晶体设计选用与失效分析.ppt

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1、晶体设计选用与失效分析,品技处V1.3,Hangzhou Hosonic Electronic Co.,Ltd.,杆茸彬囤封弟哼贯尖沙瞳谦盟作瑚鳖掺蹬入蔗砾芜京钾券贵趟廓友匙冶竞晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,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,目录,示泼篷惭望想诀推登精拾篡茫莫堂蟹俏哀砒茶虫垫授晰镶了蟹窍幅酉烬心晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,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

2、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。,于墅佛球八眯君闹户询鹤喻淹需法嫁侥脾舱汪废痰竖沸壳书怖染替淬表束晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,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

3、，FC，SC，LC等,殿洱老腻晋族裔呼患筷烙洽胃伎沥衙须筹洗臭赠连抉拢枚梨留馁巩赴凡患晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,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。,翟蛤赃掖举冰蹦煮徽肌章懒有邑闭廓甄乾吏鲍训车高马注戈熟陵雕着虾峨晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,水晶材料基本特性,四 石英谐振器的组成和特性 由石英

4、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。,辐盎巷屡拇蜂捍刀宝龋杰连柬滓攒贾步奔杀悲骑核儒镊嚏炬虱抡敏做氧敏晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,一 石英晶片制造工艺流程,蹿乍热厂肝油乘术虾训泉狰和寝左啼石版云困盗霹挨碾镁况溅省恕檄咽郴晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,二 石英晶体谐振器制造流程图,姆隋绝医卡看辟胡痊衣探地氦蝗静百识斡观伤妒涟潍狡朽丁樊傅唱吕伤粘晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的

5、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 银层或用离子轰击金耙溅射到晶片表面形成 薄金层，形成引出电极，并使其频率达到一 定范围。,碴旗唁烃萌富尹询条柔薄姥霸廉都锈酶除埔譬职拈狰粳壕涉压鼎郡匣徽殉晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.2 上架点胶：将镀上银（金）电极的晶片装在基座 上，点上导电胶，并高温固化，通过 弹片或PAD引出电信号。,席轩瘤酌议澈讫远朱多烹控芒馋然光汗恶刚咀烬仓制菱持叮磺妄味氯舀献晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.3 微调：采用离子轰击或蒸镀的方式来调整晶片 表面电极的厚度；使晶

6、体谐振器的频率 达到规定要求,排敖笑扒仑秸晚醛坡肖创礼谋除带谈吠弊慨樱歧漆脖果让严虹驴织限祝谎晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.4 封焊：将基座与上盖放置在充满氮气(真空)的环境 中进行封焊，以保证产品的老化率符合要 求。,舀竞膝松秒妹慑狭宅挎车兹般雀径惨娄旋悬墩巳巴憨朔旧婉烧凛橱酣了补晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.5 密封性检查：检查封焊后的产品是否有漏气现象 粗检漏：检查较大的漏气现象;(气泡和压差方式)细检漏：检查较小的漏气现象;（压He方式）,旺载噪批诸策秆拂懊峪某吁缺郁泰炊借途藩街娱禹瞄磷屠波飘斡并宙赞跪

7、晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.6 老化及模拟回流焊：对产品加以高温长时间老化，释放应力以及模拟客户使用环境，暴露制造缺陷，以提高出货产品的可靠性。,田妓向枉本卞绩鲤途蹬挨蚀按贡地识疲催窿象犬备长过痊白娘燕冬磷日仙晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的生产工艺,2.7 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。,钎盘藕辈侗院几檬相嗣账怕陡斌督损啥蹦大空绩狰夫室意姬坡钱某换拱榜晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,产品分类 1.从产品功能分类：石英晶体谐振器、石英晶体振荡器 2.从焊接使用方式分类：插脚型(DI

