專利名稱:柔性安裝壓電裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及頻率控制裝置,具體涉及一種將壓電裝置與襯底一起安裝的方法。
諸如壓電石英濾波器、壓電石英諧振器之類的壓電裝置,通常包括一片安裝在襯底上的壓電材料。在石英裝置中,必不可少的石英元件上有薄的金屬電極,借以對壓電石英材料饋入和取出電信號。壓電裝置的共同問題是恰當(dāng)?shù)厥箟弘娧b置隔離機(jī)械沖擊以及恰當(dāng)?shù)靥幚韷弘姴牧吓c襯底材料之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配。
諸如壓電石英材料之類的壓電裝置和襯底,通常都具有不匹配的熱膨脹系數(shù)。由于石英和襯底隨溫度變化而膨脹和收縮,在這種裝置的壽命中,隨著時間的推移,這種失配會在石英中引起機(jī)械應(yīng)力。而且,通過其安裝結(jié)構(gòu)傳到石英的機(jī)械沖擊會增加機(jī)械應(yīng)力,以致同熱應(yīng)力一起對該裝置的頻率和精度起不良的作用。
多年來業(yè)已作出各種努力嘗試以將壓電石英裝置柔性地安裝在襯底上。為此種應(yīng)用之目的,壓電裝置的柔性安裝是指一種試圖在壓電石英元件上降低或盡量減小機(jī)械應(yīng)力的安裝裝置、設(shè)備或其它的安裝裝置。某些現(xiàn)有技術(shù)柔性安裝裝置采用了起彈簧型安裝結(jié)構(gòu)作用的薄箔片來使石英元件與其襯底隔離開。其它類型的柔性安裝結(jié)構(gòu)曾試圖采用熱膨脹系數(shù)同石英材料更匹配的襯底材料。
由于現(xiàn)代壓電石英元件具有小的物理尺度,故現(xiàn)有技術(shù)的柔性安裝方案,即便不是全部,也是大多數(shù)難以采用。例如,只使用彎曲箔片在襯底上柔性安裝石英小長條,不是一種適合于石英晶體裝置經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。
圖1示出了一種現(xiàn)有技術(shù)諧波晶體安裝結(jié)構(gòu)。晶體安裝結(jié)構(gòu)10包括一個襯底12;導(dǎo)電襯墊14附著在襯底外側(cè)部分用以電連接結(jié)構(gòu)10;一對C形支架16;一個壓電元件18,含有由上部粘合劑24連接到C形支架的一彎曲左電極20和一彎曲右電極22。下部粘合劑26將C形支架16牢固地連接在導(dǎo)電墊片14上。粘合劑24和26是環(huán)氧樹脂。
當(dāng)交流電壓施加在二個襯墊14上時,壓電元件18以一定的位移作聲學(xué)振動。部分地由于溫度的改變、應(yīng)力、暴露于機(jī)械沖擊、石英中的微裂縫之類的原因,壓電元件18的諧振頻率在其標(biāo)稱頻率附近會飄移。
現(xiàn)在需要一種改進(jìn)的、將壓電裝置與襯底一起安裝的方法,以便(ⅰ)盡量減小二者熱膨脹失配所引起的機(jī)械應(yīng)力;(ⅱ)提供一種可使該裝置經(jīng)受住機(jī)械沖擊的充分的機(jī)械連接;以及(ⅲ)提供一種適合于批量生產(chǎn)的晶體固定方法。
據(jù)此,一種對于壓電裝置的低成本、易制造的、柔性安裝應(yīng)是對現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)。一種用于可使石英裝置容易地固定在襯底上并使石英元件隔離機(jī)械應(yīng)力的方法,應(yīng)是對現(xiàn)有技術(shù)的一種改進(jìn)。
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的晶體安裝結(jié)構(gòu)的放大剖面圖。
圖2示出本申請人用來使諧波晶體安裝在襯底上的諧波晶體安裝結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3示出一種改進(jìn)的柔性安裝壓電裝置的一個實(shí)施例的剖面圖。
