晶体制造工艺与设计选用

晶体设计选用与失效分析品技处V1.3HangzhouHosonicElectronicCo.,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7.品质系统流程图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，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(金)层，形成引出电极，并使其频率达到一定范围。石英谐振振器的生生产工艺艺2.2上上架点点胶：将被上银银（金））电极的的晶片装装在基座座上，点点上导电电胶，并并高温固固化，通通过弹簧簧(PAD)即即可引出出电信号号。石英谐振振器的生生产工艺艺2.3微微调：：SMD产产品采用用Ar离离子轰击击晶片表表面的银银（金））电极，，将多余余的金（（银）原原子打下下来。(插脚类类产品使使用真空空镀膜原原理，微微调晶体体谐振器器的频率率达到规规定要求求)石英谐振振器的生生产工艺艺2.4封封焊：：将基座与与上盖放放置在充充满氮气气(真空空)的环环境中进进行封焊焊，以保保证产品品的老化化率符合合要求。。本公司司主要有有：电阻阻焊（DIPOSC、DIPCrystal）、SEAM焊（滚滚边焊7S、6S、5S、4S、3S、2S）、、玻璃焊焊（8F、6F、5F）石英谐振振器的生生产工艺艺2.5密密封性性检查：：检查封焊焊后的产产品是否否有漏气气现象粗检漏：：检查较较大的漏漏气现象象;细检漏：：检查较较小的漏漏气现象象;石英谐振振器的生生产工艺艺2.6老老化及及模拟回回流焊：：对产品加加以高温温长时间间老化，，释放应应力以及及模拟客客户使用用环境，，暴露制制造缺陷陷，据以以提高出出货可靠靠性。石英谐振振器的生生产工艺艺2.7测试：对成品进进行电性性能指标标测试，，剔除不不良品，，保证产产品质量量。石英谐振振器的基基本参数数Fs:串联谐谐振频率率;Fs=1/[2ππ(L1C1)1/2]FL:指定负负载CL时的谐谐振频率率。Fr:谐振频频率;Xe=0时的频频率）CL:特定定负载载谐振振频率率时的的负载载电容容(pf)。C0:静电电容（（pF）;C1:动动态电电容（（fF）。。L1:动态态电感感。(mH);RR:动态态电阻阻。ohmQ:品质质因数数。Q=2πfL1/R1TS:指定定负载载CL时测测试的的频率率因负负载电电容变变化而而引起起的牵牵引能能力。。(ppm/pf)PWR:激励励功率率。(uW)线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用一石石英谐谐振器器的稳稳频条条件：：负载电电容激励电电平频率温温度特特性线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用负载电电容CL对对频率率的影影响：石英谐谐振器器一般般作为为电感感元件件在振振荡电电路中中起稳稳频作作用，，而电电路的的其它它元件件均可可等效效为一一个负负载电电容与与石英英谐振振器串串联或或并联联。负负载电电容的的大小小将对对石英英谐振振器的的等效效参数数及频频率稳稳定度度带来来影响响。线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用负载电电容CL对对频率率的影影响(18PF为例例)线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用负载电电容CL对对频率率的影影响(18PF为例例)线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用激励电电流和和频率率稳定定度的的关系系：一般取取70~100uA为佳佳；用用激励励功率率表示示时，，一般般取1~100uW为佳佳。激激励电电平的的大小小直接接影响响石英英谐振振器的的性能能，所所以电电路设设计者者一定定要严严格控控制石石英谐谐振器器在规规定的的激励励电平平下工工作，，以便便充分分发挥挥石英英谐振振器的的特点点;一般来来讲，，激励励电平平偏小小对于于长稳稳有利利，激激励电电平稍稍大对对于短短温有有利。。但是是激励励电平平太大大，石石英片片振动动强，，振动动区域域温度度升高高，石石英片片内产产生温温度梯梯度，，会使使频率率稳定定度降降低；；激励励电平平过大大，由由于机机械形形变超超过弹弹性限限度而而引起起永久久性的的晶格格位移移，使使频率率产生生永久久性的的变化化，甚甚至有有时会会把石石英片片振坏坏；激激励电电平过过大，，会使使等效效电阻阻增加加，Q值下下降，，电阻阻温度度特性性和频频率温温度特特性变变得不不规则则；激激励电电平过过大，，容易易激起起寄生生振动动，同同时还还会使使老化化变大大。当当然，，激励励电平平太低低也会会使信信噪比比变小小而影影响短短期稳稳定度度，激激励电电平太太低，，谐振振器不不易起起振，，影响响工作作的温温定和和可靠靠性。。所以以谐振振器使使用者者应根根据不不同的的要求求严格格控制制激励励电平平；更更不能能为了了增大大输出出而随随意提提高激激励电电平.