新型結(jié)構(gòu)壓電石英晶片去耦效應(yīng)的研究*

楊 梅, 李 輝, 龍 利， 鄧 慧， 郭宇恒, 李強(qiáng)林

(1.成都工業(yè)學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 成都 611730； 2.成都泰美克晶體技術(shù)有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

隨著5G通信的發(fā)展，穿戴設(shè)備和移動(dòng)終端逐漸向小型化方向發(fā)展，勢必要求內(nèi)部的器件也向小尺寸方向發(fā)展，石英晶體諧振器和振蕩器作為通信的核心器件也不例外。當(dāng)前晶體諧振器已逐步向SMD1210和SMD1008封裝規(guī)格發(fā)展，這意味著晶體諧振器內(nèi)部核心部件壓電石英晶片也向小型化發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)械加工難以滿足小型化壓電石英晶片的加工需求，為了實(shí)現(xiàn)小型化壓電石英晶片的加工，該領(lǐng)域逐步引用半導(dǎo)體的光刻腐蝕工藝替代傳統(tǒng)機(jī)械加工。對于中/低頻壓電石英晶體傳統(tǒng)采用滾邊工藝實(shí)現(xiàn)Convex結(jié)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)能陷效應(yīng)，從而降低阻抗，然而光刻工藝難以實(shí)現(xiàn)Convex結(jié)構(gòu)，因此，采用的雙臺(tái)面(BI-MESA)結(jié)構(gòu)替代同樣有助于晶體能陷效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

Onoe M等人通過實(shí)驗(yàn)測試AT切壓電石英晶體諧振器的溫頻特性,證明了其振動(dòng)過程中存在厚度剪切(thickness shear,TS)振動(dòng)和厚度彎曲(thickness flexure,TF)振動(dòng)的耦合；且TF振動(dòng)模態(tài)非常強(qiáng)烈地耦合在TS振動(dòng)中，尤其TF易發(fā)生在晶片的振動(dòng)區(qū)域邊緣[1]。為了弱化TF振動(dòng)模態(tài)的影響，Goka S等人提出BI-MESA結(jié)構(gòu)提升電極區(qū)域的能陷效果。然而,隨著BI-MESA凸臺(tái)高度的增加，凸臺(tái)邊緣越來越多的耦合振動(dòng)模式被激發(fā)起來[2，3]；為了改善這一現(xiàn)象,Goka S等人將BI-MESA結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)改成階梯型的凸臺(tái)用以進(jìn)一步抑制耦合振動(dòng)的干擾，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,階梯型BI-MESA結(jié)構(gòu)在抑制TF振動(dòng)的能力得以提升[4～6]。此外Goka S等人為了抑制TF振動(dòng)的耦合,還將晶片的長度加長,其目的是加大點(diǎn)膠與中間MESA臺(tái)面之間距離,從而弱化TF振動(dòng)的干擾[7]。類似的研究在圓形AT切石英晶片中也有開展，Takashi A等人將晶片中央設(shè)計(jì)成Gaussian外形結(jié)構(gòu),同樣可以有效地抑制邊緣TF振動(dòng)的寄生干擾[8]。此外，Masako T等人通過理論計(jì)算的方式,發(fā)現(xiàn)BI-MESA型的晶體諧振器的振動(dòng)位移幅值小于Convex型，表明其能陷效果較差，這也意味著整體阻抗較大，Q值較低[9]，難以滿足實(shí)際工程需求。綜合上述，過往更多的研究聚焦于BI-MESA型壓電石英晶片在自由邊界條件下的振動(dòng)分析，缺少考慮實(shí)際點(diǎn)膠固支邊界條件對壓電石英晶片振動(dòng)的影響。

本文在結(jié)合實(shí)際點(diǎn)膠固支邊界條件下，提出一種新型結(jié)構(gòu)的壓電石英晶體片的外形結(jié)構(gòu)，既能滿足降低晶片振動(dòng)的阻抗，又能更好抑制晶片在振動(dòng)過程中受膠點(diǎn)影響導(dǎo)致寄生振動(dòng)的干擾。

