石英晶体培训教程.docx
《石英晶体培训教程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石英晶体培训教程.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
石英晶体培训教程
晶体、晶振培训
8月1日
2008
晶体谐振器：
石英晶体谐振器为晶体振荡器的核心元件，由石英片、电极、支架及其他辅助装置组成，它是利用石英晶体的压电效应制成的电、机械振荡系统，由于石英晶体在物理和化学性能上都是较稳定的材料，因而其谐振频率必然稳定，晶体具有品质因数高，弹性振动损耗小的特点以及采用不同切割方式和几何形状可获得良好频率温度特性的优点，它被广泛应用于各类普通振荡器，压控振荡器，温度补偿晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等。
晶体振荡器：
是一种把直流电能转变成交流电能的装置，有时也称为信号发生器，它由直流电源、晶体管或电子管及振荡系统三个主要部分组成。
使用了以晶体为核心的振荡电路，由于使用了具有高Q值的晶体，因此振荡器稳定性比较好，主要用于时钟信号产生电路和时钟标准。
按用途和特点可分为普通晶体振荡器、电压控制晶体振荡器、温补晶体振荡器和温度控制晶体振荡器；按晶体振荡模式分，基频晶体振荡器、泛音晶体可分为振荡器；按采用分频、倍频技术可分为倍频晶体振荡器、分频晶体振荡器；如果按特定的技术要求也可以分为高稳定晶体振荡器、低噪声晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐高温晶体振荡器、耐低温晶体振荡器、耐辐射晶体振荡器等等。
ppm=10E-6
PXO：
高精度普通晶体振荡器VCXO：
VoltageControlledCrystalOscillator压控晶体振荡器TCXO：
TemperatureControlledCrystalOscillator温度补偿晶体振荡器OCXO：
OvenControlledCrystalOscillator恒温晶体振荡器TCVCXO：
TemperatureCompensated/VoltageControlledCrystalOscillator温补/压控晶体振荡器OCVCXO：
OvenControlled/VoltageControlledCrystalOscillator恒温/压控晶体振荡器MCXO：
MicrocomputerCompensatedCrystalOscillatorRbXO：
Rubidium-CrystalOscillator铷原子晶体振荡器
一石英材料（水晶）简介
石英产品主要是利用石英材料（水晶）的压电效应制成的电子原件和器件，压电效应是一种机电能量互换的现象，压电效应分为正压电效应和逆压电效应，正压电效应是以机械应力及应变（形变）作用而使物体产生电荷或电压输出。
逆压电效应是以电能输入使之产生机械能或位移（形变）的输出。
如果把交变电压施加到石英芯片两个电极之间，当交变电压的频率与石英芯片固有频率一致时，通过逆压电效应，芯片便产生机械振动，同时又通过正压电效应而输出电信号。
石英材料的压电效应是有方向性的，只有在电轴方向才具有压电效应。
石英有天然石英和人造石英。
天然石英和人造石英均为多面体形状。
目前电子元器件使用的主要是人造石英材料。
主要成分为SiO2。
产品主要有石英晶体谐振器、石英晶体振荡器。
产品主要特点有：
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。
产品主要应用于通讯、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数百赫兹至几百兆赫兹。
