JPH08507429A - 圧電装置を弾力的に実装する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧電装置を基板に弾力的に実装する方法である。最初に、圧電素子の外側部分が選択的にメタライズされる。次に、１層のアルミニウムが前記圧電素子上に選択的に施与される。第３に、硬化されていない導電性の弾力性ある材料が基板上に置かれかつ整列される。第４に、圧電素子が前記導電性の弾力性ある材料上に載置されかつ整列され、それによって前記導電性の弾力性ある材料の硬化によって圧電素子の外側のメタライズされた部分を基板と接続する弾力性ある実装部を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電装置を弾力的に実装する方法 発明の分野 本発明は一般的には周波数制御装置に関し、かつ、より特定的には、圧電装置 を基板に実装する方法に関する。 発明の背景 圧電クオーツフィルタ、圧電クオーツ共振器、その他のような、圧電装置は典 型的には基板に実装された一片の圧電材料を含む。クオーツ装置においては、必 要とされるクオーツエレメントはそこに取付けられた薄い金属電極を有し、該金 属電極を介して電気的信号が圧電クオーツ材料に結合入力されかつ出力される。 圧電装置に伴う共通の問題は圧電装置を機械的ショックから適切に隔離しかつ圧 電材料と基板材料との間の熱膨脹係数の不整合を取扱うことである。 非常にしばしば、圧電クオーツ材料および基板のような、圧電装置は不整合の 熱膨脹係数を有する。この不整合はそのような装置の寿命の間に時間が経過する に応じて、温度変化によってクオーツおよび基板が膨脹しかつ収縮するに応じて 、機械的応力をクオーツに導入する。さらに、その実装構造を通してクオーツに 転送された機械的衝撃は機械 的応力を増大させ、これは前記熱的応力に加えて、これらの装置の出力周波数お よび精度に悪影響を与えることがある。 圧電クオーツ装置を基板に弾力的に（ｃｏｍｐｌｉａｎｔｌｙ）実装する試み において、長年にわたり種々の試みがなされてきた。この用途のために、圧電装 置のための弾力的実装は圧電クオーツエレメントに対する機械的応力（ｓｔｒｅ ｓｓｅｓ）を低減しまたは最小化するよう試みる実装デバイス、装置または他の 実装手段とされる。いくつかの従来技術の弾力的実装装置はクオーツエレメント をその基板から隔離しようとするばねタイプの実装構造として作用する薄いホイ ルタブ（ｆｏｉｌ ｔａｂｓ）を使用してきた。他の形式の弾力的実装構造はク オーツ材料それ自体の熱膨脹係数にさらにより緊密に整合する熱膨張係数を有す る基板材料を使用することを試みてきた。 すべてではないにしても、大部分の従来技術の弾力的実装機構は使用するのが 困難であり、それは近代の圧電クオーツエレメントが有する小さな物理的寸法の ためである。例えば、小さな条片（ｓｌｉｖｅｒ）のクオーツを基板上に弾力的 に実装するために曲がったホイルタブのみを使用することは水晶結晶板装置の経 済的な大量生産に向いている構造ではない。 図１に従来技術のオーバトーン水晶実装構造が示されている。該水晶実装構造 １０は基板１２、構造１０への電気 的接続のために基板の外側部分に取付けられた導電性パッド１４、一対のＣ字形 マウント部１６、上部接着剤２４によって前記Ｃ字形マウント部に結合された左 の巻きつけ（ｗｒａｐａｒｏｕｎｄ）電極２０および右の巻きつけ電極２２を含 む圧電エレメント１８を備えている。下部接着剤２６は前記Ｃ字形マウント部１ ６を導電性パッド１４に強固に結合する。接着剤２４および２６はエポキシであ る。 パッド１４の間にＡＣ電圧が印加されたとき、圧電エレメント１８はある変位 で音響的に振動する。圧電エレメント１８の共振周波数は、部分的には温度変化 、応力、機械的衝撃にさらされること、クオーツのマイクロクラックその他によ り、公称周波数に対してドリフトする。 従って、（ｉ）圧電装置と基板との間の熱膨脹の不整合によって引起こされる 機械的応力を最小にし、（ｉｉ）装置が機械的ショックに耐えることができるよ うに機械的に十分な結合を提供し、そして（ｉｉｉ）大量生産に適した水晶の取 付け方法を提供する、ために圧電装置を基板に実装する改善された方法が必要で ある。 従って、低価格であり、容易に製造可能である、弾力的な圧電装置の実装方法 が得られれば従来技術に対する改善となる。クオーツ装置が容易にかつ簡単に基 板に取付けられかつクオーツエレメントを機械的ストレスから隔離する方法もま た従来技術に対して改善となる。 図面の簡単な説明 図１は、従来技術の水晶実装構造の拡大した断面図である。 図２は、オーバトーン水晶を基板に実装するために、出願人によって試みられ たオーバトーン水晶実装構造の断面図を示す。 図３は、改善された弾力的に実装された圧電装置の１実施例を示す断面図であ る。 図４は、弾力的に実装されたオーバトーン圧電装置の好ましい実施例の断面図 である。 図５および図６は、本発明に係わる、図３および図４に示された、水晶発振器 の形式の弾力的に実装された圧電装置の上部および下部斜視図を示す。 