改进高精度石英晶体元件老化率的措施
高精度石英晶体元件的老化率一直是设计和制造中特别重视的问题。影响老化的因素很多,例如外壳漏气,金属电极氧化,石英片受潮及内应力释放等,但对于高精密石英晶体元件来说,大部分因素都可消除?;故O铝礁鲋匾蛩匦枰绦饩?,现分别介绍如下:
(1)质量吸附效应
石英晶体元件在真空密封后,晶体盒内总是还有少量残存的气体,这些气体吸附在晶体盒的内壁上和石英振子上,当振荡器工作时,恒温槽开始加热,石英振子也开始振动,吸附在石英振子上的气体逐渐离开并引起振荡频率向正方向漂移,这是一个缓慢的过程,一般需要几个月甚至几年的时间才能达到平衡。晶体盒内的真空度越高,这个过程就越短,频率漂移也越小。当振荡器停止工作后,石英振子停止振动,恒温槽也逐渐冷却下来,这时,盒内的气体又重新吸附到石英振子上,振荡器再次工作时,又重复上述过程。因此,提高石英晶体元件真空度不仅可以降低老化率,而且还可以改善振荡器的开机特性和频率再现性。
(2)应力弛豫效应
在石英片研磨和焊线上架等过程中,都要收到应力的作用。另外,石英片被电极后,表面层和金属膜之间也存在着应力,这些应力随着时间的推移,而逐渐消失的现象称为应力弛豫效应。这种效应降引起频率向正方向漂移。因此,石英晶体元件制成后,应经过一段时间的自然存放,或采用高温退火的方法使应力弛豫效应消失。生产上,为了改进晶体元件的老化性能,通常采取下述三个措施:
a) 提高石英晶体元件承受高温烘烤的能力,可加速消除应力弛豫效应
原来的焊锡装驾工艺是在石英片边缘烧上银点,然后再用焊锡把镍片焊在银点上,由于受焊锡熔点的限制,石英谐振器*多只能承受150℃左右的烘烤。为了提高烘烤能力,目前采用的新工艺有:
热压接法:在石英片的边缘上被上三层金属膜。**层是厚度未500A的铬膜,这是为了加强镀层和石英片之间的附着力。**层为厚度为500A的铬和金的过度膜。第三层是厚度为2000A的金膜。这是为了有利于包铝镍片的焊接。由于热压的温度为425℃,压强为(8~10)×103N/cm2,因此,它可承受400℃的烘烤。热压接除了使石英晶体元件能承受高温烘烤外,还排除了银浆、焊锡、松香和焊剂等可能污染石英振子的物质。从而改进了石英晶体元件的清洁程度。
烧银浆法:用一个特制的夹具将石英振子和镀银镍片(或银片)固定在一起,然后在结合处涂上银浆,经500℃的高温焙烧后,即可结合在一起。这种石英晶体元件只能承受300℃的烘烤;而且银浆中还有松节油之类的挥发性物质可能污染晶片,所以产品质量不如热压接法好。但它的工艺比较方便,可靠性好,因此有时还被采用。
铜焊法:铜焊法就是在石英片边缘蒸镀铬膜和金膜,然后在金膜和镍片之间放上金锗合金作为焊料,并用特制的家居固定放到氢气炉中加热到370℃(锗金的熔点为356℃),即可焊接在一起,也有先在石英片的边缘上烧上银点,然后在银点和镀金镍片之间放上金锗合金加热焊接。
b)改进石英晶体元件的清洁程度
对于高精密石英晶体元件制造业来说,保持工作环境的清洁是十分重要的,特别是某些关键工序*好在净化室内进行。石英片在加工过程中,需要用硫酸重铬酸钾洗液,蒸馏水、无水乙醇和异丙醇等充分清洗,并经过充分的高温烘烤后贮存在充氮气的干燥箱内(或真空干燥箱内)。其他的零件如破壳、芯柱等也都要经过充分的清洗和烘干(400℃),然后贮存在充氮气的干燥箱内。??欠饪谑?,为了避免煤气火焰对晶片的污染,可用高频加热法封接。如果是金属壳,则可采用冷压焊法封装。
c)提高石英晶体元件的真空度
由于石英晶体元件的真空度与老化率、开机特性和频率再现性有密切关系,因此近十几年来,在提高石英晶体元件的真空度上想了不少办法,例如用钛离子泵抽真空,不但可以达到10-10乇的真空度,而且是一个无油系统,避免了油蒸汽的污染,这样可使石英晶体元件的老化性能有很大的提高。