熱沖擊對石英晶體諧振器穩(wěn)定性的影響研究

尹小三，徐俊俊

(臺晶(寧波)電子有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在以 人工智能(AI) 和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)為主導(dǎo)的智慧新時代，石英晶體諧振器(簡稱諧振器)作為一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率不可或缺的重要電子組件之一，對其性能要求也越來越高，尤其是高精度和高穩(wěn)定性。針對諧振器的穩(wěn)定性已有大量研究，其中最經(jīng)典的就是John Vig.對諧振器3種典型的老化特性曲線的總結(jié)。但除長期穩(wěn)定性，諧振器在瞬時熱沖擊下的頻率穩(wěn)定性也是其重要特性之一。終端組裝工藝中的回流焊(行業(yè)內(nèi)又稱reflow)就是一種常見的瞬時熱沖擊，本文主要研究回流焊對諧振器頻率穩(wěn)定性的影響。

1 現(xiàn)狀

石英晶片作為諧振器最重要組成部分，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域及工作溫度需求，產(chǎn)生了許多不同的切割方式，如AT、BT、D、SC、…。其中，AT切石英晶片可適用于數(shù)兆赫茲到數(shù)百兆赫茲的頻率范圍，AT切割方式應(yīng)用范圍廣且使用數(shù)量多。但AT切石英晶片對應(yīng)力較敏感，即應(yīng)力將直接影響諧振器的頻率穩(wěn)定性。

諧振器作為被動電子元器件，通常需經(jīng)回流焊工藝裝配到終端產(chǎn)品的印制電路板上，才能起振并產(chǎn)生頻率。回流焊是通過控制加熱溫度曲線加熱焊錫膏，使諧振器焊接于印制電路板上，這一過程約10 min，最高溫可達250 ℃。有熱就有應(yīng)力，受此工藝瞬時熱沖擊的影響，諧振器的頻率可能發(fā)生變化。在射頻、全球定位系統(tǒng)應(yīng)用[1]中，這一頻率變化有可能導(dǎo)致諧振器校準(zhǔn)失敗，所以諧振器經(jīng)回流焊后的頻率穩(wěn)定性也很重要。

根據(jù)長期試驗結(jié)果總結(jié)，諧振器經(jīng)回流焊后，其頻率變化可分為3類，如圖1所示。

1) 第Ⅰ類(頻率穩(wěn)定型)?；亓骱负笾C振器頻率基本維持不變。

2) 第Ⅱ類(頻率上飄型)?；亓骱负笾C振器頻率升高。

3) 第Ⅲ類(頻率下飄型)?；亓骱负笾C振器頻率降低，且在長期試驗研究中發(fā)現(xiàn)，諧振器的回流焊特性還具有明顯的可恢復(fù)性，如圖2所示。

圖1 回流焊后頻率變化趨勢

圖2 回流焊后頻率隨室溫靜置時間的變化趨勢

通過前人對諧振器穩(wěn)定性的研究結(jié)果可知，影響諧振器頻率穩(wěn)定性的主要因素是應(yīng)力、氣體逸出和污染。而回流焊屬于瞬時熱沖擊，雖然作用時間僅幾分鐘，也必有熱應(yīng)力產(chǎn)生，但對于氣體逸出和污染影響作用較小，由此推斷諧振器的回流焊特性主要受應(yīng)力影響。諧振器的應(yīng)力主要來源于晶片、電極薄膜、安裝支架及封裝過程等。此外，一般諧振器都需在石英晶片鍍一層金屬薄膜作為電極，常用電極薄膜材料為Au和Ag，使用不同材料電極的回流焊特性差異較大(見圖1)：使用Au薄膜的諧振器在回流焊后頻率變化表現(xiàn)屬于第Ⅰ類；而相同設(shè)計的諧振器，改用Ag薄膜后，回流焊后頻率變化表現(xiàn)多屬于第Ⅱ類。對于原材料特性，Au較Ag穩(wěn)定，且Au較Ag的熱膨脹系數(shù)小，即Au受溫度影響較小。因此，可推斷薄膜應(yīng)力是諧振器經(jīng)回流焊后頻率穩(wěn)定性的主要影響因素。

