影響AT切型石英晶體諧振器頻率溫度特性的要素探討

楊海英

【摘 要】本文根據實踐數據，總結歸納了對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要素，就相關性作了簡單的定量或定性分析。

【關鍵詞】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具有良好的頻率溫度特性，并有較高壓電活性等優點，從而得到最廣泛的應用。

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是基準角，可視同零溫度系數切角（a0 =0），?是晶片實際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RBA極為敏感，?變化1就會引起曲線明顯變化。同時，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品頻率vs.溫度特性設計指標，實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，但試驗發現并證明晶片外形等和成品裝配設計等對RBA也有相當影響，不容忽視。

2.除ZZ切角外其它影響RBA的部分要素介紹

2.1晶片設計參數vs. RBA

2.1.1鍍膜返回頻率

試驗發現并證實，在同等條件下，RBA隨晶片鍍膜返回頻率的增大而增大，

兩者基本呈強正相關關系。

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產品后，用S&A;之W2200測試得出RBA統計結果：

表1

圖2顯示了RBA中心隨鍍膜返回頻率變化：

圖2

依據實驗數據估算，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，為改善晶片振動活力，一般通過倒邊加工，現在常用滾筒倒邊機來實現，而晶片倒邊加工量的大?。ǖ惯吜浚BA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，制成產品后用S&A;之W2200測試得出RBA統計結果（每組測試30個）：

表2

表3

比較后可發現，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

為改善產品頻率老化率技術指標，采用金替代銀作為鍍膜電極材料是常用的設計，對同規格晶片，兩種電極材料做出的產品，其RBA有明顯不同。以AT Fund.型5032 SMD 20.950MHz晶片為例，制成產品后用S&A;之W2200測試得出RBA統計結果如表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點膠方式

隨著一些產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膠有時不能保證一些可靠性指標苛刻認證要求。為“加固”晶片，使用了一些新的點膠方式，圖4（A、B、C）給出了3225型SMD 石英晶體諧振器三種點膠產品照片。點膠方式的變更，除可靠性和常溫性能參數有差異外，不同點膠的產品，其頻率溫度特性也有明顯差異，如：A型點膠產品其頻率vs.溫度曲線之拐點溫度基本在28℃±3℃；而B型和C型點膠產品其頻率vs.溫度曲線之拐點較高，甚至超過35℃，且一致性差。頻率vs.溫度曲線之拐點溫度偏離25℃（此溫度常為溫度特性測試參考溫度）越多、一致性差，都會對頻率vs.溫度控制增加困難，甚至在一些特殊產品（如TCXO）使用該類型石英晶體諧振器時增加困難。

圖4-A 圖4-B 圖4- C

3.測試方式與RBA

3.1測試參數vs. RBA

3.1.1負載電容（CL）值

取20只AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶體諧振器32MHz產品，用S&A;之W2200在CL=8.0pF、12.0pF、16.0pF、20.0pF和Series設置下分別測試測試，計算每次測試后20只產品的RBA平均值，發現RBA與CL有相關性，結果見圖5：

圖5

可見，隨著CL增大，RBA也相應增大，尤其是加負載CL測FL與不加負載（Series：CL=∞）測FR，RBA差異更明顯，本例中CL=8.0pF與CL=∞，RBA相差達0.36'，這在小公差晶體制造中是不能不考慮的數值。因此，無論是設計晶片、晶片選用、產品頻率溫度特性測試或檢驗，甚至是客戶使用和確認等，必須明確CL取值，否則會導致測試結果差異。

3.1.2激勵功率（drive level）

試驗發現，同一只AT切型石英晶體諧振器，在不同的激勵功率下測試其頻率溫度特性，其RBA值并無明顯變化，但dip會隨激勵功率不同而出現差異。例如：AT Fund.型5032 SMD 40MHz石英晶體諧振器在100uw測試其頻率溫度特性時dip合格產品，在用1uw和500uw測試時，會有一部分產品dip值變大；同樣AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶體諧振器在10uw測試其頻率溫度特性時dip合格產品，在用100uw和300uw測試時，也有一部分產品dip值變大。

因此，在測試和驗證AT切型石英晶體諧振器頻率溫度特性時，一定要用設計的或實際使用要求的激勵功率確認，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。當然，通過精心設計和工藝改進等，使AT.型石英晶體諧振器在較寬的激勵功率范圍，達到穩定的頻率溫度特性也是可以實現的。

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測試出RBA，然后按序再按三次泛音頻率（約在60MHz附近）測試測試對應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）測試對應RBA，如表6。

表6

以上試驗數據證明：對AT型石英晶體諧振器而言，基頻RBA合適的晶片切角，在晶片規格、成品裝配和溫度頻差要求都不變的情況下，對應三次泛音頻率，要取得RBA合適，晶片切角應增加7～9，對應五次泛音頻率，要取得RBA合適，晶片切角只需再增加1左右，反之亦然。

4.RBA簡單估算

從方程（1）及a0、b0、c0值之數量級可以看出，當（T-T0）取值較小時，可以有：

一般溫度特性測試所取參考溫度為T0=25℃，則判斷當T=10℃～15℃時，（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℃時相對溫度頻差值（按ppm計，參考溫度T0=25℃）接近。當然，由于各種影響RBA的要素影響，具體到每一只產品，其實際a0值系數并不是-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.結束語

以上探討，主要依據實踐中試驗數據，結論在實際中或對AT切型石英晶體諧振器設計和生產有啟發和借用?；谧髡咚接邢?，還不可能將影響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，我們愿意向各方專家學習，并交流探討。 [科]

【參考文獻】

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