CN1174622A - 表面波元件及制造用于它的衰减结构的方法 - Google Patents
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Abstract
提供用于表面波元件的由UV－引发的阳离子固化环氧树脂构成的一种衰减结构。不含溶剂的环氧树脂以脂环族环氧化物为基础并用丝网印刷压制在薄片上。将薄片锯开时,不致使衰减物质松开或崩落。在衰减及耐腐蚀性能方面这种衰减结构都能满足表面波滤波器的要求。
Description
表面波元件，例如表面波滤波器，是用来对含信息内容的电磁流进行讯号处理的电子元件。用于例如雷达设备、电视设备以及其他视频仪器的元件中，载有讯号或信息的电脉冲或电流转化为机械振动，即所谓表面波。通过换能器的适当构造，特别是换能器表面产生声音效应的几何形状来影响这种换能器的声学性能。从而有可能按需要转变声音讯号。例如用这种方式从电视或视频讯号的总频谱中滤出约38MHz的中间频率部分。未完全转化回电信号的表面波会干扰表面波元件的功能，例如在元件棱边或其他结构上的反射作用。为了减弱这种不希望存在的表面波并减少棱边反射及回声效应，换能器元件的表面上主要是在元件的棱边区域内加上一种具有衰减作用的物质，它可以吸收发散波的能量并减小反射和回声效应。
制造这种衰减结构需要使用具有特定的动力和机械性能的有机材料。为此专利EP0360037中建议采用例如以环氧化物为基础的双组分树脂，它用羧酸及酸性酯进行碱催化而可交联。这种双组分树脂可按要求方式在声学上适配并产生所希望的衰减作用，但是在加工过程中存在一些问题。混合两种树脂组分造成较高的制造成本，而且得到的树脂适用期有限。反应树脂中所含的溶剂需要长时间蒸发及固化过程，期间还存在这样的可能性，即在特别是三维造型上印制的衰减结构有变形的危险。从而失去所要求的衰减性能。
专利EP0098599A2中建议采用UV-固化的丙烯酸树脂混合物制造表面波元件的衰减结构，并设法最大限度地提高所述混合物的弹性模数和密度。但是，用这种方式制成及固化的衰减结构在使用中显示出过度的脆性，及在薄片及换能器材料上的粘附性过差。该结构要在薄片上制成，接着通过锯开而分开。在这种方法中需锯开衰减结构导致裂开及脱离薄片从而损坏整个元件。
因此，本发明的任务就是提供一种具有经声学改性的衰减结构的表面波元件，该衰减结构制造方法简单可靠，该衰减结构显示很小的棱边反射并对寄生讯号具有很强的衰减作用。
按本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的表面波元件解决。本发明的进一步扩展以及制造声学衰减结构的方法列举在其他权利要求中。
按照本发明，将通常的压电换能器与一种新型的声学衰减结构相结合，其中新型的声学衰减结构有利地导致产生具有改善性能的表面波元件。本身为已知的压电换能器主要包括由压电材料制成的基片和在基片表面的换能器电极。换能器电极可包括发送电极和接收电极，电极之间为表面波的传播路径隔开。声学衰减结构用于基片的表面，并使换能器电极只为衰减结构部分覆盖而传播路径则不被覆盖。
衰减结构所覆盖区域的轮廓以及衰减结构本身的截面都必须作成专有的形状，印刷方法特别适用于施加衰减结构，例如丝网印刷法。按照本发明用UV引发的阳离子固化环氧树脂制成的衰减结构特别适合于用丝网印刷加工。因而按照本发明可将衰减结构十分精确地制成所需的几何形状。因此，表面波元件也具备优良的声学衰减性能。与主讯号对比，干扰讯号可被减弱约55dB。反射情况也很好，基本上不出现棱边反射。衰减结构能可靠地施加到例如压电陶瓷上，并牢固附着在其上面。在整个生产过程中，粘合保持原样无损，尽管生产过程包括将压电陶瓷薄片锯开而分开所述元件，并且锯开的断面通过较大面积的硬化的环氧树脂衰减结构。由于环氧树脂易于加工，表面波元件的制造过程也就简单和可靠，在价格方面因而也比较合理。
衰减结构，也就是所用的固化环氧树脂的玻璃转化温度超过120℃，因此这种元件具有很高的气候稳定性，因而在使用中不会出现声学性能发生不能承受的变化。
