晶振的制造工藝流程和失效模式分析.ppt

晶振的制造工藝流程和失效模式分析 目錄 晶振的定義和分類石英晶體諧振器的工作原理石英晶體諧振器的制造工藝流程石英晶體振蕩器的介紹晶振的應(yīng)用失效模式分析 晶振的定義和分類 晶振的定義 晶振的英文名稱為crystal 石英晶體經(jīng)精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成 主要是為電路提供頻率基準(zhǔn)的元器件 晶振的定義和分類 晶振的分類 1 從功能上分晶振分為無源晶振和有源晶振 無源晶振即為石英晶體諧振器 而有源晶振即位石英晶體振蕩器 無源晶振只是個石英晶體片 使用時需匹配相應(yīng)的電容 電感 電阻等外圍電路才能工作 精度比晶振要低 但它不需要電源供電 有起振電路即可起振 一般有兩個引腳 價格較低 晶振的定義和分類 有源晶振內(nèi)部含有石英晶體和匹配電容等外圍電路 精度高 輸出信號穩(wěn)定 不需要設(shè)計外圍電路 使用方便 但需要電源供電 有源晶振一般是四管腳封狀 有電源 地線 振蕩輸出和一個空置端 使用有源晶振時要特別注意 電源必須是穩(wěn)壓的且電源引線盡量短 并盡量與系統(tǒng)中使用晶振信號的芯片共地 晶振的定義和分類 晶振的分類 2 從封裝形式上分有插腳型 PTH 和表面貼裝型 SMD 插腳型 PTH 表面貼裝型 PTH 石英晶體諧振器的工作原理 什么是石英 石英的化學(xué)成分為SiO2 晶體屬六方晶系的氧化物礦物 即低溫石英 a 石英 是石英族礦物中分布最廣的一個礦物種 廣義的石英還包括高溫石英 b 石英 受壓或受熱能產(chǎn)生壓電效應(yīng) 石英晶體諧振器的工作原理 什么是壓電效應(yīng) 石英晶體在壓力作用下產(chǎn)生形變 同時產(chǎn)生電極化 其極化強度與壓力成正比 這種現(xiàn)象就稱 正壓電效應(yīng) 反之 在電場作用下 晶體產(chǎn)生形變 其形變大小與電場強度成正比 這種現(xiàn)象稱 逆壓電效應(yīng) 利用壓電效應(yīng) 當(dāng)極板外加交變電壓時 產(chǎn)生機械形變 機械形變反過來產(chǎn)生交變電場 機械形變振幅較小 晶體振動的頻率比較穩(wěn)定 當(dāng)外加交變電壓的頻率和晶體的固有頻率相等時 機械振動的振幅急劇增加 石英晶體諧振器的工作原理 壓電效應(yīng)圖解 石英晶體諧振器的工作原理 為什么選用石英作為材料 在二十多類具有壓電效應(yīng)的晶體中 石英晶體是無線通訊設(shè)備中最為滿意的材料之一 它的機械強度高 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 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英晶體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 振動幅度最大 阻抗最小 失諧時 阻抗迅速加大 結(jié)構(gòu)圖 等效電路 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英晶片的切型 在制造工藝中 首先要對石英晶體原材料進行切割研磨處理 其中一道很重要的工序是定角 由于石英片的取向不同 其壓電特性 彈性特性和強度特性就不同 用它來制造的諧振器的性能也不一樣 經(jīng)過大量研究 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 FC SC LC等 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英晶片的制造工藝流程圖 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英晶片的制造工藝流程圖 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英諧振器的制造工藝流程圖 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英諧振器的制造工藝流程 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英片的清洗 