线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用频率温温度特特性线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用二石石英振振荡电电路的的组成成：石英振振荡电电路主主要由由IC、石石英谐谐振器器（简简称：：晶体体）XTAL、、电阻阻、PCB等组组成线路设设计中中石英英谐振振器的的选用用三石石英振振荡电电路中中的主主要元元器件件的选选用（（一））：IC：：可根根据实实用的的需要要任意意选用用：CMOS反反向器器IC；专专用振振荡IC；；大规规模的的数字字IC中自自备石石英振振荡门门；*负阻阻特性性：振振荡电电路（（除去去CRYSTAL）），具具有一一个负负阻特特性（（用网网络频频谱分分析仪仪），，振荡荡电路路负阻阻值（（绝对对值））必须须大于于3倍倍的CRYSTAL电阻阻值（（CRYSTALESR/RR），，振荡荡电路路才可可以稳稳定的的振荡荡。电容：：可根根据用用户的的需要要选用用片式式或传传统结结构的的产品品，但但是应应注意意选择择适用用于高高频的的、低低损耗耗角的的，选选用NP0系系列的的温度度系数数产品品。Cg/Cd的具具体数数值请请参阅阅下面面的注注意事事项。。线路路设设计计中中石石英英谐谐振振器器的的选选用用三石石英英振振荡荡电电路路中中的的主主要要元元器器件件的的选选用用（（二二））：：电阻阻:在在选选择择尺尺寸寸的的同同时时需需注注意意功功耗耗的的满满足足。。PCB：：注注意意能能满满足足高高频频的的使使用用场场合合和和注注意意尽尽量量降降低低线线路路的的分分布布参参数数；；大大面面积积接接地地和和一一点点式式接接地地方方案案的的采采纳纳。。有有必必要要的的时时候候应应注注意意EMI的的防防护护。。XTAL：：频频率率大大于于1MHz的的谐谐振振器器应应选选用用AT-MODE可可根根据据用用户户的的需需要要选选择择合合适适的的外外形形尺尺寸寸和和封封装装的的晶晶体体；；主主要要电电性性指指标标：：FL、、ESR的的CLOCK需需要要选选用用FL及及公公差差(@25℃℃)，，并并按按Cg/Cd值值，，计计算算而而得得：：CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs(线线路路分分布布杂杂散散电电容容);线路路设设计计中中石石英英谐谐振振器器的的选选用用三石石英英振振荡荡电电路路中中的的主主要要元元器器件件的的选选用用（（三三））：：线路路设设计计中中石石英英谐谐振振器器的的选选用用三石石英英振振荡荡电电路路中中的的主主要要元元器器件件的的选选用用（（四四））：：ESR：：可可参参见见产产品品目目录录提提供供的的数数据据；；单单位位：：ΩΩ；；工作作温温度度范范围围的的频频率率公公差差：：例：：±±30ppm/-10~60℃℃,±±30ppm/-20~70℃℃等等Cg/Cd的的选选择择要要点点和和注注意意事事项项：：正确确的的选选取取Cg/Cd的的值值将将有有利利于于振振荡荡电电路路的的工工作作稳稳定定，，并并能能使使振振荡荡频频率率满满足足使使用用的的CLK要要求求。。其其选选取取的的步步骤骤如如下下：：线路路设设计计中中石石英英谐谐振振器器的的选选用用三石英振荡荡电路中的主主要元器件的的选用（五））：首先应该按照照-R的需需求选择Cg/Cd，，在满足TS的情况下应应尽量小些，，保持较高的的–R以以保证振荡的的的稳定性。。当无法满足足-R要求时时应考虑对IC的特性重重新评价、选选择。-R=gm/{ω2*（Cg*Cd）}；-R>(3~5)*ESR(XTAL)；Rf值选取取：取用的XTAL为基基本波的时时候，Rf选用1MΩ；3RD模式的XTAL时须考虑虑截止频率必必须界于基频频与3RD的中间以保证证3RD工作正常为原原则，通常Rf阻值在2~15KΩ间。线路设计中石石英谐振器的的选用三石英振荡荡电路中的主主要元器件的的选用（五））：IC的-R与与CL的关系系IC的-R与与F0的关系系线路设计中石石英谐振器的的选用三石英振荡荡电路中的主主要元器件的的选用（六））：为了避免对XTAL的过过激励而影响响电路的正常常工作，建建议采用Rr以控制XTAL的激激励功率；其其数值视频率率高低可在33~68ΩΩ间选取。对于有EMI要求的振荡荡电路设计中中必须选取SEAM焊封封4PAD的的晶体谐振器器，同时赋予予合理接地方方式，可满足足EMI防护护的需求。典型案例分析析一某客户在在使用过程中中发现输出图图象产生黑白白图像:（（客户使用我我司ESA24.0000F27D33产品））测试结果：IC:-R=238ohms在线实际测试试频率为F=163ppm用250B测测试，在CL=27PF时为FL=1.7ppm.解决方案：我我司按CL=20pF给给客户供货；；典型案例分析析二某客户在在使用过程中中发现产品波波形输出不稳稳定振振动幅度度过小：（E5FA24.0000F16E33）测试结果：IC的-R=42.9ohms此类类晶体产品的的规格值中ESR一般会会控40ohms控制，，依此推算，，客户的IC-R应在120ohmsmin.比较适合合解决方案：建建议客户将Cg=Cd改改为12pF，以提高-R，同时我我司按9PF给客户供货货典型案例分析析三某客户在在产品使用过过程中发现有有部分会出现现停振（E3SB20.0000F16E11）测试结果：发发现线路设计计没问题，与与晶体的FL、RR也匹匹配，后从客客户所提供的的IC相关参参数中发现其其激励功率为为300uw，对小尺寸寸晶体产品而而言（此颗料料的外形尺寸寸为3.2*2.5mm）一般激励励功率不能超超过100uw；解决方案：我我司更改晶片片制造工艺，，将其电阻提提高到15ohms以上上来解决；（（建议客户在在线路中串联联电阻Rr=33ohms，以减小小电流）典型案例分析析四某客户在在产品使用过过程中发现会会出现产品三三倍频的振荡荡模式（EUA2.34496F20D33）测试结果：在在2.34MHZ时-R=6.5Kohms,在7.009MHZ时时-R=805ohms,而此产品品在正常状态态下电阻在150ohms以内，3RD电阻300ohms以内内;解决方案：建建议客户在线线路中串联电电阻Rr=470ohms；发展趋势石英产品与其其它的电子元元器件同样朝朝着轻薄短小小演进。