автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов

На правах рукописи

№ ¡¡>

1ЛУ

СЕРДЮКОВ Сергей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ

Специальность: 05.11.14 - Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

00'

6067 Гэ

Москва-2010

004606775

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики (МГУПИ) и на предприятии ОАО «Пьезо»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КОНДРАТЕНКО Владимир Степанович

Официальные оппоненты: доетор технических наук, профессор

КОВАЛЕВ Виктор Григорьевич

кандидат технических наук ЧЕРНЫХ Сергей Петрович

Ведущая организация: ОАО «Лит-Фонон» (г. Москва)

Защита состоится « 22 » июня 2010 года в зале Советов в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107846, г. Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 107846, г. Москва, ул. Стромынка, 20, Ученый совет.

Автореферат разослан « 18 » мая 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, д. т. н., профессор

В. В. Филинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена решению важной проблемы: совершенствованию технологии и повышению качества производства миниатюрных кварцевых резонаторов в широком диапазоне частот от единиц килогерц до сотен мегагерц. Эти изделия широко востребованы для различных видов радиоэлектронной аппаратуры, приборов и устройств космического, военного и гражданского назначения. Миниатюризация, повышение надежности, добротности, стабильности частоты и сопротивления при высоких уровнях внешних воздействий (удары, вибрации, температуры, радиация и др.) сегодня являются важнейшими требованиями для обеспечения развития производства и потребления кварцевых резонаторов, используемых в приборостроении, автоматике, специальной технике, метрологии, изделиях широкого потребления. Мировое потребление пьезоэлектрических резонаторов сегодня оценивается миллиардами штук в год (в денежном выражении более 15 млрд. долларов в год). Особо востребованы резонаторы в миниатюрном исполнении. Поэтому в России и других промышленно развитых странах (особенно в Японии и США) ежегодно проводятся исследования и разработки, направленные на повышение электрических и эксплуатационных параметров, а также работы по созданию высоконадежных и миниатюрных кварцевых резонаторов.

Проводимые в рамках настоящей работы исследования посвящены одной из наиболее важных проблем совершенствования параметров, повышения надежности и качества миниатюрных пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ)(Рис.1).

Существующие традиционные методы оценки надежности пьезоэлек-тронных устройств значительно снижают оперативность производства и оценку качества выпускаемых предприятиями отрасли изделий, что в 2-3 раза увеличивает сроки их поставок предприятиям-потребителям. Модернизация технологических процессов, использование новейших видов производственного и метрологического оборудования, оптимизация входного контроля технологических и конструкционных веществ и материалов, применение автоматических средств в различных производственных процессах и измерениях позволяют оптимизировать не только технологию и конструкцию изделий, но и повысить достоверность используемых методов оценки качества и эксплуатационной надежности изделий пьезотехники.

В работе приводятся экспериментально-теоретические основы обеспечения высокой надежности пьезоэлектрических резонаторов, повышения выхо-

Рис.1 Миниатюрные резонаторы на ОАВ

да годной продукции, делаются аналитические оценки способов повышения достоверности испытаний. Автором аргументируются предлагаемые способы сокращения испытаний, анализируются технологические средства и надежность эксплуатации используемого оборудования и измерительной техники, предлагаются научно обоснованные и экспериментально подтвержденные сокращения времени испытаний. Приводится большой статистический материал.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью всестороннего анализа методов повышения качества и надежности миниатюрных пьезорезонаторов при различных видах воздействий, а также вызвана растущей сложностью и объемами производства изделий акустоэлектроники.

Целью работы является организация системы контроля качества и усовершенствование методик оценки качества пьезоэлектрических резонаторов, а также повышение механической прочности и стабильности частоты при различных видах внешних воздействий. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

• анализ современного состояния и перспективы развития рынка высокопрочных и высоконадежных кварцевых резонаторов в миниатюрном корпусе;

• определение влияния основных дестабилизирующих факторов на долговременную стабильность кварцевых резонаторов в миниатюрном исполнении;

• анализ действующей системы менеджмента качества, разработка и корректировка стандартов предприятий, регламентирующих процессы изготовления пьезоэлектрических резонаторов;

• разработка критериев выбора высококачественного сырья, обеспечивающего высокую технологичность и экономические показатели при производстве резонаторов повышенной стабильности;

• проведение теоретических и экспериментальных исследований по усовершенствованию методики контроля стабильности частоты кварцевых резонаторов;

• установка предельных норм изменения частоты кварцевых резонаторов за период 1000 50000 часов на основе экспериментальных данных;

• определение долговременной стабильности частоты кварцевых резонаторов на период 50000 - 150000 часов расчетным методом.

Методы исследования, использовавшиеся в настоящей диссертационной работе, базировались на экспериментально-аналитическом методе с использованием современной аналитической и контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающей возможность анализа полученных в экспериментах сведений о зависимости основных параметров и характеристик резонаторов от технологии производства.

Контроль качества кварцевых резонаторов проводится на нескольких стадиях:

• входной контроль качества используемого сырья проводится с помощью современных оптических методов на наличие посторонних включений, внутренних напряжений кристаллов, блоков и заготовок;

• контроль соответствия расчетных значений кристаллографической ориентации элементов проводится с точностью не хуже 10-45 угловых секунд с использованием современных рентгенгониометров и технологий;

• контроль качества обработки поверхности кристаллических элементов проводится с использованием высокоточного микроскопа типа LEICA MZ8;

• контроль толщины электродных покрытий, в процессе напыления, проводится с применением образцового кварцевого датчика с точностью ±50 Â;

• оценка основных параметров пьезоэлектрических резонаторов: добротность, стабильность номинальной частоты в интервале температур, динамическое сопротивление, емкостное соотношение Сд/С^ проводились с использованием эталонных измерительных приборов типа TRANSAT.

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые проведены испытания долговременной стабильности частоты и стабильности к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов с использованием современной комплектации и технологических материалов.

В диссертационной работе проведены ускоренные испытания кварцевых миниатюрных резонаторов среза AT на основе усовершенствованных вероятностно-статистических моделей для расчета долговременной стабильности.

По результатам испытаний ужесточены нормы на допустимые долговременные изменения частоты.

Установлена взаимосвязь качества искусственных монокристаллов кварца со стабильностью параметров и качеством изготовленных в серийном производстве пьезоэлектрических резонаторов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

• разработанный метод контроля гладкости ТЧХ позволил осуществлять оперативное управление качеством производства;

• повышена воспроизводимость технологического процесса и качества изготовления резонаторов;

• разработаны и откорректированы более 50 стандартов предприятий (организаций), позволившие улучшить качество и надежность разрабатываемых и изготавливаемых изделий акустоэлектроники;

• расширен верхний диапазон рабочих частот резонаторов на колебаниях сдвига по толщине с 150 МГц до 270 МГц;

• на основании разработанных технологических процессов и предложенных методов контроля снижена себестоимость изготавливаемых изделий;

• за счет усовершенствования методов электротермотренировки (ЭТТ) уменьшено время проведения испытаний и повышена достоверность прогноза старения до 50000 часов;

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная в процессе исследования модернизированная технология производства миниатюр-

5

ных кварцевых резонаторов на объемных акустических волнах внедрена на предприятиях: ОАО «Пьезо» (г. Москва), ОАО «Лит-Фонон» (г. Москва), ЗАО «Заводь Метеорит-Н» (г. Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Этна» (г. Москва).

На этих предприятиях с участием автора разработано и внедрено более 50 стандартов, регламентирующих обеспечение и контроль качества выпускаемых изделий пьезотехники.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Пезо-2008» (Москва - 2008) и «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис - 2008), а также на заседаниях НТС кластера «Группа предприятий «Пьезо» (г.Москва), предприятия ОАО «Лит-Фонон» (г.Москва), семинарах МГУПИ, ЗАО «Этна» (г.Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Завод Метеорит-Н» (г.Москва), ОАО «Метеор» (г.Волжский, Волгоградской обл.).

