热冲击对石英晶体谐振器稳定性的影响研究

尹小三，徐俊俊

(台晶(宁波)电子有限公司，浙江 宁波 315800)

0 引言

随着电子信息产业的发展，在以 人工智能(AI) 和物联网(IoT)为主导的智慧新时代，石英晶体谐振器(简称谐振器)作为一种用于稳定频率和选择频率不可或缺的重要电子组件之一，对其性能要求也越来越高，尤其是高精度和高稳定性。针对谐振器的稳定性已有大量研究，其中最经典的就是John Vig.对谐振器3种典型的老化特性曲线的总结。但除长期稳定性，谐振器在瞬时热冲击下的频率稳定性也是其重要特性之一。终端组装工艺中的回流焊(行业内又称reflow)就是一种常见的瞬时热冲击，本文主要研究回流焊对谐振器频率稳定性的影响。

1 现状

石英晶片作为谐振器最重要组成部分，根据不同的应用领域及工作温度需求，产生了许多不同的切割方式，如AT、BT、D、SC、…。其中，AT切石英晶片可适用于数兆赫兹到数百兆赫兹的频率范围，AT切割方式应用范围广且使用数量多。但AT切石英晶片对应力较敏感，即应力将直接影响谐振器的频率稳定性。

谐振器作为被动电子元器件，通常需经回流焊工艺装配到终端产品的印制电路板上，才能起振并产生频率。回流焊是通过控制加热温度曲线加热焊锡膏，使谐振器焊接于印制电路板上，这一过程约10 min，最高温可达250 ℃。有热就有应力，受此工艺瞬时热冲击的影响，谐振器的频率可能发生变化。在射频、全球定位系统应用[1]中，这一频率变化有可能导致谐振器校准失败，所以谐振器经回流焊后的频率稳定性也很重要。

根据长期试验结果总结，谐振器经回流焊后，其频率变化可分为3类，如图1所示。

1) 第Ⅰ类(频率稳定型)。回流焊后谐振器频率基本维持不变。

2) 第Ⅱ类(频率上飘型)。回流焊后谐振器频率升高。

3) 第Ⅲ类(频率下飘型)。回流焊后谐振器频率降低，且在长期试验研究中发现，谐振器的回流焊特性还具有明显的可恢复性，如图2所示。

图1 回流焊后频率变化趋势

图2 回流焊后频率随室温静置时间的变化趋势

通过前人对谐振器稳定性的研究结果可知，影响谐振器频率稳定性的主要因素是应力、气体逸出和污染。而回流焊属于瞬时热冲击，虽然作用时间仅几分钟，也必有热应力产生，但对于气体逸出和污染影响作用较小，由此推断谐振器的回流焊特性主要受应力影响。谐振器的应力主要来源于晶片、电极薄膜、安装支架及封装过程等。此外，一般谐振器都需在石英晶片镀一层金属薄膜作为电极，常用电极薄膜材料为Au和Ag，使用不同材料电极的回流焊特性差异较大(见图1)：使用Au薄膜的谐振器在回流焊后频率变化表现属于第Ⅰ类；而相同设计的谐振器，改用Ag薄膜后，回流焊后频率变化表现多属于第Ⅱ类。对于原材料特性，Au较Ag稳定，且Au较Ag的热膨胀系数小，即Au受温度影响较小。因此，可推断薄膜应力是谐振器经回流焊后频率稳定性的主要影响因素。

2 研究历程

随着外力或不均匀的温度场等作用撤去后，材料热胀冷缩，应力会减小或增加，但最终仍有部分应力残留在产品内部，且自相平衡，最终影响频率稳定性。如何控制和消除残余应力是我们一直努力的方向，这需要充分了解应力来源、产生机制及测试方法等。

薄膜应力是反映薄膜单位截面所承受的来自基体约束的作用力，且与基底应力相反。从宏观作用分，薄膜应力可分为张应力和压应力；从微观起源分，薄膜应力可分为本征应力(即内应力)和热应力。无论利用何种方法或何种性质的材料(金属、陶瓷、有机物等)制备的薄膜，其几乎都处于某种应力状态。

常用的谐振器薄膜制备方法有蒸镀法和溅射法两种。蒸镀薄膜一般处于张应力状态，而溅射薄膜中的应力一般为压应力[2]。从应力起源开始研究薄膜应力，前人已对应力产生机制做了总结和分类，应力产生机制主要有晶格缺陷消除模型、接口失配模型、杂质效应模型和原子及离子钉扎效应模型等，这都与薄膜成核、生长及微观结构有关，而谐振器的薄膜应力是这几种机制综合作用的结果。了解薄膜应力起源后，才能找到恰当的方法消除或降低薄膜应力对产品特性的影响。消除薄膜应力最根本的方法是选用热膨胀系数相同的薄膜和基片材料，但这实现较难；此外，薄膜沉积方式的不同也会直接决定薄膜应力的差异，有研究表明，溅射离子能量比真空蒸发时能量高1～2个数量级，它们以很高的能量冲击薄膜，使薄膜体积增大，在其中形成压应力，通过选择合理的溅射工艺参数可适当降低薄膜应力[3]；另外，退火工艺也是常用的处理薄膜应力的方法，其主要是通过加速原子的扩散来消除冻结的缺陷，甚至还会发生各种再结晶，从而导致晶粒增大，晶界减少，以致降低或消除薄膜应力。

