CN113824425B - 一种石英晶体谐振器或振荡器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石英晶体谐振器/振荡器及其设计方法；属于元器件技术领域；其技术要点包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；其在回流焊开始前测试的频率记为f，经过三次回流焊后0.5h测量的频率记为f1，满足：|f1‑f|/f小于2ppm；所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s‑150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s‑40s。采用本申请的一种石英晶体谐振器/振荡器及其设计方法，能够有效的满足通信用高性能石英晶体谐振器/振荡器的技术需求。
Description
技术领域
本发明涉及元器件这一技术领域，更具体地说，尤其涉及一种石英晶体谐振器或振荡器及其设计方法。
背景技术
石英振子通常被称为石英晶体谐振器或振荡器，其基本原理是通过在石英振子的两侧表面上形成由银所制成的导电电极，当电压施加至电极时，由于电致伸缩效应产生变形力，并且由变形力产生振动，根据石英振子的动态特性来决定振动频率。
石英晶体的基本特性在于，其有两个谐振频率：fs、fp：
1)当f<fs时，石英晶体呈容性，相当于电容。
2)当f＝fs时，石英晶体呈阻性，相当于阻值小的电阻。
3)当fp>f>fs时，石英在极窄的范围内，呈感性。
4)当f≥fp时，石英晶体呈容性，相当于电容。
基于上述特性，石英振子被广泛应用于通信系统(通信基站中)中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
对于石英晶体(Crystal Oscillator)而言，其典型的结构包括：
第一类，如附图1所示的双层结构：CN202586892U描述的双层结构，其镍层就是为了解决银层与石英附着力不足的问题；又如：CN102739186B描述的压电谐振器石英振子的传统工艺是石英表面直接溅镀一层(一般是银层)薄膜在其上方，但此工艺存在缺点是石英与其出现附着力不佳的情况，为了解决此问题，后续的工艺才增加一层介于其中。
第二类，如：US20100079038A1、CN102739186B所提出的四层结构。
对于石英晶体谐振器或振荡器而言，在《GB/T12273.1-2017有质量评定的石英晶体谐振器或振荡器第1部分：总规范》及其他文献中均提到：石英晶体谐振器或振荡器在经过点焊(高温)后，其频率会发生一定的变化。
经过对HIMMPAT、EPO、CNKI等数据库的检索，发现了下述文献对该问题进行了研究，具体见表1。
申请人在研发新的石英晶体谐振器或振荡器(高性能通信用石英晶体谐振器或振荡器)时，针对上述文献的技术方案，总结发现了新的技术问题：
回流焊试验，在对应的现实是：石英晶体谐振器或振荡器要点焊在PCB等电子设备上，也即，石英晶体谐振器或振荡器在做回流焊试验时，只需要进行一次回流焊即可。然而，随着通信技术的发展，特别是高性能通信元器件的性能要求，石英晶体谐振器或振荡器先点焊在芯片上，然后再点焊在PCB上，也即，石英晶体谐振器或振荡器要经过两次回流焊。因此，CN102739186B的双层、四层方案其依据(即该文献的图4B)实质上是回流焊一次条件下的结果(在CN102739186B提出的2011年，还没有多次回流焊的需求，CN102970001B可作为证据)。
表1
第一个问题：采用CN102739186B或者的技术方案，放在现今的要求下(双次或三次回流焊)，其事实上无法达到要求(即回流焊试验：72小时的)。
第二个问题：除此之外，更为重要的是，由于下游企业生产效率的要求：下游用户在石英晶体谐振器或振荡器经过双次或者三次回流焊后，经过尽可能短暂的时间，就可以对石英晶体谐振器或振荡器进行下一步工作，从而大量节约时间要求；其对应的试验条件是：三次回流焊试验后，△f/f小于2×10-6时的时间越小越好。
而CN102739186B则会给出相反的技术启示：根据CN102739186B的图4B的结果，其在做回流焊试验下，△f/f自始至终都未2×10-6，其启示是：采用CN102739186B的方案，石英晶体谐振器或振荡器在经过双次或者三次回流焊后，可以不需要等待时间，直接就进行下一步的工作。而事实上，这样做是不行的，会导致大量的非良品。
第三个问题：现今的回流焊试验条件是：峰值温度260℃(实质是：260℃±5℃)，峰值温度时间在10s左右(见文献：杨洋,蔡良续,路浩天,等.晶体振荡器频率漂移失效分析[J].电子产品可靠性与环境试验,2014,32(003):34-37.)；其与高性能通信用石英晶体谐振器或振荡器回流焊时间不匹配(主要是峰值温度持续的时间过短)，也会造成：应用CN102739186B的方案生产的产品或者采用现有的测试条件下研发的产品都无法满足新的高性能通信用石英晶体谐振器或振荡器产品要求。
