石英晶片外觀缺陷對(duì)頻率的影響

宋佩頡，李東，王艷林

（北京信息科技大學(xué)，北京100192）

石英晶片外觀缺陷對(duì)頻率的影響

宋佩頡，李東，王艷林

（北京信息科技大學(xué)，北京100192）

研究了石英晶片外觀缺陷對(duì)頻率的影響。石英晶片其自身存在的外觀缺陷包括：崩邊、玷污、缺角等，這些缺陷可能會(huì)影響到成品石英晶體電參數(shù)的性能，例如影響石英晶體的頻率特性、電阻特性、DLD特性等。目前石英晶片在鍍電極前均需要進(jìn)行外觀缺陷檢測(cè)，國(guó)內(nèi)大多采用人工目測(cè)檢測(cè)的方式，光學(xué)方法的石英晶片的缺陷自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)還不成熟。無(wú)論哪種檢測(cè)方法，都具有比較大的主觀性，目前還沒(méi)有建立有關(guān)石英晶片對(duì)石英晶體電參數(shù)的影響關(guān)系的研究報(bào)道。因此需要研究石英晶片外觀缺陷對(duì)石英晶體電參數(shù)的影響的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便能更準(zhǔn)確地分選出對(duì)石英晶片電參數(shù)有影響的存在外觀缺陷的石英晶片。

石英晶片；外觀缺陷；諧振頻率；自動(dòng)檢測(cè)

0 引言

石英晶體元器件主要用于頻率穩(wěn)定、頻率選擇和精密計(jì)時(shí)等方面。由于電子與通信技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了壓電石英晶體元器件的研究和生產(chǎn)[1]。

美國(guó)石英晶體工業(yè)產(chǎn)值高，年銷售額為2.5億～3.0億美元。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)廠家只生產(chǎn)技術(shù)難度大，價(jià)值高的產(chǎn)品，如各種晶體振蕩器、晶體濾波器和精密高質(zhì)量的石英晶體等[2]。

要制造一個(gè)性能優(yōu)良的石英諧振器，首先要有完善的設(shè)計(jì)，而諧振器的技術(shù)指標(biāo)則是設(shè)計(jì)的依據(jù)。通常諧振器的技術(shù)指標(biāo)主要包括標(biāo)稱頻率、工作溫度范圍、頻率偏移、等效參數(shù)（如動(dòng)態(tài)電阻R1、品質(zhì)因數(shù)Q、靜電容C0、動(dòng)態(tài)電感L1和動(dòng)態(tài)電容C1等）、老化率、石英諧振器的最大允許尺寸、環(huán)境條件等[3]。

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品在流水線的加工程序中會(huì)因?yàn)楦鞣N因素對(duì)表面產(chǎn)生損傷，使產(chǎn)品在后續(xù)使用中呈現(xiàn)硬性誤差或者無(wú)法使用。因此對(duì)產(chǎn)品外觀的品質(zhì)檢測(cè)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品能夠正常使用得到保證的關(guān)鍵。外觀檢測(cè)是對(duì)生產(chǎn)整體技術(shù)狀況和故障情況進(jìn)行預(yù)檢、補(bǔ)充和完善的重要手段之一[4]。

然而，人工視覺(jué)檢測(cè)存在如下缺陷和弊端：大量人員手工檢測(cè)，一致性差，容易產(chǎn)生誤差；大多只能采用抽檢，人工全檢工作量大；人工無(wú)法保持一致的檢測(cè)效果；不同的檢測(cè)者之間存在差異；無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的流程控制機(jī)械系統(tǒng)檢測(cè)；局限性多，不靈活，笨重；無(wú)法快速完成全檢；無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代的質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)流程控制。

目前未見(jiàn)石英晶片外觀檢測(cè)技術(shù)相關(guān)問(wèn)題的研究成果報(bào)道。頻率特性是石英晶體最重要的電參數(shù)，研究石英晶片不同缺陷對(duì)成品石英晶體串聯(lián)諧振頻率及負(fù)載諧振頻率的影響，為石英晶片光學(xué)分選建立晶片的合格標(biāo)準(zhǔn)，建立科學(xué)合理的石英晶片外觀檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于提高石英晶體的生產(chǎn)品質(zhì)具有重要意義[5]。

