石英晶片外观缺陷对频率的影响

宋佩颉，李东，王艳林

（北京信息科技大学，北京100192）

石英晶片外观缺陷对频率的影响

宋佩颉，李东，王艳林

（北京信息科技大学，北京100192）

研究了石英晶片外观缺陷对频率的影响。石英晶片其自身存在的外观缺陷包括：崩边、玷污、缺角等，这些缺陷可能会影响到成品石英晶体电参数的性能，例如影响石英晶体的频率特性、电阻特性、DLD特性等。目前石英晶片在镀电极前均需要进行外观缺陷检测，国内大多采用人工目测检测的方式，光学方法的石英晶片的缺陷自动检测技术还不成熟。无论哪种检测方法，都具有比较大的主观性，目前还没有建立有关石英晶片对石英晶体电参数的影响关系的研究报道。因此需要研究石英晶片外观缺陷对石英晶体电参数的影响的对应关系，以便能更准确地分选出对石英晶片电参数有影响的存在外观缺陷的石英晶片。

石英晶片；外观缺陷；谐振频率；自动检测

0 引言

石英晶体元器件主要用于频率稳定、频率选择和精密计时等方面。由于电子与通信技术的发展，促进了压电石英晶体元器件的研究和生产[1]。

美国石英晶体工业产值高，年销售额为2.5亿～3.0亿美元。这是因为大多数厂家只生产技术难度大，价值高的产品，如各种晶体振荡器、晶体滤波器和精密高质量的石英晶体等[2]。

要制造一个性能优良的石英谐振器，首先要有完善的设计，而谐振器的技术指标则是设计的依据。通常谐振器的技术指标主要包括标称频率、工作温度范围、频率偏移、等效参数（如动态电阻R1、品质因数Q、静电容C0、动态电感L1和动态电容C1等）、老化率、石英谐振器的最大允许尺寸、环境条件等[3]。

在实际工业生产中，产品在流水线的加工程序中会因为各种因素对表面产生损伤，使产品在后续使用中呈现硬性误差或者无法使用。因此对产品外观的品质检测成为工业生产中不可或缺的环节，是产品能够正常使用得到保证的关键。外观检测是对生产整体技术状况和故障情况进行预检、补充和完善的重要手段之一[4]。

然而，人工视觉检测存在如下缺陷和弊端：大量人员手工检测，一致性差，容易产生误差；大多只能采用抽检，人工全检工作量大；人工无法保持一致的检测效果；不同的检测者之间存在差异；无法实现实时的流程控制机械系统检测；局限性多，不灵活，笨重；无法快速完成全检；无法适应现代的质量控制和统计流程控制。

目前未见石英晶片外观检测技术相关问题的研究成果报道。频率特性是石英晶体最重要的电参数，研究石英晶片不同缺陷对成品石英晶体串联谐振频率及负载谐振频率的影响，为石英晶片光学分选建立晶片的合格标准，建立科学合理的石英晶片外观检测标准，对于提高石英晶体的生产品质具有重要意义[5]。

1 实验器材选择及理论依据

1.1 实验晶片选择

厚度切变石英谐振器频率适用范围为500 kHz～ 350 MHz以上。它是各振动模式中频率最高和频率范围最宽的一种。它的常用切型为AT和BT两种，用IRE标准符号表示为（yxl）φ1。其中，φ1=35°附近时为AT切型；φ1=49°附近时为BT切型。特别是AT切型石英谐振器具有频率范围宽、压电活力高、在宽温度范围（-55°～85°）内的频率温度特性好、晶片加工方便等优点，已成为目前应用最广泛的切型。

本课题选用实验晶片为AT切型2.5 MHz和5 MHz高精度石英谐振器的晶片。两种晶片的外形尺寸和性能指标如表1，表2所示。

表12 .5 MHz的晶片外形尺寸和性能指标

表25 MHz的晶片外形尺寸和性能指标

1.2 测试仪器选择

本课题测试仪器选择S&A公司的250B网络分析仪，它可以测量石英晶体、石英晶片及陶瓷谐振器等，系统提供基于工程分析的网络分析显示界面，并提供精确的、重复性好的晶体测量方式，可以测量超过40种不同参数。其规格特性如下：

