晶體設(shè)計(jì)選用與失效分析

晶體設(shè)計(jì)選用與失效分析品技處V1.3HangzhouHosonicElectronicCo.,Ltd.整理ppt1.水晶材料基本特性2.石英諧振器的生產(chǎn)工藝3.石英諧振器的基本參數(shù)4.線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用5.典型案例分析6.發(fā)展趨勢(shì)目錄整理ppt水晶材料基本特性一壓電效應(yīng)

石英晶體在壓力作用下產(chǎn)生形變，同時(shí)產(chǎn)生電極化。其極化強(qiáng)度與壓力成正比。這種現(xiàn)象就稱“正壓電效應(yīng)”。反之，在電場(chǎng)作用下，晶體產(chǎn)生形變，其形變大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。在二十多類具有壓電效應(yīng)的晶體中，石英晶體是無(wú)線通訊設(shè)備中最為滿意的材料之一。它的機(jī)械強(qiáng)度高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，內(nèi)損耗低等，用它制成的器件被廣泛用在頻率控制和頻率選擇電路中。

整理ppt水晶材料基本特性二石英晶體的切型

由于石英片的取向不同，其壓電特性、彈性特性和強(qiáng)度特性就不同，用它來(lái)制造的諧振器的性能也不一樣，經(jīng)過(guò)前輩的大量研究，已發(fā)現(xiàn)了幾十種有用的切割方式。切型的習(xí)慣表示方法：AT，BT，CT，DT，ET，F(xiàn)C，SC，LC等整理ppt水晶材料基本特性三應(yīng)用領(lǐng)域：

3.1主要產(chǎn)品：石英晶體諧振器、石英晶體振蕩器3.2主要特點(diǎn)：高穩(wěn)定性(年老化率小于+/-5ppm),高Q(品質(zhì)因數(shù))值,低功耗,小體積,易于使用。3.3主要應(yīng)用于通訊,電腦,導(dǎo)航,航空航天,家用電器等領(lǐng)域。一般石英晶體諧振器的頻率可從幾十KHZ至幾百M(fèi)HZ。整理ppt水晶材料基本特性四石英諧振器的組成和特性

由石英片，電極，基座，上蓋、導(dǎo)電膠組成，其關(guān)鍵部分是石英片。石英片是彈性體，它有固有頻率。石英片也是壓電體，諧振時(shí)，振動(dòng)幅度最大，阻抗最?。皇еC時(shí)，阻抗迅速加大。整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

一石英晶片制造工藝流程整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

二石英晶體諧振器制造流程圖

整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.1被銀：用真空鍍膜原理在潔凈的石英晶片上蒸鍍薄銀層或用離子轟擊金耙濺射到晶片表面形成

薄金層，形成引出電極，并使其頻率達(dá)到一定范圍。整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.2上架點(diǎn)膠：將鍍上銀（金）電極的晶片裝在基座上，點(diǎn)上導(dǎo)電膠，并高溫固化，通過(guò)彈片或PAD引出電信號(hào)。整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.3微調(diào)：采用離子轟擊或蒸鍍的方式來(lái)調(diào)整晶片表面電極的厚度；使晶體諧振器的頻率達(dá)到規(guī)定要求整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.4封焊：將基座與上蓋放置在充滿氮?dú)?真空)的環(huán)境中進(jìn)行封焊，以保證產(chǎn)品的老化率符合要求。整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.5密封性檢查：檢查封焊后的產(chǎn)品是否有漏氣現(xiàn)象粗檢漏：檢查較大的漏氣現(xiàn)象;(氣泡和壓差方式)細(xì)檢漏：檢查較小的漏氣現(xiàn)象;（壓He方式）整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.6老化及模擬回流焊：對(duì)產(chǎn)品加以高溫長(zhǎng)時(shí)間老化，釋放應(yīng)力以及模擬客戶使用環(huán)境，暴露制造缺陷，以提高出貨產(chǎn)品的可靠性。整理ppt石英諧振器的生產(chǎn)工藝