圖4示出柔性安裝諧波壓電裝置的最佳實(shí)施例的剖面圖。
圖5和6示出根據(jù)本發(fā)明的示于圖3和4中以晶體振蕩器形式出現(xiàn)的柔性安裝壓電裝置的上、下透視圖。
圖7和8示出根據(jù)本發(fā)明的示于圖3和4中以濾波器形式出現(xiàn)的柔性安裝壓電裝置的上、下透視圖。
圖2示出直接將諧波晶體安裝在襯底上的剖面圖。更確切地說,諧波晶體管安裝結(jié)構(gòu)40包括一個帶有導(dǎo)電襯墊44的襯底42、一個壓電元件46、頂和底部的彎繞的電極48和50、以及一個將壓電元件46電連接并機(jī)械安裝在襯底42上的導(dǎo)電粘合劑52。頂和底電極48和50含有鋁。鋁在暴露于空氣時立即氧化,難以將電極48和50與導(dǎo)電粘合劑52電連接。更具體地說,在暴露的電極表面上形成了氧化鋁54和56。由于氧化鋁是機(jī)械強(qiáng)度很高的介電材料,故無法得到柔性導(dǎo)電粘合劑52與電極48和50之間有效的電連接。
在圖1晶體結(jié)構(gòu)中使用的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂24和26是一種高強(qiáng)度的堅實(shí)材料,固化時其體積顯著地減小。這就在固定表面內(nèi)引起應(yīng)力。倘若用這種環(huán)氧樹脂來固定氧化了的鋁,則在固化時此環(huán)氧樹脂就施加碎裂氧化層的力,故在電極20和22以及導(dǎo)電環(huán)氧樹脂24之間可得到有效的電連接。
在圖2結(jié)構(gòu)中使用的柔性粘合劑52在整個固化過程中都保持柔軟,且不明顯地改變其體積,因此,在固化過程中不希望的氧化鋁層54和56不碎裂。雖然在圖1中得到了可接受的電連接,但圖1的結(jié)構(gòu)有許多缺點(diǎn)。由于為釋放壓電元件18和襯底12之間的熱失配所必需的金屬箔,使該裝置中所用的零件數(shù)目非常大。此外,制作裝置10的工藝步驟數(shù)目大或更費(fèi)時間,例如,必須二次配制和固化環(huán)氧樹脂。更具體地說,首先環(huán)氧樹脂24用來將壓電元件18附著在箔16上,其次環(huán)氧樹脂26用來將附著箔16連接在襯底12上,這可能需要二個固化工序。
圖3示出含有改進(jìn)的安裝方法的柔性安裝壓電裝置的剖面圖。裝置100包括一個通常由陶瓷材料制成的襯底102;與襯底102外側(cè)部分連接的、用以向裝置10提供電連接的導(dǎo)電襯墊104。壓電器件106具有最好是鋁的上下電極134和136,用彎繞結(jié)構(gòu)連接到左右金屬化外側(cè)部分114和116。更具體地說,在金屬化外側(cè)部分114包括上、中、下段118、120和122。同樣,右金屬化外側(cè)部分116分別包括上、中、下段124、126和128。金屬化114和116的底段122和128用導(dǎo)電柔性界面112和112′電連接和機(jī)械連接到導(dǎo)電襯墊104。
通常由金屬和陶瓷制成的蓋子130將壓電裝置106基本上包圍并封閉起來,以提供內(nèi)部惰性環(huán)境132。
在圖3中,在壓電器件106的上下部分上即表面上分別是上、下電極圖形134和136。上、下電極圖形134和136電連接左、右金屬化外側(cè)部分114和116,以分別形成上、下接觸區(qū)138和140。接觸區(qū)138和140足夠大,以分別提供上、下電極圖形134和136與左、右金屬化外側(cè)部分114和116之間的電接觸。希望這些接觸區(qū)提供很低的電阻。
在接近上、下電極圖形134和136分別與左、右金屬化外側(cè)部分114和116相會處的地方,是提供大面積電連接的上、下重疊部分142和144。
