林必波，石勝雄，陳效

（杭州鴻星電子有限公司，浙江杭州，311113）

0 引言

本文章主要以AT 切石英晶片為研究對(duì)象。AT 切石英晶體的振動(dòng)模式為厚度剪切模式，對(duì)于石英晶體的長(zhǎng)寬尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度時(shí)，著名的石英晶體的頻率方程[2]Sauerbrey 公式：

其中，f0為石英晶片的基頻，單位為MHz；n 為沿厚度方向的泛音次數(shù)，n=1,3,5,7.....，μq為石英晶體壓電強(qiáng)化剪切振動(dòng)模量，ρq為石英晶體的密度。

本文章從Sauerbrey 公式為理論基礎(chǔ)，研究制造環(huán)境中空氣中微塵、水分子、油脂顆粒等雜質(zhì)粒子附著在AT 切石英晶片表面6，根據(jù)公式(1)所述雜質(zhì)對(duì)高頻產(chǎn)品的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低頻產(chǎn)品。本文的研究意義在于采用理論基礎(chǔ)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合解釋生產(chǎn)高低不同頻率的產(chǎn)品，其對(duì)環(huán)境包括制造車間凈化等級(jí)、儀器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境和人員等要求，提出更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 研究制造環(huán)境中雜質(zhì)對(duì)石英晶片的頻率的影響

我們選取不同基頻的15顆石英諧振器產(chǎn)品，分別是26MHz、50MHz 和96MHz，對(duì)應(yīng)的厚度近似為64.12um，33.34um 和17.36um。石英晶片完成頻率微調(diào)后，采用250B 石英晶振測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)它們的頻率均值分別為-3.12ppm、-6.28ppm 和-4.42ppm。稍后每隔一段時(shí)間測(cè)試各個(gè)產(chǎn)品頻率數(shù)值并記錄，得到的頻率數(shù)值變化趨勢(shì)如圖1 所示。

如圖1 所示，AT 切、長(zhǎng)寬尺寸為2.01×1.60cm 的石英晶體諧振器的不同基頻在凈化工作臺(tái)放置時(shí)，其頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系。a、b 和c 圖對(duì)應(yīng)的石英晶振的基頻分別是26MHz、50MHz 和96MHz。從Fig.1 中可以看出，1 小時(shí)內(nèi)變化頻率最小的是26MHz產(chǎn)品，頻率變化量約為1.63ppm。而96MHz 產(chǎn)品的頻率變化量均值約為18.62ppm，其中d 圖急劇下降的紫色曲線是因?yàn)榇箢w粒污染物吸附在晶片上電極表面，可能原因是在10 分鐘測(cè)試時(shí)，250B 測(cè)試頭上顆粒掉落在石英晶片上電極表面。a、b、c 三個(gè)圖上的曲線相對(duì)重合，三個(gè)圖中的紅色曲線是頻率隨時(shí)間變化趨勢(shì)的擬合曲線。

圖1 尺寸為2.01×1.60cm 的26MHz、50MHz 和96MHz 石英晶體在制造環(huán)境中的頻率隨時(shí)間的變化

圖2 尺寸為2.0×1.6cm 的26MHz、50MHz 和96MHz 石英晶片的頻率變化率隨時(shí)間的變化

其中ρi表示吸附在石英晶體表面上雜質(zhì)的平均密度；Δdi(t)表示一定時(shí)間內(nèi)，附著在石英晶片表面上雜質(zhì)的平均厚度。

如圖2 所示，AT 切、長(zhǎng)寬尺寸為2.01×1.60cm 的石英晶體諧振器的不同基頻的頻率變化率隨時(shí)間的變化關(guān)系。從四個(gè)圖中可以看出，在時(shí)間為0.17 小時(shí)內(nèi)，頻率變化率最大的石英晶片基頻為96MHz，而頻率變化率最小的的石英晶片基頻是26MHz。從圖中可以知道，暴露在空氣中的石英晶片的頻率變化率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，變化趨勢(shì)上是慢慢變緩，最終頻率變化率趨向于零。另外，F(xiàn)ig.2 中b 圖上頻率變化率在0.5h 時(shí)出現(xiàn)大于0 的情況，可能是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)產(chǎn)品的位置沒(méi)有精確放置，造成頻率測(cè)試誤差。d 圖中時(shí)間在0.67 小時(shí)處，頻率變化率異常的產(chǎn)品是因?yàn)闇y(cè)試頭的污染造成的。

1.2 研究雜質(zhì)對(duì)高頻石英諧振器的年老化的影響

為了驗(yàn)證雜質(zhì)對(duì)高頻產(chǎn)品壽命的影響，我們將上述在氮?dú)夤駭R置了6 小時(shí)的1SB-96MHz 產(chǎn)品 與頻率微調(diào)后立馬密封的1SB-96MHz 產(chǎn)品放入年老化設(shè)備中，觀察11 天后頻率變化量，觀察兩者的年老化性能，年老化設(shè)備的參數(shù)設(shè)置為：85℃帶電老化12 天，機(jī)臺(tái)每天自動(dòng)測(cè)試一次。

