SMD晶振的構造及特性

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浏览：- 发布日期：2019-03-04 13:49:43【大中小】

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今後石英產品也會隨著技術革新而日趨輕薄短小並要求實現高頻化.此外,低階產品今後也因8045晶振生產量的大為提升而可預見3225晶振的量也會擴大.至於高階產品現在雖然使用5032贴片晶振,但是隨著4025晶振的研發成功,5032晶振將被4025晶振取代.至於行動電話上使用的TCXO晶振則朝向高約1.2mm的高技術競爭紀元.由於以往在使用二段構造和H型構造時有難以對應的問題,因此今後一體型構造基礎技術的確立將成為重要的研發關鍵.一體型構造的成功也將使得製程的成本降低成為可能.

SMD型石英晶體的構造

使用金屬封裝的石英晶體以BANE等金屬支持晶片.SMD在使用陶瓷基板的情況是可以直接在晶片上定位的(如圖一).從人工水晶切出的晶片,在電極上鍍膜,並在基板上定位,以導電性黏著劑加以固定後封裝.整體來說,雖然是相當簡單的結構,但是無論是材料的選擇,製程的條件,都會影響到SMD晶振的性能.這幾年,特別是行動電話上使用的石英晶體,相當要求具有防摔特性,其他的特性也都被要求具有可信度.石英晶體在作成SMD之後,其落下衝擊性與Reflow特性也會大大提升.這是因為SMD是以兩端支撐的方式來固定晶片,使石英晶體趨向無壓力的狀態.

▲圖一　SMD石英晶體構造圖

AT-CUTSMD型石英晶體的特性

儘管結構簡單,但是石英晶振的特性還是有難以理解的一面.要理解石英晶體,從它的外觀入手應該是最簡單的.石英晶體一般的樣態如表三所示.

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一、FrequencyTemperatureStability

經由溫度特性來做角度的切斷.在人工水晶切割之後進行研磨,會造成角度的偏移.特別是在使用研磨速度快的研磨劑時,因研磨而造成的角度偏移會更顯著.使用4Way將晶片從厚磨到薄做到高頻化的情況很多,但是因為4Way研磨機在研磨時沒有基準面,比使用2Way研磨機產生更多的角度偏移.然而若使用2Way研磨機,那麼會使盤面的負擔增大,因此不能用來作厚度較薄的晶片研磨.若要使用同時具有兩者優點的3Way研磨,則要依狀況來選定研磨方法.關於特性請參照圖二.溫度特性可以從公式1以理論求得.

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二,LoadCapacitance

由於ATCUT電容比較小,會因負載電容的誤差產生在預期頻率內無法振盪的情況.負載電容是在振盪迴路內的東西,必須在製造晶振的時候以指定的數值設定.最近的振盪迴路因為電源電壓較低,負性抵抗變小,造成LoadCapacitance小負性抵抗大的傾向.若是負載電容小TS大的話,那麼僅有些許的誤差也會造成頻率的誤差,這是必須要注意的.

三,Max.ESR

石英晶體的振動抵抗以電性來表示,這也和振盪迴路有密切的關係.振盪迴路的負性抵抗會因石英晶體的阻抗大而不振盪.石英晶體的阻抗必須保持在某個數值之下,因此先了解振盪迴路的負性抵抗是必需的.最近封裝尺寸越來越小,阻抗因此有增大的傾向.但是從探討能量閉鎖理論以及改良封裝方法,都能維持與以往的數值相近的結果.此外還有許多製造上的問題,都必須要特別注意.

四,DLD

要使石英晶體振動程度改變就必須測量ESR如何變化.在振盪迴路內使石英晶體振盪,在石英晶体振荡器振盪開始的時候,勵振程度(DriveLevel)幾乎是接近於零的狀態,這個時候ESR是沒辦法大幅度振盪的.這種現象沒有再現性的情況相當多,是非常麻煩的問題.IEC指出這是製程不良的問題.因此若希望其可信度高就必須要規定DLD的特性.特性如圖七所示.

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▲圖七　DLD的特性例

五,FrequencyAging

它係隨著時間產生的頻率變化.石英晶體若是經過長時間的使用,會因為歪斜或是污染的影響而發生變化.這個特性也和DLD一樣,會因為製程,材料的不同而被影響.頻率變化量若超過規定,在無線通訊上就會產生混訊障礙.混訊是指通訊品質下降而產生通訊機密性的問題.而压电石英晶振的頻率變化會逐漸出現上述問題.現在通訊器材用的石英晶體(行動電話也包含在內)一年之內的頻率變化量約在正負1ppm以下.頻率變化量一般來說是以指數函數來表現.一年內的變化量即使不測定也能從中預測.圖八是時間變化的說明圖.

▲圖八　隨時間變化之說明圖

六,ActivityDips

又稱為FrequencyPerturbation.原本石英晶體的溫度特性是以三次曲線來表示,但是這個現象若發生就不是三次函數了.這是因為晶片在內部和其他的模式相結合之故.石英晶體在作成SMD時,晶片會出現明顯的短柵結合現象.

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▲圖九　與晶片Z軸尺寸結合的關係

ATCUT原本是厚度振盪,但是和這個振動形式結合,就會同時出現高次外型有源晶振振動的現象.要排除這個結合現象,對於各種石英晶体谐振器振動形式的分析能力,依照經驗累積的設計力與晶片加工的準確度等,就成為相當重要的著眼點.在通訊面,類比的方式大致上不會有什麼問題,但在數位的情況下,通話中要是發生激烈的頻率變動,就會因為Bit錯誤的發生而造成無法通話的狀況.圖九表示與晶片Z軸尺寸結合的關係圖.

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