Разработка ударопрочного кварцевого резонатора в стандартном микроминиатюрном корпусе типа um-1 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

I ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2016

УДК 621.37

Н. В. Батрамеев, С. П. Курочка, П. П. Миленин, С. И. Дзыба

Разработка ударопрочного кварцевого резонатора в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1

Исследованы конструкционные особенности кварцевых резонаторов. Разработаны новые технологии, с применением которых были изготовлены кварцевые резонаторы в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-1, способные выдерживать повышенные механические нагрузки. По результатам испытаний установлено, что такие резонаторы могут выдерживать три одиночных удара с пиковым ударным ускорением 150 ООО, 200 000 и 250 000 м/с2 и длительностью действия 0,1...0,5 мс в трех направлениях. Ключевые слова: ударопрочный кварцевый резонатор, механический удар, температурно-частотная характеристика, амплитудно-частотная характеристика, моночастотность.

Современная военная и специальная техника, начиная с командных модулей и радиосвязи низового звена, заканчивая элементами авиационной и космической бортовой аппаратуры, работает в условиях экстремальных механических нагрузок. Сохранение работоспособности радиоэлектронных устройств под воздействием транспортных вибраций, механических и акустических ударов является одной из приоритетных задач при разработке радиоэлектронной аппаратуры специального назначения. Особые требования предъявляют к механической прочности и устойчивости электронных модулей и устройств, являющихся частью современных боеприпасов. Для обеспечения надежного срабатывания таких устройств используемые комплектующие изделия межотраслевого применения в целом и кварцевые резонаторы в частности должны иметь существенный запас механической прочности и устойчивости.

В настоящее время стойкость к удару одиночного действия с пиковым ускорением 50 000 м/с2 и длительностью действия 0,1... 0,3 мс имеют резонаторы на частоты от 10 до 20 МГц с максимальным относительным изменением рабочей частоты ±75-10~б в интервале рабочих температур от -60 до +85 °С [1]. К разрабатываемым современным и перспективным типам радиоэлектронной аппаратуры выдвигают требования увеличить стойкость резонаторов к механическим воздействиям и стабильность частоты в интервале рабочих температур. Данные требования были выполнены с помощью

© Батрамеев Н. В., Курочка С. П., Миленин П. П., Дзыба С. И., 2016

новых конструктивных решении и технологии изготовления кварцевых резонаторов.

Целью исследования являлась разработка кварцевых резонаторов в стандартном микроминиатюрном корпусе типа ЦМ-1 на частоты от 10 до 15 МГц с увеличенным механическим ударом до 200 000 м/с2, длительностью действия 0,1.. .0,5 мс и максимальным относительным изменением рабочей частоты ±30-10~б в интервале рабочих температур от -60 до +120 °С.

По результатам проведенных исследований влияния повышенных механических нагрузок на кварцевые резонаторы можно выделить основные причины отказов кварцевых резонаторов: дефекты кварцевого сырья, способы обработки поверхности кварцевого кристаллического элемента, механические параметры клея, элементы конструкции.

В процессе работы были отобраны кристаллы с увеличенной добротностью для изготовления кварцевых резонаторов, способных выдерживать повышенные механические нагрузки. Метод оценки качества кристаллов кварца базируется на прямом измерении добротности кристаллических элементов АТ-сре-за диаметром 14 мм, имеющих форму плосковыпуклой линзы с радиусом сферы Я = 50 мм на частоте 5 МГц (п = 5) или двояковыпуклой линзы с Я = 30 мм на основной частоте 1 МГц (п= 1) и изготовленных из представительного кристалла одного промышленного съема [2]. Добротность материала - основной показатель качества выращенного кристалла.

Наличие дислокаций в кристалле и других дефектов кварца в процессе работы оценивали с помощью метода химического травления

га

х в)

ч

га Gl

га

О

а £

в) Ц

05

| Электроника. Радиотехника|

о cv

<

м га

О

03 Я х а ф

о

о

(U

со

CV Tt

ю о

I

CV Tt

ю

CV

ся ся

кристаллических элементов, в результате которого на поверхности кристалла под действием травителя (в данном случае - насыщенного раствора фтористого аммония КН4Р) появляются ямки травления. Были выбраны образцы кристаллов с плотностью ямок травления менее 20 на см2. Малое количество дислокаций обусловливает высокую прочность кристаллических элементов. Достигнутый сегодня уровень химической чистоты и структурного совершенства выращиваемых высококачественных монокристаллов кварца [3] обеспечивает высокую добротность (01г > 2,5 • 10б), низкое сопротивление, воспроизводимость параметров и характеристик, возможность миниатюризации с сохранением высокой стабильности частоты и параметров кварцевых резонаторов и устройств на их основе, отвечающих высоким эксплуатационным требованиям к механическим, климатическим и радиационным воздействиям.

