CEOB2B晶振平台

在前面的文章中有介绍过石英晶体谐振器的基本结构、原理、应用,以及与石英晶振相关的一些电性能参数.也有讲到过多种石英晶振频率微调技术.但是现有的三种频率微调技术均有各自的缺陷,而采用激光频率微调技术就可以克服掉这些缺陷.

非直接接触式的激光频率微调并不会造成晶片表面温升过高,因而不会产生蒸发频率微调技术和溅射频率微调技术中的膜层易被氧化的问题.同时,非接触式加工方法,克服了溅射频率微调技术法中存在的晶振晶片表面电荷积累问题;并且,由于激光具有高度的方向性其光斑只有几平方毫米,最小可达微米数量级,因而移动方便,定位准确,可以用于多片同时频率微调,这就克服了离子束刻蚀频率微调的生产率低的问题。

此外,激光频率微调技术还具有许多其他方案不可代替的优点:结合成熟的激光加工工艺和频率检测工艺的新技术,拥有较高的频率微调精确度;并且生产效率高,经济效益好,有很大的实用价值.

激光加工的灵活性,允许加工成任意的图形,这就对其应用范围没有限制,可以应用于各种形状的石英晶振,贴片晶振。并且, 激光频率微调与计算机技术相结合,可实现自动控制,是现代化大生产的发展趋势。综合以上,本课题选用了代表未来发展趋势的激光频率微调技术来对石英晶振进行频率微调。

因而,论文的主要研究任务就在于:

(1)从理论和实验两个方面,证实激光用于石英晶振频率微调的可行性,并获取定量的刻蚀数据。

(2)从理论方面,研究激光刻蚀以及激光损伤的机理,从而尽可能的减小激光刻蚀对于石英晶振晶片可能存在的影响。

(3)通过反复实验,探索激光刻蚀工艺研究,寻找激光刻蚀参数、工艺与刻蚀结果之间的定性、定量关系,增强激光刻蚀的可操作性和可控制性。

(4)在以上研究的基础上,进行激光刻蚀系统的研究。包括采样系统、数据处理系统、控制系统等整个系统的设计。

GPS介绍及恒温晶体振荡器OCXO模型建设

导航星全球定位系统 NAVSTAR/GPS Global Navigation Satellite Timing and Ranging Positioning System/Global Positioning System,简称GPS)是一个全新体制的定位定时系统,是可供全球共享的具有很高应用价值的空间信息资源,已经成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统.

如图2.1所示。

GPS系统组成:全球定位系统(GPS)出3个部分组成:卫星星座,地面控制/监视网络和用户接收设备,也称其为空间部分、地面支撑系统、用户设备部分。

空间部分:空间为GPS卫星星座,由24颗GPS导航星组成(其中21颗工作3颗备均匀配置在6个与赤道夹角为55°的近圆形轨道上,轨道夹角为60°,这些卫星发播的信号能覆盖全球各个角落。这样可以保证全球任何地方的用户能在任何时刻观测到5~8颗GPS卫星,这些卫星工作在两种频率下:1575.42MHz和1227.6MHLz,卫星上均有遥测遥感天线,用于与地面监控系统通讯,每颗卫星都带有两台小型铯或氢原子钟(稳定度达2×10-13~1×10-14)、微型计算机、电文存储器和数据接收与发射设备,并且由太阳能电池及后备镉镍电池提供电源。

地面测控部分:由五个地面监测站、数据注入站和一个主控站组成。主控站位于科罗拉多州的联合空间执行中心,三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰,五个监控站设在主控站、三个注入站和夏威夷岛,其示意图如图2.2。

主控站昼夜不停地自动分析处理来自个监测站地数据,编算出每个卫星的星历和GPS时间系统,将预测的卫星星历、钟差以及状态数据,然后把这些修正数据传送到数据注入站,由注入站再把修正数据分别发送递给相应的卫星。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离,必要时调度卫星,让备用卫星取代失效的工作卫星。

五个监测站的主要任务是对每个卫星进行观测,并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机(这里对于石英晶振应用的要求就高了),对每个卫星进行常年连续不断的测量,每6秒进行一次伪距测量和多普勒观测、采集气象要素等数据。监测站是一个无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测的数据传送到主控站。五个监控站分布在全球范围,保证了GPS精密定轨的要求。对卫星的监视加注,每天至少要进行一次。通过这样的加注办法来补偿卫星钟的步调差和信号传播(GPS贴片晶振)过程中的变化,使卫星钟与GPS主钟之间保持精密的同步。

石英晶振离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于石英晶振离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜,可以对离子束进行聚焦。热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。

用离子束照射石英晶振的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。

在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶振晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英贴片晶振晶振片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引|出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

在前面的文章中我们介绍了石英晶振的由来,工作原理,以及晶振频率的微调研究,离子束加工原理等技术资料,接下来CEOB2B晶振平台要给大家介绍的是晶振离子束刻蚀设备.