參照圖4,在一個實(shí)施例中,左、右金屬化外側(cè)部分114和116分別各自包括第一層146和152、第二層148和154、以及第三層150和156。
圖5和6示出壓電裝置106的上、下透視圖,示出上、下電極圖形134和136以及左、右金屬化外側(cè)部分114和116。
圖7和8示出帶有上、下電極圖形134、136和136′的壓電裝置的上、下透視圖。圖7和8所示的裝置為晶體濾波器形式,它包括所有前述圖形中的結(jié)構(gòu)并包括三個電連接。
晶體濾波器(圖7和8)和晶體諧振器(圖5和6)是二個主要的壓電元件應(yīng)用。當(dāng)輸入的電信號需要濾波以抑制通帶之外的即在不希望的頻率范圍內(nèi)的信號時,就采用晶體濾波器。處于此濾波器的通帶頻率范圍內(nèi)的信號通過濾波器而無明顯的信號損失。晶體諧振器用作振蕩電路中的頻率控制裝置。
本方法的最簡單形式涉及到按照以下步驟柔性安裝壓電裝置。第一步驟是對壓電元件106的外側(cè)部分114和116進(jìn)行選擇性金屬化。接著在壓電元件106上選擇性地沉積一個鋁的預(yù)定層圖形以形成一個同外側(cè)金屬化部分114和116接觸的某種需要的電極圖形134和136。然后,在襯底102上選擇性配制一個未固化的導(dǎo)電柔性材料112和112′。接下去,將壓電元件106置于柔性導(dǎo)電材料上并對準(zhǔn),使當(dāng)固化導(dǎo)電柔性材料時形成一個柔性安裝(或界面)。
當(dāng)與帶有鋁電極的裝置一起使用時,這一安裝方法是特別有用的。倘若用圖2的方法和結(jié)構(gòu)將帶有鋁電極的裝置固定在襯底上,在層54和56上會形成氧化鋁,無法制作良好的電連接。倘若按圖3和4所示的方法來構(gòu)成裝置,由于外側(cè)金屬化層114和116,形成在鋁電極上的氧化層就不會影響電通路,在這些裝置中,此電通路是通過金屬化部分114和116。用在金屬化部分114和116制層工序中的金屬的選取要使它們在暴露于空氣時不容易氧化。
選擇性金屬化步驟可包括在壓電元件106的外側(cè)部分114和116上提供多層金屬,用以改善對壓電元件106的粘附性。更具體地說,選擇性金屬化步驟可以包括提供一個直接在壓電元件106外側(cè)部分上的含鉻的第一層146和152;一個分別在第一層146和152上的含貴金屬的第二層148和154;以及一個在第二層的貴金屬上的含鉻的第三層,用來改善金屬化部分114和116對柔性界面112和112′的附著性并且改善對重疊或接觸區(qū)中鋁電極的附著性。在最佳實(shí)施例中,金屬化部分114和116的各層都在真空環(huán)境中制作。在制作不同的金屬以在含有圖4所示金屬化部分的壓電裝置上產(chǎn)生金屬化層的過程中,壓電裝置保留在真空中。
在最佳實(shí)施例中,未固化的導(dǎo)體柔性材料被充分地固化以形成導(dǎo)電柔性界面即安裝結(jié)構(gòu)。更具體地說,導(dǎo)電柔性材料在預(yù)定的溫度下被固化一段預(yù)定的時間,以給出所希望的柔性的方式而形成。
導(dǎo)電柔性界面112和112′可包含很寬的材料范圍,只要在固化時形成柔性支持結(jié)構(gòu)即可。
在最佳實(shí)施例中,界面112和112′包括硅酮基類粘合劑材料。這是一種相當(dāng)新近開發(fā)的材料,它可在很寬的溫度范圍內(nèi)于空氣中固化,并在適當(dāng)固化之后仍為柔性還有一定的彈性。在一個實(shí)施例中,硅酮基粘合劑包含金屬粉末,最好是銀粉以提供所要求的導(dǎo)電率。
硅酮中銀粉的含量范圍可以很廣。在最佳實(shí)施例中,銀粉含量范圍為約70%—約85%重量比,低范圍要足以有所需的電導(dǎo)率,而高范圍由于要盡量減小對粘合特性的不良影響而受到限制,為盡量減小電阻(功耗),同時又可加工并可重復(fù),最好是約75%—約80%。