据此，需要对上述问题进行新的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种石英晶体谐振器或振荡器。
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种石英晶体谐振器或振荡器的设计方法。
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
其在回流焊开始前测试的频率记为f，经过三次回流焊后0.5h测量的频率记为f1，满足：
|f1-f|/f小于2ppm；
所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s。
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
其在回流焊开始前测试的频率记录为f，经过三次回流焊后0.5h进行频率记录为f1，在168h测量的的频率记为f2，满足：
|f1-f|/f小于1ppm；
|f1-f2|/f小于2ppm；
所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s。
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
进一步，膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层均采用金属材质。
进一步，高热膨张系数材层的热膨胀系数大于膨胀抑制材层的热膨胀系数、高热膨张系数材层的热膨胀系数大于附着粘结材层的热膨胀系数。
一种石英晶体谐振器或振荡器的设计方法，在石英晶体的第一电极面与第二电极面对称设置三层膜结构，按照距离石英表面距离由小到大的顺序，所述三层膜结构依次包括：膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
首先，计算参数P：
其次，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的材质，和/或，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的高度，来满足：
P≥25kpa。
进一步，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的材质，和/或，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的高度，来满足：
40kpa≥P≥30kpa。
本申请的有益效果在于：
第一，本申请的基础发明在于研发了两款新型产品：
1.1第一款新型产品：采用三层膜结构的石英晶体谐振器或振荡器，其满足三次回流焊试验条件下、且所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s 0.5h的FR小于2ppm。该产品性能是现有技术中无法达到的。而上述性能的现有意义在于：本申请新研发的产品能够满足下游企业生产效率的要求。
1.2第二款新型产品：研发了一种新的产品：采用三层膜结构的石英晶体谐振器或振荡器，其满足三次回流焊试验条件下、且所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s 0.5h的FR小于1ppm且FR0.5小时-FR168小时≤2pmm。
上述两款产品，均是现有技术未曾报道过的。
第二，本申请的第二个发明点在于：
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
上述石英晶体谐振器或振荡器与第一款新型产品呈对应关系，但是并不是说两者的保护范围相同。
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
上述石英晶体谐振器或振荡器与第二款新型产品呈对应关系，但是并不是说两者的保护范围相同。
第三，本申请的第三个发明点在于：为了能够指导石英晶体谐振器或振荡器的设计，提出了参数P，并且通过各种材质结构的试验，表明：P与三次回流焊试验的表现存在下述关系：
1)在P≥25kpa时，在峰值温度260℃±5℃，持续时间在80s-150s下的三次回流焊试验中，0.5h时测量的FR会满足2ppm以下的目标；
2)P在30kpa～40kpa之间，在峰值温度260℃±5℃，持续时间在80s-150s下的三次回流焊试验中，0.5h时测量的FR基本都小于1ppm；且FR0.5小时－FR168小时≤2pmm。
即，P值可预测三层膜结构的石英晶体三次回流焊后表现的参数。
