CN107819450A - 一种改进封装结构的全石英晶体谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进封装结构的全石英晶体谐振器及其制备方法，包括石英晶片、封装盖和封装基座，所述石英晶片包括保护框，所述保护框的上表面设置有封装金属层A，所述封装金属层A在保护框下表面的投影外设置有封装金属层B，所述封装盖上正对所述封装金属层A的区域设置有封装金属层C，所述封装基座上正对所述封装金属层B的区域设置有封装金属层D；封装金属层A与封装金属层B在石英晶片上的投影互不重叠，可以有效的防止寄生电容的产生；利用金属代替玻璃焊料或者树脂焊料进行封装，可以提高产品的真空度。
Description
技术领域
本发明涉及石英晶体谐振器技术领域，特别是一种改进封装结构的全石英晶体谐振器及其制备方法。
背景技术
石英晶体谐振器通常有压电石英晶片及封装外壳构成，其中压电石英晶片为长方形或圆形，封装外壳材料为陶瓷、玻璃、金属等。压电石英晶片上下两面蒸镀电极，并由导电胶固定在封装外壳中，电极通过密封封装的引线，与封装外壳的基座引脚相连。交流电压通过引脚连通石英晶片的上下电极，使石英晶片产生逆压电效应，从而产生振荡。
随着移动通信电子的迅速发展，器件小型化需求越来越高，石英晶体谐振器的小型化也势在必行。在石英晶体谐振器谐振器小型化的进程中，传统设计结构已很难生产，已经不能满足小型化的要求。如传统工艺中需采用导电胶固定石英晶片，连通电极和引脚，因导电胶大小已很难改进，成为石英晶体谐振器的小型化的阻碍。
为了满足小型化的需求，采用封装盖、石英晶片、封装基座三层封装结构，且均采用石英材质，可以有效批量生产，加工精度高，提高产品的性能。
针对三层封装结构，采用传统的封装结构，即直接在三层结构之间利用金属进行焊接，由于三层封装结构均为石英材质，石英晶片的上下金属焊接层之间产生寄生电容，影响产品的品质；采用新型的封装结构，即封装盖和封装基座上设置封装沟槽，在封装沟槽内添加玻璃焊料或者树脂焊料的方式来封装焊接，但在焊接过程中会产生气体，并扩散至晶体振荡的腔体内，影响产品的真空度，降低了产品的气密性。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，解决了采用传统金属封装结构产生寄生电容和采用新型封装结构产生气体影响产品的真空度的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，包括石英晶片、封装盖和封装基座，所述石英晶片包括保护框，所述保护框的上表面设置有封装金属层A，所述封装金属层A在保护框下表面的投影外设置有封装金属层B，所述封装盖上正对所述封装金属层A的区域设置有封装金属层C，所述封装基座上正对所述封装金属层B的区域设置有封装金属层D。
进一步的，所述石英晶片还包括中央区和连接区，所述中央区通过连接区设置在所述保护框内。
进一步的，所述中央区为矩形。
进一步的，所述封装盖1、保护框207、封装基座3同一位置设置有相同的定位孔，所述中央区上表面设置金属电极A，所述金属电极A延伸至所述定位孔A与所述定位孔A内的导电金属电连接，所述中央区下表面设置金属电极B，所述金属电极B延伸至所述定位孔B与所述定位孔B内的导电金属电连接。
进一步的，所述封装基座底面设置有引脚A和引脚B，所述引脚A与所述定位孔A内的导电金属电连接，所述引脚B与所述定位孔B内的导电金属电连接。
进一步的，所述封装盖上设置有封装盖凹面平台，所述封装基座上设置有基座凹面平台，所述封装盖、石英晶片和封装基座封装后形成供中央区振荡的腔体。
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器的加工工艺，包括以下步骤：
步骤1：对封装盖和封装基座进行预处理，并在其表面沉积耐刻蚀金属层材料；
步骤2：按封装金属层C的形状在封装盖表面形成光刻胶膜，按封装金属层D的形状在所述封装基座表面形成光刻胶膜，利用光刻掩膜板曝光形成曝光图形；
步骤3：使用金属刻蚀液去除未被光刻胶覆盖的金属层区域；
步骤4：去除所述光刻胶，形成封装金属层C和封装金属层D；
步骤5：将封装盖、石英晶片和封装基座依次层叠在一起，利用激光对所述封装金属层C和封装金属层D进行焊接作业，使石英晶片上形成封装金属层A和封装金属层B，完成封装。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.封装金属层A与封装金属层B在石英晶片上的投影互不重叠，可以有效的防止寄生电容的产生；利用金属代替玻璃焊料或者树脂焊料进行封装，可以提高产品的真空度。
