頻率微調(diào)是大多數(shù)廠家應(yīng)用在石英晶振身上的一種加工技術(shù)，在實際生產(chǎn)中比較關(guān)鍵，直接決定了石英晶體諧振器是否可以大批量生產(chǎn)，以及量產(chǎn)的品質(zhì)，對晶振廠家來說極其重要。接下來由金洛鑫電子帶大家了解一下，什么是貼片晶振和插件晶振的離子刻蝕頻率微調(diào)加工技術(shù)的原理，和使用方法。

離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝與真空蒸著頻率微調(diào)有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調(diào)方法都必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行,因此在加工前都必須確認(rèn)真空腔的真空度是否達(dá)到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認(rèn)真空腔的水冷設(shè)備沒有漏水現(xiàn)象,使用的真空泵需要用真空油時還要確認(rèn)真空腔內(nèi)沒有被油污染。接著還要保證晶振上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環(huán)境最好是5000級以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調(diào)加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移問題,這個問題將影響到生產(chǎn)效率和合格率。

離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移:

采用離子刻蝕進(jìn)行頻率微調(diào),在刻蝕后頻率會發(fā)生偏移。這會使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后頻率會產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,貼片晶振的頻率相對于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時,一邊用測頻系統(tǒng)測定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當(dāng)刻蝕停止后,會出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象?？涛g剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因為離子刻蝕時對晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力[5][21]。其理論依據(jù)比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實驗,找出頻率偏移的規(guī)律,對石英晶體諧振器進(jìn)行離子刻蝕加工時設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的貼片石英晶振進(jìn)行實驗,用離子束對晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實驗對象:A品種的石英晶體使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實驗設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進(jìn)行較大刻蝕速度對石英進(jìn)口晶振進(jìn)行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當(dāng)刻蝕量為2000ppm時,頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時,頻率偏移量便會超過100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對無源晶振進(jìn)行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時的情況類似,刻蝕速度增加時,刻蝕后的偏移量也會隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時,刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時,刻蝕量為200pm時,刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實際生產(chǎn)時,如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會有所降低)。

離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進(jìn)行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時間后,由于離子刻蝕后的頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進(jìn)行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實際最終頻率,當(dāng)實際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報廢。

而在實際生產(chǎn)過程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識,不能精確的對加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的SMD晶振會因為刻蝕速度過快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當(dāng)時間超過設(shè)備的監(jiān)控時間后,就會直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實際應(yīng)用中,因為操作員沒有系統(tǒng)的理解以上理論知識,當(dāng)A品種的石英水晶振動子在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時,發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔(dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時應(yīng)該確認(rèn)是否是因為H段加工時的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過低。使得在進(jìn)行L段加工時,時間過長,超過了設(shè)備的監(jiān)控時間,而強(qiáng)制停止L段加工。而操作員沒有經(jīng)過確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因為速度太高,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因為沒有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時,因為H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節(jié)的知識和實驗數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終目標(biāo)頻率設(shè)定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。按這樣的設(shè)定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實際頻率以目標(biāo)頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照執(zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高壓電石英晶體的合格率。