Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №3

Групповая технология изготовления кварцевых кристаллических элементов высокочастотных кварцевых резонаторов, выполненных в форме инвертированной мезаструктуры

Гошля Роман


В статье рассмотрены способы изготовления кварцевых кристаллических элементов кварцевых резонаторов, выполненных в форме инвертированной мезаструктуры, позволяющих уменьшить разброс по значению частоты кварцевых кристаллических элементов после глубокого химического травления.

Современные достижения в области технологии пьезокварцевого производства позволяют изготавливать высокочастотные кварцевые резонаторы, работающие на основной гармонике в диапазоне частот от 30 до 350 МГц. При этом возникают проблемы, связанные с динамическими параметрами высокочастотных кварцевых резонаторов, которые напрямую зависят от качества обработки поверхности кварцевого кристаллического элемента (КЭ).

В литературе описываются способы изготовления кварцевых кристаллических элементов, включающие многоэтапную механическую обработку кварцевых пластин. Эти способы трудоемки и в производстве сверхтонких кварцевых пластин высокочастотного диапазона малоэффективны.

В работе [1] описан многоступенчатый процесс механической обработки с последовательным уменьшением величины зерна абразива и последующий длительный процесс оптической полировки, а также этапы предварительного и окончательного скругления кварцевых кристаллических элементов.

Механическая обработка кварцевых кристаллических элементов занимает бóльшую часть времени изготовления кварцевых резонаторов и монолитных фильтров. Изделия пьезоэлектроники изготовленные по данной технологии, не отвечают современным требованиям по динамическим параметрам (в особенности по значению динамическому сопротивлению).

Технологический процесс изготовления тонких кварцевых пластин, описанный в [2], включает такие основные этапы технологических операций, как односторонняя обработка поверхности с использованием оптического контакта, вывод клиновидности путем перемещения эксцентричной нагрузки и использования пневматического микрометра, измерение механических параметров пластин методом интерференционных полос одинаковой ширины при отражении, определение царапин и раковин.

Данное технологическое решение обладает большой трудоемкостью, так как используется множество различных механических операций, не позволяющих изготавливать сверхтонкие кварцевые кристаллические элементы с толщиной порядка 0, 025 мм (частота резонатра 65 МГц по основному обертону) для современных монолитных фильтров и кварцевых резонаторов.

В данной работе была опробована технология изготовления КЭ с инвертированной мезаструктурой путем применения группового и селективного травления кварца. КЭ изготавливались в такой последовательности:

  • механическая обработка кварцевых заготовок размером 15×15×0,2 мм;
  • нанесение защитного покрытия с топологией, показанной на рис. 1а;
  • глубокое химическое травление инвертированной мезаструктуры в растворе № 1 с характеристиками, показанными на рис. 2;
  • снятие защитного покрытия;
  • напыление защитного покрытия с топологией (рис. 1б);
  • деление заготовки на кристаллические элементы скоростным травителем (в растворе № 2) с характеристиками, показанными на рис. 3.
Рис. 1. Топологии защитных покрытий для изготовления КЭ методом группового селективного травления
Рис. 1. Топологии защитных покрытий для изготовления КЭ методом группового селективного травления
Рис. 2. Зависимость шероховатости  поверхности кварца от глубины травления  (раствор на основе 45%-ной плавиковой кислоты (красный), раствор на основе щелочи (синий))
Рис. 2. Зависимость шероховатости
поверхности кварца от глубины травления
(раствор на основе 45%-ной плавиковой кислоты, раствор на основе щелочи)
Рис. 3. Зависимость скорости травления от температуры раствора  (на основе плавиковой кислоты (красный), щелочи (синий))
Рис. 3. Зависимость скорости травления
от температуры раствора
(на основе плавиковой кислоты, щелочи)

В качестве травящего раствора использовались растворы на основе плавиковой кислоты и щелочи с характеристиками, показанными на рис. 2, 3.

Преимущество заключается в том, что при использовании групповой технологии и селективного травления элементов повышается технологическая точность изготовления сверхтонких кристаллических элементов выполненных в форме инвертированной мезаструктурой за счет снижения операций механической обработки, что приводит к увеличению процента выхода годных КЭ, снижению разброса значения частоты кристаллических элементов за счет равного времени травления заготовок.

По данной технологии были изготовлены опытные образцы кварцевых кристаллических элементов АТ-среза ( yxl/+35°10`) с геометрическими размерами первоначальной заготовки 15×15×0,2 мм. После проведения последовательности операций селективного травления были получены кварцевые кристаллические элементы с инвертированной мезаструктурой с геометрическим размерами 4,5×4,5×0,08 мм в количестве 9 штук с заготовки, диаметром рабочей области 3,0 мм и толщиной КЭ с инвертированной мезаструктурой 0,025 мм. Из данных кристаллических элементов были изготовлены высокочастотные фильтровые кварцевые резонаторы на частоту 65 МГц с динамическими параметрами, указанными в таблице.

Таблица. Динамические параметры
кварцевых резонаторов

резо-
натора
Частота после-
довательного
резонанса, кГц
Значение дина-
мической индук-
тивности, мГн
Значение дина-
мического сопро-
тивления, Ом
1 65 000,1 1,2 7
2 65 000,4 1,2 10
3 65 000,5 1,32 9
4 65 000,4 1,25 9
5 65 000,4 1,2 15
6 65 000,4 1,15 8
7 65 000,5 1,2 9
8 65 000,3 1,2 10
9 65 000,2 1,19 11

В настоящее время предприятиями России выпускаются кварцевые резонаторы с кристаллическими элементами в форме обратной мезаструктуры, динамическое сопротивление которых находится в диапазоне от 20 до 250 Ом, что затрудняет изготовление кварцевых фильтров с малыми потерями в полосе пропускания.

Резонаторы, выполненные по данной технологии, позволили получить значение динамического сопротивления в диапазоне от 7 до 15 Ом. Что сделало возможным практическое изготовление резонаторных кварцевых фильтров с потерями в полосе пропускания порядка 2 дБ, что улучшило чувствительность приемников. Технология селективного травления кварца позволяет сократить цикл изготовления высокочастотных кварцевых резонаторов до одного месяца.

Технологическое решение имеет патент на изобретение № 2287218 от 20.07.2006 г. Данная технология актуальна для применения на предприятиях, занимающихся изготовлением высокочастотных кварцевых резонаторов с кристаллическими элементами, выполненными в форме инвертированной мезаструктуры.

Литература

  1. Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. Л.: Энергия, 1969.
  2. Смагин А. Г. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы и их применение. М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1967.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке