烟台三赛拉陶振工艺.ppt

韩国S-Cera 烟台三赛拉电子 陶瓷谐振器 (ceramic resonator) PROCESS 目录： v1.陶瓷谐振器的功能 v2.谐振器的分类 v3.陶瓷谐振器的外围电路 v4.陶瓷谐振器加工工艺 v谐振器在电路中起时钟效应，为整个电路提供一个特定频率的脉冲信号， 使电路中各个元器件在此信号下有节奏的完成各项指令。 因为任何计算机或单片机的工作都是按照一定的节拍有条不紊的工作，节 拍就是时钟信号，此时钟信号就是由谐振器产生。 谐振器主要用于具有信号处理能力的CPU电路中，尤在单片机中运用广泛. .计算机CPU:处理较为复杂，庞大的数据， 主要用于计算机及服务器的核心处理器。 .单片机CPU:小型化，可处理简单的机器汇编语言， 完成简单的机器指令。主要用于各电路信号处理板中。 例如：手机电路板，汽车点火器的电路板，遥控器， 照相机，DVD等需单片机的电路板中。 1.谐振器的功能： CPU 8051 单片机所用谐振器的内部结构框架图 单片机的信号处理： v单片机的型号不同，所需的工作频率也就不同，因此为提供特定频率用 到的谐振器的也就不同。 例如：USB1.0的传输速度小，数据量低，所需的频率比较小， USB2.0的传输速度大，数据量高，所需的频率比较大。 对于谐振器的特定频率的要求，客户端会根据所用的单片机的型号 决定所需频率的谐振器。 有时在一部电路板中需要两种以上的频率信号，因此，必须装配两种 以上的谐振器来提供电路所需的脉冲信号。 我司主要生产的谐振器的频率：8MHZ,12MHZ,16MHZ,16.93MHZ,20MHZ 25MHZ,40MHZ,48MHZ,50MHZ等频率。 客户端选用谐振器的要求 谐振器作用 小结： 谐振器就是为电路提供特定频率的脉冲信号，使整个电路中 各指令有条不紊的进行。起到时钟效应的作用。 2.谐振器的分类： v.按照精度可以分为：石英晶体谐振器，陶瓷谐振器。 石英晶体谐振器精度：10PPM 300PPM (0.001% 0.03%) 陶瓷谐振器精度： 300PPM 5000PPM （ 0.03% 0.5%） 例1：我司生产的型号为PATA TW25MHZ的陶瓷谐振器， 客户要求频率精度 0.5%，我司生产的产品频率控制范围？ （ 25 25 0.5%）MHZ （25+ 250.5%）MHZ 即：24.875MHZ25.125MHZ 此范围外的产品皆为不合格品。 例2：我司生产的型号为 PATA TW48MHZ的陶瓷谐振器， 三星客户要求 频率精度：-0.15%+0.05%，我司生产的产品频率控制范围？ （4848 0.15%）MHZ(48+48 0.05%)MHZ 即：47.928MHZ48.024MHZ 此范围外的产品皆为不合格品。 因此客户对频率要求范围越宽，越有利于产品收率的提高。 相反客户对频率精度要求越高，产品的收率越低。 石英晶体谐振器和陶瓷谐振器的差别 v材质的区别： 石英晶体谐振器：利用天然的压电材料切割成所需的形状加工而成。 陶 瓷 谐 振 器： 利用人工的方法配制成具有压电效应的粉末，然后将粉 末压制成型，烧结，制作成所需的产品的尺寸。 由于石英晶体谐振器是 由天然材料切割而成，切割的轴向，大小及厚度直接影响到石英晶体谐 振器的频率，因此石英晶体谐振器的频率会受到材料大小，厚度，形状 的影响。实际加工的石英晶体谐振器，往往尺寸较大 ，很能满足于高集 成化，高密度表面贴装的电路设计中。 而陶瓷谐振器可以利用PZT（压电陶瓷材料）配方的更改，使产品的频 率不受到材料大小的限制，可以满足高集成化电路的设计。 陶瓷谐振器的频率主要通过压电材料的厚度决定，厚度越厚，频率越小 厚度越薄，频率越大。 