CN101060319A - 压电晶体振荡元件的电极及其应用与制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电极及其应用与制造方法，尤其是涉及一种用于压电晶体振荡元件的电极、采用该电极的压电晶体振荡元件及各自的制造方法。压电晶体振荡元件包括基底及电极，所述的电极位于基底之上，电极具有一晶片，所述的晶片上形成至少二层薄膜，第二薄膜的主要成分由含重量百分率占1～40wt.％金原子的合金所组成。第一薄膜与第二薄膜形成的方法为蒸镀或溅镀。本发明的压电晶体振荡元件可具有较优异的热稳定性，使得压电晶体振荡元件在组装生产过程中即使历经150～350℃的热制程后，仍可保持良好的电性表现与频率控制。

Description

压电晶体振荡元件的电极及其应用与制造方法

技术领域

本发明涉及一种电极及其应用与制造方法，尤其是涉及一种用于压电晶体振荡元件的电极、采用该电极的压电晶体振荡元件及各自的制造方法。

背景技术

压电晶体振荡元件可分为压电晶体与压电晶体振荡器，一般所知的石英晶体或石英振荡器皆属此类。压电晶体是使用压电晶片所制造的电子被动元件，而压电晶体振荡器是电子主动元件。压电晶体振荡元件具备振荡时高频率、高精度和高稳定度特征，可于电路系统中用做周期、频率、时间等主要参考依据，目前广泛运用于频率选择与控制器件等各类电子产品或系统之上，举凡：军事、机械、通讯、电子、医疗，消费及汽车等市场，都有使用压电晶体振荡元件的各类应用产品。

压电晶体振荡元件结构中，主要是在压电晶体的晶片的两面的各个表面镀上电极，经由外加电压而产生频率振荡，一般而言，当上述的电极使用的材料不同时，对于整体的振荡器电性与热稳定性皆有显著的影响，其中，因为电极是可为多层的结构，内层结构通常为镍、铬、金、铝等金属，而有关于外层结构材料的种类与应用，已有许多的文献提出相关的说明，例如，台湾专利第I494627号中提供以银、釟-银、铝或是铜所构成的电极结构；台湾第I441174号中提供以金、银、以金或是银为主成分的金属所构成的电极结构；美国专利第6744183号中提供以金、铝、锌、铜、锡所构成的电极结构；美国专利第6619785号中提供以铝-铜、铝-镍、铬、金所构成的电极结构；美国专利第6609785号中提供以铝、镍、銦、金所构成的电极结构；美国专利第6556103号中提供以铝、银、金所构成的电极结构；美国专利第6545395号中提供以铂、釟-银、镍所构成的电极结构；美国专利第6541898号中提供以金、铝、锌、铜、锡所构成的电极结构：美国专利第5235238号中提供以金、铂、釟、锌、铜、镍、鈷、铁、银、或是其他合金、碳材、有机导电材料或是导电陶瓷所构成的电极结构；美国专利第4218631号中提供以金、铝、银所构成的电极结构。基于上述的专利内容而言，并未对于电极结构所使用的材料加以明确地定义其中的组成成分，然而，在实际的应用中，材料特性对于元件表现的关是随著精确的材料组成比例改变而有不同程度的影响，举例而言，对于纯金的金属电极而言，虽可提供良好的物理、化学稳定性与热稳定性，但其电学性质的控制则显得较为不足，对于纯银的金属电极而言，虽可提供良好的电学特性，但其物理、化学稳定性与热稳定性却又相对地降低，而对于金-银二元金属的电极而言，其中，当金的含量不同时，所形成的金-银二元金属的相变化温度、延展性、电阻率等等材料特性皆有所不同，因此，由不同组成所构成的合金材料所形成的电极结构，具有完全不同的电性与热稳定性，进而影响到元件频率讯号的控制能力。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的热稳定性与化学稳定性差，导电性能不好等的技术问题，而提出一种压电晶体振荡元件的电极，以使压电晶体振荡元件可具有较为稳定的电性与热稳定性的表现。

