晶振的制造工艺流程和失效模式分析.ppt

晶振的制造工艺流程和 失效模式分析 目 录 l晶振的定义和分类 l石英晶体谐振器的工作原理 l石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶体振荡器的介绍 l晶振的应用 l失效模式分析 晶振的定义和分类 l晶振的定义: 晶振的英文名称为crystal. 石英晶 体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成， 主要是为电路提供频率基准的元器件. 晶振的定义和分类 l晶振的分类： 1. 从功能上分晶振分为无源晶振和有源晶振。 无源晶振即为石英晶体谐振器 。而有源晶振即 位石英晶体振荡器。 无源晶振只是个石英晶体片，使用时需匹配相 应的电容、电感、电阻等外围电路才能工作， 精度比晶振要低，但它不需要电源供电，有起 振电路即可起振，一般有两个引脚，价格较低 。 晶振的定义和分类 有源晶振内部含有石英晶体和匹配电容等外围 电路，精度高、输出信号稳定，不需要设计外 围电路、使用方便，但需要电源供电，有源晶 振一般是四管脚封状，有电源、地线、振荡输 出和一个空置端。使用有源晶振时要特别注意 ，电源必须是稳压的且电源引线尽量短，并尽 量与系统中使用晶振信号的芯片共地。 晶振的定义和分类 l晶振的分类： 2. 从封装形式上分有插脚型（PTH）和表面贴 装型（SMD） 插脚型（PTH ） 表面贴装型(PTH) 石英晶体谐振器的工作原理 l什么是石英：石英的化学成分为SiO2，晶体属 六方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英 ），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。 广义的石英还包括高温石英（b-石英）。受压 或受热能产生 压电效应。 石英晶体谐振器的工作原理 l什么是压电效应：石英晶体在压力作用下产生 形变，同时产生电极化。其极化强度与压力成 正比。这种现象就称“正压电效应”。反之，在 电场作用下，晶体产生形变，其形变大小与电 场强度成正比，这种现象称“逆压电效应”。 利用压电效应，当极板外加交变电压时，产生 机械形变;机械形变反过来产生交变电场。机械 形变振幅较小，晶体振动的频率比较稳定。当 外加交变电压的频率和晶体的固有频率相等时 ，机械振动的振幅急剧增加。 石英晶体谐振器的工作原理 l压电效应图解： 石英晶体谐振器的工作原理 l为什么选用石英作为材料： 在二十多类具有压电效应的晶体中，石英晶体 是无线通讯设备中最为满意的材料之一。它的 机械强度高，物理化学性能稳定，内损耗低等 ，用它制成的器件被广泛用在频率控制和频率 选择电路中。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶体谐振器的组成和特性： 由石英片，电极，基座，上盖、导电胶组成， 其关键部分是石英片。石英片是弹性体，它有 固有频率。石英片也是压电体，谐振时，振动 幅度最大，阻抗最小；失谐时，阻抗迅速加大 。 结构图 等效电路 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶片的切型： 在制造工艺中，首先要对石英晶体 原材料进行切割研磨处理，其中一道很重要的工序是定 角。由于石英片的取向不同，其压电特性、弹性特性和 强度特性就不同，用它来制造的谐振器的性能也不一样 ，经过大量研究，已发现了几十种有用的切割方式。切 型的习惯表示方法：AT， BT，CT，DT，ET，FC， SC，LC等 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶片的制造工艺流程图： 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶片的制造工艺流程图： 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英谐振器的制造工艺流程图： 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英谐振器的制造工艺流程： 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英片的清洗：其实很多晶振厂商购买已经切割好 的石英片作为原材料，在制程中的第一步即为石英 晶片的清洗。 利用酒精，热水，IPA, 氨水和双氧水混合物，铬 酸溶液，纯水等溶剂，石英晶片放入超声波清洗机 中进行清洗，并使用无尘烤箱进行烘干处理。其目 的是为了去除石英晶片上的杂物，为下一步蒸镀作 准备。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l初镀基膜：用真空镀膜原理在洁净的石英晶片上蒸 镀薄银层或用离子轰击金靶溅射到晶片表面形成薄 金层，形成引出电极，并使其频率达到一定范围。 在蒸镀之前，须将石英晶片放入模具中，此模具 将须蒸镀的区域暴露出来，遮住无须蒸镀的地方。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l上架点胶：将镀上银（金）电极的晶片装在基座上 ，点上导电胶，并高温固化，通过弹片或PAD引 出电信号。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l微调：采用离子轰击的方式来调整晶片表面电极的 厚度；使晶体谐振器的频率达到规定要求。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l封焊：将基座与上盖放置在充满氮气(真空)的环境 中进行封焊，以保证产品的老化率符合要求，目前 比较常用的上盖为陶瓷或者金属，为了降低成本， 陶瓷封装将会越来越多。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l密封性检查：检查封焊后的产品是否有漏气现象 粗检漏：检查较大的漏气现象(压差方式) 细检漏：检查较小的漏气现象;（压He方式） 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l老化及模拟回流焊：对产品加以高温长时间老化， 释放应力以及模拟客户使用环境，暴露制造缺陷， 以提高出货产品的可靠性。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l打标：利用Laser在晶振的外壳上打上标记 如型 号，额定频率等等，以便于区分不同的产品。 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l测试包装：对成品进行电性能指标测试，剔除不良 品，保证产品质量。 测试OK的产品进行包装 石英晶体谐振器的制造工艺流程 l石英晶体谐振器的基本参数： FL:指定负载CL时的谐振频率。 