二、石英晶片：
2.1、石英晶片主要有方片、圆片、条片。
方片：
9.9*9.91.843200-2.457600MHz
圆片:
φ8.702.500000-6.176000MHz
圆片：
φ8.006.400000-18.432000MHzFund、22.000000-52.416000MHz3RD。
圆片：
φ6.5018.688000-28.400000MHzFund52.203000-100.000000MHz3Rd。
圆片：
φ5.5028.704000-40.960000MHzFUNF104.000000-135.000000MHz3Rd。
7.159000-135.000000MHz用于UM-1。
条片：
8.00*2.0049S、49SM。
5.00*2.508FA、7SB、7050/OSC。
4.00*1.806SB、6FA/B。
3.50*1.805SB、5FA/B、5032/OSC。
2.80*1.204SB。
2.2、石英晶片有平片、凸片（导边片）。
低频片一般要导边（修边），主要是降低电阻（ESR）。
非抛光片、抛光片（一般80.000MHz以上进行抛光,降低晶片电阻）
2.3、石英晶片的加工工序主要有：
切割、研磨、腐蚀、清洗。
2.4、切割：
用不同角度对石英晶棒进行切割，可获得不同特性之石英
晶片，通常我们把石英晶片对晶棒坐标轴某种方位（角度）的切割称为
石英晶片的切型。
不同切型的石英晶片，因其弹性性质，压电性质，温
度性质不同，其电特性也各异，目前主要使用的有AT切、BT切。
其它切型还有CT、DT、GT、NT等。
AT、BT切厚度切变振动石英晶片的切割方位（角度）及切型特性如下：
类别\切型
AT
BT
切角范围
ZZ′（+34°20′----35°35′）
ZZ′（—47°30′----52°）
频率范围
基频：
500---30000KHZ
泛音：
15---270MHZ
基频：
1000---50000KHZ
泛音：
15---75MHZ
频率常数
平片1670KHZ.MM
2560KHZ.MM
频率温度特性
见下图
见下图
主要特性
使用最多的一种切型
频率温度特性很好
体积可作得很小
有方片、条片、圆片、平片透镜等多种规格形状
可制作Q值很高的超精密晶体
活力及温度特性都比AT切差
Z、T、C点比AT易于控制
易加工
可制得Q值很高的晶体
切割角度
晶片厚度
ESR
激励功率
迁移度TS
温度范围
频率范围
AT切晶体
38º13′换算
35º15′Fund
35º22′3Rd
2º58′进口片
薄
小
小
大
宽（-20~70℃）
宽
BT切晶体
-49º12′
厚
大
大
小
窄（0~60℃）
窄
在选用晶片时应注意温度范围、温度范围内的频差要求，温度范围宽时（-40℃-85℃）切割角度比窄温（-10℃-70℃）切割角度应略高。
对于条片，长边为X轴，短边为Z轴，面为Y轴。
对于圆片，X、Z轴较难区分，所以对精度要求高的产品（如部分定单的UM-1），会在X轴方向进行拉弦（切掉一小部分），以利于晶片有方向的装架点胶，点胶点点在Z轴上。
保证产品温度特性。
2.5、研磨：
通过对切割整形后的晶片进行研磨，使晶片达到（厚度/频率）的一定范围。
晶片厚度与频率的关系为：
AT切晶片厚度为：
t=1670*n/f0
BT切晶片厚度为：
t=2560*n/f0
t:
晶片厚度（mm）f0:
晶片标称频率（KHz）n:
泛音次数
2.6、腐蚀：
用酸液腐蚀掉因研磨而产生的破坏层，消除晶片内应力，
同时使晶片达到更准确的目标值。
腐蚀频率=（1000*（F/N）+（F2/N2）*PB）*N
F：
标称频率如14.318180MHz18.432000MHz20.000000MHz
