Высокочастотные пьезоэлектрические резонаторы на объемных акустических волнах являются базовыми комплектующими элементами для создания новых видов радиоэлектронных систем и аппаратуры. Наибольшее применение они находят в современных видах сотовой телефонии, аппаратуре связи, навигации, высокоскоростных средствах вычислительной техники, микропроцессорных устройствах, системах кабельного телевидения. Известно, что прямая генерация высоких частот без использования умножителей [70] позволяет повысить надежность аппаратуры, упростить схему генератора, улучшить габаритовесовые показатели аппаратуры, снизить потребляемую мощность, снизить фазовый шум и т. д.
Поэтому при проектировании аппаратуры СВЧ-диапазона большинство разработчиков радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) предпочитают для стабилизации и селекции частоты использовать пьезоэлектрические резонаторы на объемных акустических волнах (ОАВ) с I применением вибраторов, возбуждаемых на основной частоте.
Такие резонаторы обладают рядом преимуществ, особенно ценных для использования в управляемых по частоте генераторах, широкополосных I фильтрах, генераторах ударного возбуждения, высокостабильных термокомпенсированных генераторах и т. д.
Преимущества СВЧ-резонаторов, возбуждаемых на основной частоте:
— малое динамическое сопротивление (в 5-КО раз меньше, чем на гармониках);
— в десятки раз меньшее значение динамической индуктивностивозможности реализации более высокой температурной стабильности частоты генераторов (ТКГ и ГУН) — величина достижимой перестройки частоты обратно-пропорциональна квадрату номера гармоники.
По сравнению с резонаторами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) резонаторы на ОАВ обладают значительно более высокой температурной и временной стабильностью частоты и в десятки раз более высоким значением добротности, более высокой механической устойчивостью (вибрации и акустический шум).
Повышение частоты резонатора на основной моде сдвиговых колебаний с пьезоэлементами АТ и ЭС срезов связано с уменьшением толщины кристаллического элемента. Обычные кварцевые резонаторы АТ-среза подавляющим большинством зарубежных и отечественных фирм выпускаются с предельной основной частотой 25 МГц. И лишь небольшое число фирм обладает технологией формированш^ тонкой меза-структурной конструкции кристаллических элементов [8].
Конструирование сверх высокочастотных (СВЧ) резонаторов с высокой основной частотой требует тщательной отработки всего технологического процесса изготовления резонатора. Чем миниатюрнее и тоньше изготовлен кристаллический элемент, тем выше частота. Но изготовление миниатюрного и тонкого кристаллического элемента повышает возможность его поломки на различных операциях.
Опыт отечественных и зарубежных исследований подтверждает необходимость прецизионной отработки оснастки и процессов всего технологического цикла.
Во вновь разрабатываемых современных и перспективных типах радиоэлектронной аппаратуры (особенно для устройств связи) наблюдается регулярный рост потребления резонаторов на частоты 10−300 МГц с возбуждением на основной частоте и гармониках [2]. При этом выдвигаются требования миниатюризации таких резонаторов: габаритные размеры должны сокращаться многократно по сравнению с выпускаемыми в настоящее время, а требования к электрическим параметрам и точностным.
— бихарактеристикам: становятся более жесткими- [31, 32]. Организацияисследованийразработок и производства. таких изделий требует высокой квалификации исполнителей и перевооруженияпроизводства1 с учетом современных достижений микро и нанотехнологий.
Целью работы является создание новых конструкций и технологий изготовления высокочастотных миниатюрных кварцевых пьезоэлектрических резонаторов для современных и перспективных приборов, оборудования и устройств связи, радиотехники, измерительных комплексов и многих других: видов техники.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
— технологическое и экономическое обоснование применения новых конструкционных и технологических материалов и веществ—.
— исследование и обоснование требований к пьезоэлектрическим материалам;
— исследование способов повышения эффективности — использования формообразованиякристаллических" элементов, включая" новые типы связанного алмазно-абразивного инструмента;
— исследование влияния на выходные параметры резонаторов 1 различного типа используемых в производстве различных типов травителей для прецизионного формообразования кристаллических элементов—.
