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晶振 1 概述2 晶振的基本原理3 晶振的主要参数4 晶振的应用5 晶振的工艺6 晶振的制程控制7 晶振的测试方法8 石英晶体振荡器的发展趋势9 晶振的失效模式及案例分析 1 概述振荡器是一种能量转换器 石英谐振器是利用石英晶体谐振器决定工作频率 与LC谐振回路相比 它具有很高的标准性和极高的品质因数 具有较高的频率稳定度 采用高精度和稳频措施后 石英晶体振荡器可以达到10 4 10 11稳定度 基本性能主要是起振荡作用 可利用其对某频率具有的响应作用 用来滤波 选频网络等 石英谐振器相当于RLC振荡电路 石英晶体俗称水晶 是一种化学成分为二氧化硅 SiO2 的六角锥形结晶体 比较坚硬 它有三个相互垂直的轴 且各向异性 纵向Z轴称为光轴 经过六棱柱棱线并垂直于Z轴的X轴称为电轴 与X轴和Z轴同时垂直的Y轴 垂直于棱面 称为机械轴 2 晶振的基本原理2 1 晶振的原理石英晶体之所以可以作为谐振器 是由于它具有正 机械能 电能 反 电能 机械能 压电效应 沿石英晶片的电轴或机械轴施加压力 则在晶片的电轴两面三刀个表面产生正 负电荷 呈现出电压 其大小与所加力产生的形变成正比 若施加张力 则产生反向电压 这种现象称为正电效应 当沿石英晶片的电轴方向加电场 则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩 发生形变 这种现象称为反压电效应 因此 在晶体两面三刀端加上交流电压时 晶片会随电压的变化产生机械振动 机械振动又会在晶片内表面产生交变电荷 由于晶体是有弹性的固体 对于某一振动方式 有一个固有的机械谐振频率 当外加交流电压等于晶片的固有机械谐振频率时 晶片的机械振动幅度最大 流过晶片的电流最大 产生了共振现象 石英晶片的共振具有多谐性 即除可以基频共振外 还可以谐频共振 通常把利用晶片的基频共振的谐振器 利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器 一般能利用的是3 5 7之类的奇次泛音 晶片的振动频率与厚度成反比 工作频率越高 要求晶片越薄 尺寸越大 频率越低 这样的晶片其机械强度就越差 加工越困难 而且容易振碎 因此在工作频率较高时常采用泛音晶体 一般地 在工作频率小于20MHZ时采用基频晶体 在工作频率大于20MHZ时采用泛音晶体 2 2晶振的结构结构晶片 石英 sio2 六角晶系各向异性 弹性常数 介电常数 压电常数 热膨胀系数电极 银支架外壳石英晶体振荡器是利用石英晶体 二氧化硅的结晶体 的压电效应制成的一种谐振器件 它的基本构成大致是 从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片 简称为晶片 它可以是正方形 矩形或圆形等 在它的两个对应面上涂敷银层作为电极 在每个电极上各焊一根引线接到管脚上 再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器 简称为石英晶体或晶体 晶振 其产品一般用金属外壳封装 也有用玻璃壳 陶瓷或塑料封装的 原理 压电效应若在石英晶体的两个电极上加一电场 晶片就会产生机械变形 反之 若在晶片的两侧施加机械压力 则在晶片相应的方向上将产生电场 这种物理现象称为压电效应 如果在晶片的两极上加交变电压 晶片就会产生机械振动 同时晶片的机械振动又会产生交变电场 在一般情况下 晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小 但当外加交变电压的频率为某一特定值时 振幅明显加大 比其他频率下的振幅大得多 这种现象称为压电谐振 它与LC回路的谐振现象十分相似 它的谐振频率与晶片的切割方式 几何形状 尺寸等有关 3 晶体的主要参数 晶振的主要参数有标称频率 负载电容 频率精度 频率稳定度等 不同的晶振标称频率不同 标称频率大都标明在晶振外壳上 如常用普通晶振标称频率有 48kHz 500kHz 503 5kHz 1MHz 40 50MHz等 对于特殊要求的晶振频率可达到1000MHz以上 也有的没有标称频率 如CRB ZTB Ja等系列 负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和 可看作晶振片在电路中串接电容 负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同 标称频率相同的晶振 负载电容不一定相同 因为石英晶体振荡器有两个谐振频率 一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振 另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振 所以 标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至 不能冒然互换 否则会造成电器工作不正常 频率精度和频率稳定度 由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求 对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度 频率精度从10 4 量级到10 10 量级不等 稳定度从 1到 100ppm不等 