高功率表面聲波噴鍍金屬及製造方法
2023-12-01 03:03:46 1
專利名稱：高功率表面聲波噴鍍金屬及製造方法
技術領域：
本發明涉及高功率表面聲波器件及製造方法。
人們獲知表面聲波(SAW)器件已經有很長時間，但直到最近才將其作為濾波器引入到手提通訊裝置的前沿。在本領域中眾所周知，可以將SAW設備製造得對頻率非常敏感，以便可將其用於製造極好的濾波器。但是，SAW器件的尺寸取決於操作頻率，即，頻率較高，表面聲波器件越小。因為用於各種通訊系統的無線電頻率非常高，所以出現的主要問題是必須將SAW濾波器製造得非常小。除了尺寸要求外，由於目前的手提設備傳輸的功率相對較高(例如1瓦或更高)，所以在將SAW濾波器變得更小的同時還要保持高功率操作要求，因此，對於製造SAW的物質和技術必須給以不斷的改進。
因此，非常希望提供使用改進物質的表面聲波器件，和能產生具有相對大功率操作能力和較長壽命的小型表面聲波器件製造方法。
優選實施方案描述
圖1示出一種高功率表面聲波(SAW)器件10的頂視圖。SAW器件10包括壓電基質11，其可以包含工業中通用的任何眾所周知的物質，如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、四硼酸鋰等。在這一具體實施方案中，SAW器件10被描述為包括能量轉換器(一般由15表示)的SAW濾波器或共振器。能量轉換器15包括第一套平行配置的分離電極16，其通過含有外部接頭18的總匯流條17連接，和第二套平行配置的分離電極19，其通過含有外部接頭21的總匯流條20連接。電極16和19被放置成公用交錯(commoninterdigitated)關係以提供眾所周知的表面聲波操作。在圖1中，由許多平行配置的分離元件形成的第一反射器25被放置在能量轉換器15的左側，類似的第二反射器26被放置在能量轉換器15的右側。正如我們完全理解的，電極16和19的尺寸和距離以及反射器25和26的位置取決於操作頻率。
在操作過程中，RF信號通過電極16和19與基質11匹配，產生在操作頻率下實際移動或振動電極16和19的表面聲波。SAW器件中導致失敗的主要問題是一個或多個電極或一個或多個電極的部分在操作中確確實實地裂開或破碎。因為目前的SAW器件操作所必須的相對高的功率(1瓦或更高)和很高的無線電頻率(RF)信號，以及由於表面聲波的運動，在電極16和19中產生巨大壓力。所以相信，嚴重的機械故障是由相對高功率的RF信號產生的高溫、在很高的RF信號速率下移動產生的壓力、以及形成電極16和19的物質的各種特性，包括硬度或韌度、電阻率、顆粒大小和粘結性能的組合引起的。
另外，圖2示出了SAW電極16和19之一(為了方便起見，在這裡表示為16)的一個橫截面。電極16是通過將一層粘結材料30沉積於基質11的表面上形成的。因為許多適於用作電極16和19的物質不會完全與基質11粘結，所以希望首先沉積能與基質很好粘結的物質，這種物質通常是周期表中第IV或VI欄的元素，例如鈦、鈦-鎢、鈦-鎢-氮化物、鉻、鉬及其結合。至關重要的是層30嚴格地粘結到基質11的表面上以經受與基質相匹配的表面聲波。層30與基質11之間的任何分離或震動(pealing)均會導致器件10的失敗。
在塗覆關係中，將包含至少一層導電物質的導電構件35沉積在粘結層30上，導電構件35是由牢固粘結到粘結層30上的物質形成的，因此，它會緊緊地粘結到基質11的表面上。導電構件35包括鋁和一種合金金屬，其中每一種可以沉積在單獨的層中或它們同時沉積在單一層中。在這裡應當理解，在沉積單獨層的過程中，沉積過程的熱量有時足以使得單獨層的物質實質上熔成一種合金，同樣，如果金屬同時沉積在單一層中時，沉積過程中也可能發生合金化，其結果是沉積一種單一的化合物金屬。
