普通晶體振蕩器的關(guān)鍵工序研究

田永盛，宛琰

（深圳市北測檢測技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518012）

0 前言

石英晶體器件中，普通晶體振蕩器（SPXO）的用量最大。由于SPXO 多是采用一次封裝方式，其失效率要遠(yuǎn)高于其他石英晶體器件。根據(jù)某上市公司來料檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)，SPXO 的失效單數(shù)占所有晶振器件失效單數(shù)的70%以上。該公司在半年內(nèi)共統(tǒng)計(jì)到SPXO 失效案例52 例，其中：晶片參數(shù)異常22 例、陶瓷底座不良6 例、激發(fā)性跳變（frequency dip）問題6 例、頻偏2 例、內(nèi)部芯片工作異常2 例、內(nèi)部芯片破損2 例、芯片過電3 例、振蕩器被大電流燒毀2 例和未復(fù)現(xiàn)故障7例。由以上數(shù)據(jù)可知，由于晶片參數(shù)異常而導(dǎo)致的SPXO 失效的比例約占到總失效案例數(shù)的42%左右。由此可見，控制好SPXO 的晶體參數(shù)，即其內(nèi)部晶片的參數(shù)，是提高SPXO 總體質(zhì)量、降低失效率的關(guān)鍵。

想要提高晶片的整體質(zhì)量，首先必須要了解SPXO 的生產(chǎn)工序，并從中找出容易導(dǎo)致晶片質(zhì)量下降的關(guān)鍵工序，再對(duì)這些關(guān)鍵工序進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。本文首先介紹晶片的加工工序，再嘗試從中找出關(guān)鍵工序，最后介紹一些由于這些關(guān)鍵工序未得到有效控制而導(dǎo)致的失效案例，以使讀者更透徹地了解這些關(guān)鍵工序。

客觀來說，出現(xiàn)激發(fā)性跳變（frequency dip）問題的原因也與晶片的設(shè)計(jì)和加工工藝有關(guān)，但這個(gè)問題相對(duì)較復(fù)雜，在本文中不進(jìn)行重點(diǎn)描述[1]。

1 普通晶體振蕩器的關(guān)鍵工序分析

為了更好地理解SPXO 器件的生產(chǎn)工序，先簡單地介紹一下SPXO 器件的結(jié)構(gòu)，SPXO 器件的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，以貼片SPXO 為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由陶瓷底座、驅(qū)動(dòng)IC、晶片（諧振器）和上蓋等幾部分構(gòu)成，晶片決定了振蕩器可以振蕩的頻率，驅(qū)動(dòng)IC 使振蕩器可以穩(wěn)定可靠地工作，陶瓷底座和上蓋將驅(qū)動(dòng)IC 和晶片封裝在一起。一般來說，SPXO 器件的生產(chǎn)商自己并不生產(chǎn)陶瓷底座、驅(qū)動(dòng)IC、上蓋和晶棒等元器件，他們所做的，只是將晶棒加工成符合驅(qū)動(dòng)IC 要求的晶片，并將這些元器件組裝成完整的振蕩器。目前，驅(qū)動(dòng)IC 和陶瓷底座等器件主要由日本廠商壟斷，其生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟，由于這些配件質(zhì)量不佳而導(dǎo)致振蕩器失效的比例相對(duì)較少，一般不是重點(diǎn)考慮的對(duì)象。而晶片由于其薄、脆且易碎等特點(diǎn)，對(duì)加工工藝的要求非常高，所以SPXO 器件的失效主要是由晶片的加工工藝未得到有效控制所導(dǎo)致的。

圖1 SPXO 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

SPXO 的結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，可分為放大網(wǎng)絡(luò)、輸出網(wǎng)絡(luò)、反饋及選頻網(wǎng)絡(luò)和基頻抑制網(wǎng)絡(luò)（晶片工作在基頻狀態(tài)時(shí)沒有此部分）4 部分。晶片，即圖中的Xtal，包含在反饋及選頻網(wǎng)絡(luò)之中，結(jié)構(gòu)框圖中的其余部分均集成在驅(qū)動(dòng)IC 之中，圖中的RF 用來調(diào)整放大網(wǎng)絡(luò)的負(fù)阻；R0 用來調(diào)整晶體激勵(lì)功率、抑制寄生振蕩和相位補(bǔ)償；CL 用來影響振蕩頻率和反相器負(fù)阻。晶片，可等效為C0（靜態(tài)電容）與R1（諧振電阻）、C1（動(dòng)態(tài)電容）和L1（動(dòng)態(tài)電感）三者串聯(lián)組合后的并聯(lián)，驅(qū)動(dòng)IC 可等效為-R（負(fù)電阻，表示激勵(lì)）與負(fù)載電容CL 的串聯(lián)[2-3]。

