工艺技术_晶体设计选用与失效分析课件

晶体设计选用与失效分析 品技处V1 3 HangzhouHosonicElectronicCo Ltd 1 水晶材料基本特性2 石英谐振器的生产工艺3 石英谐振器的基本参数4 线路设计中石英谐振器的选用5 典型案例分析6 发展趋势7 品质系统流程图 目录 水晶材料基本特性 一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 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 水晶材料基本特性 二石英晶体的切型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 经过前辈的大量研究 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 水晶材料基本特性 三应用领域 3 1主要产品 石英晶体谐振器 石英晶体振荡器3 2主要特点 高稳定性 年老化率小于 5ppm 高Q 品质因数 值 低功耗 小体积 易于使用 3 3主要应用于通讯 电脑 导航 航空航天 家用电器等领域 一般石英晶体谐振器的频率可从几十KHZ至几百MHZ 水晶材料基本特性 四石英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 石英谐振器的生产工艺 一石英晶片制造工艺流程 石英谐振器的生产工艺 二石英晶体谐振器制造流程图 石英谐振器的生产工艺 2 1被银 用真空镀膜原理在洁净的石英晶片上蒸镀薄银 金 层 形成引出电极 并使其频率达到一定范围 石英谐振器的生产工艺 2 2上架点胶 将被上银 金 电极的晶片装在基座上 点上导电胶 并高温固化 通过弹簧 PAD 即可引出电信号 石英谐振器的生产工艺 2 3微调 SMD产品采用Ar离子轰击晶片表面的银 金 电极 将多余的金 银 原子打下来 插脚类产品使用真空镀膜原理 微调晶体谐振器的频率达到规定要求 石英谐振器的生产工艺 2 4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 本公司主要有 电阻焊 DIPOSC DIPCrystal SEAM焊 滚边焊7S 6S 5S 4S 3S 2S 玻璃焊 8F 6F 5F 石英谐振器的生产工艺 2 5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 细检漏 检查较小的漏气现象 石英谐振器的生产工艺 2 6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 据以提高出货可靠性 石英谐振器的生产工艺 2 7测试 对成品进行电性能指标测试 剔除不良品 保证产品质量 石英谐振器的基本参数 Fs 串联谐振频率 Fs 1 2 L1C1 1 2 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 ohmQ 品质因数 Q 2 fL1 R1TS 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 线路设计中石英谐振器的选用 一石英谐振器的稳频条件 负载电容激励电平频率温度特性 线路设计中石英谐振器的选用 负载电容CL对频率的影响 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 线路设计中石英谐振器的选用 负载电容CL对频率的影响 18PF为例 线路设计中石英谐振器的选用 负载电容CL对频率的影响 18PF为例 线路设计中石英谐振器的选用 激励电流和频率稳定度的关系 一般取70 100uA为佳 用激励功率表示时 一般取1 100uW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 一般来讲 激励电平偏小对于长稳有利 激励电平稍大对于短温有利 但是激励电平太大 石英片振动强 振动区域温度升高 石英片内产生温度梯度 会使频率稳定度降低 激励电平过大 由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移 使频率产生永久性的变化 甚至有时会把石英片振坏 激励电平过大 会使等效电阻增加 Q值下降 电阻温度特性和频率温度特性变得不规则 激励电平过大 容易激起寄生振动 同时还会使老化变大 当然 激励电平太低也会使信噪比变小而影响短期稳定度 激励电平太低 谐振器不易起振 影响工作的温定和可靠性 所以谐振器使用者应根据不同的要求严格控制激励电平 更不能为了增大输出而随意提高激励电平 线路设计中石英谐振器的选用 频率温度特性 线路设计中石英谐振器的选用 二石英振荡电路的组成 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 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 一 IC 可根据实用的需要任意选用 CMOS反向器IC 专用振荡IC 大规模的数字IC中自备石英振荡门 负阻特性 振荡电路 除去CRYSTAL 具有一个负阻特性 用网络频谱分析仪 振荡电路负阻值 绝对值 必须大于3倍的CRYSTAL电阻值 CRYSTALESR RR 振荡电路才可以稳定的振荡 电容 可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品 但是应注意选择适用于高频的 低损耗角的 选用NP0系列的温度系数产品 