N:
振动模式FundN=1、3RdN=3
PB：
腐蚀反馈系数。
一般在0.5—1.5之间.频率低系数大，频率高系数
小。
2.7、清洗：
清洗掉晶片表面的酸液和其它杂质。
以被用于制造谐振器和振荡器。
2.8、分档测试：
石英晶片经过上述工序后，进行分档测试。
剔除不良品。
2.8.1、RI不良：
不是此规格的晶片、碎片、CI非常大的晶片。
2.8.2、CI不良：
相对阻抗较大的晶片。
2.8.1、±NG不良：
频率超出分档频率范围的晶片。
2.8.1、SPNG不良：
有寄生的晶片。
左寄生要求衰减8dB以上，右寄生要求衰减3dB以上。
2.8.1、RIPL不良：
寄生点数较多的晶片，通常规定在一定频段内，寄
生点数应小于10个。
2.9、主要参数：
振动模式、标称频率、白片频率（腐蚀频率）、直径、
长度、宽度、切割角度、切型。
三、石英产品生产工序：
3.1、石英产品生产工序主要有晶片清洗、被银、上架电胶、微调、封
焊、捡漏、印字、老化、测试
3.2、晶片清洗：
清除晶片表面的污物、油物，以保证被银电极。
被复良好牢固。
清洗间有很多化学试剂,酒精、异丙醇、硫酸、硝酸、清洗液同时还有电炉烤箱，在生产过程中应注意人身安全和设备安全。
3.3、被银：
用真空镀膜原理在洁净的石英晶片上蒸镀薄银层，形成引
出电极，并使其频率达到一定范围。
★★★采用蒸镀微调：
被银片频率应满足f0+（50至1000ppm）的要求，
★★★采用离子微调：
离子微调被银片频率应满足f0-（50至1200ppm）。
被银机（C-461T）被银量计算
THK2=｛4.2156×△f（KHz）÷〔fo（MHz）×f1（MHZ）〕｝÷2
式中：
△f=fo-f1
fo：
白片频率（腐蚀后频率）
f1：
蒸镀目标频率（晶体标称频率+1000PPM）
被银机内部使用的标准晶为5.000（或6.000）MHz.
被银后晶片上银子的厚度=（1670*n*/fo-1670*n/f1）*1000000
厚度单位:
Å
注意：
标称频率:
如14.318180MHz
白片频率（腐蚀频率）:
如14.560000MHz（是14.318180腐蚀片中心频率）
蒸镀目标频率:
标称频率±1000PPM。
（蒸镀微调、离子微调）
3.3.1、Space：
被银时放置晶片的治具。
根据晶片的直径（长度、宽度）、厚度选用合适尺寸的Space，尺寸过大容易造成被银电极偏位，尺寸偏小容易造成晶片破碎和被银后晶片不宜取出。
3.3.2、MASK：
被银电极。
一般情况下，频率低选用大尺寸MASK，频率高选用小尺寸MASK，对同一规格产品MASK大、C0大、电阻小。
MASK小、C0小、电阻大。
对有特殊要求（如C0、C1、C0/C1、TS等）的产品，在计算和试验的基础上选用合适的MASK。
对高频产品（尤其是高频Fund）Mask大，产品容易产生寄生。
3.4、上架点胶：
将被上银电极的晶片装在弹簧支架上，点上导电胶，并高温固化，通过弹簧即可引出电信号。
3.4.1、点胶时应注意胶点的大小和位置。
不宜过大或过小。
（生产现场应该有很多照片）
3.4.2、导电胶应注意有效期、储存温度、开盖次数、充分搅拌、室温放置时间、烤胶最高温度、烤胶时间、升温速率、升温起始最高温度。
3.5、微调：
使用真空镀膜原理，微调晶体谐振器的频率达到规定要求（标称值/目标值）。
也有离子刻蚀法进行微调。
3.5.1、注意：
微调时应注意微调偏位、微调量过大（主要是被银频率影响）、微调MASK的选用。
3.6、封焊（压封）：
把基座与上盖充氮气后进行封焊，以保证产品的老化率符合要求。
本公司主要有：
电阻焊（DIPOSC、DIPX’TAL）、SEAM焊（滚边焊7S、6S）、玻璃焊（8F、7F、6F）
3.6.1、注意：