Основные результаты, представляемые к защите:

• новый метод контроля гладкости ТЧХ для оперативного управления качеством производства;

• результаты исследования влияния уровня возбуждения резонаторов на их основные параметры и характеристики (добротность, динамическое сопротивление и температурную стабильность частоты);

• технологическое обеспечение качества финишной обработки кристаллических элементов с целью минимизации динамического сопротивления Ri резонаторов и его стабильности в широком интервале рабочих температур;

• новый метод многократного сокращения времени испытаний миниатюрных кварцевых резонаторов при оценке их долговечности и надежности;

• результаты исследования влияния качества материалов, технологии изготовления и режимов эксплуатации на стабильность частоты и надежность миниатюрных кварцевых резонаторов;

• результаты исследований способов повышения стабильности параметров резонаторов в процессе и после воздействия внешних дестабилизирующих факторов.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в виде статей в журналах, трудах международных и российских конференций, сборнике трудов МГУПИ, из них 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ по специальности 05.11.14. Список работ приведен в автореферате.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений, содержит фотографии, схемы, рисунки и таблицы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются основные проблемы, дается анализ работ по надежности пьезоэлектрических приборов на ОАВ. Сформулирована цель, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены сведения об апробации и о

реализации результатов работы, а также основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены вопросы качества кварцевых резонаторов и его составляющие. Установлено, что наряду с высокими потребительскими свойствами изделий пьезоэлектроники, уровнем электрических параметров и функциональными возможностями, миниатюрностью и стабильностью важное значение имеют системы обеспечения качества и надежности поставляемой продукции, используемые на предприятиях.

При оценке качества на предприятиях пьезоэлектроники России применяются требования, принятые в международных стандартах серии ИСО 9000 и в комплексе новых стандартов России «Климат 7», в который входят ГОСТ РВ 20.57.412-97, РД В 319.015-2006 (требования к системе качества производств). Наиболее высоким уровнем эффективности систем качества обладают предприятия, прошедшие лицензирование своей системы контроля и обеспечения качества продукции военного назначения.

Рис. 2 Оборудование для изготовления пьезокварцевых резонаторов

Важное значение при изготовлении имеет систематический анализ результатов контроля качества выпускаемой продукции и сведения об их эксплуатационной надежности.

Для многих видов современной радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов и электронных комплексов необходимы пьезоэлектрические резонаторы, обладающие высокой надежностью, прочностью и стойкостью к повышенным внешним механическим и климатическим воздействиям. Они должны обладать более высокими значениями электрических параметров (малым динамическим сопротивлением К[, высокой добротностью <3 и точностью настройки резонансной частоты, высокой кратковременной и долговременной стабильностью частоты, малой зависимостью резонансной частоты от температуры, уровня возбуждения и т. д.). Определяющим показателем качества пьезоэлектрических устройств на основе использования объемных акустических волн (ОАВ) является способность резонатора сохранять номинальное значение частоты при воздействиях различных факторов окружающей среды (в первую очередь, время и температура).

Подавляющее большинство пьезоэлектрических резонаторов, востребованных в различных областях техники гражданского и военного назначения, должны обладать долговременной стабильностью частоты, определяемой несколькими единицами на 10"5-^10"7 за продолжительный период времени хранения в нормальных условиях и при повышенных температурах окружающей

7

среды. Как правило это наивысшая частота температурного диапазона работы или хранения пьезорезонатора.

Проведение подобных исследований позволяет определить резервы качества изделий, их недостатки, условия поставок изделий повышенного качества, направления работ по созданию новых типов кварцевых резонаторов.

Во второй главе обосновываются требования к основным параметрам, методам контроля качества, рассмотрены особенности конструкции и технологии производства миниатюрных резонаторов, предназначенных для длительной эксплуатации при повышенных воздействиях внешних факторов.

Уровень возбуждения (мощность, подаваемая на кварцевый резонатор), точность ориентации места крепления пьезоэлемента, качество монокристалла пьезоэлектрика, обработка поверхности, точность исполнения геометрических размеров кристаллического элемента и электродов, материал и способ крепления пьезоэлемента и ряд других причин приводят к снижению стабильности частоты и искажениям температурно-частотных характеристик.

При входном контроле качества поступивших монокристаллов должна производиться 100% оценка их добротности методом инфракрасного поглощения.

Кроме того, должна проводиться визуальная оценка плотностей инородных включений и дислокаций. Оценка качества монокристаллов, используемых при изготовлении резонаторов, производится на соответствие требованиям международного стандарта 1ЕС 758.

Точное исполнение соответствующего угла среза кристаллического элемента позволяет получить идентичные температурно-частотные характеристики высокочастотных миниатюрных резонаторов с кристаллическими элементами из кварца (срезы АТ, БТ и др.)(Рис.З и 4).

Л( в ¡шт.

+40 +30 +20 +10 0 -10 -20 -зо -<о -я

Рис. 3 Определение типов среза пьезоэлемента к кристаллографическим осям

„„ -40^30-20-10 О +10+28 +30 +40+50 +60 +70+80+90

Температура в °С.

Рис. 4 Зависимость отклонения частоты от температуры окружающей среды для пьезоэле-ментов с АТ срезом

С целью обеспечения высокой точности ориентации кристаллических элементов при резке монокристаллов используются современные высокопроизводительные и высокоточные станки с внутренней режущей кромкой, штрипсовые многолезвийные станки, станки с проволочной резкой.

Состояние поверхности кристаллического элемента определяет надежность и качество пьезоэлектрического резонатора, реализуемость заданных параметров, его долговечности и других свойств. Наряду с точностью кристаллографической ориентации, совершенством структуры важную роль в обеспечении высоких параметров резонаторов играет качество финишной обработки поверхности кристаллического элемента, обеспечение микронных и субмикронных допусков на частотоопределяющей размер (толщину); клиновидность пластин не должна превышать ±0,5% толщины, неплоскостность - не более 1 мкм, прогиб пластины не более 1,5 мкм, шероховатость рабочих поверхностей (высота микронеровностей) не хуже И=<0,1 мкм, адсорбированные поверхности не более одного монослоя. Остаточные напряжения и деформации кристалла вызывают временную нестабильность частоты и параметров резонаторов, повышают динамическое сопротивление, снижают качество резонатора.

Перспективным направлением применения новых технологий следует считать технологию лазерной обработки контура кристаллических элементов. Используемые в настоящее время методы формирования контура пластин путем его шлифовки позволяют изготавливать пластины с точность порядка ±20 мкм. Применение лазерного метода позволит существенно повысить точность изготовления миниатюрных кристаллических элементов и, следовательно, снизить трудоемкость операции настройки резонаторов.

При изготовлении кристаллических элементов в форме обратной меза-структуры (ОМС), на основную частоту до 300 МГц, их толщина формируется с точностью не ниже 100 нм, а толщина напыляемых серебряных электродов (-100 нм) с точностью не ниже ±1 нм. Такие точности обеспечиваются при использовании установок ионно-плазменного травления и магнетронного напыления. Формирование кристаллического элемента проводится с применением нанополировки (ионно-плазменная либо жидкостная химическая полировка). Формирование электродов осуществляется посредством нанесения на кристаллические элементы эпитаксиальных структур.

Одним из наиболее важных (наименее изученных) параметров кварцевых резонаторов является зависимость динамического сопротивления от уровня возбуждения.

Был обнаружен эффект многократного увеличения динамического сопротивления Яь аномальные изменения частоты и спектральных характеристик при прохождении некоторого времени пролеживания или эксплуатации резонаторов. Удалось установить зависимость этих дефектов параметров резонаторов от наличия поверхностных нарушений (царапины, сколы, и др.), напряжений в пьезоэлементе и мельчайших посторонних частиц на его поверхности. Экспериментально было установлено, что эффект «второго уровня возбуждения» (ВУВ) наблюдается в резонаторах, при изготовлении которых не были обеспе-

чены необходимые требования к адгезионной прочности электродного покрытия с поверхностью кристаллического элемента. Кроме того, при анализе резонаторов, забракованных по признаку ВУВ, наблюдается наличие совокупности царапин и трещин, которые могут приводить к отслаиванию частиц монокристаллического элемента.

При понижении уровня возбуждения по сравнению с указанными в ТУ значениями происходило значительное увеличение динамического сопротивления резонатора на резонансной частоте (рис. 5). Генератор не удавалось возбудить при малых величинах мощности возбуждения, в фильтрах (где использовался резонатор) искажалась полоса пропускания, увеличивалась её неравномерность.

Рис. 5 Зависимость динамического сопротивления резонатора на частоте 20 МГц от уровня возбуждения

Одним из условий, исключающих появление эффекта ВУВ, является оценка величины динамического сопротивления на согласованных с потребителем минимальных значениях уровня возбуждения (например 5-И00 мкВт).

Причиной эффекта ВУВ является накопление на поверхности колеблющегося элемента посторонних частиц микронного, субмикронного и более мелких размеров, напряжения в кристаллическом элементе, напряжения при обработке поверхности. Дефекты металлизации, дефекты сырья (примеси и т.д.), загрязнения поверхности могут явиться источником появления посторонних частиц, вызывающих появление эффекта ВУВ. Очистка от посторонних микрочастиц всех деталей пьезорезонатора является необходимым условием его надежной работы в самых разнообразных схемах генераторов, в том числе с очень низким уровнем возбуждения.

