一站式精准分析石英晶体的最佳利器—PFIB

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石英晶体(Crystal)是通信、信息、消费性电子等3C电子产品中不可或缺的组件之一，其主要的功能是提供电子电路可靠且精准的频率信号，举凡手机内应用处理器的频率速度，到移动通信基站射频信号的基础频率，都有石英晶体组件的影子。进入2021年，因应万物联网的5G基站大量建置，石英晶体组件的需求将大幅提升。
石英晶体是由单晶的二氧化硅(SiO2)所组成，具有压电特性(机械能与电能转换)、自然共振频率受外部温度影响小、且低损耗(High Q)与等特性，一般都是由人工长晶的石英晶棒切割下来，经过研磨、溅镀、微调、封装、与测试等过程而成。石英晶体的自然共振频率与晶面、薄片厚度、切割形状有绝对的关系，切割成石英晶体薄片有AT、BT、CT、DT…等切法，目前业界最常用的是AT切割法，其自然共振频率可以达到300 MHz。
有别于只有数纳米米(nanometer, 10-9 mm)大小的逻辑先进工艺，石英晶体的尺寸坐落在数毫米(millimeter, 10-3 mm)，差异高达一百万倍，一般都是利用手工研磨搭配扫描电子显微镜(SEM)分析内部结构，泛铨科技首次利用具有大面积切削的电浆聚焦离子束(Plasma focused ion beam, PFIB)，精准分析石英晶体内部结构，让大结构的精准定位与分析不再是遥不可及。

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本次分析的石英晶体是由市场上购买的iPad mini中所拆解下来的(图1)，型号为T240 Ma94。
图1: 由iPad mini拆解下来的石英晶体，T240 Ma94。a-c为iPad mini板子上局部放大的光学显微镜照片。


X-ray分析与开盖后石英晶体内部结构

图2a与 b为石英晶体未开盖之前的平面与截面的X-ray照片，由照片可以清楚看到石英晶体(④)一侧连接着电极(①&②)，另一侧则是悬空，图2c为开盖后的光学显微镜照片，红色虚线为本次分析的石英晶体。
图2: 石英晶体未开盖之前的平面(a)与截面(b)的X-ray照片，①与②为电极，③为金属壳，④为石英晶体。c石英晶体开盖后的光学显微镜照片，红色虚线为本次分析的石英晶体。


PFIB精准截面分析

本次使用PFIB分析石英晶体有三大好处，一是可以精准切在想要分析的点，第二是可以避免因人工研磨造成的材料变形，三则是无需准备多余试片，一个试片即可以分析到很多位置。我们先切两刀，一刀切在电极上(Cut 1)，另一刀则切在悬空处(Cut 2)，目的是分析石英晶体本身的相关尺寸与晶体和电极接合的状况。
图3与4分别清楚呈现Cut 1与Cut 2的PFIB结果，相关的尺寸也都标示在图中。另外，由这两张图我们也可以清楚看到，即使石英晶体的尺寸相当大，但仍有些细微的结构是需要更高阶的分析设备(如TEM)才能解析出来的，例如石英晶体的晶格结构、金属薄膜的厚度与化学组成、银胶与封装基材的材料分析、甚至应力分析…等等，我们都将在下一份报告中呈现给读者。
图3: 右上图为Cut 1(天空色虚线)的PFIB结果，(a)为石英晶体，(b)为石英晶体表面的金属薄膜，(c)为银胶，(d)为封装基材。校正后的相关尺寸标示于右下图。
图4: 右上图为Cut 2(天空色虚线)的PFIB结果，校正后的相关尺寸标示于右下图。

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郑先生

    

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石英晶体的最佳利器

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