SMD晶振的構造及特性

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,但是隨著4025的研發成功,5032將被4025取代.至於行動電話上使用的TCXO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(如圖六).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,都會影響到石英晶體的性能.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.

AT-CUTSMD型石英晶體的特性

儘管結構簡單,但是石英晶體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.

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.

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,必須在製造石英晶體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.

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.而石英晶體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.

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.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振動的現象.要排除這個結合現象,對於各種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.

前面已經簡單的提到攜帶用電子產品的生產量以及需要日增的石英晶體,對於ATCUT也做了說明.從上面的探討可以了解石英晶體今後的需求將轉趨強烈.在水晶的壓電現象發現已經歷了120年的今天,終於進入重要的頻率控制元件發展的新紀元.

今後的發展狀況石英產品與其他的電子零件同樣朝著輕薄短小演進.石英產品從1990年開始朝著SMD的方向演進,1998年開始則朝著小型化方向發展.由於市場也需要輕薄型產品,因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來.