1 實(shí)驗(yàn)器材選擇及理論依據(jù)

1.1 實(shí)驗(yàn)晶片選擇

厚度切變石英諧振器頻率適用范圍為500 kHz～ 350 MHz以上。它是各振動(dòng)模式中頻率最高和頻率范圍最寬的一種。它的常用切型為AT和BT兩種，用IRE標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示為（yxl）φ1。其中，φ1=35°附近時(shí)為AT切型；φ1=49°附近時(shí)為BT切型。特別是AT切型石英諧振器具有頻率范圍寬、壓電活力高、在寬溫度范圍（-55°～85°）內(nèi)的頻率溫度特性好、晶片加工方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前應(yīng)用最廣泛的切型。

本課題選用實(shí)驗(yàn)晶片為AT切型2.5 MHz和5 MHz高精度石英諧振器的晶片。兩種晶片的外形尺寸和性能指標(biāo)如表1，表2所示。

表12 .5 MHz的晶片外形尺寸和性能指標(biāo)

表25 MHz的晶片外形尺寸和性能指標(biāo)

1.2 測(cè)試儀器選擇

本課題測(cè)試儀器選擇S&A公司的250B網(wǎng)絡(luò)分析儀，它可以測(cè)量石英晶體、石英晶片及陶瓷諧振器等，系統(tǒng)提供基于工程分析的網(wǎng)絡(luò)分析顯示界面，并提供精確的、重復(fù)性好的晶體測(cè)量方式，可以測(cè)量超過(guò)40種不同參數(shù)。其規(guī)格特性如下：

頻率范圍：10～400 kHz；0.5～200 MHz；

頻率準(zhǔn)確性：±2 PPM（串聯(lián)諧振頻率的典型值）；

晶體激勵(lì)功率：10 nW～1 000 μW（≤50 MHz），10 nW～ 1 000 μW（＞50 MHz）。

250B軟件是一種允許對(duì)晶體進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的、且人機(jī)界面友好的可視程序，該程序可以執(zhí)行超過(guò)40種晶體參數(shù)的測(cè)量，并顯示每個(gè)晶體各種參數(shù)的PASS/ FAIL狀態(tài)，晶體測(cè)試不良狀態(tài)用紅色字體顯示出來(lái)。

250B程序提供了四種不同的寄生掃描供操作者來(lái)選擇，同時(shí)，軟件也提供了一種擴(kuò)充的DLD測(cè)量能力，該掃描可達(dá)20段或步。250B程序具備使用四種不同算法掃描諧振頻率的能力，所有數(shù)據(jù)輸出均為ODBC格式。

S&A公司提供一種可用于測(cè)量晶體白片的測(cè)試頭，晶片被放在測(cè)試座的底板上，測(cè)試座的頂部重塊用來(lái)保證晶片和測(cè)試頭的良好接觸并構(gòu)成回路。

1.3 AT切型石英諧振器的頻率方程和頻率常數(shù)

AT切型在石英晶體中的方法，如圖1所示。晶片的長(zhǎng)度與x軸平行。它的振動(dòng)模式有兩種激勵(lì)方法，即在y′方向的電場(chǎng)E作用下，通過(guò)壓電常數(shù)e′和彈性剛度常數(shù)c′在z′面上產(chǎn)生厚度切變振動(dòng)，這種激勵(lì)方法稱為垂直場(chǎng)激勵(lì)；在z′方向上的電場(chǎng)E1′作用下，通過(guò)壓電常數(shù)e1′和彈性剛度常數(shù)c′也可在e′面上產(chǎn)生厚度切變振動(dòng)，這種激勵(lì)方法稱為平行場(chǎng)激勵(lì)。由于垂直場(chǎng)的設(shè)置比平行場(chǎng)的設(shè)置方便得多，因此生產(chǎn)上通常都采用垂直場(chǎng)的激勵(lì)方法。