— оптимизация конструкций кристаллических элементов в микроминиатюрном исполнении;
— адаптация' современных достижений' наноэлектроники в различных процессах формообразования электродных покрытий, прецизионной настройки номинальной частоты резонаторов.
Научная новизна работы состоит в том, что создан новый технологический процесс производства* кварцевых резонаторов для высокостабильных и прецизионных пьезоэлектрических генераторов и фильтров в миниатюрном исполнении, позволивший расширить частотный диапазон резонаторов до 350МГц. I.
Разработанный новый технологический процесс изготовления и новые конструкции миниатюрных высокочастотных кварцевых резонаторов, обеспечивают их высокую стабильность частоты и малые габаритные размеры, позволяющие существенно уменьшить размеры пьезоэлектрических генераторов, повысить их устойчивость к внешним воздействиям (к вибро и ударопрочности), а также время выхода на рабочий режим аппаратуры, где они применены, за счет существенного уменьшения габаритов и массы пьезоэлемента. •.
Обоснован выбор оптимальной последовательности технологических операций и регламент их выполнения, что позволило повысить качество выпускаемых резонаторов, расширить их частотный диапазон и повысить процент выхода годной продукции.
Установлена взаимосвязь между основными параметрами кварцевого сырья и параметрами резонатора ВЧ и СВЧ диапазона.
Разработана прецизионная оснастка, обеспечивающая формирование защитных и электродных покрытий пьезоэлелементов.
Практическая значимость. Исследования по теме диссертации связаны с решением практических задач, остро стоящих в ряде областей промышленности и техники. Практическая ценность данной работы подтверждена актами внедрения результатов работы на отечественных предприятиях.
Исследования, проведенные в рамках диссертации, позволили разработать новую технологию изготовления миниатюрных кварцевых пьезоэлектрических резонаторов, работающих в широком частотном диапазоне.
Разрабатываемые резонаторы отвечают перспективным требованиям современных отечественных и международных стандартов и создают возможность проектирования новейших видов радиоэлектронной аппаратуры.
Реализация и внедрение результатов. Разработанные технологические процессы нашли практическое применение и внедрены в ряде компаний, в том числе ОАО «ПЬЕЗО» (г. Москва), ООО «ПЬЕЗОТРОН» (г. Москва), ЗАО «Завод Метеорит-Н» (г. Москва), ЗАО «БМГ-Кварц» (г. Москва), ООО «Селекция» (г. Москва).
Освоенные резонаторы используются более чем на 250 предприятиях.
Росси.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Пьезо-2008» (Москва — 2008) и «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис — 2008), на заседаниях НТС кластера «Группа предприятий «Пьезо» (г.Москва), а также на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики.
Результаты диссертационной работы демонстрировались на выставках:
Московская промышленная выставка 2007,.
Архимед -2006,.
СЫрЕХРО-2007,.
Архимед -2007,.
Москвагород науки 2007.
И были отмечены почетными дипломами, серебряной и золотой медалями выставок.
На защиту выносится следующие положения:
— технологический процесс формообразования кристаллических элементов;
— 9- процессы прецизионного нанесения с нанометрической точностью электродных покрытий на кристаллические элементы;
— оптимизированные процессы настройки номинальной частоты СВЧ резонаторов (±5−10″ 6) — новые конструкции пьезоэлемента и миниатюрных высокочастотных кварцевых резонаторов на их основе, обеспечивающие высокую стабильность частоты и малые габаритные размеры;
— выбор оптимальной последовательности технологических операций и регламент их выполнения, позволившие повысить качество выпускаемых резонаторов, расширить их частотный диапазон и повысить процент выхода годной продукции, что обеспечило снижение себестоимости и увеличение конкурентоспособности разработанных изделий.
Выводы.