在最佳實(shí)施例中,界面112和112′含有銀填充的硅酮,它適當(dāng)?shù)毓袒孕纬蛇B接壓電元件106同襯底102的柔性凝膠。這種材料提供了對沖擊的額外緩沖和隔離,并有足夠的彈性,允許壓電元件106相對于襯底102以極小的應(yīng)力而膨脹和收縮。
為了所希望的那樣(ⅰ)連接壓電元件106;(ⅱ)允許壓電元件106由其熱膨脹系數(shù)造成的少許運(yùn)動;(ⅲ)將沖擊傳輸減為最??;(ⅳ)將氣減為最小;(ⅴ)將電阻減為最??;以及(ⅵ)將寬的溫度范圍內(nèi)的頻率偏離減為最小,在制作帶有足夠柔性的界面112和112′時,固化步驟是重要的。
在最佳實(shí)施例中,固化步驟包括在預(yù)定的時間和溫度下對材料112和112′進(jìn)行固化以形成具有上述所需特性的界面。更具體地說,當(dāng)界面112和112′含有銀填充的硅酮時,未固化的材料在爐子中于大約80℃到大約180℃(為改善結(jié)果,最好是大約120℃到大約160℃)固化大約30分鐘到大約4小時,為盡量減小材料出氣和改善完整性,最好是大約150℃下固化大約90分鐘。更確切地說,在最佳實(shí)施例中,硅酮基粘合劑材料提供了一種軟的柔性支持和連接,它使壓電元件106可相對于襯底102而浮置。
在最佳實(shí)施例中,固化步驟還可包括一個固化后高溫調(diào)節(jié)步驟。可以認(rèn)為,高溫調(diào)節(jié)步驟可進(jìn)一步將界面112和112′的出氣減為最小并改善含有界面112和112′和粘合劑的材料同固定位置的交叉連接。
有關(guān)調(diào)節(jié)步驟的草案可大范圍地變化。在一個實(shí)施例中,調(diào)節(jié)步驟從大約90分鐘變到約5分鐘,而為了使工藝時間和出氣減為最小并改善交叉連接和柔性,最好是從大約40分鐘變到大約20分鐘。這一調(diào)節(jié)步驟的溫度范圍可以很寬。在一個實(shí)施例中,溫度可以從大約400℃到大約200℃,而最好是從大約300℃到大約350℃,這對于提供材料對其本身和固定位置的交叉連接來說是足夠高的,同時低得不足以使材料受到?jīng)_擊或降級。
當(dāng)采用銀填充的硅酮時,就盡量減小出氣、有所關(guān)心的溫度內(nèi)降低頻率偏移(即改善輸出精度)以及提供柔性連接而言,可以認(rèn)為,在325℃到350℃大約30分鐘的高溫調(diào)節(jié)可提供最好的結(jié)果。
在一個實(shí)施例中,用可大范圍變化的楊氏模量測得界面112和112′具有柔性。在一個實(shí)施例中,楊氏模量<10×105N/m2,致使硬度不過大,而且也不過低,從而獲得了具有足以承受機(jī)械沖擊的整體性的界面。
可用作界面112和112′的某些最佳粘合劑包括Emerson和Cuming公司(W.R.Grace的分部)的所謂導(dǎo)電硅酮染料附著材料,產(chǎn)品號為LE3355—35、LE4017—71和LX3739—98。這些材料被認(rèn)為基本上是單一組分的銀填充硅酮粘合劑且導(dǎo)熱并導(dǎo)電。據(jù)信熱導(dǎo)率有助于熱的耗散和減小壓電元件106同襯底102之間的溫差。
有一個最佳實(shí)施例中,根據(jù)應(yīng)用,材料112和112′包含Emer-son和Cuming公司的產(chǎn)品LE4017—71和LX3937—98。這些材料的流變學(xué)性質(zhì)提供了適用于簡化應(yīng)用的稠度,在固化之前可支持壓電元件而又不會不受控制地分布到不需要的地方。但本發(fā)明也可采用其它材料,只要它們具有此處詳述的所需的性質(zhì)和特性即可。最佳的材料被用來形成物理上柔性且導(dǎo)電并導(dǎo)熱的連接。
固化之后,可對壓電元件106進(jìn)行頻率調(diào)整,方法是調(diào)節(jié)電極圖形134或136的質(zhì)量,通常是調(diào)節(jié)上電極圖形134,因?yàn)檫@里更易接近。在最佳實(shí)施例中,頻率調(diào)整在真空中完成,金屬沉積在上電極圖形134上的預(yù)定區(qū)域中。
頻率調(diào)諧之后,壓電裝置100通常包括一個將蓋子132裝到襯底102,使壓電元件106封閉在惰性環(huán)境中的步驟。通常裝置100被置于真空環(huán)境中以抽去可能有害于器件的所有氣體。然后,不暴露于空氣,裝置被置于氮之類的密封惰性氣氛中。
在一個最佳實(shí)施例中,用本發(fā)明制作了諧波器件。下文提供了本發(fā)明提出并考慮的許多重要情況的簡要解釋。
諧振器設(shè)計者的設(shè)計目標(biāo)是制造一種在所需頻率下作獨(dú)立諧振的壓電諧振器。此諧振是由所設(shè)計的晶體或?yàn)V波器的電學(xué)特性所決定的。諧振器會有其它的機(jī)械諧振,必須通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計裝置的物理結(jié)構(gòu)來抑制它。這些不需要的諧振響應(yīng)稱為寄生響應(yīng)。
支配諧振器設(shè)計的物理定律決定了這些寄生響應(yīng)是否會出現(xiàn)在最終的裝置中。現(xiàn)有設(shè)計理論認(rèn)為寄生響應(yīng)的數(shù)目和強(qiáng)度是電極尺度(面積)和金屬化電極同未金屬化區(qū)之間的頻率差的函數(shù)。這種頻率差是由制成電極的物質(zhì)的加入而引起的。這一限制可用“陷波”理論來描述,它提供了寄生模式的出現(xiàn)同電極尺度和質(zhì)量之間的關(guān)系。
通過希望將濾波器晶體的電極做成盡可能大。這是為了降低濾波器的電阻抗,由于可使周圍電路更容易設(shè)計而且由于可允許采用更不嚴(yán)格的尺寸公差來設(shè)計電極陣列,這是可取的。由于當(dāng)電極變大時,可沉積在電極上的允許質(zhì)量就變得更小,故電極的最大尺寸受陷波的限制。通過使金屬化厚度變薄以減小質(zhì)量,來達(dá)到所需質(zhì)量。
電極能做成多薄的限制因素是構(gòu)成電極的薄膜的電導(dǎo)率。隨著薄膜的減薄,其電阻增高。在由所用的金屬化決定的某一厚度以下,電極變成不導(dǎo)電從而不可使用。對諸如金、銀或鋁之類的任一給定材料,存在一個可用的最小厚度。
由于上述的這些理由,鋁是可用于高頻濾波器特別是諧波濾波器的金屬。鋁是可得到的密度最低的鍍層材料,而且在膜厚小時的導(dǎo)電性足夠。鋁可采用較大面積的電極,它滿足為抑制不需要的寄生諧振所必須的陷波條件。
采用諸如本發(fā)明所用的硅基粘合劑之類的柔性粘合劑也是有益的,這是由于晶體要求的安裝可更簡單地制作、抗沖擊更好、更少承受熱改變引起的應(yīng)力。不幸的是,鋁在暴露于大氣時會形成氧化物,使硅粘合劑不能制作對鋁電極材料的低阻連接。
本發(fā)明借助于形成避免鋁對硅粘合劑進(jìn)接連結(jié)的連接界面區(qū)而使這一問題減為最小。在此方法中,鋁電極形成連結(jié)并電連接到不同的金屬(鉻和金連接片)。然后將硅粘合劑置于金屬上,例如連接處的金表面以形成對封裝件接觸的機(jī)械和電連接。由于金是惰性的且不氧化也不與硅粘合劑反應(yīng),這就避免或盡量減小了這一問題。
由于鋁和金材料合金形成金屬間化合物,金和鍍鋁的電極也形成良好的連結(jié)。在最佳實(shí)施例中,鉻子層被用來形成金層和石英襯底之間良好的機(jī)械連結(jié)。鉻形成氧化物與二氧化硅結(jié)構(gòu)的石英聯(lián)結(jié)。鉻可以擴(kuò)散進(jìn)入金層以形成鉻層同金層之間良好的電和機(jī)械連結(jié)。
于是,此方法利用柔性安裝系統(tǒng)硅粘合劑,可使用最佳的電極材料鋁來獲得良好的特性與性質(zhì)。