図７および図８は、本発明に係わる、図３および図４に示された、フィルタの 形式の弾力的に実装された圧電装置の上部および下部斜視図を示す。 好ましい実施例の詳細な説明 図２は、オーバトーン水晶を基板に直接実装するための試みを示す断面図であ る。より詳細には、試みられたオーバトーン水晶実装構造４０は、導電性パッド ４４を備えた基板４２、圧電エレメント４６、頭部および底部巻つけ電極４８お よび５０、そして圧電エレメント４６を基板４２に対し電気的に接続しかつ機械 的に実装する弾力性ある （ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）導電性接着剤５２を含んでいる。頭部および底部電極４ ８および５０はアルミニウムからなる。アルミニウムは空気にさらすと直ちに酸 化し、電極４８および５０を導電性接着剤５２に電気的に接続するのが困難にな る。より詳細には、酸化アルミニウムの層５４および５６が露出した電極面上に 形成される。酸化アルミニウムは高い機械的強度の誘電体材料であるから、弾力 性ある導電性接着剤５２と電極４８および５０との間の有効な電気的接続は作成 されない。 前記図１の水晶構造において使用される導電性エポキシ２４および２６はそれ が硬化したとき大幅にその容積を低減する高い強度の堅い材料である。これは接 合された面に応力を引起こす。もしそのようなエポキシが酸化したアルミニウム を接合するために使用されれば、エポキシは硬化の間に力を及ぼしこれは酸化層 を破壊し、従って電極２０および２２と導電性エポキシ２４との間に効果的に電 気的接続が作成できる。 図２の構造において使用される前記弾力性ある接着剤５２は全硬化サイクルの 間柔らかい状態に留まっており、かつその容積を大幅に変えることはない。従っ て、不所望のアルミニウム酸化物層５４および５６は硬化の間に破られない。図 １においては受入れ可能な電気的接続が行われるが、図１の構造に対しては数多 くの不都合がある。装置において使用される部品の数がずっと多く、それは圧電 エレ メント１８と基板１２との間の熱的不整合を緩和するために必要な金属ホイルの ためである。さらに、装置１０を作成するための処理工程の数はずっと多くかつ より多くの時間を消費し、例えば、２度にわたりエポキシを施しかつ硬化させな ければならない。より詳細には、第１のエポキシ２４は圧電エレメント１８をホ イル１６に取付けるために適用され、かつ第２のエポキシ２６はホイル１６を基 板１２に接続しかつ取付けるために適用される。２つの硬化サイクルが必要にな るであろう。 図３は、改善された実装方法を取入れた弾力的に実装される圧電装置の断面図 である。装置１００は典型的にはセラミック材料で作られる基板１０２を含み、 導電性パッド１０４が該基板１０２の外側部分に結合されまたは接続されて装置 １０に対する電気的接続を提供する。圧電装置１０６は好ましくはアルミニウム であり、巻きつけ構造により左および右のメタライズされた外側部分１１４およ び１１６に接続する上部および下部電極１３４および１３６を有する。より詳細 には、左側のメタライズされた外側部分１１４は上部、中間および下部セクショ ン１１８，１２０および１２２を含む。同様に、右側のメタライズされた外側部 分１１６は上部、中間および下部セクション、それぞれ、１２４，１２６および １２８を含む。メタリゼーション１１４および１１６の底部セクション１２２お よび１２８は導電性の弾力性あるインタフェース１１２および１１ ２′により導電性パッド１０４に電気的かつ機械的に結合されている。 典型的には金属およびセラミックで作られる、カバー１３０は実質的に圧電装 置１０６を取囲みかつ包含して内部の不活性環境１３２を提供する。 図３において、圧電装置１０６の上側または下側部分または面の上にそれぞれ 、上部および下部電極パターン１３４および１３６が設けられている。該上部お よび下部電極パターン１３４および１３６は左側および右側のメタライズされた 外側部分１１４および１１６に電気的に接続されて、それぞれ、上部および下部 コンタクトエリア１３８および１４０を形成している。該コンタクトエリア１３ ８および１４０は十分に大きくして前記上部および下部電極パターン１３４およ び１３６とそれぞれ前記左側および右側のメタライズされた外側部分１１４およ び１１６との間で電気的接続を提供している。これらのコンタクトエリアは非常 に低い抵抗を与えることが望ましい。 前記上部および下部電極パターン１３４および１３６が、それぞれ、前記左側 および右側のメタライズされた外側部分１１４および１１６と接する部分の近傍 に、大きな面積の電気的接続を提供する上部および下部オーバレイ部分１４２お よび１４４がある。 図４を参照すると、１つの実施例では、前記左側および右側のメタライズされ た外側部分１１４および１１６は、 おのおの、それぞれ、第１の層１４６および１５２、第２の層１４８および１５ ４、そして第３の層１５０および１５６を含む。 