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1、SJK 晶振产品知识介绍（内部培训）-黄灏东 2013-8-24,目 录1.SiO2压电特性2.水晶的生长3.石英晶片的生产4.石英晶体的生产5.石英晶体振荡器6.产品主要参数介绍7.产品可靠性分析8.产品选型9.失效分析10.石英晶体使用注意事项,一、压电特性,1.1880年法国P，居里兄弟发现石英晶体的压电效应。2.石英晶体是(SiO2)的单晶体，称水晶或石英，有天然和人造的两种。3.石英晶体是一种重要的电子材料；沿一定方向切割的石英晶片，当受到机械应力作用时将产生与应力成正比的电场或电荷，这种现象称为正压电效应。反之，当石英晶片受到电场作用时将产生与电场成反比的应变，这种现象称为逆压电效
2、应。正、逆两种效应合称为压电效应。4.石英晶体不仅具有压电效应，而且还具有优良的机械特性、电学特性和温度特性。5.用它设计制作的谐振器、振荡器和滤波器等，在稳频和选频方面都有突出的优点。,SiO2压电特性,石英晶体的切型,Low FrequencyCT:+380DT:-520ET:+660FT:-570,High FrequencyAT:+35012BT:-490SC:+21056/+34005,石英晶体的振动模式,各种切型的温频特性曲线图,常用切型介绍,AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t（t为厚度）具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般
3、小于40M。BT切 厚度振动模式，其频率系数为：2650，频率公式：f=2550/t（t为厚度）高的品质因素，温频特性（抛物线），机械特性,3.SC切介绍,自1974年发现SC切型以来，由于它在开机特性、短稳、长期老化、抗辐射等方面具有其它切型晶体无法比拟的优势，几十年来获得了长足的发展，高精密SC切晶体谐振器技术含量高，对设计、制作工艺、制作经验等各方面都有很高的要求.晶体设计拐点为805，常用于高精度恒温晶体振荡器,如100MHZ等产品；晶片切角选为（yxwl）2156/3405，晶片角度允许误差：21563，34050.5。SC切晶体的振动是厚度振动。厚度振动有三种形式：厚度伸缩振动，即
4、A模振动；厚度扭曲振动，即B模振动；厚度切变振动，即C模振动。其中只有C模振动曲线是三次函数曲线，才拥有零温度系数点。这是我们需要的振动模式。A模离C模较远，不予考虑，而B模振动模式离C模较近，其位置由角的大小决定，如果角为2156，则B模振动大约位于高于C模振动的9.6%，所以B模振动的存在给设计带来很大麻烦。,SC切温频特性曲线,常用AT切型的温频特性曲线图,石英晶体的基频和泛音模式,二、水晶生长,水晶的生长,天然水晶,人造水晶,三、石英晶片生产,晶片的生产流程,0.51天,1天,12天,27天,12天,腐蚀分选,粘坨切割磨陀分选,粗磨中磨细磨,415天,切割有两种方式：1.多 刀（老工艺
5、）2.线切割（新工艺）线切割出片率高.边缘损伤小，应力小.,降低晶片厚度，提高晶片频率常用材料：SiC(金刚砂），AL2O3不同的研磨沙粒度其研磨结果是不同；粗磨，频率提升速度快，但晶片表面破坏层程度深。细磨（精磨），频率提升慢，但晶片表面最为光滑，较浅的破坏层。,常用材料：石蜡加热，融化，粘在一起,通常叫磨陀，或5S研磨,碱性溶液（NaOH)，化解石蜡,腐蚀溶液为HF溶液,饱和的氟化氢铵溶液,四、石英晶体的生产,晶体的生产流程,2H,1H,2H,2H,2H,2H,48H,2H,2H,1H,0.5H,0.5H,一个流水单(35K)至少需要72H,设定负载电容，实时监控调整频率,谐振器类,圆柱,
6、振荡器类,五、石英晶体振荡器,石英晶体振荡器电路结构,六、产品主要参数,石英晶体谐振器的主要参数,1、标称频率该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百万分之几（ppm）。3、负载电容（CL）与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期望值。4、工作温度范围 石英晶体元器件在规定的误差内工作的温度范围。5、温度频差 在规定条件下，在工作温度范围内