在最佳實(shí)施例中,此方法涉及到將諧波壓電器件同襯底進(jìn)行柔性安裝,它包括以下步驟首先,對壓電元件106的外側(cè)部分114和116進(jìn)行選擇性金屬化,這是為了提供同柔性界面112和112′相接觸的足夠的金屬區(qū),由于選取了抗氧化的適當(dāng)?shù)慕饘?,為了盡可能減小氧化可能性,要選擇構(gòu)成外側(cè)部分114和116的材料;然后,借助于形成一個預(yù)定的電極圖形并形成一個連接于金屬化外側(cè)部分114和116的重疊部分,在壓電元件上選擇性沉積一層鋁。重疊142和144以及接觸138和140是重要的,它提供電極134和136與金屬化外側(cè)部分114和116之間良好的連接;下一步涉及在襯底102上配制一個導(dǎo)電的柔性材料112和112′,柔性界面112和112′是提供用來將壓電元件106固定到襯底102的導(dǎo)電和機(jī)械柔性安裝系統(tǒng)的裝置;下一步涉及將壓電元件106置于導(dǎo)電柔性粘合劑112和112′上,這是為了將壓電元件106物理固定于襯底102,在這一步驟中,粘合劑112和112′主要同外側(cè)金屬化部分114和116接觸,故可得到良好的電連接,再下一步涉及到固化導(dǎo)電柔性粘合劑,使形成連接壓電元件外側(cè)金屬化部分同襯底的柔性連接,在這一步驟中,粘合劑的狀態(tài)從稠液改變?yōu)榉€(wěn)定的橡皮狀柔性材料(界面),它牢固地將壓電元件106保持在襯底102上。
請注意,選擇性金屬化的外側(cè)部分114和116成形為包括足夠大的表面積以方便和簡化對導(dǎo)電柔性粘合劑112和112′的定位和對準(zhǔn)。它們還成形為提供平面的足夠大的面積以提供良好的電和機(jī)械連接。
在一個實(shí)施例中,包括有壓電元件106外側(cè)部分114和116上的多層金屬。
在最佳實(shí)施例中,第一層146和152是金屬,通常為鉻,用來改善第二層金屬148和154(通常為金或銀)對壓電元件106的粘合性。外層金屬150和156通常為鉻,用來增加鋁電極134和136(以及圖8中的136′)以及柔性材料112和112′對用作第二層148和154的金屬的粘合性。所有三層金屬都在同一真空循環(huán)中于真空環(huán)境下制作。而且,第一和第三層金屬都很薄,通常為50—100A。因此,二個額外金屬層的沉積并不明顯地增加工藝時間。
由于硅—氧—鋁鍵合的性質(zhì),鋁牢固地粘合于壓電元件106或石英,故采用鋁作為電極材料,特別是在高頻應(yīng)用中。鋁的聲學(xué)阻抗同石英材料匹配緊密,從而使石英—鋁界面處的聲學(xué)反射減至最小,致使損耗很小。由于其質(zhì)量小,鋁也是很多石英器件中電極的最佳材料。在很多情況下,若在設(shè)計中使用質(zhì)量大的電極,石英器件會出現(xiàn)過度的不希望有的諧振和寄生。此時,減小電極的質(zhì)量是有益的。減小電極質(zhì)量的一個方法是減小所用金屬的厚度。然而,極薄的電極的電導(dǎo)低,會使器件的性能變壞。因此,采用質(zhì)量最小而電導(dǎo)良好的材料做電極是有益的。鋁是這樣一種具有高的電導(dǎo)對質(zhì)量比的材料。
在給定的低厚度下,鋁也有良好的電導(dǎo)。因此,它可提供良好的電接觸,還由于其重量輕的特性而使質(zhì)量負(fù)載減為最小。此次,鋁同石英材料的聲學(xué)阻抗緊密匹配,使信號損失最小。而且鋁可提供對壓電元件的良好粘合性。
金屬化外側(cè)部分114和116對提供良好導(dǎo)電率來說是足夠厚的。在一個實(shí)施例中,金屬化外側(cè)部分114和116約為700以上,為提供仍有良好的金屬電導(dǎo)的最小金屬厚度,最好約為1500。可以認(rèn)為,超過2000的金屬厚度會增加工藝中材料的損耗,并增加工藝時間,使器件成本上升。
