32.768K晶振被用作驅(qū)動(dòng)手表和IC的參考時(shí)鐘信號(hào),因?yàn)樗苋菀撰@得高精度的一秒信號(hào)將此頻率用于數(shù)字電子電路.村田制作所開發(fā)出基于內(nèi)部研究的世界上超小的32.768kHz,MEMS諧振器.MEMS指微機(jī)電系統(tǒng),這些系統(tǒng)具有使用半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)形成的3D微結(jié)構(gòu).諧振器等定時(shí)裝置是無源元件,用于在IC工作時(shí)產(chǎn)生參考時(shí)鐘信號(hào).高質(zhì)量諧振器可產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定性信號(hào),這對(duì)于穩(wěn)定的IC操作至關(guān)重要.村田晶振開發(fā)出世界超小的32.768kHz MEMS諧振器將制造為減少物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,可穿戴設(shè)備和醫(yī)療保健設(shè)備的尺寸和功耗做出了重大貢獻(xiàn).

物聯(lián)網(wǎng),可穿戴和醫(yī)療保健相關(guān)的應(yīng)用,其中小尺寸,長操作時(shí)間和更長的電池壽命是必不可少的,這增加了對(duì)降低功耗的緊湊型電子組件的需求.32.768K諧振器廣泛用于功耗敏感的應(yīng)用中,以保持準(zhǔn)確的時(shí)間,同時(shí)允許耗電的資源進(jìn)入深度睡眠模式,從而節(jié)省系統(tǒng)級(jí)功率并延長整體電池壽命.

新的MEMS諧振器比競(jìng)爭解決方案小50％以上,同時(shí)具有低ESR(ESR指等效串聯(lián)電阻.較小的ESR表示更容易生成穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)),出色的頻率精度和低功耗.這是由于使用了MEMS,這是一種由Murata Electronics Oy（前身為VTI Technologies）開發(fā)的技術(shù),該技術(shù)具有獨(dú)特創(chuàng)新的MEMS記錄,可用于汽車行業(yè)的各種應(yīng)用.新型諧振器的批量生產(chǎn)計(jì)劃于2018年12月開始作為WMRAG系列.

在通過MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí),新型MEMS諧振器的頻率溫度特性低于160ppm（工作溫度-30至85℃）,初始頻率精度（25℃）與a/a相當(dāng)或更好.

日本京瓷晶振成立于1982年,憑借高超的生產(chǎn)技術(shù),先進(jìn)的服務(wù)理念發(fā)展成為國際知名品牌,在業(yè)內(nèi)享有重要聲譽(yù).京瓷晶振集團(tuán)在全球的事業(yè)涉及原料、零件、設(shè)備、機(jī)器,以及服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)領(lǐng)域.所生產(chǎn)的石英晶體,貼片晶振產(chǎn)品更是獲得國內(nèi)廣大用戶一致認(rèn)可.以下為億金電子進(jìn)口晶振代理商所提供的京瓷石英貼片晶振編碼,歡迎下載查閱.

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石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,其基本結(jié)構(gòu)為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結(jié)構(gòu)圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶振晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)石英晶振晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶振晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

石英晶振晶體的符號(hào)和等效電路

石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖23所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)石英晶體諧振時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達(dá)1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

采用離子刻蝕進(jìn)行晶振頻率微調(diào),在刻蝕后晶振的頻率會(huì)發(fā)生偏移。這會(huì)使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會(huì)產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對(duì)于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時(shí),一邊用測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當(dāng)刻蝕停止后,會(huì)出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象?？涛g剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會(huì)漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因?yàn)殡x子刻蝕時(shí)對(duì)晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深?yuàn)W,在此不做討論。本文主要通過實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對(duì)石英晶振進(jìn)行離子刻蝕加工時(shí)設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用離子束對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計(jì)出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:A品種的石英晶振使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進(jìn)行較大刻蝕速度對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當(dāng)刻蝕量為2000ppm時(shí),頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時(shí),頻率偏移量便會(huì)超過100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會(huì)隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對(duì)石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時(shí)的情況類似,刻蝕速度增加時(shí),刻蝕后的偏移量也會(huì)隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時(shí),刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會(huì)減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時(shí),刻蝕量為200pm時(shí),刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時(shí),刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會(huì)有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進(jìn)行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進(jìn)行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實(shí)際最終頻率,當(dāng)實(shí)際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實(shí)際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實(shí)際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報(bào)廢。

而在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識(shí),不能精確的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的產(chǎn)品會(huì)因?yàn)榭涛g速度過快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會(huì)降低加工的效率,當(dāng)時(shí)間超過設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間后,就會(huì)直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)椴僮鲉T沒有系統(tǒng)的理解以上理論知識(shí),當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因?yàn)閾?dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時(shí)應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時(shí)的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過低。使得在進(jìn)行L段加工時(shí),時(shí)間過長,超過了設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒有經(jīng)過確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時(shí)不但沒有效果,反而因?yàn)樗俣忍?/span>,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因?yàn)闆]有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時(shí),因?yàn)?/span>H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時(shí)離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節(jié)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終晶振頻率設(shè)定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設(shè)定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實(shí)際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照?qǐng)?zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對(duì)制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。