晶振基礎知識演示文稿

晶振基礎知識演示文稿目前一頁\總數十八頁\編于七點優(yōu)選晶振基礎知識目前二頁\總數十八頁\編于七點1.概述振蕩器是一種能量轉換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振回路相比，它具有很高的標準性和極高的品質因數，，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到10-4~10-11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作用，用來濾波、選頻網絡等，石英諧振器相當于RLC振蕩電路。石英晶體俗稱水晶，是一種化學成分為二氧化硅（SiO2）的六角錐形結晶體，比較堅硬。它有三個相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經過六棱柱棱線并垂直于Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時垂直的Y軸（垂直于棱面）稱為機械軸目前三頁\總數十八頁\編于七點2.晶振的基本原理2.1.晶振的原理石英晶體之所以可以作為諧振器，是由于它具有正（機械能→電能）、反（電能→機械能）壓電效應。沿石英晶片的電軸或機械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產生正、負電荷，呈現出電壓，其大小與所加力產生的形變成正比；若施加張力，則產生反向電壓，這種現象稱為正電效應。當沿石英晶片的電軸方向加電場，則晶片在電軸和機械軸方向將延伸或壓縮，發(fā)生形變，這種現象稱為反壓電效應。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生機械振動，機械振動又會在晶片內表面產生交變電荷。由于晶體是有彈性的固體，對于某一振動方式，有一個固有的機械諧振頻率。當外加交流電壓等于晶片的固有機械諧振頻率時，晶片的機械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產生了共振現象。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、5、7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?。ǔ叽缭酱?，頻率越低），，這樣的晶片其機械強度就越差，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20MHZ時采用基頻晶體，在工作頻率大于20MHZ時采用泛音晶體。2.2晶振的結構結構晶片：石英（sio2）六角晶系各向異性：彈性常數、介電常數、壓電常數、熱膨脹系數電極：銀支架外殼石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結晶體）的壓電效應制成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：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，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。目前四頁\總數十八頁\編于七點

原理：壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當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，這種現象稱為壓電諧振，它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關。3.晶體的主要參數目前五頁\總數十八頁\編于七點

晶振的主要參數有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500kHz、503.5kHz、1MHz～40.50MHz等，對于特殊要求的晶振頻率可達到1000MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內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。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為并聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，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到一般電器的要求，對于高檔設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。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網絡，無線數據傳輸等系統(tǒng)就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振，因不同性能的晶振其價格不同，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，他和晶體的幾何尺寸和電極面積有關，值在幾PF到幾十PF之間。晶振的機械振動的慣性使用電感L來等效，一般為10－3－102H之間，晶片的彈性以電容C1來等效，L、C的具體數值與切割方式，晶片和電極的尺寸，形狀等有關。標稱頻率（FL），負載電容（CL）、頻率精度、頻率穩(wěn)定度等晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，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F＝2560/t(BT)F=1670/t(AT)

標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常目前六頁\總數十八頁\編于七點FL：晶體加外部電容的整體頻率FL=1/（2π√｛L1C1(C0+C’)/(C1+C0+C’)｝）FL介于FS和FP之間：微調工序：根據用戶要求的CL,使FL－>＋－30ppm內(在電極上繼續(xù)鍍銀，減小頻率)。在并聯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±0.005％CL:負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內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。如果負載電容太大，振蕩器就會因為在工作頻率的回授增益太低而不會啟動，這是因為負載電容阻抗的關系，大的負載電容會產生較長的啟動穩(wěn)定時間。但是若負載電容太小，會出現不是不起振（因為整個回路相位偏移不夠）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，在沒有導致工作在泛音頻率下，負載電容應越小越好。Crystal常用CLSPEC：8pF、10pF12pF16pF18pF20pF30pF32PfRr：串聯阻抗，較低的串聯阻抗會有較好的表現，但是需要的成本較高；較高的串聯阻抗會導致能量的損耗和較長的啟動時間，但是可以降低C1，C2來補償。這個值的范圍大概在1MHz200奧姆到20MHz15奧姆左右。阻抗小，損耗小，Q值高（與頻率有關）理想值：Rr－>0目前七頁\總數十八頁\編于七點理論值：3.579545M150歐姆6.0000M 90歐姆12.0000M 60歐姆16.0000M以上 40歐姆他與原材水晶（人工培育，高溫（1000°C）高壓下培育，可能含有鐵雜質），輔材（SIC金剛砂，有的使用鉆石），加工工藝：無塵室管理，內外壓差）有關系。

RL=Rr（C1(C0+C’)/C1+C0+C’）/LZ0=L/RCQ=w0L/RZ=Z0/1+jQ（1－w02/w）目前八頁\總數十八頁\編于七點溫度穩(wěn)定性：切角：目前九頁\總數十八頁\編于七點

通常使用到的是AT切（35°15’

