, a second step of forming a metallized layer on the bonding surface of the substrate, A third step of forming a metallized layer on the bonding surface, and bonding the piezoelectric body and the substrate through the brazing bonding layer, and laser light is incident, and the laser beam is totally reflected at the interface between the substrate and the brazing bonding layer. A fourth step, a fifth step of selectively evaporating a substance remaining in the brazing joint layer by utilizing evanescent light leaked in the vicinity of the interface due to a total reflection phenomenon, and evacuation, A sixth step of removing the vaporized residual material from the bonding layer is provided.
[0013]
In addition, the laser beam is incident on the brazing bonding layer at an angle at which total reflection occurs at the interface between the brazing bonding layer and the substrate.
[0014]
In addition, near infrared laser light is used as the laser light.
[0015]
Further, in the step of irradiating the substrate with laser light, the substrate has a smooth surface that causes a total reflection phenomenon at the interface between the brazing bonding layer and the substrate.
[0016]
Further, the substrate is made of a material that transmits laser light.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to solve the above problems, the present invention includes a first step of forming a smooth surface on which a laser beam is incident on a substrate, a second step of forming a metallized layer on the bonding surface of the substrate, A third step of forming a metallized layer on the bonding surface, and bonding the piezoelectric body and the substrate through the brazing bonding layer, and laser light is incident, and the laser beam is totally reflected at the interface between the substrate and the brazing bonding layer. A fourth step, a fifth step of selectively evaporating a substance remaining in the brazing joint layer by utilizing evanescent light leaked in the vicinity of the interface due to a total reflection phenomenon, and evacuation, And a sixth step of removing the vaporized residual material from the bonding layer.
[0018]
In addition, the laser beam is incident on the brazing bonding layer at an angle at which total reflection occurs at the interface between the brazing bonding layer and the substrate.
[0019]
Also, a near infrared laser was used as the incident laser.
This is because when the irradiated laser light causes total reflection at the interface between the substrate and the brazing layer, the evanescent light seen at the bonding interface is used to selectively remove moisture and gas remaining in the bonding layer. This is because the gas generated when the solder is melted can be removed to eliminate voids and gaps generated in the bonding layer, thereby forming a dense bonding layer. In particular, the near-infrared wavelength of 1064 nm corresponds to a vibration mode of a hydroxyl group (—OH group) in moisture. For this reason, the water | moisture content which exists in a brazing joining layer is gasified, and is pushed outside. Therefore, voids in the bonding layer are reduced, and poor bonding can be improved.
[0020]
Compared with conventional bonding using soldering, voids are not confined in the bonding layer, which leads to improved reliability of the device.
[0021]
Further, in the step of irradiating the substrate with laser light, the substrate has a smooth surface that causes a total reflection phenomenon at the interface between the brazing bonding layer and the substrate.
[0022]
This is for controlling the intensity, position, and irradiation area of the evanescent light seen in the bonding layer in the depth direction of the bonding layer at the interface between the substrate and the brazing bonding layer. Furthermore, it is for controlling the condensing position and condensing area of the laser on the joint surface with high accuracy by avoiding irregular reflection of the laser light on the incident surface.
[0023]
Further, the substrate is made of a material that transmits laser light.
[0024]
This is because it is necessary to select a material capable of avoiding reflection and absorption of the laser beam with respect to the substrate itself for the purpose of allowing the laser beam to enter the bonding surface with high efficiency. Since the laser beam is totally reflected at the joint surface, a substrate having high transmittance such as glass or acrylic resin is effective.
[0025]
Example 1
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric device according to the present invention, and FIG. 2 shows FIG. 1 viewed from the direction of arrow A. FIG. A metallized layer 4 is formed on the bonding surface of the piezoelectric body 1. The substrate 2 has a smooth surface 6 on which laser light 5 is incident. A metallized layer 4 is formed on the bonding surface of the substrate 2, and laser light is incident from the smooth surface 6.
[0027]
Compared with the conventional piezoelectric device shown in FIG. 9, laser light is irradiated at a total reflection angle, and evanescent light is generated in the brazing joint layer, so that the gas generated when the organic adhesive or solder melts is joined. It can be prevented from being trapped in the layer. Therefore, it is possible to eliminate a gap in the bonding portion and form a dense bonding layer. There is an effect of reducing the bonding failure portion and improving the bonding strength. Further, it is possible to reduce vibration absorption and irregular reflection caused by voids generated in the bonding layer. Therefore, deterioration of the vibration characteristics of the configured device can be prevented.
