李冬強 姜凡 高志祥

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇南京 210038）

0.引言

在石英晶片加上交變電場時，會產(chǎn)生相應(yīng)的機械形變振動，同時機械形變振動反過來又會產(chǎn)生交變電場，當(dāng)外加交變電場的頻率等于石英晶片的諧振頻率時，振動會顯著增強，呈現(xiàn)諧振特性。利用石英的壓電效應(yīng)制作的石英晶體具有頻率穩(wěn)定度高、Q值高、成本低的特點，廣泛應(yīng)用于時間頻率基準和為時序邏輯電路提供同步脈沖。

石英晶體諧振器是一種用于選頻和穩(wěn)頻的重要電子元器件，廣泛運用在有線通訊、無線通訊、電子測量儀器、數(shù)字儀表、醫(yī)用設(shè)備等各種產(chǎn)品中。在衛(wèi)星通訊、雷達導(dǎo)航測控，衛(wèi)星地面站，廣播電視系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等重要特殊領(lǐng)域，對石英晶體的可靠性要求更為嚴苛，抗振性尤為突出，因此本文就提升石英晶體抗振性能進行研究，提出并驗證了八點膠抗振設(shè)計的有效性。

1.八點膠抗振設(shè)計方案

1.1 石英晶體組裝結(jié)構(gòu)

石英晶體主要由基座、石英振子、銀膠、蓋板4部分組成，其中基座大多由陶瓷構(gòu)成，為石英振子提供載體及相應(yīng)的導(dǎo)電通路，同時基座與蓋板相結(jié)合，構(gòu)成密閉空間，為石英振子打造氮氣、高真空等工作環(huán)境。

石英振子是表面鍍上特定電極圖形的石英晶片，主要鍍膜材料一般為金或銀，是整個石英晶體的核心部件，扮演著“心臟”的角色，在石英晶片兩面電極金屬膜上加一交變電場即可激發(fā)石英振子的壓電效應(yīng)，石英晶體啟動工作模式。

導(dǎo)電膠是一種同時具備導(dǎo)電性能和粘接性能的膠黏劑，它可以將多種導(dǎo)電材料連接在一起，使被連接材料間形成導(dǎo)電通路。導(dǎo)電粒子使導(dǎo)電膠中導(dǎo)電性的來源，不同導(dǎo)電粒子的各參數(shù)不同，添加入導(dǎo)電膠后其導(dǎo)電性和膠體的其他性能也有所不同；樹脂體系作為導(dǎo)電膠力學(xué)性能和粘接性能的主要來源。石英晶體行業(yè)通常采用銀做導(dǎo)電粒子，樹脂體系選擇環(huán)氧樹脂，通常稱導(dǎo)電膠為銀膠。

通常在石英晶體的加工過程中，是利用銀膠將石英振子表面電極與基座Pad實現(xiàn)導(dǎo)通，保證良好的導(dǎo)電性能；同時銀膠還有另外一個重要的作用就是把石英振子牢固的固定在基座上，防止石英振子的脫落，對石英晶體的抗振性起著至關(guān)重要的作用。

1.2 傳統(tǒng)四點膠技術(shù)

為了保證良好的導(dǎo)電性能的同時，具有可靠的抗振性能，行業(yè)通常采用傳統(tǒng)的四點膠技術(shù)方案，在一定程度上起著不錯的效果。

具體四點膠技術(shù)實施方案如下：先在基座上點涂2個銀膠膠點，然后將石英振子搭載到膠點上，如圖1所示，2個銀膠膠點分別與石英振子的2個底面副電極對應(yīng)；接著再在石英振子上表面繼續(xù)點涂2個銀膠膠點，如圖2所示，上下表面的4個膠點兩兩相互對應(yīng)，最后將點涂四點銀膠完畢后的半成品放入烤膠隧道爐中進行銀膠固化，同時釋放表面應(yīng)力。

圖1 石英振子兩點底膠

圖2 石英振子兩點面膠

傳統(tǒng)的四點膠技術(shù)方案通常運用在2016及以上尺寸的SMD石英晶體諧振器上，抗振性能能夠滿足一般領(lǐng)域的需求，但對于武器裝備等特殊領(lǐng)域或特殊運用場合，四點膠已經(jīng)不能極為嚴苛的抗振性能要求。