频率范围：10～400 kHz；0.5～200 MHz；

频率准确性：±2 PPM（串联谐振频率的典型值）；

晶体激励功率：10 nW～1 000 μW（≤50 MHz），10 nW～ 1 000 μW（＞50 MHz）。

250B软件是一种允许对晶体进行自动测量的、且人机界面友好的可视程序，该程序可以执行超过40种晶体参数的测量，并显示每个晶体各种参数的PASS/ FAIL状态，晶体测试不良状态用红色字体显示出来。

250B程序提供了四种不同的寄生扫描供操作者来选择，同时，软件也提供了一种扩充的DLD测量能力，该扫描可达20段或步。250B程序具备使用四种不同算法扫描谐振频率的能力，所有数据输出均为ODBC格式。

S&A公司提供一种可用于测量晶体白片的测试头，晶片被放在测试座的底板上，测试座的顶部重块用来保证晶片和测试头的良好接触并构成回路。

1.3 AT切型石英谐振器的频率方程和频率常数

AT切型在石英晶体中的方法，如图1所示。晶片的长度与x轴平行。它的振动模式有两种激励方法，即在y′方向的电场E作用下，通过压电常数e′和弹性刚度常数c′在z′面上产生厚度切变振动，这种激励方法称为垂直场激励；在z′方向上的电场E1′作用下，通过压电常数e1′和弹性刚度常数c′也可在e′面上产生厚度切变振动，这种激励方法称为平行场激励。由于垂直场的设置比平行场的设置方便得多，因此生产上通常都采用垂直场的激励方法。

图1 AT切型在石英晶体中的方向

在厚度远小于长度和宽度的情况下，厚度切变振动的频率方程为：

式中：t为晶片厚度；n为厚度切变泛音次数；c′为弹性刚度常数。

频率常数为：

谐振频率与频率常数之间的关系为：

还要指出：式（1）～式（3）是在厚度远小于长度和宽度的情况下得到的。具体地说，就是要满足或（Φ为圆片的直径）的条件下，这些公式才能给出较准确的结果。

式（1）表明，厚度切变的泛音频率等于基音频率的奇数倍。但由于其他条件的影响，泛音频率只是接近基音频率的奇数倍。例如，基频为f1=1.064 091 MHz的晶片，5次泛音f5=4.998 122 MHz；基频为f1=19.997 280 MHz的晶片，3次泛音f3=60.000 5 MHz。

式中：n为沿厚度方向的泛音次数；m为沿长度方向的泛音次数；p为沿宽度方向的泛音次数；k1,k2为实验确定的修正系数。

当m=p=1，n=1,3,5,…时，相应的频率为基频f111、3次泛音频率f311,5次泛音频率f511,…,这些频率称为主谐频率。当m、p等于其他奇数时，相应地频率如f131, f113,f331,f313,f151,f115,…。这些频率称为非谐频率。在一般条件下，采用减小电极面积的方法，可抑制非谐振动。如果电极大小和外形尺寸选择不当，就可能出现较强的非谐振动。这是在设计谐振器时，应重视的问题之一。

当m=p=1时，频率方程式（4）可简化为：

相应的频率常数为：?

2 石英晶片缺陷对谐振频率的影响

2.1 崩边对晶片频率的影响

崩边，即石英晶片外形完整，但晶片边缘区域上下表面之一出现脱皮现象，厚度瞬间变薄。分别对崩边程度不同的2.5 MHz、5 MHz晶片（崩边点分别为1、2、3、4）进行测量，每组晶片测量10次。

崩边对石英晶片的影响，分析可得，当晶片崩边点为1或者2个点时，频率变化不大，对于以频率为主要参数的使用范围内，属于可接受范围，当晶片崩边点个数大于2时，晶片频率变化较大，不能正常使用。

