CN118554913A - 一种晶体振荡器和制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种晶体振荡器和制作方法，解决了高温和高冲击的使用环境下晶体振荡器老化率高的问题。一种晶体振荡器，包括基座外壳、芯片、石英晶片和导电胶；基座外壳设置有凹槽，凹槽内有连通外部的电路；芯片通过导电胶粘接到凹槽底层，与凹槽内电路连接，用于电路起振和稳定振荡频率；石英晶片表面镀上金属电极，一端通过导电胶与凹槽内电路连接，从而连接芯片，用于提供振荡频率。本申请保护内部器件在高频冲击、振动及热学冲击使用环境下不受影响，改善晶振高温、强力学冲击、极恶劣使用环境下对内部器件的损害和容易脱落问题。

Description

一种晶体振荡器和制作方法

技术领域

本申请涉及电子技术技术领域，尤其涉及一种晶体振荡器和制作方法。

背景技术

晶体振荡器作为电子设备系统中的信号源，广泛地应用在星载、弹载及导航通信系统中，以提供稳定的时钟信号。作为系统中的核心元器件，其工作在高温和高冲击等极端恶劣的使用环境下，产品的频率准确度、频率稳定度、频率温度稳定度都极易受到影响，老化率相对较高，为了维持系统的正常工作，即提升产品的可靠性成为重中之重。

影响晶体振荡器可靠性因素主要是产品材料、制作工艺流程和使用环境等条件。经实验得出，氧化铝陶瓷材料用做基座外壳，选用单一频点的芯片作为起振电路，使用单组份硅系镀银导电胶粘接芯片及低品质的石英晶片都会对晶体振荡器的老化率产生不利影响。

发明内容

本申请实施例提供一种晶体振荡器和制作方法，解决了高温和高冲击的使用环境下晶体振荡器老化率高的问题。

本申请实施例提供一种晶体振荡器，包括基座外壳、芯片、石英晶片和导电胶。所述基座外壳设置有凹槽，凹槽内有连通外部的电路。所述芯片通过导电胶粘接到凹槽底层，与凹槽内电路连接，用于电路起振和稳定振荡频率。所述石英晶片表面镀上金属电极，一端通过导电胶与凹槽内电路连接，从而连接芯片，用于提供振荡频率。

其中还包含一种实施例，所述基座外壳为氮化硅陶瓷材料。

其中还包含一种实施例，所述芯片为可调频编程芯片。所述可调频编程芯片通过锁相环改变晶振频率。

其中还包含一种实施例，所述导电胶为镀银铜粉硅酮导电胶。

其中还包含一种实施例，所述石英晶片切割方法为SC切割。

其中还包含一种实施例，所述芯片与凹槽内电路通过金丝键合连接。

本申请实施例提供一种晶体振荡器制作方法，用于制作本申请任意一项实施例所述的晶体振荡器，包含步骤：

清洗基座外壳和石英晶片；

石英晶片在真空中使用离子束镀膜；

用导电胶粘接芯片和石英晶片；

烘烤导电胶至去除水汽；

用离子刻蚀微调石英晶片频率；

晶体振荡器真空焊封。

其中还包含一种实施例，所述镀膜过程中利用离子束在真空环境中对晶片表面的材料膜轰击。

其中还包含一种实施例，所述烘烤导电胶为真空氮气烘烤。

其中还包含一种实施例，真空焊封后，还包括步骤：

高温老化及应力释放测试。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本申请使用的氮化硅陶瓷基座在1200摄氏度未发生形变，使其内部器件在高温环境中及温度变化条件下性能不受影响，保护内部器件焊接时能够正常工作，还具有极高强度和硬度的优点，保护内部器件在高频冲击、振动及热学冲击使用环境下不受影响，具有优秀耐腐蚀能力，在潮湿、烟雾的环境下依旧能保持其完好的密封性，保证腔体内部维持干燥真空的环境，降低水汽含量，提高产品的寿命；镀银铜粉硅酮导电胶改善晶振在焊接时和高温、强力学冲击、极恶劣使用环境下对内部器件的损害和容易脱落问题，提高产品的可靠性；高品质的石英晶片对高温、振动、加速度的灵敏度低，具有应力补偿特点，能降低晶体的老化率，具有优秀频率稳定度及频率准确度；可调频编程芯片实现更宽泛的频率范围、工作温度范围、高精度和小封装的优点，降低晶振的电磁干扰能力，降低功耗，从而提高产品的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一种晶体振荡器俯视示意图；

