SMD石英晶體八點膠抗振設計

李冬強 姜凡 高志祥

（南京中電熊貓晶體科技有限公司，江蘇南京 210038）

0.引言

在石英晶片加上交變電場時，會產生相應的機械形變振動，同時機械形變振動反過來又會產生交變電場，當外加交變電場的頻率等于石英晶片的諧振頻率時，振動會顯著增強，呈現諧振特性。利用石英的壓電效應制作的石英晶體具有頻率穩定度高、Q值高、成本低的特點，廣泛應用于時間頻率基準和為時序邏輯電路提供同步脈沖。

石英晶體諧振器是一種用于選頻和穩頻的重要電子元器件，廣泛運用在有線通訊、無線通訊、電子測量儀器、數字儀表、醫用設備等各種產品中。在衛星通訊、雷達導航測控，衛星地面站，廣播電視系統，全球衛星導航定位系統等重要特殊領域，對石英晶體的可靠性要求更為嚴苛，抗振性尤為突出，因此本文就提升石英晶體抗振性能進行研究，提出并驗證了八點膠抗振設計的有效性。

1.八點膠抗振設計方案

1.1 石英晶體組裝結構

石英晶體主要由基座、石英振子、銀膠、蓋板4部分組成，其中基座大多由陶瓷構成，為石英振子提供載體及相應的導電通路，同時基座與蓋板相結合，構成密閉空間，為石英振子打造氮氣、高真空等工作環境。

石英振子是表面鍍上特定電極圖形的石英晶片，主要鍍膜材料一般為金或銀，是整個石英晶體的核心部件，扮演著“心臟”的角色，在石英晶片兩面電極金屬膜上加一交變電場即可激發石英振子的壓電效應，石英晶體啟動工作模式。

導電膠是一種同時具備導電性能和粘接性能的膠黏劑，它可以將多種導電材料連接在一起，使被連接材料間形成導電通路。導電粒子使導電膠中導電性的來源，不同導電粒子的各參數不同，添加入導電膠后其導電性和膠體的其他性能也有所不同；樹脂體系作為導電膠力學性能和粘接性能的主要來源。石英晶體行業通常采用銀做導電粒子，樹脂體系選擇環氧樹脂，通常稱導電膠為銀膠。

通常在石英晶體的加工過程中，是利用銀膠將石英振子表面電極與基座Pad實現導通，保證良好的導電性能；同時銀膠還有另外一個重要的作用就是把石英振子牢固的固定在基座上，防止石英振子的脫落，對石英晶體的抗振性起著至關重要的作用。

1.2 傳統四點膠技術

為了保證良好的導電性能的同時，具有可靠的抗振性能，行業通常采用傳統的四點膠技術方案，在一定程度上起著不錯的效果。

具體四點膠技術實施方案如下：先在基座上點涂2個銀膠膠點，然后將石英振子搭載到膠點上，如圖1所示，2個銀膠膠點分別與石英振子的2個底面副電極對應；接著再在石英振子上表面繼續點涂2個銀膠膠點，如圖2所示，上下表面的4個膠點兩兩相互對應，最后將點涂四點銀膠完畢后的半成品放入烤膠隧道爐中進行銀膠固化，同時釋放表面應力。

圖1 石英振子兩點底膠

圖2 石英振子兩點面膠

傳統的四點膠技術方案通常運用在2016及以上尺寸的SMD石英晶體諧振器上，抗振性能能夠滿足一般領域的需求，但對于武器裝備等特殊領域或特殊運用場合，四點膠已經不能極為嚴苛的抗振性能要求。

1.3 八點膠抗振設計

為了進一步加強石英晶體的抗振性能，在傳統的四點膠技術方案的基礎上再次升級，進行八點膠抗振設計，用以滿足特殊領域、特殊場景的可靠性要求。

八點膠抗振設計以傳統四點膠方案為基礎，膠點也分上下表面兩次點涂，下表面4個膠點位置分布如圖3所示；石英振子搭載后，再次進行上表面4個銀膠的點涂，如圖4所示，上下表面的8個膠點兩兩相互對應，導電膠及固化工藝保持不變。

圖3 石英振子四點底膠

圖4 石英振子四點面膠

石英振子負電極方向4個膠點起著導通基座與晶片并保持良好的電性能的作用，而石英振子末端4個膠點僅起著加強固定的作用，因此為了避免末端4個膠點對石英晶體的常規電氣性能產生不良影響，末端4個膠點不能接觸石英振子表面電極區域。

2.八點膠設計抗振性能驗證

2.1 對比試驗設計

八點膠與傳統四點膠的抗振性能需要進行試驗對比論證，此次試驗采用單一變量對比試驗準則，取同一批基座、石英晶片、蓋板、銀膠，同設備加工、同批次鍍膜、同工藝制程管控，加工出四點膠、八點膠25MHz石英晶體各一批。分別對兩批產品進行馬歇特錘試驗對比，根據試驗數據及結果進行對比分析。

2.2 馬歇特錘對比試驗

馬歇特錘錘擊實驗的原理是用重力對沖擊錘加速，使其擊打鐵質目標從而產生較大的加速度過載，通過調整齒數來調節瞬時加速度，可以對產品抗振及抗過載性能進行驗證，本次實驗采用23齒，瞬時加速度40000g。

（1）取電氣性能合格的25MHz四點膠、八點膠石英晶體各30只，分為A1、A2、A3各10只四點膠25MHz石英晶體，B1、B2、B3各10只八點膠25MHz石英晶體，分別編號；（2）將6組石英晶體進行常規測試，測試數據與晶體標號一一對應；（3）將A1和B1、A2和B2、A3和B3通過回流焊分別固定在X（長邊方向）、Y（短邊方向）、Z（厚度方向）3塊馬歇特錘試驗板上；（4）X、Y、Z 3個方向分別進行馬歇特錘機械沖擊，23齒，每個方向2次沖擊，瞬時加速度40000g；（5）將馬歇特錘機械沖擊后的石英晶體取下，進行常規測試，測試數據與晶體標號一一對應；（6）馬歇特錘機械沖擊前后常規測試數據對比分析；（7）四點膠、八點膠馬歇特錘試驗結果對比分析。

2.3 試驗數據對比分析

馬歇特錘機械沖擊后對各組石英晶體FL、RR、C0、C1主要電氣性能指標變化值進行分析對比，見表1：

表1 對比分析

統計各組沖擊后失效個數如表2所示。

表2 各組失效個事

實驗后四點膠方案的產品共有六只不良，而八點膠技術方案加工的產品在馬歇特錘錘擊實驗后性能均合格，沒有不良產生，數據上直觀地顯示了八點膠技術方案在抗振性能上明顯由于四點膠技術方案。

3.結論

通過馬歇特錘對比實驗，SMD石英晶體八點膠抗振效果顯著，加強了石英晶體的抗振可靠性，對石英晶體在武器裝備、信號基站等特殊領域的應用提供強有力的技術保證。