在圖4的最佳實(shí)施例中,對用在外側(cè)部分114和116的金屬分別提供對石英106以及對鋁電極134和136的良好粘合性來說,第一和第三層鉻一般是足夠厚的。在一個最佳實(shí)施例中,每層鉻的厚度約為400A以下,而為了良好的粘合性,最好是50?!?00。在此實(shí)施例中,第二層148和154含有一種貴金屬,最好是一層金或銀,其厚度足以提供良好的電導(dǎo)。貴金屬的厚度范圍一般為大約1000到大約2000,最好是1500。小于1000厚度可能導(dǎo)致潛在的不良電導(dǎo),而大于2000的厚度可引致不必要的工藝時間和材料損耗。由于暴露于空氣時不顯著地氧化,故金或銀是最好的金屬,而最佳的是金,因?yàn)槠淇寡趸愿谩?br>
在一個最佳實(shí)施例中,器件100被密封以盡量減小鋁同氧繼續(xù)進(jìn)行不希望有的反應(yīng)而形成例如Al2O3或藍(lán)寶石。這樣,密封就盡量減小了鍍鋁裝置出現(xiàn)頻率隨時間而降低的不良的老化特性的可能性。
在一個需要73MHz的濾波器或諧振器的應(yīng)用中,電極134、136和136′包含大約800到大約1200范圍的鋁,具有可接受的電極電導(dǎo)和低的不希望有的響應(yīng)成分。
在45MHz諧振器或?yàn)V波器應(yīng)用中,鋁電極134、136和136′的厚度范圍通常在大約1500到大約1200,以便使電極電導(dǎo)最大而寄生響應(yīng)最小。
制作柔性安裝諧波器件的最佳工藝流程如下;
1)選擇性金屬化。首先,對壓電元件的外側(cè)部分114和116進(jìn)行金屬化。壓電元件牢固地安裝在暴露壓電元件外側(cè)部分的金屬掩模中。掩模插入密封并抽氣的真空室中。當(dāng)達(dá)到所需真空度時,沉積金屬在真空室中的坩堝內(nèi)被熔化。此工序中產(chǎn)生的金屬蒸汽就在壓電元件的暴露表面上沉積。如果采用不同金屬的多層,則它們在不同的坩堝中熔化并蒸發(fā),一次一種,真空室的真空一直維持。
2)多層。由于貴金屬不能很好地粘附于石英表面,故在使用貴金屬148和154之前沉積一個鉻的子層146和152。用同樣方法還在貴金屬上沉積一個鉻的頂層150和156,以改善對貴金屬外表面的粘合性。如上述步驟1所述,所有的金屬層,即鉻子層、貴金屬層和鉻頂層都在同一個真空循環(huán)中沉積。
3)鋁電極沉積。壓電元件被轉(zhuǎn)移到不同的掩模,這些掩模選擇性地暴露壓電元件中待要沉積電極的區(qū)域。如步驟11所述,帶有壓電元件的掩模被置于抽空的真空室中。鋁在坩堝中被熔化,沉積出構(gòu)成器件電極的金屬。
4)配制粘合劑。待要用作器件基底的襯底被插入將零件保持成陣列的夾具中。含有未固化的粘合劑的噴嘴被置于緊靠襯底處。在壓力下將預(yù)定量的粘合劑自噴射器注射到襯底上。采用這一工序,粘合劑就如圖所示被加于襯底上所需要的區(qū)域。
5)放置壓電元件。壓電元件106被置于襯底102上,要使未固化的粘合劑主要在先期已被金屬化的元件的外側(cè)部分114和116處同壓電元件相接觸。
6)固化。將安裝在襯底上的壓電元件置于爐子中停留一預(yù)定時間,爐子處于預(yù)定溫度。這就使粘合劑固化,其狀態(tài)從稠液狀變?yōu)槿嵝怨虘B(tài)材料即界面112和112′。壓電元件就被牢固地固定于襯底。
7)最后鍍層。器件被置于真空室中,其中少量通常為金的金屬分別沉積在各個壓電元件上。最后鍍層金屬主要沉積在壓電元件上外側(cè)鋁電極占據(jù)的區(qū)域上。在這一鍍層過程中,器件電連接于用來監(jiān)測器件頻率和其它參數(shù)的適當(dāng)?shù)脑O(shè)備上。當(dāng)器件達(dá)到所需的參數(shù)即頻率時,就停止沉積金屬。
8)密封。將蓋子置于器件上,使蓋子只接觸襯底而不接觸壓電元件。器件置入空氣被抽出的密封室中。將通常是氮的惰性氣體注入室中。利用依器件型號而變的工藝將部件密封。在某些情況下,部件被加熱以熔化連接襯底同蓋子的焊料。在其它情況下,將電流通過蓋子以將其焊到襯底基底上。