図５および図６は圧電装置１０６の上部および下部斜視図であり、前記上部お よび下部電極パターン１３４および１３６、そして左側および右側のメタライズ された外側部分１１４および１１６を示している。 また、図７および図８において、上部および下部電極パターン１３４，１３６ および１３６′を備えた圧電装置１０６の上部および下部斜視図が示されている 。図７および図８に示される装置は水晶フィルタの形式となっており、前の図面 のすべての構造を含んでおりかつ３つの電気的接続を含んでいる。 圧電素子には２つの主な用途があり、図７および図８の水晶フィルタおよび図 ５および図６の水晶共振器である。水晶フィルタは不所望の範囲の周波数に入る 、すなわちこのフィルタの通過帯域の外側の信号を抑圧するために入力電気信号 がろ波されなければならない場合に使用される。そのようなフィルタの通過帯域 の周波数範囲内にある信号は大きな信号損失を受けることなくそのフィルタを通 過する。水晶共振器は発振回路における周波数制御装置として使用される。 本発明の方法は、その最も簡単な形式では、以下のステップで圧電装置を弾力 的に実装するステップを含む。第１ のステップは圧電素子１０６の外側部分１１４および１１６を選択的にメタライ ズするステップを含む。次に、アルミニウムの所定の層のパターンが圧電素子１ ０６の上に選択的に被着されて前記外側のメタライズされた部分１１４および１ １６と接触してある所望の電極パターン１３４および１３６を形成する。その後 、硬化されていない導電性の弾力性ある材料１１２および１１２′が選択的に基 板１０２上に施される。そして、次に、圧電素子１０６がその弾力性ある導電性 材料の上に置かれかつ整列され、それによって硬化によって前記導電性の弾力性 ある材料が弾力性ある実装部（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｍｏｕｎｔ）（あるいは、 インタフェース）を形成する。 この取付け方法は特にアルミニウム電極を有する装置とともに使用する場合に 有用である。もしアルミニウム電極を備えた装置がこの方法および図２の構造を 使用して基板に取付けられれば、アルミニウム酸化物が層５４および５６上に形 成され、従って良好な電気的接続の形成を阻止する。もし装置が外側のメタリゼ ーション層１１４および１１６を備えた、図３および図４に示される方法に従っ て構築されれば、アルミニウム電極上に形成された酸化物層は、これらの装置に おいては、メタライズされた部分１１４および１１６を通しての電気的経路を妨 害しない。メタライズされた部分１１４および１１６の層を形成するプロセスに おいて使用される金属はそれらが空気にさらされたとき 容易に酸化しないように選択される。 前記選択的なメタライジングのステップは圧電素子１０６への改善された接着 のために、圧電素子１０６の外側部分１１４および１１６上に複数の金属層を提 供する工程を含むことができる。より詳細には、選択的なメタライジングのステ ップは、圧電素子１０６の外側部分上に直接クロムまたはクロミウム（ｃｈｒｏ ｍｉｕｍ）からなる第１の層１４６および１５２、該第１の層１４６および１５ ２上にそれぞれ貴金属からなる第２の層１４８および１５４、そして前記弾力性 あるインタフェース１１２および１１２′に対するメタライズされた部分１１４ および１１６の改善された接着のため、かつまたオーバラップまたは接触領域に おけるアルミニウム電極への改善された接着のために前記第２の層の貴金属上に クロミウムからなる第３の層、を提供するステップを含むことができる。好まし い実施例では、メタライズされた部分１１４および１１６のすべての層は真空環 境で選択的に付加される。圧電装置は図４におけるメタライズされた部分を含む 圧電装置上のメタリゼーション層を生成するために異なる金属が付加される場合 に真空中に保持される。 好ましい実施例においては、硬化されていない導電性の弾力性ある材料は十分 に硬化されて導電性の弾力性あるインタフェースまたは実装構造を形成する。よ り詳細には、前記導電性の弾力性ある材料は所定の温度で所定の時間の 間硬化されて所望のコンプライアンスを与えるように形成される。 前記導電性の弾力性あるインタフェース１１２および１１２′はそれが硬化に 応じて弾力性あるサポート構造を形成する限り広い範囲の材料から構成すること ができる。 好ましい実施例では、前記インタフェース１１２および１１２′はシリコーン （ｓｉｌｉｃｏｎｅ）をベースとした接着剤様（ａｄｈｅｓｉｖｅ−ｌｉｋｅ） 材料を含む。そのような材料は比較的最近開発された材料であり広い温度範囲に わたり空気中で硬化し、かつ適切な硬化の後に依然として弾力性を有しあるしき い値の弾性を有するものである。１つの実施例では、前記シリコーンをベースと した接着剤は必要とされる導電性を提供するために、好ましくは銀パウダーであ る、金属パウダーを含んでいる。 シリコーン中の銀パウダー含有量は広い範囲で変わってもよい。