封焊电流、封焊压力、封焊温度（玻璃焊）、基座尺寸、上盖尺寸、模具（优/损）、压痕、偏位、
3.7、捡漏：
检查封焊后的产品是否有漏气现象（粗捡漏、细捡漏）
3.7.1、粗捡漏：
检查较大的漏气现象。
细捡漏：
检查较小的漏气现象。
3.7.2、酒精捡漏：
把产品放置在酒精容器内加压，取出后对产品进行绝缘测试，判定是否漏气。
一般用绝缘电阻测试法进行，要求直流电压Vcc=100V、绝缘电阻RR≥500MΩ。
用于粗捡漏。
3.7.3、气泡捡漏：
把产品放置在FC-40中，观察产品是否存在气泡现象。
用于粗捡漏。
3.7.4、氦捡漏：
产品加压灌氦后，用氦捡漏仪进行捡漏。
用于细捡漏。
3.8、打印：
在产品上印上标示。
有油墨打印、激光打印。
3.8.1、注意：
产品频率、标准印字、特殊印字、部分产品打印前一定要确定产品频率。
标签打印：
标准标签打印、特殊标签打印。
3.9、老化：
对产品加以高温长时间老化，释放应力，暴露制造缺陷，据以提高出货可靠性。
主要参数：
老化温度、老化时间。
3.10、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。
3.10.1、注意：
产品老化后应室温放置24小时后，方可进行测试。
库存产品放置三个月以上，出货前应进行测试。
标准参数设置测试。
客户特殊要求参数设置测试。
（C0、C1、DLD、TS）
四、石英晶体谐振器
4.1、等效电路图
4.2、石英晶体谐振器主要组成部分：
石英晶体谐振器主要由基座（支架）、晶片、上盖组成，
4.3、石英晶体谐振器主要电参数：
Fr：
串联谐振频率。
单位：
MHz、KHz、Hz
1MHz=1000KHz=1000000Hz
FL：
负载谐振频率。
单位：
MHz、KHz、Hz（负载电容由使用的电路决定，客户下单时应指明负载电容）
Ct=CL+C0+CsCL/负载电容、Cs/杂散电容（治具或电路中存在）
RR（ESR）：
动态电阻。
单位：
欧姆Ω（串联谐振时的电阻，客户下单时的主要指标）
CIL（RL）：
负载谐振频率电阻。
单位：
欧姆Ω（一般不做要求CIL=RR（1+C0/CL）2）
C0：
静电容。
单位：
pF（皮法）49S、49U要求C0＜7pF。
SMDX’TALC0＜4pF。
C0=（0.402×Ae）/t+kAe/电极面积、t/晶片厚度、k/补偿系数（0.3-0.8）
C1：
动态电容。
单位fF。
1（F）=10-6（μF）=10-9（nF）=10-12（pF）=10-15（fF）
C1=C1=1/（4π2FL2L1）
C0/1：
电容比C0/C1。
CL：
负载电容（一般由客户提供），***在测试时表示产品0PPM时的负载电容。
对一只产品而言，CL变大，频率会低，CL变小，频率会高。
在客户要求某一负载电容的谐振器时也可用附近负载电容的谐振器进行代替，但此时必须满足客户精度的要求。
在制作振荡器时（OSC）CL=Cg*Cd/（Cg+Cd）+C0+Cs
Cg、Cd在IC规格中会有说明。
L1：
动态电感。
单位mH（毫亨）。
L1=（2.013×n3）/（Ae×f03）
TS：
牵引量（单位电容变化频率变化量）单位PPM/pF。
1PPM=10-6
TS=1000*C1/2*（C0+CL）2
电极增加，TS增加。
电极减小，TS减小。
负载（CL）大，TS大。
负载（CL）小，TS小。
Q：
品质因数。
Q=
DLD2：
电阻激励功率相关性（RRMAX—RRMIN）。
单位：
欧姆Ω
RLD2：
激励功率范围内的最大电阻。
FDLD：
频率激励功率相关性（FLMAX——FLMIN）
DELF（FLR）：
串并联间隔（FL—Fr）
DFL：
两个负载电容频率之差（FL（CL1）—FL（CL2））