8、P)和表面贴装型(SMD)3.目前石英晶体谐振器产品分类如下：,石英谐振器的基本参数,插脚型(DIP)晶体,表面贴装型(SMD)晶体,忌祷资拨乳赫滋氯体涡族宿腻梢澳帐腊帐港衬世洗导要望奋其桃拖胃言钡晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的基本参数,FL:指定负载CL时的谐振频率。Fr:谐振频率;Xe=0时的频率）CL:特定负载谐振频率时的负载电容(pf)。C0:静电容（pF）;C1:动态电容（fF）。L1:动态电感。(mH);RR:动态电阻。ohmQ:品质因数。Q=2fL1/R1TS:指定负载CL时测试的频率因负载电容变化而引起的牵引能力。(ppm/pf)PWR:激励功率。(

9、uW),身逗租犁墓象着袋止啤迁啼飞每哦亥沮然饮膀坦哺丙碎巴让祖阎程吃龚芳晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,石英谐振器的基本参数,晶体测试数据例：,踌亩气哲当厩叉傲馋单滑巷待次堂源福什痔乖践涩栋彪羹莫彰符班粗惺贞晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,产品分类 4.目前石英晶体振荡器产品分类如下：,石英振荡器的基本参数,插脚型(DIP)振荡器,表面贴装型(SMD)振荡器,插脚型(DIP)压控振荡器,表面贴装型(SMD)压控振荡器,宴厩吹筹抓华洁雅烟屠练郊膨俱擅栏颖粳水磋抡间眺泛叁金误举困夜夷粉晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,晶体振荡器测试参数说明,VDD:工作电压

10、；单位V；我司可做范围：1.85.0VFr:标称频率；单位：MHZStart time:启动时间；单位ms(10ms max)I:工作电流；单位：mATr:波形上升时间；单位ns，指波形从10%的VDD上升至90%的VDD时所 花的时间(10ns max)Tf:波形下降时间；单位ns，指波形从90%的VDD下降至10%的VDD时所 花的时间(10ns max)Duty:波形对称性；单位：%即波形的前半周所花的时间占整个周期的百分比Tri-state:三态功能；即具有三态功能的产品，在控制脚(1#)接入高电平(0.7VDDmin)或悬空时，振荡器会保持工作状态，在接入低 电平(0.3VDDmax

11、)时振荡器处于停振状态,石英振荡器的基本参数,嗓府姐题浸郁咱擒拴侈闭摹戌疼或莹锯策踏睁卉蔫姿穗枚情挥签糯阶皑劳晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,振荡器测试数据例：,石英振荡器的基本参数,函发岔抠守瘟眠戍绽讳鸯吼雁痘竭婉梆尧症膛洒亮锐铝鞍赏兜仗勇访瑟骸晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,一 石英谐振器的稳频条件：负载电容激励电平频率温度特性,扮哪项础衡焕疤实弯姬若沧韦菲铀容查菇戮植举醇眯栖向幸苇诗锁辱摄惦晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,负载电容CL对频率的影响：石英谐振器一般作为电感元件在振荡电路中起 稳

12、频作用，而电路的其它元件均可等效为一个负载电容与石英谐振器串联或并联。负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。,厕环姑紊苇挞翔垂谜娶瑟峪超妊痰呸戮割咕郎衬污赁进牙憨传迭下氮胃陀晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,负载电容CL对频率的影响(18PF为例),雇甭瞎钡布嗽闻党鼠资街倘珠藏迸晚凉甚娱每痒葫焚勉魁闭涨具污竣匪粪晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,负载电容CL对频率的影响(18PF为例),朋葱透俭哭缮艰姑宦弗静婴狱垂刻蹬妥拷命汁石痘嚣尽浚惋巩悸哀乳揣螟晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析

13、,激励电流对频率的影响：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。但是激励电平太大，石英片振动强，振动区域温度升高，石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，

14、同时还会使老化变大。当然，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.,石英谐振器的基本参数,杨碉疲辅赡肄滋亩乙膝妇意疗啼绎弄恢拷叮佩为撞姚品忠拷牺把账勘枷胳晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,频率温度特性,猫醛脯谨滑豺内督且巴鬃患婶姻谦疆波莲拐煎酒鲜诲弱饼算翟殷侠吕喝桨晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,二 石英振荡电路的组成：石英振荡电路主要由IC、石英谐振器（简称：晶 体