好ましい実施 例では、銀の含有量は重量で約７０％から約８５％に及び、下側の範囲は所望の 導電性を有するのに十分なものとされ、かつ上側の範囲は接着特性に対する何ら かの悪影響を最小にするよう制限され、かつ最も好ましくは抵抗（電力排出）を 最小にし、一方プロセスが容易に可能でありかつ再現可能にするために、最も好 ましくは約７５％から約８０％とされる。 好ましい実施例では、前記インタフェース１１２および１１２′は基板１０２ に関して圧電素子１０６を結合する 弾力性あるゲル（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｇｅｌ）の材料を形成するよう適切に硬 化される銀充填シリコーン（ｓｉｌｖｅｒ−ｆｉｌｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎｅ） から構成される。この材料は付加的なクッション性および衝撃からの隔離を提供 し、かつ最小の応力で基板１０２に関して圧電素子１０６の膨脹および収縮を可 能にするよう十分な弾力性を含んでいる。 前記硬化ステップ（ｃｕｒｉｎｇ ｓｔｅｐ）は、適切に、（ｉ）圧電素子１ ０６を結合し、（ｉｉ）圧電素子１０６がその熱膨張係数によっていくらか移動 できるようにし、（ｉｉｉ）衝撃の伝達を最小にし、（ｉｖ）アウトガス（ｏｕ ｔｇａｓｓｉｎｇ）を最小にし、（ｖ）電気抵抗を最小にし、そして（ｖｉ）広 い温度範囲にわたり周波数シフトを最小にする、ために十分なコンプライアンス を有するインタフェース１１２および１１２′を形成する上で重要なものである 。 好ましい実施例においては、前記硬化ステップは所定の時間および温度で材料 １１２および１１２′を硬化して上に述べた望ましい特性を有するインタフェー スを形成するステップを含む。より詳細には、前記インタフェース１１２および １１２′が銀充填シリコーンからなる場合は、硬化されていない材料は約８０℃ から約１８０℃で、かつ好ましくは約１２０℃から約１６０℃で改善された結果 を得るために、約３０分から約４時間の間、炉内で硬化され、 好ましくは材料のアウトガスを最小にしかつ改善された完全性を得るため約１５ ０℃で約９０分間硬化される。より詳細には、好ましい実施例では、前記シリコ ーンをベースとした接着材料は柔らかくかつ弾力性ある支持および結合を提供し 、これは圧電素子１０６が基板１０２に関して浮遊（ｆｌｏａｔ）できるように する。 好ましい実施例では、前記硬化ステップはさらにポスト硬化高温コンディショ ニングステップを含むことができる。高温コンディショニングステップはさらに インタフェース１１２および１１２′のアウトガスを最小にしかつインタフェー ス１１２および１１２′を構成する材料のクロスリンク（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋ ｉｎｇ）および接合位置（ｂｏｎｄ ｓｉｔｅｓ）への接着を改善することがで きるものと思われる。 前記コンディショニング工程に関するプロトコルは広く変わり得る。１つの実 施例では、前記コンディショニング工程は約９０分から約５分に変化し、かつ好 ましくは、処理時間およびアウトガスを最小にし、かつクロスリンクおよびコン プライアンスを改善するために、約４０分から約２０分までに及ぶ。このコンデ ィショニング工程のための温度はは広い範囲に及び得る。１つの実施例では、こ の温度は約４００℃から約２００℃に及び、かつ好ましくは約３００℃から約３ ５０℃であり、これはそれ自身に対しかつ接合位置に対する材料のクロスリンク を提供するのに十 分高く、かつ材料に衝撃を与えずあるいは劣化させないように十分低くされてい る。 前記銀充填シリコーン（ｓｉｌｖｅｒ−ｆｉｌｌｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎｅ）が 使用される場合は、３２５℃から３５０℃の間で約３０分間の高い温度のコンデ ィショニングがアウトガスを最小にし、注目温度における周波数シフトを低下さ せ（または出力精度を改善し）、かつ弾力性ある結合を提供することに関して最 善の結果を与えるものと信じられる。 １つの実施例では、インタフェース１１２および１１２′は広く変わり得るヤ ング率によって測定されるコンプライアンスを有する。１つの実施例では、該ヤ ング率は約１０×１０⁵Ｎ／ｍ²またはそれより小さく、それによって前記インタ フェースが過剰な量の剛性を持たずかつ過剰に低くなくそれによって機械的なシ ョックに耐える十分な完全性を備えたインタフェースが形成されるようにする。 インタフェース１１２及び１１２′として有用ないくつかの好ましい接着剤の 例はエマーソンアンドカミング・インコーポレイテッド（Ｅｍｅｒｓｏｎ ａｎ ｄ Ｃｕｍｉｎｇ，Ｉｎｃ．）（ダブリュアール・グレイス（Ｗ．Ｒ．Ｇｒａｃ ｅ）の事業部）の、製品番号ＬＥ３３５５−３５，ＬＥ−４０１７−７１および ＬＸ−３７３９−９８の、いわゆる導電性シリコーンダイ取付け材料を含む。こ れらの材料は本質的に単一成分の銀充填シリコーン接着剤であり かつ熱的におよび電気的に伝導性のものである。