2.7測(cè)試：對(duì)成品進(jìn)行電性能指標(biāo)測(cè)試，剔除不良品，保證產(chǎn)品質(zhì)量。整理ppt產(chǎn)品分類

1.從產(chǎn)品功能分類：石英晶體諧振器、石英晶體振蕩器

2.從焊接使用方式分類：插腳型(DIP)和表面貼裝型(SMD)3.目前石英晶體諧振器產(chǎn)品分類如下：

石英諧振器的基本參數(shù)插腳型(DIP)晶體表面貼裝型(SMD)晶體整理ppt石英諧振器的基本參數(shù)FL:指定負(fù)載CL時(shí)的諧振頻率。Fr:諧振頻率;Xe=0時(shí)的頻率）CL:特定負(fù)載諧振頻率時(shí)的負(fù)載電容(pf)。C0:靜電容（pF）;C1:動(dòng)態(tài)電容（fF）。L1:動(dòng)態(tài)電感。(mH);RR:動(dòng)態(tài)電阻。ohmQ:品質(zhì)因數(shù)。Q=2πfL1/R1TS:指定負(fù)載CL時(shí)測(cè)試的頻率因負(fù)載電容變化而引起的牽引能力。(ppm/pf)PWR:激勵(lì)功率。(uW)整理ppt石英諧振器的基本參數(shù)CrystalFailureFLRRC0C1LQTSPWRppmOhmspFfFmHkppm/pFuWHighLimit

28.054.07.0

LowLimit

-28.0

1Pass-7.614.91.74.936.0181.86.3114.32Pass1.314.31.85.035.4187.16.4113.03Pass-5.715.31.74.836.7180.26.2114.94Pass2.816.71.74.836.4164.76.2117.25Pass-6.916.51.74.836.7167.46.2116.7晶體測(cè)試數(shù)據(jù)例：整理ppt產(chǎn)品分類

4.目前石英晶體振蕩器產(chǎn)品分類如下：

石英振蕩器的基本參數(shù)插腳型(DIP)振蕩器表面貼裝型(SMD)振蕩器插腳型(DIP)壓控振蕩器表面貼裝型(SMD)壓控振蕩器整理ppt晶體振蕩器測(cè)試參數(shù)說(shuō)明VDD:工作電壓；單位V；我司可做范圍：1.8~5.0VFr:標(biāo)稱頻率；單位：MHZStarttime:啟動(dòng)時(shí)間；單位ms(10msmax)I:工作電流；單位：mATr:波形上升時(shí)間；單位ns，指波形從10%的VDD上升至90%的VDD時(shí)所花的時(shí)間(10nsmax)Tf:波形下降時(shí)間；單位ns，指波形從90%的VDD下降至10%的VDD時(shí)所花的時(shí)間(10nsmax)Duty:波形對(duì)稱性；單位：%即波形的前半周所花的時(shí)間占整個(gè)周期的百分比Tri-state:三態(tài)功能；即具有三態(tài)功能的產(chǎn)品，在控制腳(1#)接入高電平(0.7VDDmin)或懸空時(shí)，振蕩器會(huì)保持工作狀態(tài)，在接入低電平(0.3VDDmax)時(shí)振蕩器處于停振狀態(tài)石英振蕩器的基本參數(shù)整理ppt振蕩器測(cè)試數(shù)據(jù)例：石英振蕩器的基本參數(shù)TestResultSTARTT3.3VITRTFDUTYVHVLTRISTATEUnitsmsecsppmmAnsecsnsecs%VVHighlimit

