晶体设计选用与失效分析

1、晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析 品技处v1.3hangzhou hosonic electronic co.,ltd.1. 水晶材料基本特性2. 石英谐振器的生产工艺3. 石英谐振器的基本参数4. 线路设计中石英谐振器的选用5. 典型案例分析6. 发展趋势目录水晶材料基本特性一 压电效应 石英晶体在压力作用下产生形变，同时产生电极化。其极化强度与压力成正比。这种现象就称“正压电效应”。反之，在电场作用下，晶体产生形变，其形变大小与电场强度成正比，这种现象称“逆压电效应”。在二十多类具有压电效应的晶体中，石英晶体是无线通讯设备中最为满意的材料之一。它的机械强度高，物理化学性能稳定，

2、内损耗低等，用它制成的器件被广泛用在频率控制和频率选择电路中。 水晶材料基本特性二 石英晶体的切型 由于石英片的取向不同，其压电特性、弹性特性和强度特性就不同，用它来制造的谐振器的性能也不一样，经过前辈的大量研究，已发现了几十种有用的切割方式。 切型的习惯表示方法：at，bt，ct，dt，et，fc，sc，lc等 水晶材料基本特性三 应用领域： 3.1 主要产品：石英晶体谐振器、石英晶体振荡器 3.2 主要特点：高稳定性(年老化率小于+/-5ppm), 高q(品质因数)值,低功耗,小体积,易于使用。 3.3 主要应用于通讯,电脑,导航,航空航天,家用 电器等领域。一般石英晶体谐振器的频率可 从

3、几十khz至几百mhz。水晶材料基本特性四 石英谐振器的组成和特性 由石英片，电极，基座，上盖、导电胶组成，其关键部分是石英片。石英片是弹性体，它有固有频率。石英片也是压电体，谐振时，振动幅度最大，阻抗最小；失谐时，阻抗迅速加大。石英谐振器的生产工艺 一 石英晶片制造工艺流程石英谐振器的生产工艺 二 石英晶体谐振器制造流程图 石英谐振器的生产工艺 2.1 被银：用真空镀膜原理在洁净的石英晶片上蒸镀薄 银层或用离子轰击金耙溅射到晶片表面形成 薄金层，形成引出电极，并使其频率达到一 定范围。plating silver blank quartz石英谐振器的生产工艺 2.2 上架点胶：将镀上银（金）

4、电极的晶片装在基座 上，点上导电胶，并高温固化，通过 弹片或pad引出电信号。 石英谐振器的生产工艺 2.3 微调：采用离子轰击或蒸镀的方式来调整晶片 表面电极的厚度；使晶体谐振器的频率 达到规定要求石英谐振器的生产工艺 2.4 封焊：将基座与上盖放置在充满氮气(真空)的环境 中进行封焊，以保证产品的老化率符合要 求。石英谐振器的生产工艺 2.5 密封性检查：检查封焊后的产品是否有漏气现象 粗检漏：检查较大的漏气现象;(气泡和压差方式) 细检漏：检查较小的漏气现象;（压he方式）石英谐振器的生产工艺 2.6 老化及模拟回流焊：对产品加以高温长时间老化，释放应力以及模拟客户使用环境，暴露制造缺陷

5、，以提高出货产品的可靠性。石英谐振器的生产工艺 2.7 测试：对成品进行电性能指标测试，剔除不 良品，保证产品质量。v产品分类 1.从产品功能分类：石英晶体谐振器、石英晶体振荡器 2.从焊接使用方式分类：插脚型(dip)和表面贴装型(smd) 3.目前石英晶体谐振器产品分类如下： 石英谐振器的基本参数插脚型(dip)晶体表面贴装型(smd)晶体石英谐振器的基本参数fl:指定负载cl时的谐振频率。 fr:谐振频率;xe=0时的频率）cl:特定负载谐振频率时的负载电容(pf)。c0:静电容（pf）;c1:动态电容（ff）。l1:动态电感。(mh);rr:动态电阻。ohmq:品质因数。q=2fl1/

