用激光刻蝕圖形,把石英晶振晶片表面電極層部分完全剝落的方法,其優(yōu)點(diǎn)首先在于頻率微調(diào)量大,大氣中即可達(dá)到2000pm以上的頻率微調(diào)量。

其次,刻蝕圖形的方法,可以對石英貼片晶振晶片一面進(jìn)行加工,而實(shí)現(xiàn)兩面同時(shí)同剝落其次,刻蝕圖形的方法,可以對晶片一面進(jìn)行加工,而實(shí)現(xiàn)兩面同時(shí)同剝落。

第三,由于在生產(chǎn)過程中,石英貼片晶振晶片表面的電極層是靠掩膜鍍敷到晶片表面上的, 在掩膜的過程中,邊緣處會(huì)產(chǎn)生散射,使得沉積在晶振晶片上的銀層邊界線不夠清晰有部分散射銀殘留的現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)影響晶振晶片的Q值。用激光刻蝕圖形的方法, 對晶片邊緣進(jìn)行加工,便可以清除邊界殘留銀層,使得晶片表面銀層清晰于凈, 時(shí)提高晶片的Q值。

調(diào)節(jié)激光器的電流和激光掃描時(shí)間到適當(dāng)?shù)闹?/span>,是可以實(shí)現(xiàn)對石英晶振,貼片晶振進(jìn)行頻率微調(diào)的。雖然實(shí)驗(yàn)中微調(diào)的量最小也是kHz數(shù)量級,但從兩組數(shù)據(jù)中可以看出只要電流和掃描時(shí)間調(diào)節(jié)的得當(dāng),進(jìn)行幾Hz~幾百Hz數(shù)量級的頻率微調(diào)也是可行的,亦即實(shí)現(xiàn)晶振ppm級的頻率精度。

其次,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中可以看出頻率微調(diào)量在掃描時(shí)間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時(shí)間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對于激光的反射作用有關(guān),大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對表面電極層進(jìn)行氣化,只有通過加大激光電流的辦法來加強(qiáng)對表面的轟擊。但這樣一來很容易造成頻率微調(diào)量過大,超出了想要的頻率微調(diào)數(shù)量級的現(xiàn)象。

另一方面可能與整個(gè)石英晶振激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的環(huán)境有關(guān)。整個(gè)激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)完全在大氣環(huán)境下進(jìn)行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實(shí)際上晶振晶片的質(zhì)量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質(zhì)量沒有改變就不會(huì)對石英晶振頻率產(chǎn)生微調(diào),因而網(wǎng)絡(luò)分析儀就測量不出頻率的變化。這樣實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)繼續(xù)加大激光電流或是增加激光照射或掃描時(shí)間。而這樣是不對的。因?yàn)閷?shí)際上氣化過程在頻率真正得到改變前就已經(jīng)發(fā)生了,只是石英晶振晶片總質(zhì)量沒有改變從而不會(huì)對頻率產(chǎn)生影響。當(dāng)增強(qiáng)后的激光照射在晶片表面時(shí),有可能電流過大,穿透表面銀層,產(chǎn)生與圖3.5類似的情形,造成實(shí)驗(yàn)失敗。

此外,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可以看出,激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)并不是獨(dú)立作用的,并不是增加或減少其中的一個(gè)就可以直接影響晶振頻率微調(diào)量的。因而需要兩個(gè)參數(shù)相互配合,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上達(dá)到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)外,還有其它的參數(shù)影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來找出這些關(guān)系,進(jìn)而找到實(shí)現(xiàn)精確石英頻率微調(diào)的最佳方案。

運(yùn)用不同的工藝方法,對石英晶振進(jìn)行頻率微調(diào),以不同參數(shù)的激光產(chǎn)生不同的微調(diào)量和微調(diào)效果。通過拍攝SEM照片,來研究在不同的激光參數(shù)和條件下,激光對于石英晶振表面及內(nèi)部的改變和損傷情況。共分五種情況對激光刻蝕損傷進(jìn)行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無明顯的刻蝕痕跡,頻率微調(diào)量在50ppm,其他電性能參數(shù)改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環(huán),頻率微調(diào)量達(dá)l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調(diào)量達(dá)2300ppm。

以下為石英晶振實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對石英晶振片進(jìn)行環(huán)狀刻蝕?？涛g示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經(jīng)刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調(diào)量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當(dāng)激光直接作用于晶片本身的時(shí)候,會(huì)對晶片產(chǎn)生怎樣的影響。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區(qū)域,石英片表面平整,形貌良好,并未對下面石英晶體產(chǎn)生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對石英晶振片表面銀電極層進(jìn)行刻蝕?？涛g圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區(qū)域的電極層被損壞,出現(xiàn)了肉眼可見的較大范圍內(nèi)明顯剝落痕跡。至使頻率計(jì)無法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經(jīng)損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面會(huì)發(fā)生反射、散射、吸收等,要進(jìn)行激光輻射的熱效應(yīng)理論計(jì)算,首先要知道有多少輻射能量被石英晶振材料吸收。對于透明或半透明的材料,需要測量材料的反射率和透射率,而對于不透明材料,只需要測量其反射率就足夠了。

從微觀來看,激光對石英晶振的作用是高頻電磁波對物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用,晶振對激光的吸收與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中存在大量的自由電子,在激光作用下這些自由電子受到光頻電磁波的強(qiáng)迫振動(dòng)而產(chǎn)生次波這些次波形成了強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波,透射部分將被電子通過軔致輻射過程而吸收,繼而轉(zhuǎn)化為電子的平均動(dòng)能,再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/span>

非金屬與金屬不同,它對激光的反射比較低,對應(yīng)的吸收比較高。石英貼片晶振電介質(zhì)對激光吸收與束縛電子的極化,單光子或多光子吸收,以及多種機(jī)制的非線性光學(xué)效應(yīng)有關(guān)。透明電介質(zhì)表面或石英晶振體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷往往強(qiáng)烈吸收激光,成為破壞的根源。半導(dǎo)體對激光的吸收有多種機(jī)制,以本征吸收最為重要,產(chǎn)生的電子一空穴對很快通過無輻射躍遷復(fù)合,將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。等離子體是特殊條件下存在的電離氣體,蒸氣等離子體對激光有很強(qiáng)的吸收作用。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,其基本結(jié)構(gòu)為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結(jié)構(gòu)圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶振晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場,這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)石英晶振晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場。在一般情況下,晶振晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

石英晶振晶體的符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖23所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)石英晶體諧振時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達(dá)1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個(gè)諧振頻率,即(1)當(dāng)L、C R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),石英晶體諧振器的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示,石英晶體對于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性;(2)當(dāng)頻率高于fs時(shí),L、C、R支路呈感性,可與電容C0發(fā)生并聯(lián)諧振,其并聯(lián)頻率用fd表示。工程技術(shù)中石英諧振器就工作在fs到fd范圍內(nèi)或這兩個(gè)頻率的奇次諧頻上。

根據(jù)石英晶振的等效電路,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示?？梢姰?dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí),石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內(nèi),石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結(jié)構(gòu)示意圖如圖24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶體諧振頻率與晶體表面附著物質(zhì)(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關(guān)系,該方程如下:

其中f0為石英晶振原始諧振頻率(單位為Hz),△f為晶振的頻率變化量(單位為Hz),△m為晶體變化的質(zhì)量(單位為gcm-2),A是晶體有效面積(即電極面積,單位為cm2),pμ是石英晶體的密度,μφ為晶體剪切彈性模量。

對于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數(shù),因而, △f與△m的絕對值成正比,負(fù)號表示表面銀電極層質(zhì)量的增加,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質(zhì)量的減少,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質(zhì)量和減少銀層質(zhì)量兩種方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見,附加的銀電極層會(huì)對石英晶振器的諧振頻率產(chǎn)生影響。因而工業(yè)生產(chǎn)中,一般先制作出與目標(biāo)頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過改變表面電極厚度方法,來微調(diào)晶振頻率以達(dá)到目標(biāo)頻率。

石英晶振是如今智能產(chǎn)品都會(huì)用到的一種頻率元件,主要為電路提供頻率信號源,具有高可靠使用特性.下面億金電子給大家講解億金電子石英晶振生產(chǎn)流程以及可靠性現(xiàn)狀分析.

