熱沖擊對石英晶體諧振器穩定性的影響研究

尹小三，徐俊俊

(臺晶(寧波)電子有限公司，浙江 寧波 315800)

0 引言

隨著電子信息產業的發展，在以 人工智能(AI) 和物聯網(IoT)為主導的智慧新時代，石英晶體諧振器(簡稱諧振器)作為一種用于穩定頻率和選擇頻率不可或缺的重要電子組件之一，對其性能要求也越來越高，尤其是高精度和高穩定性。針對諧振器的穩定性已有大量研究，其中最經典的就是John Vig.對諧振器3種典型的老化特性曲線的總結。但除長期穩定性，諧振器在瞬時熱沖擊下的頻率穩定性也是其重要特性之一。終端組裝工藝中的回流焊(行業內又稱reflow)就是一種常見的瞬時熱沖擊，本文主要研究回流焊對諧振器頻率穩定性的影響。

1 現狀

石英晶片作為諧振器最重要組成部分，根據不同的應用領域及工作溫度需求，產生了許多不同的切割方式，如AT、BT、D、SC、…。其中，AT切石英晶片可適用于數兆赫茲到數百兆赫茲的頻率范圍，AT切割方式應用范圍廣且使用數量多。但AT切石英晶片對應力較敏感，即應力將直接影響諧振器的頻率穩定性。

諧振器作為被動電子元器件，通常需經回流焊工藝裝配到終端產品的印制電路板上，才能起振并產生頻率?；亓骱甘峭ㄟ^控制加熱溫度曲線加熱焊錫膏，使諧振器焊接于印制電路板上，這一過程約10 min，最高溫可達250 ℃。有熱就有應力，受此工藝瞬時熱沖擊的影響，諧振器的頻率可能發生變化。在射頻、全球定位系統應用[1]中，這一頻率變化有可能導致諧振器校準失敗，所以諧振器經回流焊后的頻率穩定性也很重要。

根據長期試驗結果總結，諧振器經回流焊后，其頻率變化可分為3類，如圖1所示。

1) 第Ⅰ類(頻率穩定型)?；亓骱负笾C振器頻率基本維持不變。

2) 第Ⅱ類(頻率上飄型)?；亓骱负笾C振器頻率升高。

3) 第Ⅲ類(頻率下飄型)。回流焊后諧振器頻率降低，且在長期試驗研究中發現，諧振器的回流焊特性還具有明顯的可恢復性，如圖2所示。

圖1 回流焊后頻率變化趨勢

圖2 回流焊后頻率隨室溫靜置時間的變化趨勢

通過前人對諧振器穩定性的研究結果可知，影響諧振器頻率穩定性的主要因素是應力、氣體逸出和污染。而回流焊屬于瞬時熱沖擊，雖然作用時間僅幾分鐘，也必有熱應力產生，但對于氣體逸出和污染影響作用較小，由此推斷諧振器的回流焊特性主要受應力影響。諧振器的應力主要來源于晶片、電極薄膜、安裝支架及封裝過程等。此外，一般諧振器都需在石英晶片鍍一層金屬薄膜作為電極，常用電極薄膜材料為Au和Ag，使用不同材料電極的回流焊特性差異較大(見圖1)：使用Au薄膜的諧振器在回流焊后頻率變化表現屬于第Ⅰ類；而相同設計的諧振器，改用Ag薄膜后，回流焊后頻率變化表現多屬于第Ⅱ類。對于原材料特性，Au較Ag穩定，且Au較Ag的熱膨脹系數小，即Au受溫度影響較小。因此，可推斷薄膜應力是諧振器經回流焊后頻率穩定性的主要影響因素。

2 研究歷程

隨著外力或不均勻的溫度場等作用撤去后，材料熱脹冷縮，應力會減小或增加，但最終仍有部分應力殘留在產品內部，且自相平衡，最終影響頻率穩定性。如何控制和消除殘余應力是我們一直努力的方向，這需要充分了解應力來源、產生機制及測試方法等。

薄膜應力是反映薄膜單位截面所承受的來自基體約束的作用力，且與基底應力相反。從宏觀作用分，薄膜應力可分為張應力和壓應力；從微觀起源分，薄膜應力可分為本征應力(即內應力)和熱應力。無論利用何種方法或何種性質的材料(金屬、陶瓷、有機物等)制備的薄膜，其幾乎都處于某種應力狀態。

常用的諧振器薄膜制備方法有蒸鍍法和濺射法兩種。蒸鍍薄膜一般處于張應力狀態，而濺射薄膜中的應力一般為壓應力[2]。從應力起源開始研究薄膜應力，前人已對應力產生機制做了總結和分類，應力產生機制主要有晶格缺陷消除模型、接口失配模型、雜質效應模型和原子及離子釘扎效應模型等，這都與薄膜成核、生長及微觀結構有關，而諧振器的薄膜應力是這幾種機制綜合作用的結果。了解薄膜應力起源后，才能找到恰當的方法消除或降低薄膜應力對產品特性的影響。消除薄膜應力最根本的方法是選用熱膨脹系數相同的薄膜和基片材料，但這實現較難；此外，薄膜沉積方式的不同也會直接決定薄膜應力的差異，有研究表明，濺射離子能量比真空蒸發時能量高1～2個數量級，它們以很高的能量沖擊薄膜，使薄膜體積增大，在其中形成壓應力，通過選擇合理的濺射工藝參數可適當降低薄膜應力[3]；另外，退火工藝也是常用的處理薄膜應力的方法，其主要是通過加速原子的擴散來消除凍結的缺陷，甚至還會發生各種再結晶，從而導致晶粒增大，晶界減少，以致降低或消除薄膜應力。