6、r1ts:指定负载cl时测试的频率因负载电容变化而引起的牵引能力。(ppm/pf)pwr:激励功率。(uw)石英谐振器的基本参数crystalfailureflrrc0c1lqtspwrppmohmspfffmhkppm/pfuwhigh limit28.054.07.0low limit-28.01pass-7.614.9 1.7 4.9 36.0 181.8 6.3 114.3 2pass1.3 14.3 1.8 5.0 35.4 187.1 6.4 113.0 3pass-5.715.3 1.7 4.8 36.7 180.2 6.2 114.9 4pass2.8 16.7 1.7 4.8

7、 36.4 164.7 6.2 117.2 5pass-6.916.5 1.7 4.8 36.7 167.4 6.2 116.7 晶体测试数据例：v产品分类 4.目前石英晶体振荡器产品分类如下： 石英振荡器的基本参数插脚型(dip)振荡器表面贴装型(smd)振荡器插脚型(dip)压控振荡器表面贴装型(smd)压控振荡器晶体振荡器测试参数说明vdd:工作电压；单位v； 我司可做范围：1.85.0vfr: 标称频率；单位：mhzstart time:启动时间；单位ms(10ms max)i: 工作电流；单位：matr: 波形上升时间；单位ns，指波形从10%的vdd上升至90%的vdd时所 花的时

8、间(10ns max)tf: 波形下降时间；单位ns，指波形从90%的vdd下降至10%的vdd时所 花的时间(10ns max)duty: 波形对称性；单位：%即波形的前半周所花的时间占整个周期的百分比tri-state: 三态功能；即具有三态功能的产品，在控制脚(1#)接入高电平 (0.7vddmin)或悬空时，振荡器会保持工作状态，在接入低 电平(0.3vddmax)时振荡器处于停振状态石英振荡器的基本参数振荡器测试数据例：石英振荡器的基本参数testresultstart t3.3vitrtfdutyvhvltristateunitsmsecsppmmansecsnsecs%vvhig

9、h limit6.0030.0020.008.008.0055.000.33low limit-30.0045.002.971pass0.26 -0.838.22 1.71 1.69 50.95 3.23 -0.061.0002pass0.26 -0.378.78 1.73 1.72 51.54 3.24 -0.111.0003pass0.20 -0.088.01 1.69 1.63 51.13 3.25 -0.111.0004pass0.09 -3.568.54 1.83 1.80 51.17 3.21 -0.061.0005pass0.32 -1.418.97 1.72 1.69 51.6

10、6 3.26 -0.111.000线路设计中石英谐振器的选用一 石英谐振器的稳频条件： 负载电容 激励电平 频率温度特性 线路设计中石英谐振器的选用v负载电容cl对频率的影响： 石英谐振器一般作为电感元件在振荡电路中起 稳频作用，而电路的其它元件均可等效为一个负载电容与石英谐振器串联或并联。负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。线路设计中石英谐振器的选用v 负载电容cl对频率的影响(18pf为例) 3225 crystal cl vs f-100-80-60-40-200204060801008pf9pf 10pf 11pf 12pf 13pf 14pf 15pf 16p

11、f 17pf 18pf 19pf 20pf 21pf 22pf 23pf 24pf 25pf 26pf 27pf 28pf 29pf 30pfclf48mhz24mhz12mhz线路设计中石英谐振器的选用v 负载电容cl对频率的影响(18pf为例) 49s crystal cl vs f-200-150-100-500501001502002503008pf9pf10pf11pf12pf13pf14pf15pf16pf17pf18pf19pf20pf21pf22pf23pf24pf25pf26pf27pf28pf29pf30pffcl64mhz20mhz3.579545mhzv激励电流对频率的

12、影响： 一般取70100ua为佳；用激励功率表示时，一般取1100uw为佳。激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点； 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。但是激励电平太大，石英片振动强，振动区域温度升高，石英片内产生温度梯度，会使频率稳定度降低；激励电平过大，由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移，使频率产生永久性的变化，甚至有时会把石英片振坏；激励电平过大，会使等效电阻增加，q值下降，电阻温度特性和频率温度特性变得不规则；激励电平过大，容易激起寄生振动，同时还会使老化

