石英晶体教程.doc

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1、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

2、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-6PXO：高精度普通晶体振荡器VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator 压控晶体振荡器TCXO：Temperature C

3、ontrolled Crystal Oscillator 温度补偿晶体振荡器OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator 恒温晶体振荡器TCVCXO：Temperature Compensated/Voltage Controlled Crystal Oscillator 温补/压控晶体振荡器OCVCXO：Oven Controlled/Voltage Controlled Crystal Oscillator 恒温/压控晶体振荡器MCXO：Microcomputer Compensated Crystal OscillatorRbXO：Rubidium-Cr

4、ystal Oscillator 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

5、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*9.9 1.843200-2.457600 MHz 圆片: 8.70 2.500000-6.176000 MHz 圆片：8.00 6.400000-18.432000 MHz Fund、22.

6、000000-52.416000 MHz 3RD。 圆片：6.50 18.688000-28.400000 MHz Fund 52.203000-100.000000 MHz 3Rd。 圆片：5.50 28.704000-40.960000 MHz FUNF 104.000000-135.000000 MHz 3Rd。 7.159000-135.000000 MHz 用于 UM-1。 条片：8.00*2.00 49S、49SM。 5.00*2.50 8FA、7SB、7050/OSC。 4.00*1.80 6SB、6FA/B。 3.50*1.80 5SB、5FA/B、 5032/OSC。 2.8

7、0*1.20 4SB。 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80.000 MHz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

8、性如下： 类别 切型 AT BT 切角范围 ZZ（+3420-3535） ZZ（4730-52） 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

9、AT切晶体 3813换算 3515Fund 35223Rd 258 进口片 薄 小 小 大 宽(-2070) 宽 BT切晶体 -4912 厚 大 大 小 窄(060) 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

10、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/ f0t: 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14.318180 MHz 18.432000 MHz 20.000000 MHz N: 振动模式 Fund N=1、 3Rd N=3 PB：腐蚀反馈系数。一般在0.51.5 之间.频率低系数大，频率高系数小。 2.7、清洗：清

11、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

12、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=4.2156f(KHz

13、)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: 注意：标称频率: 如14.318180 MHz 白片频率(腐蚀频率): 如14.560000 MHz (是14.318180 腐蚀片中心频率) 蒸镀目标频率: 标称频率1000 PPM。（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

14、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

15、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（DIP OSC、DIP XTAL）、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。