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【晶振知识】石英晶体元件的成品加工(6)

时间:2017-12-27   浏览量:562

六、老化


石英晶体元件的频率随着时间的变化而变化,称为老化。老化是在恒定的环境条件下测量晶体频率时,晶体频率和时间之间的关系。其老化的机理是应力弛豫和质量吸附。细分为氧化、还原、疲劳、磨损、腐蚀、扩散、应力、渗透、吸附、释放及超强度(过载)等。


石英晶体元件的频率随便时间的变化有如下三种:

三种典型的频率老化关系.jpg

注:图中A(t)曲线是由于应力弛豫引起的;B(t)是由于质量吸附引起的;A(t)+B(t)曲线是两者兼有。


一、年老化率的试验与考核方法


(1)美军标MIL-C-3098F“石英晶体元件总规范”中规定在+85℃下保持30天,相当于+25℃下一年,其频率变化应小于5ppm。

(2)美军标MIL-C-3098G“石英晶体元件总规范”中规定进行加速试验,方法在+105℃下保持168小时,相当于+25℃下一年,其频率变化应小于5ppm。

上述两种加速试验都是在当时的条件下,经过试验确定的。对于晶体元件制造厂来说,为改善产品老化特性仍然显得较长。随着原材料特性的提高和工艺水平的提高,对老化特性的考核办法又做了修正。

(3)美军标MIL-PRF-3098H“石英晶体元件总规范”中规定可以在+125℃条件下保持72小时,其前后的频率变化应小于5ppm。这个条件也相当于+25℃下一年。

做加速试验是有条件下,即产品的失效模式不增加,失效机理不改变的情况下进行。

做老化试验时,老化温度误差为±3℃,测试系统的误差为±5ppm。在各次测量的环境温度的误差在±0.5℃情况下,当用晶体阻抗计进行测量,所有晶体元件(包括设计工作在并联谐振状态下的元件)都应在串联谐振状态下进行测量(即测量谐振频率ƒr)。当使用其它振荡器时,晶体元件可以工作在比串联谐振频率更高的频率上。


二、老化温度与时间的确定


1、老化温度

在不增加失效模式、不改变失效机理的必要条件下,选取比最高长期工作温度低10℃的温度,就目前石英晶体元件来说,为+125℃为好。


2、老化时间

在规定的工艺条件下,抽取基频较高且量较大的产品(如25MHz)的晶体元件共100只,依次编号,在室温+25℃±2℃下存放1小时,随后在测试系统上,测量其谐振频率与谐振电阻,并逐渐记录结果。将产品放入老化烘箱中,从室温逐步升至+125℃±3℃,保持12个小时后取出,在室温停放1.5-2小时,使其温度达到+25℃±2℃,与第一次测量时的室温相差±0.5℃内,再依次在同一测试系统上,测量其谐振频率与谐振电阻,并逐个按号记录其结果,并再次送入+125℃±3℃,保持12个小时,这样连续试验至累计老化72小时后,做最后一次测量并记录。按号画出谐振频率的老化曲线。在使用这些曲线时,去除异常曲线,一般不超过5%。


评审各产品的老化曲线,看95%以上的受试样品的年老化率什么时间达到最后的变化率≤4.5ppm,则这个时间为老化时间,如下图:

老化曲线.jpg

老化曲线图


为了验证老化温度与老化时间的确定是否合理,可安排一批产品按此确定的老化温度和老化时间进行老化,随后再做+125℃±3℃、72小时的年老化率试验进行验证。

但果注意,如果所用的石英片的加工余量,特别是腐蚀系数不合理,或成品制造过程工艺有较大变化时,则要重新试验确定。

另外,由于各制造厂的工艺不尽相同,生产管理与操作人员的素养差异较大,所以,老化工艺也不可能完全一样。


三、石英晶体元件年老化率大的原因


年老化率大的原因有很多,与各工序(石英晶体原料的质量,石英晶片的加工质量,石英振子、外壳、支架及装配、封装等质量有关,还与使用条件有关)都有关系。


1、石英振子表面变坏引起的老化

石英晶片经过研磨和抛光后,其表面处于应变状态,研磨实际上是一个破裂的过程,当一颗砂粒压到石英晶片表面时,从接触点向四周产生裂隙;当裂隙完全包围住一颗石英碎粒时,它就掉下来;在研磨终止时,许多处于局部松动了的碎粒仍留在晶片上。在这些碎粒周围的部分边界上分子链断裂了,这类碎粒因受力而与晶体主体在定向上不一致。裂缝会随时间不断增长,最后全部包围粒子,使它从表面脱离。

上述过程中可因潮湿和高温而大为加速,结果使石英晶体元件的频率和电阻都急剧增高,当碎粒被洗去后,电阻即可恢复正常,而频率去比之前要提高。在极个别情况下,经过几天频率变化就可达到0.1ƒ2或更多。

这种老化可以用仔细研磨和抛光以及防水汽等方法来减少,但最完善的方法是用NH4HF2腐蚀来消除。上述引起错乱定向的应变,所需腐蚀量在一定程度上取决于研磨的类型,把晶片腐蚀到频率随时间变化的变化率呈线性时,就是为了防止这类老化。

