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什么是石英晶体?石英晶体的作用与生产工艺

石英晶体元器件由于品质因数(即“Q值”)较高,而且受温度影响所造成的频率偏移较小,相对其他振荡元器件更加准确和稳定,特别适用于对频率准确度要求较高的通讯产品。产品广泛应用于通讯、资讯、网络、汽车电子和家用电器等领域,规格通常以频率(MHz)、精度(PPM)、尺寸(mm×mm)以及封装方式区别。

 

石英晶体元器件产品可分为以下三大类:

 

1、石英晶体谐振器

 

石英晶体谐振器是由满足一定频率标准、具有一定形状、尺寸和切型的石英晶片与电极、封装外壳组成。它利用石英晶体本身的压电效应与逆压电效应产生频率,发挥频率控制作用。凡需要频率信号的电路,在一定范围内均可以利用石英晶体压电效应振荡取得,因而是大部分电子产品不可缺少的重要元件。

 

2、石英晶体振荡器

 

石英晶体振荡器是由品质因数极高的谐振器和专门的振荡电路组成。晶体振荡器广泛运用于资讯、通讯及消费性电子产品。

 

3、石英晶体滤波器

 

以石英晶体与线圈、电容、电阻组合封装即为石英晶体滤波器。滤波器可使特定频率通过,或者使某一特定范围内的频率通过,主要应用于通讯领域。

 

石英晶体谐振器作为频率控制和频率选择的核心元件,广泛应用于通讯领域(手机、无绳电话、小灵通、对讲机);资讯领域(笔记本电脑、台式微机、服务器、打印机、移动硬盘、光盘驱动器、传真机);网络产品(网络控制、网络接口及适配器、网络连接器、网络检测设备);家用电器(液晶电视、数码摄像机、数码相机、机顶盒、DVD、MP3、光盘刻录机、家用音响);汽车电子以及航天航空产品等方面,近年来汽车电子、GPS、数码相机、液晶电视、蓝牙产品、MP3等新兴产品的发展,扩大了石英晶体元器件的应用领域。

 

SMD石英晶体振荡器作为频率信号发生源,是在石英晶体谐振器的基础上配加反馈放大电路制造而成。在石英晶体谐振器的制造技术基础上,SMD石英晶体振荡器制造技术的关键是电路设计、石英振子与电路配合参数的选择、测试技术。

 

SMD谐振器工艺流程图如下:

 

小尺寸SMD谐振器用晶片设计制造技术

 

SMD谐振器的晶片相当微小,由于石英晶体谐振器的主振动采用石英晶体的厚度切变振动,但同时石英晶体存在宽度弯曲振动等寄生振动模式。对于SMD谐振器,宽度弯曲振动特别容易产生,当晶片的宽厚比达到某些数值时,寄生振动会非常接近于需要的主振动。当晶体工作时,其输出的频率信号会不稳定。由于晶体的频率与晶片的厚度成反比,为了晶片的宽厚比避开这些数值,晶片的宽度尺寸加工非常重要。国内其它同行的晶片尺寸通常精确到0.01mm,其测量仪器一般用测量精度为0.001mm的微米千分尺。

 

为了使晶体能够在0.01μW时稳定工作,必须降低晶体的等效电阻,而晶体的等效电阻与晶片表面的光洁度、清洁度以及晶体加工过程中产生的应力有关。本公司采用了精细抛光工艺和新型的清洗工艺及清洗剂,提高了晶片表面的光洁度和清洁度;采用了电清洗工艺和高温退火工艺,减少了应力。

 

生产注意事项

 

由于欧盟RoHS指令的实施,所以电子产品的焊接均使用无铅焊料,而无铅焊接需要焊接温度高达260℃。由于石英晶体中水晶与电极材料银的膨胀系数不同,在如此高的焊接温度下,会导致银电极与水晶的结合力大幅度下降,将严重影响石英晶体谐振器的性能,严重时会导致石英晶体谐振器的失效。采用双层电极膜溅射技术,利用在银电极和水晶之间增加一层不同的金属膜的方法,能解决焊接温度提高时电极结合力下降的难题。

 

在常规的石英晶体谐振器生产工艺中,通常采用在银电极上再增加银的方法调整频率精度,这种技术可以用在产品尺寸较大的产品。如果在小型化的SMD产品中使用,会带来两个缺陷:一是新增加的银的形状有时候会与原来的银电极不能重合;二是在银电极溅射之后和频率调整之前有一个高温的烤胶工艺,由于高温的影响,会使银电极产生氧化膜,如果这时候再增加银来调整频率精度,将会使电极氧化膜包在电极内,导致石英晶体谐振器性能的恶化。

 

离子刻蚀频率微调技术采用相反的方法,在银电极上减少银的方法来调整频率精度。离子刻蚀技术正好能够解决上述两个缺点。