應該理解，電極16和19必須導電以允許電信號導入，例如它們的電阻率必須低。電極16和19也必須具有不幹擾基質11中表面聲波的質量負荷特性，但是其機械性能也必須足以經受操作壓力。鋁，導電率大約為0.3×106Ohms/cm，被用作導電構件35的導電元件。另外，鋁也具有很好的導熱性能，從而可以使熱在整個能量轉換器15上分配，並消除熱點。在這一優選實施方案中，合金金屬選自周期表中第IV或VI欄中的一種或多種元素，例如鈦、鉬、鉻、鎢或其結合。合金金屬加入到導電構件35中以使電極16和19的強度、硬度和韌度增加。
但問題是加入合金金屬後會增加導電構件的電阻率。例如，鈦的導電率為0.02×106Ohms/cm，或大約為鋁導電率的十分之一，因此，非常大量的合金金屬將使得電極很硬或很韌，但是其導電率卻很差，這使得它們幾乎不能用。同樣，非常大量的鋁將產生低電阻率，但是電極非常軟，它會很快被高頻率和高功率破壞。在廣泛研究之後，我們已經確定，導電構件35中包括的合金金屬應該在大約1％到能為電極16和19提供合理折衷的電阻率/聲波和機械性能的百分數的範圍內。合金金屬低於大約1％時會使電阻率低，但是機械性能，即韌度、硬度、粘合強度也會低，這使得SAW器件發生嚴重故障的時間會相對早。
合金金屬與鋁的確切比例在某種程度上取決於所使用的具體合金金屬、電極尺寸以及其他特性，如操作頻率和功率要求。在典型的實施例中，電極16和19由鋁-鈦合金形成，鈦的含量為大約1wt％-25wt％。因為鈦的導電率大約為鋁導電率的十分之一，所以多達25％的鈦與鋁形成合金不會將導電率降低到電極不能充分導電的程度；較高百分比的鈦實質上增加了機械性能，即韌度、硬度、粘合強度，所以出現嚴重故障的概率也得以大大降低或消除。
正如上面所提到的，導電構件35包括鋁和一種合金金屬，其可各自沉積在單獨的層中或它們同時沉積在單一層中。另外，器件10的不同元件可以用幾種不同的方式形成。在一個通用方法中，不同物質(例如粘結層30和構件35)沉積在一個殼中，然後通過罩和浸蝕來形成器件10。在第二種方法中，將基質11蒙上罩來形成器件10，然後沉積不同的物質，之後進行通用的金屬提升(lift-off)程序得到器件10。也可以使用這些程序的各種改進和結合。在任何一種這些程序中，鋁和合金金屬可以各自沉積在單獨的層中或同時沉積在單一層中。導電構件和粘結層通過任何眾所周知的方法，包括電子束(E-束)蒸發或熱蒸發或濺鍍進行沉積。
通常，如果沉積單獨層的鋁和合金金屬，應先沉積一層鋁之後再沉積一層合金金屬，之後再一層鋁。當要沉積產生需要的鋁合金時，鋁可以與合金金屬混合。對於通常為100埃或更薄的薄層來說，鋁通常將與粘結層30的金屬混合，只要粘結層30沉積並粘結到基質11的表面上，隨後將鋁與粘結層30混合不會對其粘結性能產生任何影響。為了形成通常均勻的導電構件35，隨後將一薄層合金金屬的沉積也與鋁混合，再後面一薄層鋁的沉積與薄層合金金屬混合。選擇性的方法將利用已經呈合金形式，然後在單一層中沉積的原料。
現在轉到圖3，其示出類似於圖1SAW器件10的另一個SAW器件10′的一個SAW電極(表示為16′)的剖視圖。與圖2器件10的元件相似的器件10′的各種元件用類似的數字表示，即在原數字上加了撇號以表示不同的實施方案。電極16′是通過將粘結層30′的粘接材料沉積到基質11′的表面上得到的。在塗覆關係中，將包含至少一層導電物質的導電構件35′沉積在粘結層30′上，導電構件35′是由牢固粘結到粘結層30′的物質形成的，因此，它會緊緊地粘結到基質11′的表面上。正如上面所提到的，導電構件35′包括鋁和一種合金金屬，其中每一種可以沉積在單獨的層中或它們同時沉積在單一層中。
在圖3所示實施方案中，其塗覆關係是，第二粘結層40′沉積在導電構件35′上。在這一具體實施方案中，層40′用來將構件35′粘結或固定在一起。第二粘結層40′包括可完全與電極16和19粘結在一起並不會過度負荷器件10′的任何物質。這種物質通常是周期表第IV或VI欄中的元素，例如鈦，鈦-鎢、鈦-鎢-氮化物、鉻、鉬及其結合。至關重要的是，如果包括在內，層40′嚴格地粘結到導電構件35′的表面上。層40′與導電構件35′的任何分離或震動都將導致器件10′的失敗。