据此，提出了一种石英晶体谐振器或振荡器的设计方法。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是现有技术的石英晶体谐振器或振荡器构造图。
图2是本申请的石英晶体谐振器或振荡器构造图。
图3是试验一、二、三的三次回流焊的试验图。
图4是多种材质结构P(计算而得)-FR0.5(测量而得)关系图。
附图标记说明如下：
正面附着粘结材层1a，正面高热膨张系数材层1b，正面膨胀抑制材层1c；
背面附着粘结材层2a，背面高热膨张系数材层2b，背面膨胀抑制材层2c；
正面的激励电极1；
背面的激励电极2；
晶片3；
第一固定部4a、第二固定部4b；
容器5；
石英晶体谐振器或振荡器6。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本公开的实施方式，然而，本公开可以多种不同形式体现并且不应该被解释为被限制与此所述的实施方式。可以认为这些实施方式被提供以使本公开更为彻底与完整，并且将充分的向本领域的技术人员表达公开的范围。在图中，出于清楚的目的，元素的形状与大小可能被夸大，并且相同的附图与标记将至始至终用于表示相同或相似的元素。
<本申请的研发思路>
<一、研发目的>
本申请要解决的目的是，提供一种高性能新的石英晶体谐振器或振荡器。更准确地说，需要满足以下几个特性：
回流焊试验：经过三次回流焊后进行了频率稳定度试验中，在0.5h时的△f/f<2ppm，在168h时的△f/f<2ppm；其中，所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s。
<二、基本结构设计>
作为公知的知识，CN108677225A的最外层膜结构采用AU、Ag这样的材料，毫无疑问，这些材料属于贵金属，对于成本而言，是比较昂贵的。然而，在研发前，若贸然将最上层的材料删去，其是否能有较好的三次回流焊后的频率稳定性，是事先无法预知的。
故此，在预研时，虽然采用了下述这样的三层膜基本结构，但是对其表现即能够三层膜结构的方式，来实现研发目的是无法预料的。
一种石英晶体谐振器或振荡器，其包括：基材以及对称设置在基材两个电极面的多层镀膜结构，所述基材为石英晶体。
所述多层镀膜结构采用三层膜结构，依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层，其中，所述附着粘结材层与基材接触。
作为公知的知识，多层镀膜结构的组成部分：膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层，均采用金属材料。
<三、理论分析>
热冲击对石英晶体产生的应力σ0分析过程如下：
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
假定几层膜的分布面积相同，在热冲击的时间较短，产生的位移相同(即不考虑翘曲问题)，则有满足下式：
其中，F23是单位宽度下高热膨张系数材层-膨胀抑制材层之间的作用力；F12是单位宽度下附着粘结材层-高热膨张系数材层之间的作用力；F01是单位宽度下石英晶体层-附着粘结材层之间的作用力(即热冲击下对石英晶体产生的作用力)，ΔT表示温度变化量。
上式(1)需要说明的是：膜的面积虽然与石英晶体的面积不同，但是，石英晶体产生的热应力仅仅在与附着粘结材层产生粘结的区域产生，其他部分可自由伸长，即石英晶体中不与附着粘结材层接触的区域不需要考虑热应力。
式(1)采用矩阵(行列式)的表达形式，可表达为：
AX＝Y (2)
其中，
通过X＝A-1Y即可求解出F23、F12、F01。
另外，通过变换行列式，也可以求解出F01，其过程如下：
热应力σ0即为：
<四、试验分析>
表1给出了三种对比试验。试验一：Ag-135nm+Cr-5nm+SiO2-64mm+Cr-5nm+Ag-135nm(上述方案属于：CN102739186B的方案，Cr厚度为Cr与Ag总厚度的3.57％)。通过图3可知，采用三次回流焊试验，其在0.5h时的FR为3.3ppm。而试验二、三的三次回流焊试验，其在0.5h时的FR为3.3ppm满足0.5h时的FR小于2ppm的需求。
表2
| 层数 | 试验一 | 试验二 | 试验三 |
| 膨胀抑制材层1a | 无 | Cr-10nm | Cr-15nm |
| 高热膨张系数材层1b | Ag-135nm | Ag-135nm | Ag-135nm |
| 附着粘结材层1c | Cr-5nm | Cr-5nm | Cr-5nm |
| 石英晶体 | SiO<sub>2</sub>-64nm | SiO<sub>2</sub>-64nm | SiO<sub>2</sub>-64nm |
| 附着粘结材层2c | Cr-5nm | Cr-5nm | Cr-5nm |
