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

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^-6 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 новых конструктивных решений и технологий изготовления кварцевых резонаторов.

Целью исследования являлась разра­ботка кварцевых резонаторов в стандартном микроминиатюрном корпусе типа UM-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 ±3010^-6 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-среза диаметром 14 мм, имеющих форму плоско­выпуклой линзы с радиусом сферы R = 50 мм на частоте 5 МГц (n = 5) или двояковыпуклой линзы с R = 30 мм на основной частоте 1 МГц (n = 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 кристаллических элементов, в результате кото­рого на поверхности кристалла под действием травителя (в данном случае - насыщенного раствора фтористого аммония NH4F) 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 (Qir > 2,5 · 10⁶), 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 кварцедержателю [4]. После испытаний кварцевых резонаторов, изготовленных по стандартной конструкторской и технологической докумен­тации, на механический удар в 200 000 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 трещинообразований, 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.

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

На рис. 1 представлен график темпера­турно-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 ТЧХ практически не изменились, следователь­но, их воздействие не повлияло на частотоза­дающие 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 UM-1 на частоты 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^-6 в интервале рабочих температур от -60 до +120 °С, используемых для изготовления устройств и комплексов для эксплуатации в экстремальных условиях.