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通过调节激光器的三个激光参数,来改变石英晶振频率微调量,从而在不剥落晶振晶片表面电极层的前提下,达到最大频率微调量。三个参数分别为:电流,频率和Q脉冲宽度。

电流与石英晶振微调量之间的关系

固定频率为5KIHz,Q脉冲宽度为50微秒,改变电流从10安到19安来测频率微调量。

   下面为亿金电子独家提供精工晶振32.768K晶振系列Q-SC32S03220C5AAAF晶振编码.表格中均为32.768K晶振对应的不同封装尺寸原厂代码.包括7015晶振,3215晶振,2012晶振,1610晶振，2x6晶振等封装.

用激光刻蚀图形,把石英晶振晶片表面电极层部分完全剥落的方法,其优点首先在于频率微调量大,大气中即可达到2000pm以上的频率微调量。

其次,刻蚀图形的方法,可以对石英贴片晶振晶片一面进行加工,而实现两面同时同剥落其次,刻蚀图形的方法,可以对晶片一面进行加工,而实现两面同时同剥落。

第三,由于在生产过程中,石英贴片晶振晶片表面的电极层是靠掩膜镀敷到晶片表面上的, 在掩膜的过程中,边缘处会产生散射,使得沉积在晶振晶片上的银层边界线不够清晰有部分散射银残留的现象,同时也会影响晶振晶片的Q值。用激光刻蚀图形的方法, 对晶片边缘进行加工,便可以清除边界残留银层,使得晶片表面银层清晰于净, 时提高晶片的Q值。

调节激光器的电流和激光扫描时间到适当的值,是可以实现对石英晶振,贴片晶振进行频率微调的。虽然实验中微调的量最小也是kHz数量级,但从两组数据中可以看出只要电流和扫描时间调节的得当,进行几Hz~几百Hz数量级的频率微调也是可行的,亦即实现晶振ppm级的频率精度。

其次,从实现数据中可以看出频率微调量在扫描时间固定的情况下,并不是与激光电流完全成正比;而在激光电流固定的情况下,也不是与扫描时间完全成正比的。这一方面可能与表面银层对于激光的反射作用有关,大量的激光束被银层反射回去,没能用于对表面电极层进行气化,只有通过加大激光电流的办法来加强对表面的轰击。但这样一来很容易造成频率微调量过大,超出了想要的频率微调数量级的现象。

另一方面可能与整个石英晶振激光频率微调实验进行的环境有关。整个激光频率微调实验完全在大气环境下进行,受激光扫描而气化的分子受大气中的分子颗粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆积在表面其他地方。这样实际上晶振晶片的质量并没有减小,由 Sauerbrey方程:

可知质量没有改变就不会对石英晶振频率产生微调,因而网络分析仪就测量不出频率的变化。这样实验时就会继续加大激光电流或是增加激光照射或扫描时间。而这样是不对的。因为实际上气化过程在频率真正得到改变前就已经发生了,只是石英晶振晶片总质量没有改变从而不会对频率产生影响。当增强后的激光照射在晶片表面时,有可能电流过大,穿透表面银层,产生与图3.5类似的情形,造成实验失败。

此外,从实现数据可以看出,激光扫描电流和激光扫描时间两个参数并不是独立作用的,并不是增加或减少其中的一个就可以直接影响晶振频率微调量的。因而需要两个参数相互配合,在实验的基础上达到一个最佳平衡点。

从实验中可以推断,除了激光扫描电流和激光扫描时间两个参数外,还有其它的参数影响着实验结果。如:气压,气温,甚至激光扫描路径。因而需要大量、反复的实验来找出这些关系,进而找到实现精确石英频率微调的最佳方案。

运用不同的工艺方法,对石英晶振进行频率微调,以不同参数的激光产生不同的微调量和微调效果。通过拍摄SEM照片,来研究在不同的激光参数和条件下,激光对于石英晶振表面及内部的改变和损伤情况。共分五种情况对激光刻蚀损伤进行研究。

1.直接刻蚀石英晶振片表面。

2.以大电流刻蚀石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

3.以适当的激光参数刻蚀石英晶振表面银电极层,并无明显的刻蚀痕迹,频率微调量在50ppm,其他电性能参数改变量均小。

4.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层外层圆环,频率微调量达l000pm。

5.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层半边圆,频率微调量达2300ppm。

以下为石英晶振实验结果分析

1.直接刻蚀石英晶振片表面

在电流为11A,激光频率为10KHLz,Q脉冲宽度为10s的条件下,直接对石英晶振片进行环状刻蚀。刻蚀示意图如图4.7所示。

图中虚线所示为激光刻蚀的轨迹,可见激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的银电极层上。经刻蚀,贴片晶振,石英晶振片的频率从10.0268376MHz,上升为10.0268780MHz,频率微调量为404pm。这样做的目的,是为了观察当激光直接作用于晶片本身的时候,会对晶片产生怎样的影响。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.8所示。