| 高热膨张系数材层2b | Ag-135nm | Ag-135nm | Ag-135nm |
| 膨胀抑制材层2c | 无 | Cr-10nm | Cr-15nm |
而更一般的规律，申请人研究了多组结构，如高热膨胀系数材层采用Au、Cu、Ag，膨胀抑制材层及附着粘结材层采用Ni、Ti以及含Ni、Ti、Cr的合金，测试发现：
定义参数P,其采用下式计算：
基于图4的结果可知晓：
当P≥25kpa时，在每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s的三次回流焊试验中，0.5h时测量的FR会满足2ppm以下的目标；
特别的，当P在30kpa～40kpa之间，在每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s的三次回流焊试验中，0.5h时测量的FR基本都小于1ppm；并且，根据试验，在P在30kpa～40kpa之间，三次回流焊试验下，FR0.5小时-FR168小时≤2pmm，即在此条件下，石英晶体谐振器或振荡器会表现出超高的温度频率稳定性(即石英晶体谐振器或振荡器在高温、低温下的频率变化幅度小于2ppm)，这是双层结构中未发现的。
也即，本申请提出的参数P，可以有效作为回流焊0.5hFR值的评价参数。
本申请的方案更为重要的意义在于：
在进行方案必选时，对于参数：Q值、ESR值、f值(目标频率)，上述几个参数，在相关规范中都有了具体的计算方法。而对于回流焊试验的表现则缺乏理论指导。因此，本申请方案的提出，不需要再进行大量的试验；从而节约大量的试验时间及试验成本。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (6)
1.一种石英晶体谐振器，其特征在于，包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
其在回流焊开始前测试的频率记为f，经过三次回流焊后0.5h测量的频率记为f1，满足：
|f1-f|/f小于2ppm；
所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
2.一种石英晶体谐振器，其特征在于，包括：基材以及三层镀膜结构，所述基材为石英晶体，所述三层镀膜结构对称设置在所述基材的两侧；所述三层镀膜结构为：按照指向石英晶体的方向依次包括膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
其在回流焊开始前测试的频率记录为f，经过三次回流焊后0.5h进行频率记录为f1，在168h测量的的频率记为f2，满足：
|f1-f|/f小于1ppm；
|f1-f2|/f小于2ppm；
所述三次回流焊的每次回流焊的回焊区温度为217℃且时间保持60s-150s、峰值温度在260℃±5℃且时间保持20s-40s；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
满足：
3.根据权利要求1或2所述的一种石英晶体谐振器，其特征在于，膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层均采用金属材质。
4.根据权利要求3所述的一种石英晶体谐振器，其特征在于，高热膨张系数材层的热膨胀系数大于膨胀抑制材层的热膨胀系数、高热膨张系数材层的热膨胀系数大于附着粘结材层的热膨胀系数。
5.一种石英晶体谐振器的设计方法，其特征在于，在石英晶体的第一电极面与第二电极面对称设置三层膜结构，按照距离石英表面距离由小到大的顺序，所述三层膜结构依次包括：膨胀抑制材层、高热膨张系数材层、附着粘结材层；
石英晶体层的厚度为h0，弹性模量为E0，线膨胀系数为α0；
附着粘结材层的厚度为h1，弹性模量为E1，线膨胀系数为α1；
高热膨张系数材层的厚度为h2，弹性模量为E2，线膨胀系数为α2；
膨胀抑制材层的厚度为h3，弹性模量为E3，线膨胀系数为α3；
包括以下步骤：
S1，计算参数P：
S2，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的材质，和/或，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的高度，来满足：
P≥25kpa。
6.根据权利要求5所述的一种石英晶体谐振器的设计方法，其特征在于，步骤S2中，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的材质，和/或，通过调整附着粘结材层、高热膨张系数材层、膨胀抑制材层的任意一层或者多层的高度，来满足：
40kpa≥P≥30kpa。
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