Изготовленные резонаторы полностью удовлетворяю всем предъявляемым к ним требованиям, что позволяет сделать вывод о правильности разработанной конструкции резонаторов и технологии их производства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Выполненная работа, направлена на создание нового поколения пьезоэлектрических резонаторов в миниатюрном исполнении для фильтров и микрогенераторов различных типов: термостатированных, термокомпенсированных, тактовых, высокопрецезионных термостабилизированных, управляемых напряжением и др. Объем разрабатываемых резонаторов должен был находиться в пределах 0,7 — 0,02 см, а электрические параметры и стабильность частоты должны соответствовать или превышать достигнутый ранее уровень. Выполнение этойработы обеспечило импортозамещение значительной номенклатуры пьезорезонаторов и (что особенно важно) оперативное обеспечение потребителей высококачественными изделиями с высокими параметрами и эксплуатационными характеристиками, соответствующими требованиям современных международных и-отечественных стандартов, в т. ч. на изделия для спецтехники. Применение в высокочастотных микроминиатюрных резонаторах кристаллических элементов в форме обратной мезаструктуры позволило увеличить диапазон использования? резонаторов основной частоты до 350 МГц, что обеспечило возможность уменьшения коэффициента умножения частоты в аппаратуре заказчика, улучшение фазовых характеристик, сокращение переключения частот (по сравнению с приборами на основе ФАПЧ).
Проведенные исследования, модернизация" оборудования и. оснащение производства измерительными комплексами позволили осуществить ограниченные поставки микроминиатюрных резонаторов с пьезоэлементами двухповоротных срезов типа АТ и БС для прецизионных генераторов с высокой механической устойчивостью.
Идентичность температурно-частотных характеристик, их регулярность («гладкость») являются: необходимыми условиями, особенно при использовании микрорезонаторов в схемах микрогенераторов с термокомпенсацией частоты. В этом случае необходимо обеспечить изготовление резонаторов из монокристалла кварца с минимальными концентрациями примесей, дислокаций, микродвойников и других дефектов. При этом необходимо точное (не хуже ±30″) исполнение заданного в документации угла среза кристаллического элемента и эксплуатация таких резонаторов при пониженных уровнях возбуждения (мощности, подаваемой на кварцевый резонатор), чтобы исключить искажение температурно-частотной характеристики. Стабильность термостатированного генератора, в котором используются микрорезонаторы, зависит также от скорости изменения температуры термостата: высокая скорость изменения температуры приводит к снижению стабильности частоты.
В ходе выполнения работы были проведенны на предприятии «Пьезо» мероприятия по повышению точности и надежности технологического оборудования на различных операциях, а также повышение требований к технологической среде и материалам позволили создать ограниченное производство микроминиатюрных высокочастотных резонаторов, обеспечившее импортозамещение большей части потребляемых резонаторов и создание конструкций, не имеющих зарубежных аналогов.
С целью обеспечения идентичности параметров и характеристик резонаторов на предприятии «Пьезо» при входном контроле качества поступивших монокристаллов производится 100% оценка их добротности одним из 2х методов: по геометрическим размерам (соотношениям скоростей роста в направлениях осей 2и1) и инфракрасного поглощения.
Кроме того, проводится визуальная оценка плотностей инородных включений и дислокаций. С этой целью участок входного контроля оснащен соответствующими современными средствами оптических и линейных измерений.
Оценка качества монокристаллов, используемых при изготовлении резонаторов, производится на соответствие требованиям международного стандарта 1ЕС 758. В производство допускались монокристаллы кварца, добротность 01 г которых не менее 2,3−106.
Наряду с точностью кристаллографической ориентации, совершенством структуры, отсутствием дефектов и примесей важную роль в обеспечении высоких параметров резонаторов играет совершенство финишной обработки поверхности кристаллического элемента, обеспечение микронных и субмикронных допусков на частотоопределяющий размер (толщину) — клиновидность пластин не должна превышать ±0,5% толщины, неплоскостность — не более 1 мкм, прогиб пластины не более 1,5 мкм, шероховатость рабочих поверхностей (высота микронеровностей) не хуже Кг<0,1 мкм, адсорбированные поверхности не более одного монослоя. Наряду с перечисленными требованиями к поверхности кристаллического элемента необходимо обеспечить его плоскостность и параллельность, а так же точность ориентации, которые влияют на изменение частоты, динамического сопротивления и добротности в рабочем интервале температур. Остаточные напряжения и деформации кристалла вызывают временную нестабильность частоты и параметров резонаторов, повышают динамическое сопротивление, снижают качество резонатора.