图2为本申请实施例一种取出石英晶片后晶体振荡器俯视示意图；

图3为一种晶体振荡器制作方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例一种晶体振荡器俯视示意图。

一种晶体振荡器，包括基座外壳1、芯片3、石英晶片2和导电胶。

基座外壳设置有凹槽，凹槽内有连通外部的电路。

芯片通过导电胶粘接到凹槽底层，与凹槽内电路连接，用于电路起振和稳定振荡频率。

石英晶片表面镀上金属电极，一端通过导电胶与凹槽内电路连接，从而连接芯片，用于提供振荡频率。

基座外壳为氮化硅陶瓷材料。

选用氮化硅陶瓷材料作为基座外壳。基座外壳材料是影响产品性能的关键因素之一，陶瓷基座在晶体振荡器中起到承上启下的作用，其引脚焊盘连接外部电路，实现与内部振荡电路的互连，同时起到内部芯片、石英谐振器的支撑和安装作用，起到物理防护的作用。氮化硅陶瓷材料是一种优秀的高温材料，热膨胀系数小，在高温使用时极其耐高温，强度支撑到1200摄氏度未发生形变，使其内部产品工作在高温环境中及温度变化条件下性能不受影响，保护内部器件焊接在电子电路中能够正常工作。还具有极高强度和硬度的优点，保护内部器件在高频冲击、振动及热学冲击使用环境下不受影响。具有优秀耐腐蚀能力，在潮湿、烟雾的环境下依旧能保持其完好的密封性，保证腔体内部维持干燥真空的环境，降低水汽含量，提高产品的寿命。

通常其材料结构复杂的原因，其制备出的材料性能低于其本征特性。特加入适当的烧结剂8％含量纳米级氧化铝在碳管炉中1800℃温度氮气保护下，烧结制备了氧化铝的氮化硅陶瓷基板。烧结后的氮化硅陶瓷基板其密度可达95％，陶瓷硬度可达14.3GPa、抗弯强度700MPa、断裂韧性7.1Mpa·m。烧结完成后的陶瓷基板可在上面打印金属导电浆料。金属导电浆料可用作陶瓷基座的内部导线合物外部焊盘。相较于常用的氧化铝陶瓷基座，选用氮化硅作为材料，可改善氧化铝陶瓷基座的结构强度差、介电常数较大，电阻率较高等缺点。

导电胶为镀银铜粉硅酮导电胶。

镀银铜粉硅酮导电胶是镀银铜粉作为硅酮导电胶填充材料。

选用单组份镀银铜粉硅酮导电胶。导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶粘剂，在晶振中粘接振荡电路芯片和石英晶片，导电胶的导电性、固化前的粘稠度、粘接强度直接决定晶振能否正常使用。选用镀银铜粉作为硅酮导电胶的填充材料，硅酮组成成分的导电胶具有优秀电磁屏蔽和导电能力。镀银铜粉作为导电胶的填充材料，充分发挥银粉导电胶的抗氧化、导电能力，铜粉导电胶的改善银粉的导电胶电子迁移的现象，结合两者的优势，镀银铜粉导电胶具有在镀金或镀银面的粘接能力强，不易被氧化，抗振性能好和导电性能优秀的优点。镀银铜粉硅酮导电胶还可改善晶振在焊接时和高温、强力学冲击、极恶劣使用环境下对内部器件的损害和容易脱落问题，提高产品的可靠性。

石英晶片切割方法为SC切割。

选用高品质因数(Q值)的SC切石英晶体。Q值是石英晶体重要参数，用Q值区分产品等级，选用高Q值石英晶体，保证产品的性能指标。晶振利用石英晶体的压电效应，在石英晶片两端镀上电极，在电极上加一个交互的电场使石英晶片产生振动。石英晶体选择零温度系数的双转角厚度切性(SC切)，该切性对高温、振动、加速度的灵敏度低，具有应力补偿特点，能降低晶体的老化率，具有优秀频率稳定度及频率准确度。晶体的工艺制作对石英晶体的指标参数起到关键影响，对现有的工艺流程进行优化，提升产品的可靠性。