Fr:谐振频率;Xe=0时的频率） CL:特定负载谐振频率时的负载电容(pf) C0:静电容（pF）;C1:动态电容（fF） L1:动态电感。(mH); RR:动态电阻。ohm Q:品质因数。Q=2fL1/R1 TS:指定负载CL时测试的频率因负载电容变化而引起 的牵引能力。(ppm/pf) PWR:激励功率。(uW) 石英晶体振荡器的介绍 l石英振荡电路主要由IC、石英谐振器（简称：晶体） XTAL、电阻、PCB等组成，在实际应用中的线路原 理图如下 石英晶体振荡器的介绍 l石英晶体振荡器的分类： 普通晶体振荡（SPXO），可产生10(-5)10(-4) 量级的频率精度，标准频率1100MHZ，频率稳定度 是100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施 ，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。 电压控制式晶体振荡器（VCXO），其精度是10(- 6)10(-5)量级，频率范围130MHz。低容差振荡器 的频率稳定度是50ppm。通常用于锁相环路。 石英晶体振荡器的介绍 l石英晶体振荡器的分类： 温度补偿式晶体振荡（TCXO），采用温度敏感器件 进行温度频率补偿，频率精度达到10(-7)10(-6)量 级，频率范围160MHz，频率稳定度为0.1 2.5ppm，如果您需要使您的设备即开即用且要求高 稳定度，您就必须选用它，如果要求稳定度在0.5ppm 以上，则需选择数字温度补偿晶体振荡器（MCXO或 DTCXO）,它通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线 通信设备等。 石英晶体振荡器的介绍 l石英晶体振荡器的分类： 恒温控制式晶体振荡（OCXO），它是利用恒温槽 使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由 周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最 小的晶体振荡器。在OCXO中，有的只将石英晶体振 子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要 元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内 部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进 行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制 的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上， 使振荡器频率稳定度至少保持在1109。OCXO主要 用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频 谱和网络分析仪等设备、仪表中。 石英晶体振荡器的工艺流程 l石英晶体振荡器的工艺流程 石英晶体振荡器的介绍 l石英晶体振荡器的分类： 1 VDD: 工作电压；单位V； 一般范围：1.85.0V 2 Fr: 标称频率；单位：MHZ 3 Start time: 启动时间；单位ms(10ms max) 4 I: 工作电流；单位：mA 5 Tr: 波形上升时间；单位ns，指波形从10%的VDD上升至90%的 VDD时的时间(10ns max) 6 Tf: 波形下降时间；单位ns，指波形从90%的VDD下降至10%的 VDD时的时间(10ns max) 7 Duty: 波形对称性；单位：%即波形的前半周所花的时间占整个 周期的百分比 8 Tran-state:三态功能；即具有三态功能的产品，在控制脚(1#)接 入高电平(0.7VDDmin)或悬空时，振荡器会保持工作状态，在接 入低电平(0.3VDDmax)时振荡器处于停振状态 晶振的应用 l石英晶体谐振器的应用：石英谐振器一般作为电感 元件在振荡电路中起稳频作用，而电路的其它元件 均可等效为一个负载电容与石英谐振器串联或并联 。负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频 率稳定度带来影响。 晶振的应用 l石英晶体谐振器激励电平选择：一般取1100uW 为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能 ，所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规 定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的 特点 激励电平过大， 会导致晶体本身永久损坏，引起 等效电阻变大和Q值下降， 电阻温度特性和频率 问题特性变得不稳定， 引发寄生振动。 激励电平 过小，会导致不易起振，影响工作的温定和可靠性 。 晶振的应用 l石英晶体谐振器激励电平选择：一般取1100uW 为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能 ，所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规 定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的 特点 激励电平过大， 会导致晶体本身永久损坏，引起 等效电阻变大和Q值下降， 电阻温度特性和频率 问题特性变得不稳定， 引发寄生振动。 激励电平 过小，会导致不易起振，影响工作的温定和可靠性 。 石英晶体谐振器的失效模式分析 l石英晶体谐振器的失效模式及原因： 主要的失效模式为开路， 短路， 频率稳定性差等 。 开路短路的主要源原因： 1，支架脱落。 2. 脱锡, 脱胶， 尽量提高锡量和胶量， 减少脱锡 和脱胶的几率 3. 外壳封装系统机械损伤， 减少handling 问题造 成的外壳机械损伤 石英晶体谐振器的失效模式分析 l石英晶体谐振器的失效模式及原因： 频率稳定性差的原因： 1，激励电平选用不合适，过高或者过低都会影响 到频率的稳定性. 2，石英晶体表面为清洗干净， 致使镀银表面有斑 痕 ，使用纯度高的纯水清洗， 使用无水乙醇进行 脱水。 3，石英晶体表面不平整， 或者磨蚀处理时磨蚀过 大， 造成镀银不连续。 对石英晶体要进行打磨处 理， 控制磨蚀得质量， 防止腐蚀过度。 石英晶体谐振器的失效模式分析 l提升石英晶体谐振器品质的一些措施： 一： 要保证晶片的光洁度,包括其边缘的光洁度. 二： 应采用深腐蚀工艺,确保破坏层被全部清除. 三： 保证晶片的清洁度,要对晶片进行多遍仔细清 洗,对谐振件和外壳也要清洗. 四： 适当减薄电极膜的厚度,保证镀膜公差,尽量减 小微调量. 五： 保证镀膜和微调真空度,镀膜前最好进行离子 轰击清洗.镀膜过程中,晶片的温度,溅射的速度均对 电极质量有影响. 石英晶体谐振器的失