本发明也提供一种制造该压电晶体振荡元件的电极的方法。

本发明还提供一种应用该压电晶体振荡元件电极的振荡元件，该振荡元件所提供电极的特殊性能，解决了现有振荡元件稳定性、导电性差等技术问题。

本发明也提供一种制造该压电晶体振荡元件的方法。

本主发明主要提出一种压电晶体振荡元件的电极，其中，此电极为以在铬或是镍上形成一金银合金的电极结构，其中，金银合金组成为重量百分率1～40wt.％的金原子。利用金银合金良好的热稳定性以提高电极的热稳定性与其电性表现，因而使得压电晶体振荡元件可具有较佳及高可靠性的频率特性。

所述的电极的结构由至少二层的薄膜所构成，其可藉由蒸镀或是溅镀制程以形成在一压电晶片上，其中，压电晶片的材料可为石英，而电极结构中的第一层薄膜为镍或铬所构成的金属薄膜，第二层薄膜则为金银合金所构成的合金金属薄膜，其中金原子的重量百分率控制在1～40wt.％之间；且，本发明更提供一种压电晶体振荡器，其利用一基底以承载一双面镀有电极的压电晶片，且，电极的结构由至少二层的薄膜所构成，其中，基底的材料可为陶瓷，晶片的材料可为石英，而电极结构中的第一层薄膜形成于基底上，且其为镍或铬所构成的金属薄膜，第二层薄膜则形成于第一层薄膜上，其为金银合金所构成的合金金属薄膜，此外，在基底上更可设置至少一积体电路晶片，最终，使用一封套将上述所有的元件封装在其中以形成完整的压电晶体振荡元件，并再藉由至少一导线端子以将此压电晶体振荡元件与周边的元件相互连接。

因此，本发明具有结构合理，生产方便等特点，尤其是使用的电极材料为以金银合金覆盖在铬金属或是镍金属上方为结构的电极，且其中，在金银合金中的金原子重量百分率占1～40wt.％，因而使得本发明的压电晶体振荡元件可具有较优异的热稳定性，使得压电晶体振荡元件在组装生产过程中即使历经150～350℃的热制程后，仍可保持良好的电性表现与频率控制。

附图说明

图1为本发明压电晶体振荡元件的电极结构示意图。

图2为本发明压电晶体振荡元件的电极结构分解示意图。

图3为本发明压电晶体振荡元件的电极实际应用在压电晶体振荡元件中的结构分解示意图。

图4为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜程序中的片电阻等高线图。

图5为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在银胶固化程序中的片电阻等高线图。

图6为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在退火程序中的片电阻等高线图。

图7为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在老化处理程序中的片电阻等高线图。

图8为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在回流程序中的片电阻等高线图。

图9为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜程序中的片电阻等高线图。

图10为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在高温固化程序中的片电阻等高线图。

图11为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在退火程序中的片电阻等高线图。

图12为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在老化处理程序中的片电阻等高线图。

图13为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在回流程序中的片电阻等高线图。

图14为以金银合金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜程序中的片电阻等高线图。

图15为以金银合金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在银胶固化程序中的片电阻等高线图。

图16为以金银合金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在退火程序中的片电阻等高线图。

图17为以金银合金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在老化处理程序中的片电阻等高线图。

图18为以金银合金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在回流程序中的片电阻等高线图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

对于压电晶体振荡元件而言，具有稳定性高的电极结构直接关系到其元件的可靠性，例如，采用热稳定性高的电极材料的压电晶体振荡元件可保证该压电晶体振荡元件在较高温的操作环境下，仍可保持优异的电性特征与稳定的频率输出。因此，本发明揭示一种压电晶体振荡元件的电极，以使得压电晶体振荡元件可具有更稳定的频率控制能力。

