石英晶片外觀缺陷對頻率的影響

摘 要： 研究了石英晶片外觀缺陷對頻率的影響。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行外觀缺陷檢測，國內(nèi)大多采用人工目測檢測的方式，光學方法的石英晶片的缺陷自動檢測技術(shù)還不成熟。無論哪種檢測方法，都具有比較大的主觀性，目前還沒有建立有關(guān)石英晶片對石英晶體電參數(shù)的影響關(guān)系的研究報道。因此需要研究石英晶片外觀缺陷對石英晶體電參數(shù)的影響的對應關(guān)系，以便能更準確地分選出對石英晶片電參數(shù)有影響的存在外觀缺陷的石英晶片。

關(guān)鍵詞： 石英晶片； 外觀缺陷； 諧振頻率； 自動檢測

中圖分類號： TN6?34； TM22+9.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0113?04

Abstract： The influence of quartz wafer cosmetic defect on frequency is studied， the cosmetic defect of quartz wafer itself includes 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 applied 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 defect， 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.

Keywords： quartz wafer； cosmetic defect； resonant frequency； automatic detection

0 引 言

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

美國石英晶體工業(yè)產(chǎn)值高，年銷售額為2.5億～3.0億美元。這是因為大多數(shù)廠家只生產(chǎn)技術(shù)難度大，價值高的產(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]。

要制造一個性能優(yōu)良的石英諧振器，首先要有完善的設(shè)計，而諧振器的技術(shù)指標則是設(shè)計的依據(jù)。通常諧振器的技術(shù)指標主要包括標稱頻率、工作溫度范圍、頻率偏移、等效參數(shù)（如動態(tài)電阻[R1、]品質(zhì)因數(shù)[Q、]靜電容[C0、]動態(tài)電感[L1]和動態(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]。

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品在流水線的加工程序中會因為各種因素對表面產(chǎn)生損傷，使產(chǎn)品在后續(xù)使用中呈現(xiàn)硬性誤差或者無法使用。因此對產(chǎn)品外觀的品質(zhì)檢測成為工業(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。外觀檢測是對生產(chǎn)整體技術(shù)狀況和故障情況進行預檢、補充和完善的重要手段之一[4]。

然而，人工視覺檢測存在如下缺陷和弊端：大量人員手工檢測，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；人工無法保持一致的檢測效果；不同的檢測者之間存在差異；無法實現(xiàn)實時的流程控制機械系統(tǒng)檢測；局限性多，不靈活，笨重；無法快速完成全檢；無法適應現(xiàn)代的質(zhì)量控制和統(tǒng)計流程控制。

目前未見石英晶片外觀檢測技術(shù)相關(guān)問題的研究成果報道。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成品石英晶體串聯(lián)諧振頻率及負載諧振頻率的影響，為石英晶片光學分選建立晶片的合格標準，建立科學合理的石英晶片外觀檢測標準，對于提高石英晶體的生產(chǎn)品質(zhì)具有重要意義[5]。

1 實驗器材選擇及理論依據(jù)

1.1 實驗晶片選擇

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標準符號表示為（yxl）[φ1。]其中，[φ1=]35°附近時為AT切型；[φ1=]49°附近時為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，已成為目前應用最廣泛的切型。

本課題選用實驗晶片為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如表1，表2所示。

1.2 測試儀器選擇

本課題測試儀器選擇SA 公司的 250B 網(wǎng)絡(luò)分析儀，它可以測量石英晶體、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、重復性好的晶體測量方式，可以測量超過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；

頻率準確性：±2 PPM（串聯(lián)諧振頻率的典型值）；

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

250B軟件是一種允許對晶體進行自動測量的、且人機界面友好的可視程序，該程序可以執(zhí)行超過40種晶體參數(shù)的測量，并顯示每個晶體各種參數(shù)的PASS/FAIL狀態(tài)，晶體測試不良狀態(tài)用紅色字體顯示出來。

250B程序提供了四種不同的寄生掃描供操作者來選擇，同時，軟件也提供了一種擴充的DLD測量能力，該掃描可達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。