因為沉積過程中各種金屬接合處自然的混合，所以希望確定粘結層(30或30′)、導電構件(35或35′)和上面的粘結層(40′)(如果存在的話)的總合金金屬含量。因為沉積過程中至少一些粘結層的合金金屬可能會與導電構件混合，所以在確定導電構件中包括的合金金屬的量時通常希望對此給以考慮。例如，如果圖3的粘結層30′和40′是鈦，當確定導電構件35′中包括的鈦量時可能希望考慮這些層中的鈦含量。在這個實施例中，希望器件10′中鈦的總量大於1％並通常低於大約25％，或在表面聲波電極中能提供合理的折衷的電阻率/機械性能的百分數。
因此，這裡公開了一種新的、改進的高功率表面聲波器件及其製造方法。該新的改進的高功率表面聲波器件大大降低了嚴重故障率，如操作過程中出現熔斷或分裂的機率。此外，該新的和改進的高功率表面聲波器件被特別設計用於承受SAW器件中存在的巨大壓力，同時適應目前SAW器件操作所必需的相對高的功率(1瓦或更高)和非常高的無線電頻率(RF)信號。本發明被認為能基本上或完全消除嚴重的機械故障。
雖然我們已經示出並描述了本發明的具體實施方案，但本領域技術人員還可以對其進行改進和改良，因此，我們希望大家理解，本發明並不局限於所示出的特定形式，在附加的權利要求中我們想包括不背離本發明精神和範圍的全部改進。
權利要求
1.一種高功率表面聲波器件，其包括具有表面的壓電基質；和放置於基質表面上的表面聲波電極，該電極包括一種沉積於所述表面並且與該表面粘結在一起的粘結層物質和一個至少一層物質塗覆在粘結層上並通過粘結層牢固粘結到所述表面上的導電構件，所述導電構件包括鋁和一種合金金屬，合金金屬的量為1wt％到能為表面聲波電極中增強的聲波和機械性能提供最大導電率的百分數。
2.權利要求1的高功率表面聲波器件，其中合金金屬的量為大約1wt％-25wt％。
3.權利要求1的高功率表面聲波器件，其中粘結層包括的金屬選自周期表第IV和VI欄之一中的元素。
4.權利要求3的高功率表面聲波器件，其中粘結層包括鈦，鈦-鎢、鈦-鎢-氮化物、鉻、及其結合中的一種。
5.權利要求1的高功率表面聲波器件，其中合金金屬包括的金屬選自周期表第IV和VI欄之一的元素。
6.權利要求5的高功率表面聲波器件，其中合金金屬包括鈦、鉬、鉻和鎢中的一種。
7.權利要求1的高功率表面聲波器件，其中導電構件包括許多層鋁和合金金屬。
8.權利要求1的高功率表面聲波器件，其中導電構件包括一單層鋁和合金金屬。
9.權利要求1的高功率表面聲波器件，還包括覆蓋導電構件和與其粘結在一起的第二粘結層金屬，其選自周期表第IV和VI欄之一的元素。
10.一種高功率表面聲波器件，其包括具有表面的壓電基質；和放置於基質表面上的表面聲波電極，該電極包括一個含有鈦、鈦-鎢、鈦-鎢-氮化物、鉻及其結合的沉積於所述表面並且與該表面粘結在一起的粘結層和一個至少有一層塗覆在粘結層上並通過粘結層牢固粘結到所述表面上的導電構件，所述導電構件包括鋁和一種包括鈦、鉬、鉻和鎢之一的合金金屬，合金金屬的量為大約1wt％-25wt％。
11.權利要求1的高功率表面聲波器件，還包括覆蓋導電構件和與其粘結在一起的第二粘結層金屬，其選自周期表第IV和VI欄之一的元素。
全文摘要
一種高功率SAW器件(10)，包括一個放置在壓電基質(11)上的電極(16，19)，所述電極包括一種沉積並粘結到基質上的粘結層(30)物質和一個至少一層物質塗覆在粘結層上並通過粘結層牢固粘結到基質上的導電構件(35)。所述導電構件包括鋁和一種合金金屬，其中合金金屬的量為1wt％到能提供有利的折衷的電阻率/機械性能的百分數。合金金屬選自周期表第IV和VI欄之一的元素，如鈦、鉬、鉻和鎢。
文檔編號H03H9/145GK1421068SQ01806511
公開日2003年5月28日 申請日期2001年3月14日 優先權日2000年3月14日
發明者N·J·麥倫, S·賴 申請人:摩託羅拉公司, Cts公司