按照本发明，用于衰减结构的UV-引发的阳离子固化环氧树脂在电子学性能方面满足要求。这意味着树脂中不含或只含极少量的促使腐蚀作用的物质，因为它可能在元件使用中腐蚀换能器结构。
声学衰减结构的制造过程包括下列步骤：
将UV-引发的阳离子固化环氧树脂按所要求的结构形状压制(print)在表面波元件的表面上，
任选维持保持时间(holding time)达60分钟，并且
用UV-射线照射树脂结构使它固化。
本制造方法所用环氧树脂是以脂环族环氧化物为基础的树脂。为了适应特别是丝网印刷的加工要求，将脂环族的环氧化物与更高粘度的由这种环氧化物与酚，优选多价酚反应生成的产物混合。
除上述本身也是环氧化物的反应生成物外，环氧树脂中还至少包含一种用于阳离子硬化过程的光引发剂，并任选包含其他环氧树脂中常用的添加剂。
脂环族环氧化物的特点是具有足够高的玻璃转化温度，它可以从相应的环烯的环氧化制成电子质量级的制品。市售的脂环族环氧化物还包括由几种不同的脂环族环氧化物组成的混合物。适用的化合物具有例如下列结构式：
它们还以下列商品名销售：Araldite CY179(ciba)或ERL4221及ERL4299(UCC)及CY177。
环氧树脂的另一个主要组分是曾提出过的中间体，例如脂环族环氧化物与多酚，优选双酚反应而得出的产物。双酚的可选择种类是很广的，比较适合的例子是双酚A。
制造中间体的反应是采用碱催化在比较温和的条件下进行。优选的中间体是2∶1加成化合物，其中两种脂环族二环氧化物两个环氧基团中的每一个分别与双酚反应。因而2∶1加成化合物也是二环氧化物。例如前面提出的CY179与双酚A2∶1反应得出的主要中间体具有下列的结构式：
但是也可按摩尔比1∶1到20∶1，优选1∶1到5∶1进行反应而形成中间体。特别是在脂环族环氧化物较高比例的反应中，反应后的混合物中除中间体(2∶1加成化合物)外还遗留较大量未反应也就是未发生变化的脂环族环氧化物。在选择足够高的摩尔比的情况下，含脂环族环氧化物的中间体(反应混合物)也可直接用于施用而不必再与脂环族环氧化物混合。
作为阳离子固化过程的光引发剂是环氧树脂配料中不可缺少的又一成分。按环氧树脂的总量计算，它的含量可在0.1到5重量％范围。在UV-辐射时，这些光引发剂释放出反应活性的阳离子，例如质子，它引发环氧树脂的阳离子固化过程。在这种情况下，光引发剂是由稳定的有机鎓盐衍生生成，特别是以氮、磷、氧、硫、硒或碘作为阳离子的中心原子。含复合阴离子的芳族硫鎓盐及碘鎓盐特别有利。也可使用可释放路易斯酸并形成为例如π-施主-过渡金属配合物的光引发剂。此外还可提及苯甲酰甲基硫鎓盐、羟苯基硫鎓盐以及氧化锍盐。还有别的鎓盐也可使用，它们虽不直接但可用一种敏化剂诱发成酸。还有有机硅化合物，在有机铝化合物存在的条件下通过UV-辐射也能释放硅烷醇，也可用作阳离子固化过程的光引发剂。
例如下列硫鎓盐很适合于用作光引发剂。它是CyracureUVI 6974(Fa.UNION CARBIDE，联合碳化物公司)的主要组分。
为改性的目的，本发明的环氧树脂或用来制造本发明的表面波元件的环氧树脂中还可有别的环氧化物组分。原则上，各种环氧化物都能用，只要它们可用过酸环氧化作用制得。例如长链的α-环氧化物、环氧化聚丁二烯、环氧化豆油等。
也可加入另外一些可与环氧化物共聚的化合物。例如某种乙烯基醚及醇，优选是多官能团的乙烯基醚及醇，优选多官能团的化合物。例如可以加入乙二醇、其他脂族二醇、三官能或四官能醇类，如三羟甲基丙烷或乙二醇与酚或双酚的醚。其他适合的可共聚化合物还有多元醇，它们用于制造聚氨酯类。
环氧树脂中还含一些常用的非反应活性的添加剂。它们特别是流动调节剂，粘结剂，触变剂，热固化引发剂，有时还加入着色剂或颜料。必须特别着重指出，这些选择使用的物料并不是本发明中非用不可的组分。也就是说不用这些添加剂也可制成适用于本发明的表面波元件的环氧树脂。
优选的触变剂是煅制硅酸(pyrogenic silicic acid)，在环氧树脂中它的含量可高达15重量％。
下面结合一些制造实例及附图对本发明作进一步详细说明。
附图用示意的截面图示出本发明的表面波元件的结构。
