您好,歡迎來(lái)到深圳市金洛鑫電子有限公司! 金洛公眾號(hào) 金洛微信公眾號(hào) |關(guān)于金洛|添加收藏|網(wǎng)站地圖
咨詢熱線:0755-27837162
金洛電子聯(lián)系方式:電話: 0755-27837162手機(jī): 135 1056 9637Q Q: 657116624立即咨詢郵箱: jinluodz@163.com
首頁(yè)金洛博客 過(guò)度驅(qū)動(dòng)下小封裝MHZ石英晶振的老化性能

過(guò)度驅(qū)動(dòng)下小封裝MHZ石英晶振的老化性能

來(lái)源:http://diker.cn 作者:金洛鑫電子 2019年04月27
   很多采購(gòu)和工程都知道,使用的石英晶振是越小越好,而且小封裝的MHZ晶振雖然很小,但是穩(wěn)定性和精度一般會(huì)比較高,可以滿足中高端產(chǎn)品的需求。貼片晶振實(shí)現(xiàn)小型化是經(jīng)過(guò)幾十年國(guó)內(nèi)外頻率元件工程師們不懈的努力,和不斷的研究開(kāi)發(fā)才得到的結(jié)果。目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的SMD型小尺寸有7.0*5.0mm,6.0*3.5mm,5.0*3.2mm,3.2*2.5mm,2.5*2.0mm和2.0*1.6mm等,但這幾年已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的封裝。
   最近制造和封裝技術(shù)的進(jìn)步使小尺寸的MHz石英晶體可用到1.6mmx1.2mm。通常,較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達(dá)1mW的驅(qū)動(dòng)電平。隨著石英晶體尺寸的下降,晶體散裝材料可以處理越來(lái)越少的功率。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動(dòng)水平規(guī)格背后的原因,并定量討論小尺寸石英晶體的老化結(jié)果,驅(qū)動(dòng)接近1μmW。
   十年前這被認(rèn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于符合人體工程學(xué)的考慮,智能手機(jī)等便攜式設(shè)備似乎沒(méi)有變小。但是,越來(lái)越多的功能被打包到它們中。便攜式設(shè)備供應(yīng)商繼續(xù)要求越來(lái)越小的組件。零部件供應(yīng)商通過(guò)迎接挑戰(zhàn)繼續(xù)重塑自我。通常,較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達(dá)1mW的驅(qū)動(dòng)電平。隨著石英晶體尺寸的下降,晶體散裝材料可以處理越來(lái)越少的功率。對(duì)于最小尺寸的石英晶體諧振器,供應(yīng)商通常會(huì)指定低至100μW的最大驅(qū)動(dòng)電平,并建議將10μW驅(qū)動(dòng)電平用于正常使用。當(dāng)詢問(wèn)如果操作驅(qū)動(dòng)水平超過(guò)最大驅(qū)動(dòng)水平規(guī)格會(huì)發(fā)生什么時(shí),供應(yīng)商通常會(huì)定性地響應(yīng)-石英晶體可能看到過(guò)度老化,可能會(huì)看到頻率擾動(dòng),并且可能在最嚴(yán)重的情況下破碎。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動(dòng)電平規(guī)格背后的原因,并定量討論2.5mmx2.0mm基本20MHz石英晶體驅(qū)動(dòng)接近1mW的老化結(jié)果。
尺寸的石英晶體:
   由于目前小尺寸石英晶體仍采用“單一”方法制造(與CSP和WLP方法形成對(duì)比),最小的預(yù)制-SPAWDA,深圳,2011年市場(chǎng)上的石英晶體不是必需的最高的體積和最具成本效益。小尺寸密封石英晶體通常由三個(gè)關(guān)鍵部件組成-高溫共燒陶瓷(HTCC)基座,鍍鎳可伐合金金屬蓋和石英晶體。石英晶體供應(yīng)商通常以片陣列的形式接收陶瓷基底。供應(yīng)商在清潔過(guò)程后將陣列分成單獨(dú)的基底,然后通過(guò)單一方法進(jìn)行剩余的晶振生產(chǎn)。大批量出貨的最小石英晶體為1.6mmx1.2mm(1612)(圖1)。最有能力的供應(yīng)商準(zhǔn)備采樣1.2mmx1.0mm(1210)。1.0mmx0.8mm(1008)也正在計(jì)劃中。
JTLH1.jpg
圖1-1.6mmx1.2mm石英晶體來(lái)自TXC公司
   表1列出了目前六個(gè)不同供應(yīng)商提供的最小的石英晶體。一個(gè)值得注意的經(jīng)驗(yàn)法則是,隨著尺寸變小,在較低頻率下維持低情感電阻(Rm)變得更加困難[2]。這促使一些供應(yīng)商使用不同切割的Lamé模式(與AT切割的厚度-剪切模式相反)石英晶體在一些特殊應(yīng)用中以3.5mmx2.5mm(3225)封裝實(shí)現(xiàn)4MHz。
JTLH2.jpg
表1來(lái)自六個(gè)不同供應(yīng)商的小尺寸石英晶體(公共領(lǐng)域信息)
   另一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是供應(yīng)商指定較低的最大驅(qū)動(dòng)水平,因?yàn)槭⒕w變小。早期評(píng)論的作者之一,“......在許多應(yīng)用中,設(shè)計(jì)師通常更喜歡在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品生命的早期階段使用晶體振蕩器。當(dāng)產(chǎn)品得到廣泛認(rèn)可時(shí),設(shè)計(jì)師傾向于轉(zhuǎn)而使用石英晶體作為降低成本的一部分......“節(jié)省成本對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)很有吸引力。然而,設(shè)計(jì)人員不得不努力指定具有正確負(fù)載電容,最大Rm,正確頻率設(shè)置容差(ppm)等的石英水晶振子,以確保其自身電路中的正常振蕩。保持足夠大的負(fù)阻抗Rm比(通常>5)并在規(guī)定的最大驅(qū)動(dòng)電平內(nèi)驅(qū)動(dòng)晶體是正常振蕩的重要因素。
