声光晶体与换能器键合结构技术领域
本发明涉及声光器件加工中的键合结构，用于解决键合后出现的换能器开裂和脱
落等问题，从而提高器件的环境适应性和可靠性，属于声光器件技术领域。
背景技术
声光器件中声光晶体(以TeO2为主)和压电换能器之间是利用键合工艺通过金属
原子扩散粘接到一起的。在晶体和换能器之间需要镀若干金属膜层，统称键合层。常用的声
光器件键合层结构和键合过程如图1所示。首先在晶体和换能器表面分别镀制键合层，键合
层由底电极层和焊接层组成，底电极层材料通常为Cr，焊接层一般选用比较软的金属(如
Sn)，在镀制键合层后，最后使声光晶体和换能器接触并通过机械机构施加压力，两者在焊
接层原子扩散作用下完成键合。
键合过程中由于声光晶体、换能器和金属膜层的热膨胀系数不同，造成键合层存
在热应力失配，对声光器件的键合效果有非常大的影响。主要的问题包括：
①换能器表面出现裂纹，并且所有裂纹的方向相同。
②换能器附着力差：通过拉力测试换能器附着力，将粘接强度大于3N·cm-2的3M胶
带紧贴换能器表面，沿垂直方向迅速拉起，重复10次，换能器和膜层出现脱落现象。
③器件在经历热循环后，换能器开裂和附着力问题出现恶化，甚至有换能器沿开
裂方向自动脱落的现象，严重影响器件性能，或导致器件失效报废。
针对由于热应力失配造成的上述问题，工艺上尝试过的措施有：
①调整镀膜工艺参数，包括降低沉积速率、间断镀膜等，目的是降低镀膜温度；
②键合后对器件做适当老化处理，比如对器件在较小的温度范围内施加数次缓慢
热循环，目的是释放界面热应力。
以上措施均不能很好的解决问题。方案①会导致膜层聚集密度下降，影响膜层质
量，方案②需要大大延长器件的制作周期，且对键合效果的改善效果并不明显，另外老化处
理可能缩短器件的寿命。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种声光晶体与换能器键合
结构，本结构可大大解决键合后出现的换能器开裂和脱落问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
声光晶体与换能器键合结构，在声光晶体和换能器表面分别依次镀制有底电极层
和焊接层，声光晶体的焊接层和换能器的焊接层键合在一起，在声光晶体的底电极层和焊
接层之间以及换能器的底电极层和焊接层之间分别设有金属过渡层；焊接层通过金属过渡
层附着在底电极层上后，底电极层和声光晶体的附着力大于焊接层直接附着在底电极层上
时底电极层和声光晶体的附着力；金属过渡层厚度使键合层整体满足器件声阻抗匹配要
求。
所述底电极层材料为Cr，焊接层材料为Sn；金属过渡层材料为Au。
所述底电极层厚度为50nm，金属过渡层厚度为200nm，声光晶体和换能器上的焊接
层厚度分别为4600nm。金属过渡层和焊接层厚度和器件设计相关，需要满足声阻抗匹配，厚
度确定的目标是：①使键合层各层厚度组合满足指定带宽的声阻抗匹配，降低换能器损耗；
②在满足声阻抗匹配的条件下通过调整过渡层厚度减小键合层和晶体间的热应力。
所述金属过渡层镀制在底电极层上，焊接层镀制在金属过渡层上。
降低声光晶体与换能器键合后界面热应力的方法，先在声光晶体和换能器表面分
别镀制底电极层，然后在底电极层上镀制金属过渡层；接着在金属过渡层上镀制焊接层，最
后将声光晶体和换能器上的焊接层对应键合在一起。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、键合后换能器表面不再出现开裂的现象。
2、键合后换能器强度换能器附着力增加：通过拉力测试换能器附着力，将粘接强
度大于3N·cm-2的3M胶带紧贴换能器表面，沿垂直方向迅速拉起，重复10次，换能器和膜层
没有脱落现象。
3、热循环试验后，不再出现换能器开裂和脱落现象，热循环前后器件性能保持稳
定，即器件热应力明显降低。
本发明可以通过调节过渡层膜厚来控制键合效果，无需对其他工艺做较大调整。
过渡层膜层处于适当厚度时可以在满足声阻抗匹配条件下使界面热应力最小化，该膜厚可
以通过匹配方程计算得到，但理论计算精度有限，需要结合实验确定最佳膜厚参数。过渡层
需要保证一定的致密度，因此一般使用磁控溅射工艺制作过渡层。
附图说明
图1-声光器件常见键合过程示意图。
图2-本发明加入金属过渡层后声光器件的键合过程示意图。
图3-薄膜受力状态图。其中图3(a)为各膜层应力分布示意图；图3(b)为薄膜热应
力受力示意图。
图4-过渡层(Au)厚度和界面热应力关系图。
图5-金属过渡层厚度变化对换能器损耗频率特性曲线的影响示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
为了保证器件可靠性及环境适应性，本发明分别在声光晶体和换能器的底电极
(Cr)和焊接层之间增加一层金属过渡层。金属过渡层满足以下要求：①电导率高，导电性
好；②和底电极层Cr和焊接层Sn之间附着力较好；③增加金属过渡层后有效降低晶体和底
电极界面的热应力；④满足前三项的条件下，不会增加换能器损耗，键合层满足声阻抗匹