Δf（ppm）=（C1/2）*[1/（C0+CL1）-1/（C0+CL2）]
CL1/负载电容1、CL2/负载电容2。
PWR：
测试产品时实际施加在产品上的激励功率。
IR：
绝缘电阻（Vcc=100VDCIR大于500MΩ）
SP50：
寄生电阻（相对50Ωπ测试网络）的衰减量。
单位：
dB。
SPDB：
寄生电阻（相对12.5Ωπ测试网络）的衰减量。
单位：
dB。
SPFR：
寄生点的频率。
SPUR：
寄生点的电阻。
寄生：
主振波（频率）以外的波形（振动频率）称为寄生。
左寄生一般要求衰减8dB以上。
右寄生一般要求衰减3dB以上。
250A/250B测试网络目前本公司均为12.5Ωπ测试网络。
250A/250B可提供的PI网络有12.5Ω、50Ω、750Ω、150KΩ。
50Ω、750Ω是用于测量高阻抗元件的高阻抗网络。
150KΩ用于测量表晶产品DT-26、DT-38。
dB=20LOG（X/B）：
B：
参考值（标准值）、X：
被测值。
4.4、主要产品：
DT-26/38、AT-39、49S/SM、49U、UM-1/5、4SB、5SB、6SB/6FA、7SB、8FA等。
4.5、主要测试设备：
主要测试设备有250A、250B、350A（250B版测试软件）、2250（用于测试温度特性）。
4.6、测试方法：
计算法、模拟法、物理电容法（外挂电容法）
4.6.1、计算法CalculatedFL
4.6.2、模拟法MeasureFL
4.6.3、物理电容法（外挂电容法）PhysicalFL
在测试产品寄生参数、用扫频法测试产品参数时不宜使用物理电容法，
同时应注意设置文件切实没用Phy和没有外挂电容。
建议此时用模拟测
量法。
4.7、注意：
在晶体测量中各个厂家的仪器会存在一定的差距（误差），
所以应对晶体测试仪器做特别管制。
尤其是小公差产品。
目前本公司的
标准仪器在品管部。
DIP产品为250A，SMD产品为250B。
品管部应对
公司内每台单机每个月进行一次校对。
自动测试机用平移法进行测试。
同时保留和记录与不同客户之间的误差。
在生产中用平移法解决。
五、石英晶体振荡器：
5.1、电路原理图：
5.2、主要组成部分：
石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC及外围电路、陶瓷基板（DIPOSC）、上盖组成。
5.3、电路组成：
CRYSTAL：
石英晶体谐振器。
C1、C2：
振荡电容（振荡电路中的负载电容）。
有些IC集成在IC内部。
有些IC未集成在内部，在制作OSC是需外置。
在IC资料中C1/C2有时标示为Cg、Cd。
在电路中Cg/Cd越小，电路的负阻性越大。
Cg/Cd越大，电路的负阻性越小。
在制作PlasticOSC和二次封装振荡器时，由于在制作谐振器时要考虑谐振器的负载电容，此时谐振器的负载电容CL=Cg*Cd/（Cg+Cd）+C0+Cs。
Cg/Cd一般在8Pf—32Pf之间。
Rf：
反馈电阻。
Rf小，负阻特性向高频段移动。
Rf大，负阻特性向低频段移动。
IC：
集成电路。
按频段分：
分为基频（Fund）振荡IC、3Rd振荡IC。
按电压分：
分为1.8V、2.5V、3.3V、5.0V。
有些IC使用电压会宽一些。
同时可以使用3.3V和5.0V。
此外还分除频IC（1/2、1/4、1/8等）和倍频（PLL）（*2、*4、*8等）IC。
C3：
滤波电容（旁路电路）。
一般为103Pf或104Pf。
C3一般为外置（非集成在IC内部）。
在测试SMDOSC、PlasticOSC时（内部无C3），测试治具中必须加如C3滤波电容。
5.4、负阻特性：