2.所述石英晶片与中央区一体连接，且石英晶片、封装盖和封装基座均采用石英晶体材料制造，满足石英晶体振荡器的各项物理特性，热膨胀系数相同，材料成本低，减小因材料不同使温度变化时在外壳和石英晶片间产生应力导致的不良影响。
3.中央区采用矩形结构，可以方便调控晶片振荡的参数。
4.采用该制造工艺，能够实现该改进后的封装结构，将采用低温玻璃进行封焊的加工工艺变为利用金属进行封装，技术简单且常用，提高制造的通用性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的整体结构图，
图2是本发明石英晶片制备时石英基片切割前的结构图；
图3是本发明封装盖制备时石英基片切割前的结构图；
图4是本发明封装基座制备时石英基片切割前的结构图；
附图标记：1-封装盖，101-封装金属层C，102-封装盖凹面平台，2-石英晶片，201-封装金属层A，202-封装金属层B，203a-金属电极A，203b-金属电极B，204a-定位孔A，204b-定位孔B，205-通孔，206-通槽，207-保护框，208-中央区，209-连接区，3-封装基座，301-封装金属层D，302-基座凹面平台，303a-引脚A，303b-引脚B，4-石英基片A，5-石英基片B，6-石英基片C。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-4对本发明作详细说明。
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，包括石英晶片2、封装盖1和封装基座3，所述石英晶片2包括保护框207，所述保护框207的上表面设置有封装金属层A201，所述封装金属层A201在保护框207下表面的投影外设置有封装金属层B202，所述封装盖1上正对所述封装金属层A201的区域设置有封装金属层C101，所述封装基座3上正对所述封装金属层B202的区域设置有封装金属层D301。
所述石英晶片2还包括中央区208和连接区209，所述中央区208通过连接区209设置在所述保护框207内；所述中央区208为矩形；所述保护框207与封装基座3上设置有定位孔A204a和定位孔B204b，所述中央区208上表面设置金属电极A203a，所述金属电极A203a延伸至所述定位孔A204a与所述定位孔A204a内的导电金属电连接，所述中央区208下表面设置金属电极B203b，所述金属电极B203b延伸至所述定位孔B204b与所述定位孔B204b内的导电金属电连接；所述封装基座3底面设置有引脚A303a和引脚B303b，所述引脚A303a与所述定位孔A204a内的导电金属电连接，所述引脚B303b与所述定位孔B204b内的导电金属电连接；所述封装盖1上设置有封装盖凹面平台102，所述封装基座3上设置有基座凹面平台302，所述封装盖1、石英晶片2和封装基座3封装后形成供中央区208振荡的腔体。
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器的加工工艺，包括以下步骤：
步骤1：对封装盖1和封装基座3进行预处理，并在其表面沉积耐刻蚀金属层材料；
步骤2：按封装金属层C101的形状在封装盖1表面形成光刻胶膜，按封装金属层D301的形状在所述封装基座3表面形成光刻胶膜，利用光刻掩膜板曝光形成曝光图形；
步骤3：使用金属刻蚀液去除未被光刻胶覆盖的金属层区域；
步骤4：去除所述光刻胶，形成封装金属层C101和封装金属层D301；
步骤5：将封装盖1、石英晶片2和封装基座3依次层叠在一起，利用激光对所述封装金属层C101和封装金属层D301进行焊接作业，使石英晶片2上形成封装金属层A201和封装金属层B202，完成封装。
具体实施例1
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，包括石英晶片2、封装盖1和封装基座3，所述石英晶片2包括保护框207，所述保护框207的上表面设置有封装金属层A201，所述封装金属层A201在保护框207下表面的投影外设置有封装金属层B202，所述封装盖1上正对所述封装金属层A201的区域设置有封装金属层C101，所述封装基座3上正对所述封装金属层B202的区域设置有封装金属层D301，封装之后，石英晶片上下表面的封装金属层相互错开，不形成电容结构，因此避免寄生电容的产生。
