Pokrokový výrobní proces QMEMS pro piezoelektrické komponenty

Trend stálého zmenšování elektronických výrobků se stále větším množstvím pokročilých funkcí způsobuje poptávku po stále menších součástkách s lepšími parametry. Ve snaze vyjít vstříc tomuto trendu v oblasti výrobků z piezoelektrických krystalů renomovaní výrobci včetně firmy Epson Toyocom neustále představují nové výrobní procesy, které splňují požadavky miniaturizace. Představíme vám, jak Epson Toyocom řeší tyto požadavky a inovuje výrobní procesy a seznámíme vás s výsledky.

Analogií, na které lze názorně předvést rychlost vývoje, jsou mobilní telefony. Srovnáním telefonů nejnovější generace s těmi před několika lety je zřejmé, že se z rozměrných přístrojů určených pouze k telefonování odkudkoliv staly kompaktní multimediální centra. Nejenže se zlepšily podmínky příjmu signálu, kvalita hovoru, zvětšil se seznam uložených čísel, přibyla možnost konferenčních hovorů atd. V současnosti v telefonu najdete další pomocné funkce, jako kalendář, přístup k internetu a e-mailu, sledování videa, fotoaparát, navigace a další pokročilé funkce. A přesto se ve zdánlivém rozporu přístroje nezvětšily, ale naopak zmenšily na praktickou velikost akorát do ruky. K dosažení takových vlastností byla odvedena mistrovská práce, která se promítla i v nejjednodušších součástkách. Složitost krystalových součástek je často podceňována, jejich zmenšení však postavilo před výrobce souhrn náročných výzev.

Jako každý mechanický proces, tak i mechanické povrchové zpracování krystalu je postiženo chybou, která se se zmenšováním více projevuje a promítne se v nežádoucích vlastnostech, zejména v teplotní stabilitě. Dalším omezením mechanického leštění je minimální možnost tvarovat krystal ve všech třech osách. Při miniaturizaci se negativně projevuje zmenšování plochy elektrod, které způsobuje zvýšení rezistance součástky a větší tlumení kmitů, takže se zvyšuje spotřeba a zhoršují se vlastnosti krystalu při rozkmitání.

Obr. 1 Rozdíl mezi běžným mechanickým opracováním a procesem QMEMS

Epson Toyocom vyvinul proces QMEMS (obr. 1) s cílem čelit těmto účinkům miniaturizace všech různých typů piezoelektrických komponentů. Tento proces nahrazuje mechanickou povrchovou úpravu čipu. Protože fotolitografický proces nabízí vysokou přesnost (stejný proces se používá při výrobě polovodičových čipů), lze jeho využitím redukovat nežádoucí efekty, jako tlumení kmitů a lépe řídit vlastnosti krystalu. Proces tak ve srovnání s mechanickým leštěním povrchu krystalu umožňuje vytvořit navíc třírozměrnou strukturu čipu a vytvořit tak požadovaný profil krystalu. Výsledkem je vyšší mechanická odolnost a zvětšení plochy elektrod redukuje ESR.

Krystaly tvaru ladicí vidlice v řádu kHz

V řádu kHz je pro krystalové čipy používán tvar hudební ladicí vidlice. Rezonanční kmitočet určuje mimo jiné průřez a délka vidlice. Vzhledem k relativně nízké frekvenci musí být plocha vidlice velmi malá, aby se délkou vešla do dnešních malých pouzder velikosti např. 3,2×1,5×0,5 mm3. Toto provedení však vyžaduje velmi malé elektrody, které vedou k výše uvedenému zvýšení ESR.

Obr. 2 Krystal 32 kHz s technologií QMEMS

Použití procesu QMEMS firmy Epson Toyocom řeší problém vyleptáním malého žlábku na povrchu krystalu (H-Grooves, obr. 2). Části elektrody zasahují do tohoto žlábku, což zvětšuje jejich plochu a tak se zlepšuje účinnost elektrického pole a redukuje ESR.

Piezoelektrické krystaly AT

V řádech MHz jsou používány plátky krystalu (AT-cut), které na rozdíl od předchozího provedení kmitají objemově. To znamená, že protější povrchy krystalu kmitají v různých směrech. Rezonanční frekvenci určuje šířka materiálu. V krajních mezích frekvenčních rozsahů musí být čipy velmi tenké nebo naopak silné. Oba extrémy jsou opět výzvou pro výrobce.

