压电晶体生产经验谈之一---无尘室

1、压电晶体生产经验谈之一 无尘室一、前言： 我阴差阳错地扎进制造行业二十余年，感觉恰如常言：产品要求永无止境，不进则退。如：消费者对产品品质、功能提升的要求是永无止境的，同行的竞争也是永不停歇的 ；在技术、设备、管理、服务等软、硬实力等方面跟不上时代的制造业者自然会淘汰出局。这样的氛围，消费者当然有福享受高、新、奇的产品和服务，同时也注定了生产技术人员必须让自己保有谦卑的心态、全力投入自己的辛勤和汗水，才能保证自己始终站立在制高点上。 再结合二十一世纪用工短缺、高流动率常态化等特点 ，就容易增加产品品质风险；同时九零后员工的鲜明特色，也给生产和管理带来极大挑战。然而，我们只有迎难而上的选择。 我

2、一直工作在压电压电晶体元器件的制造行业，见证了该行业在国内从手工作坊式生产，仅供军事方面使用；到引进日本工业技术进行大规模生产，配合超大规模集成电路带动了全球民生智能产品的爆炸式增长；再到产品更新换代为自动表面贴装生产，这一系列巨大变化和进步。也看到一个企业或研究所百只的月产能，到百万只的月产能，再到千万只、上亿只的月产能。也看到一些时代的进步给该行业带来的思想模式、管理模式的变化。也相信将来的变化将更加快速和剧烈。愿意在这里和大家分享这些年在生产中积累的一点点电子零件制造业的经验和教训，愿有心、有缘之同仁在将来的工作中有所裨益。当然由于个人的能力有限，所表达的个人看法。若有不当之处，请一笑置

3、之吧。首先分享给大家的是：压电晶体行业无尘室地使用经验，后续篇章再涉及到设备、产品生产、技术指标、客户使用等方面的一些心得。在美国FED-STD-209的标准中，无尘室的定义是这样的：具备空气过滤、分配、优化、构造材料和装置的房间，其中特定的规范的操作程序以控制空气悬浮微粒浓度，从而达到适当的微粒洁净度级别。也是指将一定范围内空气中的微粒子、有害空气、细菌等污染物排出，并将室内温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围之内，而特别设计的空间。大类可分为工业无尘室和生物无尘室。首先强调一下，由于行业的不同，甚至同行业中不同的公司，对无尘室的要求是不一样的，

4、每家公司都要结合自己的实际需求，选择适合自己的设计方案。二、压电晶体用无尘室的演进 从起源来讲，无尘室早期应用于医学方面，二战期间，美军发现减少生产环境中的落尘量，可以大幅度降低武器的失效率，并且，随着航天技术发展，对生产环境落尘量的要求就更加严格。于是，1961年美军率先建立了无尘室标准，1963年建立美国联邦标准（FED STD 209），并一直不断完善。2001年由ISO 14644世界标准取代。现在在医学、电子、食品、光学、生物科技、精密机械等领域得到广泛应用，成为其不可或缺的标准装备之一。无尘室测量标准的建立，直接与半导体行业的发展息息相关，60年代确立0.5的检测标准，就是为了保障

5、集成电路安全而取当时的集成电路线宽5的十分之一，后来又加入0.1的控制标准。随着集成电路的线距往极限值10nM靠近，对无尘室的落尘粒径要求将会不断提高。相对压电晶体生产而言，其产品尺寸远大于集成电路的尺寸，落尘对产品的影响度小于集成电路，对无尘室的要求自然低于半导体生产的要求。同时，压电晶体也只是上世纪七十年代发展起来的新型行业，对其电性能指标项目，测试标准、生产工艺、经济效益等方面都有一个发展完善过程。其发展不仅滞后于半导体集成电路的发展，甚至是集成电路发展的需求推动着该行业的进步。也正因为如此，该行业专业人员对无尘室的落尘与电性能指标的关系，落尘与产品可靠度关系的认识，都经历了一个从无到有

6、，由浅到深的一个过程。相信随着我们的认知越来越深入，对无尘室的设计制造也会越来越熟悉。无尘室的演进过程：1960年代，用于半导体制造16世纪法国、意大利，用于解剖方面二战期间，美国用于武器制造1860年代德国用于外科手术方面目的保证集成电路线距安全满足观众观看降低武器失效率防止或降低感染压电晶体用无尘室的演进过程：大陆改革开放后，压电晶体行业发展非常迅猛，但很少看到对其发展阶段性划分的观点，我个人根据这些年的体会，大致总结其发展历程如下：压电晶体用无尘室的演进过程：21世纪初，引入气流模式无尘室设计一战前后，实验室生产，对环境无特别要求1985年代，引入稀释型无尘室设计，1970年代，封闭环境

