AT-CUT SMD石英晶体的特性

智能电子产品向着高精密小型化发展,石英晶振晶体与其他电子零件同样朝着轻薄短小发展.石英产品从1990年年开始朝着SMD的方向演进,1998年开始则朝着小型化方向发展.由于市场也需要轻薄型产品,因此轻薄短小的竞争也就从此白热化起来.如今石英晶体,SMD晶振尺寸越做越小,技术革新,并且是实现高精密,高频化.

石英晶振晶体尽管结构简单,但是石英晶体的特性还是有难以理解的一面.要理解石英晶体,从它的外观入手应该是最简单的.石英晶体一般的样态如表一所示.本文将列举几种不同的石英晶体来作一技术性的说明.

表一 石英晶体的一般样态

1、频率温度稳定性

经由温度特性来做角度的切断.在人工水晶切割之后进行研磨,会造成角度的偏移.特别是在使用研磨速度快的研磨剂时,因研磨而造成的角度偏移会更显著.使用4次将晶片从厚磨到薄做到高频化的情况很多,但是因为4次研磨机在研磨时没有基准面,比使用2路研磨机产生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨机,那么会使盘面的负担增大,因此不能用来作厚度较薄的晶片研磨.若要使用同时具有两者优点的3WAY研磨,则要依状况来选定研磨方法.关于特性请参照图二.温度特性可以从公式1以理论求得.

图一、各种切割的温度特性 公式1

2、负载电容

由于AT CUT电容比较小,会因负载电容的误差产生在预期频率内无法振荡的情况.晶振负载电容是在振荡回路内的东西,必须在制造石英晶体的时候以指定的数值设定.最近的振荡回路因为电源电压较低,负性抵抗变小,造成负载电容小负性抵抗大的倾向.若是负载电容小TS大的话,那么仅有些许的误差也会造成频率的误差,这是必须要注意的.

3、Max. ESR

石英晶体的振动抵抗以电性来表示,这也和振荡回路有密切的关系.振荡回路的负性抵抗会因石英晶体的阻抗大而不振荡.石英晶体的阻抗必须保持在某个数值之下,因此先了解振荡回路的负性抵抗是必需的.石英晶体,贴片晶振封装尺寸越来越小,阻抗因此有增大的倾向.但是从探讨能量闭锁理论以及改良封装方法,都能维持与以往的数值相近的结果.此外还有许多制造上的问题,都必须要特别注意.

4、DLD

要使石英晶体振动程度改变就必须测量ESR如何变化.在振荡回路内使石英晶体振荡,在振荡开始的时候,励振程度(Drive Level)几乎是接近于零的状态,这个时候ESR是没办法大幅度振荡的.这种现象没有再现性的情况相当多,是非常麻烦的问题. IEC指出这是制程不良的问题.因此若希望其可信度高就必须要规定DLD的特性.特性如图二所示.

图二 DLD的特性例

5、频率老化

它系随着时间产生的频率变化.石英晶体若是经过长时间的使用,会因为歪斜或是污染的影响而发生变化.这个特性也和DLD一样,会因为制程,材料的不同而被影响.频率变化量若超过规定,在无线通讯上就会产生混讯障碍.混讯是指通讯品质下降而产生通讯机密性的问题.而石英晶体的频率变化会逐渐出现上述问题.现在通讯器材用的石英晶体（行动电话也包含在内）一年之内的频率变化量约在正负1PPM以下.频率变化量一般来说是以指数函数来表现.一年内的变化量即使不测定也能从中预测,图三是时间变化的说明图.

图三 随时间变化之说明图

6、活动逢低

又称为频率扰动.原本石英晶体的温度特性是以三次曲线来表示,但是这个现象若发生就不是三次函数了.这是因为晶片在内部和其他的模式相结合之故.石英晶体在作成SMD时,晶片会出现明显的短栅结合现象.AT CUT原本是厚度振荡,但是和这个振动形式结合,就会同时出现高次外型振动的现象.

要排除这个结合现象,对于各种振动形式的分析能力,依照经验累积的设计力与晶片加工的准确度等,就成为相当重要的关键点.在通讯面,类比的方式大致上不会有什么问题,但在数位的情况下,通话中要是发生激烈的频率变动,就会因为Bit错误的发生而造成无法通话的状况.图四表示与晶片轴尺寸结合的关系图.

图四 与晶片Z轴尺寸结合的关系