7、相对于基准温度（252）时工作频率的允许偏差。6、.等效串联电阻（Rr）晶体在谐振频率下的电阻值，单位为欧姆。,7、激励功率(DL)晶体工作时所消耗功率的表征值。最大功率是大多数功率器件在保证正常电气参数的情况下，维持工作所消耗的功率，单位为mW或uW。一般情况激励功率应维持在确保石英晶体正常起振和稳定振荡所需要的最低值，以避免年老化特性不良和晶体损伤。8、静态电容（C0）等效电路中与串联臂并接的电容。9、储存温度晶体在非工作状态下保持标准特性的温度范围。10、绝缘电阻 引线之间或引线和壳体之间的电阻。11、DLD2 在特定的功率范围内所测量到的最大与最小阻抗的偏差量。12、RLD2 在指定的
8、变化功率范围内测量到的最大阻抗。13、老化 工作频率在特定时间范围内的变化量，一般表达为最大值，单位是每年频率变化量的百万分之几（ppm/年）。频率随时间而变化的原因有很多，如：密封性和完整性、制造工艺、材料类型、工作温度和频率。,激励电平的选择和控制,石英谐振器的激励电平用电流表示时，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。激励电平太大，石英片振动强，振动区域温度升高，石
9、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，同时还会使老化变大。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！,什么是晶振的过分驱动 晶振过分驱动的后果是将逐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的上升，并导致晶振的早期失效。如何判断晶振是
10、否被过分驱动？可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测到非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。判断电阻RS值大小的最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。,石英晶体振荡器的主要参数,1、频率偏差 晶体振荡器实际频率在一定工作条件下与标准频率的偏差。2、频率温度偏差 晶体振荡器是一定工作温度下频率的变化特性。3、频率总偏差 在规定工作条件范围
11、内频率允许偏差满足要求，频率总偏差包括频度偏差，频率温度偏差，电压频率变化，负载变化，老化等。对于频率稳定度要求20ppm或以上的应用，可使用普通无补偿的晶体振荡器。对于成于1至10ppm的稳定度，应该考虑TCXO。对于低于1ppm的稳定度，应该考虑OCXO。4、电源和负载 晶体振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载变动的影响。一般考虑为+/-5%或+/-10%。,5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。6、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。7、上升时间/下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔
12、，两个电平可以是VOL和VOI两个逻辑电平或是其最大幅度的10%和90%（VHT-VLO）VOL低电平输出电压；VOH高电平输出电压；VHI 脉冲波形的高电平电压；VLO脉冲波形的低电平电压。,8、三态输出 tri-state output 允许或不允许使用输入控制信号的输出状态。不允许方式下，门的输出阻抗置为高阻，允许测试信号加到紧接的下一个状态。9、对称性（占空比）输出电压达到规定电平之上用的时间t1与输出电压达到该规定电平以下用的时间t2之比，用占信号整个周期的百分数表示。规定电平可以是VOL和VOH之间的算术平均值或幅度峰峰值的50%。比值表示为：DUTY=t1/(t1+t2),10、
13、电压调谐与频率变化 VCXO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压的大小有关。VCXO标称频率对应的调谐电压规定为VCC（电源电压）的一半。VCC为5V的VCXO，控制电压为2.5V时就产生中心频率。控制电压为（0.54.5）V的VCXO，其频率变化曲线的斜率为正。也就是说，当控制电压从2.5V上升为4.5V时，振荡器的频率将增大；当控制电压从2.5V降为0.5V时，振荡器的频率将减小。振荡器的频率随控制电压变化的特性，往往用调谐灵敏度这一物理量来描述。调谐灵敏度用单位ppm/V表示。如果VCXO的牵引度为100ppm，控制电压范围为（0.54.5）V，则其调谐灵敏度等于50ppm/V。11
