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希华晶体科技成立于1988年，专精于石英频率控制元件之研发、设计、生产与销售。从人工晶棒长成到最终产品，透过最佳团队组合及先进之生产技术，建立完整产品线，包含人工水晶、石英晶片、SAW WAFER，以及石英晶体、晶体振荡器、晶体滤波器、温度补偿型及电压控制型产品等，以健全的供应链系统，为客户提供全方位的服务。

产品应用范围包含行动电话、平板电脑、卫星通讯、车载系统、全球定位系统、个人电脑、无线通信及家用产品等，扮演基本信号源产生、传递、滤波等功能。持续致力于技术研究开发及品质落实扎根，营运据点遍布台湾、中国大陆、日本、新加坡、美国及欧洲等世界各地，使希华得以提供服务予世界电子大厂。

高频低功耗晶振晶体的使用需求量在不断增加,特别是对于物联网行业的无线应用.我们越来越多地发现设备彼此通信并通过无线电交换数据,例如通过蓝牙,ZigBee或ISM.所有这些无线电标准都使用三位数兆赫兹或千兆赫兹范围内的频段.为了产生这些RF频率,器件需要非常精确的参考石英晶振晶体,其频率范围从大约20到52兆赫兹.

无线应用对于晶振的要求不仅超薄小并且具备高精度.具有如此高谐振频率的石英晶体必须是超薄的.石英越厚,其频率越低,不太适合无线应用.

需要一系列生产步骤来生产足够薄的石英晶片.原始晶体块逐渐分成更小的单元.最小的单元最终是“空白”,锯切,研磨,蚀刻和抛光,以产生正确的厚度和特别光滑的表面.例如,为了制造共振频率为40MHZ的石英坯料,石英晶片的厚度必须仅为41.5微米.

晶振晶体几乎应用于现代通信设备中,如收发器,电话,传真,数据传输数字设备,无线电和电视发射机,雷达和声纳设备,以及数据处理设备和时间片,尤其是微处理器的精确时序.对于所有这些应用,利用晶振在某些条件下以极其恒定的频率振荡的固有特性.例如,手表中的石英晶体可以精确地以32.768K（每秒周期）振荡.借助于电子电路,这些振荡在手表的情况下非常精确地控制显示机构.

那么晶振制造最为关键的四个步骤须知是哪些呢？亿金电子下面给大家介绍下晶振晶体制造步骤概要.晶振制造最为关键的四个步骤可分为：切割, 研磨, 整理和 质量控制.

A.切割

切割操作是在石英晶棒上进行的第一个过程.用特殊的切片机将棒切成尺寸为1.27mmx1.27mmx0.04mm的小方形晶棒.切割晶棒的角度对于成品晶体的整体性能非常重要.特殊的X射线单元用于确保相对于原子平面的适当切割角度.

B.研磨

从“母石”切下的石英晶片,称为“空白”,现在经过研磨精密研磨机.当石英晶体被研磨时,首先在一台机器上,然后在另一台机器上,实现在坯料主表面上逐渐更精细的光洁度.由于研磨操作减小了坯料的厚度,晶体的频率增加.对研磨机的适当控制将导致产生具有极其精确频率的晶体.

C.整理

在将石英坯料研磨至将产生所需频率的厚度之后,将它们彻底清洁并将金属电极真空沉积在它们的两个主面上.电极拾取存在于石英晶振晶体表面上的电脉冲并将它们引导至弹簧.反过来,弹簧拾取电脉冲,此外,还有助于将晶体支撑在其安装基座上.

安装晶体后进行最终频率调整.在每个晶体上真空沉积附加金属.最后一步是通过将金属罐焊接到其底部来密封晶体,以保护易碎的坯料免受湿气,空气,处理等的损害.

D.质量控制

在过程质量控制中,在各种制造步骤中,确定有利的晶振产量.在完成的装置之前,它们在质量控制站进行彻底测试,在最低-55摄氏度到125摄氏度的温度范围内,最重要的是注意稳定的晶体频率.检查晶体的“活性”,因为它表明晶体振动的强度,并且进行“泄漏测试”以确保晶体与其环境密封,以防止单元的劣化.

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。

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。

采用离子刻蚀进行晶振频率微调,在刻蚀后晶振的频率会发生偏移。这会使频率调整精度低于真空蒸着频率调整法。如图4-4所示,离子刻蚀后石英晶振频率会产生偏移,纵轴表示与目标频率的偏差,单位是pm。在刻蚀前,石英晶振的频率相对于目标频率是负的。在调整时,一边用测频系统测定石英晶振的频率,一边用离子束照射石英晶振的电极膜, 电极膜被刻蚀,频率随之升高。当刻蚀停止后,会出现频率下降的现象。刻蚀刚停止的几秒内,频率下降较快,随后下降会渐渐变缓,最后趋于稳定,不再变化。这种离子刻蚀后频率偏移的原因比较复杂,其原因之一是因为离子刻蚀时对晶振晶片产生的热应力。其理论依据比较深奥,在此不做讨论。本文主要通过实验,找出频率偏移的规律,对石英晶振进行离子刻蚀加工时设定合适的参数,使得这种偏移在实际应用中产生尽可能小的影响。

现在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振进行实验,用离子束对晶片进行刻蚀,统计出蚀刻速度与频率偏移的联系。