[0028]
Next, a method for manufacturing the piezoelectric device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. A schematic diagram showing the steps of the method of manufacturing the piezoelectric device is shown in FIG. 3, and a flowchart of the manufacturing steps is shown in FIG.
[0029]
First, a smooth surface for causing a total reflection phenomenon at a bonding interface by irradiating a laser beam is formed on a substrate (step A). As a forming method, any method such as mechanical polishing, etching treatment, chemical electrolytic polishing and the like may be used. In this example, a low thermal expansion glass is used as a substrate, and a metallized layer is formed by mechanical polishing so as to have an irradiation area of 1.5 × 8 mm and a surface roughness Ra = 0.13 (step B). As a method for forming the metallized layer, any method such as sputtering, vacuum deposition, CVD, or plating may be used. The metallized layer to be formed is preferably formed of a single layer or a multilayer metallization of Cr, Ti, Ni, Mo, W or the like in the intermediate layer in order to improve the adhesion between the piezoelectric body and the auxiliary substrate.
When solder is used for the brazing joint layer, the metallized layer is preferably Au that undergoes a eutectic reaction with the solder. In this embodiment, PZT is used for the piezoelectric body. On the bonding surface of PZT, Cr was metallized by sputtering in the first layer, Ni in the second layer, and Au in the third layer.
[0030]
Next, a brazing layer is formed in step C, and the piezoelectric body and the substrate are joined by brazing. In this example, solder was used. Specifically, the surface of the piezoelectric body to be joined by solder and the joining surface of the auxiliary substrate are cleaned. Solder paste is applied to the cleaned piezoelectric body and the metallized layer surface of the substrate. The joint surfaces to which the paste is applied are superposed and temporarily fixed using a jig. The temporarily fixed sample is heated under pressure to melt the solder and join the piezoelectric body and the substrate. Next, the temporarily fixed sample is placed in a vacuum chamber and evacuated. When the degree of vacuum in the chamber reaches 5 × 10 ⁻⁵ torr, the valve is opened and the sample is moved to the laser irradiation chamber. The laser in the laser irradiation chamber takes a double wave from the dye laser and is in a state in which a pulse wave having a wavelength of 1064 nm can be condensed and irradiated. The moved sample is irradiated with laser light at an incident angle under total reflection conditions.
[0031]
The correlation between the incident angle and the depth of the evanescent light seen in the bonding layer was evaluated as follows.
[0032]
A standard sample in which a fluorescent dye was previously applied to the brazing joint layer was prepared, and a state in which the fluorescent dye generated excitation light by a pulse laser irradiated from the smooth surface of the substrate was prepared. Here, the excitation light intensity emitted from the dye was measured by the single photon coefficient method, and the change over time in the fluorescence intensity when the incident angle was changed was examined. When the irradiated laser light reached the total reflection condition, the depth of the evanescent light oozing out to the bonding interface was determined from the fluorescence intensity with respect to the incident angle.
[0033]
Next, in the laser light irradiation step (step D) to the bonding layer, laser light having an incident angle determined by the above evaluation method was irradiated. When the laser beam is irradiated, an evanescent wave is generated at the interface between the substrate and the brazing bonding layer. The evanescent wave generated at this time vibrates the hydroxyl group (-OH group), thereby remaining moisture in the brazing bonding layer, And organic components are gasified. After the laser irradiation, nitrogen gas was introduced to restore atmospheric pressure. While recovering the pressure and pressurizing the temporarily fixed jig perpendicular to the bonding surface, the sample was pulled up from the laser chamber. The valve was closed and the sample was allowed to stand in a vacuum chamber for 5 minutes to solidify the molten solder.
[0034]
Here, the effect of generating an evanescent wave at the bonding interface will be described. In the bonding with an adhesive, if there are foreign matters such as particles and dust on the bonding surface, the portion where the foreign matters are not joined and a void is generated. Similarly, in joining using solder, voids are generated not only by foreign matter on the joint surface but also by gas generated when the solder melts. The generated voids, voids, and the like cause a bonding failure such that the bonding strength is remarkably weakened.
