晶體諧振器導致上機失效的DLD問題的探究

馬劍鋒 陳俊

摘 要：隨著電子產品微功耗和小激勵工作的需要，要求石英晶體諧振器（以下簡稱晶體）能在較小的激勵功率或可變的激勵功率下正常工作，因此激勵電平相關性（DLD）不良的晶體在某些激勵條件下很容易發生工作不穩定或失效的問題，DLD不良品在以往的失效產品分析中所占的比重較大。晶體的DLD具有變化性和不穩定性，對實際生產和使用會產生較大困擾，因此需對其發生的原因進行探究和針對性地加以控制。該文從DLD問題成因以及如何防止DLD不良品流出進行探究。

關鍵詞：晶體 激勵電平相關性DLD 激勵 可變性

中圖分類號：TN32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0032-02

1 DLD參數的簡介

DLD參數是指晶體的激勵電平相關性，是衡量一個晶體在不同激勵條件下其頻率、阻抗穩定性的一個參數。DLD參數具有可變性和不穩定性，在晶體的實際生產中也是一個控制相對困難的一個參數。在晶體生產和應用中，對于DLD參數主要從頻率和阻抗兩大指標分別進行，DLD2、RLD2為阻抗指標，DLD2表示在晶體指定激勵范圍測試時的最大阻值-最小阻值的差值，RLD2指指定激勵范圍內晶體的最大阻抗值，FDLD為頻率指標，是指晶體指定激勵范圍測試時的最大頻率值-最小頻率值的差值。采用目前行業廣泛采用的S&A的250B以及KOLINKER的KH1120等均能方便直觀地測試出晶體的DLD特性，這些測試儀既能提供直觀的數據表格，也能提供測試曲線圖，可為具體分析提供幫助。

以下為一份S&A250B測試儀上得到的DLD不良品的測試掃描曲線圖及數據：

圖1中深色曲線是晶體頻率隨激勵功率變化的變化曲線，綠色曲線為阻抗變化曲線，對照圖2測試數據我們可以很直觀地觀察到產品在不同激勵功率下的頻率、阻抗的變化情況以及發生異常的激勵點。

2 晶體制程中DLD的成因

1971年，S. Nonaka就指出了顆粒吸附到晶體的電極表面是引起DLD的原因。1991年，L.Dworsky和R.Kinsman理論上解釋了DLD發生的機理。國內外晶體生產廠家對此問題也進行了很多的研究，根據曾經合作過的美國RALTRON公司的相關研究資料，較為清晰地總結出了三種常見的DLD問題在不同激勵下的表現。不潔凈的工作室導致產品在低激勵下阻抗增大，而顆粒會導致在中激勵范圍阻抗增大，膠量過多則對低頻產品高激勵阻抗增大的問題。

在多年的實際工作中，對制程以及客戶端發生的不良品進行了長期的分析和總結，并結合其他廠家的一些經驗將晶體DLD不良的原因大致歸納成以下幾個方面。

2.1 晶片本身的材質以及晶片表面處理不良

隨著人造石英晶體技術的日趨成熟和完善，以前資料中提到的產品DLD問題很大原因可能是水晶材質的情況得到了極大改觀，實際生產中由于水晶材質不良導致的產品DLD問題較少見到。晶片表面附著有油污或晶片外形加工時使用過的黏膠可能導致產品的DLD問題，這在國內外的一些研究資料中有提及，這種情況在實際生產中也還是偶有出現的。另外，晶片表面的砂痕以及裂隙等機械損傷也是晶體DLD不良的原因。

2.2 污染

根據實際生產中對不良品的分析統計來看，導致晶體DLD問題最主要的問題還是在于電極表面的粘附的次微小顆粒、可見粒子、較大顆粒等導致的影響。次微小顆粒主要是肉眼看不到的污染顆粒，真空泵油污染是主要的元兇；可見粒子主要有蒸鍍時濺射的細小銀顆粒、塵埃顆粒、設備機械結構磨損產生的粉塵以及封焊過程中金屬濺落物等，這些顆粒有些可以直接在顯微鏡下觀察到，有些細微顆粒可采用側光燈在顯微鏡下觀察有助于觀察到。另外，銀電極表面白斑或黃斑等也是DLD不良的主要現象，這些問題可能因產品在制程中流轉時晶片表面受到污染、不潔氣氛附著、在空氣中放置時間過長以及封焊時氮氣中氧含量過大等問題導致的污染氧化造成。因此工作環境的潔凈度以及操作的規范性對于污染防止十分關鍵。

2.3 銀層附著力不良問題

從不良品分析的結果來看，電極銀層附著力不良也是DLD問題的一個比較常見的因素。由于晶片清洗潔凈度不夠、蒸鍍真空度不良、蒸鍍前的氬離子轟擊效果不佳以及晶片表面污染等問題可能會導致晶片電極的附著力不良。

2.4 其他因素

除了上述的一些主要原因外，從不良品分析中可以見到諸如膠點氣泡、基座彈片應力、電極膜厚控制異常等問題也是導致DLD問題的相關因素，在實際生產中應采取措施加以防范。

3 DLD的特點以及針對性地控制

產品的DLD參數具有變化性和不確定性。一個DLD不良晶體可能在下一次測試中合格，且其電性能參數能保持一段時間合格。但是在經過長時間放置后其頻率或阻抗特性可能會再次惡化，嚴重的就會導致線路的停振，這種情況在業界通常稱為晶體進入“睡眠”狀態。這是因為部分DLD不良品在經過電激勵后會被短暫地激活，恢復到接近正常的參數，但是經過一段時間后其可能又會回復到異常狀態。“睡眠”晶體問題一直是困擾生產廠家的一個難題，也是客戶使用中最為頭疼的問題，所以如何能最大程度地在測試前將這些DLD不良品剔除是很關鍵的一個方面。除了對前面提及的DLD成因制定針對性措施預防不良品產生外，我們就如何將DLD不良品最大程度的攔截掉開展過多項試驗，根據試驗的經驗，認為進行如下控制后有利于DLD不良品最大程度上被剔除。（1）在產品測試選分前進行模擬回流焊，回流焊溫度建議在260℃～270℃的時間在30 s以上，可以有效地剔除一些制程污染的產品。（2）根據晶體應用的實際情況，可適當增加DLD測試激勵點數。（3）針對經過測試的產品不得直接進行二次測試，要求必須進行105℃×48 h的老化，并常溫放置12 h以上才可以進行二次測試，從而避免DLD“睡眠”晶體因被激活無法測出的問題。

參考文獻

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