浙江嘉康電子股份有限公司 鄒康俊 倪鵬飛 杜 文

基于壓電陶瓷壓電效應(yīng)理論研究，壓電陶瓷振子選擇以Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2為主要配方料，通過1230～1240℃、保溫時間3h燒結(jié)而成，再經(jīng)過直流高壓極化使壓電陶瓷材料具備了壓電特性；組裝采用全陶瓷結(jié)構(gòu)的環(huán)氧膠水封裝工藝技術(shù)研制了一款小型SMD壓電陶瓷諧振器，結(jié)果得到了頻率精度高、幅頻特性好、溫度特性等的優(yōu)越技術(shù)參數(shù)，并對幅頻特性曲線和溫度特性曲線的結(jié)果進(jìn)行了分析。

近年來，隨著電子信息技術(shù)日益走向集成化、薄型化、智能化和微型化，以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的有源器件和集成電路迅速發(fā)展，而無源電子元件日益成為電子元器件技術(shù)的發(fā)展瓶頸，因此電子陶瓷材料及其制備加工技術(shù)越來越成為制約電子信息技術(shù)發(fā)展的重要核心技術(shù)之一。而壓電陶瓷諧振器作為頻率控制裝置，是決定通信設(shè)備性能的關(guān)鍵器件，壓電陶瓷在這方面具有明顯的優(yōu)越性。壓電器件正向多層化、片式化和小型化方向發(fā)展，文章選擇以Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2為主要成份的壓電陶瓷原材料，介電常數(shù)為700左右的瓷片，采用全陶瓷結(jié)構(gòu)的環(huán)氧封裝工藝技術(shù)對一款小型SMD壓電陶瓷諧振器進(jìn)行研制并分析。

圖1 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

1 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)的產(chǎn)生與應(yīng)用

壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是其特殊的內(nèi)在規(guī)律，壓電體可以是當(dāng)晶體如石英，也可以是多晶體如壓電陶瓷。各晶粒內(nèi)部電疇的自發(fā)極化方向作定向排列時才具有壓電性，而極化是指壓電陶瓷內(nèi)部的電疇取向在外直流電場的作用下，沿電場方向作定向排列的過程，壓電陶瓷只有在經(jīng)過極化處理后才能顯示出壓電效應(yīng)，具有壓電效應(yīng)的陶瓷叫壓電陶瓷。

當(dāng)對壓電陶瓷施加壓力（拉力）時，壓電陶瓷收縮（伸長）變形，瓷體兩端產(chǎn)生電荷如圖1(a)所示，這種由“壓”產(chǎn)生“電”的效應(yīng)叫正壓電效應(yīng)。

當(dāng)對壓電陶瓷施加與極化方向相同（相反）的電場時，極化強(qiáng)度增加（減少），壓電陶瓷沿極化方向伸長（收縮）如圖1(b)所示，這種由“電”產(chǎn)生“收縮”的效應(yīng)叫逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)：施加應(yīng)力T產(chǎn)生額外的電荷，D=d×T；d：壓電常數(shù)、庫侖/牛頓；

逆壓電效應(yīng)：施加電聲強(qiáng)度E，成比例的產(chǎn)生應(yīng)變S，S=d×E，T、S機(jī)械量，E、d電學(xué)量。

2 壓電陶瓷振子的諧振特性、等效電路

2.1 壓電振子的諧振特性

經(jīng)過直流高壓極化的壓電陶瓷就已具備了壓電特性，當(dāng)陶瓷振子接入交流電路中，由于交變電場的作用，陶瓷振子會產(chǎn)生機(jī)械振動，在機(jī)械振動過程中，兩個電極上會產(chǎn)生符號相反的電荷。當(dāng)外加電壓的某一頻率使壓電振子產(chǎn)生諧振時就發(fā)現(xiàn)此時輸出的電流最大如圖2所示，而振子阻抗最小，常以fm表示最小阻抗的頻率—諧振頻率，且連續(xù)改變交流電壓的頻率，（向增加的方向）振子有形變最小的一點，此時電流表上會出現(xiàn)最小讀數(shù)，這個現(xiàn)象叫做陶瓷振子的反諧振，也就是就，當(dāng)頻率繼續(xù)增大到某一值時，輸出電流最小，阻抗最大，常以fn表示最大阻抗的頻率—反諧振頻率。

