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石英晶体谐振器是怎么“炼”成的?
2020年12月14日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:561
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石英晶体谐振器是一种生活中随处可见的电子器件,诞生于20世纪20年代初,因具有较高的品质因数及良好的频率稳定性,被广泛应用于航天、通信、军事等工业领域。

石英

顾名思义,制造石英晶体谐振器的原材料就是石英,一种非常重要的压电材料。其主要特征是其原子或分子有规律排列,反映在宏观上是外形的对称性,在电场的作用下,晶体内部产生应力而形变,从而产生机械振动,获得特定的频率。石英晶体谐振器就是利用它的这种逆压电效应特性来制造的。

应用方面,最早是保罗·朗之万在第一次世界大战期间首先探讨了石英谐振器在声纳上的应用。发展到今日,目前石英谐振器主要用于在卫星通讯、广播电视、计算机、电话、遥控器等各类振荡电路中,为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号,是大部分电子电路中不可缺少的重要组成部分。

石英晶体谐振器的基本构成

石英晶体谐振器主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成,根据引线状况可分为直插(有引线)与表面贴装(无引线)两种类型。当前常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49/S、GLASS、UM-1、UM-4、UM-5与SMD。下图是一个除去外壳的石英振荡谐振器,可以看见内部的透明石英片与上面所镀的金属电极。

石英

常见的石英晶片形状有三种:圆形,方形,SMT专用或棒型(也是方形,但比较小),取向不同时,其压电特性、弹性特性和强度特性就会不同,用它来制造的谐振器的性能也不一样。现有的切割方式可分为AT-CUT、BT-CUT、CT-CUT、DT-CUT、FT-CUT、XT-CUT、YT-CUT;每种切法对应一个角度,采用何种切法应根据实际情况而定,如对温度特性要求较好则应采用AT-CUT,如果对晶振要求的频率较高时则采用BT-CUT。晶片的切割方式、几何形状、尺寸等决定了晶振的频率。

石英

几种切型石英片的方位图

石英晶体谐振器的制备

要生产出性能良好的石英晶体谐振器,除具有合理的设计及优良的原材料外,生产工艺将起决定性作用。不同类型的石英晶体振荡器生产工艺不尽相同,通常可以概括起来下图所示的流程。

石英

具体步骤如下:

首先进行毛片分选,因石英毛片切角误差较大,因此在粗加工前要先用X光定向仪进行角度分选。再根据需要选择合适角度的毛片进行加工,即粘条、切籽晶、改圆等。

然后进行研磨工序,一般分为粗磨、中磨和细磨。粗磨主要是对晶片进行角度和厚度切削,中磨和细磨是对晶片进行精细的厚度调整。

研磨之后,为保证晶片表面质量和晶体在使用时稳定、可靠,对石英晶片进行抛光、清洗工序。晶片愈厚对晶体的起振性能、电阻的影响愈大,因此清除晶片因研磨造成的表面松散层的深腐蚀方法较有效。

装架点胶是将镀好电极的石英片慢慢放入带状支架的两金属片之间,让带槽孔的两金属片紧紧夹住石英片,然后在电极和金属片接触处涂上一层导电胶,使电极膜通过边缘上的导电胶与金属片接触而产生电连接囗。

调频是晶振生产中的一步关键工艺,即调整晶振的谐振频率以达到设计要求。对于不同类型的晶振调频方式各有差异,有采用真空镀膜调频、打磨晶片调频等方法。对于技术附加值较小、成本要求比较高的晶振生产,多采用打磨晶片调频工艺。

最后进行外壳封装、印字和成品测量工序。

总结

随着各国信息产业与电子产业规模不断扩大,晶振的应用范围还在不断扩张,带动其市场规模不断增长。目前市场对高精度、高频化、高稳定度、低功耗的晶振产品有很大的需求,而且随着电子产品向超薄化、小型化、功能集成化方向发展,晶振产品也随之向小型化、片式化、集成化方向升级,因此晶振行业生产技术应该还存在很大的进步空间。

资料来源:

晶振生产自动化工艺关键技术研究。韩孝龙。

粉体圈 NANA整理


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