影響AT切型石英晶體諧振器頻率溫度特性的要素探討
2013-10-30 03:53:52楊海英
楊海英
【摘 要】本文根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)，總結(jié)歸納了對(duì)AT切型SMD 石英晶體諧振器頻率溫度特性有明顯影響的幾個(gè)要素，就相關(guān)性作了簡(jiǎn)單的定量或定性分析。
【關(guān)鍵詞】RBA；（Relative Benchman Angle）
1.引言
AT切型晶片的尺寸合適，便于加工，在較寬的溫度范圍內(nèi)具有良好的頻率溫度特性，并有較高壓電活性等優(yōu)點(diǎn)，從而得到最廣泛的應(yīng)用。
AT切型石英晶體諧振器的頻率vs.溫度，Benchman給出的特性方程式是：
其中?i是基準(zhǔn)角，可視同零溫度系數(shù)切角（a0 =0），?是晶片實(shí)際ZZ切角，而RBA=⊿?=?-?i 。
圖1給出了使用方程（1）輸入不同RBA得到的的石英晶體諧振器的頻率vs.溫度曲線族：
圖1
從圖1可以看出：AT切型石英晶體諧振器的頻率vs.溫度特性對(duì)RBA極為敏感，?變化1就會(huì)引起曲線明顯變化。同時(shí)，不同溫度范圍要求同樣溫度頻差或同樣溫度范圍要求不同溫度頻差，對(duì)RBA中心或偏差范圍要求也是不一樣的。
因此，為滿足AT切型石英晶體諧振器產(chǎn)品頻率vs.溫度特性設(shè)計(jì)指標(biāo)，實(shí)踐中必須精確控制影響RBA的要素。盡管RBA主要受晶片ZZ切角影響，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證明晶片外形等和成品裝配設(shè)計(jì)等對(duì)RBA也有相當(dāng)影響，不容忽視。
2.除ZZ切角外其它影響RBA的部分要素介紹
2.1晶片設(shè)計(jì)參數(shù)vs. RBA
2.1.1鍍膜返回頻率
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，在同等條件下，RBA隨晶片鍍膜返回頻率的增大而增大，
兩者基本呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。
表1是用晶片腐蝕頻率分別是40500KHz、41000KHz、42000KHz三組ATFund.型5032 SMD晶片，制成40MHz產(chǎn)品后，用S&A;之W2200測(cè)試得出RBA統(tǒng)計(jì)結(jié)果：
表1
圖2顯示了RBA中心隨鍍膜返回頻率變化：
圖2
依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算，鍍膜返回頻率每增加或減少0.3*f0^2（MHz），RBA即隨之增加或減少60”。
2.1.2倒邊量
中低頻率段的AT切型石英晶體諧振器，為改善晶片振動(dòng)活力，一般通過(guò)倒邊加工，現(xiàn)在常用滾筒倒邊機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而晶片倒邊加工量的大?。ǖ惯吜浚?duì)RBA有較明顯影響。
表2、表3是用三組不同倒邊量的AT Fund.型3225 SMD 16MHz晶片，制成產(chǎn)品后用S&A;之W2200測(cè)試得出RBA統(tǒng)計(jì)結(jié)果（每組測(cè)試30個(gè)）：
表2
表3
比較后可發(fā)現(xiàn)，隨著倒邊量的增加，RBA隨著變大，且散差隨之變大。
2.2晶體裝配制造vs.RBA
2.2.1鍍膜材料
為改善產(chǎn)品頻率老化率技術(shù)指標(biāo)，采用金替代銀作為鍍膜電極材料是常用的設(shè)計(jì)，對(duì)同規(guī)格晶片，兩種電極材料做出的產(chǎn)品，其RBA有明顯不同。以AT Fund.型5032 SMD 20.950MHz晶片為例，制成產(chǎn)品后用S&A;之W2200測(cè)試得出RBA統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4：
表4
圖3顯示了采用金做電極材料相比用銀做電極材料，RBA變小。
圖3
2.2.2點(diǎn)膠方式
隨著一些產(chǎn)品可靠性要求的提高，AT 型SMD 石英晶體諧振器常用的一端點(diǎn)膠有時(shí)不能保證一些可靠性指標(biāo)苛刻認(rèn)證要求。為“加固”晶片，使用了一些新的點(diǎn)膠方式，圖4（A、B、C）給出了3225型SMD 石英晶體諧振器三種點(diǎn)膠產(chǎn)品照片。點(diǎn)膠方式的變更，除可靠性和常溫性能參數(shù)有差異外，不同點(diǎn)膠的產(chǎn)品，其頻率溫度特性也有明顯差異，如：A型點(diǎn)膠產(chǎn)品其頻率vs.溫度曲線之拐點(diǎn)溫度基本在28℃±3℃；而B(niǎo)型和C型點(diǎn)膠產(chǎn)品其頻率vs.溫度曲線之拐點(diǎn)較高，甚至超過(guò)35℃，且一致性差。頻率vs.溫度曲線之拐點(diǎn)溫度偏離25℃（此溫度常為溫度特性測(cè)試參考溫度）越多、一致性差，都會(huì)對(duì)頻率vs.溫度控制增加困難，甚至在一些特殊產(chǎn)品（如TCXO）使用該類型石英晶體諧振器時(shí)增加困難。
圖4-A 圖4-B 圖4- C
3.測(cè)試方式與RBA
3.1測(cè)試參數(shù)vs. RBA