熱的な伝導性は熱を放出しかつ 圧電素子１０６と基板１０２との間の温度差を低下させるのを助ける。 好ましい実施例では、材料１１２および１１２′は用途に応じて前記エマーソ ンアンドカミング・インコーポレイテッドの製品番号ＬＥ−４０１７−７１およ びＬＸ−３９３７−９８とされる。これらの材料の流動性（ｒｈｅｏｌｏｇｙ） は硬化の前に圧電素子を支持することができ、かつ望まない場所に制御不能に広 がらないようにする簡略化された取付けに適した軟度（ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ）を提供する。しかしながら、他の材料もそれらがここに示された所望の特性お よび特徴を有する限りこの発明とともに使用することができる。好ましい材料は 物理的に弾力性があり、かつ電気的かつ熱的に伝導性ある接続を形成するために 使用される。 硬化の後に、圧電素子１０６は電極パターン１３４または１３６の質量を調整 することにより周波数同調することができ、この周波数同調は典型的にはそれが よりアクセスしやすいため上部電極パターン１３４の質量を調整することによっ て行われる。好ましい実施例では、この周波数同調は真空環境で行われ上部電極 パターン１３４上の所定の領域に金属が被着される。 同調の後、典型的には圧電装置１００は基板１０２に対してカバー１３２を取 付けることにより、圧電素子１０６ を不活性環境に封じ込める工程を含む。典型的には、装置１００は真空環境に置 かれ装置にとって有害となり得るすべての気体を排気する。次に、空気にさらす ことなしに、装置が窒素のような不活性ガス環境中に置かれ、そこで気密封じさ れる。 好ましい実施例では、オーバトーン（ｏｖｅｒｔｏｎｅ）装置を本発明の範囲 内で作成することができる。以下の抄録はこの発明のために与えられかつこの発 明において考慮された数多くの重要な事項の簡単な説明を与える。 所望の周波数で孤立した（ｉｓｏｌａｔｅｄ）共振を示す圧電共振器を構築す ることが共振器設計者の設計目標である。この共振は設計される水晶またはフィ ルタの電気的特性の要因となる。共振器はユニットの物理的構造の適切な設計に より抑圧されなければならない他の機械的共振を有する。これらの望まない共振 応答はスプリアス応答と称される。 共振器の設計を左右する物理的法則はこれらのスプリアス応答が完成されたユ ニットに存在するか否かを決定する。現存する設計理論はスプリアス応答の数お よび強度は電極の寸法（面積）およびメタライズされた電極とメタライズされて いない空白部分との間の周波数の差の関数であることを認識している。この周波 数の差は電極を構成する質量の付加によって引起こされる。この制限は「ウエー ブトラッピング（ｗａｖｅｔｒａｐｐｉｎｇ）」理論によって説 明され、この理論はスプリアスモードの存在と電極の寸法および質量との関係を 与える。 フィルタ水晶の電極は実用的な範囲でできるだけ大きくするのが通常望ましい 。これはフィルタの電気的インピーダンスを低下させるために行われ、これはこ のことによって回りを囲む電気回路が設計しやすくなりかつ電極アレイを設計す る上でゆるい寸法公差が使用できるようになるため望ましい。電極の最大サイズ はウエーブトラップによって制約され、それは電極がより大きくなるに応じて電 極領域上に被着できる可能な質量はより小さくなるからである。この質量は所望 の質量を達成するためにメタリゼーションの厚さをより薄くすることによって低 減される。 電極をどれだけ薄く作成できるかに関する制限要因は電極を構成する膜の導電 率である。膜がより薄くなればなるほどその抵抗は増大する。使用されるメタリ ゼーションによって決定されるある厚さより下では、電極（単数または複数）は 非導電性になりかつ従って使用できなくなる。金、銀およびアルミニウムのよう ないずれの与えられた材料に対しても使用できる最小の厚さがある。 これらの理由のため、アルミニウムが高周波フィルタに関してかつ特にオーバ トーンフィルタに関して使用されるえり抜きの金属である。アルミニウムは利用 可能な最も低い密度のめっき材料でありかつ薄い膜圧で十分な導電性を有してい る。アルミニウムは望ましくないスプリアス共振 を抑圧するのに必要なウエーブトラップ条件を満足するより大きな面積の電極を 使用できるようにする。 この発明において使用されているシリコーンをベースとした接着剤のような柔 軟性ある接着剤を使用することも有利であり、それは水晶のために必要とされる マウントを機械的により簡単にし、よりショックに耐えるようにし、かつ温度変 化によって引起こされる応力にさらされることが少なくなるようにできるからで ある。不幸なことに、アルミニウムは大気にさらされたとき酸化物を形成しこれ はシリコーン接着剤がアルミニウム電極材料に対し低い抵抗の接合を形成するこ とを妨げる。 この発明はこの問題をシリコーン接着剤へのアルミニウムの直接の接合を避け る接合インタフェース領域を形成することによって最少化する。