实验对象:A品种的石英晶振使用的晶片是长方形,尺寸为长1996u±3u,宽1276u±2a,晶片厚度为62.04u。目标频率为26.998380MHz。晶片先用昭和真空生产的磁控溅射镀膜机SPH-2500进行镀膜,为了提高镀层密着性,先镀少量的铬膜, 然后按频率要求镀银膜,总膜厚约为1.73u。使得在离子束刻蚀加工前的频率与目标频率的差为2000ppm~300ppm之间。

实验设备:离子束刻蚀频率微调机使用昭和真空生产的SFE-6430T。离子枪的加速钼片到晶片表面的距离为25mm,氩气流量为0.35SCCM。

首先,进行较大刻蚀速度对石英晶振,贴片晶振进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4和图4÷5所示当刻蚀速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范围,离子刻蚀后的偏移量随着刻蚀速度的增加而有很大的升高。如当刻蚀量为2000ppm时,频率偏移量山刻蚀速度为1000ppm/s的35.8ppm快速增长到刻蚀速度为2000ppm/s的89.8ppm。当刻蚀量为3000ppm时,频率偏移量便会超过100pm。此外,从图4-5中可以看出,在同一刻蚀速度下,刻蚀后的频率偏移量还会随刻蚀量的增加呈线性升高。

其次,进行较低刻蚀速度对石英晶体,石英晶体谐振器进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4-2和图4-6所示,与高速时的情况类似,刻蚀速度增加时,刻蚀后的偏移量也会随之增加。并且,在同一刻蚀速度时,刻蚀后的偏移量也随刻蚀量的增加而线性增大。从图表中可以看出,刻蚀速度减小后,刻蚀后的偏移量也会减小很多。当刻蚀速度减小到80ppm/s时,刻蚀量为200pm时,刻蚀后偏移量仅为2.5pm。如果进一步控制刻蚀量,当刻蚀量降到100ppm时,刻蚀后偏移量仅为0.2ppm,基本接近于0。因此在实际生产时,如果能将刻蚀速度控制到80pm/s,刻蚀量控制在100pm以下, 晶振的离子束刻蚀后的频率偏差较大,且公差范围较小,为了减少离子束刻蚀后频率偏移产生的影响,提高产品的精度,可以采用3段加工模式,但是生产效率会有所降低)。

晶振离子刻蚀两段加工模式如图4-7所示,首先进行H段加工,用高的刻蚀速度和大的刻蚀量,从加工前频率开始加工,等加工到设定的中间目标频率后停止刻蚀,一段时间后,由于离子刻蚀后的晶振频率偏移的影响,使频率下降,回到L段加工前频率。接着进行L段加工,用低刻蚀速度和小刻蚀量,从L段加工前频率开始加工,等加工到设定的最终目标频率后停止刻蚀,一段时间后,出于离子刻蚀后频率偏移的影响, 使频率下降,回到实际最终频率,当实际最终频率在公差范围内就为良品,加工就结束。如果实际最终频率低于公差范围可以作为F-不良重新加工一次。如果实际最终频率大于公差范围,则只能作为F+不良而报废。

而在实际生产过程中,由于操作员缺乏相关理论知识,不能精确的对加工参数进行设定。使得加工的产品会因为刻蚀速度过快,产生较大的频率偏移,或直接产生F+。而刻蚀速度太低不仅会降低加工的效率,当时间超过设备的监控时间后,就会直接出现F-不良。

例如,在实际应用中,因为操作员没有系统的理解以上理论知识,当A品种的石英晶振在进行离子刻蚀微调时,发现频率分布整体偏低,接近20ppm。因为担心现F-不良,希望将整体颏率调鬲。此时应该确认是否是因为H段加工时的速度太慢, 导致L段加工前的频率过低。使得在进行L段加工时,时间过长,超过了设备的监控时间,而强制停止L段加工。

而操作员没有经过确认就主观的将最终日标频率调高, 发现频率略有上升,但仍然偏低。就调高L段的刻蚀速度,刚开始有一定效果,但是没有达到理想状态,就继续调高L段刻蚀速度,此时不但没有效果,反而因为速度太高,刻蚀后的频率偏移使得频率有略微的下降。并且出现因刻蚀速度的太高而产生的F+不良(如图4-8)。因为没有专业技术继续调整,并且认为不良品数量不多,为了赶快完成当日产量,就继续加工制品。此时,因为H段的刻蚀速度低,影响加工效率, 并由于F+的出现,增加了产品的不良数。

图4-8各参数设置不良时离子刻蚀后频率偏移的频率分布表

为了解决这一问题,本文通过前几节的知识和实验数据,制定标准的参数。首先将最终晶振频率设定在0pm。然后为了将L段加工的频率偏移尽可能减少,就将L段的刻蚀速度设定为80ppm/s。为了控制L段的刻蚀量在100pm左右,将中间目标频率设定在-45pm,H段加工速度设定为1600ppm/s,这是H段加工后的结果在50ppm~-0ppm之间,加上刻蚀后的频率偏移使得L段加工的刻蚀量在-100pm120ppm之间。

按这样的设定既可以保证L段加工的效率,也可以控制L段加工后的频率偏移。使得最终实际频率以晶振频率为中心分布。将上述方法设定的参数作成作业标准书如图4-9所示,让作业员遵照执行。图4-10是按此作业标准操作,对制品加L后的频率分布。山图中可以看出频率是以日标频率为中心分布的,并且分布比以前集中,也没有不良出现。因此,本论文提出的方法可以提高产品的合格率。