圖3 向我們展現(xiàn)了高頻96MHz 產(chǎn)品在制造車間擱置時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)品的質(zhì)量變得越差。(a)與(b)圖分別表示96MHz產(chǎn)品在氮?dú)夤裰袛R置6 小時(shí)后封焊和及時(shí)封焊的兩種情況下的年老化情況，其中(a)圖中紫色曲線對(duì)應(yīng)于Fig.1的c 圖中受到測(cè)試頭污染的產(chǎn)品。從圖中曲線可以得知兩方面信息，首先，96MHz 高頻產(chǎn)品隨著在制造車間擱置時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)品的年老化越差，產(chǎn)品的壽命越短；其次，如果產(chǎn)品受到大顆粒污染后，產(chǎn)品的壽命變得更短。

圖3 (a)與(b)分別表示尺寸為2.01×1.60cm 的96MHz 產(chǎn)品在氮?dú)夤裰袛R置6 小時(shí)后封焊和及時(shí)封焊的兩種情況下年老化曲線圖。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 分析制造環(huán)境中雜質(zhì)對(duì)石英晶片的頻率的影響

根據(jù)Sauerbrey 公式可以得知，當(dāng)外界環(huán)境和石英晶片基頻確定時(shí)，若只考慮頻率與雜質(zhì)吸附的質(zhì)量關(guān)系時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)Δf與Δm呈線性關(guān)系[3]?，F(xiàn)在考慮我們將其與時(shí)間考慮在一起時(shí)，此時(shí)它們就是一個(gè)非線性關(guān)系，如Fig.1和Fig.2 所示。在頻率微調(diào)完成后的10 分鐘內(nèi)，石英晶片的頻率變化率最大，隨著時(shí)間慢慢延長(zhǎng)，頻率變化率慢慢減少。造成的原因不只是吸附在石英晶片表面的雜質(zhì)質(zhì)量的影響，還有石英晶片與金屬電極之間的應(yīng)力釋放[4]，存在雜質(zhì)吸附和應(yīng)力釋放兩個(gè)物理過(guò)程。應(yīng)力的來(lái)源可能有以下兩個(gè)方面：石英晶片與金屬電極（銀或者金）的膨脹系數(shù)不同與氬離子刻蝕金屬電極表面。

隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，石英晶片應(yīng)力釋放完成，雜質(zhì)吸附對(duì)石英晶體的影響占主導(dǎo)作用。隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，石英晶片的雜質(zhì)吸附和晶片電極表面被氧化成為主要影響因子。最后，隨著石英晶片在非真空處的放置時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，所有的石英晶體的頻率變化率慢慢減少，無(wú)限接近于零，直至石英晶體的頻率趨于穩(wěn)定。

2.2 分析雜質(zhì)對(duì)高頻石英諧振器的年老化的影響

從圖3 中96MHz 產(chǎn)品的年老化曲線圖可以清楚知道，產(chǎn)品因?yàn)樵谥圃燔囬g中擱置了6 小時(shí)后，電極表面被附著了大量的水汽以及其它可能的雜質(zhì)污染，即使封焊工序是真空環(huán)境，能夠減少電極表面的污染，但是與及時(shí)封焊的情況相比，長(zhǎng)時(shí)間擱置在氮?dú)夤竦母哳l產(chǎn)品壽命受到了極大的影響，根據(jù)我們的計(jì)算，圖3(a)的產(chǎn)品平均壽命約為8 年，而(b)圖產(chǎn)品的壽命約為18 年，受到污染產(chǎn)品的壽命減少了一半多。因此根據(jù)我們的半自動(dòng)化生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得知，96MHz 的高頻產(chǎn)品微調(diào)工序站與封焊工序站間隔時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)3 小時(shí)。

3 結(jié)論

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品功能的多樣化、自動(dòng)化和精確化，導(dǎo)致石英晶體諧振器向高頻和小型化方向發(fā)展。根據(jù)本文的分析，基準(zhǔn)頻率越高的石英晶片，雜質(zhì)吸附量對(duì)晶片的影響越大，導(dǎo)致產(chǎn)品的電學(xué)性能變差，年老化率變差7。由于頻率變化量Δf與雜質(zhì)的質(zhì)量Δm呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，所以可以采取以下措施：（1）車間的潔凈度盡可能高；（2）產(chǎn)品在封焊時(shí)需要增加一道真空烘烤工序，一般采用真空烤箱，將產(chǎn)品放進(jìn)150℃內(nèi)烘烤30 分鐘，除去石英晶體表面水汽[4]，（3）盡可能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行真空封焊，減少電極表面的雜質(zhì)吸附和電極被氧化，時(shí)間不超過(guò)3 小時(shí)。當(dāng)雜質(zhì)顆粒和水汽附著在晶片表面也被密封進(jìn)產(chǎn)品里面，對(duì)產(chǎn)品的器件的壽命以及性能都將產(chǎn)生極大的影響。