CC BY
46Компоненты и технологии, № 7'2003 Компоненты
Особенности изготовления
кварцевых кристаллических элементов
Темпы научно-технического прогресса во многом определяются возможностями современного производства изделий резонаторов, фильтров, генераторов, датчиков. Развитие современных видов радиоэлектронной техники невозможно рассматривать в отрыве от достижений пьезотехнического производства радиокомпонентов.
Денис Филатов
brim@rambler.ru
Кристаллические элементы (КЭ) являются главной параметрообразующей частью любого пьезоэлектронного устройства. Основная доля трудоемкости производства пьезоэлектронного резонатора приходится на КЭ. Универсальность использования КЭ (он может являться частью резонатора, микрогенератора, фильтра, датчика, анализатора и т. д.) привела к ситуации, когда большинство производителей пьезоэлектронной продукции стали в больших количествах закупать заказные и стандартные КЭ на предприятиях, обладающих высокой культурой их производства и экономичной технологией формообразования. Наибольшее распространение получили кристаллические элементы в форме круглых дисков с фаской (на частоты от 3 до 8 МГц) и без фасок (на частоты от 8 до 350 МГц). Годовое потребление КЭ в этих диапазонах частот — 2,5-3 млрд шт. в год. При среднем диаметре КЭ 6 мм обрабатываемые площади кристаллических элементов составляет 0,12 км2 в год, а вес распиливаемых монокристаллов 2000 тонн в год.
Процесс производства КЭ является многооперационным и многовариантным (различных размеров, форм, требований к качеству обработки поверхности, пооперационным допускам и т. д.). Наличие высокой потребности и широкой номенклатуры КЭ вызывает необходимость создания программного обеспечения, позволяющего обеспечить экономичное использование дорогостоящих монокристаллов кварца (оптимизации «раскроя» кристалла) и упростить управление производством в условиях большой номенклатуры изделий, сократить количество брака КЭ за счет оптимизации режимов резки (исключение двойникования при резке для КЭ, используемых в резонаторах ВЧ- и СВЧ-диапазонов частот). В связи с этим возникает необходимость прогнозирования результатов резки пьезокристалла.
В свободном состоянии кварц существует в форме нескольких полиморфных модификаций с идентичным химическим составом, но имеющих разную структуру и соответственно различные физико-химические свойства.
Теоретические разработки В. И. Дюжикова [1] вопроса двойникования при резке, полученные ра-
нее, исходят из того, что в зоне реза алмазные зерна взаимодействуют с кристаллом с силой резания Б, направление которой определяется ее составляющими: нормальной Бн=Рх, касательной Бк=Р2' и осевой Б0= Бу'.
Под действием касательной составляющей Б2' силы резания перед зерном создается зона сжатия с развивающейся опережающей трещиной, по которой скалывается кристалл. Величина сжимающих напряжений пропорциональна касательной силе. На такую же величину возрастают растягивающие напряжения в зоне растяжения кварца позади алмазного зерна.
Под трещинами, развивающимися в области узкой кольцевой полосы контакта кварца с алмазными зернами, ориентированной вдоль действия касательной силы Б2', возникает напряженно-деформированное состояние сжатия, резко возрастающее в вершинах образующихся трещин и способное вызвать двойникование кварца.
Энергетически стабильное состояние кристаллической решетки при резке пластин кварца обеспечивается в соответствии с принципом Ле-Шателье: стабильным является компонент двойника той ориентации, который в поле напряжений обладает минимальной потенциальной энергией.
Разность плотностей потенциальных энергий исходного W и сдвойникованного кристалла под следом реза в приближении одномерного распределения механических а'33 (у') и по толщине отрезаемых пластин:
АЖ = Ж-ЖВ = -2514(о;з)25,ги30Со,50Со.53Ф (1)
где э14 — коэффициент податливости кварца; ®, Ф — углы Бехмана поворота пластины относительно кристаллографических осей X и
Коэффициент податливости кварца 814>0, следовательно, процесс будет энергетически стабильным (ДW<0) для напряженных слоев кварца, ориентированных по наиболее податливым направлениям следа реза
$т3 вСоявСояЗФ > 0 - www.finestreet.ru--------
(2)
Компоненты и технологии, № 7'2003
В соответствии с теоретическими исследованиями [1]:
(°м У (posO ■ Sin'V + 5НяФ ■ SinQ ■ Cos'V )х х (SinO • SiríV - CosO ■ SinQ • Cos4')x x [j(Cos® ■ SinV + SinO ■ SinQ ■ Cos'V'f - (3)
- (ЛиФ • SMV - CosO ■ SinQ • Coí'P)2]< 0
Для резки кристаллов применяют алмазные отрезные круги с внешней или внутренней режущей кромкой.
Можно выделить две схемы резки кристаллического кварца: резка со смещением отрезного круга относительно центра заготовки и резка без смещения отрезного круга.