Je zřejmé, že velmi tenký čip vede k narušení mechanické odolnosti součástky, zatímco u silných čipů je nutný detailnější pohled do teorie, abychom si uvědomili, že se projevují nedostatky krystalů, jako je tlumení kmitů a vyšší teplotní závislost.

Výrobce řeší tato omezení aplikací profilu mesa a inverzní mesa. Z anglického geologického termínu vyplývá, že je na požadovanou výšku upravena jen oscilující část krystalu, zatímco okolní část krystalu kolem oscilující části zůstává stabilní (nekmitá) v celém rozsahu frekvencí typové série. Výsledkem je stabilní krystal s velkou mechanickou odolností, který najde uplatnění i v náročnějších aplikacích, jako je automobilový průmysl.

Toto teoretické vylepšení je však omezeno při běžných (mechanických) výrobních postupech, protože změny výšky jsou možné pouze v relativně malých mezích. Na druhé straně využití procesu QMEMS firmy Epson Toyocom změnu výšky čipu v přesně definovaných místech dokonce s velkými rozdíly výšky, které plně rozvíjejí teoretické výhody profilu mesa a inverzní mesa. Kromě toho vede použití přesného litografického procesu pro formování elektrod a rozměry čipu k významným vylepšením tolerance frekvence, lepší kontrole tlumení kmitů a také k lepší teplotní stabilitě dokonce v extrémně malých provedeních.

Senzory

Existuje mnoho řešení realizace senzorů zrychlení a rotace (gyroskopické senzory). Vzhledem k povaze chyby, kterou mohou v této oblasti vnést nepřesnosti, jsou kladeny vysoké nároky na teplotní stabilitu. Epson Toyocom vyvinul řadu miniaturních gyroskopických senzorů založených na principu vidlicové ladičky. Díky procesu QMEMS dosáhly senzory vedle vysoké teplotní stability výborné citlivosti, mimořádně nízkého driftu nuly a vynikajícího poměru signál/šum. Také v senzorech se uplatnil výbrus H-Groove, díky jehož 3D struktuře se zvětšila velikost elektrod a účinnost elektrického pole. Výsledkem je zvýšení úrovně signálu při daném otočení, a proto se zlepšuje také poměr signál/šum. Těmito nedostatky neustále trpí při miniaturizaci klasické technologie. Proces QMEMS umožňuje zmenšit piezoelektrické gyroskopické senzory s velmi dobrou teplotní stabilitou a citlivostí 25 mV/s/° do pouzdra s rozměry pouhých 5,0×3,2×1,3 mm (obr. 3).

Obr. 3 Gyroskopický senzor XV-8000CB vhodný pro inerciální navigaci

Epson Toyocom díky své technologii QMEMS vychází vstříc požadavkům na miniaturizaci, které přicházejí ze všech průmyslových odvětví. QMEMS umožňuje zmenšit rozměry krystalu při zachování příznivé hodnoty ESR. Krysta-ly vynikají vysokou mechanickou odolností a technologie navíc umožňuje přesnější nastavení hodnot finální součástky, menší teplotní závislost a užší toleranční pásmo. S touto technologií lze dosáhnout extrémně malých součástek, takže Epson Toyocom nabízí například TCXO v nejmenším pouzdru s rozměry 2,1×1,7×0,75 mm. Velký pokrok udělaly také senzory, u kterých je možno díky technologii QMEMS zachovat velký poměr signál/šum, nízký drift nuly a teplotní odolnost a zmenšit např. rozměry gyroskopického senzoru vhodného pro inerciální navigaci na pouhých 5,0×3,2×1,3 mm. Díky špičkovým technologiím nabízí firma Epson Toyocom nejen běžné piezoelektrické komponenty s výhodnou cenovou nabídkou, ale zejména vychází vstříc požadavkům na miniaturizaci při zachování vysoké spolehlivosti a odolnosti s výbornými parametry, jako je frekvenční stabilita, teplotní závislost atd. V sortimentu najdeme klasické krystaly, rezonátory a filtry, programovatelné oscilátory, SPXO, TCXO, moduly reálného času (RTC) a gyroskopické, teplotní a tlakové senzory. Programovatelné oscilátory lze na vyžádání dodat již s nastavenými parametry.