SMD石英晶体八点胶抗振设计

李冬强 姜凡 高志祥

（南京中电熊猫晶体科技有限公司，江苏南京 210038）

0.引言

在石英晶片加上交变电场时，会产生相应的机械形变振动，同时机械形变振动反过来又会产生交变电场，当外加交变电场的频率等于石英晶片的谐振频率时，振动会显著增强，呈现谐振特性。利用石英的压电效应制作的石英晶体具有频率稳定度高、Q值高、成本低的特点，广泛应用于时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。

石英晶体谐振器是一种用于选频和稳频的重要电子元器件，广泛运用在有线通讯、无线通讯、电子测量仪器、数字仪表、医用设备等各种产品中。在卫星通讯、雷达导航测控，卫星地面站，广播电视系统，全球卫星导航定位系统等重要特殊领域，对石英晶体的可靠性要求更为严苛，抗振性尤为突出，因此本文就提升石英晶体抗振性能进行研究，提出并验证了八点胶抗振设计的有效性。

1.八点胶抗振设计方案

1.1 石英晶体组装结构

石英晶体主要由基座、石英振子、银胶、盖板4部分组成，其中基座大多由陶瓷构成，为石英振子提供载体及相应的导电通路，同时基座与盖板相结合，构成密闭空间，为石英振子打造氮气、高真空等工作环境。

石英振子是表面镀上特定电极图形的石英晶片，主要镀膜材料一般为金或银，是整个石英晶体的核心部件，扮演着“心脏”的角色，在石英晶片两面电极金属膜上加一交变电场即可激发石英振子的压电效应，石英晶体启动工作模式。

导电胶是一种同时具备导电性能和粘接性能的胶黏剂，它可以将多种导电材料连接在一起，使被连接材料间形成导电通路。导电粒子使导电胶中导电性的来源，不同导电粒子的各参数不同，添加入导电胶后其导电性和胶体的其他性能也有所不同；树脂体系作为导电胶力学性能和粘接性能的主要来源。石英晶体行业通常采用银做导电粒子，树脂体系选择环氧树脂，通常称导电胶为银胶。

通常在石英晶体的加工过程中，是利用银胶将石英振子表面电极与基座Pad实现导通，保证良好的导电性能；同时银胶还有另外一个重要的作用就是把石英振子牢固的固定在基座上，防止石英振子的脱落，对石英晶体的抗振性起着至关重要的作用。

1.2 传统四点胶技术

为了保证良好的导电性能的同时，具有可靠的抗振性能，行业通常采用传统的四点胶技术方案，在一定程度上起着不错的效果。

具体四点胶技术实施方案如下：先在基座上点涂2个银胶胶点，然后将石英振子搭载到胶点上，如图1所示，2个银胶胶点分别与石英振子的2个底面副电极对应；接着再在石英振子上表面继续点涂2个银胶胶点，如图2所示，上下表面的4个胶点两两相互对应，最后将点涂四点银胶完毕后的半成品放入烤胶隧道炉中进行银胶固化，同时释放表面应力。

图1 石英振子两点底胶

图2 石英振子两点面胶

传统的四点胶技术方案通常运用在2016及以上尺寸的SMD石英晶体谐振器上，抗振性能能够满足一般领域的需求，但对于武器装备等特殊领域或特殊运用场合，四点胶已经不能极为严苛的抗振性能要求。

1.3 八点胶抗振设计

为了进一步加强石英晶体的抗振性能，在传统的四点胶技术方案的基础上再次升级，进行八点胶抗振设计，用以满足特殊领域、特殊场景的可靠性要求。

八点胶抗振设计以传统四点胶方案为基础，胶点也分上下表面两次点涂，下表面4个胶点位置分布如图3所示；石英振子搭载后，再次进行上表面4个银胶的点涂，如图4所示，上下表面的8个胶点两两相互对应，导电胶及固化工艺保持不变。

图3 石英振子四点底胶

图4 石英振子四点面胶

石英振子负电极方向4个胶点起着导通基座与晶片并保持良好的电性能的作用，而石英振子末端4个胶点仅起着加强固定的作用，因此为了避免末端4个胶点对石英晶体的常规电气性能产生不良影响，末端4个胶点不能接触石英振子表面电极区域。

2.八点胶设计抗振性能验证

2.1 对比试验设计

八点胶与传统四点胶的抗振性能需要进行试验对比论证，此次试验采用单一变量对比试验准则，取同一批基座、石英晶片、盖板、银胶，同设备加工、同批次镀膜、同工艺制程管控，加工出四点胶、八点胶25MHz石英晶体各一批。分别对两批产品进行马歇特锤试验对比，根据试验数据及结果进行对比分析。

2.2 马歇特锤对比试验

马歇特锤锤击实验的原理是用重力对冲击锤加速，使其击打铁质目标从而产生较大的加速度过载，通过调整齿数来调节瞬时加速度，可以对产品抗振及抗过载性能进行验证，本次实验采用23齿，瞬时加速度40000g。

（1）取电气性能合格的25MHz四点胶、八点胶石英晶体各30只，分为A1、A2、A3各10只四点胶25MHz石英晶体，B1、B2、B3各10只八点胶25MHz石英晶体，分别编号；（2）将6组石英晶体进行常规测试，测试数据与晶体标号一一对应；（3）将A1和B1、A2和B2、A3和B3通过回流焊分别固定在X（长边方向）、Y（短边方向）、Z（厚度方向）3块马歇特锤试验板上；（4）X、Y、Z 3个方向分别进行马歇特锤机械冲击，23齿，每个方向2次冲击，瞬时加速度40000g；（5）将马歇特锤机械冲击后的石英晶体取下，进行常规测试，测试数据与晶体标号一一对应；（6）马歇特锤机械冲击前后常规测试数据对比分析；（7）四点胶、八点胶马歇特锤试验结果对比分析。

2.3 试验数据对比分析

马歇特锤机械冲击后对各组石英晶体FL、RR、C0、C1主要电气性能指标变化值进行分析对比，见表1：

表1 对比分析

统计各组冲击后失效个数如表2所示。

表2 各组失效个事

实验后四点胶方案的产品共有六只不良，而八点胶技术方案加工的产品在马歇特锤锤击实验后性能均合格，没有不良产生，数据上直观地显示了八点胶技术方案在抗振性能上明显由于四点胶技术方案。

3.结论

通过马歇特锤对比实验，SMD石英晶体八点胶抗振效果显著，加强了石英晶体的抗振可靠性，对石英晶体在武器装备、信号基站等特殊领域的应用提供强有力的技术保证。