所述石英晶片2还包括中央区208和连接区209，所述中央区208通过连接区209设置在所述保护框207内；所述中央区208为矩形，采用矩形结构便于调整参数；中央区208与所述保护框207形成通槽206，所述连接区209中间开设通孔205，使中央区208的振荡性能更好；所述连接区209也可采用不含通孔205的窄条形结构，同样可使中央区208满足振荡要求，使用一体结构，避免传统技术中采用粘接结构带来的不良影响。
所述封装盖1、保护框207、封装基座3同一位置设置有相同的定位孔A204a和定位孔B204b，所述中央区208上表面设置金属电极A203a，所述金属电极A203a延伸至所述定位孔A204a与所述定位孔A204a内的导电金属电连接，所述中央区208下表面设置金属电极B203b，所述金属电极B203b延伸至所述定位孔B204b与所述定位孔B204b内的导电金属电连接；所述封装基座3底面设置有引脚A303a和引脚B303b，所述引脚A303a与所述定位孔A204a内的导电金属电连接，所述引脚B303b与所述定位孔B204b内的导电金属电连接；从而形成金属电极-定位孔-引脚之间的电连接。
所述封装盖1上设置有封装盖凹面平台102，所述封装基座3上设置有基座凹面平台302，所述封装盖1、石英晶片2和封装基座3封装后形成供中央区208振荡的腔体。
一种改进封装结构的全石英晶体谐振器的加工工艺，包括以下步骤：
步骤1：对封装盖1和封装基座3进行预处理，并在其表面沉积耐刻蚀金属层材料；
步骤2：按封装金属层C101的形状在封装盖1表面形成光刻胶膜，按封装金属层D301的形状在所述封装基座3表面形成光刻胶膜，利用光刻掩膜板曝光形成曝光图形；
步骤3：使用金属刻蚀液去除未被光刻胶覆盖的金属层区域；
步骤4：去除所述光刻胶，形成封装金属层C101和封装金属层D301；
步骤5：将封装盖1、石英晶片2和封装基座3依次层叠在一起，利用激光对所述封装金属层C101和封装金属层D301进行焊接作业，使石英晶片2上形成封装金属层A201和封装金属层B202，完成封装。
石英晶片2、封装盖1和封装基座3各在一块大的石英基片上进行制备，各石英基片上可分别制备多个，具体制备过程如下：
石英晶片2的制备过程如下：
步骤1：设计厚度＝1664/F频率的石英基片A4，基片规格2-4inch，并对石英基片A4表面依次进行研磨、腐蚀、抛光处理；在石英基片A4表面通过磁控溅射方式，沉积耐蚀刻金属层材料，材料成分为Cr/Au。
步骤2：通过旋涂或喷涂方式在石英基片A4表面形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下前烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形。对石英基片A4下表面执行同样工艺，制作背面对称图形，正反面图形对准精度误差要求＜1um。
步骤3：使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层。
步骤4：将石英基片A4放入HF/NH4F/H20混合液中，在50℃腐蚀液条件下进行石英腐蚀，腐蚀时间为3-20h，并制作通槽206、通孔205、定位孔A204a和定位孔B204b，从而形成保护框207、中央区208和连接区209。
步骤5：使用去光刻胶液去除光刻胶膜，石英基片A4上形成石英晶片2。
步骤6：然后对石英晶片2进行金属电极镀膜加工，使用磁控溅射方式，在石英晶片2上下表面沉积Cr/Ag或Ni/Au材料，沉积厚度0.5-200nm。
步骤7：通过旋涂或喷涂方式在石英晶片2上下表面形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下前烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形。对石英晶片2背面执行同样工艺，制作背面对称图形，正反面图形对准精度误差要求＜1um。
步骤8：用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，制作金属电极A203a和金属电极B203b。
步骤9：使用去光刻胶液去除光刻胶膜。
封装盖1的制备过程如下：
