晶振基礎(chǔ)知識ppt課件

1、1.1.概述概述振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LCLC諧振回路相比，它諧振回路相比，它具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和穩(wěn)頻措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到體振蕩器可以達(dá)到10-410-1110-410-11穩(wěn)定度。穩(wěn)定度。基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對某頻率具有的響應(yīng)作用，用來濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對某頻率具有的響應(yīng)作用，用

2、來濾波、選頻網(wǎng)絡(luò)等，石英諧振器相當(dāng)于器相當(dāng)于RLCRLC振蕩電路。振蕩電路。石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為二氧化硅石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為二氧化硅SiO2SiO2的六角錐形結(jié)晶體，比較堅硬。它有三個相的六角錐形結(jié)晶體，比較堅硬。它有三個相互垂直的軸，且各向異性：縱向互垂直的軸，且各向異性：縱向Z Z軸稱為光軸，經(jīng)過六棱柱棱線并垂直于軸稱為光軸，經(jīng)過六棱柱棱線并垂直于Z Z軸的軸的X X軸稱為電軸，與軸稱為電軸，與X X軸和軸和Z Z軸同時垂直的軸同時垂直的Y Y軸垂直于棱面稱為機(jī)械軸軸垂直于棱面稱為機(jī)械軸2.2.晶振的基本原理晶振的基本原理2.1. 2.1. 晶振的原理晶振的原理

3、 石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正機(jī)械能石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正機(jī)械能電能）、反電能電能）、反電能機(jī)械能壓電機(jī)械能壓電效應(yīng)。沿石英晶片的電軸或機(jī)械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，效應(yīng)。沿石英晶片的電軸或機(jī)械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產(chǎn)生正、負(fù)電荷，呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱呈現(xiàn)出電壓，其大小與所加力產(chǎn)生的形變成正比；若施加張力，則產(chǎn)生反向電壓，這種現(xiàn)象稱為正電效應(yīng)。當(dāng)沿石英晶片的電軸方向加電場，則晶片在電軸和機(jī)械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)為正電效應(yīng)。當(dāng)沿石英晶片的電軸方向加

4、電場，則晶片在電軸和機(jī)械軸方向?qū)⒀由旎驂嚎s，發(fā)生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時，晶片會隨電壓生形變，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時，晶片會隨電壓的變化產(chǎn)生機(jī)械振動，機(jī)械振動又會在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，的變化產(chǎn)生機(jī)械振動，機(jī)械振動又會在晶片內(nèi)表面產(chǎn)生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對于某一振動方式，有一個固有的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加交流電壓等于晶片的固有機(jī)械諧振頻對于某一振動方式，有一個固有的機(jī)械諧振頻率。當(dāng)外加交流電壓等于晶片的固有機(jī)械諧振頻率時，晶片的機(jī)械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)

5、象。石英晶片的共振具率時，晶片的機(jī)械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3 3、5 5、7 7之類的奇次泛音。晶片的振之類的奇次泛音。晶片的振動頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄尺寸越大，頻率越低），這樣的晶片動頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄尺寸越大，頻率越低），這樣的晶片其機(jī)

6、械強(qiáng)度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時常采用泛音晶體。一其機(jī)械強(qiáng)度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時常采用泛音晶體。一般地，在工作頻率小于般地，在工作頻率小于20MHZ20MHZ時采用基頻晶體，在工作頻率大于時采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ20MHZ時采用泛音晶體。時采用泛音晶體。2.22.2晶振的結(jié)構(gòu)晶振的結(jié)構(gòu)構(gòu)造構(gòu)造晶片：石英晶片：石英sio2sio2六角晶系各向異性：彈性常數(shù)、介電常數(shù)、壓電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)六角晶系各向異性：彈性常數(shù)、介電常數(shù)、壓電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)電極：銀電極：銀支架支架外殼外殼石英晶體振蕩器是利用石英晶體二氧化硅的結(jié)晶體

7、的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)石英晶體振蕩器是利用石英晶體二氧化硅的結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳圓形等），在它的兩個對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳 上，上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其

8、產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 原理：壓電效應(yīng)若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產(chǎn)生機(jī)械振動，同時晶片的機(jī)械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下，晶片機(jī)械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。3.晶體