Основные требования к кристаллическим элементам, которые необходимо выполнить для получения высокостабильных миниатюрных резонаторов:

- использование высококачественного исходного сырья с добротностью превышающей (1,8+3,8)-106;

- обеспечение геометрического совершенства поверхностей (основные грани и контур) с высокой степенью плоскопаралельности, отсутствием "волнистости" и с минимальной шероховатостью;

- обеспечение заданного угла ориентации пластин с максимально возможной точностью (порядка десятков секунд), ориентации относительно кристаллографических осей и максимально возможной степенью совершенства

кристаллической структуры, минимальной плотностью дефектов (поверхностных, приповерхностных, объемных);

- поверхности кристаллических элементов должны обладать высокой степенью физико-химической чистоты (отсутствие оксидных и адсорбированных продуктов реакции или реагентов, проявляющихся после химического полирования, финишной и пооперационной очистки с применением особо чистых химических веществ, с созданием условий, обеспечивающих сохранение достаточной чистоты кристаллических элементов и исключающих возможность повторного загрязнения их поверхности от соприкосновения с тарой, окружающей средой и технологическими средами);

- исключение на приемо-сдаточных испытаниях приборов с высоким уровнем возбуждения (шокеры типа «Т8М»);

- применение токовой электротермотренировки является эффективным способом удаления микрочастиц с поверхности пьезоэлемента после его монтажа в держатель.

Третья глава посвящена выбору системы контролируемых параметров пьезоэлектрического резонатора. Одним из основных параметров, контролируемых при производстве изделий пьезотехники, является температурно-частотная характеристика (ТЧХ), контроль гладкости которой служит методом оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов.

Добиваться минимальных изменений частоты в интервале рабочих температур (ИРТ) остаётся первоочередной задачей разработчиков и изготовителей кварцевых резонаторов. Благодаря использованию рентгеновских методов, позволяющих обеспечить ориентацию кварцевых заготовок относительно кристаллографических осей с точностью ±30", практически обеспечивается выполнение жёстких допусков к максимальному изменению рабочей частоты резонаторов в ИРТ.

В технических условиях на кварцевые резонаторы как правило приводятся графики типовых ТЧХ и границы изменений частоты для различных ИРТ. Для резонаторов среза АТ типовые ТЧХ имеют вид кубической параболы:

А№= а(Т-То) + (З(Т-То)2 + у(Т-Т0)3,

где -ДСТ относительное изменение рабочей частоты при температуре Т от её значения при температуре Т0, а а, р и у - температурные коэффициенты частоты первого, второго и третьего порядков, соответственно, величины которых зависят в первую очередь от угла среза кварцевого кристаллического элемента.

Реальные ТЧХ кварцевых резонаторов могут иметь отклонения от расчетного значения. Параметр, характеризующий величину отклонения темпера-турно-частотной зависимости от расчетной ТЧХ, условно обозначим термином «гладкость ТЧХ» по аналогии с гладкой функцией, имеющей по определению непрерывную производную на всем множестве значений. Величина отклонения частоты нередко находится в пределах допуска по максимальному отклонению

частоты в ИРТ (рис. 6) и сопровождается увеличением эквивалентного динамического сопротивления в тех же точках температурного интервала.

Температура, #С

Рис.6 - Кварцевый резонатор с негладкостью температурно-частотной характеристики 2,5-Ю"6

Среди многих причин деформации нормального вида ТЧХ отметим следующие:

-наличие дефектов в используемом кварцевом сырье; -неоптимальность геометрической формы кристаллического элемента, чаще всего проявляющаяся в низкочастотном диапазоне частот резонаторов среза АТ;

-нарушения технологического процесса обработки кристаллического элемента, приводящего к увеличению амплитуды нежелательных резонансов и появлению эффекта связанных колебаний в ИРТ, особенно сильно проявляющегося в высокочастотных резонаторах;

-слишком большая жесткость системы крепления пьезоэлемента; -низкое качество электродного покрытия и (или) неоптимальные размеры возбуждающих электродов, приводящие к эффекту связанных колебаний;

-превышение допускаемого уровня мощности возбуждения резонаторов. Специалистам в области разработки и использования кварцевых резонаторов эффект искажения кривых ТЧХ известен давно. Однако, до недавнего времени сформулировать требование в виде конкретных допусков, которые можно было бы ввести в техническую документацию на кварцевые резонаторы, не удавалось. В данной работе впервые создана и эффективно используется в процессе разработок и производства кварцевых резонаторов в диапазоне частот от 1 МГц до 300 МГц программа, позволяющая измерять и производить отбраковку изделий с отклонениями ТЧХ заданной величины. На рис. 7 приведены ТЧХ резонаторов с отклонениями ±3-10"6. Для сравнения на рис. 8 показаны ТЧХ резонаторов той же партии с отклонениями ±1Т0"6.

Температура, "С

Рис. 7 - Температурно-частотные характеристики партии кварцевых резонаторов с негладкостью 3-10"6

Рис. 8 - Температурно-частотные характеристики партии кварцевых резонаторов с негладкостью 1 • 10"6

Дополнительный эффект в результате систематического использования программы по измерению гладкости ТЧХ заключается в том, что при этом имеется возможность осуществлять оперативный контроль производства. В постоянно действующем производственном процессе увеличение количества резонаторов с большими отклонениями от требований к гладкости ТЧХ как правило связано с дефектами из-за нарушений технологических процессов. В условиях, когда необходимо внедрять требования стандартов СМК, дополнительная информация о ТЧХ позволяет не только «выполнять требования, не определённые потребителем, но необходимые для конкретного или предполагаемого использования» (п.7.2.1б ГОСТ Р ИСО 9001-2001). Программа по измерению гладкости ТЧХ может использоваться также в качестве «метода мониторинга и измерения процессов как контроля стабильности технологических процессов и контроля технологической дисциплины» и служить основанием для разработки программы предупреждающих действий с целью повышения качества изделий (п.п.8.2.3.1 и 8.5.3.1 РД В 319.015-2006).

В чевертой главе обосновывается необходимость введения групповых методик электротермотренировок (закалки) в технологическом процессе производства резонаторов высокой стабильности, рассмотрены групповые методики электротермотренировки (ЭТТ), даются рекомендации по ЭТТ. Приводится методика ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов на основе вероятностно-статистических моделей.

Воздействие повышенных температур, электрических режимов (напряжений, токов и мощностей), ударов, вибраций, акустических шумов и т.д. увеличивают интенсивность отказов пьезорезонаторов. Тщательное соблюдение технологических регламентов, особенно выполнение требований по вакуумной гигиене, обеспечивает высокую надёжность изделий с интенсивностью отказов до

Среди различных факторов, влияющих на параметры резонаторов, особую, если не главную, роль играет температура. Согласно закону Аррениуса скорость физических и химических процессов, определяющих механизм изменения частоты резонаторов во времени, при увеличении температуры на каждые (8 - 10)°С удваивается. Этот эффект, зафиксированный многими исследователями, позволяет значительно сократить продолжительность испытаний пьезоэлектрических резонаторов. Однако, в зависимости от типа испытуемых резонаторов, их конструкции, массы пьезоэлемента и его номинальной частоты процесс ускорения может и должен меняться. При этом при повышении температуры надо учитывать появление дополнительных факторов, влияющих на частоту резонаторов. Ускоренные температурные испытания являются наиболее эффективным инструментом не только для количественной оценки интенсивности отказов кварцевых резонаторов, но и для обнаружения и отбраковки потенциально ненадёжных изделий.

Для оценки ухода частоты на время прогнозирования (с целью проверки соответствия уходов частоты при испытаниях нормам, заданным в НТД, а также оценки вероятности безотказной работы на время прогнозирования) была разработана методика ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов на основе вероятностно-статистических моделей.

Метод основан на выборе прогнозирующей функции, описывающей характер изменения частоты резонаторов во времени, по результатам неполных (сокращенных) испытаний за период 30+50% от заданных в НТД значений минимальной наработки, гамма-процентного ресурса или срока сохраняемости.

Оценку величины среднего значения ухода частоты производят путем подстановки в прогнозирующую функцию значения времени прогноза 1по.

Для оценки стандартного отклонения Бщ, за время прогноза ^ находят значение коэффициента вариации по результатам неполных испытаний

где Бщах - максимальное значение стандартного отклонения уходов частоты за

(Ю-9 - Ю~10) 1/час.