图2为本申请实施例一种取出石英晶片后晶体振荡器俯视示意图。

在其中一个实施例中，石英晶片设置在芯片上方。

从图中可以看出，石英晶片取出后，下方为芯片。

芯片与凹槽内电路通过金丝4键合连接。

芯片为可调频编程芯片。

可调频编程芯片通过锁相环改变晶振频率。

可调频编程芯片在不改变晶片厚度的情况下，利用锁相环技术改变晶振的频率。

选用可调频编程芯片。晶振作为电路系统中的时钟信号，被称为电子电路的心脏，时钟信号也是影响系统中电磁干扰重要因素。可调频编程芯片可以实现所需频率参数随编程定制，选用专用的刻录器可编程空白片烧录频率，在晶片厚度不变的条件下，利用锁相环技术改变晶振的频率，其工作原理主要是由鉴相器，低通滤波器、振荡器和分频器组成，利用外部输入的参考信号控制芯片内部振荡信号的频率和相位，使振荡信号同步至参考信号。选用此款芯片可实现更宽泛的频率范围、工作温度范围、高精度和小封装的优点，降低晶振的电磁干扰能力，降低功耗，从而提高产品的可靠性。

图3为一种晶体振荡器制作方法流程图。

一种晶体振荡器制作方法，包括步骤110～160：

步骤110、清洗基座外壳和石英晶片；

步骤120、石英晶片在真空中使用离子束镀膜；

步骤130、用导电胶粘接芯片和石英晶片；

步骤140、烘烤导电胶至去除水汽；

步骤150、用离子刻蚀微调石英晶片频率；

步骤160、晶体振荡器真空焊封。

其中一个实施例中，步骤110清洗基座外壳和石英晶片的具体步骤：

将基座外壳和石英晶片分别放入烧杯中，并倒入无水乙醇，无水乙醇应没过基座外壳和石英晶片；

将纯净水倒入超声波清洗机槽中，将盛有基座外壳和石英晶片的烧杯依次放入，打开电源，进行超声波清洗不低于3分钟；

将烧杯取出，捞出基座外壳和石英晶片放入烘烤箱将晶片上水汽烘干备用。

清洗：选用专业的清洗剂清洗晶片。影响产品频率稳定性的因素之一晶片表面附着的污物阻碍产品的正常振动，选用专业的清洗剂清洗晶片，后将晶片和基座放入超声波清洗机中清洗，清洗石英晶片上的污渍及残留物，选用的氮化硅陶瓷材料基座外壳，具有极好的硬度及腐蚀强度，不会在超声清洗中发生损坏，影响产品性能。后将产品放在烘烤箱上，将晶片上水汽烘干，维持晶片表面的清洁度，有利于下一步镀膜工序减少产品的寄生。

镀膜：选用真空离子溅射镀膜，晶片镀膜是影响产品性能的关键因素之一。

镀膜过程中利用离子束在真空环境中对晶片表面的材料膜轰击。

薄膜与晶片的结合性能、附着密度及应力是影响晶体元器件的频率稳定性的关键因素。在真空环境中将材料薄膜沉积到基板上，选用离子束辅助沉积过程，利用离子束对晶片表面进行离子轰击，提高镀膜的附着力、与晶片的结合性能良好和提高薄膜的纯度，同时降低薄膜与晶片之间的应力，可获得厚度均匀的薄膜。降低产品的老化率，提高频率准确度。

上架点胶：选用单组份镀银铜粉硅酮导电胶。导电胶在晶振中粘接振荡电路芯片和石英晶片，导电胶的导电性、固化前的粘稠度、粘接强度是影响产品频率稳定性的因素之一。单组份镀银铜粉硅酮导电胶具有优秀的导电性、粘接能力强和抗振性能好的优点。同时在工艺中提高胶点的对称性，减小点胶面的面积，降低晶片与导电胶之间的应力，提高产品的可靠性。

在其中一个实施例中，具体操作的步骤为将镀膜完毕的石英晶体放置在上架点胶的设备内，将导电胶出胶针头的针孔内径设置在0.2mm～0.25mm范围内，出胶时间设置为0.5s～0.8s范围内，出胶压力设置为0.2MPa～0.25MPa范围内，针头距离基座的高度设置为2mm～3mm范围内，用导电胶将石英晶体和基座进行连接，连接后形成的胶点的直径在0.3mm～0.35mm范围内。

点胶完成后将器件放置于满足点胶固化工艺要求的烘箱内，根据所使用的导电胶的类型，设置对应的烘烤阶梯曲线，进行导电胶固化烘烤。

烘烤开始前对烘箱抽真空，烘箱内形成真空状态，迅速减小烘箱内水汽。

将烘箱内置换为氮气，开始烘烤，烘烤中烘箱持续供给高纯度氮气，实现腔体内的洁净度达到百级洁净要求。

烘烤过程设置不同温区来满足不同阶段的烘烤要求，在烘烤过程中实现“阶梯式”烘烤，烘烤的温度控制精度优于±5℃，以实现导电胶的充分固化。

导电胶烘烤：真空氮气烘烤导电胶。晶片和基座外壳制作加工过程中，存有污渍及残留物，同时在贮存过程中，会吸附空气中的大量水汽，选择在真空氮气环境下烘烤2小时，可去除内部吸附的水汽，提高粘结面的粘结强度，提高产品的可靠性。

