СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИНИАТЮРНОГО КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА (РЕЗОНАТОРА) - ТЕРМОСТАТА Российский патент 2009 года по МПК H03H3/00 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в производстве высокостабильных кварцевых резонаторов и генераторов с внутренним термостатированием.

Известна технология пьезо- и акустоэлектронных устройств, в частности кварцевых термостатированных генераторов и резонаторов [1, 2]. Технология включает монтаж пайкой, точечной сваркой или приклейкой радиоэлементов схемы на плату, монтаж платы на основание стеклянного или металлического корпуса, предварительный отжиг в вакууме, вакуумную настройку частоты, термовакуумный отжиг при температурах 150-200°С и вакуумную герметизацию паяным соединением корпуса или электроконтактной сваркой. По этой технологии необходим длительный (до 16 часов) термовакуумный отжиг, чтобы обеспечить высокую стабильность миниатюрных изделий. Кроме того, используется дополнительное обезгаживание с помощью внутренних геттеров для поддержания вакуума 10^-4 тор при длительной эксплуатации.

Ближайшим аналогом является техпроцесс для серийного изготовления термостатированных кварцевых резонаторов [3].

Процесс включает сборку резонаторов-термостатов приклейкой дискретных элементов и пайкой пьезоэлемента к держателю припоем ПСрО 10-90 (220°С), предварительную и окончательную настройку частоты, термовакуумный отжиг в течение 5 часов при температуре 150°С и давлении 2·10^-5 тор, охлаждение до температуры (70±10)°С, активирование геттера внутри корпуса и отпайку резонатора-термостата с гребенки. Здесь вакуумная технология с активированием геттера обеспечивает долговременную надежность и качество изделий, однако непригодна для производительного выпуска миниатюрных кварцевых генераторов (резонаторов)-термостатов. Также требуется более смены для термовакуумного отжига изделий, чтобы обеспечить стабильность их параметров.

В техническом решении предлагается технология изготовления миниатюрного кварцевого генератора (резонатора) с внутренним термостатированием в металлостеклянном корпусе. Задачей изобретения является повышение производительности, обеспечение высокого качества и надежности изделия за счет исключения влияния внутреннего газовыделения на параметры изделия в рабочем режиме при длительной (10-15 лет) эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления миниатюрного кварцевого генератора (резонатора) термостата, включающем монтаж радиоэлементов схемы генератора (резонатора) и кварцевого пьезоэлемента на плату, монтаж платы на основание корпуса, отжиг генератора (резонатора) в вакууме при температуре 150°С в течение смены, вакуумную настройку генератора (резонатора) на рабочую частоту, вакуум-плотное соединение крышки корпуса с основанием, например, электроконтактной сваркой по контуру, термовакуумный отжиг генератора (резонатора) в безмасляной среде при температурах 150÷200°С при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса, охлаждение до температуры герметизации (70±10)°С и вакуумную герметизацию корпуса запайкой пуклевочного отверстия в крышке, плату после монтажа на нее радиоэлементов групповой пайкой и крышку корпуса с запаянным пуклевочным отверстием подвергают вакуумному отжигу в течение 0,5÷2,5 часов при температурах плавления припоя (Т_н÷Т_в), где Т_н и Т_в - нижняя и верхняя температуры плавления припоя, а термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса осуществляют до чистоты поверхности внутри корпуса генератора (резонатора) 6·10^-5÷2,5·10^-2 л·тор/(с·м²), которую определяют по величине удельного газовыделения в диапазоне температур 120÷180°С. При этом процессы глубокого термовакуумного отжига, охлаждения до температур герметизации и процесс герметизации осуществляют в едином вакуумном цикле.

В таком техническом решении удалось обеспечить вакуум 10^-4 тор при длительной эксплуатации изделий в режимах термостатирования от 60 до 85°С без использования газопоглотителей (геттеров) внутри корпусов.

На фиг.1 приведены данные о тепловых потерях изделий через вакуумную изоляцию при различных разрежениях в корпусе и температуре корпуса 25°С.

На фиг.2 изображены зависимости скорости внутреннего газовыделения (В1, В2, В3, В4) и внутреннего газопоглощения (П3, П4) в корпусах изделий от температуры.