2 研究歷程

隨著外力或不均勻的溫度場等作用撤去后，材料熱脹冷縮，應(yīng)力會減小或增加，但最終仍有部分應(yīng)力殘留在產(chǎn)品內(nèi)部，且自相平衡，最終影響頻率穩(wěn)定性。如何控制和消除殘余應(yīng)力是我們一直努力的方向，這需要充分了解應(yīng)力來源、產(chǎn)生機制及測試方法等。

薄膜應(yīng)力是反映薄膜單位截面所承受的來自基體約束的作用力，且與基底應(yīng)力相反。從宏觀作用分，薄膜應(yīng)力可分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力；從微觀起源分，薄膜應(yīng)力可分為本征應(yīng)力(即內(nèi)應(yīng)力)和熱應(yīng)力。無論利用何種方法或何種性質(zhì)的材料(金屬、陶瓷、有機物等)制備的薄膜，其幾乎都處于某種應(yīng)力狀態(tài)。

常用的諧振器薄膜制備方法有蒸鍍法和濺射法兩種。蒸鍍薄膜一般處于張應(yīng)力狀態(tài)，而濺射薄膜中的應(yīng)力一般為壓應(yīng)力[2]。從應(yīng)力起源開始研究薄膜應(yīng)力，前人已對應(yīng)力產(chǎn)生機制做了總結(jié)和分類，應(yīng)力產(chǎn)生機制主要有晶格缺陷消除模型、接口失配模型、雜質(zhì)效應(yīng)模型和原子及離子釘扎效應(yīng)模型等，這都與薄膜成核、生長及微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而諧振器的薄膜應(yīng)力是這幾種機制綜合作用的結(jié)果。了解薄膜應(yīng)力起源后，才能找到恰當(dāng)?shù)姆椒ㄏ蚪档捅∧?yīng)力對產(chǎn)品特性的影響。消除薄膜應(yīng)力最根本的方法是選用熱膨脹系數(shù)相同的薄膜和基片材料，但這實現(xiàn)較難；此外，薄膜沉積方式的不同也會直接決定薄膜應(yīng)力的差異，有研究表明，濺射離子能量比真空蒸發(fā)時能量高1～2個數(shù)量級，它們以很高的能量沖擊薄膜，使薄膜體積增大，在其中形成壓應(yīng)力，通過選擇合理的濺射工藝參數(shù)可適當(dāng)降低薄膜應(yīng)力[3]；另外，退火工藝也是常用的處理薄膜應(yīng)力的方法，其主要是通過加速原子的擴散來消除凍結(jié)的缺陷，甚至還會發(fā)生各種再結(jié)晶，從而導(dǎo)致晶粒增大，晶界減少，以致降低或消除薄膜應(yīng)力。

以上關(guān)于薄膜應(yīng)力的各種產(chǎn)生機制模型和消除方法都是推論，最終還需要有準(zhǔn)確的測量方法進行確認。目前常用的應(yīng)力測試方法[4]有基底曲率法、X線衍射(XRD)法、拉曼光譜法及納米壓痕法等。其中，光譜法測試簡單，易實現(xiàn)高溫下的原位測量，特別是激光束斑直徑小(可達?1 μm)，對薄膜透射深度淺，在測量薄膜內(nèi)微區(qū)應(yīng)力及應(yīng)力分布時有極大優(yōu)越性。當(dāng)物體內(nèi)存在應(yīng)力時，某些對應(yīng)力敏感的分子鍵結(jié)就會隨之改變，根據(jù)拉曼峰的偏移可以判斷應(yīng)力類型及計算應(yīng)力[5]：當(dāng)受壓應(yīng)力作用時，分子鍵長通常要縮短，依據(jù)力常數(shù)和鍵長的關(guān)系，力常數(shù)增加，從而振動頻率增加，譜帶向高頻方向移動；相反，當(dāng)固體受張應(yīng)力作用時，譜帶向低頻方向移動，且拉曼譜帶偏移的改變與所受應(yīng)力成正比[6-7]。

3 回流焊試驗研究與分析

3.1 回流焊試驗

試驗使用3.2 mm×2.5 mm金屬封裝諧振器，晶片為AT切割基本波(54 MHz)，電極薄膜材料為Ag。采用濺射法制備薄膜，每組試驗各取30顆諧振器樣品，通過S&A 250B網(wǎng)絡(luò)分析儀對回流焊前后的諧振器頻率進行測量，然后通過頻率變化量評估其經(jīng)過回流焊后的頻率穩(wěn)定性。

為了研究回流焊對諧振器頻率變化的影響機理，并找到改善其頻率穩(wěn)定性的方法，綜合前面的分析，試驗規(guī)劃從以下兩個方向進行：

1) 從源頭減少薄膜應(yīng)力產(chǎn)生，通過降低濺射功率的方式實現(xiàn)，試驗條件及結(jié)果如表1所示。

表1 濺射工藝的試驗條件及試驗結(jié)果

2) 在應(yīng)力產(chǎn)生后，采用熱退火處理方式降低薄膜應(yīng)力，熱退火時間為1 h，試驗條件及結(jié)果如表2所示。

表2 熱退火工藝的試驗條件以及試驗結(jié)果

由表1、2可看出，當(dāng)濺射功率從400 W降到200 W時，諧振器在回流焊前后的頻率變化量可降低約4×10-6；當(dāng)熱退火溫度從200 ℃升到350 ℃，回流焊前后的頻率變化量可降低約5×10-6。因此，降低濺射功率或升高熱退火處理溫度都可有效改善諧振器在回流焊后的頻率穩(wěn)定性。

3.2 回流焊的影響分析

為了研究回流焊對諧振器頻率穩(wěn)定性的影響機理，采用JEOL JSM-IT100掃描電子顯微鏡對回流焊前后的電極薄膜表面形貌及晶粒大小進行檢測分析，如圖3所示。由圖可看出，薄膜微觀結(jié)構(gòu)及晶粒無明顯變化。

圖3 薄膜的表面形貌照片

同時，基于應(yīng)力測試方法中的拉曼光譜法，采用Thermo Fisher DXR2顯微激光拉曼光譜儀對石英晶片進行檢測分析，以此確認其應(yīng)力的變化及其對頻率穩(wěn)定性的影響機理。拉曼光譜分析使用532 nm激光光源和1 800線高精度光柵，測得純石英晶片的拉曼特征峰為464.36 cm-1。假設(shè)此時石英內(nèi)無應(yīng)力，并以此作為初始狀態(tài)的拉曼位移。由文獻[8]可知，石英內(nèi)應(yīng)力為

σ= 117Δk

(1)

式中Δk為拉曼位移差。

圖4為回流焊前、后的石英晶片拉曼譜圖。由圖可看出，石英晶片經(jīng)制造成為諧振器后，其拉曼特征峰位移往高波數(shù)移動至464.77 cm-1，根據(jù)式(1)可得σ≈48 MPa，石英晶片內(nèi)為壓應(yīng)力，即薄膜為張應(yīng)力。經(jīng)回流焊后，石英晶片的拉曼特征峰位移再往高頻方向移動至464.84 cm-1，較回流焊前壓應(yīng)力增加約8 MPa，由此可知，由于薄膜熱膨脹引起的張應(yīng)力增大導(dǎo)致石英晶片內(nèi)壓應(yīng)力增加。隨著冷卻時間延長，薄膜收縮引起張應(yīng)力減小，因而石英晶片內(nèi)壓應(yīng)力減小，最終表現(xiàn)為頻率逐漸恢復(fù)。

圖4 回流焊前、后的石英晶片拉曼譜圖

綜上可知，諧振器的回流焊特性是因其應(yīng)力變化而致，即薄膜應(yīng)力變化是回流焊對諧振器頻率穩(wěn)定性的影響機理。

4 結(jié)束語

瞬時熱沖擊對諧振器的頻率穩(wěn)定性有一定影響，且與產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)工藝有關(guān)。通過掃描電子顯微鏡和顯微拉曼光譜儀分析可知，回流焊通過應(yīng)力改變來影響諧振器的頻率穩(wěn)定性，而采用降低濺射功率至200 W，或升高熱退火處理溫度至350 ℃，可有效降低薄膜應(yīng)力，從而改善諧振器在瞬時熱沖擊后的頻率穩(wěn)定性，回流焊后頻率變化量降低(4～5)×10-6。