1 點(diǎn)膠固支邊界條件對晶體振動(dòng)的影響

本文借助有限元Ansys對三維各向異性壓電板進(jìn)行諧響應(yīng)分析，選擇SOLID226耦合場壓電單元，定義壓電常數(shù)矩陣、介電常數(shù)矩陣、密度和彈性矩陣，網(wǎng)格化后施加電場邊界條件并定義位移邊界條件，計(jì)算出振動(dòng)頻率和振動(dòng)模態(tài)。由于高頻段有限元計(jì)算的模態(tài)較多，在選擇計(jì)算頻率范圍時(shí)，可根據(jù)從Mindlin板的彈性理論得到的模態(tài)頻率公式，計(jì)算出晶片大概的頻率范圍,如式(1)

(1)

式中 2b為板的厚度，c66為彈性常數(shù)，ρ為密度。

首先考慮不同點(diǎn)膠大小對相同頻率片的影響，建立對比實(shí)驗(yàn)方案，具體參數(shù)如表1所示。

表1 帶有不同點(diǎn)膠大小的石英晶體參數(shù) mm

該壓電晶片選擇對象為BI-MESA結(jié)構(gòu)，其頻率為26 MHz；晶片表面濺鍍電極尺寸為0.65 mm×0.55 mm。壓電晶片的有限元模型如圖1所示。

圖1 BI-MESA結(jié)構(gòu)石英晶體有限元網(wǎng)格化

通過有限元諧響應(yīng)分析可獲取對比實(shí)驗(yàn)中2種不同點(diǎn)膠大小的晶體頻率片在電場激勵(lì)下振動(dòng)模態(tài)，如圖2所示。

圖2 不同頻率片模態(tài)特征

從圖2(a)模態(tài)分析結(jié)果可以觀察到第一組晶片在190 μm的導(dǎo)電膠加持下，在電場激勵(lì)作用下，距離膠點(diǎn)0.95 mm的位置處出現(xiàn)了能量集中。第二組晶片在100 μm的導(dǎo)電膠加持下其模態(tài)分析結(jié)果如圖2(b)所示。相比第一組實(shí)驗(yàn)對照晶片膠點(diǎn)距離電極區(qū)域增加了45 μm，電極區(qū)域的振動(dòng)受膠點(diǎn)影響較小，因此,電極區(qū)域的振動(dòng)能量更為集中，從而有助于抑制寄生干擾，降低振動(dòng)阻抗。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證點(diǎn)膠大小對頻率片振動(dòng)的影響，通過有限元仿真分別對2組晶片進(jìn)行應(yīng)力(St)分析，并將晶片沿長度方向所有節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值映射出數(shù)值結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同頻率片應(yīng)力分析

從圖3中可以觀察到對應(yīng)點(diǎn)膠尺寸較大的第一組晶片其XZ方向的應(yīng)力值較第二組晶片的應(yīng)力增大1倍。通常AT切石英晶片其主振動(dòng)是沿XY方向的TS振動(dòng)，而圖中產(chǎn)生的XZ方向的應(yīng)力屬于面切變振動(dòng)相對于主振動(dòng)屬于寄生振動(dòng)。因此,當(dāng)晶片固定的膠點(diǎn)較大，膠點(diǎn)距離中心電極區(qū)域距離較近會(huì)影響AT切晶片的振動(dòng)特性。

2 帶有溝槽的BI-MESA結(jié)構(gòu)的壓電石英晶體諧振器

由于晶體諧振器后道封裝各廠商對點(diǎn)膠的大小工藝控制不同，尺寸差異較大。為避免因膠點(diǎn)大小影響晶體的振動(dòng)特性，提出一種帶溝槽的晶體頻率片用于弱化因不同點(diǎn)膠大小對晶片振動(dòng)特性的影響。本文設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，如表2所示。