время неполных испытаний, М- - соответствующее 8тах среднее значение уходов частоты.

Величину 8Пр находят из выражения г.

¿V

Оценка максимальных уходов частоты на время прогноза производится по выражению

* шах ./ пр

где Кр коэффициент для определения двусторонних толерантных границ. Значение К, приведены в ОСТ В 11 070.059 (при р=0,95; j=0,9).

Вероятность безотказной работы или безотказного хранения рО) на момент времени прогноза ^ определяется из выражения

P(t) = Ф

А/ А/

f f

•S кр J пр

f*p

где г - критерии отказа резонаторов,

J кр

Ф - функция Лапласа.

При прогнозировании минимальной наработки t„ в качестве ее оценки принимается момент времени, при котором прогнозированное значение вероятности безотказной работы р (О = 0,99. При прогнозировании ресурса tj вероятность безотказной работы принимается р (tj)=0,95 или p(tj)=0,90

Задача настоящего исследования заключалась в определении возможности по результатам измерений уходов частоты при 120 С производить отбраковку потенциально нестабильных резонаторов. В качестве критерия годности устанавливается требование по кратковременной безотказности при температуре 85°С. Для резонаторов РК45 изменение частоты за 500ч не должно превышать ±10-10"6, для резонаторов РК456 - не более - ±15-10"6 за 1000ч. Для крепления пьезоэлементов в кварцедержателе в резонаторах рассматриваемых типов используется токопроводящий клей ТОК-2 с температурой полимеризации 180°С. В процессе измерений использовался комплекс Transat и термостатирующая установка «Динар». Для уменьшения погрешности до ±1-10"6 измерения конкретных резонаторов проводились в одних и тех же гнездах установки «Динар».

При увеличении температуры до 120°С все процессы, которые влияют на старение резонаторов, ускоряются. Однако, повышение температуры, при которой проводится термотренировка, и время её воздействия очевидно должны регламентироваться. Связано это с тем, что увеличение температуры и длительности термообработки до некоторого значения может привести к

15

такому уровню энергии активации процессов, которые никогда не могут возникнуть в процессе эксплуатации резонаторов. Задача разработчиков и изготовителей резонаторов состоит в том, чтобы спровоцировать процессы, влияющие на стабильность резонаторов, только в пределах температурных и временных условий эксплуатации изделий.

С целью экспериментального обоснования возможности повышения температуры тренировки до 120°С были изготовлены резонаторы на частоты 63 МГц (по 3-ей гармонике), 21,851 МГц и 12 МГц (основная мода) по 40 шт. каждой частоты. Половина партий каждого номинала (20шт.) подвергалась тренировке при 85°С в течение 500 ч и 1000 ч, другая половина - термообработке при 120°С в течение 168 ч и последующим испытаниям при 85°С в течение 500 ч и 1000 ч. На рис.9 показаны максимальные изменения частоты резонаторов на 63 Мгц после тренировки в течение 500 ч при 85°С от 3,9-10"6 до минус 4,1 ТО"6. На рис.10 максимальные изменения частоты таких же резонаторов при 120°С в течение недели (168 ч) от9Т0"6 до минус 11,8-10 6. Сравнивая рис.9 и рис.10 можно убедиться в том, что для того, чтобы получить эффект от воздействия температуры 85°С в течение 500 ч, достаточно 85 ч тренировки при 120°С.

Рис. 9 - Старение резонаторов на час- Рис. 10 - Старение резонаторов на частоту 63 МГц по 3-ей механической тоту 63 МГц по 3-ей механической гармонике при 85°С гармонике при 120°С

На рис.11 приведены результаты измерений старения резонаторов после того, как была изменена температура с 120°С на 85°С.

Рис. 11 - Старение резонаторов на частоту 21,851 МГц при температуре 120°С (168 ч) и при температуре 856С (332 ч)

ню 2Ш . эт .: от : ал

Время, час

Из данных, приведенных на рис. 9, 10 и 11, следует, что тренировать резонаторы при 120°С в течение 168 ч совсем не обязательно. Достаточно это делать в течение 3,5+4 суток (85+100 ч). Дальнейшее повышение температуры термотренировки и увеличение её длительности не всегда приводит к положительным результатам. В частности термотренировка при 120°С в течение двух недель (336 ч) привела к значительным непредсказуемым изменениям частоты отдельных резонаторов. К ещё более катастрофическим последствиям привело увеличение температуры термотренировки до 150°С в связи с тем, что это температура приближается к температуре полимеризации токопроводящего клея, используемого при монтаже пьезоэлемента в кристаллодержатель.

Проведенные эксперименты подтвердили адекватность и целесообразность замены испытаний резонаторов в течение 42 суток при температуре +85°С на испытания при +120°С в течение трёх суток с экстраполяцией полученных данных на срок испытаний 500 ч и 1000 ч при температуре +85°С.

В заключении обобщаются результаты исследований автора, описывающие основные результаты работы:

1. Проведен анализ современного состояния и перспективы развития рынка высокопрочных и высоконадежных кварцевых резонаторов в миниатюрном корпусе.

2. Определены основные дестабилизирующие факторы (температура и механические воздействия) на долговременную стабильность кварцевых резонаторов в миниатюрном исполнении для разработки стандартов организаций по системе менеджмента качества.

3. Разработано и откорректировано более 50 стандартов организаций, регламентирующих процессы изготовления высокоустойчивых к внешним воздействиям пьезоэлектрических резонаторов.

4. Определены критерии выбора высококачественного сырья, обеспечивающего высокую технологичность и экономические показатели при произ-

водстве резонаторов повышенной стабильности, такие как добротность исходного сырья не менее 1.8-106.

5. Разработан и внедрен в производстве контроль гладкости темпера-турно-частотной характеристики (ТЧХ) как метод оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов, позволяющий осуществлять оперативный контроль производства.

6. Разработан и внедрен в производство метод оценки долговременной устойчивости частоты резонаторов, обеспечивающий оперативный и надежный прогноз стабильности частоты за длительный период эксплуатации резонаторов (более 50 тыс.часов).

Основные результата диссертации изложены в следующих работах:

1. Мияенин П.П., Сердюков С.К, Грузиненко В.Б. Резонаторы для высокостабильных микрогенераторов.// «Электроника». 2008. № 2 (84). - с.38-41.

2. Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б. Изделия пьезотехни-ки. Нанотехнологии - путь совершенствования.// «Инструментальный мир». 2008. № 3 (28). - с.64-65.

3. Сердюков С.Н., Караульник А.Е., Мацак А.Н., Грузиненко В.Б., Ка-ландадзе Д.И., Дзыба С.И., Жаров А.Л., Третьяков Б.Г., Мамченко В.Б. Старение резонаторов при различных температурах.// Сборник трудов научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008.- с.131-133.

4. Жаров A.JI., Третьяков Б.Г., Караульник А.Е„ Каландадзе Д.И., Грузиненко В.Б., Мацак А.Н., Сердюков С.Н. Контроль гладкости ТЧХ как метод оценки качества резонаторов.// Сборник трудов научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008.- с. 127-130.

5. Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б. Миниатюрные резонаторы и технологии их изготовления.// Сборник трудов научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008.- с.182-185.

6. Кондратенко B.C., Миленин П.П., Наумов B.C., Сердюков С.Н., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Кобыш Н.И., Грузиненко В.Б., Медведев A.B. Нанотехнологии в производстве изделий пьезотехники и оптоэлектроники.// Сборник трудов научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», Хаммамет (Тунис), 2008. - с.62-66.

7. Грузиненко В.Б., Медведев A.B., Миленин П.П., Сердюков С.Н. Нанотехнологии в производстве изделий пьезотехники.// «Наноиндустрия». 2009. №2(14).-с.18-20.

8. Симакина Н.В., Артюков И.А., Сердюков С.Н. Исследование процесса наноразмерного ионно-лучевого полирования поверхности ситалла.// Сборник трудов научно-технического семинара «Вакуумная техника и техноло-гия-2009». Санкт-Петербург. 2009. - с.78-80.

9. Симакина Н.В., Симакин С.Б., Нестеров С.Б., Сердюков С.Н. Исследование влияния химического состава плазмообразующей среды при ионно-лучевом полировании на шероховатость поверхности ситалла.// Материалы

XVI научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». Москва. 2009. - с.220-224.

10. Сердюков С.Н. Повышение надежности и качества пьезоэлектрических резонаторов.// «Интеграл». 2009, № 5 (49). - с.23-24.

