智能電子產(chǎn)品向著高精密小型化發(fā)展,石英晶振晶體與其他電子零件同樣朝著輕薄短小發(fā)展.石英產(chǎn)品從1990年年開始朝著SMD的方向演進(jìn),1998年開始則朝著小型化方向發(fā)展.由于市場也需要輕薄型產(chǎn)品,因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來.如今石英晶體,SMD晶振尺寸越做越小,技術(shù)革新,并且是實(shí)現(xiàn)高精密,高頻化.

石英晶振晶體盡管結(jié)構(gòu)簡單,但是石英晶體的特性還是有難以理解的一面.要理解石英晶體,從它的外觀入手應(yīng)該是最簡單的.石英晶體一般的樣態(tài)如表一所示.本文將列舉幾種不同的石英晶體來作一技術(shù)性的說明.

表一 石英晶體的一般樣態(tài)

1、頻率溫度穩(wěn)定性

經(jīng)由溫度特性來做角度的切斷.在人工水晶切割之后進(jìn)行研磨,會造成角度的偏移.特別是在使用研磨速度快的研磨劑時,因研磨而造成的角度偏移會更顯著.使用4次將晶片從厚磨到薄做到高頻化的情況很多,但是因?yàn)?/span>4次研磨機(jī)在研磨時沒有基準(zhǔn)面,比使用2路研磨機(jī)產(chǎn)生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨機(jī),那么會使盤面的負(fù)擔(dān)增大,因此不能用來作厚度較薄的晶片研磨.若要使用同時具有兩者優(yōu)點(diǎn)的3WAY研磨,則要依狀況來選定研磨方法.關(guān)于特性請參照圖二.溫度特性可以從公式1以理論求得.

圖一、各種切割的溫度特性     公式1

2、負(fù)載電容

由于AT CUT電容比較小,會因負(fù)載電容的誤差產(chǎn)生在預(yù)期頻率內(nèi)無法振蕩的情況.晶振負(fù)載電容是在振蕩回路內(nèi)的東西,必須在制造石英晶體的時候以指定的數(shù)值設(shè)定.最近的振蕩回路因?yàn)殡娫措妷狠^低,負(fù)性抵抗變小,造成負(fù)載電容小負(fù)性抵抗大的傾向.若是負(fù)載電容小TS大的話,那么僅有些許的誤差也會造成頻率的誤差,這是必須要注意的.

3、Max. ESR

石英晶體的振動抵抗以電性來表示,這也和振蕩回路有密切的關(guān)系.振蕩回路的負(fù)性抵抗會因石英晶體的阻抗大而不振蕩.石英晶體的阻抗必須保持在某個數(shù)值之下,因此先了解振蕩回路的負(fù)性抵抗是必需的.石英晶體,貼片晶振封裝尺寸越來越小,阻抗因此有增大的傾向.但是從探討能量閉鎖理論以及改良封裝方法,都能維持與以往的數(shù)值相近的結(jié)果.此外還有許多制造上的問題,都必須要特別注意.

4、DLD

要使石英晶體振動程度改變就必須測量ESR如何變化.在振蕩回路內(nèi)使石英晶體振蕩,在振蕩開始的時候,勵振程度(Drive Level)幾乎是接近于零的狀態(tài),這個時候ESR是沒辦法大幅度振蕩的.這種現(xiàn)象沒有再現(xiàn)性的情況相當(dāng)多,是非常麻煩的問題. IEC指出這是制程不良的問題.因此若希望其可信度高就必須要規(guī)定DLD的特性.特性如圖二所示.

圖二 DLD的特性例

5、頻率老化

它系隨著時間產(chǎn)生的頻率變化.石英晶體若是經(jīng)過長時間的使用,會因?yàn)橥嵝被蚴俏廴镜挠绊懚l(fā)生變化.這個特性也和DLD一樣,會因?yàn)橹瞥?/span>,材料的不同而被影響.頻率變化量若超過規(guī)定,在無線通訊上就會產(chǎn)生混訊障礙.混訊是指通訊品質(zhì)下降而產(chǎn)生通訊機(jī)密性的問題.而石英晶體的頻率變化會逐漸出現(xiàn)上述問題.現(xiàn)在通訊器材用的石英晶振晶體（行動電話也包含在內(nèi)）一年之內(nèi)的頻率變化量約在正負(fù)1PPM以下.頻率變化量一般來說是以指數(shù)函數(shù)來表現(xiàn).一年內(nèi)的變化量即使不測定也能從中預(yù)測,圖三是時間變化的說明圖.

圖三 隨時間變化之說明圖

6、活動逢低

又稱為頻率擾動.原本石英晶體的溫度特性是以三次曲線來表示,但是這個現(xiàn)象若發(fā)生就不是三次函數(shù)了.這是因?yàn)榫趦?nèi)部和其他的模式相結(jié)合之故.石英晶體在作成SMD時,晶片會出現(xiàn)明顯的短柵結(jié)合現(xiàn)象.AT CUT原本是厚度振蕩,但是和這個振動形式結(jié)合,就會同時出現(xiàn)高次外型振動的現(xiàn)象.

要排除這個結(jié)合現(xiàn)象,對于各種振動形式的分析能力,依照經(jīng)驗(yàn)累積的設(shè)計(jì)力與晶片加工的準(zhǔn)確度等,就成為相當(dāng)重要的關(guān)鍵點(diǎn).在通訊面,類比的方式大致上不會有什么問題,但在數(shù)位的情況下,通話中要是發(fā)生激烈的頻率變動,就會因?yàn)?/span>Bit錯誤的發(fā)生而造成無法通話的狀況.圖四表示與晶振晶片軸尺寸結(jié)合的關(guān)系圖.

圖四 與晶片Z軸尺寸結(jié)合的關(guān)系