Для моделирования движения отрезного круга с внешней или внутренней режущей кромкой можно воспользоваться представлением и заданием поверхностей их уравнениями, используя аппарат аналитической геометрии в пространстве.
Тогда плоскость отрезного круга можно задать, определив систему из двух уравнений, задающих сферу радиуса R, равного радиусу отрезного круга с центром в точке О(х0; y0; z0), и плоскость, задающую требуемый меридиан, который определяется исходя из интересующего угла среза:
Компоненты
(x-xj +(y-yj +(z-zj =R2
-mz + c
(4)
(5)
Y„=-
CosQ
Xn=h + R+ 5
Z0= 0
X„=A + h-R
Yo =
2 RA-A2 SinQ
Z0 =
2RA-A2
CosQ
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
(11)
Рисунок. Блок-схема программы расчета
где уравнение (5) определяется исходя из угла ©.
Общие точки этой системы уравнений представляют собой ориентированную в пространстве окружность.
Начальное взаимное расположение инструмента и заготовки определяется также из геометрии (для отрезного круга с внешней режущей кромкой — выражения 6, 7, 8 и для отрезного круга с внутренней режущей кромкой — 9, 10, 11):
зания кристалла V и подача отрезного круга Б, так как от них зависит вероятность двойни-кования кварца.
Основываясь на принятых в пьезокварцевом производстве условиях резки кварца, подача отрезного круга при резке кристалла должна осуществляться в соответствии со следующим законом при условии установившегося резания, и с подачей Бт1п в условиях врезания отрезного круга и при выходе из толщи кристалла.
s(t)=
5ш1п - участок подвода круга к заготовке Е . . /
5^4------ — участок резки
ЕЦтр: 1т
5^ —участок окончания резки
(12)
Увеличение скорости резания приводит к увеличению тепловыделения, что тоже является фактором, дестабилизирующим кристаллическую решетку, поэтому скорость резания необходимо регулировать во время всего процесса резки для предотвращения появления сдвойникованных областей. При увеличении скорости возрастает динамическое воздействие, оказываемое алмазными зернами на кварц. Следовательно, скорость резания должна определяться следующим образом:
V(t)=
Кат - участок подвода круга к заготовке IV -V .
Кдцц - участок окончания резки
Vmin + — — (V„„ - Fmin)Xy^— участок резки
(13)
где И — радиус отрезного круга; Д — высота, проведенная от точки на окружности к хорде, образованной контуром заготовки.
Оценив значение производных в точках дуги окружности и проверив допустимость полученных из выражения (3) значений, можно сделать вывод о возможности образования двойников при резке.
Важными технологическими параметрами процесса резки кристаллов являются такие технологические параметры как скорость ре---------------------www.finestreet.ru-
Время резки кристалла кварца определяется исходя из двух величин — пути резания и вертикальной подачи. Путь резания можно вычислить исходя из условий применяемых схем резки:
I
t = — (14)
где I — расчетный путь резания; $п — величина вертикальной подачи.
В том случае, когда $п является величиной, зависящей от условий резки, величина вертикальной подачи будет переменной величиной.
На рисунке представлена блок-схема выбора элементов системы «кристалл-инстру-мент-станок» и расчета параметров процесса резки, в соответствии с которой выбирается тип схемы резки, подбор элементов схемы, расчет режимов. Необходимо проводить отбор кварцевого сырья, обладающего структурным совершенством и идентичностью, отвечающего требованиям температурной и радиационной устойчивости. Промышленность выпускает кварцевые кристаллы стандартизированного размерного ряда.
Выбор размера кристалла сводится к формированию плотноупакованного набора групповых кристаллических элементов с припуском на пропил и на предварительную обработку каждой пластины. В производстве кварцевых резонаторов используются также уже готовые ориентированные и обработанные кристаллические секции с квадратным сечением от 11x11 до 22x22 мм.
Выбор секции осуществляется исходя из условия минимизации отходов, возникающих при разделке и резке кристалла. МИ
Литература
1. Мостяев В. А., Дюжиков В. И. Технология пьезо- и акустоэлектронных устройств. М.: «Ягуар». 1993.
2. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. Материалы, технология, конструкция, применение. М.: Мир. 1990.
3. Рожков В. В., Мацак А. Н., Грузиненко В. Б. Инженерная подготовка производства изделий пьезоэлектроники // Актуальные проблемы развития пьезоэлектронных устройств, труды научно-технической конференции «Пьезо-2000». М.: МГАПИ. 2000.
4. Дюжиков В. И., Баранов В. Н., Бурцев А. М., Попова Т. В. Действие дестабилизирующих производственных факторов на двой-никование кварца // Прогрессивные методы и средства производства оптико-электронных приборов. М.: МИП. 1989.
-Q-