11. Сердюков С.Н.. Кондратенко B.C. Методика сокращения времени испытаний кварцевых резонаторов на безотказность.// «Вестник МГУПИ». 2009. №22.-с. 141-145.

12. Сердюков С.Н., Кондратенко B.C. Эффект «второго уровня возбуждения в пьезоэлектрических резонаторах// «Приборы». 2010. № 6 (120). - с. 34-37.

JIP № 020418 от 08 октября 2007 г.

Подписано к печати 05.05.2010 г. Формат 60 х 84.1/16 Объем 1,0 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 200а

Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики 107996, Москва, ул. Стромынка, 20

Введение.

Глава 1 Качество кварцевых резонаторов и его составляющие.

1.1 Основы технического регулирования.

1.2 Организационные основы стандартизации изделий пьезотехники.

1.3 Категории нормативных документов для пьезорезонаторов специального назначения.

1.4 Сертификация - показатель эффективности системы качества производства пьезоэлектрических резонаторов.

1.5 Влияние внешних воздействий на стабильность частоты пьезоэлектрических резонаторов.

1.5.1 Механические воздействия.

1.5.2 Влажность.

1.5.3 Влияние ионизации газовой среды внутри резонатора на стабильность частоты и потери в резонаторе.

1.6 Количественные показатели надежности.

Глава 2 Особенности конструкции и технологии.

2.1 Требования к сырью.

2.1.1 Выбор кристалла.

2.1.2 Основные дефекты кварца.

2.1.3 Основные требования к кристаллам кварца.

2.1.4 Влияние кварцевого сырья на качество кварцевых резонаторов.

2.1.5 Требования к качеству кварца.

2.1.6 Резка монокристаллов.

2.1.7 Герметизация кварцевых резонаторов.

2.1.8 Крепление пьезоэлемента в кварцевом резонаторе.

2.2 Требования к корпусам.

2.3 Второй уровень возбуждения.

Выводы.

Глава 3 Разработка методов повышения качества кварцевых резонаторов.

3.1 Проблемы конструирования и изготовления резонаторов с монотонными температурно-частотными характеристиками.

3.2 Контроль гладкости АЧХ как метод оценки качества резонаторов.

3.3 Описание работы программы для снятия температур-но-частотных характеристик резонаторов DinC

NA.EXE.

3.3.1 Назначение программы и основные функции.

3.3.2 Описание главного окна программы.

3.3.3 Просмотр результатов измерений.

3.3.4 Сортировка по критериям.

3.3.5 Загрузка файлов для просмотра и сортировки.

Выводы.

Глава 4 Метод ускоренной оценки качества пьезоэлектрических резонаторов.

4.1 Старение кварцевых резонаторов.

4.2 Методика оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов на основе вероятностно-статистических моделей.

4.2.1 Метод выбора прогнозирующей функции.

4.2.2 Метод оценки показателей надежности с применением вероятностно-статистических моделей.

4.3 Алгоритм работы программы анализа результатов ускоренного старения кварцевых резонаторов.

4.4 Экспериментальное подтверждение результатов расчета.

Выводы.

Рост объемов производства устройств мобильной связи; приборостроения; криптографии; систем управления движением летательных аппаратов и наземного транспорта; навигационных и радиолокационных систем, радаров; бортовых эталонов частоты, времени и вычислительных комплексов; систем обнаружения терпящих бедствие объектов, устройств низовой и правительственной связи; базовых станций и ретрансляторов; бытовой и военной техники, а также большое количество других важнейших отраслей науки, промышленности и транспорта требуют увеличения объемов производства и расширения номенклатуры разнообразных видов пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах.

Практика контроля качества и надежности пьезоэлектронной продукции, сложившаяся в последние годы, не обеспечивает требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. На российском рынке появилось большое количество дешевых резонаторов которые относятся к наиболее низкой категории качества — так называемым «коммерческим» изделиям. Их дешевизна обеспечивается за счет использования упрощенных технологий, низкосортных конструкционных и технологических материалов и корпусов, отсутствием входного и пооперационного контроля. Такие изделия могут применяться в простейшей продукции: дешевых игрушках, сувенирах, устройствах разового или кратковременного использования. Анализ этих изделий показывает, что в большинстве своем они негерметичны, изготовлены с серьезными отклонениями от общепринятых технологий и не могут выполнять функции стабилизации или селекции частоты. Количество брака в предоставленных для анализа изделиях составляет от 20 % до 80 %. В основном это изделия импортного производства.

Изделия «индустриального» назначения стоят в 2-3 раза дороже. Они изготавливаются с контролем на определяющих технологических операциях и поставляются после 100 % контроля ОТК на соответствие параметрам, указанным в технических условиях. Эта система обеспечивает поставку изделий, при которой брак не превышает 0,01 %.

Изделия «военного» и особенно «космического» назначения изготовляются со 100 % контролем основных конструкционных и технологических материалов и комплектующих, с большим количеством контролируемых параметров и характеристик, регулярным проведением периодических испытаний на больших выборках. Надежность таких изделий значительно выше.

В Российской Федерации выпуск специальной продукции в 2009 году вырос на 11,7% по отношению к прошлому году, продукция специального назначения составила около 71,9% всего промышленного производства [1].

Объем производства научно-технической продукции (НТП) незначительно увеличился (на 0,1%) по сравнению с прошлым годом. В том числе объем продукции специального назначения снизился на 1,2%, а гражданского назначения, наоборот, вырос на 8,1%. Удельный вес научно-технической продукции специального назначения в общем объеме НТП составляет 85,1%. Удельный вес НИОКР, выполняемых в интересах обороны и безопасности, в общем объеме НИОКР составил почти 87%.

Одной из важнейших задач, встающих перед разработчиками, является повышение качества выпускаемых изделий всех категорий качества [2]. Но особые требования к качеству изделий, их надежности и долговечности предъявляют к изделиям, входящим в состав аппаратуры военного назначения, авиационной и космической техники.

С этой целью ведущими мировыми научными и производственными центрами ведутся интенсивные исследования по разработке новых методов повышения качества пьезоэлектронных устройств и увеличения их надежности.

Активно возрождаемая в настоящее время сертификация систем обеспечения качества способствует повышению не только эксплуатационной надежности, но и технического уровня изделий пьезотехники [3]. Ряд основополагающих документов, позволяющих создать на предприятиях пьезотехники современную систему обеспечения качества и повысить технический уровень выпускаемой продукции, разработан и внедряется 22 ЦНИИИ Минобороны России и «Электронстандартом». Разработанная система управления качеством ставит своей основной целью создание продукции высокого качества при минимуме затрат. Сочетание высококвалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров с современной производственной базой позволяет решать постоянно усложняющиеся задачи оперативной разработки и организации производства высококачественных пьезоэлектрических резонаторов высокого технического уровня.

При оценке качества на предприятиях пьезоэлектроники России применяются требования, принятые в международных стандартах серии ИСО 9000 и в комплексе новых стандартов России «Климат 7», в который входят ГОСТ РВ 20.57.412-97 [4] (требования к системе качества и производств). Понятно, что наиболее высоким уровнем эффективности систем качества обладают предприятия, прошедшие сертификацию своей системы контроля и обеспечения качества продукции военного и космического назначения.

Постановлением Правительства Российской Федерации от 26 ноября 2007 г. № 809 «О федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008-2015 [5] четко обозначено, что сектор рынка, связанный с созданием военной и специальной электронной компонентной базы и радиоэлектроники, способен обеспечить небольшую, но стабильную загрузку российской радиоэлектронной промышленности. Анализ государственной программы вооружения показывает, что к 2015 году ежегодный объем серийных закупок электронной компонентной базы и радиоэлектроники будет составлять более 30 млрд. рублей в год.

Таким образом, актуальность данной работы посвящена решению важной проблемы: совершенствованию технологии и повышению качества производства миниатюрных кварцевых резонаторов в широком диапазоне частот от единиц килогерц до сотен мегагерц [6]. Эти изделия широко востребованы для различных видов радиоэлектронной аппаратуры, приборов и устройств космического, военного и гражданского назначения. Миниатюризация, повышение надежности, добротности, стабильности частоты и сопротивления при высоких уровнях внешних воздействий (удары, вибрации, температуры, радиация и др.) сегодня являются важнейшими требованиями для обеспечения развития производства и потребления кварцевых резонаторов, используемых в приборостроении, автоматике, специальной технике, метрологии, изделиях широкого потребления. Мировое потребление пьезоэлектрических резонаторов сегодня оценивается миллиардами штук в год (в денежном выражении более 15 млрд. долларов в год). Особо востребованы резонаторы в миниатюрном исполнении. Поэтому в России и других промышленно развитых странах (особенно в Японии и США) ежегодно проводятся исследования и разработки, направленные на повышение электрических и эксплуатационных параметров, а также работы по созданию высоконадежных и миниатюрных кварцевых резонаторов.