Cg Cd的具体数值请参阅下面的注意事项 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 二 电阻 在选择尺寸的同时需注意功耗的满足 PCB 注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数 大面积接地和一点式接地方案的采纳 有必要的时候应注意EMI的防护 XTAL 频率大于1MHz的谐振器应选用AT MODE可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体 主要电性指标 FL ESR的CLOCK需要选用FL及公差 25 并按Cg Cd值 计算而得 CL Cg Cd Cg Cd Cs 线路分布杂散电容 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 三 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 四 ESR 可参见产品目录提供的数据 单位 工作温度范围的频率公差 例 30ppm 10 60 30ppm 20 70 等Cg Cd的选择要点和注意事项 正确的选取Cg Cd的值将有利于振荡电路的工作稳定 并能使振荡频率满足使用的CLK要求 其选取的步骤如下 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 五 首先应该按照 R的需求选择Cg Cd 在满足TS的情况下应尽量小些 保持较高的 R以保证振荡的的稳定性 当无法满足 R要求时应考虑对IC的特性重新评价 选择 R gm 2 Cg Cd R 3 5 ESR XTAL Rf值选取 取用的XTAL为基本波的时候 Rf选用1M 3RD模式的XTAL时须考虑截止频率必须界于基频与3RD的中间以保证3RD工作正常为原则 通常Rf阻值在2 15K 间 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 五 IC的 R与CL的关系 IC的 R与F0的关系 线路设计中石英谐振器的选用 三石英振荡电路中的主要元器件的选用 六 为了避免对XTAL的过激励而影响电路的正常工作 建议采用Rr以控制XTAL的激励功率 其数值视频率高低可在33 68 间选取 对于有EMI要求的振荡电路设计中必须选取SEAM焊封4PAD的晶体谐振器 同时赋予合理接地方式 可满足EMI防护的需求 典型案例分析 一某客户在使用过程中发现输出图象产生黑白图像 客户使用我司ESA24 0000F27D33产品 测试结果 IC R 238ohms在线实际测试频率为F 163ppm用250B测试 在CL 27PF时为FL 1 7ppm 解决方案 我司按CL 20pF给客户供货 典型案例分析 二某客户在使用过程中发现产品波形输出不稳定振动幅度过小 E5FA24 0000F16E33 测试结果 IC的 R 42 9ohms此类晶体产品的规格值中ESR一般会控40ohms控制 依此推算 客户的IC R应在120ohmsmin 比较适合 解决方案 建议客户将Cg Cd改为12pF 以提高 R 同时我司按9PF给客户供货 典型案例分析 三某客户在产品使用过程中发现有部分会出现停振 E3SB20 0000F16E11 测试结果 发现线路设计没问题 与晶体的FL RR也匹配 后从客户所提供的IC相关参数中发现其激励功率为300uw 对小尺寸晶体产品而言 此颗料的外形尺寸为3 2 2 5mm 一般激励功率不能超过100uw 解决方案 我司更改晶片制造工艺 将其电阻提高到15ohms以上来解决 建议客户在线路中串联电阻Rr 33ohms 以减小电流 典型案例分析 四某客户在产品使用过程中发现会出现产品三倍频的振荡模式 EUA2 34496F20D33 测试结果 在2 34MHZ时 R 6 5Kohms 在7 009MHZ时 R 805ohms 而此产品在正常状态下电阻在150ohms以内 3RD电阻300ohms以内 解决方案 建议客户在线路中串联电阻Rr 470ohms 发展趋势 石英产品与其它的电子元器件同样朝着轻薄短小演进 石英产品从1990年开始朝着SMD的方向演进 1998年开始又向小型SMD的方向发展 因此轻薄短小的竞争也就从此白热化起来 当今已从SMD 8045 7050 6035 5032 4025发展为3225和2520等产品 很快2016的产品将量产市场化 随着CPU的运转速度的加快 石英谐振器和石英振荡器的高频化进程也在加快 石英振荡器的输出逻辑除了常用的TTL CMOS之外 继续推出了LVCMOS和PECL等更适合于高速通讯的产品 以及低工作电压2 5V 1 8V等的低功耗产品 更适合现代产业的需求 在石英水晶的压电效应发现已经历了120年的今天 终于将进入重要的频率控制元件发展的新纪元 发展趋势 附SMDCrystal产品发展趋势图 单位 Mpcs 发展趋势 附SMDOSC产品发展趋势图 单位 Mpcs 品质部组织机能图 品质系统运作流程图 客户抱怨 分析 矫正 预防 品质确认与稽核 业务 品质 采购 生管 制造 生技研发 进料检验 新产品试作 样品测试 样品确认 原物料储存 原物料采购 生产计划 进料检验 原物料准备 制程管制 制程中检验 最终测试编带 成品仓库 出货管制 出货 量产 原物料采购 样品转量产试作 制程中信赖性抽测 服务 量产前制程与样品检讨 订单审查 新产品规划 外观检验 包装 出货前抽检 供应商 协力商评估流程图 技术单位 制造单位 品质单位 生管单位 采购单位 新供应商开发 新协力商