SMD石英晶體八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)

李冬強(qiáng) 姜凡 高志祥

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇南京 210038）

0.引言

在石英晶片加上交變電場時(shí)，會產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械形變振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械形變振動(dòng)反過來又會產(chǎn)生交變電場，當(dāng)外加交變電場的頻率等于石英晶片的諧振頻率時(shí)，振動(dòng)會顯著增強(qiáng)，呈現(xiàn)諧振特性。利用石英的壓電效應(yīng)制作的石英晶體具有頻率穩(wěn)定度高、Q值高、成本低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于時(shí)間頻率基準(zhǔn)和為時(shí)序邏輯電路提供同步脈沖。

石英晶體諧振器是一種用于選頻和穩(wěn)頻的重要電子元器件，廣泛運(yùn)用在有線通訊、無線通訊、電子測量儀器、數(shù)字儀表、醫(yī)用設(shè)備等各種產(chǎn)品中。在衛(wèi)星通訊、雷達(dá)導(dǎo)航測控，衛(wèi)星地面站，廣播電視系統(tǒng)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等重要特殊領(lǐng)域，對石英晶體的可靠性要求更為嚴(yán)苛，抗振性尤為突出，因此本文就提升石英晶體抗振性能進(jìn)行研究，提出并驗(yàn)證了八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)的有效性。

1.八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)方案

1.1 石英晶體組裝結(jié)構(gòu)

石英晶體主要由基座、石英振子、銀膠、蓋板4部分組成，其中基座大多由陶瓷構(gòu)成，為石英振子提供載體及相應(yīng)的導(dǎo)電通路，同時(shí)基座與蓋板相結(jié)合，構(gòu)成密閉空間，為石英振子打造氮?dú)?、高真空等工作環(huán)境。

石英振子是表面鍍上特定電極圖形的石英晶片，主要鍍膜材料一般為金或銀，是整個(gè)石英晶體的核心部件，扮演著“心臟”的角色，在石英晶片兩面電極金屬膜上加一交變電場即可激發(fā)石英振子的壓電效應(yīng)，石英晶體啟動(dòng)工作模式。

導(dǎo)電膠是一種同時(shí)具備導(dǎo)電性能和粘接性能的膠黏劑，它可以將多種導(dǎo)電材料連接在一起，使被連接材料間形成導(dǎo)電通路。導(dǎo)電粒子使導(dǎo)電膠中導(dǎo)電性的來源，不同導(dǎo)電粒子的各參數(shù)不同，添加入導(dǎo)電膠后其導(dǎo)電性和膠體的其他性能也有所不同；樹脂體系作為導(dǎo)電膠力學(xué)性能和粘接性能的主要來源。石英晶體行業(yè)通常采用銀做導(dǎo)電粒子，樹脂體系選擇環(huán)氧樹脂，通常稱導(dǎo)電膠為銀膠。

通常在石英晶體的加工過程中，是利用銀膠將石英振子表面電極與基座Pad實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，保證良好的導(dǎo)電性能；同時(shí)銀膠還有另外一個(gè)重要的作用就是把石英振子牢固的固定在基座上，防止石英振子的脫落，對石英晶體的抗振性起著至關(guān)重要的作用。

1.2 傳統(tǒng)四點(diǎn)膠技術(shù)

為了保證良好的導(dǎo)電性能的同時(shí)，具有可靠的抗振性能，行業(yè)通常采用傳統(tǒng)的四點(diǎn)膠技術(shù)方案，在一定程度上起著不錯(cuò)的效果。

具體四點(diǎn)膠技術(shù)實(shí)施方案如下：先在基座上點(diǎn)涂2個(gè)銀膠膠點(diǎn)，然后將石英振子搭載到膠點(diǎn)上，如圖1所示，2個(gè)銀膠膠點(diǎn)分別與石英振子的2個(gè)底面副電極對應(yīng)；接著再在石英振子上表面繼續(xù)點(diǎn)涂2個(gè)銀膠膠點(diǎn)，如圖2所示，上下表面的4個(gè)膠點(diǎn)兩兩相互對應(yīng)，最后將點(diǎn)涂四點(diǎn)銀膠完畢后的半成品放入烤膠隧道爐中進(jìn)行銀膠固化，同時(shí)釋放表面應(yīng)力。

圖1 石英振子兩點(diǎn)底膠

圖2 石英振子兩點(diǎn)面膠

傳統(tǒng)的四點(diǎn)膠技術(shù)方案通常運(yùn)用在2016及以上尺寸的SMD石英晶體諧振器上，抗振性能能夠滿足一般領(lǐng)域的需求，但對于武器裝備等特殊領(lǐng)域或特殊運(yùn)用場合，四點(diǎn)膠已經(jīng)不能極為嚴(yán)苛的抗振性能要求。