壓電諧振器主要電性能參數(shù)：F0(震蕩頻率)、諧振阻抗（Zr）、反諧振阻抗（Za）。

圖2 壓電振子的諧振特性

2.2 壓電陶瓷的諧波特性

當(dāng)我們將信號頻率繼續(xù)由低到高緩慢改變時，可以發(fā)現(xiàn)通過壓電振子的電流I隨信號頻率的變化而變化，即有規(guī)律的出現(xiàn)一系列的電流次最大值和最小值，其相應(yīng)的頻率即有規(guī)律的出現(xiàn)一系列的fm2、fn2......等如圖3所示。

2.3 壓電振子的等效電路

陶瓷振子的諧振特性，即阻抗隨頻率變化的曲線與LC電路諧振特性類似，即二端網(wǎng)絡(luò)的三個元件（一個電感與一個電容串聯(lián)，再與一個電容并聯(lián)的電路如圖4所示的阻抗隨頻率的變化曲線類似，對于壓電振子來說，基頻是主要的，泛音頻率的響應(yīng)越來越弱，一般省略。同時為了表示實際的壓電振子是有損耗存在的，用一個等效電阻R1表示：在等效電路中，L1為動態(tài)電感，它與材料的機(jī)械損耗有關(guān)，R1為等效電阻，它與材料的機(jī)械損耗有關(guān)，C0為靜電容（或并聯(lián)電容），C1為動態(tài)電容。當(dāng)壓電振子機(jī)械損耗為零R1=0時（無機(jī)械損耗）。

圖3 壓電振子的諧波特性

圖4 壓電振子的等效電路

3 壓電諧振器的設(shè)計與制造工藝

3.1 壓電陶瓷材料的選擇與加工

衡量壓電陶瓷材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有哪些呢？根據(jù)材料的特性和各種使用要求，主要是介電性質(zhì)方面有；（介電常數(shù)ε、介電損耗因子tagδ），彈性性質(zhì)方面有；（彈性常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因子Qm），壓電性質(zhì)方面有；（壓電常數(shù)d、機(jī)電耦合系數(shù)k）等幾方面。彈性性質(zhì)方面有彈性模量Y、柏松比σ，此外還有頻率常數(shù)N、密度ρ以及諧振頻率的溫度系數(shù)TKf等。

壓電陶瓷材料的介電常數(shù)，隨不同配方和工藝條件的差別較大。例如；PZT材料的介電常數(shù)一般在200～2000之間，越大表明電介質(zhì)的極化程度越高。設(shè)計選擇介電常數(shù)為700左右，主要成份為Pb3O4、ZrO2、TiO2、MnO2的壓電陶瓷配方；陶瓷外殼的主要原材料有MgO、CaCO3、TiO2、La2O3等。

原材料配方是基礎(chǔ)，而燒結(jié)也是關(guān)鍵工藝。經(jīng)實踐試驗證明預(yù)燒工序的預(yù)燒溫度不合適時，原組成中有微過量的氧化鉛以及新生成的游離氧化鉛，在高溫下極易揮發(fā)，而使配方組成產(chǎn)生波動，質(zhì)量不穩(wěn)定，對后續(xù)的燒結(jié)會產(chǎn)生明顯的質(zhì)量波動。而燒結(jié)工序是特別重要的一道工序，燒結(jié)的質(zhì)量情況直接影響制品的性能。以壓電陶瓷振子材料為例，通過對比跟蹤試驗，在相同保溫3h的條件下，燒結(jié)溫度的變化對損耗的影響較明顯；燒結(jié)溫度在1230℃～1240℃之間，產(chǎn)品的機(jī)械性能和電性能最佳。試驗后得出在配方確定的情況下，原材料質(zhì)量的波動（含量、松裝密度等）直接影響制品的性能。壓電振子燒結(jié)溫度不同對抗折強(qiáng)度的影響試驗對比如表1所示。

表1 壓電振子燒結(jié)試驗對比

相同密度不同燒結(jié)溫度，抗折強(qiáng)度不同；而抗折強(qiáng)度小則瓷片強(qiáng)度不夠，會影響瓷片后道機(jī)械加工的合格率，造成增加生產(chǎn)成本和降低生產(chǎn)效率。