石英晶振生產(chǎn)流程比較復(fù)雜,包含多次的測試過程。生產(chǎn)部門接到制令通知單后開始組織生產(chǎn),生產(chǎn)人員到資材課領(lǐng)取物料,由操作員對元器件和石英晶體進(jìn)行焊接,焊接完成后對石英晶振進(jìn)行調(diào)試,調(diào)試完成后依次進(jìn)行溫度測試、老化測試, 測試完成后由封口站人員對石英晶振進(jìn)行封殼,經(jīng)過清洗、檢驗(yàn)后最終成品制成。石英晶振生產(chǎn)流程圖如圖3-3所示。

億金石英晶振可靠性現(xiàn)狀分析

可靠性管理是提高產(chǎn)品可靠性的必由之路,在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,大到航空航天,小到電子信息設(shè)備,都已經(jīng)應(yīng)用可靠性管理來提高企業(yè)產(chǎn)品的可靠性。但截至目前,在石英晶振制造領(lǐng)域,還沒有全方位的將可靠性管理納入企業(yè)日常管理中來。

億金電子目前主要按照ISO9001質(zhì)量管理體系的要求來對石英晶振產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管理,雖然公司的管理水平比較先進(jìn),但如果要從根本上改善石英晶振,貼片晶振等產(chǎn)品的可靠性,就要將可靠性管理納入公司管理中來。

目前,A型石英晶振產(chǎn)品占到公司晶振銷量的20%左右,是公司的主推產(chǎn)品, 該型石英晶振的設(shè)計(jì)也已經(jīng)很成熟了,但A型石英晶振可靠性仍然存在著很多問題,退換貨給公司形象帶來負(fù)面影響。針對這種現(xiàn)象的出現(xiàn),本文將以A型石英晶振為例.

首先對A型石英晶振產(chǎn)品進(jìn)行 FMECA分析,其次運(yùn)用模糊FMECA綜合評判來量化FMEA的分析結(jié)果,并在定量分析的基礎(chǔ)上建立模糊CA模型,計(jì)算各故障模式的綜合危害度等級,并以此為根據(jù)對故障模式進(jìn)行排序,以便判定進(jìn)行改進(jìn)措施的優(yōu)先權(quán),保證系統(tǒng)可靠性工作的效率,最后結(jié)合公司實(shí)際情況,診斷出產(chǎn)品可靠性不高的原因,盡可能的來幫助企業(yè)解決石英晶振,貼片晶振的可靠性問題。

晶振是為電路提供基準(zhǔn)頻率信號源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過關(guān)于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產(chǎn)材料等信息,那么下面要給大家說的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.

在非接觸測量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行AC驅(qū)動(dòng)來做小幅的振動(dòng),隨著其進(jìn)一步的發(fā)展,人們把目光開始轉(zhuǎn)向壓電材料,當(dāng)石英等材料受到應(yīng)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷,而當(dāng)在這些材料上施加電場時(shí),其幾何尺寸就會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產(chǎn)生穩(wěn)定性很好的高頻振蕩信號,從而對由于力梯度的作用下懸臂的形變信號進(jìn)行頻率調(diào)制,通過解調(diào)就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來取代傳統(tǒng)的用si材料做成的微懸臂201。由于壓電材料能將機(jī)械振動(dòng)特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測微儀,但用其制作的微懸臂品質(zhì)因數(shù)Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的傳感器以提高信噪比。

使用針式傳感器的想法在1988年就產(chǎn)生了,當(dāng)時(shí)因?yàn)闇y量集成電路的需要,研究人員曾經(jīng)試圖模仿傳統(tǒng)的輪廓儀,將一個(gè)針尖制作成圓弧半徑可達(dá)nm級,這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長,以獲得大約相當(dāng)于光波長的百分之一的測量精度。但是這需要解決兩個(gè)問題:針尖的制備和測量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個(gè)角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會(huì)隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個(gè)很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺(tái)這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測量中,其針尖的制備使用了機(jī)械蝕刻金剛石的方法為了檢測針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個(gè)高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測出來。

1995年, A Michels等報(bào)道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報(bào)道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個(gè)經(jīng)過磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢,因此是一個(gè)很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測量精度有可能進(jìn)一步提高,這對于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來說,是一個(gè)性價(jià)比很高的測量儀器,對于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價(jià)值。