以上关于薄膜应力的各种产生机制模型和消除方法都是推论，最终还需要有准确的测量方法进行确认。目前常用的应力测试方法[4]有基底曲率法、X线衍射(XRD)法、拉曼光谱法及纳米压痕法等。其中，光谱法测试简单，易实现高温下的原位测量，特别是激光束斑直径小(可达∅1 μm)，对薄膜透射深度浅，在测量薄膜内微区应力及应力分布时有极大优越性。当物体内存在应力时，某些对应力敏感的分子键结就会随之改变，根据拉曼峰的偏移可以判断应力类型及计算应力[5]：当受压应力作用时，分子键长通常要缩短，依据力常数和键长的关系，力常数增加，从而振动频率增加，谱带向高频方向移动；相反，当固体受张应力作用时，谱带向低频方向移动，且拉曼谱带偏移的改变与所受应力成正比[6-7]。

3 回流焊试验研究与分析

3.1 回流焊试验

试验使用3.2 mm×2.5 mm金属封装谐振器，晶片为AT切割基本波(54 MHz)，电极薄膜材料为Ag。采用溅射法制备薄膜，每组试验各取30颗谐振器样品，通过S&A 250B网络分析仪对回流焊前后的谐振器频率进行测量，然后通过频率变化量评估其经过回流焊后的频率稳定性。

为了研究回流焊对谐振器频率变化的影响机理，并找到改善其频率稳定性的方法，综合前面的分析，试验规划从以下两个方向进行：

1) 从源头减少薄膜应力产生，通过降低溅射功率的方式实现，试验条件及结果如表1所示。

表1 溅射工艺的试验条件及试验结果

2) 在应力产生后，采用热退火处理方式降低薄膜应力，热退火时间为1 h，试验条件及结果如表2所示。

表2 热退火工艺的试验条件以及试验结果

由表1、2可看出，当溅射功率从400 W降到200 W时，谐振器在回流焊前后的频率变化量可降低约4×10-6；当热退火温度从200 ℃升到350 ℃，回流焊前后的频率变化量可降低约5×10-6。因此，降低溅射功率或升高热退火处理温度都可有效改善谐振器在回流焊后的频率稳定性。

3.2 回流焊的影响分析

为了研究回流焊对谐振器频率稳定性的影响机理，采用JEOL JSM-IT100扫描电子显微镜对回流焊前后的电极薄膜表面形貌及晶粒大小进行检测分析，如图3所示。由图可看出，薄膜微观结构及晶粒无明显变化。

图3 薄膜的表面形貌照片

同时，基于应力测试方法中的拉曼光谱法，采用Thermo Fisher DXR2显微激光拉曼光谱仪对石英晶片进行检测分析，以此确认其应力的变化及其对频率稳定性的影响机理。拉曼光谱分析使用532 nm激光光源和1 800线高精度光栅，测得纯石英晶片的拉曼特征峰为464.36 cm-1。假设此时石英内无应力，并以此作为初始状态的拉曼位移。由文献[8]可知，石英内应力为

σ= 117Δk

(1)

式中Δk为拉曼位移差。

图4为回流焊前、后的石英晶片拉曼谱图。由图可看出，石英晶片经制造成为谐振器后，其拉曼特征峰位移往高波数移动至464.77 cm-1，根据式(1)可得σ≈48 MPa，石英晶片内为压应力，即薄膜为张应力。经回流焊后，石英晶片的拉曼特征峰位移再往高频方向移动至464.84 cm-1，较回流焊前压应力增加约8 MPa，由此可知，由于薄膜热膨胀引起的张应力增大导致石英晶片内压应力增加。随着冷却时间延长，薄膜收缩引起张应力减小，因而石英晶片内压应力减小，最终表现为频率逐渐恢复。

图4 回流焊前、后的石英晶片拉曼谱图

综上可知，谐振器的回流焊特性是因其应力变化而致，即薄膜应力变化是回流焊对谐振器频率稳定性的影响机理。

4 结束语

瞬时热冲击对谐振器的频率稳定性有一定影响，且与产品设计、生产工艺有关。通过扫描电子显微镜和显微拉曼光谱仪分析可知，回流焊通过应力改变来影响谐振器的频率稳定性，而采用降低溅射功率至200 W，或升高热退火处理温度至350 ℃，可有效降低薄膜应力，从而改善谐振器在瞬时热冲击后的频率稳定性，回流焊后频率变化量降低(4～5)×10-6。