Проводимые в рамках настоящей работы исследования посвящены одной из наиболее важных проблем совершенствования параметров, повышения надежности и качества миниатюрных пьезоэлектрических резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ).

Рисунок1 Миниатюрные резонаторы на ОАВ

На рисунке 1 представлены миниатюрные резонаторы на ОАВ в различных корпусах.

Существующие традиционные методы оценки надежности пьезоэлек-тронных устройств значительно снижают оперативность производства и оценку качества выпускаемых предприятиями отрасли изделий, что в 2-3 раза увеличивает сроки их поставок предприятиям-потребителям. Модернизация технологических процессов, использование новейших видов производственного и метрологического оборудования, оптимизация входного контроля технологических и конструкционных веществ и материалов, применение автоматических средств в различных производственных процессах и измерениях позволяют оптимизировать не только технологию и конструкцию изделий, но и повысить достоверность используемых методов оценки качества и эксплуатационной надежности изделий пьезотехники [7].

В работе приводятся экспериментально-теоретические основы обеспечения высокой надежности пьезоэлектрических резонаторов, повышения выхода годной продукции, делаются аналитические оценки способов повышения достоверности испытаний. Автором аргументируются предлагаемые способы сокращения испытаний, анализируются технологические средства и надежность эксплуатации используемого оборудования и измерительной техники, предлагаются научно обоснованные и экспериментально подтвержденные сокращения времени испытаний. Приводится большой статистический материал.

Таким образом, актуальность работы определяется необходимостью всестороннего анализа методов повышения качества и надежности миниатюрных пьезорезонаторов при различных видах воздействий, а также вызвана растущей сложностью и объемами производства изделий акустоэлектро-ники.

Научная новизна работы состоит в том, что в данной работе впервые проведены испытания долговременной стабильности частоты и стабильности к воздействиям внешних дестабилизирующих факторов с использованием современной комплектации и технологических материалов.

В диссертационной работе проведены ускоренные испытания кварцевых миниатюрных резонаторов среза AT на основе усовершенствованных вероятностно-статистических моделей для расчета долговременной стабильности частоты.

По результатам испытаний ужесточены нормы на допустимые долговременные изменения частоты.

Установлена взаимосвязь качества искусственных монокристаллов кварца со стабильностью параметров и качеством изготовленных в серийном производстве пьезоэлектрических резонаторов.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

-разработанный метод контроля гладкости ТЧХ позволил осуществлять оперативное управление качеством производства; -повышена воспроизводимость технологического процесса и качества изготовления резонаторов; -разработаны и откорректированы более 50 стандартов предприятий (организаций), позволившие улучшить качество и надежность разрабатываемых и изготавливаемых изделий акустоэлек-троники;

-расширен верхний диапазон рабочих частот резонаторов на колебаниях сдвига по толщине с 150 МГц до 270 МГц; -на основании разработанных технологических процессов и предложенных методов контроля снижена себестоимость изготавливаемых изделий;

-за счет усовершенствования методов электротермотренировки (ЭТТ) уменьшено время проведения испытаний и повышена достоверность прогноза старения до 50000 часов;

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанная в процессе исследования модернизированная технология производства миниатюрных кварцевых резонаторов на объемных акустических волнах внедрена на предприятиях: ОАО «Пьезо» (г. Москва), ОАО «Лит-Фонон» (г. Москва), ЗАО «Заводь Метеорит-Н» (г. Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Этна» (г. Москва).

На этих предприятиях с участием автора разработано и внедрено более 50 стандартов, регламентирующих обеспечение и контроль качества выпускаемых изделий пьезотехники.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Пе-зо-2008» (Москва - 2008) и «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (Тунис - 2008), а также на заседаниях НТС кластера «Группа предприятий «Пьезо» (г.Москва), предприятия ОАО «Лит-Фонон» (г.Москва), семинарах МГУПИ, ЗАО «Этна» (г.Москва), ООО «Фирма Микросистемы» (пос. Малаховка, Московской обл.), ЗАО «Завод Метеорит-Н» (г.Москва), ОАО «Метеор» (г.Волжский, Волгоградской обл.).

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений, содержит фотографии, схемы, рисунки и таблицы.

В первой главе рассмотрены вопросы качества кварцевых резонаторов и его составляющие. Установлено, что наряду с высокими потребительскими свойствами изделий пьезоэлектроники, уровнем электрических параметров и функциональными возможностями, миниатюрностью и стабильностью важное значение имеют системы обеспечения качества и надежности поставляемой продукции, используемые на предприятиях.

Во второй главе обосновываются требования к основным параметрам, методам контроля качества, рассмотрены особенности конструкции и технологии производства миниатюрных резонаторов, предназначенных для длительной эксплуатации при повышенных воздействиях внешних факторов.

Третья глава посвящена выбору системы контролируемых параметров пьезоэлектрического резонатора. Одним из основных параметров, контролируемых при производстве изделий пьезотехники, является температурно-частотная характеристика (ТЧХ), контроль гладкости которой служит методом оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов.

В чевертой главе обосновывается необходимость введения групповых методик электротермотренировок (закалки) в технологическом процессе производства резонаторов высокой стабильности, рассмотрены групповые методики электротермотренировки (ЭТТ), даются рекомендации по ЭТТ. Приводится методика ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов на основе вероятностно-статистических моделей.

В приложениях приведены: акты внедрения результатов диссертационной работы и стандарты предприятий по системе менеджмента качества.

Обзор литературы

В Советском Союзе большое внимание уделялось вопросам повышения качества и надежности. Многие авторы в своих работах обращали внимание вопросам повышения качества промышленно выпускаемых кварцевых резонаторов [8, 9, 10, 11, 12]. Но самые серьезные вопросы в отношении качества и надежности ставило перед наукой Министерство обороны. И НПО «Фонон», ведущая организация по пьезоэлектронике, выполняло по заказу Министерства электронной промышленности и Министерства обороны научно-исследовательские работы (НИР) по данной тематике. В частности были проведены НИР «Полет - 87» «Исследование надежности пьезоэлектрических приборов и электромеханических фильтров» [13] в которой приведены значения отказов отдельных типов, групп и классов изделий, определенные путем обобщения результатов испытаний на надежность и результатов экспериментальных исследований. В работе представлены данные по отказам изделий на испытаниях с указанием основных видов и причин отказов, приведены статистические характеристики распределений параметров - критериев годности. НИР «Риф - 11» «Апробирование и совершенствование методов ускоренной оценки долговечности кварцевых резонаторов» [14] в которой апробировались методики ускоренной оценки надежности пьезоэлектрических резонаторов. Ставились задачи исследований перспективных методов прогнозирования надежности, в частности метод распознавания образов. НИР «Русло-Неман» «Исследование путей совершенствования методов оценки надежности (безотказности, долговечности) изделий пьезотехники» [15] в задачи которой входила разработка методик индивидуального прогнозирования на основе информативных параметров и методов неразрушающего контроля. В данной работе дается заключение, что значительное влияние на процессы, определяющее значение частоты при испытаниях кварцевых резонаторов, оказывает воздействие повышенной температуры, особенно в диапазоне свыше плюс 60°С. Влияние других климатических факторов (пониженных температур, повышенного и пониженного давления, влаги и т.д.) внешней среды на параметры изделий пьезотехники было исследовано в [16, 17, 18, 24]. В частности, результаты комплексных исследований показали, что воздействие холода на параметры резонаторов незначительно, температурное циклирование приводит к небольшим разнонаправленным уходам частоты, причем резонаторы выдерживают в 20^-30 раз больше температурных циклов, чем регламентировано техническими условиями (ТУ) на изделие.

Испытания на механические воздействия (вибро- и ударопрочность, вибро- и удароустойчивость, одиночные удары, линейные ускорения и акустические шумы) согласно [19, 25], также не приводят к столь существенным изменениям параметров изделий пьезотехники, которые имеют место при воздействии повышенных температур. В то же время при повышенных механических воздействиях в ряде случаев могут возникать катастрофические (полные) отказы, которые свидетельствуют о значительном отклонении от технологического процесса или о несовершенстве конструкции изделия. В ряде работ исследовалось влияние электрической нагрузки на долговременную стабильность частоты резонаторов путем сравнительных испытаний изделий в рабочем режиме (под нагрузкой) и режиме хранения [20, 23, 27]. Было определено, что электрическая нагрузка при мощностях рассеивания на резонаторах не более 2 мВт (максимальная мощность по ТУ) практически не оказывает влияния на долговременную стабильность параметров резонаторов.