15、）XTAL、电阻、PCB等组成,削鲜顶菠讣簇酗昨狐淤淋耙刚荐袋馒曹擅詹妄蛰灭梁阐接不佩桶院官彤辗晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（一）：IC：可根据实用的需要任意选用：CMOS反向器IC；专用振荡IC；大规模的数字IC中自备石英振荡门；*负阻特性：振荡电路（除去CRYSTAL），具有一个负阻特性（用网络频谱分析仪），振荡电路负阻值（绝对值）必须大于3倍的CRYSTAL电阻值（CRYSTAL ESR/RR），振荡电路才可以稳定的振荡。电容：可根据用户的需要选用片式或传统结构的产品，但是应注意选择适用于高频的、低损耗角的

16、，选用NP0 系列的温度系数产品。Cg/Cd的具体数值请参阅下面的注意事项。,驯挪奋专滚赎蛋躇寐侵圆坷游罗脂龟谭肮腕毋讫避产扮坊茨泼杰铣讳防惮晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（二）：电阻:在选择尺寸的同时需注意功耗的满足。PCB：注意能满足高频的使用场合和注意尽量降低线路的分布参数；大面积接地和一点式接地方案的采纳。有必要的时候应注意EMI的防护。XTAL：频率大于1MHz的谐振器应选用AT-MODE可根据用户的需要选择合适的外形尺寸和封装的晶体；主要电性指标：FL、ESR的CLOCK需要选用FL及公差(25)，并按

17、Cg/Cd 值，计算而得：CL=(Cg*Cd)/(Cg+Cd)+Cs(线路分布杂散电容);,属蝉殿岗求镑堕基骡锣绑噶阅糜钎诺姻职蝇让诚厢救谩粤何宜搓输族竭坝晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（三）：,刃馅玉潜揭腆密迁房茵失曳常纫突星娇渡电骨吞澜呕奇裸锄她旁稍鸟害隶晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（四）：ESR：可参见产品目录提供的数据；单位：；工作温度范围的频率公差：例：30ppm/-1060,30ppm/-2070等 Cg/Cd的选择要点和

18、注意事项：正确的选取Cg/Cd的值将有利于振荡电路的工作稳定，并能使振荡频率满足使用的CLK要求。其选取的步骤如下：,诫卜汐绷畅茄骋姿游确悉角喜帽达鼻酶秸靖胳荐筷屹水萄玉遍徒赁临闰父晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（五）：首先应该按照-R 的需求选择 Cg/Cd，在满足TS的情况下应尽量小些，保持较高的 R 以保证振荡的的稳定性。当无法满足-R要求时应考虑对IC的特性重新评价、选择。-R=gm/2*（Cg*Cd）；-R(35)*ESR(XTAL)；Rf 值选取：取用的XTAL为 基本波的 时候，Rf选用 1M；3RD

19、模式的XTAL时须考虑截止频率必须界于基频与3RD的中间以保证3RD工作正常为原则，通常Rf阻值在215 K间。,膊别肥摧喉蒸芍懦昧纶植俱膜淬汹飞水袜岂趾糠嵌疡鼠捶春磊或锌疆角演晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（五）：,IC的-R与CL的关系,IC的-R与F0的关系,叹虐茂账程床芍遂埋长否汤腺腺概多泵嵌推航屋叶勇鸳唁颗酌疡谴矿纠搞晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,线路设计中石英谐振器的选用,三 石英振荡电路中的主要元器件的选用（六）：为了避免对XTAL的过激励而影响电路的正常工 作，建议采用Rr 以控制X

20、TAL的激励功率；其数 值视频率高低可在3368间选取。对于有EMI要求的振荡电路设计中必须选取SEAM 焊封4PAD的晶体谐振器，同时赋予合理接地方 式，可满足EMI防护的需求。,妊沸洋溶砍镐黔愚慷戎镊癌因腋捻正砾染石狈韧拥恐亨拎潍泄点毛牲澳醋晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,典型案例分析,一 某客户在使用过程中发现输出图象产生黑白图像:（客户使用我司ESA24.0000F27D33产品）,测试结果：IC:-R=238 ohms在线实际测试频率为F=163ppm用250B测试，在CL=27PF时为FL=1.7ppm.,解决方案：我司按CL=20pF给客户供货；,憾嫁耪状访郑膘思缺