6.0030.0020.008.008.0055.00

0.33Lowlimit

-30.00

45.002.97

1Pass0.26-0.838.221.711.6950.953.23-0.061.0002Pass0.26-0.378.781.731.7251.543.24-0.111.0003Pass0.20-0.088.011.691.6351.133.25-0.111.0004Pass0.09-3.568.541.831.8051.173.21-0.061.0005Pass0.32-1.418.971.721.6951.663.26-0.111.000整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用一石英諧振器的穩(wěn)頻條件：負(fù)載電容激勵(lì)電平頻率溫度特性整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用負(fù)載電容CL對(duì)頻率的影響：

石英諧振器一般作為電感元件在振蕩電路中起穩(wěn)頻作用，而電路的其它元件均可等效為一個(gè)負(fù)載電容與石英諧振器串聯(lián)或并聯(lián)。負(fù)載電容的大小將對(duì)石英諧振器的等效參數(shù)及頻率穩(wěn)定度帶來(lái)影響。整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用

負(fù)載電容CL對(duì)頻率的影響(18PF為例)

整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用負(fù)載電容CL對(duì)頻率的影響(18PF為例)

整理ppt激勵(lì)電流對(duì)頻率的影響：

一般取70~100uA為佳；用激勵(lì)功率表示時(shí)，一般取1~100uW為佳。激勵(lì)電平的大小直接影響石英諧振器的性能，所以電路設(shè)計(jì)者一定要嚴(yán)格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵(lì)電平下工作，以便充分發(fā)揮石英諧振器的特點(diǎn)；一般來(lái)講，激勵(lì)電平偏小對(duì)于長(zhǎng)穩(wěn)有利，激勵(lì)電平稍大對(duì)于短溫有利。但是激勵(lì)電平太大，石英片振動(dòng)強(qiáng)，振動(dòng)區(qū)域溫度升高，石英片內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，會(huì)使頻率穩(wěn)定度降低；激勵(lì)電平過(guò)大，由于機(jī)械形變超過(guò)彈性限度而引起永久性的晶格位移，使頻率產(chǎn)生永久性的變化，甚至有時(shí)會(huì)把石英片振壞；激勵(lì)電平過(guò)大，會(huì)使等效電阻增加，Q值下降，電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規(guī)則；激勵(lì)電平過(guò)大，容易激起寄生振動(dòng)，同時(shí)還會(huì)使老化變大。當(dāng)然，激勵(lì)電平太低也會(huì)使信噪比變小而影響短期穩(wěn)定度，激勵(lì)電平太低，諧振器不易起振，影響工作的溫定和可靠性。所以諧振器使用者應(yīng)根據(jù)不同的要求嚴(yán)格控制激勵(lì)電平；更不能為了增大輸出而隨意提高激勵(lì)電平.石英諧振器的基本參數(shù)整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用頻率溫度特性

整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用二石英振蕩電路的組成：

石英振蕩電路主要由IC、石英諧振器（簡(jiǎn)稱：晶體）XTAL、電阻、PCB等組成整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（一）：

IC：可根據(jù)實(shí)用的需要任意選用：CMOS反向器IC；專用振蕩IC；大規(guī)模的數(shù)字IC中自備石英振蕩門；*負(fù)阻特性：振蕩電路（除去CRYSTAL），具有一個(gè)負(fù)阻特性（用網(wǎng)絡(luò)頻譜分析儀），振蕩電路負(fù)阻值（絕對(duì)值）必須大于3倍的CRYSTAL電阻值（CRYSTALESR/RR），振蕩電路才可以穩(wěn)定的振蕩。

電容：可根據(jù)用戶的需要選用片式或傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，但是應(yīng)注意選擇適用于高頻的、低損耗角的，選用NP0系列的溫度系數(shù)產(chǎn)品。Cg/Cd的具體數(shù)值請(qǐng)參閱下面的注意事項(xiàng)。整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（二）：

電阻:在選擇尺寸的同時(shí)需注意功耗的滿足。PCB：注意能滿足高頻的使用場(chǎng)合和注意盡量降低線路的分布參數(shù)；大面積接地和一點(diǎn)式接地方案的采納。有必要的時(shí)候應(yīng)注意EMI的防護(hù)。