3.2 小型壓電陶瓷諧振器的設(shè)計

為了適用市場發(fā)展的需求，研制了3.2×1.3×1.0mm的外形尺寸如圖5所示，產(chǎn)品采用的是全陶瓷環(huán)氧膠水封裝的工藝，產(chǎn)品小型化后最大的困難在于產(chǎn)品內(nèi)部的壓電陶瓷振子的設(shè)計與加工，尺寸越小產(chǎn)品的幅頻特性相對會更差；另外一個難度就是如何將產(chǎn)品各組件進(jìn)行封裝，實際使用中對產(chǎn)品的密封性要求很高，不但要滿足壓電陶瓷振子工作時需要的振動空間，還要考慮壓電振子的電性能可靠引出后的參數(shù)符合要求，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，結(jié)構(gòu)圖中的各組件及主要成份如表2所示。

圖5 壓電諧振器外形尺寸圖

圖6 壓電諧振器結(jié)構(gòu)圖

表2 結(jié)構(gòu)圖中的各組件及主要成份

由于產(chǎn)品尺寸小，組裝加工精度要求高，所以必須要求各組裝件的外形尺寸以及電極加工精度極高，尤其是陶瓷蓋板的空腔加工，空腔形成方式有很多種，有瓷片成型前利用磨具干壓，此種工藝在小尺寸腔體難度較大，成燒過程中的收縮一致性很難控制；有拼接而成腔體，此種工藝最大的缺點是空腔的密封性恨難得到保證；另外一種，也就是本文產(chǎn)品設(shè)計中所采用的工藝，利用噴砂工藝成腔，此工藝最大的優(yōu)點是密封性好、加工一致性精度高，產(chǎn)品的蓋板空腔尺寸設(shè)計為：長×寬×深（2.9×0.8×0.3mm）。

3.2.1 壓電陶瓷振子的設(shè)計與加工

壓電陶瓷的振動模式有多種，而本文產(chǎn)品所設(shè)計的是細(xì)長條剪切型陶瓷振子如圖7所示。

圖7 陶瓷振子外形設(shè)計圖

根據(jù)材料特性以及圖形的設(shè)計，該設(shè)計采用的是基頻，基頻的幅頻特性最優(yōu)；輸出的是中心頻率為8M的產(chǎn)品，當(dāng)材料固定后，產(chǎn)品的頻率主要取決于瓷片的厚度以及電極的設(shè)計。產(chǎn)品小型化后頻率越低越難實現(xiàn)，試驗后得出頻率越低后成品的輸出波形變差，成品的諧振阻抗、反諧振阻抗變差，直接會導(dǎo)致無法正常起振；產(chǎn)品小型化后也不會越高越好實現(xiàn)，頻率高后容易跳三次諧波和五次諧波，所以需要優(yōu)化材料的性能和壓電振子的特殊設(shè)計、加工。成品的幅頻特性曲線主要取決于陶瓷振子，而作為核心組件的陶瓷壓電振子加工工藝是一個極其復(fù)雜的過程，主要的生產(chǎn)流程：瓷片選用—→粗磨—→清洗—→細(xì)磨—→端磨—→超聲波清洗—→厚度分類—→濺射電極—→極化、老化—→Δf調(diào)整、分選—→腐蝕—→切割片—→濺射電極—→頻率分類—→頻率調(diào)整—→頻率分選—→切割只—→振子分選—→入庫。

3.2.2 陶瓷基板與蓋板的設(shè)計與加工

陶瓷蓋板、基板的加工想比于陶瓷振子要簡單一些，主要考慮的是要選擇與陶瓷振子相匹配的材料和加工精度的控制，主要生產(chǎn)流程：配料—→混料—→預(yù)燒—→粉碎—→成型塊—→拌粉—→排膠—→成燒—→剝片分選—→瓷片性能檢測—→粗磨—→清洗—→端磨—→濺射、被銀、燒銀—→待組裝。

3.2.3 產(chǎn)品的封裝與工藝

產(chǎn)品組裝工藝是采用大片組裝方式，將若干只壓電陶瓷振子用導(dǎo)電銀膠連接按所需的矩陣的安裝于陶瓷基板的臺階上；再將陶瓷帶腔蓋板、裝有壓電陶瓷振子的陶瓷基板板及最底層陶瓷陶瓷基板通過環(huán)氧膠水加壓后固化組裝而成，然后再直接切割成單只，產(chǎn)品側(cè)面再做好引出電極，最后外電極進(jìn)行電鍍處理。此工藝優(yōu)點是加工精度高、生產(chǎn)效率高、成本低等特點。主要生產(chǎn)流程：組裝—→固化—→切割—→側(cè)電極處理—→電鍍—→電性能分選—→標(biāo)志—→外觀分選—→編帶、包裝。

