中低频石英水晶片的外型加工探讨

高志祥　李坡　陆萍

1、引言

随着微电子学的發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（3.5）*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SMD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，在实际生产中不能一味的加快速度而施加过多地钢珠，必须要考虑钢珠的加入量对水晶片的破损率的影响，在实际操作中，由于水晶片外型修整速度的大大加快，要增加对水晶片外型监控的频次。

（作者单位：南京中电熊猫晶体科技有限公司）