晶体谐振器导致上机失效的DLD问题的探究

马剑锋 陈俊

摘 要：随着电子产品微功耗和小激励工作的需要，要求石英晶体谐振器（以下简称晶体）能在较小的激励功率或可变的激励功率下正常工作，因此激励电平相关性（DLD）不良的晶体在某些激励条件下很容易发生工作不稳定或失效的问题，DLD不良品在以往的失效产品分析中所占的比重较大。晶体的DLD具有变化性和不稳定性，对实际生产和使用会产生较大困扰，因此需对其发生的原因进行探究和针对性地加以控制。该文从DLD问题成因以及如何防止DLD不良品流出进行探究。

关键词：晶体 激励电平相关性DLD 激励 可变性

中图分类号：TN32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（a）-0032-02

1 DLD参数的简介

DLD参数是指晶体的激励电平相关性，是衡量一个晶体在不同激励条件下其频率、阻抗稳定性的一个参数。DLD参数具有可变性和不稳定性，在晶体的实际生产中也是一个控制相对困难的一个参数。在晶体生产和应用中，对于DLD参数主要从频率和阻抗两大指标分别进行，DLD2、RLD2为阻抗指标，DLD2表示在晶体指定激励范围测试时的最大阻值-最小阻值的差值，RLD2指指定激励范围内晶体的最大阻抗值，FDLD为频率指标，是指晶体指定激励范围测试时的最大频率值-最小频率值的差值。采用目前行业广泛采用的S&A的250B以及KOLINKER的KH1120等均能方便直观地测试出晶体的DLD特性，这些测试仪既能提供直观的数据表格，也能提供测试曲线图，可为具体分析提供帮助。

以下为一份S&A250B测试仪上得到的DLD不良品的测试扫描曲线图及数据：

图1中深色曲线是晶体频率随激励功率变化的变化曲线，绿色曲线为阻抗变化曲线，对照图2测试数据我们可以很直观地观察到产品在不同激励功率下的频率、阻抗的变化情况以及发生异常的激励点。

2 晶体制程中DLD的成因

1971年，S. Nonaka就指出了颗粒吸附到晶体的电极表面是引起DLD的原因。1991年，L.Dworsky和R.Kinsman理论上解释了DLD发生的机理。国内外晶体生产厂家对此问题也进行了很多的研究，根据曾经合作过的美国RALTRON公司的相关研究资料，较为清晰地总结出了三种常见的DLD问题在不同激励下的表现。不洁净的工作室导致产品在低激励下阻抗增大，而颗粒会导致在中激励范围阻抗增大，胶量过多则对低频产品高激励阻抗增大的问题。

在多年的实际工作中，对制程以及客户端发生的不良品进行了长期的分析和总结，并结合其他厂家的一些经验将晶体DLD不良的原因大致归纳成以下几个方面。

2.1 晶片本身的材质以及晶片表面处理不良

随着人造石英晶体技术的日趋成熟和完善，以前资料中提到的产品DLD问题很大原因可能是水晶材质的情况得到了极大改观，实际生产中由于水晶材质不良导致的产品DLD问题较少见到。晶片表面附着有油污或晶片外形加工时使用过的黏胶可能导致产品的DLD问题，这在国内外的一些研究资料中有提及，这种情况在实际生产中也还是偶有出现的。另外，晶片表面的砂痕以及裂隙等机械损伤也是晶体DLD不良的原因。

2.2 污染

根据实际生产中对不良品的分析统计来看，导致晶体DLD问题最主要的问题还是在于电极表面的粘附的次微小颗粒、可见粒子、较大颗粒等导致的影响。次微小颗粒主要是肉眼看不到的污染颗粒，真空泵油污染是主要的元凶；可见粒子主要有蒸镀时溅射的细小银颗粒、尘埃颗粒、设备机械结构磨损产生的粉尘以及封焊过程中金属溅落物等，这些颗粒有些可以直接在显微镜下观察到，有些细微颗粒可采用侧光灯在显微镜下观察有助于观察到。另外，银电极表面白斑或黄斑等也是DLD不良的主要现象，这些问题可能因产品在制程中流转时晶片表面受到污染、不洁气氛附着、在空气中放置时间过长以及封焊时氮气中氧含量过大等问题导致的污染氧化造成。因此工作环境的洁净度以及操作的规范性对于污染防止十分关键。

2.3 银层附着力不良问题

从不良品分析的结果来看，电极银层附着力不良也是DLD问题的一个比较常见的因素。由于晶片清洗洁净度不够、蒸镀真空度不良、蒸镀前的氩离子轰击效果不佳以及晶片表面污染等问题可能会导致晶片电极的附着力不良。

2.4 其他因素

除了上述的一些主要原因外，从不良品分析中可以见到诸如胶点气泡、基座弹片应力、电极膜厚控制异常等问题也是导致DLD问题的相关因素，在实际生产中应采取措施加以防范。

3 DLD的特点以及针对性地控制

产品的DLD参数具有变化性和不确定性。一个DLD不良晶体可能在下一次测试中合格，且其电性能参数能保持一段时间合格。但是在经过长时间放置后其频率或阻抗特性可能会再次恶化，严重的就会导致线路的停振，这种情况在业界通常称为晶体进入“睡眠”状态。这是因为部分DLD不良品在经过电激励后会被短暂地激活，恢复到接近正常的参数，但是经过一段时间后其可能又会回复到异常状态。“睡眠”晶体问题一直是困扰生产厂家的一个难题，也是客户使用中最为头疼的问题，所以如何能最大程度地在测试前将这些DLD不良品剔除是很关键的一个方面。除了对前面提及的DLD成因制定针对性措施预防不良品产生外，我们就如何将DLD不良品最大程度的拦截掉开展过多项试验，根据试验的经验，认为进行如下控制后有利于DLD不良品最大程度上被剔除。（1）在产品测试选分前进行模拟回流焊，回流焊温度建议在260℃～270℃的时间在30 s以上，可以有效地剔除一些制程污染的产品。（2）根据晶体应用的实际情况，可适当增加DLD测试激励点数。（3）针对经过测试的产品不得直接进行二次测试，要求必须进行105℃×48 h的老化，并常温放置12 h以上才可以进行二次测试，从而避免DLD“睡眠”晶体因被激活无法测出的问题。

参考文献

[1] 琚志明.晶片污染对石英谐振器DLD的影响[J].压电与声光，2006，28（5）：586-587，612.

[2] 袁荣泽，石英谐振器DLD（激励电平依赖性）测试方法[J].压电晶体技术，2000（1）：54-56.

[3] 孔睿谦，陈公幸.用RLD（动态电阻相关性）控制石英晶体的质量[J].压电晶体技术，1999（1）：14-16.