根据式（1）和式（3）可得，当晶片的厚度变薄，即t减小时，晶片的频率向正方向变化。其次，当晶片发生崩边缺损时，晶片的频率温度特性将会发生变化。当晶片的厚度t变薄时，频率温度特性曲线要往正方向移动，当圆形晶片的直径减小时，频率温度特性曲线也要向正方向移动，当双凸、平凸晶片的曲率半径R变大时，频率温度特性曲线也要向正方向移动。而当晶片的崩边点个数大于2时，后期制作时，晶片与晶片支架之间的空隙，以及电极接触面积也会发生变化，影响晶片稳定性及其他重要参数。

2.2 玷污对晶片频率的影响

石英晶片表面玷污主要是由研磨、抛光以及后续加工工序产生的，例如装架。当前所使用的磨料以人造磨料为主，用得比较多的是白刚玉（GB），碳化硅（TH和TL），碳化硼（TP）和金刚石（JR）。研磨产生晶片表面玷污的因素，除了机床和磨料外，还与磨料的供给量、磨料和水（或油）的比例、研磨压力等有关。

在对石英晶片进行研磨处理后，需要对晶片进行抛光处理，以进一步提高石英谐振器的稳定性和精度。抛光的方法和研磨相似，磨料采用抛光粉，抛光粉采用氧化铁和氧化铈等。抛光工序产生晶片表面玷污的因素，很大程度上取决于卫生条件的好坏，除了工作环境和操作过程中应特别注意以外，抛光粉的净化工作也是必不可少的工序之一。

晶片在被电极之前，都要仔细地进行清洁处理。目前采用的比较简便的方法是对石英晶片去掉蜡脂后，浸泡在重络酸钾硫酸溶液中加热清洗。通过清洗去掉有机物，再用稀氢氟酸溶液进行腐蚀。

当石英晶片进行研磨、抛光、清洁处理后，若不能保证晶片表面的光洁度，晶片表面就会有一层由磨料和石英微粒构成的破坏层。如果不清除破坏层，他们将在谐振器工作的过程中逐渐脱落，使频率发生偏移，同时也降低了电极膜的牢固度。另外，破坏层还使晶片表面产生应力弛豫效应，使石英谐振器的老化率增大。

2.5 MHz及5 MHz圆形石英晶片的等效电路如图2所示。

图2 低频石英晶片等效电路图

当晶片表面存在玷污缺陷时，根据石英谐振器谐振频率方程：

式中：C1为动态电容；L1为动态电感。

C1向正方向移动，则晶片谐振频率将向负方向移动。

同时AT切型石英谐振器的动态电阻R1也与受晶片表面光洁度有关，当晶片表面玷污（如油膜、灰尘或者其他松散物质）和表面吸附气体造成的损耗达到一定程度时，晶片将出现停振现象。

2.3 缺角对晶片频率的影响

石英晶片缺角缺陷，即破片和晶片垂直度不良。破片是指石英晶片不完整，掉边掉角或破碎，已经不能当作正常晶片使用。缺角可能是由于打磨不均匀造成的某个角落弧度过大或过小，也可能是存在一个小缺口。

石英晶片缺角直接影响到晶片的直径，而晶片直径大小对石英谐振器的活力和寄生振动有很大影响。AT切型的寄生振动主要包括xy′弯曲、y′面切变和xy′伸缩等三种振动。如果主振动频率和上述三种振动之一的高次泛音频率接近时，就出现强耦合作用，引起活力突变或频率跳跃等现象。

AT切型圆片的直径大小与上述三种寄生振动频率的关系式为：

式中：Φ为晶片直径（单位：mm）；n弯为xy′弯曲振动的泛音次数；n面为y′面切变振动的泛音次数；n伸为xy′伸缩振动的泛音次数。

所以，当AT切型原片的直径发生变化时，以上三种寄生振动频率均会发生变化，使晶片出现频率不齐或停振现象。另外，AT切型石英谐振器的动态电感L1与晶片尺寸的关系为：

式中：KL为电感系数；A为电极面积，如果是全电极，则

所以，当A减小时，晶片的动态电感将增大，再由公式（7）得出，当L1增大时，晶片的谐振频率将向负方向移动。实验得出，当晶片存在缺角缺陷时，晶片将出现停振和频率不齐等现象，出现的频率随晶片缺角的大小而变化。

