晶體制造工藝與設(shè)計(jì)選用

1、112/21/2021www . hosonic . com . cn晶體設(shè)計(jì)選用與失效分析品技處V1.3Hangzhou Hosonic Electronic Co.,Ltd.212/21/2021www . hosonic . com . cn1. 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)7. 品質(zhì)系統(tǒng)流程圖目錄312/21/2021www . hosonic . com . cn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

2、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。 412/21/2021www . hosonic . com . cn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 512/

3、21/2021www . hosonic . com . cn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。612/21/2021www . hosonic . com . cn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

4、最大，阻抗最??；失諧時(shí)，阻抗迅速加大。712/21/2021www . hosonic . com . cn石英諧振器的生產(chǎn)工藝 一 石英晶片制造工藝流程812/21/2021www . hosonic . com . cn石英諧振器的生產(chǎn)工藝 二 石英晶體諧振器制造流程圖 912/21/2021www . hosonic . com . cn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(金)層，形成引出電極，并使其頻率達(dá)到一定范圍。 Plating Silver BehindInfront Silver ElectrodeBlank Quartz1012/21

5、/2021www . hosonic . com . cn石英諧振器的生產(chǎn)工藝 2.2 上架點(diǎn)膠：將被上銀（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)彈簧(PAD)即可引出電信號(hào)。 1112/21/2021www . hosonic . com . cn石英諧振器的生產(chǎn)工藝 2.3 微調(diào)：SMD產(chǎn)品采用Ar離子轟擊晶片表面的銀（金）電極，將多余的金（銀）原子打下來(lái)。(插腳類產(chǎn)品使用真空鍍膜原理，微調(diào)晶體諧振器的頻率達(dá)到規(guī)定要求)1212/21/2021www . hosonic . com . cn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

6、焊，以保證產(chǎn)品的老化率符合要求。本公司主要有：電阻焊（DIP OSC、DIP Crystal）、SEAM焊（滾邊焊7S、6S、5S、4S、3S、2S）、玻璃焊（8F、6F、5F）1312/21/2021www . hosonic . com . cn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; 細(xì)檢漏：檢查較小的漏氣現(xiàn)象;1412/21/2021www . hosonic . com . cn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，據(jù)以提高出貨可靠性。1512

7、/21/2021www . hosonic . com . cn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。1612/21/2021www . hosonic . com . cn石英諧振器的基本參數(shù)Fs:串聯(lián)諧振頻率;Fs=1/2(L1C1)1/2FL: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=2fL1/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。(pp

8、m/pf)PWR:激勵(lì)功率。(uW)1712/21/2021www . hosonic . com . cn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 1812/21/2021www . hosonic . com . cn線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用v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。1912/21/2021www . hosonic . com . cn線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用v 負(fù)載電容

9、CL對(duì)頻率的影響(18PF為例) 3225 Crystal CL VS F-100-80-60-40-200204060801008PF9PF 10PF 11PF 12PF 13PF 14PF 15PF 16PF 17PF 18PF 19PF 20PF 21PF 22PF 23PF 24PF 25PF 26PF 27PF 28PF 29PF 30PFCLF48MHz24MHz12MHz2012/21/2021www . hosonic . com . cn線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用v負(fù)載電容CL對(duì)頻率的影響(18PF為例) 49S Crystal CL VS F-200-150-100-500

10、501001502002503008PF9PF10PF11PF12PF13PF14PF15PF16PF17PF18PF19PF20PF21PF22PF23PF24PF25PF26PF27PF28PF29PF30PFFCL64MHz20MHz3.579545MHz2112/21/2021www . hosonic . com . cn線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用v激勵(lì)電流和頻率穩(wěn)定度的關(guān)系： 一般取70100uA為佳；用激勵(lì)功率表示時(shí)，一般取1100uW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)

11、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.2212/21/

12、2021www . hosonic . com . cn線路設(shè)計(jì)中石英諧振器的選用v頻率溫度特性 2312/21/2021www . hosonic . com . cn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 2412/21/2021www . hosonic . com . cn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

13、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（CRYSTAL ESR/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)。2512/21/2021www . hosonic . com . cn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

14、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);2612/21/2021www . hosonic . com . cn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）： Fund (MHz)3RD (MHz)PWRCL (PF)49S3.20030.00030.00066.000500 uw max 10 min49U1.84323

15、2.000 24.00080.000500 uw max 10 min80456.00040.00040.00080.000300 uw max 10 min70506.00040.00040.00080.000300 uw max 10 min60358.00040.00040.00080.000300 uw max 10 min503212.00054.000300 uw max 8 min402512.00054.000100 uw max 820 322512.00054.000100 uw max 820252016.00054.00050 uw max 8122712/21/202

16、1www . hosonic . com . cn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：可參見產(chǎn)品目錄提供的數(shù)據(jù)；單位：； 工作溫度范圍的頻率公差： 例：30ppm/-1060,30ppm/-2070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： 2812/21/2021www . hosonic . com . cn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

17、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/2*（Cg*Cd）；-R(35)* ESR(XTAL)； Rf 值選?。喝∮玫腦TAL為 基本波的 時(shí)候，Rf選用 1M；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215 K間。2912/21/2021www . hosonic . com . cn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）： CL-RF0-RIC的的-R與與CL的關(guān)系的關(guān)系IC的的-R與與F0的關(guān)系的關(guān)系3012/21/2021w

18、ww . hosonic . com . cn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3368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。 3112/21/2021www . hosonic . com . cn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） ba24MHzXtalR89 33R1 1M