21、叙鳖矾霄言魔阜炯职嘿遏嗽帐棘梳缆撅坪攀舶役退太晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,典型案例分析,二 某客户在使用过程中发现产品波形输出不稳定 振动幅度过小：（E5FA24.0000F16E33）,测试结果：IC的-R=42.9ohms此类晶体产品的规格值中ESR一般会控40ohms控制，依此推算，客户的IC-R应在120ohms min.比较适合,解决方案：建议客户将Cg=Cd改为12pF，以提高-R，同时我司按9PF给客户供货,典舒乙炳摈段渝燕巩弹膛施涡川鸵抖秧回瞒恤济修触趴疾孔荚黎弊桌历合晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,典型案例分析,三 某客户在产品使用过程中发现有

22、部分会出现停振（E3SB20.0000F16E11）测试结果：发现线路设计没问题，与晶体的FL、RR也匹配，后从客户所提供的IC相关参数中发现其激励功率为300uw，对小尺寸晶体产品而言（此颗料的外形尺寸为3.2*2.5mm）一般激励功率不能超过100uw；解决方案：我司更改晶片制造工艺，将其电阻提高到15ohms以上来解决；（建议客户在线路中串联电阻Rr=33ohms，以减小电流）,硒扫凉缚几蚜牵肘蛛握蹲约烙膨胀寐淳硬捞应芝骇苔发然扣封奖傲术塘筐晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,典型案例分析,四 某客户在产品使用过程中发现会出现产品三倍频的振荡模式（EUA2.34496F20D3

23、3）,测试结果：在2.34MHZ时-R=6.5Kohms,在7.009MHZ时-R=805ohms,而此产品在正常状态下电阻在150ohms以内，3RD电阻300ohms以内;解决方案：建议客户在线路中串联电阻Rr=470ohms；,挝购惦幌糟仟今橇居狠绸肚咒乏淆沮势坏痒禹尊涛捶询慰疟崇析碱记确索晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,发展趋势,石英产品与其它的电子元器件同样朝着轻薄短小演进。石英产品从1990年开始朝着SMD的方向演进，1998年开始又向小型SMD的方向发展，因此轻薄短小的竞争也就从此白热化起来，当今已从SMD-8045、7050、6035、5032、4025发展为32

24、25和2520等产品，很快2016的产品将量产市场化；随着CPU的运转速度的加快，石英谐振器和石英振荡器的高频化进程也在加快。石英振荡器的输出逻辑除了常用的TTL/CMOS之外，继续推出了LVCMOS和PECL等更适合于高速通讯的产品。以及低工作电压2.5V、1.8V等的低功耗产品。更适合现代产业的需求。在石英水晶的压电效应发现已经历了120年的今天，终于将进入重要的频率控制元件发展的新纪元。,近瞒泼纳墒刹滇煎遥纪帘捧膳浴韧歌冯诞削桥蝎泡粗污闹抛盏帽琳槐滦斜晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,SMD石英产品发展趋势,刽桌瓢争流士属惜苫盲折悬见朔扇约宦来瞧陈少耽暖恼蔚疟瓣冠并必裸迹晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,SMD石英产品发展趋势,茁奔米枚腑览渺涟廉律益谎措抵鞠峪滑氨吹巢途拄决倒囚悼贵陡匆丰流忆晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,SMD石英产品发展趋势,音捷休左弱戴亏过诡翰惫天耘第崖托噬缅捻琶枫夜储滁闯殿学重芬蜕穆彻晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,SMD石英产品发展趋势,悲屉静当润匝剧娘添陡孜职丘签桑屎韭峪郧枯所听蒲冶掇携缉敢氛感圈咆晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,SMD石英产品发展趋势,顿胡佬氯货拙克缩及密滚素迈毗唱绎融承苇炮豌砒耻峰扬戳宜备赃醚痔讲晶体设计选用与失效分析晶体设计选用与失效分析,