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技術支援

1.解析目的與步驟
a)  實際量測電路板上頻率波型與公差.
(Crystal on board test to verify tolerance and waveform)
b) 量測振盪電路負性電阻值 –R .
   (Measure the Negative Resistance(-R) of the oscillation circuit)
c) 調整C1 C2電容以得到更大的頻率變化寬裕度.
   (Modify the C1,C2 to obtain bigger allowance)
d) 根據以上電路板量測數據建議適當振盪子規格.
   (Suggest the crystal specification based on above test)

2.分析過程中使用到之設備





量測負性阻抗
量測負性阻抗目的是避免振盪器無法起振,振盪器無法起振的原因是負性阻抗寬裕度不夠導致,為避免此現象發生於設計時負性阻抗一般至少是 ESR的三倍以上,反之若太小時則會發生偶爾不起振的現象發生.
輸出端串接一個可變電阻,可變電阻調至最小,上電源讓電路正常動作,調整可變電阻,將之調大,直至振盪器不起振,確定不起振後,再將可變電阻轉小,觀測波形,持續將可變電阻調小到振盪器開始振盪波形正常後,關閉電源,再打開電源,若振盪器依舊可以起振,這時候可變電阻上的阻抗值再加上2儀器所測得振盪器單體的電阻值即為負性阻抗值.

負載電容匹配
1.於振盪電路產生的振盪迴路來看,不同的負載電容會有不同程度頻率飄移,因此設計時必須針對產品實際的負載電容做量測以確定是否與當初設計規格一致
2.理論值負載電容計算方式如下,由C51 C52計算串聯電容後加上離散電容等於實際的負載電容,雜散電容內含PCB Layout、晶片電極等等因素造成.
         CL = C51 * C52 / (C51 + C52) + C0 + Cs;
         Note: Cs refers to on board stray capacitance.

產品特性與影響因素

一、常溫產品特性:
常溫產品特性有時也稱為室溫產品特性,一般是指產品在環境溫度為25℃,相對濕度為50%左右時所測量出來的電性能參數,主要是頻率,電阻,激勵功率相關性及電容比等指標。

1.1、常溫下產品的頻率主要是觀察其穩定性與一致性。穩定性是相對於單個產品而言,一方面要求產品在測試儀上重複測試時,頻率變化量要小,好產品頻率變化量可以小於±0.5ppm,與產品頻率高低及TS大小有關,一般情況下,頻率越高變化量越大,TS越大變化量越大,測量指標一般是FL,若是FR則不存在TS的問題;另一方面要求產品在電路中工作時不出現頻率漂移,也就是說產品頻率不要跑到幾百甚至幾千ppm去,一般情況下只有高頻(27M以上)產品才會有這個問題,尤其是3RD產品。
如果頻率不穩定,偏移的幅度上百ppm或同時伴有C0偏小現象,應考慮膠點是否鬆動。

1.2、對於一條相對成熟的生產線來說,產品在常溫下的頻率穩定性一般不會出現問題,比較常見的是產品的一致性(散差),尤其是高頻的小公差產品一致性往往不如人意。一致性考量是多個產品的頻率公差,在測試系統中,觀察FL的正態分佈圖可以很直觀的瞭解產品的一致,也可以使用儀器測試系統中的CPK計算功能,通過CPK來衡量產品的一致性。



因烤膠時間或溫度不正確也會造成頻率散差大,只是出現的概率較小,晶片原因造成頻率散差大一
般在微調工序就能反映出來。為比較及時的瞭解頻率的一致性,應在封焊工序增加一個抽檢工站,
以考查微調封焊後狀況,尤其能較早發現微調範圍或微調人員的個體差異。分析原因時一定要考慮
各批次產品在制程中流動的時間是否大致相同,且越短越好,這一點對於產品的DLD特性也影響很
大。

1.3、常溫電阻特性主要是中心值與穩定性。電阻中心值與控制上限的距離與產品的合格率息息相關,在測試系統中可以用平均值代替中心值,一般要求產品平均值是控制上限的50%左右。做制程改善時重點關注點膠與污染。
晶片不良在電阻大這一不良項中出現次數會比較多,特別是新的晶片供應商或開發新頻點時。

