CN111917395A - 一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器及其制作方法，该谐振器包括陶瓷基座、微型音叉晶片和金属盖板，所述陶瓷基座由陶瓷底板、陶瓷垫板、陶瓷圈板和可伐合金环从下至上依次叠加而成，所述陶瓷底板底部设置有金属焊盘，所述陶瓷垫板上分别设置有左突起焊盘和右突起焊盘。该谐振器通过高真空烘烤脱气工艺、密封氮气平行缝焊工艺和高真空激光点焊工艺制作而成。本发明制作方法简单、快捷，制作出来的谐振器质量可靠、使用寿命长、电气性能优越。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体涉及一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器及其制作方法。
背景技术
随着消费性电子产品(如数字相机、手机、电子书等)的快速成长，为了迎合市场需求，微型化、低成本产品是占领市场很重要的一环，但成本较低的玻璃封装难以克服真空下封合的技术，如何应用于音叉式石英晶体谐振器(即玻璃于熔融状态下无法在真空中封合)，是在制造技术上需要克服的一大要素。
中国专利申请公布号CN102324909A，申请公布日为2012年1月18日的发明专利公开了一种玻璃封装音叉式石英晶体谐振器及其制作方法，该石英晶体谐振器包括陶瓷基座和金属上盖，所述的金属上盖上设有孔洞；所述的陶瓷基座内置入一石英芯片；所述的石英芯片的电极通过导电胶黏着到所述的陶瓷基座内部电极上；所述的陶瓷基座外缘上涂布封装用玻璃；所述的陶瓷基座和所述的金属上盖通过所述的封装用玻璃封合；所述的石英晶体谐振器在真空状态下通过焊料将所述的金属上盖上的孔洞填满。该制作方法是在氮气环境下，利用封装用玻璃将带有孔洞的金属上盖与陶瓷基座进行封合，再利用真空设备将封合好的产品抽真空，最后在真空环境中利用焊料将金属上盖上的孔洞填满。
微型音叉石英晶体谐振器采用多层陶瓷管壳内部密封微型音叉晶片，微型音叉晶片为半导体光刻腐蚀工艺制成。音叉晶片微型化之后，等效阻抗ESR急剧上升，音叉石英晶片在反馈回路驱动下，两叉臂弯曲振动，弯曲振动模态对气体分子很敏感，气体分子会形成振荡阻力造成等效阻抗ESR上升。为避免微型音叉石英晶体谐振器等效阻抗ESR上升要求封装腔体内保持真空度和在封装工艺中消除气体分子释放。上述发明中谐振器在制作时虽然有抽真空操作，但是对于焊接过程中产生的气体杂质并没有任何处理措施，生产出来的谐振器质量还是有瑕疵。
发明内容
本发明的目的是克服现技术的缺陷和不足，提供一种质量可靠、制作方便、使用寿命长、电气性能优越的高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器及其制作方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，包括陶瓷基座、微型音叉晶片和金属盖板组成，所述微型音叉晶片位于陶瓷基座内，微型音叉晶片的电极通过导电胶黏着到陶瓷基座内部电极上，所述的陶瓷基座内部电极线路连接着陶瓷基座外部电极，其特征在于：所述陶瓷基座由陶瓷底板、陶瓷垫板、陶瓷圈板和可伐合金环从下至上依次叠加而成，所述陶瓷底板底部设置有金属焊盘，所述陶瓷垫板上分别设置有左突起焊盘和右突起焊盘。
所述微型音叉晶片包括音叉结构基底，所述音叉结构基底的两端分别固定连接有左支撑臂和右支撑臂，音叉结构基底的中部固定连接有左音叉臂和右音叉臂，所述左音叉臂的另一端固定连接有音叉左加重臂，所述右音叉臂的另一端固定连接有音叉右加重臂。
所述左音叉臂上设置有左沟槽，所述右音叉臂上设置有右沟槽，所述左沟槽和右沟槽上下对称，左沟槽和右沟槽的横截面呈“V”形。
所述左支撑臂上设置有圆形通孔，所述右支撑臂上设置有矩形通孔。
一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤:
1）、制作微型音叉晶片，并将制作完成的微型音叉晶片放入陶瓷基座中；
2）、通过高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座内有机物、水分子释放出来；
3）、通过密封氮气平行缝焊工艺将金属盖板和可伐合金环密封熔接在一起；