7、，简单过滤，分离式管控特点完善产品规格标准，提高自动化程度扩大工业化生产规模，提高产品可靠度保持频率、阻抗的一致性，提高合格率产品与环境隔离程度低，筛选方式。电性能指标宽松目的追求产品平民化和零失效率数字化带来民生产品爆发式需求战备需要及民生产品开发提高战地通讯质量三、无尘室的设计考量半导体行业在无尘室设计制造方面是领先的。但是从设备、产品、成本等特性考量，压电晶体行业可以借鉴其思想，但不能照搬。同时，现在的无尘室主要由专业公司设计和制造，虽然给我们提供了极大的便利，但是他们对设备、产品同样不熟悉，也难以达到最优化。再加上我国在无尘室标准的建立上与国际标准还有诸多落差，如动态验收标准、验收落尘

8、粒度等方面。但是，我们的产品质量要求甚至是超越美军标准的。基于这些因素，我认为还是要结合自身特点，予以个性化设计。建立无尘室的目的，当然是为了生产出满足客户要求的好产品。无尘室的设计要达到两个目的：一、保证无尘室不受外在空气条件变化的影响，二、维持无尘室内的生产条件符合要求。要保证这两条要求落实到位，完全靠专业公司的设计、建造是不大能够做到的，业者还应该在以下两点上全力配合，才能真正达到要求：A、选择合适的地理位置，B、尽可能少产生污染物。综合这四点，我认为无尘室建造要考虑下面这些要求。3.1 选择合适地理位置设计无尘室之先，要选择地理位置 。但这一点往往又没办法选择，因为工厂的位置是固定的，

9、更难预计周边环境将来的变化。但是还是要尽可能去挑选：大气含尘量低、远离繁忙区域和有害气体区域、人员货物分流、环境绿化好的地方，可以较好地保证设计方案达到预期效果，延长净化系统的使用寿命，节省生产成本。如果工厂位置已经固定，就尽可能选择小频率风向的下侧，远离其它排风口位置，尽可能远离厂区外部污染源等等。3.2借用专业脑袋：无尘室的设计和建造选用专业公司，利用其专业的特色，再结合我们行业特点，就可以有效达到经济 、有效的目的。专业公司可以帮助我们解决标准项目的管制：除去净化室漂浮的尘埃粒子和有害气体；控制温度湿度；调节压力差；保证气密性；防静电和电磁干扰；安全性保障；考虑照明度及节能环保等等。3.

10、3结合行业特点 生产技术人人员对产品的工艺流程、设备布局和使用， 具备相对优势。在无尘室的设计之初，结合生产布局，控制要点，就可以节省空间，提升净化效果。我见过一家企业，没有考虑设备尺寸，事先固定了地面回风口的位置，导致空间巨大浪费；另一家企业，无尘室宽度设计没有考虑设备宽度，导致整个布局大挪移，无法达到理想净化效果；更有的因排气管位置不合理，造成质量事故。3.4留有余地 ： 生产是一个长期的过程，产品、设备会很多改进和变化，所以设计之初的布局一定要有弹性和预见性。如：扩张产能、设备改型、工艺进步等等，这样就会节省很多成本和时间。 四、无尘室的布局考量4.1 管道选型及布局 根据设备布局自然要

11、配备相应的规格、数量的管道。做到位置对正、距离最短、预留机动、建立预警、标示准确是很自然的要求。还有一些细节也至关重要。 排气管：主要是将机械泵、真空泵、气动元件产生的废气排出无尘室以外。经常容易发生问题的也是它。 1、由于抽真空的需要，导致管道长期、反复受到瞬间排气压力冲击，密封口可能松动而泄露废气于无尘室；管道由于受压、摩擦，时间长了也可能有微小孔洞泄露废气；压力不匀造成有可能在设备间串气；管道老化特别是软管的老化也会导致承压下降而损坏等等。 2、设备上的很多运动部件都是采用压缩空气或电磁阀驱动，设备制造商很容易忽视其对产品的影响，很少注意气动元件和产品间的隔离或保护。也容易忽略运行过程中