9、的主要參數(shù)晶振的主要參數(shù)有標(biāo)稱頻率，負(fù)載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標(biāo)稱頻率不同，標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz40.50MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達(dá)到1000MHz以上，也有的沒有標(biāo)稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負(fù)載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標(biāo)稱頻率相同的晶振，負(fù)載電容不一定相同。因?yàn)槭⒕w振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)揩振晶振的低負(fù)載電容晶振：另一個為并聯(lián)揩振晶振的高負(fù)載電容晶振。

10、所以，標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩(wěn)定度：由于普通晶振的性能基本都能達(dá)到一般電器的要求，對于高檔設(shè)備還需要有一定的頻率精度和頻率穩(wěn)定度。頻率精度從10(-4)量級到10(-10)量級不等。穩(wěn)定度從1到100ppm不等。這要根據(jù)具體的設(shè)備需要而選擇合適的晶振，如通信網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數(shù)決定了晶振的品質(zhì)和性能。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體要求選擇適當(dāng)?shù)木д瘢虿煌阅艿木д衿鋬r格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。晶振不振蕩時，可以看成是一平板電容器C0，他和晶體

11、的幾何尺寸和電極面積有關(guān)，值在幾PF到幾十PF之間。晶振的機(jī)械振動的慣性使用電感L來等效，一般為103102H之間，晶片的彈性以電容C1來等效，L、C的具體數(shù)值與切割方式，晶片和電極的尺寸，形狀等有關(guān)。標(biāo)稱頻率FL），負(fù)載電容CL）、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等晶體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等，共同決定振蕩器的性能Fs：晶體本身固有的頻率，和晶體的切割方式、晶體厚度、晶體電極的等效厚度F2560/t(BT)F=1670/t(AT)標(biāo)稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負(fù)載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常FL：晶體加外部電容的整體頻率FL= 1/（2L1C1(C0+C)/(

12、C1+C0+C) ）FL介于FS和FP之間：微調(diào)工序：根據(jù)用戶要求的CL,使FL30ppm內(nèi)(在電極上繼續(xù)鍍銀，減小頻率) 。在并聯(lián)共振線路中的振蕩頻率，有99.5的頻率決定在晶體，外部的組件約只占0.5，所以外部組件C1、C2和布線主要在決定于啟動與可信賴程度。典型的初始誤差為1，溫度變化（-30到100度為0.005，組件老化約為0.005CL: 負(fù)載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內(nèi)部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。如果負(fù)載電容太大，振蕩器就會因?yàn)樵诠ぷ黝l率的回授增益太低而不會啟動，這是因?yàn)樨?fù)載電容阻抗的關(guān)系，大的負(fù)載電容會產(chǎn)生較長的啟動穩(wěn)定時間。但是若負(fù)載電容太小

13、，會出現(xiàn)不是不起振因?yàn)檎麄€回路相位偏移不夠就是振在第3、5、7泛音overtone頻率。電容的誤差是需要考量的，一般而言陶瓷電容的誤差在10，可以滿足一般應(yīng)用需要。所以若要有一個可靠且快速起振的振蕩器，在沒有導(dǎo)致工作在泛音頻率下，負(fù)載電容應(yīng)越小越好。Crystal常用CL SPEC：8pF、10 pF 12 pF 16 pF 18 pF 20 pF 30 pF 32PfRr：串聯(lián)阻抗，較低的串聯(lián)阻抗會有較好的表現(xiàn)，但是需要的成本較高；較高的串聯(lián)阻抗會導(dǎo)致能量的損耗和較長的啟動時間，但是可以降低C1，C2來補(bǔ)償。這個值的范圍大概在1MHz 200奧姆到20MHz 15奧姆左右。阻抗小，損耗小，Q

14、值高與頻率有關(guān)理想值：Rr0理論值：3.579545M150歐姆6.0000M90歐姆12.0000M60歐姆16.0000M以上40歐姆他與原材水晶人工培育，高溫1000C高壓下培育，可能含有鐵雜質(zhì)），輔材SIC金剛砂，有的使用鉆石），加工工藝：無塵室管理，內(nèi)外壓差有關(guān)系。RL=RrC1(C0+C)/C1+C0+C）/LZ0=L/RCQ=w0L/RZ=Z0/1+jQ1w02/w）溫度穩(wěn)定性：切角：通常使用到的是AT切3515）和BT切（49），他們的溫度特性如圖：AT切的溫度頻率關(guān)系函數(shù)：(ff0)/f0=a0(TT0)b0(TT0)2c0(TT0)3式中，T為任意溫度，T0參照溫度，f0為