从图中可见,被激光刻蚀后的区域,石英片表面平整,形貌良好,并未对下面石英晶体产生损伤。部分晶体被激光刻蚀掉后由于大气中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆盖在原晶片上。

2.以大电流刻蚀贴片晶振,石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

在电流为14A,激光频率为10KHz,Q脉冲宽度为10ys的条件下,对石英晶振片表面银电极层进行刻蚀。刻蚀图形及示意图分别如图4.9、4.10所示。

在14A的激光电流刻蚀下,晶片表面刻蚀区域的电极层被损坏,出现了肉眼可见的较大范围内明显剥落痕迹。至使频率计无法读出其谐振频率,石英晶片停振。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.11所示。

如图所示,图中左半边银电极层清晰可见,均匀的覆盖在石英表面。而右半边银电极层被激光刻蚀剥落,被剥落处银电极层与贴片晶振,石英晶振混在一起,界线模糊。并且剥落已经损伤到石英晶振本身。损伤延伸至2000m深度。

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面会发生反射、散射、吸收等,要进行激光辐射的热效应理论计算,首先要知道有多少辐射能量被石英晶振材料吸收。对于透明或半透明的材料,需要测量材料的反射率和透射率,而对于不透明材料,只需要测量其反射率就足够了。

从微观来看,激光对石英晶振的作用是高频电磁波对物质中自由电子或束缚电子的作用,晶振对激光的吸收与物质结构和电子能带结构有关。金属中存在大量的自由电子,在激光作用下这些自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波,透射部分将被电子通过轫致辐射过程而吸收,继而转化为电子的平均动能,再通过电子与晶格之间的驰豫过程转变为热能。

非金属与金属不同,它对激光的反射比较低,对应的吸收比较高。石英贴片晶振电介质对激光吸收与束缚电子的极化,单光子或多光子吸收,以及多种机制的非线性光学效应有关。透明电介质表面或石英晶振体内的杂质和缺陷往往强烈吸收激光,成为破坏的根源。半导体对激光的吸收有多种机制,以本征吸收最为重要,产生的电子一空穴对很快通过无辐射跃迁复合,将吸收的光能转变为热能。等离子体是特殊条件下存在的电离气体,蒸气等离子体对激光有很强的吸收作用。

石英晶体谐振器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,其基本结构为:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。图2.1是石英晶振结构图。图22是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。

石英晶振晶体的压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶振晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时石英晶振晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶振晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方向、几何形状、尺寸等有关。

石英晶振晶体的符号和等效电路

石英晶体谐振器的符号和等效电路如图23所示。当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个pF到几十pF。当石英晶体谐振时,机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH.晶振晶片的弹性可用电容C来等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效, 它的数值约为100g。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。加上晶振晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方向、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英晶体谐振器组成的谐振电路可获得很高的频率稳定度。

从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即(1)当L、C R支路发生串联谐振时,石英晶体谐振器的等效阻抗最小(等于R)。串联揩振频率用fs表示,石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性;(2)当频率高于fs时,L、C、R支路呈感性,可与电容C0发生并联谐振,其并联频率用fd表示。工程技术中石英谐振器就工作在fs到fd范围内或这两个频率的奇次谐频上。

根据石英晶振的等效电路,可定性画出它的电抗一频率特性曲线如图2.3所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时,石英晶体呈容性。仅在fs极窄的范围内,石英晶体呈感性。石英晶体表面附着电极层后的膜系结构示意图如图24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶体谐振频率与晶体表面附着物质(此处为上、下两面的银电极层)之间的变化关系,该方程如下:

其中f0为石英晶振原始谐振频率(单位为Hz),△f为晶振的频率变化量(单位为Hz),△m为晶体变化的质量(单位为gcm-2),A是晶体有效面积(即电极面积,单位为cm2),pμ是石英晶体的密度,μφ为晶体剪切弹性模量。

对于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均为常数,因而, △f与△m的绝对值成正比,负号表示表面银电极层质量的增加,会引起石英晶振谐振频率的减少;而表面银电极层质量的减少,会引起石英晶振谐振频率的增加。即:增加银层质量和减少银层质量两种方法都可以改变石英晶振的谐振频率。

可见,附加的银电极层会对石英晶振器的谐振频率产生影响。因而工业生产中,一般先制作出与目标频率接近的石英晶片并附加表面电极,再通过改变表面电极厚度方法,来微调晶振频率以达到目标频率。