Существенное повышение стабильности частоты резонаторов было достигнуто за счет постоянного анализа технологии завода «Пьезо», глубины нарушенных слоев в процессах резки, шлифовки и полировки кристаллических элементов. Были разработаны технологические процессы (режимы тепловой обработки) и рекомендованы в производство абразивные материалы и химические вещества (растворы), обеспечивающие существенное сокращение глубины нарушенных слоев и зон с повышенной плотностью дислокаций и напряжений.
Большое влияние на стабильность частоты, основные параметры и характеристики резонаторов (особенно высокочастотных) оказывают материалы и технологические режимы нанесения электродных покрытий на пьезоэлемент. Среди них основное требование — стабильность и.
— 123 воспроизводимость свойств наносимых металлических^ пленок. Эти требования? в значительною мере определяются— коррозионной' стойкостью^ и адгезией пленки с кварцевымкристаллическимэлементом. ВЬ наибольшею мере этим требованиям отвечают пленки меди, золота серебра и алюминия. Последний применяется на частотах «выше 100 МГц и позволяют существенно уменьшить припуск под металлизацию с сохранением высокой проводимости электродного покрытия, что обеспечивает получение высокой добротности О резонаторов, малого динамического сопротивленияи улучшает токовые характеристики. При строгом соблюдении: технологий металлизацию кристаллического элемента, исключающих внутреннюю коррозию^ пленки, толщина-, покрытия, в 800 А обеспечивает необходимую объемную проводимость. Возникающие: на поверхностях электродного покрытия тонкие пленки ALO3 имеют в 3−5 разболее высокую скорость травления чем пленки А! (20−50 А°/тт), что упрощает процесс настройки при правильном использованию этого эффекта. Высокая скорость напылениям и стабильность электродного покрытия достигается? применением магнетронного распыления мишениизготовленной из химическючистого Al. На частотах ниже. 100 МГц обычно используются в качестве электродного покрытия пленки из химически чистого серебра Ag, получаемого магнетронным расиылением мишени.
Для?: формированияэлектродных покрытий,> точной настройки частоты, сборки и монтажа пьезоэлементов в кварце держатель, и герметизации корпуса на • заводе- «Пьезо» было модернизировано оборудованиеи помещенияЭто позволило обеспечить повышение долговременной8 стабильности частоты миниатюрныхкварцевых резонаторов. Был установлен категорический запрёт на повторное напыление электродов. Строгий контроль за. соблюдением производственной гигиены, особенно на финишных участках производства резонаторов, позволил существенно повысить стабильность частоты пьезоэлектрических резонаторов в стандартных миниатюрных корпусах.
— 124 В процессе исследований получены следующие основные результаты:
1. Проведен анализ современного состояния и перспективы развития рынка высокопрочных и высоконадежных кварцевых резонаторов в миниатюрном корпусе, проведено технологическое и экономическое обоснование применения новых конструкционных и технологических материалов и веществ.
2. Определены требования к пьезоэлектрическому кварцу для производства высоко стабильных миниатюрных резонаторов СВЧ и ВЧ диапазона. Добротность кварца должна быть не менее 2,5−106. 3,8−106 в зависимости от требований к резонатору.
3. Показана эффективность использования алмазно-абразивного инструмента, включая новые типы связанного алмазно-абразивного инструмента, обеспечивающего наряду с повышением производительности уменьшение шероховатости поверхности и глубины нарушенного слоя в 3−5 раз.
4. Исследовано влияние различных травителей на операции прецизионного формообразования кристаллических элементов на выходные параметры резонаторов. В качестве основного травителя был выбран 40% раствор плавиковой кислоты с изменением температурного режима, выбираемого от необходимой скорости травления и добавлением полирующих добавок.
5. Оптимизированы конструкции кристаллических элементов в микроминиатюрном исполнении в части формирования мезаструктыры и адаптации конструкции к предложенной технологии. Установлено, что для частот до 100 МГц электроды предпочтительно формировать из серебра с подслоем хрома, а для частот выше 100 МГц из алюминия. При формировании мезаструктуры предпочтительно использование ионно-химического травления.
6. Адаптированы современные достижения наноэлектроники в различных процессах. формообразования электродных покрытий, прецизионной настройки номинальной частоты резонаторов. Разработаны и изготовлены прецизионные маски для формирования электродных покрытий и защитных масок.