Интенсивные механические воздействия на кварцевые резонаторы могут вызвать отрыв клеевого соединения. Наиболее слабым местом является точка крепления кристаллического элемента к металлическому кварце-держателю [4]. После испытаний кварцевых резонаторов, изготовленных по стандартной конструкторской и технологической документации, на механический удар в 200 ООО м/с2 с длительностью действия 0,1...0,5 мс, наблюдалось разрушение кристаллического элемента именно в этой области, а если крепление

не обрывалось, то возникала остаточная деформация элементов крепления (изменение формы пятна клея), вызывающая увеличение затухания и необратимые изменения частоты.

Для устранения причин, влияющих на работоспособность кварцевого резонатора в процессе и после испытаний на механический удар в 200 000 м/с2 с длительностью действия 0,1.. .0,5 мс, в технологию изготовления кварцевых резонаторов был внедрен модернизированный клей ЭПЭ на силиконовой основе с повышенными упругими свойствами по сравнению со стандартным клеем ТОК 2, и изменена ориентация кристаллического элемента в кварцедержателе. Для удаления нарушенных слоев и снижения потенциальных центров тре-щинообразований, поверхность кварцевого кристаллического элемента подвергалась обработке полирующим травителем на глубину 2 мкм, а также для создания буферного слоя между кварцевым элементом и крышкой резонатора была помещена фторопластовая прокладка.

В процессе испытаний были произведены три одиночных удара с силой 150 000, 200 000 и 250 000 м/с2 и длительностью действия 0,1.. .0,5 мс в трех направлениях. После проведения испытаний у кварцевых резонаторов, изготовленных с применением новых технологий, были измерены их электрические параметры. Изменение частоты и сопротивления кварцевых резонаторов в корпусе UM-1 на частоту 10 МГц до и после испытания приведены в таблице.

Изменение частоты и сопротивления кварцевых резонаторов в корпусе иМ-1 на частоту 10 МГц до и после испытания при температуре +60 °С

№ изделия Вид испытания

Измерения до испытаний Испытания на воздействие ударов одиночного действия не более ±10-Ю^6

Fpa6, ГЦ Я, Ом Fpa6, Гц AflF-lQ-6 Я, Ом ДЯ, Ом

4554 9999812 12,3 9999812 0 12,7 0,4

4555 9999764 12,1 9999767 0,3 12,2 0,1

4556 9999893 15,4 9999896 0,3 15,4 0

4557 9999807 14,5 9999804 -0,3 14,7 0,2

4558 9999848 12,8 9999851 0,3 13,0 0,2

4559 9999790 12,8 9999793 0,3 12,8 0

4560 9999843 12,2 9999852 0,9 12,5 0,3

4561 9999803 14,1 9999811 0,8 13,8 -0,3

4562 9999878 13,3 9999873 -0,5 13,3 0

4563 9999793 14,9 9999805 1,2 15,3 0,4

I ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 3, 2016

Как видно из таблицы, все десять экспериментальных образцов выдержали воздействие трех одиночных ударов с силой 150 ООО, 200 000, 250 000 м/с2 и длительностью действия 0,1.. .0,5 мсв трех направлениях.

На рис. 1 представлен график темпера-турно-частотной характеристики (ТЧХ) кварцевого резонатора № 4563 на частоту 10 МГц, изготовленного с применением новых технологий, до и после воздействия перечисленных выше испытаний. Характер кривой и гладкость

А, дБ

///■10

-10

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 Т, °С

Рис. 1. ТЧХ ударопрочного резонатора в корпусе иМ-1 на частоту 10 МГц до и после испытаний: ........... — до испытаний;- — после испытаний

J 1 _J -К-

( 1

ТЧХ практически не изменились, следовательно, их воздействие не повлияло на частотоза-дающие параметры кварцевого резонатора (см. рис. 1). После вскрытия резонатора не было обнаружено конструктивных изменений.