步骤1：取用厚度为50-100um石英基片B5，规格尺寸与制备石英晶片2使用的石英基片A4规格尺寸相同，对石英基片B5表面依次进行研磨、腐蚀、抛光处理；在石英基片B5表面通过磁控溅射方式，沉积耐蚀刻金属层材料，材料成分为Cr/Au。
步骤2：所述石英基片B5表面通过旋涂或喷涂方式形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下前烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形，对石英基片B5背面涂覆光刻胶后执行整体曝光。
步骤3：使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成与石英晶片2和封装基座3相同的定位孔A204a和定位孔B204b图形。
步骤4：将石英基片B5放入HF/NH4F/H20混合液中，在50℃腐蚀液条件下进行石英腐蚀，腐蚀时间3-20h，制作定位孔A204a和定位孔B204b。
步骤5：使用去光刻胶液去除光刻胶膜。
步骤6：通过旋涂或喷涂方式在石英基片B5表面形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形。对石英基片B5背面涂覆光刻胶后执行整体曝光。
步骤7：再次使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成封装盖凹面平台102图形；再次将石英基片B5放入HF/NH4F/H20混合液中，在50℃腐蚀液条件下进行石英腐蚀，腐蚀时间0.5-3h，制作封装盖凹面平台102，平台深度10-50um。
步骤8：再次使用去光刻胶液去除光刻胶膜。
步骤9：通过旋涂或喷涂方式在石英基片B5表面形成与封装金属层C101相同形状厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形，对石英基片B5背面涂覆光刻胶后执行整体曝光。
步骤10：使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成封装金属层C101。
封装基座3的制备过程如下：
步骤1：取用厚度为50-100um石英基片C6，规格尺寸与制备石英晶片2使用的石英基片A4规格尺寸相同，对石英基片C6表面依次进行研磨、腐蚀、抛光处理；在石英基片C6表面通过磁控溅射方式，沉积耐蚀刻金属层材料，材料成分为Cr/Au；
步骤2：通过旋涂或喷涂方式在石英基片表面形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下前烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形。对石英基片C6背面涂覆光刻胶后执行整体曝光；
步骤3：用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成定位孔A204a和定位孔B204b图形。
步骤4：将石英基片C6放入HF/NH4F/H20混合液中，在50℃腐蚀液条件下进行石英腐蚀，腐蚀时间3-20h，制作定位孔A204a和定位孔B204b。
步骤5：使用去光刻胶液去除光刻胶膜。
步骤6：通过旋涂或喷涂方式在石英基片C6表面形成厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下前烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形。对石英基片背面涂覆光刻胶后执行整体曝光。
步骤7：再次使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成基座凹面平台302图形；再将石英基片C6放入HF/NH4F/H20混合液中，在50℃腐蚀液条件下进行石英腐蚀，腐蚀时间0.5-3h，制作基座凹面平台302，平台深度10-50um；
步骤8：使用去光刻胶液去除光刻胶膜。
通过旋涂或喷涂方式在石英基片C6表面形成与封装金属层D301相同形状厚度为0.1-2um光刻胶膜，在110℃条件下烘10-30min，通过光刻掩膜版曝光0.5-10s形成曝光图形，显影5-10min去除未曝光区域图形，对石英基片C6背面涂覆光刻胶后执行整体曝光。
步骤10：使用金属刻蚀液，去除未被光刻胶覆盖保护区域金属层，形成封装金属层D301。
在制备好封装盖1、石英晶片2和封装基座3后，采用如下步骤：
