晶振失效分析

Failure Analysis of Stability of Quartz Oscillator  

康翠荣  杨治安  王惠  乔亚莉(天津大学分析中心  天津300072)  

金善明(天津市华光电子器件厂  300131)  

摘要  本文对频率稳定性不良的石英谐振器进行了失效分析，并利用扫描电子显微镜观察了石英晶片电极银膜层的显微形貌，分析了石英晶片银膜层不连续和附着差的原图，提出了改进措施，使石英晶片银膜层的合格率显著提高。 

关键词  石英晶片  银膜层  频率稳定性  

1.前  言 

石英谐振器是电子线路中的重要元件之一。通常，在振荡电路中做稳频元件；在滤波电路中做选频元件。石英谐振器在使用和贮存过程中，随着时间的变化而出现老化现象，如使用的原材料不当、石英晶片表层加工不良、表层污染、蒸发的银膜层附着性差等，都会影响谐振器频率的稳定性。  

2  石英谐振器的失效模式和失效分析

2.1  失效模式 

石英谐振器主要由石英晶片、银膜层电极、引线、支架和外壳等组成。在电子线路中，石英谐振器的主要失效模式是开路、短路、频率稳定性差等。造成开路、短路的原因主要为支架脱落、脱锡、外壳封装系统机械损伤等，而造成频率稳定性差的因素很多。

2.2  失效分析 

通过对成品的解剖和原材料、制造工艺的分析，应用扫描电子显微镜的观察，初步认为失效的石英谐振器频率稳定性差是由石英晶片表面清洁处理不良，银膜层附着不牢以及石英晶片表面加工不佳等因素造成的。 

2.2.1  石英晶片电极是不连续的银膜层 

将频率稳定性差的成品解剖取出的石英晶片表面形貌如图1照片所示。 

在生产中，经腐蚀、清洗、蒸镀银电极的石英晶片存放十几个小时后，如果表面也有图1所示的斑痕，说明生产工艺存在问题。 

用电子显微镜观察石英晶片电极银膜层时，具有斑痕的银膜层不是连续的银膜层，如图2所示。

一般情况 下，在谐振频率附近，石英谐振器可等效成一个R、C、L组成的等效电路，这些等效参数与很多因素有关，其中电极面积大小即为因素之一。不连续银膜层使石英晶片电极的有效面积减小，必然影响谐振器的频率稳定性，在生产中已发现，当银电极表面斑痕多且面积大时，谐振器甚至可以停振。

银膜层斑痕的出现与生产工艺有密切关系。通常，为了使蒸镀的银膜层牢固地附着在石英晶片上，要求晶片表面清洁干净，选用一定纯度的水清洗，再用无水乙醇脱水。但是从银膜层表面上斑痕的形状等分析是由清洗水的纯度不高造成的。同时，在银膜层上也有一些杂质存在，如图3所示。经检测水的电阻率很低为2.5kΩ－cm，几乎与自来水一样(水处理装置出现故障)，依据上述情况，改换电阻率高的纯水后，银膜层斑痕消失，使石英晶片银膜层的合格率由80%提高到98%以上，从而也大大改善了谐振器的频率稳定性。 

   水质不纯是电子元器件生产不可忽视的问题。一般情况下，水含有多种杂质，如溶解的无机物和有机物，微细的泥土、尘埃、微生物等，若使用纯度不高的水清洗石英晶片烘干后，有些析出物等杂质附着在晶片表面上，蒸镀银膜时，由于杂质的存在，使银膜附着不牢，造成部分银层脱落，形成不连续的银膜层，影响了电极的有效面积。

2.2.2  石英晶片表面的缺陷 

由图2、图3可见，银膜层受石英晶片表面粗糙度的影响很大。银膜层愈薄，晶面表面愈粗糙，裂纹缺陷愈多时，基底缺陷显而易见。致使银膜层被敷不佳，以致形成不连续的银膜层。 

在生产中，把按要求切成薄片的石英晶片进行研磨，为了消除研磨中造成的表面破坏层，减小等效电阻，同时也为了达到一定的厚度，满足频率要求，一般情况下，石英晶片用配制好的腐蚀液进行腐蚀，在腐蚀过程中，如果腐蚀时间、温度以及腐蚀液的浓度等控制不严，将使石英晶片腐蚀强度过大，造成石英晶片表面粗糙度大，裂纹多等缺陷。因此，提高腐蚀质量，减少石英晶片表面缺陷，使石英晶片银膜层形成连续膜，以保证电极的有效面积和阻值要求。 

3.结论

1.利用扫描电子显微镜观察石英晶片银膜层的微观形貌，确认带有斑痕的银膜层是不连续的膜层，造成银电极的有效面积减小，影响了谐振器频率的稳定性。 

2.银膜层表面的斑痕是制造工艺中使用的水纯度低所致，通过提高水的纯度，提高了石英晶片的合格率。

3.石英晶片表面的粗糙度对银膜层有很大影响，为了保证银膜层的连续性，一定要严格控制腐蚀工艺。  本页首部

参考文献  

1.卢其庆等  半导体器件可靠性与失效分析  江苏科学技术出版社  南京1981  239～240 

2.杨邦朝等  薄膜物理与技术  电子科技大学出版社，成都  1994  1～192 

3.韩锡振  电子工业生产技术手册电子元件卷第一卷  国防工业出版社  北京  1990  947～950