15、參照溫度時的頻率，a0、b0、c0為參照溫度時的頻率溫度系數(shù)。4.晶振的應(yīng)用并聯(lián)電路： (a)串聯(lián)共振振蕩器 (b)并聯(lián)共振振蕩器 1)：如何選擇晶體？ 對于一個高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計，晶體的選擇非常重要，尤其設(shè)計帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。這是因?yàn)榈凸╇婋妷菏固峁┙o晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時并不特別明顯，原因時上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時，電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(容易振到高次諧波上)也不能欠激勵(不容易起振)。晶體的選擇至少必須考慮：諧振頻點(diǎn)，負(fù)載電容，

16、激勵功率，溫度特性，長期穩(wěn)定性。2)：晶振驅(qū)動電阻RS常用來防止晶振被過分驅(qū)動。過分驅(qū)動晶振會漸漸損耗減少晶振的接觸電鍍，這將引起頻率的上升?？捎靡慌_示波器檢測OSC輸出腳，如果檢測一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合時鐘輸入需要，則晶振未被過分驅(qū)動；相反，如果正弦波形的波峰，波谷兩端被削平，而使波形成為方形，則晶振被過分驅(qū)動。這時就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅(qū)動。判斷電阻RS值大小的最簡單的方法就是串聯(lián)一個5k或10k的微調(diào)電阻，從0開始慢慢調(diào)高，一直到正弦波不再被削平為止。通過此辦法就可以找到最接近的電阻RS值。 3).如何選擇電容C1，C2？（1）：因?yàn)槊恳环N晶振都有各

17、自的特性，所以最好按制造廠商所提供的數(shù)值選擇外部元器件。（2）：在許可范圍內(nèi)，C1,C2值越低越好。應(yīng)該試用電容將他的振蕩頻率調(diào)到IC所需要的頻率，越準(zhǔn)確越好，C值偏大雖有利于振蕩器的穩(wěn)定，但將會增加起振時間。（3）：應(yīng)使C2值大于C1值，這樣可使上電時，加快晶振起振。(4)對于32KHZ以上的晶體振蕩器，當(dāng)VDD4.5V時，建議C1=C230PF。R為晶體內(nèi)部的電阻,C為晶體內(nèi)部的兩電容值相加C=C1+C0若電阻為40奧姆，電容為20pF，則在工作頻率在16MHz時，所消耗的功率為2mW。4.)功耗：5、關(guān)鍵工藝主要工藝流程為：晶體選擇切割粗磨測角改圓研磨腐蝕清洗鍍膜裝架點(diǎn)膠微調(diào)封焊印字老化

18、成檢浸錫抽檢切校腳包裝入庫1）.晶體選擇:晶體分天然晶體和人工晶體.天然晶體純度差,資源有限,而人工晶體純度高,資源豐富,故現(xiàn)在生產(chǎn)晶振基本上多采用人工晶體.2）.晶片切割:晶振中最重要的組成部分為水晶振子,它是由水晶晶體按一定的法則切割而成的,又稱晶片.常用晶片的形狀有三種:圓形,方形,SMT專用(方形,但比較小),如下圖晶片的切割可分為AT-CUT,BT-CUT,CT-CUT,DT-CUT,FT-CUT,XT-CUT,YT-CUT,如圖7所示.它是以光軸(Z軸)為參考而命名,每種切法對應(yīng)一個角度.采用何種切法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定,如對溫度特性要求較好則應(yīng)采用AT-CUT,如果對晶振要求的頻率

19、較高時則采用BT-CUT.晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率.圓形方形SMT專用3研磨對晶片的表面進(jìn)行研磨,使其厚度及表面粗糙平整度達(dá)到要求.一般實(shí)際的晶片的厚度要比理論上的要小,這是因?yàn)楹竺娴恼翦児ば驅(qū)⒃诰砻嬲翦円粚鱼y而使晶片厚度增加.以上可用下列式子表示:理論厚度=實(shí)際厚度+蒸鍍層厚度4倒邊,倒角(此工序只針對低頻)5腐蝕清洗據(jù)多年的生產(chǎn)實(shí)踐和理論證明，片愈厚、頻率愈低，對晶體的起振性能、電阻的影響愈大，這是低頻DPTV石英諧振器所不希望和較難解決的問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，作為清除晶片因研磨造成的表面松散層的深腐蝕方法較有效。但采用原先的腐蝕液氫氟酸的速度慢、效率低，研制人員為此