4）、通过高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座内有机物、水分子释放出来；
5）、将步骤4）得到的微型音叉谐振器与治具板一起放入高能激光点焊设备的真空腔体内，完成整个器件的密封焊。
所述步骤2）和步骤4）中烘烤时烘箱内气压为10-4Pa，温度为150℃。
所述步骤3）中密封氮气平行缝焊工艺为金属双轮电阻式平行缝焊工艺，缝焊工艺中通入滚轮的电流强度大于200A。
所述步骤1）-步骤4）中的金属盖板的底面两侧预留有用于释放气体的左微口和右微口。
所述步骤5）中真空腔工作状态下保持真空度10-4Pa以下。
本发明相比现有技术，具有以下优势：
1、本发明中的微型音叉石英晶体谐振器密封性能好，陶瓷基座内真空度高，内里音叉晶片受外界影响程度大大降低，整个装置老化速度慢，使用寿命更长，陶瓷基座内空气密度低，等效阻抗ESR也低，密封后微型音叉谐振器等效电阻ESR达到90K欧姆以下。
2、本发明采用密封氮气平行缝焊工艺、高真空烘烤脱气工艺、高真空激光点焊工艺相结合的工艺方法来制作微型音叉石英晶体谐振器，实现陶瓷基座与金属盖板高精密贴合，陶瓷基座顶端环状金属焊层与金属盖板高温熔接，并在整个工艺过程中消除金属熔接过程产生的气体分子释放，实现陶瓷底座与金属盖板形成高真空密封腔体。
3、本发明中分别在封装前和和轮焊后对微型音叉谐振器一定时间内进行高真空烘烤，使器件腔体内有机物，水分子释放出来，再经过后期真空密封焊后，可确保陶瓷基座内的空气密度达到最低，电气性能参数达到最高。
4、本发明采用金属双轮电阻式平行缝焊工艺对谐振器进行封装焊接，整个过程操作方便、焊接时间短。
5、本发明制作前期在金属盖板的底面两侧预留左右微口，这样就可以利用高真空烘烤工艺，使平行缝焊熔接产生的气体，在高真空、高热环境下从左右微口处释放出来，从而达到改善等效阻抗的目的。
附图说明
图1是微型音叉晶片示意图。
图2是装入微型音叉晶片未封金属上盖的陶瓷基座示意图。
图3是装入微型音叉晶片未封金属上盖的陶瓷基座俯视图。
图4是有密封金属上盖的产品示意图。
图5是高真空烤箱结构示意图。
图6是电阻式平行缝焊与激光封焊区域分布图。
图7是电阻式平行缝焊示意图。
图8是激光封焊示意图。
图9是高真空烘烤脱气流程图。
图中：陶瓷基座1，音叉左加重臂a001，音叉右加重臂a002，左音叉臂a003，右音叉臂a004，右沟槽a005，圆形通孔a006，矩形通孔a007，右支撑臂a008，左沟槽a009，左支撑臂a010，音叉结构基底a011，微型音叉晶片b002，合金环b003，陶瓷圈板b004，陶瓷垫板b005，陶瓷底板b006，左突起焊盘c001，右突起焊盘c007，金属盖板d001，边框区域e001、e003，左微口e002，右微口e005，滚轮f001、f002，真空水管g001、g004，托盘中内嵌发热管g002，箱体内托盘g003，温度传感器g005、g006，氮气进气口阀门g007，氮气进气口g008, 预阀g009，分子泵g010，低阀g011，前级泵g012，前级泵g013，真空烤箱箱体g014，真空高伐g015，激光器h001。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
微型音叉晶片结构参见图1，一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，包括陶瓷基座1、微型音叉晶片b002和金属盖板d001组成，所述微型音叉晶片b002位于陶瓷基座1内，微型音叉晶片b002的电极通过导电胶黏着到陶瓷基座1内部电极上，所述的陶瓷基座1内部电极线路连接着陶瓷基座1外部电极，所述陶瓷基座1由陶瓷底板b006、陶瓷垫板b005、陶瓷圈板b004和可伐合金环b003从下至上依次叠加而成，陶瓷圈板b004为音叉晶片提供高度空间，陶瓷圈板b004和可伐合金环b003一起构成微型音叉晶片b002放入高度空间，所述陶瓷底板b006底部设置有金属焊盘，所述陶瓷垫板b005上分别设置有左突起焊盘c001和右突起焊盘c007。
