用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法

文档序号:9420003
用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种剪切型石英晶体谐振器,尤其设及一种利用化学侵蚀法实现石英 晶体谐振器的晶体基板倒边效应的加工方法。
【背景技术】
[0002] 在石英晶体谐振器的设计和制造中,为了获得较好的谐振器品质因素,抑制谐振 器中的弯曲和其他有害振动对电气特性带来的负面影响,一般需要改变石英晶体板的边缘 厚度,从而实现减少寄生振动干扰,进而强化厚度剪切振动和"能陷(energytrapping)"特 性的目标。通常的高性能晶体谐振器都需要尽可能减少弯曲和其他寄生振动,特别是石英 晶体板边缘的振动,保证石英晶体板弹性变形所产生的变形能,也称为应变能,尽可能集中 在板的中央,防止扩散到周边结构而导致能量耗散。为此目的,许多谐振器在设计上考虑了 厚度朝边缘减小,W期获得性能较好的器件如较高的品质因数,当然也带来了一个加工技 术方面的挑战,即如何实现石英晶体板的最佳厚度变化。也就是说,我们需要选择和探索在 石英晶体板上面实现边缘的厚度变化的模式和方法,也就是通常的"倒边",来保证高质量 的石英晶体谐振器的制造。
[0003] 传统的石英晶体谐振器的倒边加工,一般是采用在专用滚筒机中,用专用砂子打 磨的方式来完成,主要是利用在滚筒中的中屯、和边缘砂子的速度不同,摩擦力也不同,靠机 械运动对石英晶体晶片打磨,最终实现晶片边缘上的厚度变化。
[0004] 但是传统倒边的控制是通过砂子的颗粒选择、砂子的潮湿度、滚筒直径、滚筒转速 和打磨时间等主要加工过程参数来完成和优化的,又由于滚筒机中砂子的运动很难控制, 所W晶片厚度变化模式和程度事实上也就无法精准控制,造成目前技术的局限性。
[0005]目前近几十年来,倒边的加工技术也没有什么变化,也缺乏对精确模式和加工方 式的深入研究,制约了谐振器技术的发展。为获得高品质石英晶体谐振器,设计晶体基板的 倒边加工是非常重要的步骤。
[0006] 实际经验和理论研究都表明,任何形式的厚度变化,事实上也就是刚度的任何变 化,都会起到对寄生振动,特别是弯曲振动的抑制作用,也就是谐振器能陷特性的显著改 善。因此,传统工艺对倒边效应的控制也就主要限定于适当的厚度变化,如果产品性能满足 要求,一般也不需要对厚度变化模式做严格规定。但是随着石英晶体谐振器的小型化,高可 靠性能的不断需求,如何在倒边加工方面增加新的加工方式,能用较为易于控制的模式精 确加工,也是产品技术创新的重要内容。