XTAL：頻率大于1MHz的諧振器應(yīng)選用AT-MODE可根據(jù)用戶的需要選擇合適的外形尺寸和封裝的晶體；主要電性指標(biāo)：FL、ESR的CLOCK需要選用FL及公差(@25℃)，并按Cg/Cd值，計(jì)算而得：CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs(線路分布雜散電容);整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（三）：

整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（四）：

ESR：可參見(jiàn)產(chǎn)品目錄提供的數(shù)據(jù)；單位：Ω；工作溫度范圍的頻率公差：例：±30ppm/-10~60℃,±30ppm/-20~70℃等Cg/Cd的選擇要點(diǎn)和注意事項(xiàng)：正確的選取Cg/Cd的值將有利于振蕩電路的工作穩(wěn)定，并能使振蕩頻率滿足使用的CLK要求。其選取的步驟如下：

整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（五）：

首先應(yīng)該按照-R的需求選擇Cg/Cd，在滿足TS的情況下應(yīng)盡量小些，保持較高的–R以保證振蕩的的穩(wěn)定性。當(dāng)無(wú)法滿足-R要求時(shí)應(yīng)考慮對(duì)IC的特性重新評(píng)價(jià)、選擇。

-R=gm/{ω2*（Cg*Cd）}；-R>(3~5)*ESR(XTAL)；

Rf值選?。喝∮玫腦TAL為基本波的時(shí)候，Rf選用1MΩ；3RD模式的XTAL時(shí)須考慮截止頻率必須界于基頻與3RD的中間以保證3RD工作正常為原則，通常Rf阻值在2~15KΩ間。整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（五）：

IC的-R與CL的關(guān)系IC的-R與F0的關(guān)系整理ppt線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用三石英振蕩電路中的主要元器件的選用（六）：

為了避免對(duì)XTAL的過(guò)激勵(lì)而影響電路的正常工作，建議采用Rr以控制XTAL的激勵(lì)功率；其數(shù)值視頻率高低可在33~68Ω間選取。對(duì)于有EMI要求的振蕩電路設(shè)計(jì)中必須選取SEAM焊封4PAD的晶體諧振器，同時(shí)賦予合理接地方式，可滿足EMI防護(hù)的需求。

整理ppt典型案例分析一某客戶在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)輸出圖象產(chǎn)生黑白圖像:（客戶使用我司ESA24.0000F27D33產(chǎn)品）

測(cè)試結(jié)果：IC:-R=238ohms在線實(shí)際測(cè)試頻率為F=163ppm用250B測(cè)試，在CL=27PF時(shí)為FL=1.7ppm.解決方案：我司按CL=20pF給客戶供貨；整理ppt典型案例分析二某客戶在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品波形輸出不穩(wěn)定振動(dòng)幅度過(guò)?。海‥5FA24.0000F16E33）

測(cè)試結(jié)果：IC的-R=42.9ohms此類晶體產(chǎn)品的規(guī)格值中ESR一般會(huì)控40ohms控制，依此推算，客戶的IC-R應(yīng)在120ohmsmin.比較適合解決方案：建議客戶將Cg=Cd改為12pF，以提高-R，同時(shí)我司按9PF給客戶供貨整理ppt典型案例分析三某客戶在產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有部分會(huì)出現(xiàn)停振（E3SB20.0000F16E11）

測(cè)試結(jié)果：發(fā)現(xiàn)線路設(shè)計(jì)沒(méi)問(wèn)題，與晶體的FL、RR也匹配，后從客戶所提供的IC相關(guān)參數(shù)中發(fā)現(xiàn)其激勵(lì)功率為300uw，對(duì)小尺寸晶體產(chǎn)品而言（此顆料的外形尺寸為3.2*2.5mm）一般激勵(lì)功率不能超