改進高精度石英晶體元件老化率的措施
高精度石英晶體元件的老化率一直是設計和制造中特別重視的問題。影響老化的因素很多,例如外殼漏氣,金屬電極氧化,石英片受潮及內應力釋放等,但對于高精密石英晶體元件來說,大部分因素都可消除。還剩下兩個重要因素需要繼續努力解決,現分別介紹如下:
(1)質量吸附效應
石英晶體元件在真空密封后,晶體盒內總是還有少量殘存的氣體,這些氣體吸附在晶體盒的內壁上和石英振子上,當振蕩器工作時,恒溫槽開始加熱,石英振子也開始振動,吸附在石英振子上的氣體逐漸離開并引起振蕩頻率向正方向漂移,這是一個緩慢的過程,一般需要幾個月甚至幾年的時間才能達到平衡。晶體盒內的真空度越高,這個過程就越短,頻率漂移也越小。當振蕩器停止工作后,石英振子停止振動,恒溫槽也逐漸冷卻下來,這時,盒內的氣體又重新吸附到石英振子上,振蕩器再次工作時,又重復上述過程。因此,提高石英晶體元件真空度不僅可以降低老化率,而且還可以改善振蕩器的開機特性和頻率再現性。
(2)應力弛豫效應
在石英片研磨和焊線上架等過程中,都要收到應力的作用。另外,石英片被電極后,表面層和金屬膜之間也存在著應力,這些應力隨著時間的推移,而逐漸消失的現象稱為應力弛豫效應。這種效應降引起頻率向正方向漂移。因此,石英晶體元件制成后,應經過一段時間的自然存放,或采用高溫退火的方法使應力弛豫效應消失。生產上,為了改進晶體元件的老化性能,通常采取下述三個措施:
a) 提高石英晶體元件承受高溫烘烤的能力,可加速消除應力弛豫效應
原來的焊錫裝駕工藝是在石英片邊緣燒上銀點,然后再用焊錫把鎳片焊在銀點上,由于受焊錫熔點的限制,石英諧振器*多只能承受150℃左右的烘烤。為了提高烘烤能力,目前采用的新工藝有:
熱壓接法:在石英片的邊緣上被上三層金屬膜。**層是厚度未500A的鉻膜,這是為了加強鍍層和石英片之間的附著力。**層為厚度為500A的鉻和金的過度膜。第三層是厚度為2000A的金膜。這是為了有利于包鋁鎳片的焊接。由于熱壓的溫度為425℃,壓強為(8~10)×103N/cm2,因此,它可承受400℃的烘烤。熱壓接除了使石英晶體元件能承受高溫烘烤外,還排除了銀漿、焊錫、松香和焊劑等可能污染石英振子的物質。從而改進了石英晶體元件的清潔程度。
燒銀漿法:用一個特制的夾具將石英振子和鍍銀鎳片(或銀片)固定在一起,然后在結合處涂上銀漿,經500℃的高溫焙燒后,即可結合在一起。這種石英晶體元件只能承受300℃的烘烤;而且銀漿中還有松節油之類的揮發性物質可能污染晶片,所以產品質量不如熱壓接法好。但它的工藝比較方便,可靠性好,因此有時還被采用。
銅焊法:銅焊法就是在石英片邊緣蒸鍍鉻膜和金膜,然后在金膜和鎳片之間放上金鍺合金作為焊料,并用特制的家居固定放到氫氣爐中加熱到370℃(鍺金的熔點為356℃),即可焊接在一起,也有先在石英片的邊緣上燒上銀點,然后在銀點和鍍金鎳片之間放上金鍺合金加熱焊接。
b)改進石英晶體元件的清潔程度
對于高精密石英晶體元件制造業來說,保持工作環境的清潔是十分重要的,特別是某些關鍵工序*好在凈化室內進行。石英片在加工過程中,需要用硫酸重鉻酸鉀洗液,蒸餾水、無水乙醇和異丙醇等充分清洗,并經過充分的高溫烘烤后貯存在充氮氣的干燥箱內(或真空干燥箱內)。其他的零件如破殼、芯柱等也都要經過充分的清洗和烘干(400℃),然后貯存在充氮氣的干燥箱內。玻殼封口時,為了避免煤氣火焰對晶片的污染,可用高頻加熱法封接。如果是金屬殼,則可采用冷壓焊法封裝。
c)提高石英晶體元件的真空度
由于石英晶體元件的真空度與老化率、開機特性和頻率再現性有密切關系,因此近十幾年來,在提高石英晶體元件的真空度上想了不少辦法,例如用鈦離子泵抽真空,不但可以達到10-10乇的真空度,而且是一個無油系統,避免了油蒸汽的污染,這樣可使石英晶體元件的老化性能有很大的提高。