20、重新配備了蝕液，70飽和氟化氫銨溶液為最佳配方，蝕出的晶片透亮，電阻小。但由于手工控制的搖動不夠均勻，批量生產(chǎn)時出現(xiàn)了腐蝕后晶片均勻度差，清潔度不夠及蝕速快、較難把握等問題。為此，引進(jìn)香港制造的由IEC1型電腦控制的腐蝕控制的腐蝕清洗系統(tǒng)，操作者只需將清洗腐蝕時間以秒為單位輸入計算機(jī)、裝白片架和看護(hù)各個浴器，便可實(shí)現(xiàn)晶片的腐蝕、清洗、烘干及末端從傳送鏈上卸下來的整個過程流水式自動化操作，氣泡發(fā)生器使腐蝕更加均勻，加溫超洗干凈。晶片的光潔度、清潔度大幅度提高，成品電阻平均下降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鍍膜晶片光潔度的提高對鍍膜的附著率造成影響，如果附著率

21、無保證，會造成頻率的不穩(wěn)定。為了保證晶片的附著率，采用先鍍一層附著率好的鉻，然后再鍍銀的方法，這種方法的難點(diǎn)就是銀鉻在晶片兩面平均分配的問題，如果分配不均，同樣會造成頻率的不穩(wěn)定。采用進(jìn)口的電腦控制的VDS406真空蒸鍍系統(tǒng)，只需將蒸鍍量輸入電腦，它就會自動地將蒸發(fā)物按比例均勻地分配到晶片的兩邊，且給下道微調(diào)工序留下最佳的微調(diào)量。7裝架點(diǎn)膠膠點(diǎn)得太多會影響電阻，太少又會粘得不牢固，影響可靠性，采用香港制造的精密電子電路控制液體流量的1500型數(shù)位式定量點(diǎn)膠機(jī)，調(diào)整容易、操作簡單，一經(jīng)設(shè)定只需輕踩腳踏開關(guān)，每次吐出量一致，產(chǎn)品一致性好，避免了因人工兼畫眉筆點(diǎn)膠的方法造成的差異。支裝采用國際通用的

22、，可減小等效電阻，外觀、機(jī)械性能、電性能、耐老化等質(zhì)量穩(wěn)定、價廉的國產(chǎn)HC49/U型標(biāo)準(zhǔn)彈片支架。采用導(dǎo)電性能良好、3301F型日產(chǎn)導(dǎo)電性樹脂材料接著劑，平均電阻降低4.16，可靠性能提高。8頻率微調(diào)先用銀層鍍薄一點(diǎn)作為其電極,后調(diào)節(jié)鍍銀層之厚度一改變晶片厚度來達(dá)到微調(diào)的作用9完成檢查各個參數(shù)的測試,如Rr,C0,絕緣性,氣密性等石英諧振器的一般指標(biāo)均采用電腦自校的美國150D型晶體阻抗計和高低溫測試系統(tǒng)來測試，為確保其可靠性能，有的廠家使用一套拍閃檢測工序，這種方法雖然比較土，但對確保出廠產(chǎn)品的可靠性能，使合格產(chǎn)品不致被淘汰非常有效，出廠產(chǎn)品合格率提高1.73。通過精選抗氧化錫，采用先分選后

23、浸錫再抽測的新工序，確保了浸錫質(zhì)量。依據(jù)凸輪運(yùn)動原理，使用操作簡單、效率高、符合要求的切腳裝置。確保出廠產(chǎn)品符合彩電生產(chǎn)自動化插件的要求。6.晶振的制程管控檢驗(yàn)項(xiàng)目：（1外觀檢驗(yàn)印字標(biāo)記清晰、正確；外殼無污染、劃傷）（2電氣參數(shù)檢驗(yàn)FL、RS、CO、Q）（3可靠性檢驗(yàn)跌落振動試驗(yàn)、可焊性試驗(yàn)、高低溫測試等）（4包裝檢驗(yàn)包裝方式、包裝標(biāo)簽及包裝的晶體）測試條件：（1環(huán)境溫濕度要求溫度253，濕度60%）（2標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器：KH1120（3完整的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)控制卡、檢驗(yàn)規(guī)程、儀器操作規(guī)程等）（4熟練的操作工、質(zhì)檢員 7:晶振的測試方法根椐晶振的特性,如溫度太高時電極易被破壞;晶片較薄,易斷等,一般做如下測試:振動落下實(shí)驗(yàn)Chamber實(shí)驗(yàn)(高低溫結(jié)合)ORT老化實(shí)驗(yàn)Derating測試附件:8.石英晶體振蕩器