Способ изготовления миниатюрного кварцевого генератора термостата (КГТ) или кварцевого резонатора термостата (КРТ) реализуется в такой последовательности. На диэлектрические микроплаты (поликор, ВеО) с облуженными контактными площадками, например, припоем ПОС-61 в установке групповой пайки монтируют радиоэлементы схемы КГТ или КРТ, такие как резисторы, термодатчики, конденсаторы и т.п. Далее тем же припоем на микроплаты монтируют никелевые держатели пьезоэлемента (ПЭ). Одновременно групповым методом запаивают пуклевочные отверстия в крышках металлостеклянных корпусов ТО-8 или DIP-14. Подготовленные микросборки и крышки корпусов укладывают в камеру вакуумной печи типа «Рогун» и подвергают вакуумному отжигу в течение 0,5÷2,5 часов при температурах плавления припоя Т_н÷Т_в, например, 183-212°С для ПОС-61М. После охлаждения до комнатной температуры на платы монтируют кварцевые ПЭ, укрепляя их к держателям электропроводящим клеем типа ТОК-2; и заканчивают монтаж изделий приклейкой плат на основания корпусов стандартным клеем К-400 через стеклянные стойки-изоляторы. Далее проводят отжиг генераторов или КРТ в вакууме при температуре 150°С в течение смены (8 ч), обеспечивая конструктивную усадку элементов в местах приклейки, и после измерения частоты по типовым методикам осуществляют настройку рабочей частоты подпылением золота на электроды ПЭ в специализированной вакуумной установке. При настройке частоты в вакууме генератор включен и выведен в рабочий режим термостатирования; золото от испарителя через диафрагму осаждается на электроде ПЭ. На следующем этапе техпроцесса делают вакуумплотное соединение крышек с основаниями корпусов, на которых собраны генераторы, как правило, электроконтактной сваркой по контуру. Вскрывают пуклевочные отверстия корпусов и изделия передают на финишные операции глубокого термовакуумного отжига, охлаждения до температур герметизации и герметизации запайкой пуклевочного отверстия в крышке корпуса в безмасляной вакуумной камере модернизированной установки «Альфа-Н». При необходимости проводят выборочный контроль по чистоте поверхности внутри корпуса готовых изделий, определяя величину удельного газовыделения для выбранной температуры в области 120-180°С.

Предлагаемое техническое решение разработано с помощью «метода пробников», который позволяет измерять степени вакуумирования и герметичности изделий в металлостеклянных корпусах для широкого значения давлений и температур. На основание корпуса через стойки-теплоизоляторы приклеивается микроплата, на которой размещены электронагреватель и датчик температуры в заданной геометрии. После вакуумирования и герметизации корпуса (ТО-8 или DIP-14) такой пробник имитирует тепловые процессы в КРТ или в термостатированном кварцевом генераторе. Стабилизируя температуру платы внутри корпуса, можно измерить потребляемую пробником мощность для различных экспериментальных режимов.

На фиг.1 «треугольниками» отмечены данные измерения тепловых потерь через вакуумную изоляцию, W=W_p-W₀, для пробников в указанных корпусах при температуре платы 80°С, а корпуса 25°С, и вакууме от 5·10^-5 тор до 2·10^-2 тор, где W_p - полная мощность, потребляемая пробником при выбранном давлении Р; W₀ - полная мощность (тепловые потери), потребляемая пробником в высоком вакууме, обычно при давлении ≤5·10^-5 тор.

Так построена усредненная зависимость АВС на фиг.1. Для КРТ в корпусе ТО-8 и КГТ в корпусе DIP-14 получена аналогичная зависимость DEF на фиг.1 результаты измерений обозначены «квадратиками». Причем измерения для резонаторов сделаны при температуре экстремума кварцевого ПЭ 80°С, а для генераторов - то же при температуре 60°С. В одинаковом масштабе величин W и Р участки АВ и ВС на фиг.1 линейны, тогда скорость изменения тепловых потерь (W) от давления (Р) будет равна tg β; или tgβ=ΔW/ΔP. По нашим измерениям среднее значение tgβ для пробников в области давлений от 10^-5 тор до 10^-2 тор равно 1,2·10³ мВт/тор. Для КРТ и КГТ величина tgβ несколько больше и равняется 1,7·10³ мВт/тор. Это объясняется тем, что в изделиях кроме микроплаты с радиоэлементами вмонтированы пьезоэлементы, сравнимые по размерам с платой. Вероятно, изменение геометрии вакуумной изоляции заметно влияет на переизлучение энергии.

Полученные градуировочные графики на фиг.1 использованы для измерения скоростей газовыделения и газопоглощения в пробниках и в опытных образцах изделий, а также для определения граничных значений по отличительным признакам изобретения.