所述微型音叉晶片b002包括音叉结构基底a011，所述音叉结构基底a011的两端分别固定连接有左支撑臂a010和右支撑臂a008，所述左支撑臂a010和右支撑臂a00表面8镀有金属层，分别与音叉电极电气连接，左支撑臂a010上设置有圆形通孔a006，所述右支撑臂a008上设置有矩形通孔a007，音叉结构基底a011的中部固定连接有左音叉臂a003和右音叉臂a004，所述左音叉臂a003上设置有左沟槽a009，所述右音叉臂a004上设置有右沟槽a005，所述左沟槽a009和右沟槽a005上下对称，左沟槽a009和右沟槽a005的横截面呈“V”形，所述左音叉臂a003的另一端固定连接有音叉左加重臂a001，所述右音叉臂a004的另一端固定连接有音叉右加重臂a002。
一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤:
1）、由人工生长水晶棒材，水晶棒材通过X射线定向仪定向到X+5度，固定到夹具中，定位夹具的水晶棒材经过切割研磨工艺制成晶圆片，晶圆片通过光刻湿法腐蚀工艺形成音叉结构，音叉再经过镀膜腐蚀工艺形成电极，以得到微型音叉晶片b002，微型音叉晶片b002厚度在80微米至100微米之间，而后将制作完成的微型音叉晶片b002放入陶瓷基座1中，左支撑臂a010、右支撑臂a008分别放置于放置在左突起焊盘c001、右突起焊盘c007上，圆形通孔a006、矩形通孔a007位置分别与左突起焊盘c001、右突起焊盘c007中心位置重合。左支撑臂a010、右支撑臂a008在焊接时涂布有银胶，银胶在固化前有流动性，银胶会渗入圆形通孔a006、矩形通孔a007中，经过固化工艺后，加强了微型音叉晶片b002片焊接强度，安放过程参见图2-图4；
2）、通过高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座1内有机物、水分子释放出来。 其中的高真空脱气烤箱装置结构参见图5，g014为真空烤箱箱体，内有托盘g003 ,放入治具板中的微型音叉谐振器放在托盘上，进行高真空烘烤脱气。具体结构为g003为箱体内托盘，g002为托盘中内嵌发热管，对托盘进行加热， g005为温度传感器，发热管与温度传感器在外部智能控制器下对温度进行控制。g001和g004为内嵌在箱体内的水冷管道，在外部控制器控制下进行冷水循环对腔体进行降温。腔体内真空由外部真空系统控制，具体为g008氮气进气口，g007氮气进气口阀门，真空高伐g015,分子泵g010,低阀g011,前级泵g013,预阀g009。高真空烘烤脱气流程参见图9；
3）、通过为金属双轮电阻式平行缝焊工艺将金属盖板d001和可伐合金环b003密封熔接在一起，电阻式平行缝焊是利用被焊两材质接触面间的接触电阻大，根据欧姆定律所产生的热量为Q=I2Rt(I为通过接触面电流，R为接触电阻，t为放电时间），电流越大产生的热量越大。图7所示，滚轮f002、f001通入大电流，电流经过滚轮与金属盖板d001接触处电阻大，在接触位置会产生热量，缝焊工艺中电流在200A以上，作用的时间几十毫秒，在短时间内脉冲直流经过接触面产生大量的热量，由于金属的导热系数大，比热小，短时间产生高温，使金属盖板d001滚轮与接触面的热量传导到可伐合金环b003与金属盖板d001之间，接触处金属相互熔接，形成致密层焊接区。这种利用金属双轮轮短时间脉冲大电流放电使接触面处产生热量高温熔接称为电阻式平行缝焊工艺，随着两滚轮向前滚动脉冲放电，金属熔接形成密封层。如图6所示边框区域e001、e003为电阻式平行缝焊区域，采用电阻式平行缝焊该区域，可伐合金环b003与金属盖板d001密封熔接。整个工艺过程在密封的高纯度氮气环境中完成，氮气的露点温度为-45℃以下。该区域焊接完成之后，由于金属面高温焊接过程中会有气体释放，如果金属盖板d001四周全部用电阻式平行缝焊完成会残留气体到陶瓷腔体中，微型音叉晶片b002振动会受到气体的阻力，导致等效阻抗ESR变大。本发明对传统平行缝焊方式改进，预留很小的区域形成左微口e002和右微口e005，再利用高真空烘烤工艺，使平行缝焊熔接产生的气体，在高真空，高热环境下从左微口e002和右微口e005处释放出来，从而达到改善等效阻抗ESR的目的；
4）、重复步骤2）中的高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座1内有机物、水分子释放出来；
