基于Q-MEMS制造技术的KHz晶振.pdf

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），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，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-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SMD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光刻石英晶片保护膜、感光膜的形成（胶膜）喝光、星影（图型复制）使用蚀刻工艺进行形状加工基片加工结(1)(2)(3)电位移矢量，P.表示自由电荷密度。目前，全球仅有四家企业拥有核心光刻工艺规模量产的能力。这些企业分别是日本的爱普生、NDK、KDS以及中国大陆的泰晶科技。泰晶科技是唯一一家在中国大陆拥有可规模化供应光刻KHz产品的晶振厂商。在半导体光刻工艺的微型晶体谐振器方面，泰晶科技不仅引进了先进的生产配套设备，还自主研发了激光调频机、自动涂胶机、自动周波测试机、Wafer测试机、Wafer折取机等设备。这些生产设备具备明显的技术优势，产品性能稳定，质量可靠。因此，泰晶科技在该领域处于领先地位。泰晶科技在基于半导体光刻工艺的微型晶体谐振器方面具备以下技术优势：第一，自主研发能力。泰晶科技不仅引进了先进的生产配套设备，还具备自主研发能力，可以针对客户需求进行定制化设计和生产。第二，具备规模化供应能力。作为中国大陆唯一可规模化供应光刻KHz产品的晶振厂商，泰晶科技具备大规模生产和供应能力，可以满足客户的大量采购需求。第三，产品性能稳定。泰晶科技生产的微型晶体谐振器具有稳定的性能和优良的性价比，可以满足客户对高精度和高稳定性的要求。第四，质量可靠。泰晶科技严格按照ISO9001质量管理体系的要求进行生产和管理，产品质量可靠，可以满足客户的品质需求。泰晶科技在基于半导体光刻工艺的微型晶体谐振器方面具备自主研发能力、规模化供应能力、技术设备先进、产品性能稳定和质量可靠等优势，可以满足客户的不同需求，并在市场上保持竞争优势。基于Q-MEMS制造技术的KHZ晶振应用如表1所示。表1基于Q-MEMS制造技术的KHZ晶振应用序号应用领域1移动通信2消费电子SiT15xx系列3工业自动化IQXT-350系列4航空航天5医疗设备上述KHZ晶振产品均采用基于Q-MEMS制造技术，具有高频稳定性、低相位噪声、小型化封装、低功耗、抗震性好、抗辐射性强、高可靠性等特点。这些产品广泛应用于移动通信、消费电子、工业自动化、航空产品型号TXC7A系列高频稳定性，低相位噪声，小型化封装高度集成化，低功耗，抗震性好高频稳定性，抗震动性强，长寿命抗辐射性强，高可靠QMEMS系列性，适应恶劣环境高灵敏度，高精度，可QMEMS系列靠性高主要特点第2 0 期（总第551期）航天、医疗设备等领域，为这些领域的应用设备提供了高精度、高稳定性的时钟信号，保证了设备的正常运行和性能表现。其中，TXC7A系列晶振主要应用于移动通信领域，具有高频稳定性、低相位噪声、小型化封装等特点，可以满足移动通信设备对时钟信号的高要求；SiT15xx系列晶振主要应用于消费电子领域，具有高度集成化、低功耗、抗震性好等特点，可以满足消费电子设备对时钟信号的低功耗和小型化要求；IQXT-350系列晶振主要应用于工业自动化领域，具有高频稳定性、抗震动性强、长寿命等特点，可以满足工业自动化设备对时钟信号的高可靠性和长寿命要求；QMEMS系列晶振主要应用于航空航天和医疗设备领域，具有抗辐射性强、高可靠性、高灵敏度、高精度等特点，可以满足航空航天和医疗设备对时钟信号的高要求。TXC公司采用MEMS微纳米加工技术对石英晶振元件进行加工处理，以减小元件体积。此外，该公司还在MEMS技术的圆片级封装方面进行了大量研究和探索，并取得了大量相关专利，以进一步缩小元件的体积。值得一提的是，美国HRL实验室在美国军方DARPA项目的支持下，致力于发展MEMS技术与石英晶振的完美结合，并开发了MEMS圆片级封装技术，以提高石英晶振元件的集成度和性能。这一技术的成功应用，为石英晶振元件的未来发展带来了新的可能性。四、基于Q-MEMS技术KHz晶振发展趋势(一）高精度和高稳定性随着科技的不断进步和市场需求的不断增加，未来基于Q-MEMS技术的KHz晶振将更加注重其高稳定性和高精度性能，以满足客户对时钟信号的高要求。目前，基于Q-MEMS技术的KHz晶振在相位噪声、温度漂移、长期稳定性等方面已经取得了很好的表现，未来还需要不断提升其精度和稳定性，以满足更加严格的应用需求。（二）小型化和集成化随着电子产品的不断小型化和集成化，未来基于Q-MEMS技术的KHz晶振将更加注重其小型化和集成化特点，以适应电子产品对尺寸和功耗的要求。近年来，基于Q-MEMS技术的KHz晶振已经实现了微型化和集成化，未来还需要不断优化其设计和制造工艺，以进一步缩小其体积和功耗。新潮电子(三)多功能化未来基于Q-MEMS技术的KHz晶振将会向多功能化方向发展，包括同时提供多个频率、多种工作模式等，以满足不同应用领域和客户的需求。例如，可以开发出具有可编程输出频率和相位的晶振元件，或者将晶振与其他传感器等元件进行集成，从而实现更加复杂的功能。（四）高可靠性和长寿命随着KHz晶振在航空航天、医疗设备等领域的应用不断增加，未来基于Q-MEMS技术的KHz晶振将更加注重其高可靠性和长寿命特点，以保证设备的正常运行和性能表现。例如，可以通过采用高质量的材料、优化设计和制造工艺等方法，来提高晶振元件的可靠性和寿命。(五)创新性未来基于Q-MEMS技术的KHz晶振将注重创新性，不断推出新型产品和应用方案，以满足市场需求和客户需求。例如，可以研发出具有更高精度、更小体积、更低功耗等特点的晶振元件，或者将其应用于新兴领域，如物联网、人工智能等。五、结束语总而言之，射频系统小型化以及对晶振抗震性、相位噪声等参数要求越来越高，石英晶振尺寸进一步减小已成为趋势，而利用MEMS技术实现晶片微纳米尺度加工具有先天优势，因此石英晶振技术与MEMS技术（Q-MEMS技术)的结合也成为必然趋势。在未来，基于Q-MEMS制造技术的KHZ晶振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，以适应不断变化的市场需求和客户需求。参考文献：1张琬琳.QMEMS陀螺标度因数温度补偿方法研究 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