用于制备本发明丝网印刷树脂的中间体为含环氧官能团的物质。V3表示的中间体是例外，它含羟基官能团，并为酸性催化合成的。
第一种预反应产物V1的制备。
将300g脂环族双环氧化物(Araldite CY177，ciba)与15g双酚A一同放入500mL的圆底烧瓶中，在90℃搅拌到完全溶化。加入1.0g碱性催化剂后加热到100℃并在此温度保持21小时。接着在130℃及0.6mbar的真空下排气约1小时。得到的反应混合物为备用的中间体V1。
第二种中间体V2的制备。
将一种脂环族环氧化物(Araldite CY179)150g与第二种脂环族环氧化物(Araldite CY 177)150g及30g双酚A放入500mL的圆底烧瓶中，在90℃搅拌到双酚完全溶解。加入1.0g催化剂后，加热到100℃并在此温度保持21小时。接着将反应混合物在130℃并减压到约0.6mbar排气。得到的反应混合物为备用的中间体V2。
第三种中间体V3的制备。
为了制备中间体V3，用23g脂环族环氧化物Araldite CY179及40g脂环化二醇(TCD醇DM，Hoechst，结构式如下)。
在搅拌下缓慢滴入0.05g HSbF6(溶解在2g TCD醇中)。在反应若干小时后加热到110℃再搅拌1小时然后加入0.07g氨基乙醇。得到的中间体在室温中具有相当大的粘度，可作为中间体V3继续加工。
中间体V4及V5的制备。
另一种中间体V4可用与制备V1及V2相类似的方式从100g脂环族环氧化物Araldite CY179与20g双酚A制备，而中间体V5则按同样的操作规程从100g Araldite CY179与15g双酚A制备。
第一种可丝网印刷的环氧树脂EH1的制备
将20g中间体V1，50g中间体V2，0.15g脱泡剂(SH，Wacker制)，0.1g粘结剂(A186，Union Carbide制)及0.5g用于阳离子固化过程的光引发剂(Cyracure UVI6974，Union Carbide)在室温中通过搅拌混合均匀。搅拌15分钟后加入4.1g第一批煅制硅酸(Aerosil A380，Degussa制)及3.0g另一批煅制硅酸(Aerosil R202，Degussa制)再搅拌30分钟。在小于1 mbar的压力下排气后可获得备用的环氧树脂EH1，它在室温中的粘度为42Pa·s。
第二种可丝网印刷的环氧树脂EH2的制备
将88g脂环族环氧化物Araldite CY179，150g中间体V3及0.75g光引发剂(Cyracure UVI6974)用适当的方法混合均匀并进行排气。获得的备用环氧树脂混合物EH2具有的粘度为38Pa·s。
第三种可丝网印刷的环氧树脂EH3的制备
将30g脂环族环氧化物Araldite CY179、720g中间体V4、200g环氧化豆油(Edenol D82，Henkel制)、30g煅制硅酸(Aerosil A380，Degussa制)、2.5g流动调节剂(Modaflow，Monsanto制)、1.5g粘结剂(Silan A186，Union Carbide)及4.9g光引发剂UV16974混合均匀及排气。这样获得的可丝网印刷的环氧树脂具有的粘度为135Pa·s。
可丝网印刷的环氧树脂EH4的制备。
从650g中间体V5、25g十二碳烯氧化物(Peroxid Chemie制)、90g TCD-醇DM(Hoechst制)、17g乙二醇(Merck制)、33g煅制硅酸Aerosil A380 (Degussa制)、2g流动调节剂(ModaflowMonsanto制)及5g光引发剂UV16974按同样的方式制成均匀的混合物，并排气。获得的备用物料具有的粘度为21Pa·s。
如上述制备的环氧树脂EH1到EH5可用丝网印刷法压印在压电换能器(表面波元件)上。其粘度足够低，足以使物料能透过所使用的丝网，但同时粘度也足够高而不致自发地流动穿过丝网。环氧树脂还具有足够的触变性，使印制成的结构经过静置1小时后还保持要求的断面形状而不流动变形。保证1小时的静置时间是必要的，这样才能使有时在压印的结构中可能包含的空气泡排出。物料在基片(压电陶瓷)上显示良好的粘附。它也不发粘以致在丝网印刷时拉丝。
