声表滤波器热释电效应的研究

发布时间：2019-08-12 16:03

【摘要】：该文分析了热释电效应产生的机理,极化强度与温度变化的关系,进而分析了钽酸锂和铌酸锂的热释电效应,这两种材料是制作声表面波滤波器的基片材料。取3只128°铌酸锂白片样品数进行试验,当温度变化时,热释电效应引起静电放电一般约为6V,但有1只器件在温度变化到-50℃左右时,会出现振荡波形峰-峰值约在25V的最大波形,这些静电会对声表面波器件本身或后级电路造成严重影响。通过分析静电放电失效模式,提出了器件防静电的方法。最后,验证了声表面波滤波器使用还原基片用于防静电的方案。
【图文】：

方向图,极化强度,热释电材料,基片材料

图１热释电效应形成的原理极化电荷量由极化强度决定。极化强度受温度变化决定，极化强度变化量（ΔＰｓ）为ΔＰｓ＝Ｐ!ΔＴ（１）式中：ΔＴ为温度变化量；Ｐ为热释电系数（材料决定的常数）。当晶体表面温度变化时，其极化强度随之变化，晶体表面的极化电荷也将产生变化，如图２所示。图中，ＴＣ为居理温度。图２热释电材料极化强度与温度的关系２声表滤波器的基片材料自发极化是指因物质本身的结构在某个方向上正、负电荷中心不重合而固有极化。一般情况下，晶体的自发极化产生的表面束缚电荷被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽，当温度发生变化时，自发极化发生变化，从而释放出表面吸附的部分电荷。晶体冷却时，电荷极化与加热时相反。热释电材料是一种压电材料，是不具有中心对称性的晶体。过去声表滤波器常用基片材料有钽酸锂（ＬｉＴａＯ３，简称ＬＴ）和铌酸锂（ＬｉＮｂＯ３，简称ＬＮ），这两种片子简称白片。所有采用ＬｉＴａＯ３和ＬｉＮｂＯ３晶片的声表面波器件都具有弱热释电效应，在温度变化，特别是在温度突变时，常规基片的表面会产生、积累静电荷，积累到一定程度后会释放静电波形，释放静电波形的电压与热释电系数、温度变化率、极化面积大小有关：Ｕ＝ρ×Ａ×ｄＴｄｔ×ＲＬ（２）式中：ρ为热释电系数；ｄＴｄｔ为温度变化率；Ａ为极化面积；ＲＬ为基片材料的体电阻。如果生产过程中芯片未建立静电释放通道，静电对芯片指条影响较大。因此，我们在生产过程中均采用了防静电处理措施，但器件在作温循实验时也会出现热释电效应。表１为ＬｉＮｂＯ３和ＬｉＴａＯ３的一?

电路图,静电防护,改进方法,滤波器

其接触到接地电位时，ＩＣ内部的静电便会由ＩＣ内部流出，，造成放电现象，这就是ＣＤＭ放电，简称充电放电模式。声表滤波器在做温变试验时，基片材料的热释电效应造成了静电烧伤。因为器件的封装尺寸很小，其电容和电感值很小（约为５ｐＦ，１０ｎＨ），故放电时间极短，电流能在１ｎｓ内达到很高。若保护电路不能及时导通，则静电荷通过元器件结构中的寄生电容进行放电，ＩＣ闸极氧化层易被损坏。放电示意图如图４所示。图４放电示意图４改进方法４．１增加声表滤波器应提供静电防护电路在使用热释电材料设计的声面滤波器时，应考虑设计一条低阻抗放电通道的静电防护电路，并能将电压钳位在一定水平。比如在声表滤波器的后级并一个雪崩二极管，利用二极管反向雪崩击穿特性，使静电钳位；或者，声表滤波器的后级并联一个几百纳亨的电感，目的是要求具有较快的导通速度和小的等效电容，以减小保护电路对电性能的影响。这样就不会对后级电路产生严重影响，这在声表行业几十年来的应用中得到了验证。４．２工艺上用还原片（黑片）替代现有的片子（白片）目前，国内外声表专业同行大多数均对ＬＴ和ＬＮ晶片进行了去热释电处理，我们称为黑片。理论上，去热释电处理的压电基片（黑片）的体电阻比同类的白片约低３个数量级，极大地降低了静电荷积累水平。采用这种黑化处理的基片制作的产品的静电防护能力明显提高；同时，去热释电处理后的晶片除颜色加深，体电阻降低外，其他物理性质未发生改变。我们从文献［３－６］得到基片材料１２８°ＬｉＮｂＯ３黑片的热电位差为５ｍＶ以下。为了验证此结论，我们用１０００＃，厚０．５ｍｍ的基片材料ＬｉＮｂＯ
【作者单位】：中国电子科技集团公司第二十六研究所;
【基金】：国家重大预研项目
【分类号】：TN65;TN713

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