12、产生的油气、粉尘等污染物质。导致生产过程中积少成多的累积污染问题。另外还有设备调整后遗漏处理泄露问题等。 压缩空气管道：如果油气分离偶尔异常，会导致水汽、油气，污染管道，并且带来长期污染。含有油气、水汽的压缩空气排放在无尘室，又会带来第二次污染。 冰水管道: 冰水管道主要的作用是冷却，水的硬度偏高会导致因加热结垢而堵塞管道，水的纯度太高会导致腐蚀，特别是铜质到热管。水温太低容易在管道表面结露，影响真空度等；水温太高容易造成管道软化而脱开漏水。水压高低的重要性当然也不容小觑。所以，温度警报装置和压力警报装置是很有必要的预防措施。 4.2 设备选型及布局相对设备商来讲，使用者对工艺流程、产品性能比

13、设备制造技术人员更具备优势。如果在设备选型之初，货比三家，同时使用者提出自己的一些要求 ，比喻说气动器件的气体集中排放，瞬间泄露的预防，防止产品落入内部的设计，甚至人身安全设计，避免使用易造成污染的材料，保养用润滑油的挥发性等等。我们预先和设计方进行沟通，会收到意想不到的效果，甚至可以因此而派生出知识产权，进而和设备商共享知识产权利益。再进一步结合设备尺寸、排气特点等巧妙设计无尘室的大小、形状，尽可能让设备产生的污染物集中排出室外，让设备产生的污染物尽可能直接进入回风口，进行净化处理。这样就有事半功倍的效果。 4.3 结合产品、工艺无尘室的设计结合产品工艺细部也非常值得考虑。比喻首先做好地面工

14、程后再区隔功能区块，可以避免变更时，地面重新处理的问题，可以节约一些时间，减少一个污染源。无尘室顶板要全部采用吊装方式承重，不用侧墙承重，防止变形引起密封性降低。清洗工序有水汽产生，要设计单独净化系统且与主室作物理隔离。烤胶时有微量胶气排出，需物理隔离和排风处理，还要避免回灌无尘室等等，总之，不同的工序有不同特色，有需要物理隔离，以传递窗的方式沟通的，有些需要回风隔离，防止交叉污染的。还有一些区隔是为了管理的。这些细节注意到了，产品 品质、性能要求自然能达到，成本压力也会大大降低的。五：使用无尘室的经验分享无尘室无疑是用来清除污染物的。让无尘室里的尘埃尽快、尽可能得到清除。但是它并不能去掉污染

15、的产生源，充其量也就是一个先污染再清除的运作模式。所以，要让无尘室达到生产所需要的要求 ，除了设计之外，更重要的是减少产生源和产生概率，始终让清除率远大于产生率。避免过于要求高等级无尘室和高净化能力。 常规判定无尘室优劣的指标通常有风量、循环次数、风压；温度、湿度、落尘量等。这些无疑是必须的。但是，这些只是表征指标，并且不是在时间、空间上全覆盖的测试指标，因此不能真正代表一个无尘室的实际状况。我们真实的目的是需要在无尘室生产出满足客户要求的产品。所以产品品质表现得好坏 ，才是我们要重点关注的。如果产品出现品质方面的问题，原因自然可以找到很多，如：无尘室设计因素，客户使用因素、管理因素、设备因素

16、、等等。这些都可能有。所以我们需要系统分析，找到每一个因素的影响特征，对症下药，才能满足客户要求。本节就是在忽略其它干扰因素的前提下，分析无尘室因素对产品品质影响的特征，帮助我们理清思路。这里讲一个真实的故事：有一个本行业的民营企业总经理，对产品的合格率是如下要求的，首先生产线做一次，收集不良品，然后技术人员将不良品重新投料做一次，同样收集不良品，再由技术主管将不良品投料做一次。这样三次投料生产的良品得到的良品率就是产线要求达到的良品率。老总的观点本来不错，但是是一个不可能完成的任务。如果把它改为观察无尘室实际效果，就是一个非常不错的发现问题、改善生产的一个指标，可惜老总不懂。最后的结果是：面