[0035]
In the case of a bonding type piezoelectric device, the smaller the generated gap, the lower the possibility of bonding failure. However, if the gap is eliminated by laser irradiation, the possibility of bonding failure can be reduced. Further, by infiltrating the evanescent wave into the bonding layer, the stress is applied uniformly in the region where the bonding is good, and a surface acoustic wave device having good characteristics can be obtained.
[0036]
In order to confirm the effect of the surface acoustic wave device in this example, impedance characteristics and insertion loss were measured for the surface acoustic wave device in this example and a bonded surface acoustic wave device having a structure bonded with an adhesive. And compared. The joint type surface acoustic wave element obtained by bonding PZT and a glass substrate to be compared with an adhesive has the same dimensions as the surface acoustic wave element in this embodiment.
[0037]
Next, the configuration and operation of a surface acoustic wave element using the piezoelectric device shown in FIGS. 1 and 2 as a surface acoustic wave oscillation unit will be described. FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of the surface acoustic wave element, and FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. The surface acoustic wave element shown in FIGS. 5 and 6 includes a piezoelectric body 1 that is a propagation substrate, an auxiliary substrate 8, and a comb-shaped electrode 9. The comb-shaped electrode 9 is formed on a surface opposite to the bonding surface between the piezoelectric body 1 and the auxiliary substrate 8, and the auxiliary substrate 8 is a smooth surface for irradiating laser light separately from the bonding surface with the piezoelectric body 1. Is formed. In the surface acoustic wave element according to the present embodiment, the piezoelectric body 1 and the auxiliary substrate 8 are joined by solder. In the surface acoustic wave device according to this example, lead zirconate titanate having a thickness of 235 μm is used as the piezoelectric body 1 and a low thermal expansion glass substrate having a thickness of 700 μm is used as the auxiliary substrate 8.
[0038]
Next, the operation of this embodiment will be described. By applying an alternating electric field to the comb-shaped electrode 9, the surface acoustic wave is excited, and the surface acoustic wave propagates along the surface of the piezoelectric body 1. This surface acoustic wave is converted again into an electric signal by the comb-shaped electrode 9. By the above, it functions as a surface acoustic wave. 5 and 6 show the basic structure of a surface acoustic wave device using comb-shaped electrodes. However, when a filter or a resonator is used, the number and configuration of the comb-shaped electrodes can be changed as necessary. change.
[0039]
Next, a manufacturing process of the surface acoustic wave element in this embodiment will be described. The manufacturing process of the surface acoustic wave device according to the present embodiment is roughly divided into two processes: bonding of the piezoelectric body and the auxiliary substrate, and generation of evanescent waves in the brazing bonding layer by irradiating the auxiliary substrate with laser light. The manufacturing process of the present embodiment is performed in the same manner as the manufacturing process of the piezoelectric device shown in FIGS.
[0040]
In this example, a smooth surface for irradiating laser light was formed on the auxiliary substrate, and then the piezoelectric body and the auxiliary substrate were joined by solder.
[0041]
First, soldering will be described.
[0042]
First, an Au film is formed on the bonding surface by sputtering. In order to improve the adhesion between the piezoelectric body and the auxiliary substrate, the metallized layer to be formed is preferably formed of a single layer or a multilayer metallization of Cr, Ti, Ni, Mo, W or the like in the intermediate layer with the Au film. In this example, PZT was used for the piezoelectric body, and glass was used for the auxiliary substrate. A Cr layer and a Ni layer were formed as intermediate layers. The method for forming the metallized layer is not limited to the sputtering method, and any method such as a CVD method or a plating method may be used.
[0043]
Subsequently, the surface of the piezoelectric body to be joined by solder and the joining surface of the auxiliary substrate are cleaned. Solder paste is applied to the cleaned piezoelectric body and the metallized layer surface of the auxiliary substrate. The joint surfaces to which the paste is applied are superposed and temporarily fixed using a jig. The temporarily fixed sample is pressurized and heated to melt the solder and join the piezoelectric body and the auxiliary substrate. In this embodiment, the solder paste is used, but the brazing joint layer is not limited to the paste, and any material such as sheet solder and plating solder may be used.
