研究制造环境中杂质对石英晶体性能的影响

林必波，石胜雄，陈效

（杭州鸿星电子有限公司，浙江杭州，311113）

0 引言

本文章主要以AT 切石英晶片为研究对象。AT 切石英晶体的振动模式为厚度剪切模式，对于石英晶体的长宽尺寸远远大于厚度时，著名的石英晶体的频率方程[2]Sauerbrey 公式：

其中，f0为石英晶片的基频，单位为MHz；n 为沿厚度方向的泛音次数，n=1,3,5,7.....，μq为石英晶体压电强化剪切振动模量，ρq为石英晶体的密度。

本文章从Sauerbrey 公式为理论基础，研究制造环境中空气中微尘、水分子、油脂颗粒等杂质粒子附着在AT 切石英晶片表面6，根据公式(1)所述杂质对高频产品的影响远远大于低频产品。本文的研究意义在于采用理论基础和实际生产数据相结合解释生产高低不同频率的产品，其对环境包括制造车间净化等级、仪器设备内部环境和人员等要求，提出更加严格的标准。

1 实验方法

1.1 研究制造环境中杂质对石英晶片的频率的影响

我们选取不同基频的15颗石英谐振器产品，分别是26MHz、50MHz 和96MHz，对应的厚度近似为64.12um，33.34um 和17.36um。石英晶片完成频率微调后，采用250B 石英晶振测试系统对产品进行测试，此时它们的频率均值分别为-3.12ppm、-6.28ppm 和-4.42ppm。稍后每隔一段时间测试各个产品频率数值并记录，得到的频率数值变化趋势如图1 所示。

如图1 所示，AT 切、长宽尺寸为2.01×1.60cm 的石英晶体谐振器的不同基频在净化工作台放置时，其频率随时间的变化关系。a、b 和c 图对应的石英晶振的基频分别是26MHz、50MHz 和96MHz。从Fig.1 中可以看出，1 小时内变化频率最小的是26MHz产品，频率变化量约为1.63ppm。而96MHz 产品的频率变化量均值约为18.62ppm，其中d 图急剧下降的紫色曲线是因为大颗粒污染物吸附在晶片上电极表面，可能原因是在10 分钟测试时，250B 测试头上颗粒掉落在石英晶片上电极表面。a、b、c 三个图上的曲线相对重合，三个图中的红色曲线是频率随时间变化趋势的拟合曲线。

图1 尺寸为2.01×1.60cm 的26MHz、50MHz 和96MHz 石英晶体在制造环境中的频率随时间的变化

图2 尺寸为2.0×1.6cm 的26MHz、50MHz 和96MHz 石英晶片的频率变化率随时间的变化

其中ρi表示吸附在石英晶体表面上杂质的平均密度；Δdi(t)表示一定时间内，附着在石英晶片表面上杂质的平均厚度。

如图2 所示，AT 切、长宽尺寸为2.01×1.60cm 的石英晶体谐振器的不同基频的频率变化率随时间的变化关系。从四个图中可以看出，在时间为0.17 小时内，频率变化率最大的石英晶片基频为96MHz，而频率变化率最小的的石英晶片基频是26MHz。从图中可以知道，暴露在空气中的石英晶片的频率变化率随着时间的延长，变化趋势上是慢慢变缓，最终频率变化率趋向于零。另外，Fig.2 中b 图上频率变化率在0.5h 时出现大于0 的情况，可能是因为测试时产品的位置没有精确放置，造成频率测试误差。d 图中时间在0.67 小时处，频率变化率异常的产品是因为测试头的污染造成的。

1.2 研究杂质对高频石英谐振器的年老化的影响

为了验证杂质对高频产品寿命的影响，我们将上述在氮气柜搁置了6 小时的1SB-96MHz 产品 与频率微调后立马密封的1SB-96MHz 产品放入年老化设备中，观察11 天后频率变化量，观察两者的年老化性能，年老化设备的参数设置为：85℃带电老化12 天，机台每天自动测试一次。

图3 向我们展现了高频96MHz 产品在制造车间搁置时间越长，产品的质量变得越差。(a)与(b)图分别表示96MHz产品在氮气柜中搁置6 小时后封焊和及时封焊的两种情况下的年老化情况，其中(a)图中紫色曲线对应于Fig.1的c 图中受到测试头污染的产品。从图中曲线可以得知两方面信息，首先，96MHz 高频产品随着在制造车间搁置时间延长，产品的年老化越差，产品的寿命越短；其次，如果产品受到大颗粒污染后，产品的寿命变得更短。

图3 (a)与(b)分别表示尺寸为2.01×1.60cm 的96MHz 产品在氮气柜中搁置6 小时后封焊和及时封焊的两种情况下年老化曲线图。

2 数据分析

2.1 分析制造环境中杂质对石英晶片的频率的影响

根据Sauerbrey 公式可以得知，当外界环境和石英晶片基频确定时，若只考虑频率与杂质吸附的质量关系时，在一定的时间内Δf与Δm呈线性关系[3]。现在考虑我们将其与时间考虑在一起时，此时它们就是一个非线性关系，如Fig.1和Fig.2 所示。在频率微调完成后的10 分钟内，石英晶片的频率变化率最大，随着时间慢慢延长，频率变化率慢慢减少。造成的原因不只是吸附在石英晶片表面的杂质质量的影响，还有石英晶片与金属电极之间的应力释放[4]，存在杂质吸附和应力释放两个物理过程。应力的来源可能有以下两个方面：石英晶片与金属电极（银或者金）的膨胀系数不同与氩离子刻蚀金属电极表面。

随着时间的延长，石英晶片应力释放完成，杂质吸附对石英晶体的影响占主导作用。随着时间的继续延长，石英晶片的杂质吸附和晶片电极表面被氧化成为主要影响因子。最后，随着石英晶片在非真空处的放置时间足够长时，所有的石英晶体的频率变化率慢慢减少，无限接近于零，直至石英晶体的频率趋于稳定。

2.2 分析杂质对高频石英谐振器的年老化的影响

从图3 中96MHz 产品的年老化曲线图可以清楚知道，产品因为在制造车间中搁置了6 小时后，电极表面被附着了大量的水汽以及其它可能的杂质污染，即使封焊工序是真空环境，能够减少电极表面的污染，但是与及时封焊的情况相比，长时间搁置在氮气柜的高频产品寿命受到了极大的影响，根据我们的计算，图3(a)的产品平均寿命约为8 年，而(b)图产品的寿命约为18 年，受到污染产品的寿命减少了一半多。因此根据我们的半自动化生产经验总结得知，96MHz 的高频产品微调工序站与封焊工序站间隔时间最长不超过3 小时。

3 结论

随着通信技术的发展，产品功能的多样化、自动化和精确化，导致石英晶体谐振器向高频和小型化方向发展。根据本文的分析，基准频率越高的石英晶片，杂质吸附量对晶片的影响越大，导致产品的电学性能变差，年老化率变差7。由于频率变化量Δf与杂质的质量Δm呈现线性负相关，所以可以采取以下措施：（1）车间的洁净度尽可能高；（2）产品在封焊时需要增加一道真空烘烤工序，一般采用真空烤箱，将产品放进150℃内烘烤30 分钟，除去石英晶体表面水汽[4]，（3）尽可能在短时间内对产品进行真空封焊，减少电极表面的杂质吸附和电极被氧化，时间不超过3 小时。当杂质颗粒和水汽附着在晶片表面也被密封进产品里面，对产品的器件的寿命以及性能都将产生极大的影响。