离子束刻蚀需要使用适当的电压和电流将某种气体电离成离子,然后对其进行聚焦和加速,使之形成高能的离子束对工件进行加工。这些过程在大气压状态是无法完成的,所以离子刻蚀加工必须在高真空环境中进行。为此石英晶振离子束刻蚀设备必须包括真空腔和排气系统。此外,为了产生高能离子束还必须有离子源以及控制离子源的电源系统。最后,根据加工的石英贴片晶振和目的不同,还需要配备不同的监测系统和控制系统。

3.3.1离子

离子源也称离子枪,是产生高能离子束的装置。因此,离子源是这个离子刻蚀设备的核心。离子源的工作状态决定着整个石英晶振晶体设备的工作效率和刻蚀精度。并且,在不同的应用中,离子源的种类也各不相同。为此,在实际应用中,一般用以下参数来衡量离子源的性能：

1.束流强度和束流密度。离了束的离子流的大小称为束流强度,用Ⅰ表示。离子束的单位面积上的离子流大小称为束流密度,用J表示。当离子束的横截面是S,则: I=JS。当其他因素不变时,束流强度或束流密度增大时,离子刻蚀的能力就增大。

2.离子束的尺寸和张角。离了束的尺是指离子束直径的大小。离子束的张角则是指当使用的宽离子束是汇聚束或发散束时的收敛角或发散角。或者细直径离子束的束救角。

3.气体利用率。也就是气体输入离子源后,经过电离、聚焦和加速后能成为有效离子的百分比。

4.功率和效率。效率是指高子源输出的高能离子束的能量与输入离子源的能量的比。在石英晶振,石英晶体振荡器实际应用中,为了提高能源的利用率,必须尽可能的提高离子源的效率。

5.离子源的运行特性。运行特性用于衡量离子源工作的稳定性和可靠性。保证设备能够安定的生产。

3.3.2工作腔

真空腔的大小要适中或者将真空腔分为加工室和准备室,加工室一直保持高真空。这样可以减轻真空泵的负担减少抽真空所需的时间。另外,在真空腔中需安装摆放石英晶体,贴片晶振等工件的工作台。工作台的移动可以通过马达或R0B0T控制,以便调整离子束与工件的位置。当马达在真空腔外时,还必须保证转动轴的真空密封性。避免由于转动轴处发生空气泄露,破坏加工的真空环境,影响晶振加工的品质。同时空气泄露后会加重真空泵的负担,如果是湿泵还容易加速真空油的劣化,缩短真空泵的使用寿命:工作台和离子源按不同应用可以分别配备水冷循环系统,对工件与离子源进行降温,以保证石英晶振的品质与离子源的出力稳定。最后,真空腔还应有一个观察窗口,以便观察加工的情况。

3.3.3排气系统

排气系统一般分两段对真空腔进行排气,先用油旋转泵等低真空泵排气,使真空度达到0Pa左右,然后用油扩散泵等高真空泵排气,使得真空腔达到各种加工所要求的高真空度。一般情况下,真空腔的本底真空度应高于103Pa,这样可以避免真空腔内混入过多的其他气体分子和水蒸气,这些气体分子和水蒸气不仅对离子源出力的稳定产生影响,还会污染石英贴片晶振工件,降低产品品质。此外在使用油扩散泵时,还必须在泵前加装冷凝阱防止油蒸汽付真空腔的污染。

3.4离子束刻蚀的应用

离子束蚀具有多项优点:入射离子的方向性很强,刻蚀分辨率高,能刻蚀任何材料,一次能刻蚀多层材料,刻蚀在高真空中进行,刻蚀过程不易受污染。因此被广泛应用于电子工业、生物医疔等行业中.