圖2 SPXO 的結(jié)構(gòu)框圖

簡單介紹下SPXO 器件的生產(chǎn)工序。

生產(chǎn)商將采購回來的晶棒按一定的角度切割成晶片，然后對(duì)切割好的晶片進(jìn)行粗磨、中磨和精磨3 道工序的加工，將晶片磨成所需的厚度；

再對(duì)磨好的晶片進(jìn)行修邊和倒角，將晶片的四周各切掉一部分，切成所需的大小，并對(duì)修好邊的晶片邊緣進(jìn)行倒角，以增強(qiáng)晶片的抗破損能力；倒好角的晶片被送去進(jìn)行腐蝕和清洗，這兩道工序的主要目的是將前幾段工序中所產(chǎn)生的雜質(zhì)清洗掉，并將晶片表面不完整的晶格腐蝕掉，以增加對(duì)銀粒子的附著力。以上的幾道工序都是在凈化間外面完成的，可知這些工序都不能算為關(guān)鍵工序。當(dāng)晶片進(jìn)入一萬級(jí)的凈化間后，還要再次進(jìn)行清洗，這次清洗的要求十分嚴(yán)格，清洗后晶片的質(zhì)量直接決定了振蕩器的質(zhì)量，故這道工序應(yīng)為關(guān)鍵工序，為了使清洗后的晶片上沒有水漬，清洗后的晶片一般會(huì)用有機(jī)溶劑脫水。脫水后的晶片進(jìn)入到被銀工序，在這道工序，晶片上會(huì)被鍍上銀電極，并進(jìn)行頻率的粗調(diào)。然后進(jìn)入到點(diǎn)膠工序，這里晶片被安裝到已經(jīng)裝入驅(qū)動(dòng)IC 的陶瓷底座里，晶片是通過銀膠與陶瓷底座裝配到一起。振蕩器工作時(shí)，晶片會(huì)不停地振動(dòng)，在運(yùn)輸時(shí)，振蕩器也會(huì)受到不同程度的振動(dòng)，所以銀膠能否將晶片與陶瓷底座可靠地粘接在一起也直接決定了振蕩器的性能。SPXO 生產(chǎn)商非常重視點(diǎn)膠工序，但如何有效地控制和檢測膠點(diǎn)的質(zhì)量，目前業(yè)內(nèi)尚沒有十分有效的方法。之后的工序是微調(diào)工序，在這道工序里，會(huì)對(duì)被銀的厚度進(jìn)行細(xì)微的調(diào)節(jié)，以使振蕩器的輸出頻率滿足生產(chǎn)商內(nèi)控的要求，微調(diào)有兩種方法，一種方法是增加被銀的厚度，另一種方法是減少被銀的厚度。其中，增加被銀厚度主要有蒸鍍法和離子濺射法兩種工藝，但無論是采用哪種方法/工藝，都有在晶片上產(chǎn)生銀顆粒雜質(zhì)的概率，故對(duì)這道工序的控制程度，也會(huì)直接影響振蕩器的質(zhì)量，可知這道工序也是關(guān)鍵工序。晶片微調(diào)之后，會(huì)在惰性氣體或真空的環(huán)境下密封，最后再進(jìn)行烘烤、打標(biāo)和檢驗(yàn)等工序后，振蕩器就生產(chǎn)完成了。

由以上的描述可知，振蕩器加工中，最關(guān)鍵的工序有3 個(gè)，分別是：被銀前的清洗、點(diǎn)膠和微調(diào)。下面介紹一些由于這些關(guān)鍵工序未得到有效控制而導(dǎo)致的失效案例和關(guān)鍵的失效分析過程，以使讀者更透徹地了解這些關(guān)鍵工序。

1.1 由于被銀前的清洗工序處理不當(dāng)而導(dǎo)致的振蕩器失效案例

某失效樣品的失效現(xiàn)象是停振。用晶體參數(shù)測試儀S&A 250B 測試失效樣品內(nèi)晶片的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)明顯異常，晶片已經(jīng)無法起振。