表2 帶有溝槽壓電石英晶片參數(shù) mm

通過建立有限元模型并對帶有溝槽的石英晶片進(jìn)行有限元的諧響應(yīng)分析，其有限元模型及對應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 帶有溝槽石英晶片結(jié)構(gòu)和模態(tài)特征

如圖4所示，通過帶有溝槽石英晶片的模態(tài)分析結(jié)果可以觀察到：1)由于開槽后電極區(qū)域的振動(dòng)到溝槽處無法傳遞到點(diǎn)膠區(qū)域內(nèi)；2)晶片的應(yīng)力集中在溝槽處。導(dǎo)致上述現(xiàn)象可能的原因是：一方面溝槽弱化了晶體振動(dòng)沿X方向向膠點(diǎn)處的傳遞;另一方面由于溝槽較小導(dǎo)致能量集中，這樣有助于弱化膠點(diǎn)對晶體振動(dòng)的力—頻效應(yīng)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述猜想，本文收集了3組晶片進(jìn)行了沿長度方向所有節(jié)點(diǎn)振動(dòng)幅值的采集，如圖5所示。圖5中橫坐標(biāo)0.21 mm的位置對應(yīng)是BI-MESA結(jié)構(gòu)晶片的凸臺(tái)邊緣。從圖5(b)和(c)結(jié)果可以觀察到，沿X方向，主振動(dòng)位移從凸臺(tái)的邊緣到頻率片的邊緣非常平滑地進(jìn)行能量衰減。而膠點(diǎn)較大的晶片位移分析如圖5(a)所示，其主振動(dòng)衰減到膠點(diǎn)位置出現(xiàn)了位移跳變現(xiàn)象，其原因可能由膠點(diǎn)的力—頻效應(yīng)影響。

圖5 壓電石英晶片的振動(dòng)位移分布

最后,本文從能量角度對上述三組頻率片進(jìn)行分析，將有限元分析得到的應(yīng)力和應(yīng)變值相乘求得應(yīng)變能即勢能大小，如圖6所示。

圖6 壓電石英晶片的彈性能量分布

從圖6(a)和(b)可以觀察第一組和第二組晶片受點(diǎn)膠影響，當(dāng)膠點(diǎn)越大XZ方向的面切振動(dòng)能量和XX方向的伸縮振動(dòng)能量非常大，從而導(dǎo)致主振動(dòng)能量降低，這樣的振動(dòng)勢必導(dǎo)致諧振阻抗較大；從圖6(c)可以觀察到，由于溝槽結(jié)構(gòu)的存在更好地抑制了XZ方向的面切變振動(dòng)的干擾，同時(shí)由于溝槽的截?cái)嘤兄谝种芚X方向的伸縮振動(dòng)干擾，因此,主振動(dòng)的能量較大。通過上述結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，第三組帶有溝槽結(jié)構(gòu)的晶片的XY方向的TS振動(dòng)的能量相對于第一組晶片的主振能量提升了近40倍，有助于提升器件的Q值，降低其振動(dòng)阻抗。

3 結(jié) 論

晶體的振動(dòng)過程中膠點(diǎn)對晶片的約束會(huì)影響晶體的振動(dòng)特性，其主要原因是膠點(diǎn)對電極區(qū)域的振動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的力—頻效應(yīng)的影響。本文通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在BI-MESA結(jié)構(gòu)的晶體表面靠近點(diǎn)膠區(qū)域開設(shè)溝槽可有效隔斷電極區(qū)域與點(diǎn)膠固定區(qū)域的相互影響，一方面可有效抑制寄生振動(dòng)的干擾，同時(shí)也可改善點(diǎn)膠區(qū)域的應(yīng)力對電極區(qū)域產(chǎn)生的力—頻影響，有助于提升器件的Q值。