如图1、图2所示分别为本发明的压电晶体振荡元件的电极结构示意图与电极结构分解示意图。在图1中可看出一晶片电极20包括一压电晶片26，于此压电晶片26的上下两表面上先形成有一金属电极薄膜22，并在金属电极薄膜22上接续形成合金金属薄膜24以将金属电极薄膜22覆盖。而其中，上述的压电晶片26的材料可为石英，金属电极薄膜22的材料可依据不同的产品需求而选自于铬或是镍，合金金属薄膜24的材料可依据不同产品需求而选择一种金银合金，其中含有重量百分率介于1～40wt.％的金原子。在本实施例中，金属电极薄膜22的材料为铬，合金金属电极薄膜24的材料则是以含有金银的合金金属薄膜，此金、银的合金金属薄膜同时保留有金和银的特征，其中金原子的含量介在1～40wt.％的重量百分率。

上述合金金属电极薄膜24中的金，除了可提供其本身所具有的高抗氧化性、高耐腐蚀性、低化学反应性等等的特性外，更由于金具有较为优异的热稳定性，使得所形成的合金金属电极薄膜24的表面型态在较高的温度下操作也不至于因受热而产生变异，且金可与金属电极薄膜22中的铬有相当强的附著力；此外，在本实施例中，合金金属电极薄膜24中另一种成分为银，由于银是导电性最佳的金属，因此可提高合金金属电极薄膜24的电性表现，例如：较低的电阻率。故，综合上述可知，含有金、银的合金金属薄膜在常温下，由于金、银本身性质的影响，具有相当高的物理、化学稳定性与良好的电学性质，而在高温的操作下，由于成分中含有金，使得合金金属电极薄膜24可具有良好的热稳定性而不会在表面上产生严重的型态变化，例如：电极薄膜表面粗糙度的变化、电极薄膜表面氧化的反应程度，因而使得反比于电极薄膜厚度的片电阻可具有较小幅度的变动，因此确保了合金金属电极薄膜24在高温热制造可具有较稳定且良好的电性特性，同时，较轻微的氧化反应程度降低了电极薄膜重量的变化量，则可使得整体压电晶体振荡元件对于频率的控制可更为精准。除此之外，就制造成本而言，由于银的成本较金为低，因此，在不影响金的特性表现前提下，加入适当的银以形成金银合金不但可提供最佳的电极表现，更可同时达成降低成本的目标。

上述的金属电极薄膜22与合金金属电极薄膜24，可采用由蒸镀或是溅镀的方法形成在压电晶片26上，在上述的实施例中，针对合金金属电极薄膜24中金原子含量介于1～40wt.％的重量百分率的要求，靶材中金原子的含量则可占重量百分率约0.1～50wt.％之间，且利用薄膜蒸镀机或是溅镀机对已形成有金属电极薄膜22的压电晶片26进行蒸镀或是溅镀，便可完成晶片电极20的制造。

图3所示，该图为本发明的压电晶体振荡元件的电极实际应用在压电晶体振荡元件中的结构分解示意图。首先，此压电晶体振荡元件具有一上封套10与下封套50，在上封套10与下封套50之间包括有一晶片电极20、积体电路晶片30、基底40，且，晶片电极20由一压电晶片26在上下两表面上同时形成一金属电极薄膜22与一合金金属电极薄膜24所构成。其中，上述的上封套10与下封套50可由金属所构成，且为了与外部的周边元件(未绘示于图中)连接，更可利用数个导电端子(未绘示于图中)以做为连接的媒介；压电晶片26的材料可为石英；积体电路晶片30为半导体晶片；基底40的材料可为陶瓷；金属电极薄膜的材料可依据不同的产品需求而选择铬或是镍；合金金属电极薄膜24的材料可依据不同产品需求而选择金、银或是其他金属或合金。而在本实施例中，金属电极薄膜的材料为铬，合金金属电极薄膜24的材料则是以含有金、银的合金金属薄膜，此金、银的合金金属薄膜同时保留有金与银的特征，且其成分组成以金为主要成份，其中金原子的含量介在1～40wt.％的重量百分率。