На рис. 2 приведен график амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) кварцевого резонатора № 4563 на частоту 10 МГц, изготовленного с применением новых технологий, после воздействия испытаний. На рисунке показано, что интенсивность побочных резонансов не оказывает влияния на рабочий резонанс, следовательно, испытания не воздействуют на моночастотность резонатора.

С применением новых технологий и конструктивных решений при изготовлении кварцевых резонаторов в стандартном микроминиатюрном корпусе типа ЦМ-1 на частоты

-30

-50 -60

-70

~809,5 10 /МГц 10,5

Рис. 2. АЧХ кварцевого резонатора после воздействия испытаний

от 10 до 15 МГц были выпущены ударопрочные кварцевые резонаторы, которые способны выдержать механический удар одиночного действия с пиковым ускорением до 200 000 м/с2 и длительностью действия 0,1.. .0,5 мс и обеспечить максимальное относительное изменение рабочей частоты ±30-10~б в интервале рабочих температур от -60 до +120 °С, используемых для изготовления устройств и комплексов для эксплуатации в экстремальных условиях. Список литературы

1. Резонаторы пьезоэлектрические кварцевые РК319 вакуумные механически прочные // ОАО «ЛИТ-ФОНОН». URL: http://www.lit-phonon.ru/downloads/RK319.pdf (дата обращения 05.12.2016).

2. Мостяев В. А., Дюжиков В. И. Технология пьезо- и акустоэлекгронных устройств. М.: Ягуар, 1993. 280 с.

3. Возможности послеростового обогащения синтетического кварца / Н. И. Коновалов и др. // Новые промышленные технологии. 2007. № 6. С. 25-29.

4. Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник /В. Г. Андросова и др.; под ред. П. Е. Кан-дыбы, П. Г. Позднякова. М.: Радио и связь, 1992. 392 с.

Поступила 16.12.16

Батрамеев Николай Владимирович - аспирант Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» института новых материалов и нанотехнологий, заместитель генерального директора по коммерческим вопросам ОАО «Пьезо», г. Москва.

Область научных интересов - технология пьезо- и акустоэлекгронных устройств.

I Электроника. Радиотехника|

Курочка Сергей Петрович - кандидат технических наук, доцент кафедры технологии материалов электроники Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» института новых материалов и нанотехнологий, г. Москва.

Область научных интересов: силовая полупроводниковая электроника, технология пьезо- и акустоэлектронных устройств.

Миленин Павел Павлович - кандидат технических наук, главный конструктор ОАО «Пьезо». Область научных интересов: технология пьезо- и акустоэлектронныхустройств.

Дзыба Сергей Иванович - окончил Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделева, начальник бюро новых разработок ОАО «Пьезо», г. Москва.

Область научных интересов: технология пьезо- и акустоэлектронныхустройств.

Development ofimpact-resistant quartz-crystal resonator in a standard microminiature UM-1 type package

We studied the structural characteristics of quartz-crystal resonators. Furthermore, we developed new technologies and used them in manufacturing the quartz-crystal resonators in a standard micro-miniature UM-1 type package, capable of withstanding high mechanical loads. Findings of the experiments show that these resonators can withstand three single strokes with shock acceleration peak value of 150 000, 200 000 and 250 000 m/s2 and duration ofthe action of0.1...0.5 ms in three directions.

Keywords: shockproof quartz-crystal resonator, mechanical shock, temperature and frequency response, frequency response, monofrequency.

Batrameev Nikolay Vladimirovich - post-graduate student of the National University of Science and Technology MISiS,

Deputy General Director for Commerce at JSC Piezo, Moscow.

Science research interests: piezo- and acousto-electronic devices technology.

Kurochka Sergey Petrovich - Candidate ofEngineering Sciences, Associate Professor of the Department ofElectronic

Materials Technology, the National University of Science and Technology MISiS, Moscow.

Science research interests: power semiconductor electronics, piezo- and acousto-electronic devices technology.

Milenin Pavel Pavlovich - Candidate ofEngineering Sciences, chief designer of JSC Piezo. Science research interests: piezo- and acousto-electronic devices technology.

Dzyba Sergey Ivanovich - graduated from Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Head of

the Bureau of new developments at JSC Piezo, Moscow.

Science research interests: piezo- and acousto-electronic devices technology.