3 结语

根据对石英晶片缺陷频率的测量与分析得出，当晶片出现崩边、玷污、缺角等缺陷时，晶片的谐振频率和相关参数，如动态电感、动态电容、电阻特性，以及Q值均会发生变化。同时对石英晶片的频率温度特性产生影响，适当地增大或减小晶片的倒角会对石英晶片频率进行补偿，但不论晶片出现何种缺陷，均会影响晶片的频率稳定性，同时，晶片缺陷对晶片的老化率造成的影响，将是不可逆的，为避免或减少石英晶片缺陷的形成，应当提高晶片加工工艺水平和精度，如研磨、抛光和清洁等工序。

本课题仅对石英晶片外观缺陷对频率的影响进行初步的研究，对后续石英晶片外观缺陷频率在线检测和石英晶片外观缺陷分选提供了相关的理论分析和参考数据。

[1]李东，刘桂礼.石英晶体谐振器电参模型及其对测量精度的影响[J].天津大学学报，1999（6）：781⁃784.

[2]宋新菊，李东，王艳林，等.用于石英晶体⁃频率测试相位检测技术研究[J].传感器世界，2006（11）：14⁃16.

[3]COWLES J，GILBERT B.Accurate gain/phase measurement at radio frequencies up to 2.5 GHz[J].Analog Device，2001，35：5⁃8.

[4]王国元，罗伟雄，江柏森.高频鉴相的取样数值法实现[J].军民两用技术与产品，2005（2）：41⁃42.

[5]刘解华，张其善，杨军.高频高精度石英晶体元件电参数测量技术研究[J].仪器仪表学报，2006（5）：447⁃450.

[6]王华军，李东，王艳林.零相位法石英晶片测试仪设计与实现[J].仪器仪表标准化与计量，2006（2）：29⁃31.

[7]于振欢，李东，王艳林.石英晶体自动测试及分选系统设计[J].计算机测量与控制，2011（6）：1284⁃1286.

[8]夏利锋，王湘中，喻寿益.π网络法石英晶片电参数计算机测量系统[J].中南大学学报：自然科学版，2004（1）：101⁃105.

[9]杨蒙生，刘桂礼，李东.石英晶体静电容测量方法的研究与实现[J].微计算机信息，2007（23）：212⁃213.

[10]蔡湘平，李东.石英晶体参数快速牛顿测量法及系统设计[J].计算机测量与控制，2011（7）：1578⁃1581.

Influence of quartz wafer cosmetic defect on frequency

SONG Pei⁃jie，LI Dong，WANG Yan⁃lin
（Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

The influence of quartz wafer cosmetic defect on frequency is studied，the cosmetic defect of quartz wafer itself in⁃cludes edge breakage，defiled，unfilled corner and so on，which influences the electrical parameter functions of the finished quartz crystal，such as frequency character，resistance character，DLD character and so on.Recently，cosmetic defect detection is ap⁃plied to the quartz wafer before plating electrode，the artificial visual inspection is still the main detection method in China as the optical detection technical of the quartz wafer cosmetic defect is un⁃mature.No matter which kind of method to test the cosmetic de⁃fect，it is too subjective，since there is no research on the relationship of the quartz wafer influenced on the electrical parameter of the quartz crystal.The relationship of the quartz wafer cosmetic defect influenced on the electrical parameter of the quartz crystal is studied to exactly classify the cosmetic defect quartz wafer which influences the electrical parameter of the quartz crystal.

quartz wafer；cosmetic defect；resonant frequency；automatic detection

TN6⁃34；TM22+9.1

A

1004⁃373X（2015）09⁃0113⁃04

宋佩颉（1988—），男，甘肃白银市人，工程硕士。主要研究方向为精密机械与仪器。

2014⁃10⁃25