河北远东通信系统工程有限公司
摘要：随着世界现代通信业的迅猛发展，对高老化指标晶体振荡器的要求日益迫切，尤其对尖端高档晶体振荡器提出了更高的要求，而作为高档晶体振荡器的核心--晶体谐振器是重中之重，而晶体谐振器最重要的就是石英晶片的制作。本文简单探讨了石英晶片的腐蚀工艺对晶体振荡器的老化指标的影响。
关键词：晶体振荡器；石英晶片腐蚀；老化；压电晶体
引言
石英晶体振荡器在贮存、使用过程中频率随时间变化的现象称为老化。老化的特性直接影响晶体频率的稳定性,它是石英晶体振荡器的一个重要参数，石英晶体振荡器的老化是由于应力恢复、质量吸附或这两者的结合而形成的。为了减少老化,在制造石英晶体振荡器的过程中应注意提高晶片的光洁度以减少表面吸附,并消除一切形式的污染。
1化学腐蚀工艺
石英晶片经过各道研磨或抛光后表面都会有一层由磨料和石英晶片微粒构成的破坏层,如不清除,它们将会在石英晶体谐振器工作的过程中逐渐脱落,另外,破坏层还使晶片表面产生应力,使石英晶体谐振器的老化率增大。腐蚀工艺的主要作用就是去除由研磨或抛光工序在晶片上产生的被坏层、消除应力,达到石英振荡器减少老化的目的，研磨或抛光后晶片消除破坏层和应力变形的最佳办法是用腐蚀液对晶片进行腐蚀。腐蚀时可按下式控制腐蚀频率变化量为：
Δf = Kf2
式中：Δf 为腐蚀频率； f 为基频标称频率； K为试验确定的系数,它是由频率段和晶片切型来确定的。在大量生产中，由于各种因素的影响，腐蚀频率可在较大的范围内选择，下表给出的是腐蚀液腐蚀晶片时常数K 值的经验值
腐蚀液在一定的溶度、温度等条件下对晶片按固定的时间增量进行腐蚀。参照时间观测频率的变化绘成曲线图(见图 1) 。由图可知 ,腐蚀速度起初很快 ,但到 x 点时随后就稳定在 (接近) 变化率上。x 点对应的纵坐标为腐蚀频率、对应的横坐标为最少腐蚀时间。晶片腐蚀到频率随时间的变化率呈线性时,由研磨或抛光产生的破坏层已经被腐蚀清除 ,就基本能防止由研磨破坏层引起的频率变化，这时候就应该停止腐蚀，如果腐蚀时间太长，就会破坏完善的晶格结构，结果反而对振荡器的老化指标不好，所以，腐蚀量要根据石英晶片表面状态和腐蚀条件加以选择。晶片腐蚀量也可以根据图 1 中腐蚀曲线来确定。
其腐蚀液的选取对于晶体老化指标的影响尤其重要，不同的腐蚀液腐蚀的晶片外观也不尽相同，所以采用何种腐蚀液是个很关键的问题。我们做过几种腐蚀液的情况对比，下面分别进行说明：
1）氢氟酸
氢氟酸是氟化氢气体的水溶液，分子式HF，与二氧化硅反应生成气态的四氟化硅，反应方程式如下：
SiO2+4HF=SiF4+2H2O
由于氢氟酸是剧毒物质，且无色无味，受到伤害时不易发现，现在已经很少使用。
2）氟化铵
氟化铵分子式NH4F，与二氧化硅的反应方程式如下：
4NH4F+2H2O + SiO2=SiF4+4NH3.H2O
3）氟化氢铵
氟化氢铵分子式NH4HF2，与二氧化硅的反应方程式如下：
2NH4HF2 + SiO2=SiF4+2NH3+2H2O
这几种腐蚀液反应生成的SiF4最终会生成硅氟氢酸，反应方程式如下：
3 SiF4+2H2O = SiO2+2H2Si F6
硅氟氢酸是一种不溶于水的白色沉淀物。石英晶片的腐蚀速度与腐蚀液的浓度和温度等相关。浓度为30%，重量为4.5单位的氢氟酸，其腐蚀量为一个单位重量的石英。要想得到完善的晶面，石英晶片两面的腐蚀量至少应是磨料粒子平均粒度的2倍。晶片腐蚀前一定要清洗干净，关于石英晶片的清洗有多种方法，这里就不多做介绍了。把清洗干净的晶片按照不同频率进行分组，分组后的石英晶片要分别装架腐蚀，腐蚀架是耐腐蚀塑料制成，架子上有许多格槽，把石英晶片分别插到腐蚀架上，这样可以避免石英晶片重叠，保证腐蚀的均匀性，同时也便于监测频率变化情况。
不同腐蚀液腐蚀后对晶片表面会有不同的效果，腐蚀速率也不尽相同，进而对老化指标的影响也不一样，我们采用同样的腐蚀量，我们试验的结果对老化值指标影响见下图：
经过我们的摸索试验，确定采用氟化氢铵腐蚀晶片对老化的技术指标效果最好。
2其他腐蚀方法
我们了解一种等离子体腐蚀方法进行晶片的表面处理，它采用氟气体，在等离子体中产生氟原子，氟原子腐蚀石英表面，生成气态的氟化硅，从而起到消除石英晶片表面机械损伤的作用，这种方法对石英的腐蚀速度比化学腐蚀慢，对提高石英晶片表面光洁度有很好的效果，但是这种方法也存在边缘效应问题和腐蚀效率问题，所有没有批量进行使用。
3结束语
本文探讨了晶体谐振器的腐蚀对老化指标的影响，表明采用氟化氢铵腐蚀过的晶片对老化指标有较大的提升，且对人体的危害性也比其他氟化物要小，是比较适合石英晶片的生产的，但也不能排除有更好的表面处理工艺更加适合石英晶片，我们将继续探索更适合的晶片表面处理方法以提高晶体振荡器的老化技术指标。
参考文献
[1]张沛霖,钟维烈. 压电材料与器件物理. 山东:山东科学技术出版社,1996.
[2]石英谐振器的设计和制作 山东大学物理系出版。
[3]压电石英晶体及元器件 电子工业出版社。
作者简介：聂祎(1982-)男 汉族 河北 石家庄 从事电子元器件开发工作
论文作者:聂祎
论文发表刊物:《基层建设》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/9
标签：晶片论文; 晶体振荡器论文; 氟化论文; 频率论文; 晶体论文; 谐振器论文; 指标论文; 《基层建设》2017年第15期论文;