中低频石英水晶片的外型加工探讨

1、中低频石英水晶片的外型加工探讨1、引言随着微电子学的发展以及集成电路的广泛应用，特别是 当今便携式消费电子产品和表面安装技术的兴起，对石英晶 体谐振器(以下简称晶体)的微型化的要求也愈加迫切。由 于历史的原因，生产晶体的外壳等原材料还控制在日本企业 手中，现阶段中国各晶体制造企业的竞争主要表现为水晶片 制造工艺水平的竞争。对于国内晶体生产厂商而言，微型化 也主要着眼于减小晶片尺寸。本文主要讨论水晶片外型的制 造工艺， 对于晶片的短边尺寸对电气性能的影响， 不作讨论。2、5032 中低频石英水晶片的外型加工2.1 5032 水晶片尺寸分析以笔者拿到的 5032 陶瓷基座来分析，其内部的有效空 间

2、为L (4.0) *W (2.2) mm ,考虑到水晶片点胶装配的原因， 据笔者了解到，目前行业内水晶片采用的外型尺寸通常为 L(3.5) *W (1.8) mm。本文也以 L (3.5) *W (1.8) mm 来 讨论外型修整方法。2.2水晶片外型滚筒的原理通过水晶片在一定曲率的金属筒里翻转，配合研磨砂的 研磨，使水晶片获得一定的外形。水晶片在金属筒中翻转时会获得一定的离心下压力，利用此下压力，将水晶片和金属筒壁紧密贴合产生摩擦力同时并有相对的位移产生，来对水晶片的外型进行修整，获得加工所需要的外型，具体可见如 下的示意图例（图 -1）：2.3 水晶片物理建模前文已经提到，本文以 L（3.

3、5）*W （ 1.8）mm 来讨论5032 水晶片的加工。 通常我们所知道的能量振动的模式如图-2 所示：5032 水晶片振动波节处在其端点处， 如果中低频水晶片不消除边缘效应，其正常发振的能量消耗是非常大的，对应 晶体的特性来说，其等效阻抗将非常大，所以考虑能量衰减 的特性，理想的中低频水晶片能量振动模式应为图 -3 所示： 其中，能量 e 分布为一个二次曲线。从上面的分析来看，在加工 5032 水晶片时，要寻求达 到如图-3 的效果，理想情况下，需要将水晶片外型修整成为 曲面，以去除晶体边缘效应。2.4 筒型模拟计算 这里介绍一种水晶片外形修整所需筒径曲率的计算方 法。笔者以南京中电熊猫晶

4、体 12MHZ5032 水晶片为例来进 行计算：首先建立如图 -4 的计算示意图。Le ，12MHZ 水晶片与所需金属筒接触的最大尺寸。T， 12MHZ 水晶片的厚度。R,所需金属筒的筒径。由前面的图 -1 实例中可以发现， 如果生产者使用的是球 型筒，那么水晶片与筒壁最大接触尺寸实际是水晶片表面的 对角线。可由式 1 计算得：故使用曲率半径为 28.3mm 球型筒加工为比较合适。在 实际应用中，应该根据各家公司具体操作方法进行调整，以 笔者经验，通常实际使用的筒径要比理论计算值放大零点五 至一倍为宜。2.5 实际应用工艺2.5.1 传统加工工艺据笔者了解到，目前晶体生产企业通常使用高速滚筒机

5、 来加工 5032 水晶片。在计算出理想曲率筒型大小后，将水 晶片投入到匹配球型筒中加工时，需要考虑水晶片在筒中离 心力大小以及和筒壁之间相对位移的多少。球筒的离心力主 要取决于球筒载体挂篮的公转速度和回转半径，目前国内高 速滚筒机的回转半径通常在 300mm 左右，公转速度在 300rpmMAX 。若再需获得更大的离心力， 比较困难， 而且对 设备的制造工艺也提出更高的要求，在成本上也会大大增 加。有的生产企业也在另辟蹊径，尝试在球筒中添加树脂球 来改善水晶片的滚筒加工。2.5.2 钢珠水压加工工艺这里介绍一种创新的加工方法，是笔者亲身参与的南京 中电熊猫晶体的钢珠水压法，主要用于加工 SM

6、D 型的水晶 片。传统的滚筒方法中，要最大程度地保持滚筒所使用研磨 砂的干燥，以保证加工过程中不粘接，不影响加工。而钢珠 水压法的工艺思路大胆创新，是在金属筒中按照一定的比例 加入水、钢珠和研磨砂，再适当加入一定数量的水晶片进行 外形修整。具体可见如下图 -5 示意：此加工工艺加工时需要注意到： 1）钢珠的直径大小：钢珠的直径不宜过大，否则不能 对水晶片施压。 2 ）水晶片和钢珠在金属筒中均匀分布。由 于在金属筒中加入了钢珠，和水晶片本身的自重相比，钢珠 的重量要大了很多，所以水晶片加工时所接受的压力大，水 晶片的外型更加接近于理论外型。笔者以南京中电熊猫晶体 12MHZ/5032 水晶片的加工效果来做简单说明，见表1：从表 1 中数据，可以发现，用钢珠水压法加工的 12MHZ/5032 水晶片电阻一致性比较好， 也充分满足 50ohms 的规格要求，该批水晶片滚边时间也仅为 10 个小时，完全 可以实现 12MHZ/5032 水晶片的快速加工。3、结语 以上是笔者的一点经验之谈，通过筒型的选择，筒径的 计算以及钢珠水压法的实施，对 5032 小尺寸水晶片的加工 是很有帮助的，提高了企业生产的效率和水晶片品质，以上 虽然只是分析了电阻指标，但对于一些特殊的要求，控制晶 片平台及外型也是可以实现的。同时，笔者也注意到，在实