圖1 AT切型在石英晶體中的方向

在厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度的情況下，厚度切變振動(dòng)的頻率方程為：

式中：t為晶片厚度；n為厚度切變泛音次數(shù)；c′為彈性剛度常數(shù)。

頻率常數(shù)為：

諧振頻率與頻率常數(shù)之間的關(guān)系為：

還要指出：式（1）～式（3）是在厚度遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度和寬度的情況下得到的。具體地說(shuō)，就是要滿足或（Φ為圓片的直徑）的條件下，這些公式才能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果。

式（1）表明，厚度切變的泛音頻率等于基音頻率的奇數(shù)倍。但由于其他條件的影響，泛音頻率只是接近基音頻率的奇數(shù)倍。例如，基頻為f1=1.064 091 MHz的晶片，5次泛音f5=4.998 122 MHz；基頻為f1=19.997 280 MHz的晶片，3次泛音f3=60.000 5 MHz。

式中：n為沿厚度方向的泛音次數(shù)；m為沿長(zhǎng)度方向的泛音次數(shù)；p為沿寬度方向的泛音次數(shù)；k1,k2為實(shí)驗(yàn)確定的修正系數(shù)。

當(dāng)m=p=1，n=1,3,5,…時(shí)，相應(yīng)的頻率為基頻f111、3次泛音頻率f311,5次泛音頻率f511,…,這些頻率稱為主諧頻率。當(dāng)m、p等于其他奇數(shù)時(shí)，相應(yīng)地頻率如f131, f113,f331,f313,f151,f115,…。這些頻率稱為非諧頻率。在一般條件下，采用減小電極面積的方法，可抑制非諧振動(dòng)。如果電極大小和外形尺寸選擇不當(dāng)，就可能出現(xiàn)較強(qiáng)的非諧振動(dòng)。這是在設(shè)計(jì)諧振器時(shí)，應(yīng)重視的問(wèn)題之一。

當(dāng)m=p=1時(shí)，頻率方程式（4）可簡(jiǎn)化為：

相應(yīng)的頻率常數(shù)為：?

2 石英晶片缺陷對(duì)諧振頻率的影響

2.1 崩邊對(duì)晶片頻率的影響

崩邊，即石英晶片外形完整，但晶片邊緣區(qū)域上下表面之一出現(xiàn)脫皮現(xiàn)象，厚度瞬間變薄。分別對(duì)崩邊程度不同的2.5 MHz、5 MHz晶片（崩邊點(diǎn)分別為1、2、3、4）進(jìn)行測(cè)量，每組晶片測(cè)量10次。

崩邊對(duì)石英晶片的影響，分析可得，當(dāng)晶片崩邊點(diǎn)為1或者2個(gè)點(diǎn)時(shí)，頻率變化不大，對(duì)于以頻率為主要參數(shù)的使用范圍內(nèi)，屬于可接受范圍，當(dāng)晶片崩邊點(diǎn)個(gè)數(shù)大于2時(shí)，晶片頻率變化較大，不能正常使用。

根據(jù)式（1）和式（3）可得，當(dāng)晶片的厚度變薄，即t減小時(shí)，晶片的頻率向正方向變化。其次，當(dāng)晶片發(fā)生崩邊缺損時(shí)，晶片的頻率溫度特性將會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)晶片的厚度t變薄時(shí)，頻率溫度特性曲線要往正方向移動(dòng)，當(dāng)圓形晶片的直徑減小時(shí)，頻率溫度特性曲線也要向正方向移動(dòng)，當(dāng)雙凸、平凸晶片的曲率半徑R變大時(shí)，頻率溫度特性曲線也要向正方向移動(dòng)。而當(dāng)晶片的崩邊點(diǎn)個(gè)數(shù)大于2時(shí)，后期制作時(shí)，晶片與晶片支架之間的空隙，以及電極接觸面積也會(huì)發(fā)生變化，影響晶片穩(wěn)定性及其他重要參數(shù)。

2.2 玷污對(duì)晶片頻率的影響

石英晶片表面玷污主要是由研磨、拋光以及后續(xù)加工工序產(chǎn)生的，例如裝架。當(dāng)前所使用的磨料以人造磨料為主，用得比較多的是白剛玉（GB），碳化硅（TH和TL），碳化硼（TP）和金剛石（JR）。研磨產(chǎn)生晶片表面玷污的因素，除了機(jī)床和磨料外，還與磨料的供給量、磨料和水（或油）的比例、研磨壓力等有關(guān)。

