1. 引言
声表面波滤波器大多采用钽酸锂(LiTaO3，简称LT)、铌酸锂(LiNbO3，简称LN)压电单晶基片作为衬底。
LT和LN基片具有较高的热释电系数 [1] (LT晶体热释电系数为23 × 10−5 C/m2∙K，LN晶体热释电系数为4 × 10−5 C/m2∙K [2] )，基片在温度变化时表面容易积累大量静电荷，由于基片本身为绝缘体，静电荷不容易消散，当静电场足够高时，静电荷释放容易打裂基片，损伤光刻胶图形，烧毁金属叉指电极，如图1所示，降低芯片的成品率及可靠性，制作高频器件时尤其明显。
Figure 1. The photoresist pattern damage caused by electrostatic charge release
图1. 静电荷释放造成的光刻胶图形损伤
普通压电基片制作的声表面波器件，在温度变化时会出现偶发的、瞬时(ns级)幅频信号突变，在高灵敏度要求的调相系统中就会产生较大的影响。如图2所示。
Figure 2. The amplitude frequency signal mutation caused by electrostatic charge release
图2. 静电荷释放造成的幅频信号突变
另外，普通压电基片的透光性，在光刻时会导致基片背面形成漫反射，从而引起线宽失真；基片表面反射回光刻胶层的紫外光还会与入射光产生干涉，光强在光刻胶层中形成驻波分布 [3] ，显影后光刻胶边缘轮廓有一定的起伏，最终可能导致叉指线条边缘陡直度下降，影响光刻精度和器件电性能，如图3所示。
为解决基于以上普通压电基片出现的问题，自1998年开始，国外展开了黑片的工艺研究及产业化应用，美国CTI采用化学还原扩散技术开发出低电阻率黑色LN晶体，2003年日本Yamaju开发了低电阻率黑色LT晶体 [4] 。制备原理是将待还原的压电基片放入还原炉中，抽真空后，充入CO2和H2 [5] ，升温至还原温度后，保温一定时间后降至室温，获得黑片。还原温度越高，基片越黑。黑片的黑化程度可以通过数字高阻计测试基片的导电性判断。国内于2004年也展开了该类工艺研究，多家基片供应商能够提供此类基片，如图4所示。
Figure 3. The lines made from ordinary piezoelectric wafers
图3. 普通压电基片制作出的线条
Figure 4. The physical drawing of ordinary piezoelectric wafers and reduction wafers
图4. 普通压电基片和黑片实物图
通过对比实验，将普通压电基片和黑片分别放置于130℃烘箱加热10 min后，取出放在负电极上，20 s内降至室温加上正电极，用毫伏表测量上下表面电位差普通压电基片热电位差大于600 mV，而黑片上下表面电位差小于5 mV。表明黑片的热释电效应基本接近消除。同时黑片对短波的透过率影响较大，有利于消除光刻时的漫反射效应和干涉驻波效应的影响，从而提高光刻工艺的精准控制，如图5所示。
Figure 5. The lines made from black wafers
图5. 黑片制作出的线条
2. 黑片工艺的可靠性研究
本文针对采用黑片工艺的声表面波滤波器可靠性展开研究。通过以下试验结果判定黑片是否满足声表面波滤波器的高可靠性要求。
1) 选取现声表面波滤波器制作常用的7种类型黑片(LN, LT)，分别切割成6种不同尺寸，采用粘接胶粘接固化、筛选、焊接装配后，进行外观检查及剪切拉力测试。
2) 随机选取应用黑片生产的3种声表面波滤波器，进行结构分析。
3) 对应用黑片生产的3种声表面波滤波器，进行鉴定试验。
4) 依据认定方案，从黑片和普通压电基片生产的3种声表面波滤波器中抽取产品，进行元器件评估。
2.1. 可靠性试验方案
2.1.1. 芯片粘接方案
采用7种类型黑片(LN、LT)制作的声表面波滤波器，芯片尺寸、封装形式、剪切/粘接强度判据要求，如表1所示。
Table 1. The failure criterion of shear/bonding strength of different chips sizes
表1. 不同尺寸芯片的剪切/粘接强度失效判据
2.1.2. 筛选试验条件
试验方法按照GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》执行。具体项目包括：
1) 稳定性烘焙，方法1008.1条件B：125℃ ± 3℃，96 h。
2) 温度循环，方法1010.1条件B：−(55 ± 3)℃~(125 ± 3)℃，恒温时间不少于30 min，转换时间不超过1 min，循环10次。
3) 机械冲击，方法2002.1：Y1方向，1500 g，脉冲宽度0.5 ms，3次。
4) 电老炼，方法1015.1：T = (100 ± 3)℃，h = 96小时。
5) 检漏，方法1014.1：将所有器件检漏(细检漏A1，粗检漏C1，R1根据器件内腔体积而定)。
2.1.3. 装配工艺条件
1) 对于金属插针管座封装的样品，采用手工焊装配工艺。将器件与印制板紧密接触，印制板表面无阻焊，焊接温度320℃，连续焊接时间5 s。
2) 对于陶瓷管座封装的样品，采用回流焊装配工艺。最高焊接温度230℃。
2.1.4. 结构分析
随机选取应用黑片生产的3种声表面波滤波器，型号分别为72 MHz、770 MHz、2218 MHz，每种型号各抽取2只进行结构分析，通过一系列破坏性和非破坏性检验、分析和试验，对元器件的设计、工艺和材料等满足评价要求和相关项目运行要求的能力做出早期判断。
2.1.5. 鉴定检验
依据产品详细规范进行鉴定试验。鉴定检验项目及技术要求见表2。
Table 2. The identification and inspection procedure
表2. 鉴定检验程序
2.1.6. 元器件评估
从黑片和普通压电基片生产的3种声表面波滤波器中抽取产品，按照表3要求进行产品功能性能分析、极限评估和寿命考核强化试验。