Накопленная информация по влиянию внешних воздействующих факторов на параметры изделий пьезотехники однозначно показывает, что наибольшее влияние на изменение параметров оказывает воздействие повышенных температур.

В [16, 21] было выдвинуто предположение о том, что изменение параметров изделий пьезотехники после каждого вида воздействия не зависят от предыдущего воздействия.

Для подтверждения выдвинутых предположений были проведены исследования влияния механических воздействующих факторов на безотказность и долговечность кварцевых резонаторов [22, 25, 26]. Для этого ряд групп резонаторов перед испытанием на долговечность был подвергнут воздействию как одного вида, так и целого комплекса механических факторов. Затем эти резонаторы вместе с резонаторами, не подвергавшимся воздействиям, были испытаны на долговечность. Полученные результаты позволяют утверждать, что как отдельные виды, так и комплекс механических нагрузок не оказывает существенного влияния на безотказность и долговечность кварцевых резонаторов. В то же время воздействие температур свыше плюс 60°С приводит к существенному увеличению скорости изменения частоты резонаторов при испытании на надежность (безотказность и долговечность).

Анализ работ по надежности кварцевых резонаторов предыдущего поколения (в стеклянных корпусах, значительными массогабаритными параметрами) позволяет исследовать вопрос показателей качества и надежности современных миниатюрных кварцевых резонаторов. В этих работах были определены основные направления повышения качества и надежности пьезоэлектрических резонаторов, заложен фундамент дальнейшего развития одной из составляющих электроники - акустоэлектроники.

Выводы:

Из данных, приведенных на рис. 1+28, следует, что тренировать резонаторы при плюс 120 °С в течение 168 ч совсем не обязательно. Достаточно это делать в течение 3,5+4 суток (85+100ч). Дальнейшее повышение температуры термотренировки и увеличение её длительности не всегда приводит к положительным результатам. В частности термотренировка при плюс 120 °С в течение двух недель (336ч) привела к значительным непредсказуемым изменениям частоты отдельных резонаторов. К ещё более катастрофическим последствиям привело увеличение температуры термотренировки до плюс 150°С в связи с тем, что это температура приближается к температуре полимеризации клея.

Проведенные эксперименты подтвердили адекватность и целесообразность замены испытаний резонаторов в течение 41 суток при температуре плюс 85°С на испытания при плюс 120°С в течение трёх суток с экстраполяцией полученных данных на срок испытаний 500 ч и 1000 ч при температуре плюс 85°С. Следует отметить, что этот вывод справедлив для резонаторов конструкций типа РК456 в корпусах типов МИ, МД и МДУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании данных приведенных в работе можно сделать следующие основные выводы:

1. Проведен анализ современного состояния и перспективы развития рынка высокопрочных и высоконадежных кварцевых резонаторов в миниатюрном корпусе.

2. Определены основные дестабилизирующие факторы (температура и механические воздействия) на долговременную стабильность кварцевых резонаторов в миниатюрном исполнении для разработки стандартов организаций по системе менеджмента качества.

3. Разработано и откорректировано более 50 стандартов организаций, регламентирующих процессы изготовления высокоустойчивых к внешним воздействиям пьезоэлектрических резонаторов.

4. Определены критерии выбора высококачественного сырья, обеспечивающего высокую технологичность и экономические показатели при производстве резонаторов повышенной стабильности, такие как добротность исходного сырья не менее 1,8-106.

5. Разработан и внедрен в производстве контроль гладкости тем-пературно-частотной характеристики (ТЧХ) как метод оценки качества миниатюрных кварцевых резонаторов, позволяющий осуществлять оперативный контроль производства.

6. Разработан и внедрен в производство метод оценки долговременной устойчивости частоты резонаторов, обеспечивающий оперативный и надежный прогноз стабильности частоты за длительный период эксплуатации резонаторов (более 50 тыс.часов).

1. Минаев В.Н. Итоги работы радиоэлектронной промышленности в 2009 году и основные задачи на 2010 год // «Электроника». №2, 2010, стр. 12-18.

2. Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б. Резонаторы для высокостабильных микрогенераторов // «Электроника». № 2, 2008. -с.38-41.

3. Телец В.А., Подъяпольский С.Б. «Вопросы оценки эффективностисистемы управления качеством при лицензировании предприятий оборонного комплекса» // «Экономика и производство» №4, 1999.

4. ГОСТ РВ 20.57.412-97 Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники электротехнические военного назначения. Требования к системе качества.

5. Постановление Правительства Российской Федерации от 26 ноября2007 г. N 809, О федеральной целевой программе "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008-2015 годы.

6. Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б. Изделия пьезотехники. Нанотехнологии путь совершенствования // «Инструментальный мир». 2008. № 3 - с.64-65.

7. Грузиненко В.Б., Медведев А.В., Миленин П.П., Сердюков С.Н. Нанотехнологии в производстве изделий пьезотехники // «Наноиндуст-рия». 2009. № 2 (14). с. 18-20.

8. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы // JI. Энергия. 1969.

9. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы // М.: Энергия. 1970.

10. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах // М.: Мир. 1990.129

11. Васильев A.M., Грузиненко В.Б., Кандыба П.Е. и др. Пьезоэлектрические резонаторы //М. Радио и свяь. 1992.

12. Мостяев В.А., Дюжиков В.И. Технология пьезо- и акустоэлектрон-ных устройств // М. Ягуар, 1993.

13. Отчет по НИР «Полёт 87» // Исследование надежности пьезоэлектрических приборов и электромеханических фильтров. М.:1988.

14. Отчет по НИР «Риф 11»// Апробирование и совершенствование методов ускоренной оценки долговечности кварцевых резонаторов М.:1984.

15. Отчет по НИР «Русло-Неман» // Исследование путей совершенствования методов оценки надежности (безотказности, долговечности) изделий пьезотехники. М.:1980.

16. Отчет по НИР «Анализ 120» // Исследование изменений параметров кварцевых резонаторов при пониженном и повышенном давлении. М.: 1975.

17. Отчет по НИР «Серп-1» // Исследование изменений параметров кварцевых резонаторов при циклическом изменении температур. М.:1977.

18. Отчет по НИР «Анапа» // Исследование изменений параметров кварцевых резонаторов в рабочем режиме и при повышенной влажности. М.:1977.

19. Отчет по НИР «Галс» // Исследование изменений параметров кварцевых резонаторов при механических воздействиях. М.:1976.

20. Отчет по НИР «Динамика» // Исследование изменений параметров кварцевых резонаторов при сравнительных испытаниях в рабочем режиме и режиме хранения при повышенной температуре. М.:1978.

21. Отчет по НИР «Лира 24» // Определение показателей надежности пьезоэлектрических резонаторов, изготовленных в стойком исполнении и разработка рекомендаций по повышению надёжности. М.:1985.

22. Отчет по НИР «Риф» // Разработка и совершенствования методов оценки долговечности кварцевых резонаторов. М.:1983.

23. Отчет по НИР «Хранение 77» // Исследование сохраняемости кварцевых резонаторов и фильтров. М.:1978.

24. Отчет по НИР «Дубна» // Исследование стойкости изделий пьезо-электроники к воздействию повышенной влажности. М.:1991.

25. Отчет по НИР «Соболь» // Исследование ресурса, надежности, качества и оценка спецстойкости кварцевых резонаторов. М.:1993.

26. Отчет по НИР «Риф 85» // Исследование, разработка и внедрение методов ускоренной оценки долговечности и безотказности пьезоэлектрических приборов М.:1986

27. Отчет по НИР «Связь 2» // Обеспечение работоспособности изделий пьезоэлектроники в аппаратуре с 10-летним сроком активного функционирования М.:1992

28. Федеральный Закон О техническом регулировании от 27.12.2002 № 184-ФЗ.

29. Критенко М.И. Обеспечение качества военной продукции. Новое поколение нормативных документов // «Электроника», №4, 2000, стр.50-53.

30. Степанов Ю.И., Критенко М.И. «Особенности реализации основных положений международных стандартов ИСО 9000 в комплексе стандартов «Климат-7» // «Экономика и производство» №4, М.,1999.

31. ГОСТ РВ 20.57.411-97 Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники электротехнические военного назначения. Организация работ по сертификации систем качества и производств.