其實很多晶振廠商購買已經(jīng)切割好的石英片作為原材料 在制程中的第一步即為石英晶片的清洗 利用酒精 熱水 IPA 氨水和雙氧水混合物 鉻酸溶液 純水等溶劑 石英晶片放入超聲波清洗機中進行清洗 并使用無塵烤箱進行烘干處理 其目的是為了去除石英晶片上的雜物 為下一步蒸鍍作準(zhǔn)備 石英晶體諧振器的制造工藝流程 初鍍基膜 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靶濺射到晶片表面形成薄金層 形成引出電極 并使其頻率達到一定范圍 在蒸鍍之前 須將石英晶片放入模具中 此模具將須蒸鍍的區(qū)域暴露出來 遮住無須蒸鍍的地方 石英晶體諧振器的制造工藝流程 上架點膠 將鍍上銀 金 電極的晶片裝在基座上 點上導(dǎo)電膠 并高溫固化 通過彈片或PAD引出電信號 石英晶體諧振器的制造工藝流程 微調(diào) 采用離子轟擊的方式來調(diào)整晶片表面電極的厚度 使晶體諧振器的頻率達到規(guī)定要求 石英晶體諧振器的制造工藝流程 封焊 將基座與上蓋放置在充滿氮氣 真空 的環(huán)境中進行封焊 以保證產(chǎn)品的老化率符合要求 目前比較常用的上蓋為陶瓷或者金屬 為了降低成本 陶瓷封裝將會越來越多 石英晶體諧振器的制造工藝流程 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 壓差方式 細(xì)檢漏 檢查較小的漏氣現(xiàn)象 壓He方式 石英晶體諧振器的制造工藝流程 老化及模擬回流焊 對產(chǎn)品加以高溫長時間老化 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 石英晶體諧振器的制造工藝流程 打標(biāo) 利用Laser在晶振的外殼上打上標(biāo)記如型號 額定頻率等等 以便于區(qū)分不同的產(chǎn)品 石英晶體諧振器的制造工藝流程 測試包裝 對成品進行電性能指標(biāo)測試 剔除不良品 保證產(chǎn)品質(zhì)量 測試OK的產(chǎn)品進行包裝 石英晶體諧振器的制造工藝流程 石英晶體諧振器的基本參數(shù) FL 指定負(fù)載CL時的諧振頻率 Fr 諧振頻率 Xe 0時的頻率 CL 特定負(fù)載諧振頻率時的負(fù)載電容 pf C0 靜電容 pF C1 動態(tài)電容 fF L1 動態(tài)電感 mH RR 動態(tài)電阻 ohmQ 品質(zhì)因數(shù) Q 2 fL1 R1TS 指定負(fù)載CL時測試的頻率因負(fù)載電容變化而引起的牽引能力 ppm pf PWR 激勵功率 uW 石英晶體振蕩器的介紹 石英振蕩電路主要由IC 石英諧振器 簡稱 晶體 X TAL 電阻 PCB等組成 在實際應(yīng)用中的線路原理圖如下 石英晶體振蕩器的介紹 石英晶體振蕩器的分類 普通晶體振蕩 SPXO 可產(chǎn)生10 5 10 4 量級的頻率精度 標(biāo)準(zhǔn)頻率1 100MHZ 頻率穩(wěn)定度是 100ppm SPXO沒有采用任何溫度頻率補償措施 價格低廉 通常用作微處理器的時鐘器件 電壓控制式晶體振蕩器 VCXO 其精度是10 6 10 5 量級 頻率范圍1 30MHz 低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是 50ppm 通常用于鎖相環(huán)路 石英晶體振蕩器的介紹 石英晶體振蕩器的分類 溫度補償式晶體振蕩 TCXO 采用溫度敏感器件進行溫度頻率補償 頻率精度達到10 7 10 6 量級 頻率范圍1 60MHz 頻率穩(wěn)定度為 0 1 2 5ppm 如果您需要使您的設(shè)備即開即用且要求高穩(wěn)定度 您就必須選用它 如果要求穩(wěn)定度在0 5ppm以上 則需選擇數(shù)字溫度補償晶體振蕩器 MCXO或DTCXO 它通常用于手持電話 蜂窩電話 雙向無線通信設(shè)備等 石英晶體振蕩器的介紹 石英晶體振蕩器的分類 恒溫控制式晶體振蕩 OCXO 它是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定 將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器 