17、对不可能完成的任务，生产就不得不虚假以对，以保住自己的饭碗。实在可惜！一个合用的无尘室，在正常生产条件下，其生产出来的产品，自然是高合格率，高品质稳定性的。并且任何一个不良现象都能找到对应原因并重现其现象。但是即使是最优秀的生产环境，也有值得改善的地方。所以，我们聊的重点还是针对改善来进行。无尘室不良时的表现形式大体有两种：第一种：产品品质整体表现不良，如果无尘室整体设计或者某工序整体达不到要求，会造成此问题的发生。其表现出来的症状是： 1产品合格率低于同行水平，且合格率一致性良好。 2对无尘室洁净度敏感度高的产品，其合格率低于敏感度低的产品。 3产品寿命低于同行产品的平均寿命。 4产品品质不

18、稳定，预老化时失效率高。 5库存品存放一段时间重新测试有不良产品。 6客户现场或市场失效比例明显偏大，带有普遍性失效。 7普遍发生客户使用后有投诉，要求越高的客户投诉越多。 如果无尘室整体性能逐步下降，除了上述表现外，还有一个特征就是：产品品质表现为整体年度同比逐步下降，且问题比率越来越高。要验证此问题，有方法如下： 将投入产品全部重工，其质量表现与之前基本一样，重合度很高。对于压电晶体产品，如果将其产生过程中产生的不良品，再次回收，投料生产，其质量表现，和第一次投入生产时的合格率基本一致。就可以说明此类问题是存在的。怎样去改善，首先要分析污染出污染物质的种类（后面章节会涉及到），再做针对性改

19、善，确实看到有效果后，还要做到重现不良表现。 第二种：批次性不良，同一规格产品部分品质表现正常，部分表现异常。规律性不明显。如果无尘室某个单一点或者某个时间点出现污染物不达标的问题，就会发生此类问题，由于偶然因素比较多，是比较难以分析判断的问题。其品质不良主要表现为： 1同规格产品在不同时间生产，品质表现不同。 2同规格大批量产品，品质表现为有批次性差异。 3客户现场或市场失效集中在某些批次。 4产品在工序间流水时，性能变化的一致性差。 5生产中发生不良的规律不明显，结合其它因素后更模糊。验证方法如下： 首先依据生产数据的批次分布情况进行判定；可依据机台号、员工号、批次号、工序、时间等来进行分

20、析，尽可能找出符合上述特点。也可以将此类不良批次产品进行重新投料生产，比较其品质前后变化，一般表现为有升有降，看起来没有规律。改善的方法依然是要分析不良品，找出污染物的种类，再针对性改善。同样，也要做出重复性验证。六、压电晶体产品指标与无尘室的关联表现关系无尘室污染物由于经过了生产中的高温、真空度、溶剂溶解等过程后，有机物大部分都会发生物理和化学特性的改变，其它非金属和金属化合物大多不会发生性质的改变，但形状有可能发生变化。 比喻高温会带来有机物氧化分解或者融镕收缩，污染物的成分和外部形状也变了；金属或非金属化合物被和覆盖一层镀层或氧化膜。尽管如此，我们通过放大镜观察，还是可以将污染物进行分析

21、归类，基本可以断定是哪一类污染物。如果能采用质谱仪、X射线分析仪做进一步的分析，自然是再好不过的事情。只是由于这类分析手段存在分析数量少，周期长，设备成本高。所以，我们从产品的表现来区分污染物，并予以改善和验证仍然是至关重要的。 根据污染物对产品性能影响表现，我们常见的污染物，简单分类共有五类： 1、颗粒状污染物。其有可能掉落或黏附在产品表面，也有可能被覆盖在产品内部。 2、漂浮物吸附在产品表面或腔体上，经过高温会黏附在其吸附位置造成的污染。特别干燥的环境会加速吸附现象。 3、水气产生的氧化及性能指标改变。 4、油气分子造成的吸附及氧化。5、氧含量高造成的氧化变性。 下面分别就其表现来进行说明

22、: 颗粒状污染物：产生的来源主要有设备工作腔体中的粉尘、镀膜时形成的大颗粒金属物、环境中被空气带动的粉尘，高温后收缩形成的颗粒、还有有机物气化后空洞、导电胶附着等等。 这类污染物的在电性能上的表现主要是电阻偏大，特别是在不同激励功率下，电阻变化偏大。容易导致使用过程中由于电压的波动、使用时间延长、环境发生波动时出现停振故障。从而导致设备无法正常工作或自动关机等。发生此类改变主要是表面电荷分布发生畸变，表面载货分布异常导致应变畸变而产生。剥离掉颗粒物，产品性能会恢复正常。 解剖开来分析，可以看到产品表面有明显的颗粒物，或颗粒状突起、空洞。特别要注意，本身是颗粒状物体在表面黏附时 ，其四周无环状放