32. ГОСТ РВ 20.57.418-97 Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники электротехнические военного назначения. Обеспечение, контроль качества и правила приемки изделий единичного и мелкосерийного производства.

33. Shockley W., Curran D. R„ Koneval D. J. Trapped Energy Modes in Quartz Filter Crystals // J. Acoust. Soc. of Amer. — 1967. — Vol. 41, No. 4. — P. 981-993.

34. Вороховский Я.JI. Прецизионные кварцевые резонаторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов // «Электроника», №1,2010, стр.50-53

35. Миленин П.П., Сердюков С.Н., Грузиненко В.Б. Миниатюрные резонаторы и технологии их изготовления // Сборник трудов научно-технической конференции «Пьезо-2008». Москва. 2008.- с. 182-185.

36. Б. Сойер «Измерение добротности путем поглощения инфракрасного излучения» // Всесоюзный центр переводов научно-технической литературы и документации, перевод № СР-84413/4372, М., 1985.

37. Патент РФ №2169657. Шлифовальный инструмент и масса для его изготовления // Кондратенко B.C. 2000.

38. Patent US 6,875,099. Polishing and a composition for producing said tool// Kondratenko Vladimir S. 2005.

39. Грузиненко В.Б., Медведев A.B., Миленин П.П., Сердюков С.Н. Нанотехнологии в производстве изделий пьезотехники // «Наноиндуст-рия». 2009. № 2 (14). с. 18-20.

40. Симакина Н.В., Артюков И.А., Сердюков С.Н. Исследование процесса наноразмерного ионно-лучевого полирования поверхности ситал-ла // Сборник трудов научно-технического семинара «Вакуумная техника и технология-2009». Санкт-Петербург. 2009. с.78-80.

41. Сердюков С.Н. Повышение надежности и качества пьезоэлектрических резонаторов // «Интеграл». 2009, № 5 (49). с.23-24.

42. Пашков С.С., Наумов B.C., Калашникова И.И., Васильев A.M. «Способ улучшения монотонности ТЧХ кварцевых резонаторов в стеклянных корпусах» // Патент на изобретение № 2308790.

43. Сердюков С.Н., Кондратенко B.C. Эффект «второго уровня возбуждения в пьезоэлектрических резонаторах // «Приборы». 2010. № 6 (120). с. 34-37.

44. Ярославский М. И., Смагин А. Г., «Конструирование, изготовление и применение кварцевых резонаторов» М.: Энергия. 1971, стр.30-36.

45. Кондратенко В. С. и др. «Обработка подложек кремния связанным алмазным инструментом», Приборы, №7(61), 2005 г.

46. Кондратенко В. С. и др. Патент РФ № 2172235, 2000 г.

47. Knowles, «On the origin of the second level of the drive effect oscillators», Proceedings of the 1975 IEEE FCS, 1975 p. p. 230-236.

48. Berte M. Acoustic Bulk Wave Resonators and Filters Operating in the Fundamental Mode at Frequencies Greater than 100 MHz // Proc. of the 31st An. Fr. Contr. Symp.— 1977.— P. 122—125.

49. Стандарт Международной электротехнической комиссии IEC 758 «Синтетический кварц спецификация и условия применения», 2004г.

50. Технические условия «Кварц искусственный пьезоэлектрический», ОСТ 41 07-274-87, 1987г.

51. Дюжиков В. И., Грузинеико В. Б., Прядко П. Е. Влияние точности обработки кварцевых элементов на идентичность ТЧХ резонаторов // Электронная техника. Сер. 10. Радиокомпоиенты. — 1973. — Вып. 4.— с. 59—64.

52. Букштам Б. М., Караульник А. Е. Идентичность параметров кварцевых резонаторов в зависимости от ориентации возбуждающих электродов // Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты. — 1980.—Вып. 2(39). —С. 69—71.

53. Бриль В.И., Грузиненко В.Б., Прядко В. Е. Вопрос проектирования кварцевых резонаторов, работающих на захвате энергии // Электронная техника. Сер. 5. Радиодетали и радиокомпоненты.—1974. — Вып 4. — С. 8—14.

54. Pajewski W., Высокостабильные кварцевые резонаторы // Prace Inst, tele -1 radiotechn. 1965, т.9, №1, стр. 15-42.

55. С.Франк. «Провалы активности в кварцевых пластинах АТ-среза при высоких уровнях возбуждения» // Материалы 21 симпозиума по стабилизации частоты, США, 1967 г.

56. А.Вуд и др. «Провалы активности в кристаллах АТ-среза» // Материалы 21 симпозиума по стабилизации частоты, США, 1967 г.

57. P.F.Godwin, Jr, Snider G.L. Methods for production screening for anomalous responses in quartz crystals intended for high reliability application// Frequency Control Symposium Proceedings, the 31st, 1977, p.p. 7895.

58. Ливенский Г.А., Пашков C.C. технический отчет по теме "Исследования и разработка высокостабильных высокочастотных резонаторов"// (ОКР "Бирюса"), НИИ Пьезотехники, 1965 г.

59. Frerking М.Е., Paisley B.W., Thomas W.C. Micro-frequency jump design of experiments investigation // Frequency Control Symposium Proceedings, the 52nd, 1998, p.p. 116-120.

60. Дж. Бирч и др. "Аномалии в ТЧХ и температурные характеристики высокочастотных кварцевых резонаторов" // Материалы 30 симпозиума по стабилизации частоты, США, 1976 г.

61. Balbi J.H., Duffand J.A., Besson R.J., A new поп linear analysis method and its application to quartz crystal resonator problems // Frequency Control Symposium Proceedings, the 32nd, 1978, p.p. 162-168.

62. Sekimoto H., Tajima D., Watanabe Y., Ishizaki A. Lee's Plate equations wiht New Correction Factors and Analysis of Spurious vibrations of rectangular AT-cut quartz plates Frequency Control Symposium Proceedings, the 49th, 1995, p.p. 746-749.

63. Lee P.C.Y., Wang J. Frequency-Temperature relations of thichness-shear and flevural vibrations of contoured quartz resonators // Frequency Control Symposium Proceedings, the 50th, 1996, p.p. 632-639.

64. Симонов В.Н. «Провалы активности в высокочастотных гармонико-вых кварцевых резонаторах» // Журнал «Электронная техника». Серия 5. Радиодетали и радиокомпоненты. Выпуск 4 (45), 1981, Москва, ЦНИИ «Электроника»

65. Грузиненко В.Б., Караульник А.Е., Павленко В.В. «Влияние побочных резонансов на характеристики кварцевых резонаторов» // Журнал «Электронная техника». Серия IX. Радиокомпоненты. Выпуск 4, 1971, Москва, ЦНИИ «Электроника»

66. Сердюков С.Н., Кондратенко B.C. Методика сокращения времени испытаний кварцевых резонаторов на безотказность // «Вестник МГУПИ». 2009. № 22. с.141-145.

67. R.Bechmann, A.Ballatto, T.Lukaszek.// Ргос. IRE, 1962, 50, №8, p. 18531863.

68. М.Я.Выгодский.// Справочник по высшей математике. М., 2005.

69. А.Е.Караульник. Влияние электродного покрытия на температурно-частотную характеристику кварцевого резонатора с колебаниями сдвига по толщине // Вопросы радиоэлектроники, 1965, сер.З, вып.5. стр.3-10.

70. ОСТ В 11 0047-85. Резонаторы пьезоэлектрические. Общие технические условия.

71. С.С.Пашков, Г.А. Ливенский, Н.И.Богданова. Влияние некоторых конструктивно-технологических факторов на температурно-частотные характеристики кварцевых резонаторов среза AT // Электронная техника, сер.9, Радиокомпоненты, 1971, вып.6, с.12-18.

72. А.В.Фомин и др. Надёжность и автоматизация производства БГИС и микросборок // «Радио и связь», 1981г.

73. Blacks H.S. The temperatures dependence of components failure rate // «Microelectronics and Reliability», 1980, №3, 297-307.

74. Стасевич B.H. Технология монокристаллов // M.: Радио и Связь. 1990 с.272.

75. Gerber Е.А., Syker R.A., «Кварцевые резонаторы и генераторы — современный уровень техники» //, Ргос. IEE, 1966, т.2, №2.

76. Некоторые вопросы применения ЭВМ при решении задач конструирования пьезоэлектрических фильтров //В. С. Самойлов, В. В. Харитонов, В. И. Бриль, П.Е. М о тин//Электронная техника. Сер. 10. Радиокомпоненты.— 1973.— Вып. 1, — С. 67—72.