この方法では、 アルミニウム電極は異なる金属（クロムおよび金のボンディングパッド）に対し 接合および電気的接続を形成する。シリコーン接着剤が次に前記金属上に、例え ば、ボンディングパッドの金表面に置かれてパッケージの接点への機械的および 電気的接続を形成する。これは前記問題を避けあるいは最小化し、それは金は不 活性でありかつ酸化せずまたはシリコーン接着剤と化学的に反応しないからであ る。 金はまたアルミニウムのめっきされた電極と良好な接合を形成するが、それは アルミニウムおよび金材料は合金化して合金層（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ ）を形成する からである。好ましい実施例では、前記クロムのサブレイヤ（ｓｕｂｌａｙｅｒ ）が使用されて金層とクオーツ基板との間の良好な機械的接合を形成する。前記 クロミウムはクオーツの２酸化シリコン構造に対し接合する酸化物を形成する。 前記クロムは前記金層に拡散して入り前記クロム層と金層との間で良好な電気的 および機械的接合を形成する。 従って、この方法は、アルミニウムである、最適の電極材料を、シリコーン接 着剤である、柔軟性あるマウントシステムとともに使用できるようにして良好な 特徴および特性を達成できるようにする。 好ましい実施例では、本方法は基板にオーバトーン圧電装置を弾力的に実装す る工程を含み、該工程は以下の各工程を含む。最初に、圧電素子１０６の外側部 分１１４および１１６が選択的にメタライズされる。これは弾力性あるインタフ ェース１１２および１１２′との十分な金属接触面積を提供するためである。前 記外側部分１１４および１１６を形成する材料は酸化の可能性を最小にするよう 選択され、それは酸化に対して耐性を有する適切な金属が選択されるからである 。次に、アルミニウムの層が、所定の電極パターンを形成しかつ前記メタライズ された外側部分１１４および１１６に接続されたオーバラップ部分を形成するこ とによって、圧電素子上に選択的に被着される。前記オーバラップ１４２および １４４そしてコンタクト１３８ および１４０は、電極１３４および１３６とメタライズされた外側部分１１４お よび１１６との間の良好な電気的接続を提供するために重要である。次の工程は 基板１０２上に導電性の弾力性ある材料１１２および１１２′を施すことを含む 。該弾力性あるインタフェース１１２および１１２′は圧電素子１０６を基板１ ０２に取付けるために使用される、電気的に導電性を有しかつ機械的に弾力性あ るマウントシステムを提供する手段である。次の工程は圧電素子１０６を前記導 電性の弾力性ある接着剤１１２および１１２′上に載置することを含む。これは 圧電素子１０６を基板１０２に物理的に取付けるためである。この工程において は、接着剤１１２および１１２′は良好な電気的接続が生成できるように主とし て前記外側のメタライズされた部分１１４および１１６と接触を形成する。次の 工程は前記導電性の弾力性ある接着剤を硬化して圧電素子の外側メタライズ部分 が基板と結合される弾力性ある結合が形成されるようにする。この工程では、前 記接着剤は濃厚な液体から圧電素子１０６を基板１０２に強固に保持する堅く引 締まったゴム様の弾力性ある材料（インタフェース）へと状態を変える。 前記選択的にメタライズされた外側部分１１４および１１６は導電性ある弾力 性接着剤１１２および１１２′との配置および整列を容易に可能としかつ簡単化 するために十分に大きな表面積を含むよう構成されることに注目すべき である。それらはまた良好な電気的および機械的接続を提供するために平坦なか つ十分大きな面積を提供するよう構成される。 １つの実施例では、圧電素子１０６の外側部分１１４および１１６上に複数層 の金属が含まれる。 好ましい実施例においては、前記第１の層１４６および１５２は、典型的には 金または銀である第２の層の金属１４８および１５４の圧電素子１０６への改善 された接着のために、金属とされ、典型的にはクロミウムとされる。典型的には クロミウムである、外側の層の金属１５０および１５６は前記第２の層１４８お よび１５４として使用される金属へのアルミニウム電極１３４および１３６（お よび図８の１３６′）そして弾力性ある材料１１２および１１２′の接着を増強 するために使用される。すべての３つの金属層は真空環境において同じ真空サイ クルで加えられる。さらに、非常に薄い金属の層が第１および第３の層として加 えられ、典型的には約５０〜１００オングストロームとされる。従って、金属の ２つの付加的な層の被着は大幅に処理時間を増大させることはない。 アルミニウムは、特に高周波の用途において、電極材料として使用されるが、 それはアルミニウムは圧電素子１０６、またはクオーツ、に対し頑強に接着する ためであり、それはシリコン−酸素−アルミニウム接合の性質のためである。ア ルミニウムの音響インピーダンスはクオーツ材料 のそれに緊密に整合し、それによってクオーツ−アルミニウムのインタフェース における音響的反射の影響を最小にし、その結果損失が最小になる。