5）、将步骤4）得到的微型音叉谐振器与治具板一起放入高能激光点焊设备的真空腔体内，激光器h001结构如图8所示，对左微口e002和右微口e005利用激光高能量脉冲点焊，完成整个器件的密封焊。腔体内在真空系工作状态下保持真空度10-4Pa以下,选取光束质量高，光斑小于30微米的50W红外激光器，对单个器件两处微孔的脉冲作用时间小于1ms，作用面积小、时间短，激光产生的热量瞬间完成密封焊接，所产生的熔接气体很少，密封后微型音叉谐振器等效电阻ESR达到90K欧姆以下的指标范围。
Claims (9)
1.一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，包括陶瓷基座（1）、微型音叉晶片（b002）和金属盖板（d001）组成，所述微型音叉晶片（b002）位于陶瓷基座（1）内，微型音叉晶片（b002）的电极通过导电胶黏着到陶瓷基座（1）内部电极上，所述的陶瓷基座（1）内部电极线路连接着陶瓷基座（1）外部电极，其特征在于：所述陶瓷基座（1）由陶瓷底板（b006）、陶瓷垫板（b005）、陶瓷圈板（b004）和合金环（b003）从下至上依次叠加而成，所述陶瓷底板（b006）底部设置有金属焊盘，所述陶瓷垫板（b005）上分别设置有左突起焊盘（c001）和右突起焊盘（c007）。
2.根据权利要求1所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，其特征在于：所述微型音叉晶片（b002）包括音叉结构基底（a011），所述音叉结构基底（a011）的两端分别固定连接有左支撑臂（a010）和右支撑臂（a008），音叉结构基底（a011）的中部固定连接有左音叉臂（a003）和右音叉臂（a004），所述左音叉臂（a003）的另一端固定连接有音叉左加重臂（a001），所述右音叉臂（a004）的另一端固定连接有音叉右加重臂（a002）。
3.根据权利要求2所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，其特征在于：所述左音叉臂（a003）上设置有左沟槽（a009），所述右音叉臂（a004）上设置有右沟槽（a005），所述左沟槽（a009）和右沟槽（a005）上下对称，左沟槽（a009）和右沟槽（a005）的横截面呈“V”形。
4.根据权利要求2所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器，其特征在于：所述左支撑臂（a010）上设置有圆形通孔（a006），所述右支撑臂（a008）上设置有矩形通孔（a007）。
5.根据权利要求1-4所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤:
1）、制作微型音叉晶片（b002），并将制作完成的微型音叉晶片（b002）放入陶瓷基座（1）中；
2）、通过高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座（1）内有机物、水分子释放出来；
3）、通过密封氮气平行缝焊工艺将金属盖板（d001）和合金环（b003）密封熔接在一起；
4）、通过高真空烘烤脱气工艺口将陶瓷基座（1）内有机物、水分子释放出来；
5）、将步骤4）得到的微型音叉谐振器与治具板一起放入高能激光点焊设备的真空腔体内，完成整个器件的密封焊。
6.根据权利要求5所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤2）和步骤4）中烘烤时烘箱内气压为10-4Pa，温度为150℃。
7.根据权利要求5所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤3）中密封氮气平行缝焊工艺为金属双轮电阻式平行缝焊工艺，缝焊工艺中通入滚轮的电流强度大于200A。
8.根据权利要求5所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤1）-步骤4）中的金属盖板（d001）的底面两侧预留有用于释放气体的左微口（e002）和右微口（e005）。
9.根据权利要求5所述的一种高真空表面贴装的微型音叉石英晶体谐振器的制作方法，其特征在于：所述步骤5）中真空腔工作状态下保持真空度10-4Pa以下。
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