频率微调：离子刻蚀微调。在真空的环境下，用离子束将电极膜打薄，电极膜被刻蚀，频率随之调高。选用此种方式进行频率微调，其刻蚀面和晶片都具有各向异性，有较高的刻蚀率和频率的选择性，同时也可降低应力，提升频率的准确度。

真空焊封：真空平行焊封。焊封工艺是影响产品可靠性重要因素。真空平行焊封用电极对被焊封的器件，施加一定压力同时断续通电，利用电极间的接触及电阻产生的热能使盖板与管壳镀层融化结合。确保腔体内元器件与外部的隔离，具有良好的气密性，隔绝腔体内的水汽含量和外部氧气及自由粒子，提高产品的可靠性。

一种晶体振荡器制作方法，还包括步骤：

高温老化及应力释放测试。

封口老化：高温老化及应力释放。产品在高温环境下长时间老化，晶振内部晶片应力得到释放，降低产品的老化率。同时模拟产品的使用环境，提前暴露产品的缺陷。

高品质因数的SC切石英晶体与单组分镀银铜粉硅酮导电胶粘结后的晶振，在-55℃～125℃工作温度下，频率温度稳定性：<±1ppm,年老化率：≤±2ppm，其在冲击振动的工作条件下，在1KHz频偏处相位噪声：<-140dBc/Hz。

通过试验后的结论可知选用氮化硅材料的陶瓷基座、可编程的芯片镀银铜粉硅酮导电胶在频率稳定度、年老化率及振动条件下的相位噪声都有较大改善。

本申请使用的氮化硅陶瓷基座在1200摄氏度未发生形变，使其内部器件在高温环境中及温度变化条件下性能不受影响，保护内部器件焊接时能够正常工作，还具有极高强度和硬度的优点，保护内部器件在高频冲击、振动及热学冲击使用环境下不受影响，具有优秀耐腐蚀能力，在潮湿、烟雾的环境下依旧能保持其完好的密封性，保证腔体内部维持干燥真空的环境，降低水汽含量，提高产品的寿命；镀银铜粉硅酮导电胶改善晶振在焊接时和高温、强力学冲击、极恶劣使用环境下对内部器件的损害和容易脱落问题，提高产品的可靠性；高品质的石英晶片对高温、振动、加速度的灵敏度低，具有应力补偿特点，能降低晶体的老化率，具有优秀频率稳定度及频率准确度；可调频编程芯片实现更宽泛的频率范围、工作温度范围、高精度和小封装的优点，降低晶振的电磁干扰能力，降低功耗，从而提高产品的可靠性。

本申请提高晶体振荡器在极端恶劣的使用环境下的频率准确度、频率稳定度、老化率，从而提高产品的可靠性。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种晶体振荡器，其特征在于，

包括基座外壳、芯片、石英晶片和导电胶；

所述基座外壳设置有凹槽，凹槽内有连通外部的电路；

所述芯片通过导电胶粘接到凹槽底层，与凹槽内电路连接，用于电路起振和稳定振荡频率；

所述石英晶片表面镀上金属电极，一端通过导电胶与凹槽内电路连接，从而连接芯片，用于提供振荡频率。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，

所述基座外壳为氮化硅陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，

所述芯片为可调频编程芯片；

所述可调频编程芯片通过锁相环改变晶振频率。

4.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，

所述导电胶为镀银铜粉硅酮导电胶。

5.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，

所述石英晶片切割方法为SC切割。

6.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，

所述芯片与凹槽内电路通过金丝键合连接。

7.一种晶体振荡器制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-6所述晶体振荡器，包括步骤：

清洗基座外壳和石英晶片；

石英晶片在真空中使用离子束镀膜；

用导电胶粘接芯片和石英晶片；

烘烤导电胶至去除水汽；

用离子刻蚀微调石英晶片频率；

晶体振荡器真空焊封。

8.根据权利要求7所述的晶体振荡器制作方法，其特征在于，

所述镀膜过程中利用离子束在真空环境中对晶片表面的材料膜轰击。

9.根据权利要求7所述的晶体振荡器制作方法，其特征在于，

所述烘烤导电胶为真空氮气烘烤。

10.根据权利要求7所述的晶体振荡器制作方法，其特征在于，真空焊封后，还包括步骤：

高温老化及应力释放测试。