Table 3. The breakdown of component evaluation items
表3. 元器件评估项目分解表
极限评估试验包括2个分组，各分组的试验程序、方法见表4。
Table 4. The limit assessment test procedure
表4. 极限评估试验程序
寿命考核强化试验的试验项目、条件见表5。
Table 5. The enhanced test procedure for life assessment
表5. 寿命考核强化试验程序
2.2. 可靠性试验分析
2.2.1. 芯片剪切/粘接强度测试
将表1中采用不同尺寸黑片制作的声表面波滤波器，分别进行剪切/粘接强度测试，数值和对比结果如图6所示。
Figure 6. The numerical comparison of shear/bonding strength of different chips sizes
图6. 不同尺寸芯片的剪切/粘接强度数值对比图
测试结果表明，采用不同尺寸黑片制作的声表面波滤波器，在粘接固化、筛选和焊接装配后，剪切/粘接强度均大于2倍失效判据要求。同时，采用高倍显微镜进行检验，芯片无裂纹或碎纹，满足高等级产品的可靠性要求。
2.2.2. 结构分析
经过分析，黑片制作的声表滤波器结构、工艺、材料进行分析，无航天禁(限)用的结构、工艺和材料。各项试验检查无异常。综上，分析认为该项目器件为高可靠产品可用。
2.2.3. 鉴定检验
采用黑片制作的产品试验结果均合格，鉴定结论合格，鉴定检验为一次性通过。
2.2.4. 产品功能性能分析
1) 带内插损温度梯度曲线对比
Figure 7. The 72 MHz comparison of temperature gradient curves of band interpolation loss
图7. 72 MHz产品带内插损温度梯度曲线对比
Figure 8. The 770 MHz comparison of temperature gradient curves of band interpolation loss
图8. 770 MHz产品带内插损温度梯度曲线对比
Figure 9. The 2218 MHz comparison of temperature gradient curves of band interpolation loss
图9. 2218 MHz产品带内插损温度梯度曲线对比
对黑片和普通压电基片产品在−55℃、−40℃、+25℃、+70℃、+85℃、+100℃、+125℃对应温度下的带内插损分别进行测试，并记录数据，绘制带内插损随温度变化的拟合曲线，如图7、图8、图9所示。
以上结果表明，采用黑片和普通压电基片生产的声表面波滤波器插损随温度变化的拟合曲线基本保持一致。
2) 带内插损和阻带抑制随输入功率的变化曲线对比
对黑片和普通压电基片产品在0 dBm、5 dBm、10 dBm、15 dBm、20 dBm对应功率下的带内插损和阻带抑制分别进行测试，并记录数据，绘制带内插损和阻带抑制随功率变化的拟合曲线，如图10~15所示。
Figure 10. The 72 MHz comparison of power gradient curves with interpolation loss
图10. 72 MHz产品带内插损功率梯度曲线对比
Figure 11. The 72 MHz comparison of stop band suppression power gradient curves
图11. 72 MHz产品阻带抑制功率梯度曲线对比
Figure 12. The 770 MHz comparison of power gradient curves with interpolation loss
图12. 770 MHz产品带内插损功率梯度曲线对比
Figure 13. The 770 MHz comparison of stop band suppression power gradient curves
图13. 770 MHz产品阻带抑制功率梯度曲线对比
Figure 14. The 2218 MHz comparison of power gradient curves with interpolation loss
图14. 2218 MHz产品带内插损功率梯度曲线对比
Figure 15. The 2218 MHz comparison of stop band suppression power gradient curves
图15. 2218 MHz产品阻带抑制功率梯度曲线对比
以上结果表明，采用黑片和普通压电基片生产的声表面波滤波器的带内插损和阻带抑制随功率变化的拟合曲线基本保持一致。
2.2.5. 极限评估
极限评估试验按照表4的试验项目要求，进行考核，分别进行了温度应力极限测试和抗安装能力极限测试，经验证达到考核要求。
2.2.6. 寿命考核强化试验
寿命考核强化试验按照表5的试验项目要求，进行考核，进行了高温寿命测试，经验证达到考核要求。
3. 结论
1) 将7种类型黑片(LN、LT)，分别切割成6种尺寸的芯片，按照声表面波滤波器的高可靠性要求进行粘接，在粘接固化、筛选试验和装配后，剪切/粘接强度大于国军标2倍失效判据要求，同时，采用高倍显微镜检查，芯片无裂纹或碎纹。
2) 采用黑片制作的3种型号声表面波滤波器产品：72 MHz、770 MHz、2218 MHz，试验结果均合格，鉴定检验为一次性通过。
3) 采用黑片制作的声表滤波器结构分析结论为高可靠产品可用。
4) 元器件评估试验的产品功能性能分析中，对比了黑片和普通压电基片生产的声表面波滤波器，结论是：插损随温度变化的拟合曲线基本保持一致，带内插损和阻带抑制随功率变化的拟合曲线基本保持一致，幅频特性曲线基本保持一致。
5) 采用黑片生产的声表面波滤波器极限评估和寿命考核强化试验合格。
6) 综上所述，本文所述黑片可以正式应用于高等级声表面波滤波器生产制作中，同时提升了器件的高可靠性保证。