運用不同的工藝方法,對石英晶振進行頻率微調,以不同參數的激光產生不同的微調量和微調效果。通過拍攝SEM照片,來研究在不同的激光參數和條件下,激光對于石英晶振表面及內部的改變和損傷情況。共分五種情況對激光刻蝕損傷進行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計無法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當的激光參數刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無明顯的刻蝕痕跡,頻率微調量在50ppm,其他電性能參數改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環,頻率微調量達l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調量達2300ppm。

以下為石英晶振實驗結果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對石英晶振片進行環狀刻蝕?？涛g示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當激光直接作用于晶片本身的時候,會對晶片產生怎樣的影響。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區域,石英片表面平整,形貌良好,并未對下面石英晶體產生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計無法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對石英晶振片表面銀電極層進行刻蝕。刻蝕圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區域的電極層被損壞,出現了肉眼可見的較大范圍內明顯剝落痕跡。至使頻率計無法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

科技的發展讓電子元器件的市場不斷上漲增值，加大電子元器件使用量的同時對其功能性以及尺寸等方面也有了諸多要求。比如石英晶振，貼片晶振，石英晶體振蕩器，滿足市場需求從大體積8045晶振到1612晶振，尺寸改小了，技術加強，使用性能也提高了不少，在高端智能產品中具有低功耗，高穩定精度，重量輕等優勢特點。億金電子技術工程師下面給大家介紹石英晶振的可靠性質以及設計分析報告。

A型石英晶振的組成

A型石英晶振結構比較簡單,由底座、PCB電路板、元器件、晶體、外殼五部分組成,根據這些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框圖, 可靠性框圖見圖3-4

4.22A型石英晶振的可靠性要求

A型石英晶振的可靠性指標要求如下:

(1)石英晶振在工作n年內不發生致命故障

(2)石英晶振n年內總的工作時間不低于:t=n×365×24。

(3)石英晶振的可靠度為0.95:即Rs=0.95。

4.2.3A型石英晶振的可靠度計算

可靠度是指產品在規定的條件和規定的時間內,能正常完成規定功能的概率,通常用R表示。根據對A型石英晶振的結構分析,可以看出A型石英晶振為串聯結構,可靠度計算公式如下:

RS=R1×R2×R3×…·×Rn                       公式(4-1)

A型石英晶振由四部分組成:底座、電路板、元器件、晶體、外殼。A型石英晶振可靠度計算公式如下:

RS=R1×R2×R3×R4×R5                  公式(4-2)

式中:R、R2、R3、R4、R5分別代表底座、電路板、晶體、元器件、外殼的可靠度。

4.24A型石英晶振的可靠性預計

可靠性預計,顧名思義指的是對石英晶振產品在規定的工作條件下進行可靠行估計也就是根據類似產品的經驗數據或組成該產品的各單元的可靠性數據,對石英晶振產品給定工作或非工作條件下的可靠性參數進行估算。

可靠性預計的意義主要有:

(1)為產品設計階段的可靠性設計提供依據

(2)為產品的維護階段提供有價值的信息。

3)站在可靠性設計的角度,篩選設計方案,尋找最佳設計方案。

(4)為改進設計方案提供理論支持。

可靠性預計的方法主要有上下限法、元件計數法、相似產品法、應力分析法評分法、故障率預計法、性能參數預計法。根據W公司實際情況,本文采用應力分析法對石英晶振進行可靠性預計。因為A型石英貼片晶振的主要部件的故障率均可通過供應商得到,所以本文采用應力分析法。采用GJB/Z299C-2006預計手冊。故障率預計法的計算公式為:

4.2.5A型石英貼片晶振的可靠性分配

石英晶振可靠性分配指的是將整個系統的可靠性指標分配給各個組成部分,是將可靠性指標總整體到局部,從上到下進行分配的過程?？煽啃苑峙溆幸韵乱饬x:將石英貼片晶振產品的整體可靠性指標進行分配,分配到產品的下級組成部分,可以使每個組成分的可靠性設計指標更加準確細致,便于可靠性設計人員進行分析。

貼片晶振可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘數法、比例分配法、評分分配法、復雜度分配法、動態規劃法、重要度法、直接尋查法。

本文采用 AGREE分配法對A型石英晶振進行可靠性分配, AGREE分配法將整體的每一個組成單元的復雜度和重要度納入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整體的各個組成單元的重要度和復雜度有關,組成單元越重要,分配的失效度就應該越高。相反,組成單元的重要度越高,分配的失效度就應該有所減少。也就是說,分配給每個組成單元的失效度是加權的,加權因子C與組成單元復雜度成正比,與組成單元的重要度成反比。

單元或子系統的復雜度的定義為單元中所含的重要零件、組件(其失效會引起單元失效)的數目Ni(i=1,2.n)與系統中重要零、組件的總數N之比,即第i個單元的復雜度為：

假定設備的壽命符合指數分布,則可靠度為:

單元或子系統的重要度的定義為該單元的失效而引起的系統失效的概率。其表示為考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示為考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示為：

考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示：

式中：

Wi —為系統的失效率

Ki —產為單元的復雜度

石英晶體的彈性性質

在外力作用下,物體的大小和形狀都要發生變化,通常稱之為形變。如果外力撤消后,物體能恢復原狀,則這種性質稱為物體的彈性;如果外力撤消后,物體不能恢復原狀,則這種性質就稱為物體的塑性。自然界既不存在完全彈性的物體,也不存在完全塑性的物體。對于任何物體,當外力小時,形變也小,外力撤消后,物體可完全復原;當外力大時,形變也大。若外力過大,形變超過一定限度,物體就不會復原了。這就說明,物體有一定的彈性限度,超過這個限度就變成塑性。與壓電有關的問題,都屬于彈性限度范圍內的問題。因此,這里僅討論物體的彈性性質。