1.4、通常產品在常溫下的電阻要比頻率更穩定,其變化量更容易控制在±0.5Ω以內,一般只有高頻產品或3RD產品會出現此類問題,如果產品有此類現象往往歸在可靠性中分析。

1.5、激勵功率相關性主要是考察產品在不同激勵功率下的頻率或電阻及其變化量,目前SMD產品設定的最小激勵功率一般是0.01uW,最大激勵功率一般是200 uW,20M以上的優良產品DLD2和FDLD應小於1,12M左右的低頻產品DLD2特性稍差,但其中心值也應低於8Ω。產品DLD出問題時的分析圖請參照產品電阻大的分析圖,但有一點應特別引起重視—產品封焊前在制程中的流動速度越快越好,各工序產出應儘量平衡,減少物料在各工序等待時間。

DLD2:电阻激励功率相关性(RRMAX — RRMIN)。单位:欧姆Ω
RLD2:激励功率范围内的最大电阻。
FDLD:频率激励功率相关性(FLMAX ——FL MIN)
DELF(FLR):串并联间隔(FL—Fr)
DLDH2:不同激励功率下的电阻迟滞(同一激励功率点前后两次测试的ESR最大差值)。

二、產品的溫度特性:
產品的溫度特性是指產品在不同溫度下的電性能變化情況,優良產品的溫度特性呈光滑的三次曲線(AT切)或二次曲線(BT切),與理論曲線非常相似。主要影響因素是晶片的切型與切割角度,在石英晶片這一節中已有相關介紹,另外晶片加工過程的平面度(高頻)和修邊情況(低頻)也會影響產品的溫度特性。制程中晶片污染,電極偏位元等也會對產品的溫度特性造成影響。

三、產品的可靠性(信賴性):
產品的可靠性可以通俗的理解為:產品生產完成後,不會因常規的搬運,儲存而使其性能受影響,不會因客戶的焊接,清洗和封裝等各種使用條件而影響性能。產品的可靠性可以通過各種可靠性試驗來衡量,目前常見的可靠性試驗有:

高溫儲存試驗 125℃±10℃;1000H±24H
溫度迴圈試驗 T1 = -55℃±10℃  T2= 125℃±10℃;迴圈次數10次。(溫度轉換約30分鐘)
溫度衝擊試驗 T1 = -55℃±10℃  T2= 125℃±10℃;迴圈次數10次。(溫度轉換時間5秒)
恒溫恒濕試驗  TC 85±10℃ H 85% ;1000H±24H
可焊性(焊錫)試驗 230±10℃;3 s
耐焊接試驗 260±10℃;10 s
跌落試驗 75 cm;3 次。
振動試驗 頻率10 Hz — 2000 Hz;振幅 1.5 mm;每方向 40 分鐘。
老化率試驗 TC 85±10℃;300 H
壽命試驗(MTBF);85℃or125℃;1000H;利用公式及失效產品數計算出產品類比壽命。
  在以上十項試驗中,恒溫恒濕試驗主要考察產品儲存時會不會出現外觀變異,是否會影響焊接,
可焊性(焊錫)試驗主要考察產品在用戶端使用時能否順利焊接到電路板上,只要原材料不出問
題,產品在制程中不嚴重超溫,無嚴重污染就不會有問題。
其餘試驗主要是通過對比試驗前後產品的電性能變化情況來衡量產品的可靠性,其中高溫儲存試驗,老化率試驗和壽命試驗考察產品的儲存條件與儲存時間;溫度迴圈試驗和溫度衝擊試驗考察產品在用戶端使用時對溫度變化的耐受情況。產品在制程中無明顯污染,銀層牢固,封焊時露點符合要求,檢漏無漏氣就能滿足要求。
跌落試驗考察產品受機械力衝擊時的耐受情況,跌落試驗不合格應分兩各情況來處理,一是晶片破裂造成不良(高頻),應檢查導電膠選用是否正確(較柔),底膠是否足夠,晶片在搭載時是否過低;另一各情況是脫膠,或稱膠點鬆動,應檢查烤膠工藝是否有問題,晶片上下膠量是否足夠,上下膠連接處膠量是否飽滿。
 