アルミニウ ムはまたその低い質量のため数多くのクオーツ装置における電極のために好まし い材料である。多くの場合、クオーツ装置はその設計において高い質量の電極が 使用されれば、過剰な望ましくない共振およびスパー（ｓｐｕｒｓ）を示すこと になる。これらの場合、電極の質量を低減することが有利である。電極の質量を 低減する１つの方法は付加される金属の厚さを低減することである。しかしなが ら、非常に薄い電極はより低い電気的コンダクタンスを示しこれは装置の性能を 害する。従って、最も低い質量を有しかっ良好なコンダクタンスまたは導電性を 有する材料による電極を使用することが有利である。アルミニウムはそのような 材料であり、質量に対する導電性の高い比率を有する。 アルミニウムはまた小さな厚みが与えられた場合に良好な導電性を示す。従っ て、それは良好な電気的コンタクトを提供し、さらにその低重量の特性のため質 量負荷を最小にする。第２に、アルミニウムはクオーツ材料の音響インピーダン スと緊密に整合し、従って最小の信号損失を生じる結果となる。また、アルミニ ウムは圧電素子に対し良好な接着を提供する。 前記メタライズされた外側部分１１４および１１６は良好な導電性を与えるた めに十分な厚さにされる。１つの実 施例では、前記メタライズされた外側部分１１４および１１６は金属の良好な導 電性を与える一方で最小の金属厚さを提供するために約７００オングストローム （Ａ°）またはそれ以上とされ、かつ好ましくは約１５００Ａ°とされる。２０ ００Ａ°を超える金属の厚さはプロセス中における材料の損失を増大し、メタリ ゼーションのプロセス時間を増大し、装置をよりコストの高いものとする。 図４における好ましい実施例においては、前記第１および第３のクロミウム層 は一般に外側部分１１４および１１６において使用される金属の、それぞれ、ク オーツ１０６に対する、およびアルミニウム電極１３４および１３６に対する良 好な接着を提供するのに十分な厚さとされる。好ましい実施例においては、前記 クロミウム層は良好な接着のために約４００Ａ°またはそれ以下の、かつ好まし くは５０Ａ°〜１００Ａ°の厚さを有する。この実施例では、第２の層１４８お よび１５４は良好な導電性を提供するのに十分に厚い、貴金属、好ましくは金ま たは銀の層、から構成される。貴金属は一般に約１０００Ａ°から約２０００Ａ °の厚さに及び、かつ好ましくは約１５００Ａ°とされる。１０００Ａ°よりも 薄い厚さでは貧弱なコンダクタンスを生じる結果となりかつ２０００Ａ°より大 きな厚さでは不必要なプロセス時間および材料損失を生じる結果となり得る。好 ましい金属は金または銀であるが、それはこれらの貴金属は空気にさらされた場 合にもひどく酸化され ることがないからであり、かつ最も好ましくは金であるがそれは金の酸化に対す る優れた耐性のためである。 好ましい実施例では、装置１００は気密封じされて酸素に関連する絶えざるお よび望ましくないアルミニウム反応、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃またはサファイアの形成 を最少にする。従って、気密封じはアルミニウムめっきされたユニットがその周 波数が時間とともに低下する貧弱なエージング特性を示す可能性を最小にする。 １つの用途においては、７３ＭＨｚのフィルタまたは共振器が望まれる場合は 、電極１３４，１３６および１３６′は受入れ可能な電極の導電率および無用の 応答成分を低くするため、約８００Ａ°〜約１２００Ａ°の範囲のアルミニウム から構成される。 ４５ＭＨｚの共振器またはフィルタの用途においては、アルミニウム電極１３ ４，１３６および１３６′は通常電極のコンダクタンスを最大にしかつスパー応 答を最小にするために、約１５００Ａ°から約２４００Ａ°までの厚さの範囲と される。 以下の説明は弾力的に実装されたオーバトーン装置を作成するための好ましい プロセスフローを示す。 １）選択的メタリゼーション。最初に、圧電素子の外側部分１１４および１１ ６がメタライズされる。圧電素子は該圧電素子の外側部分を露出する金属マスク に強固に装着される。該マスクは真空チェンバ内に挿入され、該真空チ ェンバは密閉されかつ排気される。所望のレベルの真空に到達したとき、被着金 属が真空チェンバ内に存在するるつぼ内で溶融される。このプロセスにおいて生 成された金属蒸気が圧電素子の露出面上に定着する。もし複数層の異なる金属が 使用される場合は、それらは１度に１つずつ、異なるるつぼで溶融されかつ蒸着 され、この場合チェンバ内の真空は常に維持される。 ２）複数層。貴金属はクオーツ面によく接着しないから、クロムのサブレイヤ １４６および１５２が貴金属１４８および１５４が使用される前に被着される。 クロム１５０および１５６の頭部層がまた同じ方法で貴金属の上に被着され貴金 属の外面への接着を改善する。すべての金属層、クロムのサブレイヤ、貴金属の 層およびクロムの頭部層は上記工程１において説明したのと同じ真空サイクルで 被着される。 ３）アルミニウム電極被着。圧電素子は異なるマスクに転送されて電極が被着 されるべき圧電素子の領域を選択的に露出する。