14、、电磁干扰 对于要求特殊EMI兼容的应用，EMI是另一个要优先考虑的问题。除了采用合适的PCB母板布局技术，重要的是选择可提供辐射量最小的时钟振荡器。一般来说，具有较慢上升/下降时间的振荡器呈现较好的EMI特性。PECL型振荡器通常具有最好的总噪声抑制，甚至在10至100MHz的较低频率下，PECL型也比其它型的振荡器略胜一筹。,12、老化率 在恒定的环境条件下测量振荡器频率时，振荡器频率和时间之间的关系。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的缓慢变化造成的，规定的时限内最大的总频率变化（如：5ppm/每年）来表示。13、相位噪声 相位噪声：相位噪声是频率域的概念，在某一给定偏移频率处
15、的dBc/Hz值，其中dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值。在频域测量获得的相位噪声是短期稳定度的真实量度。振荡器的相位噪声在远离中心频率的频率下有所改善。TCXO和OCXO振荡器以及其它利用基波或谐波方式的晶体振荡器具有良好的相位噪声性能。采用锁相环倍频器产生输出频率的振荡器比不采用锁相环技术的振荡器一般呈现较差的相位噪声性能。,14、抖动 抖动与相位噪声相关，但是它在时域下测量。抖动是对信号时域变化的测量结果，它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。以微微秒(ps)表示的抖动可
16、用有效值或峰峰值测出。许多应用，例如通信网络、无线数据传输、ATM和SONET要求必需满足严格的抖动指标。需要密切注意在这些系统中应用的振荡器的抖动和相位噪声特性。（1）周期抖动（period jitter）测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。这是最早最直接的一种测量抖动的方式。这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。（2）周期间抖动（cycle-cycle jitter）测量任意两个相邻时钟或数据的周期宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。这个指标在分析琐相环性质的时候具有明显的意义。,七、产品可靠性,可靠性保证,1、自由跌落：石英晶体在75cm之高度自由
17、跌落在厚度3cm以上之木板上3次数，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm 2、振动试验：振动频率1055Hz,振幅1.5mm,周期20分钟.循环在X、Y、Z轴方向各4小时，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm 3、引线强度：X、Y、Z轴方向受力1000克，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm4、耐焊性：2605,101sec.速度:252.5mm/s.Spec：引线包锡面积不得低于95%。5、密封性：放入含酒精的密封容器中,保持0.40.5
18、MPa压力,加压10分钟后取出测试放入氦质谱检漏机自动检漏。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm,6、耐焊接热:锡炉260 5，10 secmax,在180 以上保持 60 120sec；重复2次，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm7、温度冲击：石英晶体放于-303恒温箱内301分钟，再放于+852恒温箱内303分钟，循环5次，完成后放于室温中自然冷却2小时测试。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm 8、高温高湿储存：将石英晶体放于温度402及相对湿度90-95%之恒温箱内2402小时
19、，取，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm 9、年老化：高温:85 2,储存 1000 hours后取出，静置1小时后测试变化值。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm 10、耐低温性(耐寒性)测试：石英晶体放于-402之恒温箱内2502小时,完成后放于室温中自然冷却2小时后检测。Spec：试验前后FL5ppm Rr/Rr 10%*Rr ohm,八、产品选型,客户产品选用的基本原则,开发时间应用目的一般情况多以电气性能进行描述应用时的外部环境一般情况多以机械性能和产品温度特性进行描述对产品的期望值来料检验标准、产品可