Скорость газонаполнения замкнутого объема V в общепринятой терминологии обозначает изменение давления ΔР в этом объеме за время t:

Подставляем уже найденное значение

тогда

При использовании электронагревателя W=I·U, где I и U - ток и напряжение в схеме нагрева. Измеряя начальные I_н, U_н и конечные I_к, U_к значения за выбранное время t получим рабочее выражение для определения скорости

Как правило, КРТ и КГТ работают при постоянном напряжении питания, тогда

Устройства являются высокостабильными по всем параметрам, поэтому при фиксированной температуре измерений скорости газовыделения (поглощения) чувствительность достигает величины 10^-10 тор·см³/с.

Опытные образцы генераторов (10 шт.) и резонаторов (40 шт.) изготовлены на частоту 10 МГц по указанному техпроцессу. Далее измеряли уровень остаточного вакуума в корпусе изделий, используя градуировочные графики на фиг.1. А затем рассмотренным методом измеряли скорости газовыделения (десорбции) и газопоглощения (адсорбции) внутри корпуса изделий в области температур от 20 до 220°С. До температур выше 180°С нагревали только микроплаты внутри пробников. КГТ и КРТ выдерживались при выбранной температуре в муфельной печи. Как правило, вначале опытные образцы исследовались на газовыделение, при этом температуру нагрева ступенчато поднимали от 60 до 220°С. Потом эти же образцы исследовались при ступенчатом снижении температуры от 100 до 20°С.

На фиг.2 показаны наиболее вероятные скорости газовыделения (поглощения) в опытных образцах и пробниках при вариациях техпроцесса:

B1 - финишный термовакуумный отжиг при температуре 150°С в течение 8 часов без предварительного обезгаживания припоя на контактных площадках платы и пуклевке;

В2 - то же при температуре 175°С;

B3, П3 - то же при температуре 175°С в течение 8 часов, но платы с контактными площадками припоя и крышки корпусов с пуклевками подвергались вакуумному отжигу при температурах плавления в течение от 0,5 до 2,5 часов;

B4, П4 - то же для пробников, в которых платы имели контактные площадки, не облуженные припоем.

Таблица 1УсловияВыходные параметрыУвеличение тепловых потерь, мВтОстаточный вакуум, торВыход годных, %1. Запайка пуклевки в вакууме без предварительного вакуумного отжига припоя2÷1810^-4÷10^-20-102. То же после отжига контактных площадок на плате и пуклевке при температуре 185°С в течение 2,5 ч0÷310^-5÷10^-4≥903. То же при 215°С в течение 0,5 ч0÷210^-5÷10^-4≥904. То же для пробников без припоя на плате0÷210^-5÷10^-4до 100

Отдельно исследовано влияние операции запайки пуклевочного отверстия в вакууме на выходные параметры изделия. Данные приведены в таблице. Годными признавались изделия с остаточным вакуумом лучше 10 тор, в которых не обнаруживалось внутреннего газовыделения при выдержке 24 часа в рабочем режиме.

Анализ данных на фиг.2 показывает, что условия для графиков В1 и В2 не обеспечивают решение поставленной задачи. Во-первых, выход годных изделий не превышает 10%, см. таблицу. Во-вторых, оценка вакуума в изделиях через 10 лет эксплуатации дает значения 6,4·10^-1 тор (точка G) и 6,4·10^-4 тор (точка Н). Расчет проведен по формуле

для КРТ в корпусе ТО-8 объемом 0,5 см³. Согласно [1, 2] не может быть гарантирована долговременная стабильность частоты.

Установлено, что поставленная задача решается при технологических режимах, обеспечивающих глубокое обезгаживание изделий в границах KLMN (заштриховано) по графикам В3 и В4. Однако такие режимы имеют большое число параметров: температура, степень вакуума при отжиге, время нагрева, выдержки и охлаждения, скорость газообмена и т.п. Кроме того, указанные границы обусловлены и конструктивными отличиями изделий, такими как объем, площадь, размер пуклевочного отверстия, ассортиментом радиокомпонентов, количеством клеев и припоев. Поэтому удобно выбрать обобщенный параметр, характеризующий степень чистоты поверхности, сорбирующей газ. Таким параметром является удельное газовыделение [4, 5], другими словами, количество газа, выделяемое (поглощаемое) с геометрической площади сорбируемой поверхности в единицу времени. По данным фиг.2 очевидно, что при удельном газовыделении, равном или меньшем исходных значений скорости газовыделения на участке LM, обеспечиваются условия поставленной задачи. С учетом геометрии миниатюрных изделий в точке L удельное газовыделение равно 6·10^-5 тор·см³/(с·м²), а в точке М - 2,5·10^-2 тор·см³/(с·м²) соответственно. Практически нужно измерить, например, при выборочном контроле скорости внутреннего газовыделения в диапазоне температур 120÷180°С и разделить на величину геометрической площади изделий. На графиках В3 и В4 видно, что предел 120-180°С слева ограничен «порогом» неустойчивого газообмена, а справа нижней границей плавления припоя.