在OCXO中 有的只將石英晶體振子置于恒溫槽中 有的是將石英晶體振子和有關(guān)重要元器件置于恒溫槽中 還有的將石英晶體振子置于內(nèi)部的恒溫槽中 而將振蕩電路置于外部的恒溫槽中進行溫度補償 實行雙重恒溫槽控制法 利用比例控制的恒溫槽能把晶體的溫度穩(wěn)定度提高到5000倍以上 使振蕩器頻率穩(wěn)定度至少保持在1 10 9 OCXO主要用于移動通信基地站 國防 導(dǎo)航 頻率計數(shù)器 頻譜和網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備 儀表中 石英晶體振蕩器的工藝流程 石英晶體振蕩器的工藝流程 石英晶體振蕩器的介紹 石英晶體振蕩器的分類 1VDD 工作電壓 單位V 一般范圍 1 8 5 0V2Fr 標(biāo)稱頻率 單位 MHZ3Starttime 啟動時間 單位ms 10msmax 4I 工作電流 單位 mA5Tr 波形上升時間 單位ns 指波形從10 的VDD上升至90 的VDD時的時間 10nsmax 6Tf 波形下降時間 單位ns 指波形從90 的VDD下降至10 的VDD時的時間 10nsmax 7Duty 波形對稱性 單位 即波形的前半周所花的時間占整個周期的百分比8Tran 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 振蕩器會保持工作狀態(tài) 在接入低電平 0 3VDDmax 時振蕩器處于停振狀態(tài) 晶振的應(yīng)用 石英晶體諧振器的應(yīng)用 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)載電容的大小將對石英諧振器的等效參數(shù)及頻率穩(wěn)定度帶來影響 晶振的應(yīng)用 石英晶體諧振器激勵電平選擇 一般取1 100uW為佳 激勵電平的大小直接影響石英諧振器的性能 所以電路設(shè)計者一定要嚴(yán)格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵電平下工作 以便充分發(fā)揮石英諧振器的特點激勵電平過大 會導(dǎo)致晶體本身永久損壞 引起等效電阻變大和Q值下降 電阻溫度特性和頻率問題特性變得不穩(wěn)定 引發(fā)寄生振動 激勵電平過小 會導(dǎo)致不易起振 影響工作的溫定和可靠性 晶振的應(yīng)用 石英晶體諧振器激勵電平選擇 一般取1 100uW為佳 激勵電平的大小直接影響石英諧振器的性能 所以電路設(shè)計者一定要嚴(yán)格控制石英諧振器在規(guī)定的激勵電平下工作 以便充分發(fā)揮石英諧振器的特點激勵電平過大 會導(dǎo)致晶體本身永久損壞 引起等效電阻變大和Q值下降 電阻溫度特性和頻率問題特性變得不穩(wěn)定 引發(fā)寄生振動 激勵電平過小 會導(dǎo)致不易起振 影響工作的溫定和可靠性 石英晶體諧振器的失效模式分析 石英晶體諧振器的失效模式及原因 主要的失效模式為開路 短路 頻率穩(wěn)定性差等 開路短路的主要源原因 1 支架脫落 2 脫錫 脫膠 盡量提高錫量和膠量 減少脫錫和脫膠的幾率3 外殼封裝系統(tǒng)機械損傷 減少handling問題造成的外殼機械損傷 石英晶體諧振器的失效模式分析 石英晶體諧振器的失效模式及原因 頻率穩(wěn)定性差的原因 1 激勵電平選用不合適 過高或者過低都會影響到頻率的穩(wěn)定性 2 石英晶體表面為清洗干凈 致使鍍銀表面有斑痕 使用純度高的純水清洗 使用無水乙醇進行脫水 3 石英晶體表面不平整 或者磨蝕處理時磨蝕過大 造成鍍銀不連續(xù) 對石英晶體要進行打磨處理 控制磨蝕得質(zhì)量 防止腐蝕過度 石英晶體諧振器的失效模式分析 提升石英晶體諧振器品質(zhì)的一些措施 一 要保證晶片的光潔度 包括其邊緣的光潔度 二 應(yīng)采用深腐蝕工藝 確保破壞層被全部清除 三 保證晶片的清潔度 要對晶片進行多遍仔細(xì)清洗 對諧振件和外殼也要清洗 四 適當(dāng)減薄電極膜的厚度 保證鍍膜公差 盡量減小微調(diào)量 五 保證鍍膜和微調(diào)真空度 鍍膜前最好進行離子轟擊清洗 鍍膜過程中 晶片的溫度 濺射的速度均對電極質(zhì)量有影響 石英晶體諧振器的失