中低頻石英水晶片的外型加工探討

高志祥　李坡　陸萍

1、引言

隨著微電子學(xué)的發(fā)展以及集成電路的廣泛應(yīng)用，特別是當今便攜式消費電子產(chǎn)品和表面安裝技術(shù)的興起，對石英晶體諧振器（以下簡稱晶體）的微型化的要求也愈加迫切。由于歷史的原因，生產(chǎn)晶體的外殼等原材料還控制在日本企業(yè)手中，現(xiàn)階段中國各晶體制造企業(yè)的競爭主要表現(xiàn)為水晶片制造工藝水平的競爭。對于國內(nèi)晶體生產(chǎn)廠商而言，微型化也主要著眼于減小晶片尺寸。本文主要討論水晶片外型的制造工藝，對于晶片的短邊尺寸對電氣性能的影響，不作討論。

2、5032中低頻石英水晶片的外型加工

2.1 5032水晶片尺寸分析

以筆者拿到的5032陶瓷基座來分析，其內(nèi)部的有效空間為L（4.0）*W（2.2）mm，考慮到水晶片點膠裝配的原因，據(jù)筆者了解到，目前行業(yè)內(nèi)水晶片采用的外型尺寸通常為L（3.5）*W（1.8）mm。本文也以L（3.5）*W（1.8）mm來討論外型修整方法。

2.2水晶片外型滾筒的原理

通過水晶片在一定曲率的金屬筒里翻轉(zhuǎn)，配合研磨砂的研磨，使水晶片獲得一定的外形。水晶片在金屬筒中翻轉(zhuǎn)時會獲得一定的離心下壓力，利用此下壓力，將水晶片和金屬筒壁緊密貼合產(chǎn)生摩擦力同時并有相對的位移產(chǎn)生，來對水晶片的外型進行修整，獲得加工所需要的外型，具體可見如下的示意圖例（圖-1）：

2.3 水晶片物理建模

前文已經(jīng)提到，本文以L（3.5）*W（1.8）mm來討論5032水晶片的加工。通常我們所知道的能量振動的模式如圖-2所示：

5032水晶片振動波節(jié)處在其端點處，如果中低頻水晶片不消除邊緣效應(yīng)，其正常發(fā)振的能量消耗是非常大的，對應(yīng)晶體的特性來說，其等效阻抗將非常大，所以考慮能量衰減的特性，理想的中低頻水晶片能量振動模式應(yīng)為圖-3所示：

其中，能量e分布為一個二次曲線。

從上面的分析來看，在加工5032水晶片時，要尋求達到如圖-3的效果，理想情況下，需要將水晶片外型修整成為曲面，以去除晶體邊緣效應(yīng)。

2.4 筒型模擬計算

這里介紹一種水晶片外形修整所需筒徑曲率的計算方法。筆者以南京中電熊貓晶體12MHZ5032水晶片為例來進行計算：

首先建立如圖-4的計算示意圖。

Le，12MHZ水晶片與所需金屬筒接觸的最大尺寸。

T，12MHZ水晶片的厚度。

R，所需金屬筒的筒徑。

由前面的圖-1實例中可以發(fā)現(xiàn)，如果生產(chǎn)者使用的是球型筒，那么水晶片與筒壁最大接觸尺寸實際是水晶片表面的對角線。可由式1計算得：

故使用曲率半徑為28.3mm球型筒加工為比較合適。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)各家公司具體操作方法進行調(diào)整，以筆者經(jīng)驗，通常實際使用的筒徑要比理論計算值放大零點五至一倍為宜。

2.5 實際應(yīng)用工藝

2.5.1傳統(tǒng)加工工藝

據(jù)筆者了解到，目前晶體生產(chǎn)企業(yè)通常使用高速滾筒機來加工5032水晶片。在計算出理想曲率筒型大小后，將水晶片投入到匹配球型筒中加工時，需要考慮水晶片在筒中離心力大小以及和筒壁之間相對位移的多少。球筒的離心力主要取決于球筒載體掛籃的公轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)半徑，目前國內(nèi)高速滾筒機的回轉(zhuǎn)半徑通常在300mm左右，公轉(zhuǎn)速度在300rpmMAX。若再需獲得更大的離心力，比較困難，而且對設(shè)備的制造工藝也提出更高的要求，在成本上也會大大增加。有的生產(chǎn)企業(yè)也在另辟蹊徑，嘗試在球筒中添加樹脂球來改善水晶片的滾筒加工。

2.5.2鋼珠水壓加工工藝

這里介紹一種創(chuàng)新的加工方法，是筆者親身參與的南京中電熊貓晶體的鋼珠水壓法，主要用于加工SMD型的水晶片。傳統(tǒng)的滾筒方法中，要最大程度地保持滾筒所使用研磨砂的干燥，以保證加工過程中不粘接，不影響加工。而鋼珠水壓法的工藝思路大膽創(chuàng)新，是在金屬筒中按照一定的比例加入水、鋼珠和研磨砂，再適當加入一定數(shù)量的水晶片進行外形修整。具體可見如下圖-5示意：

此加工工藝加工時需要注意到：

1）鋼珠的直徑大小：鋼珠的直徑不宜過大，否則不能對水晶片施壓。2）水晶片和鋼珠在金屬筒中均勻分布。由于在金屬筒中加入了鋼珠，和水晶片本身的自重相比，鋼珠的重量要大了很多，所以水晶片加工時所接受的壓力大，水晶片的外型更加接近于理論外型。筆者以南京中電熊貓晶體12MHZ/5032水晶片的加工效果來做簡單說明，見表1：

從表1中數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，用鋼珠水壓法加工的12MHZ/5032水晶片電阻一致性比較好，也充分滿足50ohms的規(guī)格要求，該批水晶片滾邊時間也僅為10個小時，完全可以實現(xiàn)12MHZ/5032水晶片的快速加工。

3、結(jié)語

以上是筆者的一點經(jīng)驗之談，通過筒型的選擇，筒徑的計算以及鋼珠水壓法的實施，對5032小尺寸水晶片的加工是很有幫助的，提高了企業(yè)生產(chǎn)的效率和水晶片品質(zhì)，以上雖然只是分析了電阻指標，但對于一些特殊的要求，控制晶片平臺及外型也是可以實現(xiàn)的。同時，筆者也注意到，在實際生產(chǎn)中不能一味的加快速度而施加過多地鋼珠，必須要考慮鋼珠的加入量對水晶片的破損率的影響，在實際操作中，由于水晶片外型修整速度的大大加快，要增加對水晶片外型監(jiān)控的頻次。

（作者單位：南京中電熊貓晶體科技有限公司）