23、射环，有机物收缩形成的颗粒物有放射环存在，其频率也会发生向下偏移。 漂浮状污染物：在产品老化、或者回流焊后，会产生收缩，牢固粘附在产品表面时，会导致产品电阻增大、频率下降。其表现与颗粒状物体的影响是一样的。不一样的地方是,经过这些高温前,产品电性能暂时是不会受影响的。经过一次筛选,不能够全部筛选出来,也有可能由于工厂的实验条件与客户条件不一致而在客户端出问题。 这类产品形成的污染颗粒，很难剥离，只有在其熔融前将其吸走，也就是在封装前通过真空吹、吸，将其去掉。 解剖放大观察分析，一般都可以看到熔融收缩状痕迹，胶质状。如果 氧含量偏高还可以看到碳化痕迹。 水气产生的氧化: 环境空气中水汽的含量是个

24、非常敏感的指标。一般中央空调控制的无尘室，很容易出现水汽含量偏低，导致极易产生静电，如果产品对静电敏感，如集成电路，这是非常不利的。另外，由于摩擦起电，空气中的带电粒子显著增加，容易导致落尘偏高，由于产品表面也容易和空气摩擦起电，所以也特别容易富集落尘。这样的产品，经过生产中的高温处理，特别容易出现3.2中所描述的不良，要特别引起重视。 水汽含量偏重的问题不太容易发生，如果在设计之初没有处理好，也会是一个有严重影响的问题。比喻，一年四季大气中的含水量变化显著，特别是在梅雨季节，台风影响期间，还有一楼作生产车间时地下的防水处理好坏等。偏高时，严重影响频率的控制中心，经过烘烤，水汽挥发，频率显著变

25、化而难以准确控制。同时由于水汽的存在，增加了镀膜层的化学活性，容易发生氧化反应，使产品表面发生氧化，并且此过程会逐渐严重到最后停振。 油气分子的吸附和氧化： 微调时频率的离散性会增加，可以看到两个微调集中的频率中心。经过回流焊，可以测得其频率往正负两个方向便宜比较对称，不同激励功率下，表现出电阻差异大，但是多次测试 后，产品性能会好转。 这主要是由于油分子有挥发性，并且是大分子结构，分子间的化学结合力小，所以微调时形成的共振点略有偏移。又由于其具有挥发性，可以重新分布在产品表面的不同区域，造成频率上下漂移相当。 客户在装贴过程中或使用日久，其频率、电阻会逐步劣化而失效。 开盖检查，可以看到污染

26、痕迹，但是看不到突起物。如果含氧量偏高，还可以看到蓝色氧化痕迹。含氧量高带来的氧化变性： 毋庸置疑，氧含量是越低对产品越好。但是很难做到零含量，高温时建议小于10PPM或者采用高真空度。氧气的主要作用是氧化，在含有高温、水汽、或者附着颗粒物时，氧化过程会加快。氧化的表现主要是渐进式的，在初期看不出很大的电性能的差异，随着使用时间的延长，逐步会频率下偏，电阻增大，最后停振。所以，其主要影响是使用寿命。此问题除了通过含氧量检测外，主要是根据客户的反馈来思考改善此问题。 解剖不良产品时，可以看到产品表面颜色较暗，特别是微调刻蚀区域，更加明显。七、使用经验的传承和落实归纳、分析、强化与固化由于进入本行业的工程技术人员基本不熟悉此产品，同时对无尘室的实践经验也少之又少。再加上不可能每个人都能参与无尘室设计、建造、使用、维护的全过程，得到的直观信息不会全面细致。故对无尘室知识的归纳整理就很有必要了。下面将做一个总结归纳，算是抛砖吧。1、设计合用的无尘室：考虑到地理环境、设计等级、无尘室成本、动态变化量，一般公司设计的都是要求满足静态设计要求的。超越本行业要求去设计无尘室的也时有所见，主要思想还是提高净化能力，可是，如果疏于降低排放量的控制，走先污染再净化的道路，产品性能提高有限且会导致后期营运成本偏高，在全面竞争的时代处于被动地位。2、控制设备、人员产生：这里主要讲讲设备的产生源，人员因素放