驅(qū)動(dòng)水平:
   圖2描繪了典型的皮爾斯振蕩電路,其中晶體以其并聯(lián)諧振(fp)驅(qū)動(dòng)。Rf是反饋電阻,其通常嵌入在振蕩器電路(片內(nèi))內(nèi),以便為反相放大器提供DC偏置。對(duì)于基頻MHz石英晶體振蕩,Rf約為1MΩ。Rd是控制電阻,可以在芯片外實(shí)現(xiàn)以限制流入石英晶體的電流并調(diào)節(jié)振蕩電路的可用負(fù)電阻。它的值可以是幾Ω到kΩ的任何值。
JTLH3.jpg
圖2典型的皮爾斯振蕩器電路
   提供與石英晶體的組合負(fù)載電容(CL)。石英晶體消耗的功率Pc可近似為[5]-
JTLH4.jpg
   V是振蕩器驅(qū)動(dòng)電壓。Ce等于Co+CL,其中Co是石英晶體的靜電容。以2.5mmx2.0mm12MHz石英晶體為例,Co為0.6pF,CL為12pF,Rm為90Ω,驅(qū)動(dòng)電壓為1.8V,耗散功率約為120
μW。注意,在存在Rd的情況下,石英晶體上的實(shí)際電壓不再等于振蕩器驅(qū)動(dòng)電壓。如前一節(jié)所述,隨著石英晶體變小,供應(yīng)商指定較低的最大驅(qū)動(dòng)電平。物理推理很清楚,因?yàn)檩^小尺寸的石英晶體消耗能量的可用材料較少。它也可以從Eq。1較高的Rm消耗更多的功率,這是較小的石英晶體的典型特征。設(shè)計(jì)人員熟悉頻移與CL(可拉性)的一般趨勢(shì),如圖所示
   我們?cè)趫D中包括改變控制電阻Rd的值的效果。已知更改CL會(huì)更改驅(qū)動(dòng)器級(jí)別(如公式1所示)。它當(dāng)然也改變了振蕩電路可用的負(fù)電阻。圖4和圖5組合了這些變化,并改變了Rd值。如今,許多SMD晶振供應(yīng)商為客戶提供振蕩電路和石英晶體匹配的免費(fèi)電路分析服務(wù),從而限制功率驅(qū)動(dòng)到不斷減小尺寸的石英晶體并保持足夠大的負(fù)阻抗Rm比。
JTLH5.jpg
圖3.具有不同Rd的頻率與負(fù)載上限
JTLH6.jpg
圖4.驅(qū)動(dòng)電平與負(fù)載電容的變化路徑
JTLH7.jpg
圖5.具有不同Rd的負(fù)阻與負(fù)載上限
過(guò)度驅(qū)動(dòng)的石英晶體的老化:
   即使有了早期規(guī)劃,一些客戶偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)他們?cè)诋a(chǎn)品開(kāi)發(fā)即將結(jié)束時(shí)過(guò)度驅(qū)動(dòng)石英晶體。到那時(shí),電路板設(shè)計(jì)是固定的,客戶不再能夠調(diào)整CL,調(diào)整(或添加)Rd,或改為更大尺寸的石英晶振。如引言部分所述,已知石英晶體在高驅(qū)動(dòng)下老化得更快。然而,作者并未發(fā)現(xiàn)任何已發(fā)表的高驅(qū)動(dòng)小尺寸石英晶體老化數(shù)據(jù)。我們這里的研究是在2.5mmx2.0mm20MHz的銀電極石英晶體上,典型的Co為0.64pF,CL為16pF,Cl(運(yùn)動(dòng)電容)為1.95fF,Rm為~25。最大驅(qū)動(dòng)電平規(guī)格為100μW。頻率規(guī)格在25±3ºC時(shí)<±7ppm,在-20至70ºC時(shí)<±10ppm,在第一年老化時(shí)<±3ppm。石英晶體經(jīng)過(guò)了常規(guī)的可靠性鑒定,包括在85ºC下加速老化測(cè)試(100μW耗散)1000小時(shí)。在測(cè)試結(jié)束時(shí),石英晶體的漂移小于1ppm。相同的石英晶體的兩組(每組六個(gè)器件)分別使用具有C1=C2=15pF的7400IC在650μW和950μW耗散下進(jìn)行相同的加速老化測(cè)試。第一組在85℃下老化至1,000小時(shí)(圖6)。第二組在85℃下老化至1,500小時(shí)(圖7)。
JTLH8.jpg
圖6.650μW耗散時(shí)的加速老化試驗(yàn)
JTLH9.jpg
圖7.950μW耗散時(shí)的加速老化試驗(yàn)
   第一組石英晶體在1000小時(shí)后老化2至3ppm。第二組在1,000小時(shí)后老化3至5ppm,在1,500小時(shí)達(dá)到3.5至6ppm。第二套也開(kāi)始在~1,100小時(shí)出現(xiàn)穩(wěn)定跡象。對(duì)于所有12個(gè)石英晶體,沒(méi)有觀察到Rm的顯著增加。由于石英晶體在25ºC的溫度范圍內(nèi)總共具有±17ppm的頻率容差,并且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi),并且預(yù)計(jì)Oscillator不會(huì)在85ºC連續(xù)運(yùn)行,因此客戶可能對(duì)頻率漂移和振蕩器沒(méi)有任何問(wèn)題。即使它們?cè)谝?guī)格上推動(dòng)這種特定的石英晶體方式,對(duì)Rm比率的負(fù)阻力也是如此。
   小尺寸(2.5mmx2.0mm)20MHz石英晶體,最大驅(qū)動(dòng)電平為100μW,在650μW耗散時(shí)加速老化至85ºC至1,000小時(shí),在950μW耗散時(shí)加速至1500小時(shí)。正如預(yù)期的那樣,在高頻驅(qū)動(dòng)下觀察到頻率高于正常漂移(在這種情況下為向下)。盡管觀察到石英晶體的運(yùn)動(dòng)阻力和nocatastrophic失?。ňw破裂或破碎)沒(méi)有顯著增加。這種特殊的石英晶體的結(jié)果令人鼓舞。然而,作者打算僅提出高驅(qū)動(dòng)老化結(jié)果,他們確實(shí)推動(dòng)石英晶體超出供應(yīng)商規(guī)定的最大驅(qū)動(dòng)水平,因?yàn)檫€存在其他問(wèn)題,例如在高驅(qū)動(dòng)下出現(xiàn)可能的活動(dòng)傾角,噪聲增加等等。正在計(jì)劃對(duì)最小貼片晶振進(jìn)行更系統(tǒng),更全面的研究。
   過(guò)度的驅(qū)動(dòng)也會(huì)影響石英晶體或振蕩器的壽命和工作效應(yīng),MHZ石英晶振常用的激勵(lì)功率通過(guò)是10μW~100μW,而32.768K晶振則可以低至0.5μW~1μW,在這些范圍內(nèi)都不算過(guò)度驅(qū)動(dòng),性能會(huì)比較穩(wěn)定。