4 小型諧振器的研制結(jié)果與分析

成品電性能參數(shù)的優(yōu)良程度，主要取決于壓電陶瓷振子本身的電性能，陶瓷振子從選材、電極的設(shè)計以及尺寸精度的保證，才能得到很好的電性能參數(shù)；當(dāng)然陶瓷外殼也很關(guān)鍵，尤其是帶有內(nèi)置的電容基板，搭配介電常數(shù)小、介質(zhì)損耗低的材料成品的幅頻特性越好，組裝的精度要求也是極高的，尤其是使用導(dǎo)電銀膠連接工藝，要求包裹的面積不易過大，過大之后會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的幅頻特性曲線，過小則會造成連接可靠性不良，經(jīng)反復(fù)的試驗驗證，包裹振子的距離控制在0.3mm左右為最佳；為此方方面面需要控制和精密設(shè)計，通過大量的試驗調(diào)整，最后才能制造出性能優(yōu)越的諧振器，經(jīng)測試成品可輸出的幅頻特性曲線及數(shù)據(jù)如圖8所示。

陶瓷諧振器的輸出頻率和IC有關(guān)，同一個產(chǎn)品在不同的IC上所輸出的頻率是不一樣的，因此新的線路設(shè)計之初，需要與產(chǎn)品進(jìn)行匹配測試，選擇最優(yōu)的產(chǎn)品規(guī)格，陶瓷諧振器的標(biāo)準(zhǔn)頻率測試線路如圖9所示。

圖8 幅頻特性曲線

圖9 標(biāo)準(zhǔn)測試線路

產(chǎn)品溫度特性的變化，也是實際應(yīng)用過程中線路上非常重要的參數(shù)，實際應(yīng)用線路的不一樣，要求產(chǎn)品隨工作溫度變化而需要產(chǎn)品電性能參數(shù)相對穩(wěn)定，溫度特性的優(yōu)良，主要取決于壓電陶瓷振子以及陶瓷外殼的合理搭配，每一種材料配方的變化均會導(dǎo)致成品特性發(fā)生變化，本設(shè)計產(chǎn)品的頻率測試變化值和溫度特性曲線如圖10所示。

溫度特性變化（TC）：F0±0.2%（-40～+85℃），能夠滿足市場上各種線路的使用要求，而常規(guī)壓電陶瓷諧振器使用的溫度為：（-25～+85℃），汽車電子或一些特定使用環(huán)境則要求使用溫度為：（-40～+125℃）；溫度特性的變化率主要取決于陶瓷振子的設(shè)計，而且要求蓋、底板等外殼材料的溫度特性與之相近，所選擇的每一種組件都是關(guān)鍵，才能得到比較好的溫度特性曲線。在攻克了設(shè)計以及工藝上的一些技術(shù)難點，反復(fù)試驗調(diào)整方案，最后成功研制出了小型SMD壓電陶瓷諧振（3.2×1.3×1.0mm），并得到了優(yōu)越的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 小型SMD壓電陶瓷諧振器技術(shù)參數(shù)

圖10 溫度特性變化曲線圖

結(jié)束語：通過了對壓電陶瓷壓電特性的研究，基于壓電陶瓷工作原理研制了微小型細(xì)長條型壓電陶瓷振子（2.4×0.35×0.15mm）；采用壓電陶瓷的基頻，基頻相對于三次諧波和五次諧波幅頻特性曲線更優(yōu)，主要體現(xiàn)在諧振阻抗（Zr）和反諧振阻抗(Za)。組裝工藝采用全陶瓷環(huán)氧膠水封裝技術(shù)，在狹小的空腔內(nèi)完成壓電陶瓷振子的可靠連接并有效的引出，成功研制出了小型化片式壓電陶瓷諧振器（3.2×1.3×1.0mm），得到了優(yōu)越的電技術(shù)參數(shù)。頻率精度±0.5%，諧振阻抗（Zr）小于20Ω和反諧振阻抗(Za)大于20KΩ，同時成品溫度特性可以滿足（F0±0.2%，-40～+85℃）。還具有頻率穩(wěn)定性好，精度高及適用頻率范圍寬，而且體積小、不吸潮、壽命長，壓電陶瓷諧振器還具有起振反應(yīng)快、阻抗小等優(yōu)勢，在特定場合無法取代，并使其一直保有強(qiáng)而有力的價值。壓電陶瓷諧振器配合著IC使用，作為頻率裝置中的核心元件已廣泛應(yīng)用在通訊設(shè)備、家用電器、汽車電子、安全安防以及智能控制等方面。