精度的差别 石英晶体谐振器：精度很高，能达到 10PPM300PPM (0.001% 0.03%). 主要用于高精密仪器及设备中，如航天航空器，卫星设备等电路中。 陶瓷谐振器：精度一般，达到300PPM5000PPM(0.03%0.5%) 主要用于对频率精度要求一般的仪器及设备中，如手机，USB，玩具， 游戏机，硬盘，MP Player,DVD/VCD,照相机，遥控器，各种驱动器等。 例：钟表在使用石英晶体谐振器和陶瓷谐振器的时间误差。 精度的差别是石英晶体谐振器与陶瓷谐振器的主要差别。 目前我司研发生产的用于SATA接口，精度为：300PPM的陶瓷谐振器 改善了以往用于 PATA接口精度为：5000PPM 陶瓷谐振器精度不够精 密的缺点，有利于争夺石英晶体谐振器的市场。由于精度高，可以代替 一部分石英晶体谐振器，有较为广阔的市场前景。 v起振时间的差别： 石英晶体谐振器的起振时间较长，即通电后过较长时间才开始起振， 响应时间长，时间一般在毫秒级。 而陶瓷谐振器的起振时间较短，即通电后会马上起振，响应时间短，时间 一般在纳秒级。 陶瓷谐振器比石英晶体谐振器响应快几个数量级，是陶瓷谐振器一大优点 。 v结构的差别： 石英晶体谐振器结构：压电体构成，无内置电容。 陶瓷谐振器结构：由压电体和内置电容构成， 可以应客户要求， 不加内置电容部分，只有压电体。 我司生产的陶瓷谐振器：三个电极端子为有内置电容的谐振器， 两个电 极端子的谐振器无内置电容，需在电路板设计时，将谐振器接地间电路 另加电容。 谐振器的电容搭配是为了过滤低频干扰的信号，因为电容具有通交隔直 的作用。使谐振器产生的高频信号不受干扰的输出到CPU总线中。 价格的差别： 石英晶体谐振器价格：价格较高，是陶瓷谐振器的45倍。 陶瓷谐振器的价格：价格较为便宜。 可取代石英晶体谐振器的 SATA 300PPM陶瓷谐振器，由于精度较一般 陶瓷谐振器-PATA 5000PPM 高，因此单价要高于 PATA 5000PPM 陶瓷谐振器，而低于石英晶体谐振器，在价格上取得优势，来取代石英 晶体谐振器。 .按照有源，无源电路分类： v无源晶振：需要外围电路组成一振荡电路，从而输出特定频率的脉冲信 号，自身不能输出频率脉冲。 包括： Crystal(晶体） 即：石英晶体谐振器。 resonator (陶振） 即：陶瓷谐振器。 有源晶振：是一个完整的振荡电路，无需外围配置电路，即可输出特定 频率的脉冲信号。精度较高，但由于输出信号的电平固定，灵活性较差 ，价格较高，一般运用于高精度要求的电路中。 Oscillator(晶振） 即：振荡器。 详见：/view/830834.htm 我司生产谐振器的属于无源晶振。 3.陶瓷谐振器的外围电路 v陶瓷谐振器属于无源晶振，因此需要外围搭配电路，才可以 使其发生振动，并向CPU总线输出特定的频率脉冲。 外围电路采用正反馈电路： 抗耦合振荡电路： colpitts circuit(考毕兹电路） S-Cera 振荡电路 反相放大器 v当谐振器不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C0，它的 大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。 v当晶体振荡时，机械振动的惯性可用动态电感L1来等效。 v如右上图：C1谐振器的动态电容，R为谐振器的谐振阻抗：Zr,主要由素 子的电阻率、大小、厚度来决定。 陶瓷谐振器的一些等效电路实用式 仪器可测数据： 谐振频率：Fr, 反谐振频率：Fa， 输出振动频率：Fosc 谐振阻抗：Zr 反谐振阻抗：Za 静态电容：C0 内置电容：CL1,CL2 我司对以上电学性能 进行检查，以控制产 品的电学性能。 