首先,出于离子束刻蚀具有上述优点,在电子工业中特别适合于对半导体元件的引线制作和图形刻蚀,以及石英晶振晶片的减薄加工。其次,在生物医疗应用中,可以将人造器官的表面刻蚀成特定的结构,使人体的组织在其表面容易生长。另外,在电子显微镜和做表面分析用的试样制备中,出于离子束刻蚀使用物理的撞击效应和溅射效应,并且分辨率高容易控制,因此可以制成无化学污染的高质量的试样。

晶振生产制造阶段的管理

1.晶振元件管理

石英晶振元件的可靠性对产品的可靠性有很大的影响,尽管产品有完美的设计,组成产品的元器件可靠性出现问题,也无法实现产品规定的可靠性。石英晶振元件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两个方面,固有可靠性指的是元器件自身的可靠性状况,这是由供应商决定的,供应商生产的元器件好换坏直接决定了元器件的固有可靠性。使用可靠性指的是元器件在使用阶段的可靠性,它与元器件的使用环境、使用方法等有直接关系,在进行元器件可靠性管理,必须保证元器件的固有可靠性和使用靠性都在管控范围内,只有这样才能尽可能的保证元器件的可靠性不出问题。

为了保证石英晶振,贴片晶振元件的固有可靠性和使用可靠性,需要进行很多的管理工作。比如,在采购原材料时,需要对供应商进行管理,在交付阶段,需要进行来料检验工作,在生产阶段需要保证元器件的使用环境、方法等。结合W公司实际情况, 需要采取以下措施来保障元器件的可靠性。

(1)优化供应商管理制度

目前,市场对石英晶振的产品型号需求不一,Z公司的石英晶振产品型号非常多,组成石英晶振的元器件种类也很复杂,所有元器件的可靠性都可能会对最终的石英晶体,石英晶振可靠性带来影响。这样以来,对元器件的可靠性管控就必须严格进行,选择合适的供应商就显得尤为重要。供应商管理制度的合理性对采购的元器件的可靠性水平是成正比的,完善供应管理制度对提高元器件的固有可靠性大有裨益。

为了优化供应商管理制度,Z公司制定了《供应商准入制度》和《供应商考核制度》两个管理规程,来对供应商管理工作提供准则和要求。制度要求资材课、品管课以及技术课等多个部门联合对供应商进行评审,评审通过的供应商纳入合格供应商名录,接下来对进入名录的供应商的晶振样品进行检测,经技术部门确定合格后,最终成为合格供方。Z公司每季度还要对合格供方进行动态评价,以此来保证供方的质量。在每批元器件入库前,需要对元器件进行来料检验,按照来料检验规程严格进行筛选,经检验合格的元器件才能入库,进行生产。这样就能保证石英晶振,石英晶体振荡器的固有可靠性满足要求,Z公司供应商管理流程如图4-3所示。

除此以外,如何根据实际情况,采用一定的策略来实现对供应商管理利益的最大化也是一门学问,Z公司目前所需原材料种类繁多,元器件的重要程度也千差万别,因此,Z公司针对不同的供应商可以采用不同的策略,对于那些直接影响石英晶体振荡器,石英晶振可靠性的关键元器件,公司应采取与供应商合作共赢的模式,与供应商加强交流,分享实际生产需要经验,从而降低采购成本,提高元器件可靠性。对于那些非关键元器件供应商,公司应该采取多家供应商供货的方法,使供应商之间形成竞争关系,从未间接可以降低采购成本,提高采购质量。公司一定要重视对供应商的管理。

(2)完善元器件的选用制度

虽然元器件的供应商管理问题解决了,元器件的固有可靠性也有了保证,但为了保证石英晶振,贴片晶振的使用可靠性,需要对元器件的选用进行要求,具体的选用要求有以下几个方面:

（1)根据石英晶振的具体型号,来选取相应规格的元器件,而不是只根据型号来选取元器件,因为不同的石英晶振产品的可靠性标准不同,那么所需元器件的规格也会有所差别。

（2)根据元器件在使用过程所受应力的状况来选取元器件,不同产品的元器件所受极限应力不尽相同,按照降额设计的原则来选取元器件。

（3)简化元器件品类,尽量选取标准化元器件,因为标准化石英晶体振荡器.石英晶振,贴片晶振的成本低, 可靠性水平也高。

（4)对于新型元器件的选取,必须经过技术部门的可靠性评估后,没有问题才能投产。

（5)根据以往选取石英晶振,贴片晶振实际经验,制定元器件选取标准,规范元器件选取方法。

  印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件．它提供电路元件和器件之间的电气连接.随着技术的飞速发展,PCB的密度越来越高.PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大．因此,在进行PCB设计时．必须遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求.首先,要考虑PCB尺寸大小.PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加；过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰.在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置.最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局.

科学家最早发现一些晶体材料,如石英,经挤压就象电池可产生电流（俗称压电性）,相反,如果一个电池接到压电晶体上,晶体就会压缩或伸展,如果将电流连续不断的快速开关,晶体就会振动.

那么要如何控制这些石英晶振晶体薄膜的厚度呢？于是膜厚控制仪便出现了. 一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡监控法和光学膜厚监控法两套监控系统,两者相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性,提高产品的合格率.

石英晶体法监控膜厚,主要是利用了石英晶体的两个效应,即压电效应和质量负荷效应. 石英晶体是离子型的晶体,由于结晶点阵的有规则分布,当发生机械变形时,例如拉伸或压缩时能产生电极化现象,称为压电现象.石英晶体在9.8×104Pa的压强下,承受压力的两个表面上出现正负电荷,产生约0.5V的电位差.

如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路.电容Cb为旁路电容,对交流信号可视为短路.电路的第一级为共基放大电路,第二级为共集放大电路. 若断开反馈, 给放大电路加输入电压是, 极性上“+”下“-”；则T1管集电极动态电位为“+”,T2管的发射极动态电位也为“+”.只有在石英晶振晶体呈纯阻性,即产生串联谐振时,反馈电压才与输入电压同相,电路才满足正弦波振荡的相位平衡条件.所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS.调整Rf的阻值,可使电路满足正弦波振荡的幅值平衡条件.

总的来说电子元器件晶振主要分为陶瓷晶振和石英晶振两种，陶瓷晶振有陶瓷谐振器，陶瓷滤波器，陶瓷鉴频器三大主类，石英晶振则分为石英晶体和石英振荡器。石英晶体我们有时也会称它无源晶振或无源晶振，而石英振荡器我们多称它有源晶振。石英晶体并没有在进行什么细分类目，但石英振荡器就不同了，有源晶振依据自身表现出来的不同功能特性继续划分出了多个分类，普通石英晶体振荡器或普通有源晶振，温度补偿晶振，压控晶体振荡器，VC-TCXO晶振，差分晶振，恒温晶体振荡器，32.768K有源晶振等等一系列不同功能特征的石英振荡器。

石英晶体的疵病

  石英晶体无论是天然的还是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它们不仅是由于在石英晶振晶体生长过程中受到种种条件的影响而产生,就是在已形成的晶体中和生长完成后,外界条件的变化(主要是温度)产生的缺陷。这些缺陷会影响其可用程度和石英晶体元件的性能,以下简要介绍几种常见的缺陷。

一、双晶

  双晶是指两个以上的同种晶体,按一定规律相互连生在一起。即在同块贴片晶振晶体中,同时存在两个方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分绕Z轴转180°后方与另一部分连生在一起,这两部分的z轴彼此平行,所以两部分的光学性能相同,而电轴两部分相差180°,故它们的极性相反(见图1.4.1)。

  光双晶是异旋晶体的连生,即在一块晶体中,同时存在左旋和右旋两个部分,它们连生在一起,左旋和右旋的光轴彼此平行,但旋光性相反,此外电轴极性也相反(见图1.4.2)。

                                            (a)左旋石英晶体的极性;(b)绕光轴转180°°后左旋石英晶体的极性C)电双晶的极性;

图1.4.1电双晶极性示意图

(a)左旋石英晶体的极性;(b)右旋石英晶体的极性;(c)光双晶的极性;

图1.4.2光双晶极性示意图

  电双晶又称道芬双晶;光双晶又称巴西双晶。双晶的边界可用氢氟酸腐蚀显示出来(见图1.4.3)。

  双晶多出现在天然石英晶体振荡器,石英晶体中,但在石英晶片加工中也会诱发出双晶。例如：石英晶片加热温度超过573℃,或虽然不超过573°C,但石英片内部温度梯度太大,都可能产生电双晶;又如:晶片研磨时,由于机械应力的作用,可能产生微小的道芬双晶。

(a)电双晶腐蚀图像(b)光双晶腐蚀图像

图1.4.3电双晶、光双晶在z平面上的腐蚀图像

  在压电石英晶体元件中,一般不允许含有双晶,若要利用含有双晶的石英晶片时,则对双晶的位置和比例要严加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免双晶的出现