[0044]
Next, the temporarily fixed sample is placed in a vacuum chamber and evacuated. When the degree of vacuum in the chamber reaches 5 × 10 ⁻⁵ torr, the valve is opened and the sample is moved to the laser irradiation chamber. The solder in the laser irradiation chamber is heated to 190 ° C. and is in a molten state. The moved sample is irradiated with laser light at an incident angle under total reflection conditions. When the laser beam is irradiated, an evanescent wave is generated at the interface between the auxiliary substrate and the brazing joint layer. At this time, the evanescent wave oozing out into the brazing joint layer vibrates the hydroxyl group (—OH group), thereby brazing and joining. Moisture remaining in the layer and organic components are gasified and removed from the bonding layer. After laser irradiation, nitrogen gas is introduced to restore atmospheric pressure. At this time, the temporarily fixed jig is pressurized perpendicularly to the joint surface. After pressurization, the sample is pulled up from the laser chamber. The valve was closed and the sample was allowed to stand in a vacuum chamber for 5 minutes to solidify the injected solder.
[0045]
In order to confirm the effect of the surface acoustic wave device in this example, impedance characteristics and insertion loss were measured for the surface acoustic wave device in this example and a bonded surface acoustic wave device having a structure bonded with an adhesive. And compared. The joint type surface acoustic wave element obtained by bonding PZT and a glass substrate to be compared with an adhesive has the same dimensions as the surface acoustic wave element in this embodiment.
[0046]
FIG. 7 shows the vibration characteristics of the surface acoustic wave element formed by the conventional bonding method, and FIG. 8 shows the vibration characteristics of the surface acoustic wave element according to the present invention.
[0047]
In the admittance characteristics, when the waveforms of the vibration modes appearing in the vicinity of the frequency of 1 to 15 MHz are compared, the surface acoustic wave element with adhesive bonding has a lot of spurious and noticeable variations in the admittance value at the anti-resonance point. In the surface acoustic wave device according to the example, a stable waveform with less spurious is obtained.
[0048]
On the other hand, in the comparison of the insertion loss of the vibration mode at the main resonance frequency, 45% variation of −2 to −14 was observed in the surface acoustic wave element bonded with the adhesive, whereas the elastic surface according to the present example was used. For wave elements, the variation was -1 to -2 and 2.4%. Compared to conventional surface acoustic wave elements, it was also confirmed that variations due to poor bonding were reduced and stable characteristics were obtained.
[0049]
As described above, in this embodiment, PZT is used as the piezoelectric body. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even when another piezoelectric body is used.
[0050]
【Effect of the invention】
According to the present invention, when a piezoelectric body and a substrate are bonded using a brazing material such as solder, a laser beam is irradiated from the side surface of the substrate toward the bonding surface with the piezoelectric body, thereby causing a total reflection phenomenon at the bonding interface. This is characterized in that moisture remaining in the bonding layer is selectively removed using evanescent light spotted in the bonding layer. The incident angle of the laser beam is in a range where total reflection occurs at the interface between the substrate and the brazing joint layer, and the substrate is characterized by a structure in which a smooth surface is formed so that total reflection occurs. By setting the wavelength of the irradiated laser light to 1064 nm, vibration of a hydroxyl group (—OH group) in a water molecule or an organic molecule can be caused. Therefore, moisture remaining in the brazing bonding layer can be pushed out of the bonding layer by gasification and evacuation. Therefore, it is possible to avoid the gas generated when the solder is melted from being confined in the bonding layer.
[0051]
It is possible to eliminate the deterioration of the bonding strength and the deterioration of the vibration characteristics caused by the void generated by the gas confined in the bonding layer, which is a problem in the conventional method. As a result, the force generated from the piezoelectric layer is diffusely reflected at the poorly bonded portion or propagates without being absorbed, and unnecessary spurious vibration does not occur, and excellent vibration characteristics are exhibited. Furthermore, it is possible to improve the efficiency and durability of a motor, an actuator, a sensor, or the like that uses the bonded piezoelectric device according to the present invention as a device. In particular, electrical and mechanical performance can be improved as a driving source for a microstructure such as a micromachine, and reliability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a piezoelectric device according to the present invention.
2 is a diagram viewed from the position of a line of sight A in FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic view showing a manufacturing process of the piezoelectric device according to the present invention.
FIG. 4 is a flowchart of a piezoelectric device manufacturing process according to the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of the surface acoustic wave element according to the first embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ as viewed from the direction of the line of sight A in FIG. 5. FIG. 7 is a chart showing vibration characteristics of the surface acoustic wave device according to a conventional bonding method.
FIG. 8 is a table showing vibration characteristics of the surface acoustic wave device according to the first embodiment of the invention.