【发明内容】

[0007] 本发明所要解决的技术问题是针对现有倒边技术的不足,提供一种用于制造石英 晶体谐振器的晶体基板的加工方法,该方法利用化学腐蚀方法完成谐振器晶体基板的倒边 加工,替代目前的滚筒磨砂加工技术,从而缩短加工时间、降低加工成本,最终实现石英晶 体板的厚度变化,显著提升石英晶体谐振器的电性能参数。
[0008] 本发明所要解决的技术问题是通过W下的技术方案来实现的。本发明是一种用于 制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,其特点是:该方法利用化学溶剂,并按照预定 的侵蚀区域大小、侵蚀时间来加工侵蚀晶体基板,从而实现晶体基板指定区域厚度按预定 的设计形式改变,实现化学腐蚀的倒边效果,再制成晶体谐振器;所述的化学溶剂氣化氨氨 NH4HF2水溶液。
[0009] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:所述的晶 体基板为石英晶体基板或者其他晶体材料基板。
[0010] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:所述的氣 化氨氨NH4HF2水溶液为在40°C~70°C条件下溶解得到的质量浓度为45-70%的氣化氨氨 NH4HF2水溶液。
[0011] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:加工时,保 持氣化氨氨NH4HF2水溶液的溫度在40°C~70°C。
[0012] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:所述的晶 体基板为矩形或者圆形。
[0013] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:化学溶剂 侵蚀方法是通过控制侵蚀时间、化学溶剂浓度来实现晶体基板分段分区的厚度和刚度的改 变;通过分段加工,将需要改变厚度的长度分成若干等分,然后从边缘到中间部位,腐蚀时 间逐段递减,实现厚度改变逐段减少,形成厚度梯度变化的加工效果。
[0014] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:通过化学 侵蚀改变晶体其板表面的材料弹性常数,从而改变厚度剪切振动频率,改变剪切振动与其 它寄生振动模态的禪合,最终改善谐振器的谐振电阻指标。
[0015] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:其具体步 骤如下: (1) 准备具有一定的设计形状的晶片;在40°c~70°C条件下溶解得到质量浓度为 45-70%的氣化氨氨NH4HF2水溶液,装入容器中,采用恒溫箱加热使容器内化学溶剂的溫度 保持在40°C~70°C;准备掩膜夹具,夹具应W遮挡掩盖住中间晶片为原则,避免溶剂侵蚀; 准备仪器记录分段侵蚀区域晶体频率和加工时间; (2) 根据已经设计的倒边方案要求,将进行侵蚀加工的晶体基板的长度端部浸入化学 溶剂内,浸入时间需要按照溶液的侵蚀特性和对晶体基板的腐蚀效果来确定,侵蚀效果根 据控制晶体谐振频率高低变化来判断,即进行腐蚀加工、测试、腐蚀加工、测试的循环加工 测试达到预定的倒边方案要求。
[0016] 本发明所要解决的技术问题还可W通过W下的技术方案来进一步实现。W上所述 的用于制造石英晶体谐振器的晶体基板的加工方法,进一步优选的技术方案是:步骤(2) 中,采取分段侵蚀的方式加工,造成在中间侵蚀量较少,端部侵蚀最多,实现砂磨效果一样 的倒边效果。
[0017] 发明人发现,在具有倒边的产品中,能陷性能的强化通常是W改变厚度的途径来 实现的。倒边就是减小晶体板的边缘厚度,从而提高运部分的剪切振动频率,最后造成在厚 度改变部分不可能在低频激发厚度剪切振动,也就是减少了设计厚度剪切振动的振幅和相 应的能量。从本质上讲,我们也可W看作是石英晶体板的剪切刚度的增加,并W此来提高剪 切振动的频率,保证板的中间和边缘较大的剪切振动频率差,实现剪切振动的局部化。
[0018] 沿袭运一思路,本发明技术方案从改变晶体板边缘的剪切振动频率的原则出发, 考虑寻求其他的与倒边有类似效应的加工方式。譬如,单纯改变晶体板的刚度,特别是剪切 刚度,无论是降低和增加,都会造成板的不同区域的剪切振动频率的差别,从而减小经过处 理部分板的厚度剪切振动。只有保持一定的频率差,特别是边缘部分频率较高时,才能实现 减少边缘剪切振动的目标。也就是说,我们可W通过改变晶体板的边缘刚度的途径,实现我 们传统上利用改变厚度来完成的能陷强化目标。
[0019] 在石英晶体谐振器的晶片加工过程中,除了常见的机械加工方式有切割、磨削、抛 光外,化学侵蚀也是一个使用较多的方法,主要用于过量晶体材料的剥除,实现尺寸和体积 的快速改变。我们知道,化学腐蚀会通过溶化分子结构来改变晶体结构,最终造成晶体材料 的体积、形貌和表面部分的材料性能的改变。
[0020] 从根本上讲,化学腐蚀会在晶体板中造成=种后果: 1) 改变石英晶体板的厚度,进而改变板的刚度,最终改变板的不同区域的剪切振动频 率,强化中间部分的剪切振动,实现通常意义上的能陷特性改善; 2) 改变石英晶体内部晶格结构,特别由此造成石英晶体的剪切刚度的增加或者减少, 最终也改变它的剪切振动频率,有可能是厚度减小和刚度减小的复合效应,具体改变要看 两种效应的影响程度。
[0021] 3)造成板的材料性能的梯度效应,使材料参数在板的厚度中屯、和表面有显著差 另IJ,从而也造成侵蚀区域和非侵蚀区域的板的振动频率的变化,实现我们期待的倒边效应。
[0022] 通过采用化学侵蚀的方法可W实现W机械加工方法来完成的倒边过程和效果,达 到强化能陷特性的目标。很明显,运是一个和传统的利用砂子打磨显著不同的加工方法,但 能够相对地较为快速地进行晶片加工,成本也相对低廉。在效果上,由于化学腐蚀在石英晶 体加工中应用较多,有丰富经验来控制整个过程和加工质量,可W取得较好的性能。
[0023] 运项技术的核屯、是选择合适的化学腐蚀剂,既可W实现通过化学腐蚀剥除多余的 石英晶体材料,又能保证石英晶体板的表面均匀、平滑、干净,可W保证后续的加工要求和 基本性能。
[0024]发明人通过研发发现,化学溶剂氣化氨氨NH4HF2)可W实 现本发明的要求,同时,通过化学侵蚀的晶体表面一般也可W再次加工,如进行清洗和抛光 等,进一步提高晶片质量。对晶片的腐蚀程度可W根据溶剂的浓度、腐蚀时加工溫度等参数 的改变,实现较好的腐蚀加工效果,实现可靠精确的侵蚀过程控制。
[0025] 本发明加工方法可W采用分段分区侵蚀,具有成本低、时间短、表面伤害可控、工 损少等特点,是一种新型的石英晶体加工技术和方法,可提升谐振器的电性能参数。其优 点是由于本方法能够改变材料性能参数,造成所设计的晶体板厚度或者刚度的特定模式变 化,实现晶体谐振器的能陷性能,保证剪切振动在晶体板的边缘很小,W此减少能量向外部 的扩散,实现强化剪切振动的目标;运一方法的效果和传统的滚筒砂磨的加工方法一样,减 小晶体基板边缘厚度。
【具体实施方式】
[0026] W下结合实施例对本发明作进一步详细
再多了解一些
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