13、变大。当然，激励电平太低也会使信噪比变小而影响短期稳定度，激励电平太低，谐振器不易起振，影响工作的温定和可靠性。所以谐振器使用者应根据不同的要求严格控制激励电平；更不能为了增大输出而随意提高激励电平.石英谐振器的基本参数线路设计中石英谐振器的选用v频率温度特性 线路设计中石英谐振器的选用二 石英振荡电路的组成： 石英振荡电路主要由ic、石英谐振器（简称：晶 体）xtal、电阻、pcb等组成 线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（一）： ic：可根据实用的需要任意选用：cmos反向器ic；专用振荡ic；大规模的数字ic中自备石英振荡门； *负阻特性：振荡电路（除去cry

14、stal），具有一个负阻特性（用网络频谱分析仪），振荡电路负阻值（绝对值）必须大于3倍的crystal电阻值（crystal esr/rr），振荡电路才可以稳定的振荡。 电容：可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品，但是应注意选择适用于高频的、低损耗角的，选用np0 系列的温度系数产品。cg/cd的具体数值请参阅下面的注意事项。线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（二）： 电阻: 在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。 pcb：注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数；大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意emi的防护。 xtal：频率大于1m

15、hz的谐振器应选用at-mode可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体；主要电性指标：fl、esr的clock需要选用fl及公差 (25)，并按c g / c d 值 ， 计 算 而 得 ： c l = ( c g * c d ) / (cg+cd)+cs(线路分布杂散电容);线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（三）： fund (mhz)3rd (mhz)pwrcl (pf)49s3.20030.00030.00066.000500 uw max 10 min49u1.843232.000 24.00080.000500 uw max 10 min8045

16、6.00040.00040.00080.000300 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 812线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（四）： esr：可参见产品目录提供的

17、数据；单位：； 工作温度范围的频率公差： 例：30ppm/-1060,30ppm/-2070等 cg/cd的选择要点和注意事项： 正确的选取cg/cd的值将有利于振荡电路的工作稳定，并能使振荡频率满足使用的clk要求。其选取的步骤如下： 线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（五）： 首先应该按照-r 的需求选择 cg/cd，在满足ts的情况下应尽量小些，保持较高的 r 以保证振荡的的稳定性。当无法满足-r要求时应考虑对ic的特性重新评价、选择。 -r=gm/2*（cg*cd）；-r(35)* esr(xtal)； rf 值选取：取用的xtal为 基本波的 时候，rf选

18、用 1m；3rd模式的xtal时须考虑截止频率必须界于基频与3rd的中间以保证3rd工作正常为原则，通常rf阻值在215 k间。线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（五）： cl-rf0-ric的-r与cl的关系ic的-r与f0的关系线路设计中石英谐振器的选用三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（六）： 为了避免对xtal的过激励而影响电路的正常工 作， 建议采用rr 以控制xtal的激励功率；其数 值视频率高低可在3368间选取。 对于有emi要求的振荡电路设计中必须选取seam 焊封4pad的晶体谐振器，同时赋予合理接地方 式，可满足emi防护的需求。 典型案例分

19、析一 某客户在使用过程中发现输出图象产生黑白图像: （客户使用我司esa24.0000f27d33产品） ba24mhzxtalr89 33r1 1miccc3627pfc4227pf ior84测试结果：ic:-r =238 ohms在线实际测试频率为f=163ppm用250b测试，在cl=27pf时为fl=1.7ppm.解决方案：我司按cl=20pf给客户供货；典型案例分析二 某客户在使用过程中发现产品波形输出不稳定 振动幅度过小：（e5fa24.0000f16e33） 测试结果：ic的-r=42.9ohms此类晶体产品的规格值中esr一般会控40ohms控制，依此推算，客户的ic-r应在120ohms min.比较适合解决方案：建议客户将cg=cd改为12pf，以提高-r，同时我司按9pf给客户供货典型案例分析三 某客户在产品使用过程中发现有部分会出现停振（e3sb20.0000f16e11） 测试结果：发现线路设计没问题，与晶体的fl、rr也匹配，后从客户所提供的ic相关参数中发现其激励功率为300uw，对小尺寸晶体产品