附图1示出一块表面波元件(表面波滤波器)的横断面示意图。上面已按所描述的方式涂印上衰减结构5。基片2为压电陶瓷制成(例如铌酸锂)，厚约500μm，它的整个下表面粘贴在一块铜制槽板上。基片2的上侧面有换能器电极3及4。图中示出穿过制成梳状结构的换能器电极3、4的“齿”部的截面。每两块不同极性(用+及-表示)的梳状换能器电极的“齿”互相穿插。换能器电极3就这样形成表面波的发射极，它将引入换能器电极3的电讯号转换为机械讯号或振动讯号，即所谓表面波。换能器电极4为表面波的接收极，它将通过元件过滤后的表面波再转换成电讯号。衰减结构5用丝网印刷法安装在活性换能器范围以外。从图中可以看出，树脂是装在例如基片表面上表面波传送方向的相对的两侧棱边上。当然也可以将环氧树脂或衰减结构安装在基片表面的所有棱边上。虽然附图不是按比例画出，还是可以清楚地看出树脂结构的浅层梯度，它可使由丝网印成的棱边导致的表面波反射进一步减弱，因为它使表面波易于从基片2过渡到衰减结构5。
按上述方法涂层的元件经过所提出的保持时间后用UV-射线处理。在UV-A范围内以照射强度约50mWcm-2将元件照射约1分钟。
现在，衰减结构已足够固化，可以在必要时锯开薄片分成单个的表面波元件。在这一过程中衰减结构既不从基片上脱离，也不应受到损伤。在以后的任选时间，有时也在锯开之前应将元件或衰减结构作几分钟例如在130℃补充硬化。
成品元件在110℃进行腐蚀试验(潮湿及直流电)。元件经试验后不应出现由于被腐蚀或其他损伤而报废的情况。此外还进行功能试验，测定按本发明达到的表面波过滤器衰减性能(以dB表示)。
下表中列举用制造实例中制成的环氧树脂，以及用它们涂布的表面波滤器试验得出的数据。玻璃转化温度Tg是按DSC测定的。
| 树脂 | 粘度[Pa·s] | Tg[℃] | 衰减[dB] |
| EH1 | 42 | 125 | 54 |
| EH2 | 38 | 123 | 55 |
| EH3 | 135 | 133 | 54 |
| EH4 | 21 | 120 | 53 |
可以看出，按本发明用UV-固化的环氧树脂涂布的表面波元件的衰减性能满足要求。
Claims (10)
1.表面波元件，
—具有用压电材料构成的基片(2)；
—具有在基片的一个表面上的换能器电极(3，4)；和
—具有压制在表面的至少一部分上，由UV-引发的阳离子固化的环氧树脂构成的声学衰减结构(5)。
2.按权利要求1的表面波元件，其中干扰信号相对于主信号至少衰减50dB。
3.按权利要求1或2的表面波元件，其中衰减结构(5)的环氧树脂以脂环族环氧化物为基础并不含任何溶剂。
4.在表面波元件(7)上制造声学衰减结构(5)的方法，将UV引发的阳离子固化环氧树脂在表面波元件的表面上压制成要求的结构(5)，
任选保持最长达60分钟的保持时间(holding time)，和
使树脂结构(5)暴露于UV辐射之下而固化。
5.按权利要求4的方法，其中所使用的环氧树脂含有下列组分：
—脂环族环氧化物，
—脂环族环氧化物与多元酚按反应活性基团摩尔比1∶1到20∶1的反应产物，
—用于阳离子固化过程的光引发剂，以及有时还加入的
—环氧树脂中通常使用的其他添加剂，
环氧树脂具有的粘度为20-150Pa·s。
6.按权利要求4或5的方法，其中脂环族环氧化物选自：
3，4-环氧环己基甲基3′，4′-环氧环己烷羧酸酯及双(3，4-环氧环己基甲基)己二酸酯或它们的混合物。
7.按权利要求4到6中任一项的方法，其中环氧树脂还含有其它的组分，它们对于UV-引发的阳离子固化过程中有反应活性并选自脂族环氧化物及单-或多官能团的脂族醇及芳脂族醇及乙烯基醚。
8.按权利要求4到7中任一项的方法，其中环氧树脂的常用添加剂选自流动调节剂、粘合剂、触变剂以及热固化引发剂。
9.按权利要求1到8中任一项的方法，其中在一块薄片上制成若干元件(7)，并且其中在压印上的结构(5)固化后，通过结构的一部分而锯开以分开各元件。
10.UV-引发的阳离子固化环氧树脂在表面波元件上压印成衰减结构中的应用。
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