腐蚀频率与时间的关系曲线.jpg

腐蚀频率与时间的关系曲线


2、石英晶片表面污染引起的老化

石英晶片表面为外盒中各种挥发性材料所污染,这些材料能使晶片表面增加负荷或减小负荷,从而影响频率的变化。如连接引线用的导电胶,其挥发性材料的残留物以及冲压外壳时使用的润滑剂、加工过程中沾上的汗液、镀覆时清洗不净而残留在酸液,说话时的唾沫、空气中的油污等,在真空中或氮气中进行高温烘烤,可使这种污染物减至最小。

污染物的存在一定会降低晶体元件的频率,但这种效应可能使人误解。在任一给定温度下,盒内会最终达到平衡,即每个表面以恒定速度接受或排除污染物质。然后只要温度一变,就会产生新的平衡条件,使污染物的分布改变,并通常引起频率的变化。在新温度上达到稳定的时间是数小时到若干天。


3、与电极有关的老化

电极有两项功能,在石英晶片上施加电场和微调谐振频率。因此,电极与其它元素化合作用而产生质量变化,必然导致频率的变化,最常用的银(Ag)、金(Au)和铝(Al),每种金属都引起不同的老化问题。

银(Ag)比其它金属更多用作电极材料,常常在银层与石英晶片之间镀上一层铬(Cr),以改善附着力,银在常温下不与氧化合,却受臭氧(O3)的侵蚀,硫和卤化物(氟、氯、溴、碘)等都能强烈地侵蚀银,银与其它元素化合反应都会导致频率下降。

金(Au)的优点上化学特性稳定,且易于镀覆,但不易附着于石英晶片上。必须先镀铬再镀金,具有高密度和高导电率的特性,故不宜用在高频晶体元件上,因为电极的重量负荷会严重降低石英晶体元件的性能,甚至产生活力谷。

铝(Al)在石英晶片上附着很牢,在高频晶体元件上用的较多。铝的声波阻抗与石英的声波阻抗匹配很好,所以在石英和铝的界面上声波反射小,但是铝与氧结合形成氧化铝的反应过程缓慢,其结果是镀铝和石英晶体元件的老化特性不佳,且频率呈指数下降规律。镀铝石英晶体元件老化主要是电极氧化,铝一接触空气就立即开始氧化,当氧化层厚度达50Å后就停止氧化。可以用阳极氧化法减少、甚至消除铝电极氧化引起的老化,阳极氧化是一种简单而有用的调频方法,同时又能保证不再发生氧化。

石英晶体元件在低电平上停止工作的原因,都可归于电极金属与石英晶片的附着力不良。由于镀层只要存在松弛,就会引起阻尼作用使晶体元件的Q值降低到起振所需的极限以下。为了使金属蒸发时很好的附着在石英晶片上,晶片表面必须干净,而且金属必须在合适的条件下蒸发和重结晶。


4、与物理效应有关的老化

石英晶体元件的谐振率,通常在某种程度上受到压电振子上机械应变的影响。因此,加在压电振子上的静态应力一有变化,就会使谐振频率改变。金属电极上的应力松弛是一个严重的老化来源。AT切和BT切晶体元件的频率,受晶片平面上径向应力影响大。这是因为石英晶片和电极金属的温度系数不同而产生热应力可导致频率扰动。在固定温度下经过较长时间金属中的应力会松弛下来,但是当温度改变时这一过程又会重复出现,这就是当工作温度变化时,为什么晶体元件又会重新进入老化周期的原因之一。

薄膜金属原子随着时间改变会发生显著地重新排列,并且变一效应在高温下可加速进程。因此,热处理(人工老化)有助于使电极应力的影响减至最小,膜的厚度,采用的金属,镀膜的方法,镀膜的表面情况及中间层金属等都影响内部应力,消除应力引起频率变化及老化。


5、与石英晶体有关的老化

石英晶体并不完整,杂质原子,填隙原子,晶体空位,非化学计量比及位错等缺陷都对确定频率的弹性系数有细微的影响。因此晶体缺陷的分布一有变化,就可导致老化,如受X射线辐照后的BT切晶体元件,其频率可能降低0.02%之多,可能有的会有变化,也有的没变化,受辐照影响频率变化大的晶片会变成黑色或烟色,频率不变的则不变色,这是由于晶体内含有杂质而变色。

结晶不完整引起的晶体的体应变松弛,能通过高温热处理来加热,但处理过程是连续的,应力效应的分布,是一定温度下终将接近平衡;若温度改变,则又要建立新的分布。这就是为什么使晶体元件在温度改变后,达到频率稳定需要时间的另一原因。


6、与外壳、基座缺陷有关的老化

多数晶体盒内要回充干燥气体,通常是氮,有些要加90%的氮和10%的氦,以利于使用质谱仪来检漏。某些石英晶体元件需要采用真空封装,如低频和高精度晶体元件。

每只外盒都漏气,只是程度不同而已。氧气、水蒸汽,和其它气体进入盒内,可能通过某些机理引起晶体元件频率变化,预先真空烘烤过的AT切和BT切晶体元件一遇到水汽,其频率就会降低0.01ƒ2。氧气进入盒内能造成电极电极氧化而使频率下降,银和二氧化硫一类气体之间的化学反应是不可忽视的老化源。由于高频石英晶体元件的频率对其表面上的质量增减极为敏感,盒中各种物质的蒸汽压都可能对老化现象起到一定影响。

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