20、靠性、特殊要求。,电气特性,中心频率负载电容振荡模式/切型频率误差阻抗特性温度特性特殊特性 牵引、CO/C1比、Q值、相位噪声,可靠性特性,外型尺寸 高度限制/焊盘尺寸/引线长短抗振能力抗冲击能力耐湿耐热外观,比如：1.对机械强度有要求，就考虑尺寸结构，晶片装架方式等。2.对湿度环境有要求，就需要考虑封装方式等。3.对工作温度范围有要求，就的考虑切型，及其角度公差等,线路要求,负载电容(CL)的选定,谐振器一如常见的电阻、电容是被动组件，其振荡性能和频率精度均受外部条件影响。最常见的是频率偏倚，常见原因是谐振器的规格与在板等效负载电容不符。,匹配原理,晶体元件的负载电容是指在电路中跨接晶体两端
21、的总的外界有效电容。是晶振要正常振荡所需要的电容。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。要求高的场合还要考虑IC芯片输入端的对地电容。应用时一般在给出负载电容值附近调整即可得到精确频率。此电容的大小主要影响负载谐振频率和等效负载谐振电阻。各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器，或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚XO和晶振输入引脚XI之间用一个电阻连接，对于CMOS芯片通常是数 M 到数十M欧之间。很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻，引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处于线性状态，反相器就如同一个有很大增益
22、的放大器，以便于起振。石英晶体也连接在反相器引脚的输入和输出之间，等效为一个并联谐振回路，振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地，实际上就是电容三点式电路的分压电容，接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点，振荡引脚的输入和输出是反相的，但从并联谐振回路即石英晶体两端来看，形成一个正反馈以保证电路持续振荡。,虽然外接电容值是固定的，但IC、三极管和PCB的分布电容会因加工工艺而做成差异。常见的反相器振荡电路设计，其等效负载可用:CL=C1 C2/(C1+C2)+CS+CIC CS:PCBA的分布电容（手机板12PF,其它电路板23PF)CIC:IC的输入/输出电容在许可
23、的范围内，C1,C2值越低越好，C值偏大虽有利于振荡器稳定，但会增加起振时间，但C值过小，振荡器的稳定性将变差。应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶体起振。,振荡电路的负性阻抗(-R),这个条件会随应用频率和应用环境而改变。当振荡电路的-R越大时，振荡电路越容易起振。建议用下标准作为设计指引:R|=gm/【2（C1C2)】设计基频振荡器|R|谐振器最大规格电阻的10倍设计泛音振荡器|R|谐振器最大规格电阻的5倍改善负阻的有效方法：1.减小C1*C2；2.选择gm大的IC；3.增加振荡电流，缺点增加了功耗。4.先用较小电阻的晶振。,驱动功率,石英谐振器是压电器件，AT切谐振器在工作中会因
24、应电讯号而产生微细的机械变形 机械变形的幅度随驱动功率增加。若驱动功率不受制时，当机械变形大于石英材料弹性能承受时，振子便会破裂损毁。在设计振荡电路时应控制驱动功率，特别是涉及异步通讯的应用中，尽可能将驱动功率控制在10-100uW之间。,九、失效分析,失效原因分析,失效主要指电路停振无CLK 产生；或频率严重偏离造成CLK 不能正常为周边电路所用；或在有效使用温度范围内会发生CLK无输出或偏离使用要求。或石英晶体元器件失效而造成整机的失效。失效大致可分为三类：1、整机电路设计原因造成失效：电路设计失效主要指电路设计中因考虑欠周导致-R过低引起停振，频率偏离目标等，造成与晶体负载电容失配问题。