3.1.1負(fù)載電容（CL）值
取20只AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶體諧振器32MHz產(chǎn)品，用S&A;之W2200在CL=8.0pF、12.0pF、16.0pF、20.0pF和Series設(shè)置下分別測(cè)試測(cè)試，計(jì)算每次測(cè)試后20只產(chǎn)品的RBA平均值，發(fā)現(xiàn)RBA與CL有相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)圖5：
圖5
可見(jiàn)，隨著CL增大，RBA也相應(yīng)增大，尤其是加負(fù)載CL測(cè)FL與不加負(fù)載（Series：CL=∞）測(cè)FR，RBA差異更明顯，本例中CL=8.0pF與CL=∞，RBA相差達(dá)0.36'，這在小公差晶體制造中是不能不考慮的數(shù)值。因此，無(wú)論是設(shè)計(jì)晶片、晶片選用、產(chǎn)品頻率溫度特性測(cè)試或檢驗(yàn)，甚至是客戶使用和確認(rèn)等，必須明確CL取值，否則會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果差異。
3.1.2激勵(lì)功率（drive level）
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一只AT切型石英晶體諧振器，在不同的激勵(lì)功率下測(cè)試其頻率溫度特性，其RBA值并無(wú)明顯變化，但dip會(huì)隨激勵(lì)功率不同而出現(xiàn)差異。例如：AT Fund.型5032 SMD 40MHz石英晶體諧振器在100uw測(cè)試其頻率溫度特性時(shí)dip合格產(chǎn)品，在用1uw和500uw測(cè)試時(shí)，會(huì)有一部分產(chǎn)品dip值變大；同樣AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶體諧振器在10uw測(cè)試其頻率溫度特性時(shí)dip合格產(chǎn)品，在用100uw和300uw測(cè)試時(shí)，也有一部分產(chǎn)品dip值變大。
因此，在測(cè)試和驗(yàn)證AT切型石英晶體諧振器頻率溫度特性時(shí)，一定要用設(shè)計(jì)的或?qū)嶋H使用要求的激勵(lì)功率確認(rèn)，象直接用制造普通石英晶體諧振器使用的晶片制造OSC.或TCXO，一般是不可以的。當(dāng)然，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)等，使AT.型石英晶體諧振器在較寬的激勵(lì)功率范圍，達(dá)到穩(wěn)定的頻率溫度特性也是可以實(shí)現(xiàn)的。
3.2 Fund.和overtone模式vs. RBA
①取10只AT Fund.型6035 SMD 20MHz 石英晶體諧振器，用S&A;之W2200測(cè)試出RBA，然后按序再按三次泛音頻率（約在60MHz附近）測(cè)試測(cè)試對(duì)應(yīng)RBA，如表5。
表5
②取10只AT 3rd overtone型7050 SMD 50MHz 石英晶體諧振器，用S&A;之W2200測(cè)試出RBA，然后按序再按基頻（約在16.67MHz附近）和五次泛音頻率（約在150MHz附近）測(cè)試對(duì)應(yīng)RBA，如表6。
表6
以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：對(duì)AT型石英晶體諧振器而言，基頻RBA合適的晶片切角，在晶片規(guī)格、成品裝配和溫度頻差要求都不變的情況下，對(duì)應(yīng)三次泛音頻率，要取得RBA合適，晶片切角應(yīng)增加7～9，對(duì)應(yīng)五次泛音頻率，要取得RBA合適，晶片切角只需再增加1左右，反之亦然。
4.RBA簡(jiǎn)單估算
從方程（1）及a0、b0、c0值之?dāng)?shù)量級(jí)可以看出，當(dāng)（T-T0）取值較小時(shí)，可以有：
一般溫度特性測(cè)試所取參考溫度為T(mén)0=25℃，則判斷當(dāng)T=10℃～15℃時(shí)，（3）式成立。由此推斷：一只AT切型石英晶體諧振器RBA值大概與其10℃～15℃時(shí)相對(duì)溫度頻差值（按ppm計(jì)，參考溫度T0=25℃）接近。當(dāng)然，由于各種影響RBA的要素影響，具體到每一只產(chǎn)品，其實(shí)際a0值系數(shù)并不是-0.08583×10^-6，通常要更小些。但基本不影響用本方法快速估算RBA。
5.結(jié)束語(yǔ)
以上探討，主要依據(jù)實(shí)踐中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)論在實(shí)際中或?qū)T切型石英晶體諧振器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有啟發(fā)和借用?；谧髡咚接邢蓿€不可能將影響AT切型石英晶體諧振器頻率溫度特性的要素完全深入解析，本文也難免存在不妥之處。在此，我們?cè)敢庀蚋鞣綄＜覍W(xué)習(xí)，并交流探討。 [科]
【參考文獻(xiàn)】
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