以上關于薄膜應力的各種產生機制模型和消除方法都是推論，最終還需要有準確的測量方法進行確認。目前常用的應力測試方法[4]有基底曲率法、X線衍射(XRD)法、拉曼光譜法及納米壓痕法等。其中，光譜法測試簡單，易實現高溫下的原位測量，特別是激光束斑直徑小(可達?1 μm)，對薄膜透射深度淺，在測量薄膜內微區應力及應力分布時有極大優越性。當物體內存在應力時，某些對應力敏感的分子鍵結就會隨之改變，根據拉曼峰的偏移可以判斷應力類型及計算應力[5]：當受壓應力作用時，分子鍵長通常要縮短，依據力常數和鍵長的關系，力常數增加，從而振動頻率增加，譜帶向高頻方向移動；相反，當固體受張應力作用時，譜帶向低頻方向移動，且拉曼譜帶偏移的改變與所受應力成正比[6-7]。

3 回流焊試驗研究與分析

3.1 回流焊試驗

試驗使用3.2 mm×2.5 mm金屬封裝諧振器，晶片為AT切割基本波(54 MHz)，電極薄膜材料為Ag。采用濺射法制備薄膜，每組試驗各取30顆諧振器樣品，通過S&A 250B網絡分析儀對回流焊前后的諧振器頻率進行測量，然后通過頻率變化量評估其經過回流焊后的頻率穩定性。

為了研究回流焊對諧振器頻率變化的影響機理，并找到改善其頻率穩定性的方法，綜合前面的分析，試驗規劃從以下兩個方向進行：

1) 從源頭減少薄膜應力產生，通過降低濺射功率的方式實現，試驗條件及結果如表1所示。

表1 濺射工藝的試驗條件及試驗結果

2) 在應力產生后，采用熱退火處理方式降低薄膜應力，熱退火時間為1 h，試驗條件及結果如表2所示。

表2 熱退火工藝的試驗條件以及試驗結果

由表1、2可看出，當濺射功率從400 W降到200 W時，諧振器在回流焊前后的頻率變化量可降低約4×10-6；當熱退火溫度從200 ℃升到350 ℃，回流焊前后的頻率變化量可降低約5×10-6。因此，降低濺射功率或升高熱退火處理溫度都可有效改善諧振器在回流焊后的頻率穩定性。

3.2 回流焊的影響分析

為了研究回流焊對諧振器頻率穩定性的影響機理，采用JEOL JSM-IT100掃描電子顯微鏡對回流焊前后的電極薄膜表面形貌及晶粒大小進行檢測分析，如圖3所示。由圖可看出，薄膜微觀結構及晶粒無明顯變化。

圖3 薄膜的表面形貌照片

同時，基于應力測試方法中的拉曼光譜法，采用Thermo Fisher DXR2顯微激光拉曼光譜儀對石英晶片進行檢測分析，以此確認其應力的變化及其對頻率穩定性的影響機理。拉曼光譜分析使用532 nm激光光源和1 800線高精度光柵，測得純石英晶片的拉曼特征峰為464.36 cm-1。假設此時石英內無應力，并以此作為初始狀態的拉曼位移。由文獻[8]可知，石英內應力為

σ= 117Δk

(1)

式中Δk為拉曼位移差。

圖4為回流焊前、后的石英晶片拉曼譜圖。由圖可看出，石英晶片經制造成為諧振器后，其拉曼特征峰位移往高波數移動至464.77 cm-1，根據式(1)可得σ≈48 MPa，石英晶片內為壓應力，即薄膜為張應力。經回流焊后，石英晶片的拉曼特征峰位移再往高頻方向移動至464.84 cm-1，較回流焊前壓應力增加約8 MPa，由此可知，由于薄膜熱膨脹引起的張應力增大導致石英晶片內壓應力增加。隨著冷卻時間延長，薄膜收縮引起張應力減小，因而石英晶片內壓應力減小，最終表現為頻率逐漸恢復。

圖4 回流焊前、后的石英晶片拉曼譜圖

綜上可知，諧振器的回流焊特性是因其應力變化而致，即薄膜應力變化是回流焊對諧振器頻率穩定性的影響機理。

4 結束語

瞬時熱沖擊對諧振器的頻率穩定性有一定影響，且與產品設計、生產工藝有關。通過掃描電子顯微鏡和顯微拉曼光譜儀分析可知，回流焊通過應力改變來影響諧振器的頻率穩定性，而采用降低濺射功率至200 W，或升高熱退火處理溫度至350 ℃，可有效降低薄膜應力，從而改善諧振器在瞬時熱沖擊后的頻率穩定性，回流焊后頻率變化量降低(4～5)×10-6。