SA公司提供一種可用于測量晶體白片的測試頭，晶片被放在測試座的底板上，測試座的頂部重塊用來保證晶片和測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。晶片的長度與x軸平行。它的振動模式有兩種激勵方法，即在[y]方向的電場E作用下，通過壓電常數(shù)[e]和彈性剛度常數(shù)[c]在[z]面上產(chǎn)生厚度切變振動，這種激勵方法稱為垂直場激勵；在[z]方向上的電場[E1′]作用下，通過壓電常數(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，這種激勵方法稱為平行場激勵。由于垂直場的設(shè)置比平行場的設(shè)置方便得多，因此生產(chǎn)上通常都采用垂直場的激勵方法。

2 石英晶片缺陷對諧振頻率的影響

2.1 崩邊對晶片頻率的影響

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。分別對崩邊程度不同的2.5 MHz、5 MHz晶片（崩邊點分別為1、2、3、4）進行測量，每組晶片測量10次。

崩邊對石英晶片的影響，分析可得，當晶片崩邊點為1或者2個點時，頻率變化不大，對于以頻率為主要參數(shù)的使用范圍內(nèi)，屬于可接受范圍，當晶片崩邊點個數(shù)大于2時，晶片頻率變化較大，不能正常使用。

根據(jù)式（1）和式（3）可得，當晶片的厚度變薄，即[t]減小時，晶片的頻率向正方向變化。其次，當晶片發(fā)生崩邊缺損時，晶片的頻率溫度特性將會發(fā)生變化。當晶片的厚度[t]變薄時，頻率溫度特性曲線要往正方向移動，當圓形晶片的直徑減小時，頻率溫度特性曲線也要向正方向移動，當雙凸、平凸晶片的曲率半徑[R]變大時，頻率溫度特性曲線也要向正方向移動。而當晶片的崩邊點個數(shù)大于2時，后期制作時，晶片與晶片支架之間的空隙，以及電極接觸面積也會發(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)。

在對石英晶片進行研磨處理后，需要對晶片進行拋光處理，以進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)境和操作過程中應特別注意以外，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，都要仔細地進行清潔處理。目前采用的比較簡便的方法是對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。通過清洗去掉有機物，再用稀氫氟酸溶液進行腐蝕。

當石英晶片進行研磨、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程中逐漸脫落，使頻率發(fā)生偏移，同時也降低了電極膜的牢固度。另外，破壞層還使晶片表面產(chǎn)生應力弛豫效應，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。

2.3 缺角對晶片頻率的影響

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)不能當作正常晶片使用。缺角可能是由于打磨不均勻造成的某個角落弧度過大或過小，也可能是存在一個小缺口。

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

3 結(jié) 語

根據(jù)對石英晶片缺陷頻率的測量與分析得出，當晶片出現(xiàn)崩邊、玷污、缺角等缺陷時，晶片的諧振頻率和相關(guān)參數(shù)，如動態(tài)電感、動態(tài)電容、電阻特性，以及Q值均會發(fā)生變化。同時對石英晶片的頻率溫度特性產(chǎn)生影響，適當?shù)卦龃蠡驕p小晶片的倒角會對石英晶片頻率進行補償，但不論晶片出現(xiàn)何種缺陷，均會影響晶片的頻率穩(wěn)定性，同時，晶片缺陷對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，應當提高晶片加工工藝水平和精度，如研磨、拋光和清潔等工序。

本課題僅對石英晶片外觀缺陷對頻率的影響進行初步的研究，對后續(xù)石英晶片外觀缺陷頻率在線檢測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)。

參考文獻

[1] 李東，劉桂禮.石英晶體諧振器電參模型及其對測量精度的影響[J].天津大學學報，1999（6）：781?784.

[2] 宋新菊，李東，王艷林，等.用于石英晶體?頻率測試相位檢測技術(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] 王國元，羅偉雄，江柏森.高頻鑒相的取樣數(shù)值法實現(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)測量技術(shù)研究[J].儀器儀表學報，2006（5）：447?450.

[6] 王華軍，李東，王艷林.零相位法石英晶片測試儀設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀器儀表標準化與計量，2006（2）：29?31.

[7] 于振歡，李東，王艷林.石英晶體自動測試及分選系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，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)計算機測量系統(tǒng)[J].中南大學學報：自然科學版，2004（1）：101?105.

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

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