正在載入評(píng)論數(shù)據(jù)...

發(fā)表評(píng)論:

姓名:
郵箱:
正文:

歡迎參與討論,請(qǐng)?jiān)谶@里發(fā)表您的看法、交流您的觀點(diǎn)。

誠(chéng)征下列地區(qū) 聲表濾波器 | 石英晶振 | 霧化片貼片晶振 | 進(jìn)口晶振 | 石英晶體諧振器 |溫補(bǔ)晶振 的合作伙伴:
深圳市 廣州市 北京 上海 東莞 佛山 中山 順德 珠海 杭州 溫州 武漢 長(zhǎng)沙 南京 大連 長(zhǎng)春 西安 鄭州 澳門 沈陽(yáng) 南寧 昆明 濟(jì)南 重慶 成都
進(jìn)口晶振,晶振廠家,32.768K晶振,16mm微孔霧化片,2.4M陶瓷霧化片,KDS溫補(bǔ)晶振,精工SSP-T7-F晶振,TXC晶振,大真空DST310S晶振,愛(ài)普生晶振MC-146,SC-32S晶振,3225貼片晶振,西鐵城晶振,TO-39聲表面濾波器,進(jìn)口京瓷晶振,陶瓷晶振,FA-20H石英晶振,西鐵城晶振CM315,LVDS差分晶振,恒溫晶振,美國(guó)進(jìn)口晶振,VCXO壓控晶振,耐高溫晶振
金洛公眾號(hào)
kf
close
kf 金洛微信號(hào)