一、應力

選兩根長度相等,粗細不同的橡皮繩,當這兩根橡皮繩受到相同的拉力作用時,顯然,細橡皮繩比粗橡皮繩拉得長一些。為什么在相同的外力作用下,它們的伸長量不一樣呢?這是因為兩根橡皮繩的粗細不一樣,也就是橫截面的大小不樣。由此可見,在拉力的作用下,物體的伸長量不僅與力的大小有關,而且還與物體的橫截面的大小有關。為了計入橫截面大小的影響,引入單位面積的作用力(即應力)這個概念,它的數學表達式為:

式中,T為應力,F為作用力,A為橫截面(即力的作用面積)。通常規定作用力為拉力時,T>0,作用力為壓力時,T<0。

二、應變

選擇兩根長度不等,但粗細相同的橡皮繩,當這兩根橡皮繩受到相同的拉力作用時,它們的應力相同,而伸長量不同,即長橡皮繩比短橡皮繩拉得長一些。由此可見,物體的伸長量不僅與應力有關,而且還與原來的長度有關。為了計入長度的影響,引入單位長度的伸長量(即應變)這個概念。它的數學表達式為

                              (2.2.2)

式中,S為應變,l為原長,△l為伸長量,△l為單位長度的伸長量(或相對伸長量)。

三、正應力與正應變

如圖2.2.1(a)所示的小方片,當它受到x方向的應力作用時,除在x方向產生伸長外,同時在y方向也產生收縮,如圖2.2.1(b)所示。同樣,當小方片受到y方向的應力作用時,除了在y方向產生伸長外,同時在x方向也產生收縮

如圖2.2.1(c)所示。上述

 (a)未受力情況(b)沿x方向受力時的形變情況(c)沿y方向受力時的形變情況

圖2.2.1小方片應力、應變示意圖

沿x方向應力和y方向應力的特點是,力的方向與作用面垂直(或力的方向與作用面的法線方向平行)。為了反應這兩個方向在應力符號上要附加兩個足標,例如Tx和Ty。應力的第一個足標表示力的方向,第二個足標表示作用面的法線方向。同理,應變也有兩個足標,例如Sx和Sy應變的第一個足標表示原長度的方向,第二個足標表示伸長量的方向,Tx、Ty又稱正應力(或伸縮應力),Sx、Sy又稱為正應變(或伸縮應變)為了簡便,通常將足標中的(x,y,z)用(1,2,3)表示,而且將雙足標簡化為單足標,雙足標與單足標的關系如表2.2.1所示。

四、切應力與切應變

形變前為一正方形的薄片,在形變后變為菱形,這樣的形變稱為石英晶振晶體的切變,如圖22.2所示。從圖中看出,切變的特點是形變前、后四個邊之間的夾角發生了變化,一個對角線被拉長,另一個對角線被壓縮。而且角度6xy和eyx的變化越大,切變越大。因此切應變與這兩個角度之間的關系為：

顯然,S6這種切應變,在如圖2.2.3所示的兩對應力(Tyx,Tyx和Txy,Tyx)的作用下產生的,而這兩對應力稱為切應力。石英晶振,有源晶振,石英晶體諧振器等壓電水晶元件切應力的特點是:力的方向與作用面平行,它可以使物體產生切變,而不能使物體產生轉動,故有:

Tyx= Txy = T21 = T12 =T6

五、應力張量和應變張量

由于應力不僅與作用力的方向有關,而且還與作用面的法線方向有關,所以,在三維情況下,應力分量有9個,如圖224所示。其中,正應力為:

這就是說,應力張量只有6個獨立分量,為了運算方便,在晶體物理中常將應力張量寫成一列矩陣,即:

與應力張量的情況相同,應變張量也只有6個獨立分量。在晶體物理中常將應變張量寫成一列矩陣,即：

式中S1、S2、S3分別表示沿x、y、z方向的正應變;S4、S5、S6分別表示沿x、y、z平面的切應變。

六、應變分量與位移分量之間的關系

設u、v、w分別表示沿x、y、z方向的位移分量,則應變分量與位移分量之間的關系為:

在石英晶振桿上選一小段AB,如圖22.5(a)所示,若A端的位置坐標為x,B端的位置坐標為x+dx,則AB小段的原長為:

x+dx-r=dx

在外力作用下,若A端的位移為u,B端的位移為u+dh,則AB兩端的相對位移為

u+du-u=du

當da=0時,它表示AB兩端的位移相等,即原長不變。當dh≠0時,它表示AB兩端的位移不等,即AB段的長度發生了變化,而dh就是等于它沿x方向的伸長量。根據正應變的定義:沿x方向的正應變S1等于x方向的伸長量與x方向上的原長之比,即得到     S1=正應變S2和S3與S1的情況類似。

再以切應變S6為例。根據切應變的定義:

切應變S4和S5與S6的情況類似。

七、應力與應變的關系一彈性定律

實驗上發現,在彈性限度范圍內,有源晶振,石英晶體振蕩器應力大時,應變也大;應力小時,應變也小。人們根據長期的生產實踐,總結了這個規律,稱為彈性定律或廣義胡克定律,即“在彈性限度范圍內,物體內任意一點的應變分量與該點應力分量之間存在線性關系”。對于完全各向異性體(如三斜晶系),彈性定律的數學表示式為:

式中系數S稱為彈性柔順常數,并有Sij=Sji(i≠j),由式(2.2.8)可以看出不僅正應力能產生正應變,而且切應力也能產生正應變;同樣,不僅切應力能產生切應變,而且正應力也能產生切應變。這就是說,在一般情況下,應變與應力之間的關系是比較復雜的。

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