步骤1：使用金属掩膜版，通过磁控溅射方式制作封装基座3下部引脚A303a和引脚B303b，金属引脚为混合金属材料起电路连接作用。
步骤2：通过定位孔A204a和定位孔B204b将封装盖1、石英晶片2、封装基座3依次层叠在一起，在真空腔体内抽真空，利用激光对封装金属层C101和封装金属层D301进行焊接作业，使石英晶片2上形成封装金属层A201和封装金属层B202，从而使封装盖1、石英晶片2、封装基座3形成一个整体。
步骤3：对所述定位孔A204a和定位孔B204b侧壁进行金属引线镀膜，使金属电极A203a和金属电极B203b分别引入引脚A303a和引脚B303b。
步骤4：使用激光切割或刀片切割沿着定位孔A204a和定位孔B204b对封装焊接后的石英晶体谐振器进行切割分离，从而实现表面贴装式压电石英晶体谐振器的加工。
Claims (7)
1.一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，包括石英晶片(2)、封装盖(1)和封装基座(3)，其特征在于，所述石英晶片(2)包括保护框(207)，所述保护框(207)的上表面设置有封装金属层A(201)，所述封装金属层A(201)在保护框(207)下表面的投影外设置有封装金属层B(202)，所述封装盖(1)上正对所述封装金属层A(201)的区域设置有封装金属层C(101)，所述封装基座(3)上正对所述封装金属层B(202)的区域设置有封装金属层D(301)。
2.根据权利要求1所述的一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，其特征在于：所述石英晶片(2)还包括中央区(208)和连接区(209)，所述中央区(208)通过连接区(209)设置在所述保护框(207)内。
3.根据权利要求2所述的一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，其特征在于：所述中央区(208)为矩形。
4.根据权利要求2所述的一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，其特征在于：所述封装盖(1)、保护框(207)与封装基座(3)同一位置设置有相同的定位孔A(204a)和定位孔B(204b)，所述中央区(208)上表面设置金属电极A(203a)，所述金属电极A(203a)延伸至所述定位孔A(204a)与所述定位孔A(204a)内的导电金属电连接，所述中央区(208)下表面设置金属电极B(203b)，所述金属电极B(203b)延伸至所述定位孔B(204b)与所述定位孔B(204b)内的导电金属电连接。
5.根据权利要求4所述的一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，其特征在于：所述封装基座(3)底面设置有引脚A(303a)和引脚B(303b)，所述引脚A(303a)与所述定位孔A(204a)内的导电金属电连接，所述引脚B(303b)与所述定位孔B(204b)内的导电金属电连接。
6.根据权利要求2所述的一种改进封装结构的全石英晶体谐振器，其特征在于：所述封装盖(1)上设置有封装盖凹面平台(102)，所述封装基座(3)上设置有基座凹面平台(302)，所述封装盖(1)、石英晶片(2)和封装基座(3)封装后形成供中央区(208)振荡的腔体。
7.一种改进封装结构的全石英晶体谐振器的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对封装盖(1)和封装基座(3)进行预处理，并在其表面沉积耐刻蚀金属层材料；
步骤2：按封装金属层C(101)的形状在封装盖(1)表面形成光刻胶膜，按封装金属层D(301)的形状在所述封装基座(3)表面形成光刻胶膜，利用光刻掩膜板曝光形成曝光图形；
步骤3：使用金属刻蚀液去除未被光刻胶覆盖的金属层区域；
步骤4：去除所述光刻胶，形成封装金属层C(101)和封装金属层D(301)；
步骤5：将封装盖(1)、石英晶片(2)和封装基座(3)依次层叠在一起，利用激光对所述封装金属层C(101)和封装金属层D(301)进行焊接作业，使石英晶片(2)上形成封装金属层A(201)和封装金属层B(202)，完成封装。
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