而相较于一般习知的压电晶体振荡元件，由于本发明的压电晶体振荡元件中所使用的电极为以特定比例的金、银所构成，其具有较为稳定的高温特性与电学性质，以下，则以实际的热处理测试实验之数据，来说明本发明的压电晶体振荡元件的电极所能达成的功效。

制程热处理测试实验中依序以初镀膜(As-deposited)、银胶固化(curing)、退火(anneal)、老化处理(aging)、回流(reflow)等程序进行，且热处理测试实验的操作温度范围介于150～350℃之间。首先，请同时参考图1与图4、图5、图6、图7、图8所示，其中，图4、图5、图6、图7、图8分别为以纯金电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜、高温固化、退火、老化处理、回流程序中的片电阻等高线图，且，上述纯金电极薄膜直接形成在一铬电极薄膜上。而由图4至图8之比较可发现，纯金电极薄膜自初镀膜程序至最终的回流程序下的片电阻分布情形，由图4图与图5可知，当由初镀膜至高温固化程序的片电阻分布情形发生相当大的改变，再，接续观察在图5、图6、图7、图8中的纯金电极薄膜在经过高温固化、退火、老化处理与回流的程序后之片电阻的分布变化情形可发现，纯金电极薄膜在完成高温固化与退火后的片电阻变化较不明显，但在接续的老化处理程序完成后，相较于退火后的片电阻分布再次出现较为明显的变化，而最终，在回流程序完成后，相较于老化处理程序的片电阻分布而言，回流程序后的片电阻分布仍是有轻微的改变，同时，请再次参考图4图与图8所示，发现此纯金电极薄膜的片电阻分布在整个热处理的测试实验的前、后，呈现完全不同的分布情形。

接续，请同时参考图9、图10、图11、图12、图13所示，其中，图9、图10、图11、图12、图13分别为以纯银电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜、高温固化、退火、老化处理、回流程序中的片电阻等高线图，且，上述之纯银电极薄膜亦直接形成在一铬电极薄膜上。而由第图9至图13比较可发现，纯银电极薄膜自初镀膜程序至最终的回流程序下的片电阻分布情形，由图9、图10与图11可知，当由初镀膜经高温固化至退火程序的片电阻分布情形发生相当大的改变，再，接续观察在图11、图12、图13中的纯金电极薄膜在经过退火、老化处理与回流的程序后之片电阻的分布变化情形可发现，纯银电极薄膜在完成退火后的片电阻分布情形，再经过老化处理、回流程序后的片电阻分布情形之变化则较不明显，然而，最终在回流程序完成后，相较于最初的初镀膜程序的片电阻分布而言，请再次参考图9与图13所示，发现此纯银电极薄膜的片电阻分布在整个热处理的测试实验的前、后，呈现完全不同的分布情形。

请再继续参考图1、图2与图14、图15、图16、图17、图18所示，其中，图14、图15、图16、图17、图18分别为以金银合金所形成的电极薄膜为电极材料的压电晶体振荡元件在初镀膜、银胶固化、退火、老化处理、回流程序中的片电阻等高线图，且，上述金银合金电极薄膜24亦直接形成在一铬电极薄膜22上。而由图14至图18之比较可发现，金银合金电极薄膜24自初镀膜程序至最终的回流程序下的片电阻分布情形，由图14与图15可知，当由初镀膜至高温固化程序的片电阻分布情形发生些许的改变，再，接续观察在图15、图16、图17、图18中的金银合金电极薄膜24在经过高温固化、退火、老化处理与回流的程序后之片电阻的分布变化情形可发现，金银合金电极薄膜24在完成高温固化后的退火、老化处理与回流程序中，其片电阻的变化程度更趋于平缓，最终，请再次参考图14与图17所示，发现此金银合金电极薄膜24的片电阻分布在整个热处理的测试实验的前、后，虽有部分的改变，但其变化的程度相当的缓和。