1.3 八點膠抗振設(shè)計

為了進一步加強石英晶體的抗振性能，在傳統(tǒng)的四點膠技術(shù)方案的基礎(chǔ)上再次升級，進行八點膠抗振設(shè)計，用以滿足特殊領(lǐng)域、特殊場景的可靠性要求。

八點膠抗振設(shè)計以傳統(tǒng)四點膠方案為基礎(chǔ)，膠點也分上下表面兩次點涂，下表面4個膠點位置分布如圖3所示；石英振子搭載后，再次進行上表面4個銀膠的點涂，如圖4所示，上下表面的8個膠點兩兩相互對應(yīng)，導(dǎo)電膠及固化工藝保持不變。

圖3 石英振子四點底膠

圖4 石英振子四點面膠

石英振子負電極方向4個膠點起著導(dǎo)通基座與晶片并保持良好的電性能的作用，而石英振子末端4個膠點僅起著加強固定的作用，因此為了避免末端4個膠點對石英晶體的常規(guī)電氣性能產(chǎn)生不良影響，末端4個膠點不能接觸石英振子表面電極區(qū)域。

2.八點膠設(shè)計抗振性能驗證

2.1 對比試驗設(shè)計

八點膠與傳統(tǒng)四點膠的抗振性能需要進行試驗對比論證，此次試驗采用單一變量對比試驗準則，取同一批基座、石英晶片、蓋板、銀膠，同設(shè)備加工、同批次鍍膜、同工藝制程管控，加工出四點膠、八點膠25MHz石英晶體各一批。分別對兩批產(chǎn)品進行馬歇特錘試驗對比，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果進行對比分析。

2.2 馬歇特錘對比試驗

馬歇特錘錘擊實驗的原理是用重力對沖擊錘加速，使其擊打鐵質(zhì)目標從而產(chǎn)生較大的加速度過載，通過調(diào)整齒數(shù)來調(diào)節(jié)瞬時加速度，可以對產(chǎn)品抗振及抗過載性能進行驗證，本次實驗采用23齒，瞬時加速度40000g。

（1）取電氣性能合格的25MHz四點膠、八點膠石英晶體各30只，分為A1、A2、A3各10只四點膠25MHz石英晶體，B1、B2、B3各10只八點膠25MHz石英晶體，分別編號；（2）將6組石英晶體進行常規(guī)測試，測試數(shù)據(jù)與晶體標號一一對應(yīng)；（3）將A1和B1、A2和B2、A3和B3通過回流焊分別固定在X（長邊方向）、Y（短邊方向）、Z（厚度方向）3塊馬歇特錘試驗板上；（4）X、Y、Z 3個方向分別進行馬歇特錘機械沖擊，23齒，每個方向2次沖擊，瞬時加速度40000g；（5）將馬歇特錘機械沖擊后的石英晶體取下，進行常規(guī)測試，測試數(shù)據(jù)與晶體標號一一對應(yīng)；（6）馬歇特錘機械沖擊前后常規(guī)測試數(shù)據(jù)對比分析；（7）四點膠、八點膠馬歇特錘試驗結(jié)果對比分析。

2.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

馬歇特錘機械沖擊后對各組石英晶體FL、RR、C0、C1主要電氣性能指標變化值進行分析對比，見表1：

表1 對比分析

統(tǒng)計各組沖擊后失效個數(shù)如表2所示。

表2 各組失效個事

實驗后四點膠方案的產(chǎn)品共有六只不良，而八點膠技術(shù)方案加工的產(chǎn)品在馬歇特錘錘擊實驗后性能均合格，沒有不良產(chǎn)生，數(shù)據(jù)上直觀地顯示了八點膠技術(shù)方案在抗振性能上明顯由于四點膠技術(shù)方案。

3.結(jié)論

通過馬歇特錘對比實驗，SMD石英晶體八點膠抗振效果顯著，加強了石英晶體的抗振可靠性，對石英晶體在武器裝備、信號基站等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用提供強有力的技術(shù)保證。