FIG. 9 is a schematic view showing the structure of a piezoelectric device according to a conventional joining method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric body 2 Board | substrate 3 Brazing joining layer 4 Metallizing layer 5 Laser beam 6 Smooth surface 7 Electrode 8 Auxiliary board 9 Comb electrode 10 Conventional adhesive layer

Claims

基板上に圧電体が設けられた圧電体装置の製造方法において、前記圧電体との接合面を有する前記基板表面上にメタライズ層を形成する工程と、前記基板との接合面を有する前記圧電体表面上にメタライズ層を形成する工程と、ろう付け接合層を介して前記圧電体と前記基板を接合するとともに、前記基板と前記ろう付接合層の界面においてレーザー光を全反射させる工程と、前記全反射現象により界面近傍にもれたエバネッセント光を利用することによりろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させる工程と、前記気化させた残留物質を真空引きすることで接合層より除去する工程と、からなることを特徴とした圧電体装置の製造方法。 In a method of manufacturing a piezoelectric device in which a piezoelectric body is provided on a substrate, a step of forming a metallized layer on the surface of the substrate having a bonding surface with the piezoelectric body, and the piezoelectric body having a bonding surface with the substrate Forming a metallized layer on the surface, joining the piezoelectric body and the substrate via a brazing joint layer, and totally reflecting laser light at an interface between the substrate and the brazing joint layer; A process of selectively evaporating the material remaining in the brazing joint layer by using evanescent light leaked near the interface due to the total reflection phenomenon, and removing the vaporized residual material from the bonding layer by evacuating the vacuum And a method of manufacturing a piezoelectric device comprising the steps of:

前記基板側面上には平滑面が形成され、該平滑面より近赤外レーザー光を入射することを特徴とする請求項１記載の圧電体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a piezoelectric device according to claim 1, wherein a smooth surface is formed on the side surface of the substrate, and near-infrared laser light is incident on the smooth surface.

前記基板表面は、前記ろう付接合層と前記基板との界面で全反射現象が起きるような平滑面を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体装置の製造方法。 3. The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 1, wherein the surface of the substrate has a smooth surface on which a total reflection phenomenon occurs at an interface between the brazing bonding layer and the substrate.

前記基板がレーザー光を透過する材質であることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の圧電体装置の製造方法。 4. The method for manufacturing a piezoelectric device according to claim 1, wherein the substrate is made of a material that transmits laser light.

圧電体を伝搬基板とし、前記伝搬基板と補助基板を接合した圧電体装置に、前記伝搬基板上に弾性表面波を励振する櫛型電極を備え、前記伝搬基板に信号を印加することによって弾性表面波を発振させる弾性表面波素子において、
前記伝搬基板と前記補助基板との接合がろう付接合であり、前記伝搬基板との接合面にメタライズ層を形成した前記補助基板を有し、前記補助基板は、前記補助基板との接合面にメタライズ層を形成した前記伝搬基板をろう付接合する時に、ろう付接合層の界面においてレーザー光を全反射させて、全反射現象により界面近傍に漏れたエバネッセント光を利用してろう付接合層に残留した物質を選択的に気化させ、真空引きして接合層より除去するべく、前記レーザー光が前記ろう付接合層の界面において全反射する角度で前記補助基板に照射される入射角を形成する平滑面を有することを特徴とする弾性表面波素子。A piezoelectric device having a piezoelectric body as a propagation substrate, and a piezoelectric device in which the propagation substrate and the auxiliary substrate are joined, includes a comb-shaped electrode for exciting a surface acoustic wave on the propagation substrate, and applying a signal to the propagation substrate causes an elastic surface In a surface acoustic wave device that oscillates waves,
The propagation substrate and the auxiliary substrate are joined by brazing, and the auxiliary substrate has a metallized layer formed on the joint surface with the propagation substrate, and the auxiliary substrate is formed on the joint surface with the auxiliary substrate. When brazing and joining the propagation substrate on which the metallized layer has been formed, the laser beam is totally reflected at the interface of the brazing joint layer, and the brazing joint layer is formed by utilizing the evanescent light leaking near the interface due to the total reflection phenomenon. In order to selectively vaporize the remaining substance and remove it from the bonding layer by evacuation, an incident angle at which the laser beam is applied to the auxiliary substrate is formed at an angle at which the laser beam is totally reflected at the interface of the brazing bonding layer. A surface acoustic wave device having a smooth surface .