19、ICcC3627PFC4227PF IOR84測(cè)試結(jié)果：測(cè)試結(jié)果：IC:-R =238 ohms在線實(shí)際測(cè)試頻率為在線實(shí)際測(cè)試頻率為F=163ppm用用250B測(cè)試，在測(cè)試，在CL=27PF時(shí)為時(shí)為FL=1.7ppm.解決方案：我司按解決方案：我司按CL=20pF給給客戶供貨；客戶供貨；3212/21/2021www . hosonic . com . cn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：測(cè)試結(jié)果：IC的的-R=42.9ohms此類晶體產(chǎn)品的規(guī)格值中此類晶體產(chǎn)品的規(guī)格值中ESR一般會(huì)控一般會(huì)控40ohms

20、控制，控制，依此推算，客戶的依此推算，客戶的IC-R應(yīng)在應(yīng)在120ohms min.比較適合比較適合解決方案：建議客戶將解決方案：建議客戶將Cg=Cd改為改為12pF，以提高，以提高-R，同時(shí)我司按同時(shí)我司按9PF給客戶供貨給客戶供貨3312/21/2021www . hosonic . com . cn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FLFL、RRRR也匹配，后從客戶所提供的也匹配，后從客戶所提供的ICIC相關(guān)參數(shù)中發(fā)現(xiàn)其相關(guān)參數(shù)中發(fā)現(xiàn)其激勵(lì)功率為激勵(lì)

21、功率為300uw300uw，對(duì)小尺寸晶體產(chǎn)品而言（此顆料，對(duì)小尺寸晶體產(chǎn)品而言（此顆料的外形尺寸為的外形尺寸為3.23.2* *2.5mm2.5mm）一般激勵(lì)功率不能超過(guò)）一般激勵(lì)功率不能超過(guò)100uw100uw； 解決方案：我司更改晶片制造工藝，將其電阻提解決方案：我司更改晶片制造工藝，將其電阻提高到高到15ohms15ohms以上來(lái)解決；（建議客戶在線路中串聯(lián)以上來(lái)解決；（建議客戶在線路中串聯(lián)電阻電阻Rr=33ohmsRr=33ohms，以減小電流），以減小電流）3412/21/2021www . hosonic . com . cn典型案例分析四 某客戶在產(chǎn)品使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品三倍

22、頻的振蕩模式（EUA2.34496F20D33） 測(cè)試結(jié)果：在測(cè)試結(jié)果：在2.34MHZ2.34MHZ時(shí)時(shí)-R=6.5Kohms,-R=6.5Kohms,在在7.009MHZ7.009MHZ時(shí)時(shí)-R=805ohms,-R=805ohms,而此產(chǎn)品在正常狀而此產(chǎn)品在正常狀態(tài)下電阻在態(tài)下電阻在150ohms150ohms以內(nèi)，以內(nèi)，3 3RDRD電阻電阻300ohms300ohms以內(nèi)以內(nèi); ; 解決方案：建議客戶在線路中串聯(lián)電阻解決方案：建議客戶在線路中串聯(lián)電阻Rr=470ohmsRr=470ohms；3512/21/2021www . hosonic . com . cn發(fā)展趨勢(shì) 石英產(chǎn)品與其

23、它的電子元器件同樣朝著輕薄短小演進(jìn)。石英產(chǎn)品從1990年開始朝著SMD的方向演進(jìn)，1998年開始又向小型SMD的方向發(fā)展，因此輕薄短小的競(jìng)爭(zhēng)也就從此白熱化起來(lái)，當(dāng)今已從SMD-8045、7050、6035、5032、4025發(fā)展為3225和2520等產(chǎn)品，很快2016的產(chǎn)品將量產(chǎn)市場(chǎng)化；隨著CPU的運(yùn)轉(zhuǎn)速度的加快，石英諧振器和石英振蕩器的高頻化進(jìn)程也在加快。石英振蕩器的輸出邏輯除了常用的TTL/CMOS之外，繼續(xù)推出了LVCMOS和PECL等更適合于高速通訊的產(chǎn)品。以及低工作電壓2.5V、1.8V等的低功耗產(chǎn)品。更適合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的需求。 在石英水晶的壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)歷了120年的今天，終于將進(jìn)入

24、重要的頻率控制元件發(fā)展的新紀(jì)元。3612/21/2021www . hosonic . com . cn發(fā)展趨勢(shì) 附SMD Crystal 產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)圖（單位：Mpcs) 3712/21/2021www . hosonic . com . cn發(fā)展趨勢(shì) 附SMD OSC產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)圖（單位：Mpcs)） 3812/21/2021www . hosonic . com . cn品品 質(zhì)質(zhì) 部部 組組 織織 機(jī)機(jī) 能能 圖圖品質(zhì)部IQCOQC制程外觀全驗(yàn)儀校統(tǒng)計(jì) QAE文管 中心信賴性試驗(yàn)室統(tǒng)計(jì) 1. 制程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析 2. SCAR回復(fù) 3. 退貨、特采處理 4. 客戶端異常處理 5. 客戶需求及問(wèn)題回饋 1. 測(cè)量設(shè)備的內(nèi)外校與測(cè)量系統(tǒng)分析儀校QAE試驗(yàn)室 1. 信賴性測(cè)試 1. 各制程不良品分析確認(rèn)、不良率統(tǒng)計(jì)文控中心 1. ISO9001/ISO14001/RoHS系統(tǒng)維護(hù) 2. 文件管制與發(fā)行 3. 客規(guī)審查及發(fā)行 4.內(nèi)/外部稽核事宜 1. 供