Hosonic產品趨勢與結構示意圖:

石英諧振器的組成:

由石英片,電極,基座,上蓋、導電膠所組成,其關鍵部份分是石片。石英片是彈性體,它有固有頻率。石英片也是壓電體,諧振時振動幅度最大阻抗最小;當失諧時阻抗迅速加大。

-R與CL、Fo的關係





負性阻抗 (-R) Negative Resistance

石英晶體共振子的兩端往振盪電路看過去,排除共振子以外的所有阻抗特性質總和,振盪電路上必須提供足夠大的增益來補償共振子共振時的機械能損耗,也就是放大器為一個能量源,若負性阻抗的能量源大於振盪電路的損耗時,能源迴路為平衡狀態此迴路為穩定振盪,負性阻抗不是產品規格參數,但卻是振盪線路設計時很重要的性能指標.

正確的選取Cg/Cd的值將有利於振盪電路的工作穩定,並能使振盪頻率能滿足使用的頻率要求。
其選取的步驟如下:

首先應該按照-R的需求選擇Cg/Cd,在滿足TS的情況下應儘量選取電容小一些,以保持較高的–R確保電路振盪的穩定性。

當無法滿足-R要求時應考慮對IC的特性重新評估、選擇。 

 ※ -R的計算公式:-R = gm/ {ω2 *(Cg*Cd)}     gm為互導,單位:S(西門子)
 ※ 早期測試-R的儀器有HP-4195A等,但現階段皆改為crystal搭配VR實測法.
 ※ -R的要求(標準):
    -R≧ 3~10 Max ESR. ,若-R低於3倍時會因石英諧振器與電路的匹配
    不良而容易出現不起振或振盪不穩定、振盪啟動時間延長等問題。

 

頻率溫度特性 (TC)

驅動功率 (Drive Level)

激勵功率的大小直接影響石英諧振器的性能,所以電路設計者一定要嚴格控制石英諧振器在規定的激勵功率下工作,以便充分發揮石英諧振器的特性激勵功率一般以微瓦為單位micro Watt,近幾年石英晶體生產技術大幅提升加上產小型化與低功耗需求的提升已不需要提供過高的驅動功率。
功率偏小對於長期穩定有利,功率稍大對於短期溫度有利。
激勵功率太大:
    石英片振動強,振動區域溫度升高,石英片內產生溫度梯度,會使頻率穩定度降低;功率過大時由於機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率產生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞;功率過大會使等效電阻增加(一般阻抗10~100歐姆),電極與接著材料的介面惡化,Q值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則;激勵功率過大容易激起寄生振盪,同時還會使老化變大。
激勵功率太低:
    會使信號雜音比變小而影響短期穩定度,諧振器不易起振,影響工作的穩定和可靠性,所以使用者應根據不同的要求嚴格控制激勵功率;更不能為了增大輸出而隨意提高激勵功率。

負載電容CL與頻率可變動量的影響

典型的振盪電路的原理圖

典型的振盪電路的原理圖

Rf (迴授電阻):
用來迴授電流與訊號至輸入端或調整OP放大器的增益值(gm)。

Rd (阻尼電阻/限流電阻):
用來抑制流經石英晶體的電流量降低振幅(有時會因驅動電壓大小不同而選擇使用或取消)。

Cg & Cd (接地電容):
用來調整輸出頻率、負性阻抗與Drive level的大小。

負載電容 (CL):
石英諧振器一般作為電感元件在振盪電路中起穩定頻率作用,而電路的其他元件均可等效為一個負載電容與石英諧振器串聯或並聯。

負載電容的大小將對石英諧振器的等效參數及頻率穩定度帶來影響。



※ CL: Crystal的負載電容
※ Cs: 雜散電容(Capacitance Stray)
       指包含IC內部的雜散容值、Layout佈線
       間的電容量、PCB板各層間的寄生電容
       等…
※ Cd & Cg :接地電容