將失效樣品開封，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)的晶片上有大量的水漬狀雜質(zhì)，在200 倍顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)此水漬狀雜質(zhì)主要是被銀面的無規(guī)則突起，導(dǎo)致出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因應(yīng)是晶片在被銀前的清洗工序時(shí)未得到有效的清洗，使得被到晶片上的銀電極與晶片無法緊密粘合，在烘烤工序時(shí)，鍍到晶片上的銀層與晶片脫離，于是就形成了這些突起狀的雜質(zhì)，如圖3所示。

圖3 晶片上的水漬狀雜質(zhì)

1.2 由于被銀前的清洗工序處理不當(dāng)而導(dǎo)致的潛在失效案例

某125 MHz 失效樣品的失效現(xiàn)象是停振，RR值和DLD2 值明顯偏大，在對(duì)其進(jìn)行破壞性物理分析（DPA）[4-5]時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部的晶片表面有明顯的雜質(zhì)存在，還有一些擦痕狀痕跡，如圖4 所示。用SEM 對(duì)晶片上的雜質(zhì)進(jìn)行微觀分析和成份分析，發(fā)現(xiàn)一處雜質(zhì)的成份主要是硅、氧和銀，在進(jìn)行SEM 分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)此雜質(zhì)被電子束轟擊后移動(dòng)，對(duì)此雜質(zhì)的原位置進(jìn)行成份分析，發(fā)現(xiàn)只有氧和硅，沒有銀，說明此雜質(zhì)是在晶片在被銀前就存在于晶片上的，如圖5 所示。對(duì)此樣品的晶片上的擦痕狀痕跡進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)這些擦痕是由很多小的突起組成的，這些突起的成份構(gòu)成和上面分析的那處雜質(zhì)的成份一致，應(yīng)該也是在晶片被銀前就存在于晶片上的[6]。

圖4 某125 MHz 樣品的鏡檢圖片

圖5 對(duì)圖4 所示的雜質(zhì)進(jìn)行SEM 分析的數(shù)據(jù)

這個(gè)樣品在剛出廠時(shí)，電性能可能是合格的，但使用一段時(shí)間后，這些在被銀前附著在晶片上的雜質(zhì)就會(huì)逐漸脫落，晶片的參數(shù)逐漸劣化，振蕩器就有可能出現(xiàn)頻偏、跳點(diǎn)、休眠，甚至停振等失效現(xiàn)象[7]。

1.3 由于點(diǎn)膠工序處理不當(dāng)而導(dǎo)致的振蕩器失效案例

某段時(shí)間內(nèi)，接連出現(xiàn)數(shù)例某25 MHz 貼片SPXO 失效的案例，這些案例的失效現(xiàn)象基本一致，均為輸出波形的占空比異常、頻偏，用熱風(fēng)槍對(duì)失效樣品加熱，發(fā)現(xiàn)工作溫度越高，失效樣品的占空比越小。

將樣品的工作電壓由小向大逐漸地調(diào)至3.3 VDC，發(fā)現(xiàn)工作電壓越高，失效樣品的占空比越小。

測試樣品內(nèi)晶片的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)晶片的RR 值偏大，DLD2 值較大，高驅(qū)動(dòng)功率下的RR值是低驅(qū)動(dòng)功率下RR 值的數(shù)倍。

將樣品開封后，在顯微鏡下觀察樣品內(nèi)部的晶片，發(fā)現(xiàn)這批失效樣品中，有的膠點(diǎn)處有破損（如圖6 所示），有的膠點(diǎn)附近有受到外力磨擦的痕跡（如圖7 所示）。這都有可能導(dǎo)致晶片與陶瓷底座的粘接不牢固。

圖6 某25 MHz 樣品膠點(diǎn)處有破損

圖7 某25 MHz 樣品膠點(diǎn)附近有受到外力磨擦的痕跡

如果晶片與陶瓷底座的連接不良，則會(huì)導(dǎo)致晶片在振動(dòng)時(shí)的阻力加大，即RR 值增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率加大或?qū)悠芳訜?，或調(diào)高樣品的工作電壓時(shí)，晶片的振動(dòng)幅度加大，由于連接不良而導(dǎo)致的振動(dòng)阻力也會(huì)加大，這會(huì)導(dǎo)致樣品在高溫下停振、高工作電壓下工作異常等失效現(xiàn)象。

如果晶片與陶瓷底座的連接點(diǎn)松動(dòng)，晶片振動(dòng)時(shí)向上的位移量會(huì)增大，而向下的位移量不會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)波形的正負(fù)半周的振幅不同，這種波形在經(jīng)過驅(qū)動(dòng)IC 的整形放大部分時(shí)，就會(huì)輸出占比空異常的方波。晶片的振動(dòng)幅度越大，對(duì)占比空的影響越大。