配。基于上述考虑，过渡层材料选择Au(可满足前三个条件)，其膜厚可以通过匹配方程计算
得到，但理论计算精度有限，需要结合实验摸索最佳膜厚参数，由此满足第四个条件。本结
构可以有效降低键合层的热应力，改善键合后换能器开裂和附着力差问题。
本键合结构具体实现工艺步骤为：
1、对待键合的换能器片和声光晶体进行超声清洗(酒精、丙酮)和等离子清洗。
2、将清洗后的换能器片和声光晶体通过定制夹具固定在镀膜机内，在声光晶体和
压电换能器表面先后镀制底电极层Cr、过渡层Au和焊接层Sn，分别如图2(a)(b)(c)所示。
3、通过键合机构将声光晶体和换能器对准、接触、加压、保压完成键合，如图2(d)
所示。
本发明通过增加金属过渡层改善热应力的原理说明：
膜层受力状态如图3所示，由于热应力分布较为复杂，图3(a)中将金属膜系中的单
层膜视为条状结构，热应力由平行于膜层界面的热应力分量σx和垂直于膜层界面的热应力
分量σy组成，其中σx对附着力起主要影响。图中薄膜和基底的接触面为纵坐标零点(y＝0)，y
方向上各膜层序号为k(k＝1、2、3……)，膜层厚度分别为hi(i＝1、2、3……hi表示前i层的总
厚度)。图3(b)为理论上薄膜受力示意图，其中tb是中性面(应力弯曲为0的平面)到薄膜界
面的距离，r为室温下薄膜的弯曲曲率半径。
多层膜受热产生的应变由两部分组成：一部分是材料受温差影响产生的均匀应变
c，另一部分是材料膨胀系数差异导致的弯曲应变，式中y为厚度方向坐标，α为材料热膨胀
系数。
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根据胡克定律得应力σ＝εE，其中E为薄膜材料的杨氏模量，基底的热应力为
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第i层薄膜的热应力为
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式中Es和Ei分别为基片和第i层薄膜的杨氏模量，αi为第层薄膜的热膨胀系数，在
室温状态下薄膜受力平衡，由力平衡和力矩平衡可求得均匀应变
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中性面
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弯曲曲率
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式中tj为第j层的膜厚度，ΔT为温度变化量。
根据上述公式，膜层界面间的热应力不仅取决于相邻膜层参数，还受到其他膜层
的影响，任一膜层的参数(材料常数、膜厚)发生变化，都会影响各个界面的热应力分布状
态。本发明中涉及的膜层组合(键合层)中，底电极Cr层起增加金属附着力的作用，其功能不
可替代，因此考虑在底电极和焊接层之间增加一层过渡层，并保证其材料常数和膜厚特性
能有效降低膜层组合(键合层)与晶体间的热应力。此外，该膜层材料还需要满足以下要求：
①电导率高，导电性好；②和底电极层Cr和焊接层Sn之间附着力较好；③不会增加换能器损
耗，键合层满足声阻抗匹配。通过试验筛选，Au是作为过渡层的理想材料。将Au材料的热膨
胀系数(1.42×10-5K-1)和杨氏模量(79.5GPa)代入式(1)-(7)，计算得到过渡层厚度和界面
热应力的关系，如图4所示。过渡层Au厚度增加对界面热应力有明显抑制效果。
加入金属过渡层会对声光器件(特别是宽光谱器件)的声阻抗匹配产生影响。为了
避免加入过渡层后影响声阻抗匹配，本发明计算了在其他金属层膜厚不变的条件下，换能
器损耗的TL-F频率特性曲线随Au过渡层厚度变化的情况，如图5所示。可以看到，加入过渡
层并将膜厚控制在一定范围内，换能器损耗降低，3db带宽增加；膜厚超过某范围后，3db带
宽变窄且TL-F曲线发生较大畸变。因此理论上将金属过渡层厚度控制在一定范围内的条件
下，可以保证声阻抗匹配，并有效降低器件的界面热应力，提高换能器和金属膜层的附着
力，由此提高器件的可靠性。具体可以通过匹配方程计算满足声阻抗匹配的膜厚范围，在此
范围内界面热应力随过渡层膜厚增加而减小，可根据实验数据在声阻抗匹配膜厚范围和热
应力和膜厚的关系中做出折中，得到最优膜厚。
本发明采用增加金属过渡层的方式，解决了声光器件键合后出现的换能器开裂和
脱落等问题，提高了器件的环境适应性和可靠性，并将该技术成功应用于高环境适应性的
宇航级声光器件的生产。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施
方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不
同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案
所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。