综合上述，无论是上述的纯金电极薄膜或是纯银电极薄膜，在经过初镀膜、银胶固化、退火、老化处理、回流的热处理程序后，相较于金银合金电极薄膜的片电阻分布情形而言，纯金电极薄膜或是纯银电极薄膜的片电阻分布情形在每个步骤中皆发生明显的改变，且所获得的数据具有较高的标准差，主要的原因可能是因为上述的纯金电极薄膜或纯银电极薄膜在最初形成时，其结构即不够稳定或是不完整，而在此前提下又使电极薄膜再经过热处理便容易造成电极薄膜晶粒结构改变、电极薄膜电阻率改变等因素的发生，导致片电阻产生严重的变化，此外，亦可能同时因为在高温的操作条件下，使得纯金电极薄膜或纯银电极薄膜下方的铬电极薄膜因高温而产生部分的铬离子经由两薄膜之间的介面扩散至纯金电极薄膜或纯银电极薄膜中，导致部分的纯金电极薄膜或纯银电极薄膜出现薄膜剥离的现象，最终，由于累积上述种种的因素，因而引起纯金电极薄膜或是纯银电极薄膜的片电阻产生了严重变化。然而，相较于上述具有纯金电极薄膜或是纯银电极薄膜的压电晶体振荡元件在高温下的稳定度表现，由本发明所提供的金银合金电极薄膜所构成的压电晶体振荡元件之高温表现明显地稳定许多，也因此，本发明的压电晶体振荡元件的电极可使元件在较高温的条件下操作时，仍可保持电极薄膜稳定的表面型态，进而使得电极薄膜的片电阻趋向一定值而提高压电晶体振荡元件对于频率控制的能力。

以上所述实施例是为了进一步说明本发明的特点，其目的在于便于普通技术人员能了解本发明的内容并据以实施，而非限定本发明的专利范围，因此，凡其他未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效替换或修改，仍应包含在所述的申请专利范围之中。

Claims (10)

1.一种压电晶体振荡元件的电极，包括第一薄膜及第二薄膜，第二薄膜形成于第一薄膜之上，其特征在于：所述的第二薄膜的主要成分由含重量百分率介于1～40wt.％金原子之合金所组成。

2.根据权利要求1所述的压电晶体振荡元件的电极，其特征在于：所述的第二薄膜为一合金金属薄膜。

3.根据权利要2所述的压电晶体振荡元件的电极，其特征在于：所述的合金金属薄膜的成分包括银。

4.根据权利要求1所述的压电晶体振荡元件的电极，其特征在于：所述的第一薄膜为一金属薄膜，且形成于一晶片上，所述的金属薄膜的材料为铬或镍，所述的晶片的材料为石英。

5.一种权利要求1至4中任一权利要求所述的压电晶体振荡元件的电极制造方法，其特征在于：所述的第一薄膜与第二薄膜形成的方法为蒸镀或溅镀。

6.一种压电晶体振荡元件，包括基底及电极，所述的电极位于基底之上，电极具有一晶片，所述的晶片上形成至少二层薄膜，其特征在于：所述的二层薄膜由第一薄膜与第二薄膜所构成，第二薄膜的主要成分由含重量百分率占1～40wt.％金原子的合金所组成。

7.根据权利要求6所述的压电晶体振荡元件，其特征在于：所述的第二薄膜为一合金金属薄膜，该合金金属薄膜的成分包括银，所述的第一薄膜为一金属薄膜，该金属薄膜的材料为铬或镍。

8.根据权利要求6所述的压电晶体振荡元件，其特征在于：所述的基底上至少设置有一积体电路晶片，该基底的材料为陶瓷，所述的晶片的材料为石英。

9.一种权利要求6至8中任一权利要求所述的压电晶体振荡元件的制造方法，其特征在于：所述的第一薄膜与第二薄膜形成的方法为蒸镀或溅镀。

10.根据权利要求6或7或8所述的压电晶体振荡元件，其特征在于：所述的压电晶体振荡元件包括一封装元件的封套，该封套由至少一导线端子与周边元件连接。

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