在對(duì)石英晶片進(jìn)行研磨處理后，需要對(duì)晶片進(jìn)行拋光處理，以進(jìn)一步提高石英諧振器的穩(wěn)定性和精度。拋光的方法和研磨相似，磨料采用拋光粉，拋光粉采用氧化鐵和氧化鈰等。拋光工序產(chǎn)生晶片表面玷污的因素，很大程度上取決于衛(wèi)生條件的好壞，除了工作環(huán)境和操作過(guò)程中應(yīng)特別注意以外，拋光粉的凈化工作也是必不可少的工序之一。

晶片在被電極之前，都要仔細(xì)地進(jìn)行清潔處理。目前采用的比較簡(jiǎn)便的方法是對(duì)石英晶片去掉蠟脂后，浸泡在重絡(luò)酸鉀硫酸溶液中加熱清洗。通過(guò)清洗去掉有機(jī)物，再用稀氫氟酸溶液進(jìn)行腐蝕。

當(dāng)石英晶片進(jìn)行研磨、拋光、清潔處理后，若不能保證晶片表面的光潔度，晶片表面就會(huì)有一層由磨料和石英微粒構(gòu)成的破壞層。如果不清除破壞層，他們將在諧振器工作的過(guò)程中逐漸脫落，使頻率發(fā)生偏移，同時(shí)也降低了電極膜的牢固度。另外，破壞層還使晶片表面產(chǎn)生應(yīng)力弛豫效應(yīng)，使石英諧振器的老化率增大。

2.5 MHz及5 MHz圓形石英晶片的等效電路如圖2所示。

圖2 低頻石英晶片等效電路圖

當(dāng)晶片表面存在玷污缺陷時(shí)，根據(jù)石英諧振器諧振頻率方程：

式中：C1為動(dòng)態(tài)電容；L1為動(dòng)態(tài)電感。

C1向正方向移動(dòng)，則晶片諧振頻率將向負(fù)方向移動(dòng)。

同時(shí)AT切型石英諧振器的動(dòng)態(tài)電阻R1也與受晶片表面光潔度有關(guān)，當(dāng)晶片表面玷污（如油膜、灰塵或者其他松散物質(zhì)）和表面吸附氣體造成的損耗達(dá)到一定程度時(shí)，晶片將出現(xiàn)停振現(xiàn)象。

2.3 缺角對(duì)晶片頻率的影響

石英晶片缺角缺陷，即破片和晶片垂直度不良。破片是指石英晶片不完整，掉邊掉角或破碎，已經(jīng)不能當(dāng)作正常晶片使用。缺角可能是由于打磨不均勻造成的某個(gè)角落弧度過(guò)大或過(guò)小，也可能是存在一個(gè)小缺口。

石英晶片缺角直接影響到晶片的直徑，而晶片直徑大小對(duì)石英諧振器的活力和寄生振動(dòng)有很大影響。AT切型的寄生振動(dòng)主要包括xy′彎曲、y′面切變和xy′伸縮等三種振動(dòng)。如果主振動(dòng)頻率和上述三種振動(dòng)之一的高次泛音頻率接近時(shí)，就出現(xiàn)強(qiáng)耦合作用，引起活力突變或頻率跳躍等現(xiàn)象。

AT切型圓片的直徑大小與上述三種寄生振動(dòng)頻率的關(guān)系式為：

式中：Φ為晶片直徑（單位：mm）；n彎為xy′彎曲振動(dòng)的泛音次數(shù)；n面為y′面切變振動(dòng)的泛音次數(shù)；n伸為xy′伸縮振動(dòng)的泛音次數(shù)。

所以，當(dāng)AT切型原片的直徑發(fā)生變化時(shí)，以上三種寄生振動(dòng)頻率均會(huì)發(fā)生變化，使晶片出現(xiàn)頻率不齊或停振現(xiàn)象。另外，AT切型石英諧振器的動(dòng)態(tài)電感L1與晶片尺寸的關(guān)系為：