石英英产品从1990年开始始朝着SMD的方向演进进，1998年开始又向向小型SMD的方向发展展，因此轻薄薄短小的竞争争也就从此白白热化起来，，当今已从SMD-8045、7050、6035、5032、4025发展为为3225和和2520等等产品，很快快2016的的产品将量产产市场化；随随着CPU的的运转速度的的加快，石英英谐振器和石石英振荡器的的高频化进程程也在加快。。石英振荡器器的输出逻辑辑除了常用的的TTL/CMOS之外外，继续推出出了LVCMOS和PECL等更适适合于高速通通讯的产品。。以及低工作作电压2.5V、1.8V等的低功功耗产品。更更适合现代产产业的需求。。在石英水晶的的压电效应发发现已经历了了120年的的今天，终于于将进入重要要的频率控制制元件发展的的新纪元。发展趋势附SMDCrystal产品发发展趋势图（（单位：Mpcs)发展趋势附SMDOSC产品发发展趋势图（（单位：Mpcs)）品质部组组织机机能图品质部IQCOQC制程外观全验仪校统计QAE文管中心信赖性试验室统计1.制程数据的统计与分析2.SCAR回复3.退货、特采处理4.客户端异常处理5.客户需求及问题回馈1.测量设备的内外校与测量系统分析仪校QAE试验室1.信赖性测试1.各制程不良品分析确认、不良率统计文控中心1.ISO9001/ISO14001/RoHS系统维护2.文件管制与发行3.客规审查及发行4.内/外部稽核事宜1.供应商/协力商管理2.原物料检验与分频3.不良品索赔IQC1.制程抽检与压封前全检2.返修,不合格品及重工管制3.矫正及预防措施追踪与确认4.SPC管制及分析外观全检1.成品仓之稽核2.出货前外观抽检3.出货报告之制作OQC品质系统统运作作流程图图市场销售产品品质规划量产服务持续改善客户户抱抱怨怨分析,矫正正,预防防品质确认认与稽稽核业务品质采购生管制造生技研发进料检验新产品试作样品测试样品确认原物料储存原物料采购生产计划进料检验原物料准备制程管制制程中检验最终测试编带带成品仓库库出货管制制出货货量产原物料采购样品转量产试试作制程中信赖性性抽测服务务量产前制制程与与样品检检讨订单单审审查查新产产品品规规划划外观检检验包装出货前前抽检检供应商商/协协力商商评估估流程程图技术单单位制造单单位品质单单位生管单单位采购单单位新供应应商开开发新协力力商开开发不列入入合格格名录录中技术能能力评评估制程能能力评评估品质系系统评评估交期评评估成本评评估共同评评估结结果合格协协力商商名录录合格供供应商商名录录NGOK总经理理核准准纠正措措施改改善流流程图图业务单单位品质部部生技部部客户抱抱怨审厂异异常所有检检验异常超超标内/外外部稽稽核异异常原物料料进料异异常操作参参数异常确认改改善成成效异常通通知单单登记记与分分发问题发发生单单位改改善供应商商改善善报告告提出出进料检检验/供应应商稽稽核异异常OKNG采购部部供应商商稽稽核异异常开立立异异常常通通知知单单生管单单位归档档备备份份供应商商稽核异异常改善报报告提提出9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。14:07:4614:07:4614:0712/29/20222:07:46PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2214:07:4614:07Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。14:07:4714:07:4714:07Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2214:07:4714:07:47December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20222:07:47下下午14:07:4712月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月222:07下下午12月-2214:07December29,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2914:07:4714:07:4729December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。2:07:47下下午2:07下下午午14:07:4712月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。14:07:4714:07:4714:0712/29/20222:07:47PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2214:07:4714:07Dec-2229-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。14:07:4714:07:4714:07Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2214:07:4714:07:47December29,202214、意志志坚强强的人人能把把