前記工程１において説明したよ うに、圧電素子とともに前記マスクが真空チェンバに入れられ該チェンバは排気 される。アルミニウムがるつぼで溶かされ装置電極を形成する金属を被着する。 ４）接着剤の施与。これらの装置のベースとして使用されるべき基板が部品を アレイ状に保持する固定具に挿入される。硬化されていない接着剤を含むシリン ジのニードル が基板の近傍に配置される。所定量の接着剤がシリンジから基板上に圧力によっ て排出される。このプロセスを使用して、接着剤が図面に示されるように基板の 所望の領域に付加される。 ５）圧電素子の配置。圧電素子１０６が基板１０２上に、硬化されていない接 着剤が圧電素子に主として前にメタライズされている素子の前記外側部分１１４ および１１６において接触するように配置される。 ６）硬化。基板上に装着された圧電素子が所定の時間および温度にわたり炉内 に置かれる。これは接着剤を硬化させ該接着剤は濃厚な液体から弾力性ある固体 材料またはインタフェース１１２および１１２′へと状態を変える。圧電素子は 基板に強固に固定されるようになる。 ７）仕上げめっき。装置は真空チェンバ内に置かれ、そこで少量の金属、典型 的には金がおのおのの圧電素子に対し個別的に被着される。仕上げめっき金属は 主として外側のアルミニウム電極によって占有されている圧電素子の領域上に被 着される。このめっきの際に、装置は該装置の周波数および他のパラメータの監 視のために適切な機器に電気的に接続される。金属の被着は装置が所望のパラメ ータまたは周波数に到達したときに停止される。 ８）シーリング。カバーがそれらが基板にのみ接着しかつ圧電素子に接着しな いように装置上に載置される。装置は気密チェンバ内に置かれ、該気密チェンバ から空気が排 気される。不活性ガス、典型的には窒素、がチェンバ内に注入される。各部品は 装置のモデルに応じたプロセスを使用して気密封じされる。いくつかの場合は、 部品は基板をカバーに接合するはんだ材料を溶かすために加熱される。他の場合 は、電流がカバーを通して流されてそれを基板ベースに溶接する。 本発明がある好ましい実施例に関して説明されたが、当業者により本発明の新 規な精神および範囲から離れることなく数多くの修正および変更を行うことが可 能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧電装置を基板に弾力的に実装する方法であって、 （ａ）圧電素子の外側部分を選択的にメタライズする段階、 （ｂ）前記圧電素子上に少なくとも１層のアルミニウムを選択的に被着して、 （ｉ）所定の電極パターンを形成し、かつ（ｉｉ）前記外側のメタライズされた 部分に接触させる段階、 （ｃ）基板上に硬化されていない導電性の弾力性ある材料を選択的に施与する 段階、そして （ｄ）前記導電性の弾力性ある材料上に圧電素子を配置しかつ整列させる段階 であって、それによって前記導電性の弾力性ある材料の硬化によって前記圧電素 子の外側のメタライズされた部分を基板と接続する弾力的な実装部を形成する段 階、 を具備する、圧電装置を基板に弾力的に実装する方法。 ２．前記選択的にメタライズする段階は圧電素子の前記外側部分上に複数の金 属層を設ける段階を含む、請求項１に記載の方法。 ３．前記選択的にメタライズする段階は、 （ａ）クロミウムからなる第１の層を直接前記圧電素子の前記外側部分上に設 ける段階、 （ｂ）貴金属からなる第２の層を前記第１の層上に設け る段階、そして （ｃ）クロミウムからなる第３の層を前記貴金属層上に設ける段階、 を具備する、請求項１に記載の方法。 ４．前記第２の層は金からなる、請求項３に記載の方法。 ５．前記硬化段階は前記弾力性ある導電性接着剤を所定の期間所定の温度にさ らし弾力性ある結合を形成する段階を含む、請求項１に記載の方法。 ６．さらに、圧電素子上の電極パターンの質量を調整することによって前記圧 電素子を同調する段階を具備する、請求項１に記載の方法。 ７．さらに、前記圧電素子を不活性環境中に囲い込む段階を具備する、請求項 １に記載の方法。 ８．さらに、フィルタまたは水晶を含むオーバトーン装置を形成する段階を具 備する、請求項１に記載の方法。 ９．オーバトーン圧電装置を基板に弾力的に実装する方法であって、 （ａ）圧電素子の外側部分を選択的にメタライズする段階、 （ｂ）アルミニウム層を、（ｉ）所定の電極パターンを形成し、かつ（ｉｉ） 前記メタライズされた外側部分に接続するオーバラップ部分を形成することによ り、選択的に被着する段階、 （ｃ）前記基板上に導電性の弾力性ある接着剤を施与す る段階、 （ｄ）前記圧電素子を前記導電性の弾力性ある材料上に載置する段階、そして （ｅ）前記圧電素子の前記外側のメタライズされた部分を基板と結合する弾力 性ある接続が形成されるように前記導電性の弾力性ある材料を硬化させる段階、 を具備する、オーバトーン圧電装置を基板に弾力的に実装する方法。 １０．前記選択的にメタライズする段階は圧電素子の外側部分上に複数の金属 層を設ける段階を具備する、請求項９に記載の方法。