这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振 如通信网络 无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器 因此 晶振的参数决定了晶振的品质和性能 在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振 因不同性能的晶振其价格不同 要求越高价格也越贵 一般选择只要满足要求即可 晶振不振荡时 可以看成是一平板电容器C0 他和晶体的几何尺寸和电极面积有关 值在几PF到几十PF之间 晶振的机械振动的惯性使用电感L来等效 一般为10 3 102H之间 晶片的弹性以电容C1来等效 L C的具体数值与切割方式 晶片和电极的尺寸 形状等有关 标称频率 FL 负载电容 CL 频率精度 频率稳定度等晶体的品质 切割取向 晶体振子的结构及电路形式等 共同决定振荡器的性能Fs 晶体本身固有的频率 和晶体的切割方式 晶体厚度 晶体电极的等效厚度F 2560 t BT F 1670 t AT 标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至 不能冒然互换 否则会造成电器工作不正常 FL 晶体加外部电容的整体频率FL 1 2 L1C1 C0 C C1 C0 C FL介于FS和FP之间 微调工序 根据用户要求的CL 使FL 30ppm内 在电极上继续镀银 减小频率 在并联共振线路中的振荡频率 有99 5 的频率决定在晶体 外部的组件约只占0 5 所以外部组件C1 C2和布线主要在决定于启动与可信赖程度 典型的初始误差为 1 温度变化 30到100度 为 0 005 组件老化约为 0 005 CL 负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和 可看作晶振片在电路中串接电容 如果负载电容太大 振荡器就会因为在工作频率的回授增益太低而不会启动 这是因为负载电容阻抗的关系 大的负载电容会产生较长的启动稳定时间 但是若负载电容太小 会出现不是不起振 因为整个回路相位偏移不够 就是振在第3 5 7泛音 overtone 频率 电容的误差是需要考量的 一般而言陶瓷电容的误差在 10 可以满足一般应用需要 所以若要有一个可靠且快速起振的振荡器 在没有导致工作在泛音频率下 负载电容应越小越好 Crystal常用CLSPEC 8pF 10pF12pF16pF18pF20pF30pF32PfRr 串联阻抗 较低的串联阻抗会有较好的表现 但是需要的成本较高 较高的串联阻抗会导致能量的损耗和较长的启动时间 但是可以降低C1 C2来补偿 这个值的范围大概在1MHz200奥姆到20MHz15奥姆左右 阻抗小 损耗小 Q值高 与频率有关 理想值 Rr 0 理论值 3 579545M150欧姆6 0000M90欧姆12 0000M60欧姆16 0000M以上40欧姆他与原材水晶 人工培育 高温 1000 C 高压下培育 可能含有铁杂质 辅材 SIC金刚砂 有的使用钻石 加工工艺 无尘室管理 内外压差 有关系 RL Rr C1 C0 C C1 C0 C LZ0 L RCQ w0L RZ Z0 1 jQ 1 w02 w 温度稳定性 切角 通常使用到的是AT切 35 15 和BT切 49 他们的温度特性如图 AT切的温度频率关系函数 f f0 f0 a0 T T0 b0 T T0 2 c0 T T0 3式中 T为任意温度 T0参照温度 f0为参照温度时的频率 a0 b0 c0为参照温度时的频率温度系数 4 晶振的应用并联电路 a 串联共振振荡器 b 并联共振振荡器1 如何选择晶体 对于一个高可靠性的系统设计 晶体的选择非常重要 尤其设计带有睡眠唤醒 往往用低电压以求低功耗 的系统 这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少 造成晶体起振很慢或根本就不能起振 这一现象在上电复位时并不特别明显 原因时上电时电路有足够的扰动 很容易建立振荡 在睡眠唤醒时 电路的扰动要比上电时小得多 起振变得很不容易 在振荡回路中 晶体既不能过激励 容易振到高次谐波上 也不能欠激励 不容易起振 晶体的选择至少必须考虑 谐振频点 负载电容 激励功率 温度特性 长期稳定性 2 晶振驱动电阻RS常用来防止晶振被过分驱动 过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀 这将引起频率的上升 可用一台示波器检测OSC输出脚 如果检测一非常清晰的正弦波 且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要 则晶振未被过分驱动 相反 如果正弦波形的波峰 波谷两端被削平 而使波形成为方形 则晶振被过分驱动 这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动 判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻 从0开始慢慢调高 一直到正弦波不再被削平为止 通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值 2020 3 18 11 可编辑 3 如何选择电容C1 C2 1 因为每一种晶振都有各自的特性 所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件 