）和BT切（－49°），他們的溫度特性如圖：AT切的溫度頻率關系函數：(f－f0)/f0=a0(T－T0)＋b0(T－T0)2＋c0(T－T0)3式中，T為任意溫度，T0參照溫度，f0為參照溫度時的頻率，a0、b0、c0為參照溫度時的頻率溫度系數。目前十頁\總數十八頁\編于七點4.晶振的應用并聯電路：

(a)串聯共振振蕩器(b)并聯共振振蕩器1)：如何選擇晶體？

對于一個高可靠性的系統(tǒng)設計，晶體的選擇非常重要，尤其設計帶有睡眠喚醒(往往用低電壓以求低功耗)的系統(tǒng)。這是因為低供電電壓使提供給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。這一現象在上電復位時并不特別明顯，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，負載電容，激勵功率，溫度特性，長期穩(wěn)定性。

2)：晶振驅動

電阻RS常用來防止晶振被過分驅動。過分驅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。可用一臺示波器檢測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，則晶振被過分驅動。這時就需要用電阻RS來防止晶振被過分驅動。判斷電阻RS值大小的最簡單的方法就是串聯一個5k或10k的微調電阻，從0開始慢慢調高，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。目前十一頁\總數十八頁\編于七點3).如何選擇電容C1，C2？（1）：因為每一種晶振都有各自的特性，所以最好按制造廠商所提供的數值選擇外部元器件。（2）：在許可范圍內，C1,C2值越低越好。應該試用電容將他的振蕩頻率調到IC所需要的頻率，越準確越好，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VDD>4.5V時，建議C1=C2≈30PF。R為晶體內部的電阻

,C為晶體內部的兩電容值相加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：目前十二頁\總數十八頁\編于七點5、關鍵工藝

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—裝架點膠—微調—封焊—印字—老化—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,故現在生產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),如圖所示晶片的切割可分為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,每種切法對應一個角度.采用何種切法應根據實際情況而定,如對溫度特性要求較好則應采用AT-CUT,如果對晶振要求的頻率較高時則采用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專用目前十三頁\總數十八頁\編于七點

3）研磨對晶片的表面進行研磨,使其厚度及表面粗糙平整度達到要求.一般實際的晶片的厚度要比理論上的要小,這是因為后面的蒸鍍工序將在晶片表面蒸鍍一層銀而使晶片厚度增加.以上可用下列式子表示:理論厚度=實際厚度+蒸鍍層厚度4）倒邊,倒角(此工序只針對低頻)5）腐蝕清洗據多年的生產實踐和理論證明，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。調查發(fā)現，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，批量生產時出現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，引進香港制造的由IEC－1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、裝白片架和看護各個浴器，便可實現晶片的腐蝕、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％。目前十四頁\總數十八頁\編于七點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，且給下道微調工序留下最佳的微調量。7）裝架點膠膠點得太多會影響電阻，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型數位式定量點膠機，調整容易、操作簡單，一經設定只需輕踩腳踏開關，每次吐出量一致，產品一致性好，避免了因人工兼畫眉筆點膠的方法造成的差異。支裝采用國際通用的，可減小等效電阻，外觀、機械性能、電性能、耐老化等質量穩(wěn)定、價廉的國產HC－49/U型標準彈片支架。采用導電性能良好、3301F型日產導電性樹脂材料接著劑，平均電阻降低4.16％，可靠性能提高。8）頻率微調先用銀層鍍薄一點作為其電極,后調節(jié)鍍銀層之厚度一改變晶片厚度來達到微調的作用9）完成檢查各個參數的測試,如Rr,C0,絕緣性,氣密性等石英諧振器的一般指標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，但對確保出廠產品的可靠性能，使合格產品不致被淘汰非常有效，出廠產品合格率提高1.73％。通過精選抗氧化錫，采用先分選后浸錫再抽測的新工序，確保了浸錫質量。依據凸輪運動原理，使用操作簡單、效率高、符合要求的切腳裝置。確保出廠產品符合彩電生產自動化插件的要求。

目前十五頁\總數十八頁\編于七點6.晶振的制程管控檢驗項目：（1）外觀檢驗（印字標記清晰、正確；外殼無污染、劃傷）（2）電氣參數檢驗（FL、RS、CO、Q）（3）可靠性檢驗（跌落振動試驗、可焊性試驗、高低溫測試等）（4）包裝檢驗（包裝方式、包裝標簽及包裝的晶體）測試條件：（1）環(huán)境溫濕度要求（溫度25℃±3℃，濕度＜60%）（2）標準的測試儀器：KH1120

（3）完整的作業(yè)標準和檢驗標準（控制卡、檢驗規(guī)程、儀器操作規(guī)程等）（4）熟練的操作工、質檢員目前十六頁\總數十八頁\編于七點

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:振動落下實驗Chamber實驗(高低溫結合)ORT老化實驗Derating測試（附件:目前十七頁\總數十八頁\編于七點

8.石英晶體振蕩器的發(fā)展趨