振荡电路（除去CRYSTAL），具有一个负阻特性（用HP-4195仪器可以测试），振荡电路负阻值（绝对值）必须大于3倍的CRYSTAL电阻值（CRYSTALESR/RR），振荡电路才可以稳定的振荡。
对于3RD振荡电路，还应考虑振荡电路的截止频率和5倍频频率时的负阻特性，由于电源电压的变化（目前公司在测试OSC时，电源电压变化为±25Vcc），在选用振荡电路（IC）时，负阻特性截止频率的变化必须离开基本波（Fund）频率，负阻特性5th频率时的负阻值（绝对值）必须小于CRYSTAL5th时的电阻值的3倍。
避免电压变小时跳基本波频率，电压变高时跳5th频率。
在制作3RdOSC时，在30.000MHz—60.000MHz时，尤其应引起高度重视。
对于振荡电路，可以通过改变C1/C2（Cg/Cd）、Rf改变振荡电路的截止频率和改变振荡电路的5th频率时的负阻值。
（SMDOSC、PlasticOSC由于集成在IC内部，无法改变）。
5.5、石英晶体振荡器输出波形：
5.6、石英晶体振荡器主要参数：
F（FDeviation）：
频率（与标称频率的误差）
Tr：
上升时间（nS）
Tf：
下降时间（nS）
TTL（晶体管-晶体管逻辑电路）：
0.4V2.4V
CMOS（互补型金属氧化物半导体）：
VDD*10%VDD*90%
VDD电源电压
VH
（1）：
输出高电平（电位）。
上幅度必须大于要求（CMOS90%Vcc）。
VL（0）：
输出低电平（电位）。
下幅度必须小于要求（CMOS10%Vcc）。
DUTY：
输出波形对称性。
对CMOS输出：
在1/2Vcc时，正脉冲部分（时间）与整个波形周期之比。
对5.0V/3.3VTTL输出：
在1.4V时，正脉冲部分（时间）与整个波形周期之比。
F（频率）=1/T（周期）.
StartTime：
启动时间（电压施加后，产品频率达到100PPM时，所用的时间）
SupplyCurrent：
电源电流（产品施加电压后产品消耗的电流）
DriverCurrent：
驱动电流（产品工作时所能输出的电流，带负载能力）
IC在某电压时驱动能力（DriveCapability）：
≥16mA可以驱动50pF负载。
≥8.0mA可以驱动30pF负载。
≥4.0mA可以驱动15pF负载。
Tri-state（enable/disabled）：
输入端三态Tri-state（enable/disabled）:
在振荡器中有一个三态控制脚（通常为OSC1#）,1#有三种状态,
高电平
（1）：
此时OSC有波形输出。
低电平（0）：
此时OSC无波形输出。
悬空：
此时OSC有波形输出。
输出端三态：
输出端有三种状态：
有波形输出：
1#为高电平或悬空。
无输出波形：
1#为低电平。
高阻态（高阻抗）：
当输出为低电平时，输出为高阻态。
Load：
负载（产品输出驱动形式和能力）
TTL负载：
1—10TTL。
CMOS负载：
15pF、30pF、50Pf。
PECL负载：
50Ω。
5.7、主要测试设备：
石英晶体振荡器主要测试设备有PRA2470、PRA1020、稳压电源、示波器、频率计、电流表、PRA2400（温度特性测试）、S&A2800（温度特性测试）。
六、压控晶体振荡器
6.3、压控晶体振荡器原理：
压控晶体振荡器是通过调节（控制脚）电压，使振荡器输出频率变化的振荡器，主要是通过变容二极管（Vd）的电容的变化，使晶体谐振器的振荡频率发生变化。
6.4、SMDVCXOIC原理图：
SMDVCXOIC内部集成了变容二极管、Cg、Cd、Rf、R1，在制造过程中，只需安装晶片进行微调。
在测试过程中，滤波电容0.01μF（104pF）应安装在测试治具中.
6.5、VCXO输出波形和参数：
VCXO输出波形即参数与普通振荡器OSC输出波形和参数基本一样。
6.6、VCXO线性度
VCXO线性度有两
升级会员 