式中：KL為電感系數(shù)；A為電極面積，如果是全電極，則

所以，當(dāng)A減小時(shí)，晶片的動(dòng)態(tài)電感將增大，再由公式（7）得出，當(dāng)L1增大時(shí)，晶片的諧振頻率將向負(fù)方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)晶片存在缺角缺陷時(shí)，晶片將出現(xiàn)停振和頻率不齊等現(xiàn)象，出現(xiàn)的頻率隨晶片缺角的大小而變化。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)石英晶片缺陷頻率的測(cè)量與分析得出，當(dāng)晶片出現(xiàn)崩邊、玷污、缺角等缺陷時(shí)，晶片的諧振頻率和相關(guān)參數(shù)，如動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容、電阻特性，以及Q值均會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)對(duì)石英晶片的頻率溫度特性產(chǎn)生影響，適當(dāng)?shù)卦龃蠡驕p小晶片的倒角會(huì)對(duì)石英晶片頻率進(jìn)行補(bǔ)償，但不論晶片出現(xiàn)何種缺陷，均會(huì)影響晶片的頻率穩(wěn)定性，同時(shí)，晶片缺陷對(duì)晶片的老化率造成的影響，將是不可逆的，為避免或減少石英晶片缺陷的形成，應(yīng)當(dāng)提高晶片加工工藝水平和精度，如研磨、拋光和清潔等工序。

本課題僅對(duì)石英晶片外觀缺陷對(duì)頻率的影響進(jìn)行初步的研究，對(duì)后續(xù)石英晶片外觀缺陷頻率在線檢測(cè)和石英晶片外觀缺陷分選提供了相關(guān)的理論分析和參考數(shù)據(jù)。

[1]李東，劉桂禮.石英晶體諧振器電參模型及其對(duì)測(cè)量精度的影響[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（6）：781?784.

[2]宋新菊，李東，王艷林，等.用于石英晶體?頻率測(cè)試相位檢測(cè)技術(shù)研究[J].傳感器世界，2006（11）：14?16.

[3]COWLES J，GILBERT B.Accurate gain/phase measurement at radio frequencies up to 2.5 GHz[J].Analog Device，2001，35：5?8.

[4]王國(guó)元，羅偉雄，江柏森.高頻鑒相的取樣數(shù)值法實(shí)現(xiàn)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2005（2）：41?42.

[5]劉解華，張其善，楊軍.高頻高精度石英晶體元件電參數(shù)測(cè)量技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（5）：447?450.

[6]王華軍，李東，王艷林.零相位法石英晶片測(cè)試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2006（2）：29?31.

[7]于振歡，李東，王艷林.石英晶體自動(dòng)測(cè)試及分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（6）：1284?1286.

[8]夏利鋒，王湘中，喻壽益.π網(wǎng)絡(luò)法石英晶片電參數(shù)計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（1）：101?105.

[9]楊蒙生，劉桂禮，李東.石英晶體靜電容測(cè)量方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（23）：212?213.

[10]蔡湘平，李東.石英晶體參數(shù)快速牛頓測(cè)量法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011（7）：1578?1581.

Influence of quartz wafer cosmetic defect on frequency

SONG Pei?jie，LI Dong，WANG Yan?lin
（Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

The influence of quartz wafer cosmetic defect on frequency is studied，the cosmetic defect of quartz wafer itself in?cludes edge breakage，defiled，unfilled corner and so on，which influences the electrical parameter functions of the finished quartz crystal，such as frequency character，resistance character，DLD character and so on.Recently，cosmetic defect detection is ap?plied to the quartz wafer before plating electrode，the artificial visual inspection is still the main detection method in China as the optical detection technical of the quartz wafer cosmetic defect is un?mature.No matter which kind of method to test the cosmetic de?fect，it is too subjective，since there is no research on the relationship of the quartz wafer influenced on the electrical parameter of the quartz crystal.The relationship of the quartz wafer cosmetic defect influenced on the electrical parameter of the quartz crystal is studied to exactly classify the cosmetic defect quartz wafer which influences the electrical parameter of the quartz crystal.

quartz wafer；cosmetic defect；resonant frequency；automatic detection

TN6?34；TM22+9.1

A

1004?373X（2015）09?0113?04

宋佩頡（1988—），男，甘肅白銀市人，工程碩士。主要研究方向?yàn)榫軝C(jī)械與儀器。

2014?10?25