通過調節激光器的三個激光參數,來改變石英晶振頻率微調量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達到最大頻率微調量。三個參數分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調量之間的關系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來測頻率微調量。

   下面為億金電子獨家提供精工晶振32.768K晶振系列Q-SC32S03220C5AAAF晶振編碼.表格中均為32.768K晶振對應的不同封裝尺寸原廠代碼.包括7015晶振,3215晶振,2012晶振,1610晶振，2x6晶振等封裝.

用激光刻蝕圖形,把石英晶振晶片表面電極層部分完全剝落的方法,其優點首先在于頻率微調量大,大氣中即可達到2000pm以上的頻率微調量。

其次,刻蝕圖形的方法,可以對石英貼片晶振晶片一面進行加工,而實現兩面同時同剝落其次,刻蝕圖形的方法,可以對晶片一面進行加工,而實現兩面同時同剝落。

第三,由于在生產過程中,石英貼片晶振晶片表面的電極層是靠掩膜鍍敷到晶片表面上的, 在掩膜的過程中,邊緣處會產生散射,使得沉積在晶振晶片上的銀層邊界線不夠清晰有部分散射銀殘留的現象,同時也會影響晶振晶片的Q值。用激光刻蝕圖形的方法, 對晶片邊緣進行加工,便可以清除邊界殘留銀層,使得晶片表面銀層清晰于凈, 時提高晶片的Q值。

調節激光器的電流和激光掃描時間到適當的值,是可以實現對石英晶振,貼片晶振進行頻率微調的。雖然實驗中微調的量最小也是kHz數量級,但從兩組數據中可以看出只要電流和掃描時間調節的得當,進行幾Hz~幾百Hz數量級的頻率微調也是可行的,亦即實現晶振ppm級的頻率精度。

其次,從實現數據中可以看出頻率微調量在掃描時間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對于激光的反射作用有關,大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對表面電極層進行氣化,只有通過加大激光電流的辦法來加強對表面的轟擊。但這樣一來很容易造成頻率微調量過大,超出了想要的頻率微調數量級的現象。

另一方面可能與整個石英晶振激光頻率微調實驗進行的環境有關。整個激光頻率微調實驗完全在大氣環境下進行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實際上晶振晶片的質量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質量沒有改變就不會對石英晶振頻率產生微調,因而網絡分析儀就測量不出頻率的變化。這樣實驗時就會繼續加大激光電流或是增加激光照射或掃描時間。而這樣是不對的。因為實際上氣化過程在頻率真正得到改變前就已經發生了,只是石英晶振晶片總質量沒有改變從而不會對頻率產生影響。當增強后的激光照射在晶片表面時,有可能電流過大,穿透表面銀層,產生與圖3.5類似的情形,造成實驗失敗。

此外,從實現數據可以看出,激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數并不是獨立作用的,并不是增加或減少其中的一個就可以直接影響晶振頻率微調量的。因而需要兩個參數相互配合,在實驗的基礎上達到一個最佳平衡點。

從實驗中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數外,還有其它的參數影響著實驗結果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復的實驗來找出這些關系,進而找到實現精確石英頻率微調的最佳方案。

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。刻蝕示意圖如圖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。

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面會發生反射、散射、吸收等,要進行激光輻射的熱效應理論計算,首先要知道有多少輻射能量被石英晶振材料吸收。對于透明或半透明的材料,需要測量材料的反射率和透射率,而對于不透明材料,只需要測量其反射率就足夠了。

從微觀來看,激光對石英晶振的作用是高頻電磁波對物質中自由電子或束縛電子的作用,晶振對激光的吸收與物質結構和電子能帶結構有關。金屬中存在大量的自由電子,在激光作用下這些自由電子受到光頻電磁波的強迫振動而產生次波這些次波形成了強烈的反射波和較弱的透射波,透射部分將被電子通過軔致輻射過程而吸收,繼而轉化為電子的平均動能,再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉變為熱能。

非金屬與金屬不同,它對激光的反射比較低,對應的吸收比較高。石英貼片晶振電介質對激光吸收與束縛電子的極化,單光子或多光子吸收,以及多種機制的非線性光學效應有關。透明電介質表面或石英晶振體內的雜質和缺陷往往強烈吸收激光,成為破壞的根源。半導體對激光的吸收有多種機制,以本征吸收最為重要,產生的電子一空穴對很快通過無輻射躍遷復合,將吸收的光能轉變為熱能。等離子體是特殊條件下存在的電離氣體,蒸氣等離子體對激光有很強的吸收作用。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,其基本結構為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結構圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶振晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時石英晶振晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶振晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關。

石英晶振晶體的符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖23所示。當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個pF到幾十pF。當石英晶體諧振時,機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩定度。

從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率,即(1)當L、C R支路發生串聯諧振時,石英晶體諧振器的等效阻抗最小(等于R)。串聯揩振頻率用fs表示,石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性;(2)當頻率高于fs時,L、C、R支路呈感性,可與電容C0發生并聯諧振,其并聯頻率用fd表示。工程技術中石英諧振器就工作在fs到fd范圍內或這兩個頻率的奇次諧頻上。

根據石英晶振的等效電路,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示。可見當頻率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時,石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內,石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結構示意圖如圖24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶體諧振頻率與晶體表面附著物質(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關系,該方程如下:

其中f0為石英晶振原始諧振頻率(單位為Hz),△f為晶振的頻率變化量(單位為Hz),△m為晶體變化的質量(單位為gcm-2),A是晶體有效面積(即電極面積,單位為cm2),pμ是石英晶體的密度,μφ為晶體剪切彈性模量。

對于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數,因而, △f與△m的絕對值成正比,負號表示表面銀電極層質量的增加,會引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質量的減少,會引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質量和減少銀層質量兩種方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見,附加的銀電極層會對石英晶振器的諧振頻率產生影響。因而工業生產中,一般先制作出與目標頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過改變表面電極厚度方法,來微調晶振頻率以達到目標頻率。