如何制造石英晶体：从籽晶到晶棒、晶片及最终产品

如何制造石英晶体：从籽晶到晶棒、晶片及最终产品

用于振荡器的石英晶体制造过程包含多个阶段，从生长晶棒到切割、成型以及封装。这一过程确保能够生产出具有精确频率特性的高质量、稳定的晶体。

1. 晶体生长：从籽晶到晶棒

晶体生长过程通常采用水热合成法，这是一种模拟石英在地壳中自然形成的方法。

1.1 籽晶制备
・籽晶是一块薄而平的合成石英片，具有特定的晶体学取向（例如，AT 切型或 SC 切型）。
・籽晶的取向决定了最终晶体的频率稳定度、温度响应以及机械性能。

1.2 水热生长过程
・高压釜设置：
・高压釜是一个高压、高温的腔体。
・下部装有粉碎的天然石英作为原材料。
・上部放置悬挂在架子上的籽晶。
・工艺步骤：
・向高压釜中注水，并在高达 1000 个大气压的压力下加热至约 350-400°C。
・底部的石英在加热的水中溶解，然后在较冷的顶部在籽晶上重新结晶。
・这个过程需要 1-3 个月，具体取决于所需的晶体大小。

1.3 晶棒形成
・几个月后，石英晶体生长成大型圆柱形晶棒，有时也称为晶锭或晶棒，通常重达数千克。

2. 晶体切割：从晶棒到晶片

石英晶棒生长完成后，会进行切割和成型处理，以制作出用于电子元件的晶片。

2.1 取向标记
・使用 X 射线衍射精确确定晶棒的取向，以确保晶体沿着正确的轴（AT 切型、SC 切型或其他特殊切型）切割。

2.2 切片（晶圆切割）
・金刚石锯切割：
・涂有金刚石的锯将石英晶棒切成薄晶片。
・典型的晶片厚度范围从 0.1 毫米到 1 毫米，具体取决于应用场景。

2.3 研磨和抛光
・对晶片进行研磨和抛光，以达到合适的厚度、光滑度和平整度。
・这确保了对谐振频率的精确控制。

3. 加工和频率调谐

切片后，晶片会进行进一步加工，以确保它们在所需频率下谐振。

3.1 边缘成型和倒角
・对晶片的边缘进行倒角处理，以防止开裂并提高频率稳定度。

3.2 金属化
・使用溅射或蒸发等薄膜沉积技术在晶体表面沉积电极。
・常用的金属：金（Au）、银（Ag）、铝（Al）。

3.3 频率调整（调谐）
・通过精确蚀刻或额外的金属化处理来调整晶体的厚度，以微调其谐振频率。

4. 组装和封装

将制备好的晶体安装到保护外壳中并密封，以确保长期的可靠性。

4.1 安装
・将晶体安装在带有用于外部电路连接的电引线的陶瓷或金属基座上。

4.2 密封
・使用金属或玻璃封装对组件进行气密封装，以防止污染和湿气侵入。

4.3 最终测试和校准
・对晶体进行以下测试：
・谐振频率
・频率稳定度
・老化速率
・等效串联电阻（ESR）
・品质因数（Q）

5. 质量控制和运输

在发货前，晶体要经过严格的老化预烧测试、环境测试和长期稳定性测试，以确保它们符合行业标准。

晶体制造过程总结

1. 籽晶制备：选择晶体取向并制备籽晶。
2. 晶体生长：使用水热合成法生长大型石英晶棒。
3. 切割和切片：将晶棒切成薄晶片。
4. 加工：对晶片进行成型、抛光和金属化处理。
5. 组装和封装：将晶体安装在保护外壳中并进行气密封装。
6. 测试和质量控制：对性能和可靠性进行详细测试。

制造晶体的应用

・AT 切型晶体：用于消费电子产品（时钟、全球定位系统、收音机）。
・SC 切型晶体：用于高精度应用，如军用雷达、航空航天和科学仪器仪表。

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