雖然參照某些最佳實(shí)施例已對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可做出多種多樣的修改和變化而不超越本發(fā)明的新穎構(gòu)思與范圍。
權(quán)利要求
1.一種使壓電裝置與襯底一起柔性安裝的方法,其特征在于,它包括以下步驟(a)對壓電元件的外側(cè)部分進(jìn)行選擇性金屬化;(b)在壓電元件上至少選擇性地沉積一層鋁,以便(ⅰ)形成一個預(yù)定的電極圖形;(ⅱ)同外側(cè)金屬化部分接觸;(c)在襯底上選擇性地配制一個未固化的導(dǎo)電柔性材料;以及(d)將壓電元件放置在導(dǎo)電柔性材料上并進(jìn)行對準(zhǔn),使固化導(dǎo)電柔性材料時形成一個連接壓電元件外側(cè)金屬化部分同襯底的柔性安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,選擇性金屬化步驟包括在壓電元件的外側(cè)部分上提供多層金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,選擇性金屬化步驟包括(a)在壓電元件的外側(cè)部分上直接提供一個含鉻的第一層;(b)在第一層上提供一個含貴金屬的第二層;以及(c)在貴金屬層上提供一個含鉻的第三層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,第二層含有金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,固化步驟包括使柔性導(dǎo)電粘合劑處于預(yù)定溫度一預(yù)定時間以形成柔性連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包含借助于調(diào)節(jié)壓電元件上電極圖形質(zhì)量的方法來調(diào)諧壓電元件的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包含將壓電元件封閉在一種惰性環(huán)境中的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其特征在于,還包含形成一個包括濾波器或晶體的諧波器件的步驟。
9.一種將諧波壓電裝置與襯底一起柔性安裝的方法,其特征在于包括以下步驟(a)對壓電元件的外側(cè)部分進(jìn)行選擇性金屬化;(b)借助于(ⅰ)形成一個預(yù)定的電極圖形;以及(ⅱ)形成一個連接于金屬化外側(cè)部分的重疊部分的方法,選擇性地沉積一層鋁;(c)在襯底上配制一個導(dǎo)電柔性粘合劑;(d)將壓電元件放置在導(dǎo)電柔性材料上;以及(e)固化導(dǎo)電柔性材料,使得形成連接壓電元件外側(cè)金屬化部分和襯底的柔性連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其特征在于,選擇性金屬化步驟包括在壓電元件的外側(cè)部分提供多層金屬。
全文摘要
一種將壓電裝置與襯底一起柔性安裝的方法。首先,對壓電元件的外側(cè)部分進(jìn)行選擇性金屬化。第二,在壓電元件上選擇性地配制一層鋁。第三,在襯底上放置一個未固化的導(dǎo)電柔性材料并對準(zhǔn)。第四,將壓電元件放置在導(dǎo)電柔性材料上并對準(zhǔn),使固化導(dǎo)電柔性材料時形成連接壓電元件外側(cè)金屬化部分同襯底的柔性安裝。
文檔編號H03H3/007GK1118201SQ94191265
公開日1996年3月6日 申請日期1994年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月23日
發(fā)明者查爾斯·茲姆尼基, 伊亞德·阿爾哈耶克 申請人:摩托羅拉公司