2 在许可范围内 C1 C2值越低越好 应该试用电容将他的振荡频率调到IC所需要的频率 越准确越好 C值偏大虽有利于振荡器的稳定 但将会增加起振时间 3 应使C2值大于C1值 这样可使上电时 加快晶振起振 4 对于32KHZ以上的晶体振荡器 当VDD 4 5V时 建议C1 C2 30PF R为晶体内部的电阻 C为晶体内部的两电容值相加C C1 C0若电阻为40奥姆 电容为20pF 则在工作频率在16MHz时 所消耗的功率为2mW 4 功耗 5 关键工艺主要工艺流程为 晶体选择 切割 粗磨 测角 改圆 研磨 腐蚀清洗 镀膜 装架点胶 微调 封焊 印字 老化 成检 浸锡 抽检 切校脚 包装入库1 晶体选择 晶体分天然晶体和人工晶体 天然晶体纯度差 资源有限 而人工晶体纯度高 资源丰富 故现在生产晶振基本上多采用人工晶体 2 晶片切割 晶振中最重要的组成部分为水晶振子 它是由水晶晶体按一定的法则切割而成的 又称晶片 常用晶片的形状有三种 圆形 方形 SMT专用 方形 但比较小 如图所示晶片的切割可分为AT CUT BT CUT CT CUT DT CUT FT CUT XT CUT YT CUT 如图7所示 它是以光轴 Z轴 为参考而命名 每种切法对应一个角度 采用何种切法应根据实际情况而定 如对温度特性要求较好则应采用AT CUT 如果对晶振要求的频率较高时则采用BT CUT 晶片的切割方式 几何形状 尺寸等决定了晶振的频率 3 研磨对晶片的表面进行研磨 使其厚度及表面粗糙平整度达到要求 一般实际的晶片的厚度要比理论上的要小 这是因为后面的蒸镀工序将在晶片表面蒸镀一层银而使晶片厚度增加 以上可用下列式子表示 理论厚度 实际厚度 蒸镀层厚度4 倒边 倒角 此工序只针对低频 5 腐蚀清洗据多年的生产实践和理论证明 片愈厚 频率愈低 对晶体的起振性能 电阻的影响愈大 这是低频DPTV石英谐振器所不希望和较难解决的问题 调查发现 作为清除晶片因研磨造成的表面松散层的深腐蚀方法较有效 但采用原先的腐蚀液 氢氟酸 的速度慢 效率低 研制人员为此重新配备了蚀液 70 饱和氟化氢铵溶液为最佳配方 蚀出的晶片透亮 电阻小 但由于手工控制的摇动不够均匀 批量生产时出现了腐蚀后晶片均匀度差 清洁度不够及蚀速快 较难把握等问题 为此 引进香港制造的由IEC 1型电脑控制的腐蚀控制的腐蚀清洗系统 操作者只需将清洗腐蚀时间 以秒为单位 输入计算机 装白片架和看护各个浴器 便可实现晶片的腐蚀 清洗 烘干及末端从传送链上卸下来的整个过程流水式自动化操作 气泡发生器使腐蚀更加均匀 加温超洗干净 晶片的光洁度 清洁度大幅度提高 成品电阻平均下降3 38 成品合格率至少提高2 13 起振性能提高 工效提高50 6 镀膜晶片光洁度的提高对镀膜的附着率造成影响 如果附着率无保证 会造成频率的不稳定 为了保证晶片的附着率 采用先镀一层附着率好的铬 然后再镀银的方法 这种方法的难点就是银 铬在晶片两面平均分配的问题 如果分配不均 同样会造成频率的不稳定 采用进口的电脑控制的VDS 406真空蒸镀系统 只需将蒸镀量输入电脑 它就会自动地将蒸发物按比例均匀地分配到晶片的两边 且给下道微调工序留下最佳的微调量 7 装架点胶胶点得太多会影响电阻 太少又会粘得不牢固 影响可靠性 采用香港制造的精密电子电路控制液体流量的1500型数位式定量点胶机 调整容易 操作简单 一经设定只需轻踩脚踏开关 每次吐出量一致 产品一致性好 避免了因人工兼画眉笔点胶的方法造成的差异 支装采用国际通用的 可减小等效电阻 外观 机械性能 电性能 耐老化等质量稳定 价廉的国产HC 49 U型标准弹片支架 采用导电性能良好 3301F型日产导电性树脂材料接着剂 平均电阻降低4 16 可靠性能提高 8 频率微调先用银层镀薄一点作为其电极 后调节镀银层之厚度一改变晶片厚度来达到微调的作用9 完成检查各个参数的测试 如Rr C0 绝缘性 气密性等石英谐振器的一般指标均采用电脑自校的美国150D型晶体阻抗计和高低温测试系统来测试 为确保其可靠性能 有的厂家使用一套拍闪检测工序 这种方法虽然比较土 但对确保出厂产品的可靠性能 使合格产品不致被淘汰非常有效 出厂产品合格率提高1 73 通过精选抗氧化锡 采用先分选后浸锡再抽测的新工序 确保了浸锡质量 依据凸轮运动原理 使用操作简单 效率高 符合要求的切脚装置 确保出厂产品符合彩电生产自动化插件的要求 6 晶振的制程管控检验项目 1 外观检验 印字标记清晰 正确 外壳无污染 划伤 2 电气参数检验 FL RS CO Q 3 可靠性检验 跌落振动试验 可焊性试验 高低温测试等 4 包装检验 包装方式 包装标签及包装的晶体 测试条件 1 环境温湿度要求 温度25 3 湿度 60 2 标准的测试仪器 KH1120 3 完整的作业标准和检验标准 控制卡 检验规程 仪器操作规程等 4 熟练的操作工 质检员 7 晶振的测试方法根椐晶振的特性 如温度太高时电极易被破坏 晶片较薄 易断等 一般做如下测试 振动落下实验Chamber实验 高低温结合 ORT老化实验Derating测试 附件 8 石英晶体振荡器的发展趋势1 小型化 薄片化和片式化 为满足移动电话为代表的便携式产品轻 薄 短小的要求 石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变 例如TCXO这类器件的体积缩小了30 100倍 采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm 目前5 3