基于Q-MEMS制造技术的KHz晶振.pdf
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1、第2 0 期(总第551期)基于 Q-MEMS 制造技术的KHz 晶振新潮电子工程技术徐建民(唐山国芯晶源电子有限公司,河北唐山0 6 410 0)摘要:为了满足射频通信系统对高精度、小型化时钟信号的需求,采用微机电系统技术,结合光刻技术、微纳米加工技术和圆片级封装技术等方法,实现对晶振元件的微型化和高精度化加工。结果表明,KHz晶振已取得良好成效,可以广泛应用于射频通信、医疗设备、航空航天等领域。基于Q-MEMS制造技术的KHz晶振是一种具有重要应用前景的技术,未来将更加注重其高稳定性、小型化、多功能化、高可靠性和创新性等特点。该技术的不断发展和优化将进一步推动射频通信系统的发展和智能化应用
2、的实现。关键词:Q-MEMS;制造技术;KHz晶振在5G高速发展的背景下,5G技术将会给移动通信带来新的机遇和挑战。KHz晶振结构形态是音叉型,晶片加工工艺壁垒较高,准人门槛较高 1-3。随着5G技术的不断发展以及电子设备轻薄化趋势的加速,对小型化晶振的需求日益增长,市场上也出现了严重的供需缺口。随着晶振尺寸的不断缩小,传统的研磨抛光工艺的良率急剧下降,尤其是在超高频MHz和高端KHz领域,需要采用MEMS光刻工艺,这也为后期的生产难度带来了进一步的提升。一、Q-MEMS制造技术概述MEMS是一种高科技器件或系统,全称为MicroElectromechanical System(微机电系统),
3、也被称为微电子机械系统。它的内部结构通常在微米甚至纳米量级,因此被认为是一个独立的智能系统。MEMS微机电系统由机械部件、传感器、制动器和电子电路组成,这些部件被集成在硅衬底或玻璃衬底上,并通过微细加工技术制造而成。Q-MEMS铸造工艺,是将有稳定性和精密的优越性能的石英材料和MEMS技术相结合的铸造工艺,有很大的实用性。与以矽为材质的MEMS相对应,以石英脉为原料可以实现精微制造(光刻)并能够生产更小型化、高性能的晶体元器件,并拥有更高的稳定性和可靠性。Q-MEMS制造工艺也被广泛应用于频率控制器、振荡器、滤波器等领域,在电信、无线通信、航空航天等行业有着广泛的应用前景。同时,Q-MEMS制
4、造技术还可以应用于生物医疗领域,如微流控芯片等。尽管Q-MEMS制造技术相比以硅为材料的MEMS制造技术具有更高的成本,但其在特定领域内的应用前景仍然非常广阔。采用Q-MEMS工艺制造的晶振元器件具有非常高的制造精度,可以在保证小型化的同时减少各个元器件的性能偏差,使产品保持高度的一致性和稳定性。由此可知,Q-MEMS就是通过光刻技术在实现石英晶振高性能前提下的超小型化。随着石英晶振的小型化,加工精度低、生产效率低成为小型化加工的难题。Epson以晶片为单位进行光刻,提高了加工的精度,实现了具有均一特性的超小型石英晶片,同时大幅度提高生产效率的想法也变成了现实 5。二、基于Q-MEMS制造技术
5、晶振优势Q-MEMS通过MEMS的光刻技术,完成了小型化的蚀刻型晶体与振荡器,而传统机械加工方法是把石英切成片,并对每一块进行倒角,所以每块石英型芯的外形都不一样(图1)。与之比较,利用MEMS技术实现光刻技术,主要是一个高度精细的晶圆铸造工艺技术,可以达到对外形不均等的极度精确控制,并将其限制在较小的范畴之内。除了光刻技术,Q-MEMS技术还采用了其他MEMS制造技术来实现小型化的蚀刻型晶体与振荡器。其中,最为重要的是微纳米加工技术和圆片级封装技术。微纳米加工技术主要包括化学腐蚀、物理蚀刻、电子束曝光等方法。通过这些方法,可以对石英晶体进行微型化加工,从而实现晶振元件的小型化和高精度化。同时
6、,利用微纳米加工技术,还可以在石英晶体表面形成各种微型结构和图案,以实现不同频率、不同工作模式等多种应用需求。圆片级封装技术则是将制造好的晶振元件进行封装的关键步骤之一。通过先进的微型化封装工艺,可以将晶振元件的体积进一步缩小,同时保证了元件的可靠性和稳定性。具体而言,圆片级封装技术主要包括微型化封装胶的涂覆、焊接、切割等工艺,可以将晶振元件的体积缩小到数毫米以下,同时保证了元件的可靠性和稳定性。118工程技术新潮电子第2 0 期(总第551期)机械加工(从前的工艺)石英晶片切割(机械加工)石英片,研剂【斜面(球面)加工】滚动滚筒,由研磨剂和壁面之间的摩擦来进行石英片的加工基片加工结束图1Q-
7、MEMS工艺与机械加工工艺对比Q-MEMS技术采用了多种MEMS制造技术,包括光刻技术、微纳米加工技术和圆片级封装技术等,来实现小型化的蚀刻型晶体与振荡器。这些技术的应用可以极大地提高晶振元件的精度、可靠性和稳定性,同时适应了射频系统对晶振小型化和高精度化的需求。综上,基于Q-MEMS的晶振技术优势可以概括为:(1)可以实现高度集成化,将多个功能模块集成在一个芯片上,减小电路板面积,提升系统性能与可靠性;(2)更优越的温度频率特性;(3)一致性更好;(4)无跳频问题;(5)更高的基频;(6)10 0%光学检查。三、基于Q-MEMS制造技术的KHz晶振应用随着石英晶振元件尺寸的进一步缩小以及SM
8、D技术的广泛应用,台晶公司及国内外众多石英晶振元件公司将MEMS技术中常用的多物理场有限元仿真方法应用于石英晶振元件的设计,降低由于尺寸降低引起的寄生模态。多物理场有限元仿真方法是一种基于有限元分析理论和计算机仿真技术的方法,通过对石英晶振元件的多个物理场进行建模和分析,实现对其性能和特性的预测和优化。其中,常用的物理场包括结构力学、电磁学、热学等。下面是一些常用的公式,用于描述石英晶振元件的多物理场特性,结构力学方程:auo+f=Pat2其中,表示应力张量,f表示外力密度,p表示密度,u表示位移向量。电磁学方程:BE=tD=Pe其中,E表示电场强度,B表示磁感应强度,D表示119光刻石英晶片
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