石英諧振器等效電路


等效迴路各項參數介紹 :
   L1 動態電感(mH) Motional Inductance
   R1 諧振阻抗(Ω) Motional Resistance
   C1 動態電容(fF) Motional Capacitance
   C0 靜態電容(pF) Static Capacitance
 

石英振盪器的種類

何謂石英振盪器 ---- > 石英晶體 + 振盪電路





振動模式

同是AT切的晶片,在振動模式上又有基頻(FUND),三次泛音,五次泛音等之分。小型SMD石英晶體諧振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上時才會少量生產。同一頻率的產品,3次泛音的厚度是基頻的3倍,例如我司產品某產品48MHz三次泛音的厚度約為0.104mm(與16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波產品的厚度約為0.034mm。在設計晶片厚度時,AT切的晶片的厚度與頻率,及振動模式有關,而與晶片的尺寸大小無關。做成成品後的AT切基頻產品,AT切3泛音產品與BT切產品可以通過觀察其C0/C1值,TS值,電阻值及TC特性來區分。

石英晶體的研磨修邊

石英晶體的切型

石英晶片

石英晶片主要有方片(9.9*9.9),圓片(φ8.70-φ5.50),目前應用最廣泛的是條片,條片的主要尺寸有:


晶片尺寸

Hosonic產品規格

晶片尺寸

Hosonic產品規格

晶片尺寸

Hosonic產品規格

8.00*2.00

49S/49SM/49SSM

3.50*1.80

5S/5F/5032/OSC

1.60*1.00

2SB

5.00*2.50

8FA/7SB/7050/OSC

2.80*1.20

4SB

1.40*0.90

1AB

4.00*1.80

6SB、6FA/B

2.00*1.20

3SB

 

 

石英晶片按是否修邊可分為平片、修邊片(凸片)。低頻片一般要導邊(修邊),主要是降低電阻(ESR);按是否拋光可分為非拋光片、拋光片(一般80.000 MHz以上進行拋光,降低晶片電阻)。
石英晶片的基本加工工序主要有:切割、研磨、腐蝕、清洗。每一個工序跟頻率都有一定的相關性
切割:用不同角度對石英晶棒進行切割,可獲得不同壓電特性、彈性特性和強度特性之石英晶片其電特性也各異,用它來製造的諧振器的性能也不一樣,通常我們把石英晶片對晶棒坐標軸某種方位(角度)的切割稱為石英晶片的切型。各種切型中目前較被廣泛應用之切型為AT、BT、DT.
其他切型還有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英產品一般是AT切,BT切產品一般出現在頻率30M以上的產品中。

壓電效應

石英材料(水晶)

石英產品主要是利用石英材料(水晶)的壓電效應製成的電子原件和器件,壓電效應是一種機電能量互換的現象,壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應,正壓電效應是以機械應力及應變(形變)作用而使物體產生電荷或電壓輸出。逆壓電效應是以電能輸入使之產生機械能或位移(形變)的輸出。如果把交變電壓施加到石英晶片兩個電極之間,當交變電壓的頻率與石英晶片固有頻率一致時,通過逆壓電效應,晶片便產生機械振動,同時又通過正壓電效應而輸出電信號。石英材料的壓電效應是有方向性的,只有在電軸方向才具有壓電效應。石英有天然石英和人造石英。天然石英和人造石英均為多面體形狀。目前電子元器件使用的主要是人造石英材料。主要成分為氧化矽之結晶體SiO2。

使用石英為震盪源的產品主要有石英晶體諧振器、石英晶體振盪器。

主要要特點有:高穩定性(年老化率小於+/- 3PPM)、高Q(品質因數)值、低功耗、小體積、易於使用。

產品主要應用於通訊、航空航太、家用電器、數位電視、影音播放、鐘錶,電腦業的微處理機、微電腦、終端機,量測設備、自動控制、電話、導航等領域。一般石英晶體諧振器的頻率可從數百赫茲至幾百兆赫茲。