25、2、PCB组装制造工艺原因造成失效：由于现代产品结构越来越小，元器件也越来越小，对组装过程的焊接工艺要求也越来越高，特别无铅化制程的导入，都给组装工艺带来困难，稍有不慎都会造成接触不良或局部短路、开路现象，以至产品失效。3、采购参数错误造成的失效：由于晶体元器件是一个频率控制元件，具有一定的专用性和特殊性，任何订货指标参数的错误都会造成使用者的困惑,十、使用注意事项,1.抗冲击 SJK公司的晶体产品设计可抵抗物理冲击，但在某些环境下晶体产品也会受到损坏，比如从桌子上掉落或者在安装过程受到冲击。如果产品受到冲击，确保重新检查产品特性。2.焊接耐热 使用时应注意到PCB组装过程中的焊接或再流焊的温
26、度应在 26010；焊接时间应不大于10 s.尽可能使温度变率曲线保持平滑。3.超声波清洗 使用AT切割晶体和表面声波(SAW)谐振器/滤波器的产品，可以通过超声波进行清洗。但是，在某些条件下，晶体特性可能会受到影响，而且内部线路可能受到损坏。确保已事先检查系统的适用性。使用音叉晶体可能无法确保能够通过超声波方法进行清洗，因为晶体可能受到破坏。对于可清洗产品，应避免使用可能对产品产生负面影响的清洗剂或溶剂等。4.机械振动的影响 当晶体产品上存在任何给定冲击或受到周期性机械振动时，比如：压电扬声器、压电蜂鸣器、以及喇叭等，输出频率和幅度会受到影响。(1)理想情况下，机械蜂鸣器应安装在一个独立于晶
27、体器件的PCB板上。(2)如果您安装在同一个PCB板上，最好使用余量或切割PCB。,晶体谐振器使用注意事项,5.储藏(1)在更高或更低温度或高湿度环境下长时间保存晶体产品时，会影响频率稳定性或焊接性。请在正常温度和湿度环境下保存这些晶体产品，并在开封后尽可能进行安装，以免长期储藏。正常温度和湿度：温度：+15至+35，湿度25%RH至85%RH。(2)请仔细处理内外盒与卷带。外部压力会导致卷带受到损坏6.辐射 暴露于辐射环境会导致产品性能受到损害，因此应远离辐射。7.化学制剂/PH值环境 请勿在PH值范围可能导致腐蚀或溶解产品或封装材料的环境下使用或储藏这些产品。8.粘合剂 请勿使用可能导致产
28、品所用的封装材料、终端、组件、玻璃材料以及气相沉积材料等受到腐蚀的胶粘剂。(比如，氯基胶粘剂可能腐蚀一个晶体单元的金属“盖”，从而破坏密封质量、降低性能。)卤化合物 请勿在卤素气体环境下使用产品。即使少量的卤素气体，比如在空气中的氯气，对封装所用金属部件，都可能产生腐蚀。同时，请勿使用任何会释放出卤素气体的树脂。,DIP 32.768KHZ焊接及安装 晶体产品使用+180到+200熔点的焊料。加热封装材料至+150以上会破坏产品特性或损害产品。如需在+150以上焊接晶体产品，建议使用SMD产品。产品的玻璃部分直接弯曲引脚或用力拉伸引脚会导致在引脚根部发生密封玻璃分裂，也可能导致气密性和产品特性
29、受到破坏。当晶体产品的引脚需弯曲成下图所示形状时，应在这种场景下留出0.5mm的引脚并将其托住，以免发生分裂。当该引脚需修复时，请勿拉伸，托住弯曲部分进行修正。在该密封部分上施加一定压力，会导致气密性受到损坏。所以在此处请不要施加压力。另外，为避负机器共振造成引脚疲劳切断，建议用粘着剂将产品固在定电路板上。,晶体振荡器使用注意事项,所有晶体振荡器和实时时钟模块都以CMOS IC形式提供。请注意下列要点。1.静电 尽管电路中提供了一个抗静电保护电路，执行级别的静电仍可能损坏该IC电路。请为容器和封装材料选择导电材料。在处理的时候，请使用电焊枪和无高电压泄漏的测量电路，并进行接地操作。2.噪音 在
30、电源或输入端上施加执行级别的不相干噪音，可能导致会引发功能失常或击穿的闭门或杂散现象。为了维持稳定运行，在接近晶体产品的电源输入端处（在VCC-GND之间）添加一个具有高于0.1F的电容。请不要允许任何产生高级别噪音的设备存在于晶体振荡电路周围。3.电源线路 电源的线路阻抗应尽可能低。4.输出负载 建议将输出负载安装在尽可能靠近振荡器的地方（在20mm范围之间）。,5.未用输入终端的处理 未用针脚可能会引起噪声响应，从而导致非正常工作。同时，当P通道和N通道都处于打开时，电源功率消耗也会增加；因此，请将未用输入终端连接到VCC或GND。6.热影响 重复的温度巨大变化可能会降低受损害的晶体单元的产品特性，并导致塑料封装里的线路击穿。必须避免这种情况。7.安装方向 振荡器的不正确安装会导致故障以及崩溃，因此安装时，请检查安装方向是否正确。8.通电 不建议从中间电位和/或极快速通电，否则会导致无法产生振荡和/或非正常工作。,知识库地址推荐,1.百度文库2.豆丁网3.道客巴巴4.google学术搜索,输入关键词,如石英晶体振荡器等,讲解完毕，谢谢各位！,