谐振器外围电路IC模块在单片机中的两种形式 v1.直接利用单片机中的反相放大器，将谐振器的输出信号经过单片机中 的反相放大器进行处理后，输入单片中，此类电路接法为单片机的内部 振荡模式； v2.在电路板中设置振荡电路专区，加入反相放大器IC模块，通过此完整 的振荡电路专区输出特定频率的脉冲信号，然后将此脉冲信号引入到单 片机中，此类电路接法为单片机的外部振荡模式。 v谐振器使用商的典型电路图： v根据不同使用商的电路设计，在客户初次使用谐振器，建议客户提供 PCB板做匹配性测试，为客户提供合适的谐振器。使输出的波形最强。 因为旁路内置电容对谐振器的振荡频率有一定的影响： 当PCB电路板因焊点的存在，不可避免的产生静态电容， 此静态电容与旁路内置电容一起对谐振器产生影响： C0：谐振器静态电容; CL:谐振器旁路内置电容； C：所用谐振器电路板因焊点产生的静态电容。 做匹配测试主要是测试客户PCB板由于焊点产生总静态电容值.进而根据 客户的PCB板，配置谐振器的旁路内置电容，最终使整个谐振电路的频 率信号满足客户所需，当整个电路发生在共振情况下，整个电路的振动 幅度最大，因此匹配合适的电容可使得输出信号的强度最大，避免信号 微弱的情况发生。很多不起振的原因是由于谐振器不匹配电路板的原因 造成的。 CL1 CL1 4.陶瓷谐振器全工艺生产 v陶瓷谐振器中的核心部件为陶瓷振荡子，此材料为压电半导体材料，可 以将交变电压转化为频率脉冲信号。谐振器就是利用此材料的机械谐振 特性。 v压电特性：铁电材料具有的一类特性，若对材料施加压力，会有电流输 出，将机械能转化为电能的特性叫材料的压电特性；反之，如果给此类 材料输入电压，材料发生机械形变，即将电能转化为机械能，此特性叫 材料的逆压电特性。谐振器就是利用了压电材料的逆压电性能。 .压电陶瓷的材质： v最为常用的具有压电特性的材料为PZT Pb(Zr-Ti)O3压电材料，为了满 足压电谐振器的各项电学性能，往往在PZT的基础上掺杂一些其他元素 来达到预期的效果。例如为了增强材料的压电常数，可以加入Ca,Sr;为 了增强谐振器的频率稳定性，可以加入Ce,Cr,Ni,Co等添加物。 我司材料为PT PbTiO3 压电材料，在PT的基础上添加一些其他材料， 达到最佳的压电性能。 v 每个公司生产的谐振器的配料不同，性能上也有较大的差别，比如 MURATA,TDK，S-Cera,最关键的技术在于压电陶瓷的配料不同，每个 公司的压电陶瓷的配料是公司最机密的一项技术项目。 v作为一只品质性能好的谐振器所要求的技术指标为：频率偏差小，温度 稳定性好，高的品质因数Q,低损耗内阻Zr,高反谐振阻抗:Za,输出波形强 度大，耐高温性能好，高的居里温度Tc . 为了达到以上性能，开发出性能优越的压电陶瓷配料最为重要。 .假烧及烧成工程 v配制好压电陶瓷粉末后需要经过烧成工程将粉末材料烧结陶瓷体，什么 样的粉末配比就需要什么样的烧成条件，往往粉末的研发工程与烧成工 程成为一个体系，而假烧是为烧成做准备，假烧将一部分的混合料PbO 和TiO预先混合，在850下发生化学反应PbTiO3，是生产烧成工程所需 的原料。然后在温度为1260下进行烧结陶瓷体。 一个好的压电谐振器的生产，往往配料是基础，烧成是关键，如果烧成 温度控制不好，将会导致反应不充分，最终会严重影响到压电振荡子的 电学性能，导致收率不好，因此对烧成工程的温度控制较为严格，如仪 器出现异常，烧成温度发生上下幅度的变动时，应及时控制。 在烧成工程后的wafer，密度越大，往往其电学性能越好，因此在烧成工 程对wafer的密度项目的管理是衡量烧成工程的重要指标，往往在没批次 烧成后，会由品质部署抽检烧成后wafer的密度及实际烧成温度，以判定 烧成工程的作业状态。 .研磨工程 v谐振器的型号不同，其频率也就不同，为了生产不同频率的谐振器，主 要是通过控制谐振子wafer的厚度来达到我们预期的频率，因为wafer的 厚度越薄，频率越大，厚度越厚，频率越小。 v每个频率的产品都有较为严格的厚度要求，如果厚度有偏差，会导致完 制品陶瓷谐振器的输出频率超出客户要求范围，最终判定为不合格品， 因此研磨工程的wafer厚度的控制尤为重要。 往往在一个wafer的不同部位的厚度稍有偏差，目前在同一个wafer内厚 度散布控制在0.005mm内判定为研磨合格品，如果同一个wafer内厚度 的差别太大，即wafer的厚度散布过大，在后序工程将一个wafer切割成 几十个完制品后，wafer 厚的部位做成的完制品的频率小，wafer 薄的部 位做成的完制品的频率大。如果这两频率偏差太大，会直接影响到产品 的频率收率，因为客户对频率精度有要求范围。 我司不同机种的研磨厚度 v频率 厚度 8MHZ 0.288 mm 10MHZ 0.228 mm 12MHZ 0.192 mm 16MHZ 0.478 mm 16.93MHZ 0.447 mm 25MHZ 0.302 mm 40MHZ 0.187 mm 48MHZ 0.156 mm 50MHZ 0.150 mm 在实际工作中，每次wafer的厚度稍有差异，先对每批次的陶瓷powder 做小批量的实验，确定最终的研磨厚度，为此批次的wafer确定更为精确 的研磨厚度。 购置的POWDER S-Cera POWDER .全面成膜 v利用真空溅射镀膜（Sputter)工艺将铜和银镀到素子wafer 表 面做谐振器内部电极用。 v在后序工程-露光工程，蚀刻工程将电极的形状蚀刻出型 。 .分极工程 v分极也叫极化，就是在压电陶瓷wafer上加一个强直流电场（或电压）， 使陶瓷中电畴沿电场方向取向排列，只有经过分极处理的压电陶瓷片才 能显示压电效应。此工程对产品的性能影响较大。 v分极电压，分极温度，分极时间对素子wafer的影响较大，高的分级电压 ，高的分级温度，长的分级时间都会对分极有积极的作用； 但过高的分极电压会造成不够致密的素子wafer的击穿， 过高的分极温度会造成分极油挥发有毒气体，影响作业， 过长的分极时间会影响工作效率。 因此合适的分极电压，分极温度，分极时间对素子产品的性能有较大的 影响。 v如果分极不充分，在后序工程Fa选别时素子wafer的Fa,Za 收率将受到影 响。 v因此分极充分是此工艺的主要任务。 v分极过程： 未分极 分极 分极后 v压电特性： v根据电极面积和分极的方向的差异， 谐振器的振动方式有很大的区别。 .Fa选别 ： v利用特性选别机将符合电学性能要求的wafer选别出来。进行下步工序。 .电极工艺：露光、蚀刻（etching） 工程： 工艺目的：将素子wafer蚀刻出所需电极的形状和大小。 电极形状对产品的影响：不同的电极形状对谐振器完制品的振动模 式有一定的影响，村田公司利用椭圆形的电极设计，采用其能阱振动 模式很好的将产品产生的一次波，五次波消除掉， 留下所需的三次 波的振动模式。 电极大小对产品的影响：电极大小对产品的电学特性有直接的影响， 尤其对产品的内部电容C0，谐振阻抗：Zr，反谐振阻抗：Za，频宽 ：F 影响较大。 因此，合适形状，大小的电极对产品的性能有积极的作用。 v工程过程： Film 露光 Mask Etching H2SO4 NaOH 感光膜 全面成膜 电极层 Na2CO3 .接合工程 v目的：将产品的三层wafer: base,ks（素子），cap接合成完制品。 作业方法：1.sheet bond (手动作业）, 2. bond cell（半自动