1.3 八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步加強(qiáng)石英晶體的抗振性能，在傳統(tǒng)的四點(diǎn)膠技術(shù)方案的基礎(chǔ)上再次升級，進(jìn)行八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)，用以滿足特殊領(lǐng)域、特殊場景的可靠性要求。

八點(diǎn)膠抗振設(shè)計(jì)以傳統(tǒng)四點(diǎn)膠方案為基礎(chǔ)，膠點(diǎn)也分上下表面兩次點(diǎn)涂，下表面4個(gè)膠點(diǎn)位置分布如圖3所示；石英振子搭載后，再次進(jìn)行上表面4個(gè)銀膠的點(diǎn)涂，如圖4所示，上下表面的8個(gè)膠點(diǎn)兩兩相互對應(yīng)，導(dǎo)電膠及固化工藝保持不變。

圖3 石英振子四點(diǎn)底膠

圖4 石英振子四點(diǎn)面膠

石英振子負(fù)電極方向4個(gè)膠點(diǎn)起著導(dǎo)通基座與晶片并保持良好的電性能的作用，而石英振子末端4個(gè)膠點(diǎn)僅起著加強(qiáng)固定的作用，因此為了避免末端4個(gè)膠點(diǎn)對石英晶體的常規(guī)電氣性能產(chǎn)生不良影響，末端4個(gè)膠點(diǎn)不能接觸石英振子表面電極區(qū)域。

2.八點(diǎn)膠設(shè)計(jì)抗振性能驗(yàn)證

2.1 對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)

八點(diǎn)膠與傳統(tǒng)四點(diǎn)膠的抗振性能需要進(jìn)行試驗(yàn)對比論證，此次試驗(yàn)采用單一變量對比試驗(yàn)準(zhǔn)則，取同一批基座、石英晶片、蓋板、銀膠，同設(shè)備加工、同批次鍍膜、同工藝制程管控，加工出四點(diǎn)膠、八點(diǎn)膠25MHz石英晶體各一批。分別對兩批產(chǎn)品進(jìn)行馬歇特錘試驗(yàn)對比，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.2 馬歇特錘對比試驗(yàn)

馬歇特錘錘擊實(shí)驗(yàn)的原理是用重力對沖擊錘加速，使其擊打鐵質(zhì)目標(biāo)從而產(chǎn)生較大的加速度過載，通過調(diào)整齒數(shù)來調(diào)節(jié)瞬時(shí)加速度，可以對產(chǎn)品抗振及抗過載性能進(jìn)行驗(yàn)證，本次實(shí)驗(yàn)采用23齒，瞬時(shí)加速度40000g。

（1）取電氣性能合格的25MHz四點(diǎn)膠、八點(diǎn)膠石英晶體各30只，分為A1、A2、A3各10只四點(diǎn)膠25MHz石英晶體，B1、B2、B3各10只八點(diǎn)膠25MHz石英晶體，分別編號；（2）將6組石英晶體進(jìn)行常規(guī)測試，測試數(shù)據(jù)與晶體標(biāo)號一一對應(yīng)；（3）將A1和B1、A2和B2、A3和B3通過回流焊分別固定在X（長邊方向）、Y（短邊方向）、Z（厚度方向）3塊馬歇特錘試驗(yàn)板上；（4）X、Y、Z 3個(gè)方向分別進(jìn)行馬歇特錘機(jī)械沖擊，23齒，每個(gè)方向2次沖擊，瞬時(shí)加速度40000g；（5）將馬歇特錘機(jī)械沖擊后的石英晶體取下，進(jìn)行常規(guī)測試，測試數(shù)據(jù)與晶體標(biāo)號一一對應(yīng)；（6）馬歇特錘機(jī)械沖擊前后常規(guī)測試數(shù)據(jù)對比分析；（7）四點(diǎn)膠、八點(diǎn)膠馬歇特錘試驗(yàn)結(jié)果對比分析。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

馬歇特錘機(jī)械沖擊后對各組石英晶體FL、RR、C0、C1主要電氣性能指標(biāo)變化值進(jìn)行分析對比，見表1：

表1 對比分析

統(tǒng)計(jì)各組沖擊后失效個(gè)數(shù)如表2所示。

表2 各組失效個(gè)事

實(shí)驗(yàn)后四點(diǎn)膠方案的產(chǎn)品共有六只不良，而八點(diǎn)膠技術(shù)方案加工的產(chǎn)品在馬歇特錘錘擊實(shí)驗(yàn)后性能均合格，沒有不良產(chǎn)生，數(shù)據(jù)上直觀地顯示了八點(diǎn)膠技術(shù)方案在抗振性能上明顯由于四點(diǎn)膠技術(shù)方案。

3.結(jié)論

通過馬歇特錘對比實(shí)驗(yàn)，SMD石英晶體八點(diǎn)膠抗振效果顯著，加強(qiáng)了石英晶體的抗振可靠性，對石英晶體在武器裝備、信號基站等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證。