Таким образом, выбран отличительный признак формулы изобретений: термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса осуществляют до чистоты поверхности внутри корпуса генератора (резонатора) 6·10^-5÷2,5·10^-2 тор-см³/(с·м²), которое определяют по величине удельного газовыделения в диапазоне температур 120-180°С.

Другой признак, отвечающий решению поставленной задачи, выбран по выходным параметрам таблицы. Выход годных пьезоизделий превышает 90% после вакуумного отжига плат с контактными площадками припоя в местах монтажа радиоэлементов групповой пайкой и крышек корпусов с запаянным пуклевочным отверстием в течение 0,5÷2,5 часов при температурах плавления припоя Т_н÷Т_в. Граничные значения времени отжига получены экспериментально и хорошо согласуются с результатами графиков В2 и В3 на фиг.2. Действительно за 2,5 часа при 183°С суммарное газовыделение в опытных образцах сравнимо с газовыделением при 220°С за 0,5 часа. В таких пределах параметров получим поверхности одинаковой чистоты относительно удельного газовыделения.

Источники информации

1. Справочник. Пьезоэлектрические резонаторы. Под. ред. П.Е. Кандыбы и П.Г. Позднякова. М.: Радио и связь, 1992, с.318-382.

2. Мостяев В.А., Дюжиков В.И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. - М.: Ягуар, 1993, с.163-174, 185-199, 223-257.

3. Технологический процесс изготовления резонатора-термостата кварцевого ЦЛЗ.380.059, НИИ Приборостроения, 19.08.92., г. Омск.

4. Данилин Б.С. и Минайчев В.Е. Основы конструирования вакуумных систем. - М.: Энергия, 1971, с.5-10, 353.

5. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. - М.: Мир, 1975, с.135-167.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в производстве высокостабильных кварцевых резонаторов и генераторов с внутренним термостатированием. Техническим результатом является повышение производительности, обеспечение высокого качества и надежности изделия. Способ включает монтаж групповой пайкой радиоэлементов схемы генератора (резонатора) и кварцевого пьезоэлемента на плату. Монтаж платы на основание корпуса. Нагрев генератора в вакууме при температуре 150°С, настройку генератора (резонатора) на рабочую частоту в вакууме, вакуумплотное соединение крышки корпуса с основанием. Термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при температуре 150-200°С при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса, охлаждение до температуры герметизации (70±10)°С и вакуумную герметизацию корпуса запайкой пуклевочного отверстия в крышке. Плату после монтажа на нее радиоэлементов групповой пайкой и крышку корпуса с запаянным пуклевочным отверстием подвергают вакуумному отжигу в течение 0,5÷2,5 часов при температурах плавления припоя (Т_н÷Т_в), где Т_н и Т_в - нижняя и верхняя температуры плавления припоя. Термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса осуществляют до чистоты поверхности внутри корпуса генератора (резонатора) 6·10^-5÷2,5·10^-2 тор·см³/(с·м²), которую определяют по величине удельного газовыделения в диапазоне температур 120-180°С. 2 ил., 1 табл.

Способ изготовления миниатюрного кварцевого генератора (резонатора) термостата, включающий монтаж групповой пайкой радиоэлементов схемы генератора (резонатора) и кварцевого пьезоэлемента на плату, монтаж платы на основание корпуса, отжиг генератора в вакууме при температуре 150°С, настройку генератора (резонатора) на рабочую частоту в вакууме, вакуумноплотное соединение крышки корпуса с основанием, например электроконтактной сваркой по контуру, термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при температурах 150-200°С при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса, охлаждение до температуры герметизации (70±10)°С и вакуумную герметизацию корпуса запайкой пуклевочного отверстия в крышке, отличающийся тем, что плату после монтажа на нее радиоэлементов групповой пайкой и крышку корпуса с запаянным пуклевочным отверстием подвергают вакуумному отжигу в течение 0,5÷2,5 ч при температурах плавления припоя (Т_н÷Т_в), где Т_н и Т_в - нижняя и верхняя температуры плавления припоя, а термовакуумный отжиг генератора (резонатора) при вскрытом пуклевочном отверстии в крышке корпуса осуществляют до чистоты поверхности внутри корпуса генератора (резонатора) 6·10^-5÷2,5·10^-2 тор·см³/(с·м²), которую определяют по величине удельного газовыделения в диапазоне температур 120-180°С.