如果晶片與陶瓷底座的聯(lián)接點(diǎn)松動(dòng)，在晶片振動(dòng)時(shí)，就有可能在晶片與點(diǎn)膠點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)小氣隙。對(duì)振蕩電路來說，這個(gè)小氣隙可以等效為在諧振器的一端串聯(lián)了一個(gè)電容，由于這個(gè)電容的存在，導(dǎo)致了樣品的輸出頻率發(fā)生偏移[8]。

根據(jù)以上推斷，推測這批樣品的失效原因?yàn)槟z點(diǎn)的粘接質(zhì)量不佳。

1.4 由于微調(diào)工序處理不當(dāng)而導(dǎo)致的振蕩器失效案例

此失效樣品在3.3 VDC 工作電壓下無輸出，但在1.5 VDC 工作電壓下可以工作在基頻狀態(tài)下；樣品在2.1 VDC 工作電壓下可以工作在標(biāo)稱頻率附近；樣品在2.2～2.5 VDC 工作電壓下時(shí)，輸出不穩(wěn)定，輸出波形異常。在2.6 VDC 工作電壓以上，樣品停振。將樣品多次加電下電后，樣品可長時(shí)間有正常的輸出。

將恢復(fù)有正常輸出后的失效樣品放置在70 ℃高溫環(huán)境下，加電運(yùn)行48 h，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

將樣品開封，在顯微鏡下觀察其內(nèi)部晶片的情況。發(fā)現(xiàn)在晶片上的非電極區(qū)域上有大量雜質(zhì)存在。其中，1 號(hào)雜質(zhì)非常薄，形狀類似于雪花，雜質(zhì)的顏色與被銀面非常接近，如圖8 所示。對(duì)此雜質(zhì)進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其主要成分為銀，推測此雜質(zhì)是從被銀面上脫落下來的。經(jīng)分析，樣品內(nèi)的其余雜質(zhì)與本次的失效機(jī)理關(guān)聯(lián)性不大。

圖8 某失效樣品的鏡檢圖片和晶片上1 號(hào)雜質(zhì)的細(xì)節(jié)圖

石英晶片在振動(dòng)時(shí)，振幅最大的部位是晶片兩側(cè)的銀電極相重疊的部位，此區(qū)域之外的部位，振幅逐漸減弱。如果雜質(zhì)是附著在兩側(cè)銀電極重疊的部位上，對(duì)振蕩器的工作影響較大，一般體現(xiàn)為晶片的RR 值增大，如果雜質(zhì)附著在此區(qū)域外的部位，對(duì)振蕩器的影響相對(duì)較小。如果晶片上被銀面上的某區(qū)域有銀層附著不牢的情況，則晶片振動(dòng)時(shí)此附著不牢的被銀區(qū)域會(huì)以更大的振幅振動(dòng)，增大了晶片的RR 值，導(dǎo)致晶片的RR 值隨著驅(qū)動(dòng)功率的增大而增大，這就會(huì)產(chǎn)生樣品在低驅(qū)動(dòng)功率（低電壓）下工作正常、在高驅(qū)動(dòng)功率（高電壓）下停振的現(xiàn)象。隨著晶片振動(dòng)次數(shù)的增加，這塊附著不牢的被銀區(qū)域從晶片上脫落，并隨機(jī)落在晶片上的某處，如果落到了銀電極之外的區(qū)域外，對(duì)晶片振動(dòng)的阻礙作用就會(huì)大大地減小，此時(shí)振蕩器反而可能有正常波形輸出。

根據(jù)以上推斷，推測樣品的失效是因?yàn)槲⒄{(diào)工藝時(shí)被到晶片上的銀層與原銀層粘接不牢導(dǎo)致的，長時(shí)間工作后附著不牢的被銀層從晶片上脫落并落到晶片遠(yuǎn)端，此失效品即恢復(fù)正常的輸出。

2 結(jié)束語

石英晶體振蕩器的失效模式很多，失效原因也是多種多樣，但只要我們把握住其關(guān)鍵工序，協(xié)助生產(chǎn)廠家控制好被銀前的清洗工序、點(diǎn)膠工序和微調(diào)工序這幾個(gè)關(guān)鍵工序，一定可以有效地提高SPXO 的總體質(zhì)量，降低SPXO 的失效率。