  二、包裹体

  石英晶体中往往含有固体、胶体和气—一液体三种包裹体。

  固体包裹体是混杂在晶体内部的其它矿物质,天然石英晶振,压电水晶振荡子,石英晶体中固体包裹体大部分是围岩碎屑和黄铁矿、金红石等。人造石英晶体的固体包裹体主要是硅酸铁钠( NaFesi2O6.2H2O),它是由高压釜内壁被腐蚀脱落的亚铁离子和其它离子,与NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等产生化学反应而形成的。

  胶体包裹体是含钾(K)、钠(Na)硅酸盐胶体所组成。它是由于石英贴片晶振,温补晶振,石英晶体生长过程中,温度发生波动时溶液中的二氧化碳达到超饱和状态,来不及结晶而形成胶体包裹体。

  气一液包裹体中的液体主要是水溶液、碳酸和其它混合液,气体是二氧化碳及挥发性化合物等,气一液包裹体多集中在晶体底部包裹体是石英晶振晶体的一种主要缺陷,实验表明,如果晶片中含有大的针状包裹体时,对石英晶体元件的电性能影响很大。

  石英晶体的包裹体可用显微镜观察法或油槽观察法等进行检查

  三、蓝针

  石英晶体中蓝色针状的缺陷称为蓝针。

  蓝针形成的原因很多,有人认为蓝针内部包含有铁、锰、铜、锌等金属氧化物,在这些氧化物外部还有密集的小气泡或小水珠,当光线通过它们时,除蓝色光线外,其它光都被吸收掉,因此在晶体内部呈现蓝色针状缺陷。还有人研究发现,存在蓝针的地方有很细的裂缝,它与石英晶振,有源晶振晶体原有宏观裂隙平行生长,说明蓝针是属于晶体内部机械破坏的结果。

  对一般应用的压电石英晶片可以存在蓝针,但用于制造稳定度高的和频率比较高的石英晶体元件时,不允许其石英晶片有蓝针存在。

  四、其它疵病

  在一些晶体中,可隐隐看出数个晶体的影子,这叫幻影或称魔幻。它是由于晶体生长中断了一段时间,后来又在晶面上继续结晶而形成的。幻影破坏了晶体格架的完整性,影响晶体的弹性,属晶体内部深处的缺陷。

  裂隙是存在于晶体内部的小裂缝。它的形成可能是由于生长区中二氧化硅供应不足,杂质分布不均匀,籽晶不完善,机械应力和温度变化不均匀等缘故节瘤是由许多小晶块构成的镶嵌结构,其形状像是很小的晶体镶嵌到大晶体的表面。这种镶嵌结构是受温度、压力、溶液饱和程度和混合物数量等生长条件影响而形成。在石英晶振,差分晶振等石英晶体内部某处有集中的许多微小气泡和小裂隙,呈现白色如棉花状,这种缺陷俗称为棉。

32.768K晶振类型有很多DIP插件晶振类的，SMD贴片晶振类的，常用的32.768K音叉晶振是圆柱形的，体积以3*8mm和2*6mm使用的居多，这类音叉晶体也叫圆柱晶振或者表晶。贴片型32.768KHZ石英晶振尺寸就更多了，从大体积8030晶振到超小体积1610石英晶体谐振器，这些贴片时钟晶振有几款还被誉为智能手机专用晶振，它们分别是EPSON晶振的MC-146晶振和精工晶振的SSP-T7-F晶振。

石英晶振俗称水晶，成分为二氧化硅，具有"压电效应"和极高的品质因数，被应用于各种振荡电路，其频率稳定度一般可以达到10-6~10-8数量级，甚至更高。然而其频率精度受到石英晶体自身所固有的两个特性影响：频率牵引量(TS)和温漂。频率牵引量是描述石英晶体频率精度随着负载电容变化而变化的物理量，单位为PPM/PF.温漂是描述晶体频率精度随着温度的变化而变化的物理量，为石英晶体谐振器所固有的特性，其频率温度曲线与石英晶片的切型和切角有关。从用户使用角度讲，用户没法改变晶片的切角切型，却很容易改变振荡回流的负载，也正因此原因，客户在使用晶体谐振器时，容易出现因负载不匹配造成的频率漂移现象。