臺灣TXC公司對晶體老化與頻漂機(jī)理的研究報告
來源：http://m.tuanchewang.com 作者：康華爾電子 2019年09月21
目前在石英水晶組件領(lǐng)域里,晶體老化和頻率漂移是比較常見的兩大問題,品質(zhì)高的晶體晶振一般不會發(fā)生這兩種現(xiàn)象,但是有時候因為不正確的操作或者匹配,也有可能導(dǎo)致石英晶振的老化和頻率發(fā)生變化.TXC晶振公司是行業(yè)里的佼佼者,多年來一直重點研究和改善晶體頻漂和老化的機(jī)理,以及處理解決的方法,以下內(nèi)容是TXC公司的研究成果與報告.
隨著石英晶體諧振器在移動電話和汽車中的廣泛應(yīng)用,甚至伴隨著尺寸的小型化,石英晶體諧振器的長期頻率穩(wěn)定性被認(rèn)為是最重要的特性,這一特性已經(jīng)研究了數(shù)十年.通常將老化定義為頻率漂移的時間函數(shù),它可能受到許多因素的影響,例如應(yīng)力,從包裝和導(dǎo)電膠中逸出的氣體,污染物,石英缺陷.尤其是應(yīng)力消除和污染被認(rèn)為是最重要的.
作為長期穩(wěn)定性的老化是石英晶體諧振器的最重要特征之一,應(yīng)力和廢氣起著重要作用.本文分析了不同安裝類型和老化溫度條件下的老化頻率漂移機(jī)理.結(jié)果表明,兩點和四點安裝的石英芯片在85℃老化下的頻率漂移相似;但是,兩點安裝的諧振器在150℃老化下的穩(wěn)定性要比四點安裝的石英晶體諧振器好得多.主要原因是兩點安裝諧振器的老化曲線是綜合的老化曲線,因為排氣和應(yīng)力的影響得到了很好的平衡,這一點得到了IVA測試的支持.
對于諧振器,通常使用25ppm的商業(yè)應(yīng)用中每年2ppm至5ppm的汽車,以及25°C的汽車中每年3ppm的汽車.因此,研究了許多相關(guān)主題,例如,安裝點的幾何變化對老化的影響[2]和AT切諧振器的老化的實驗結(jié)果.在此,J.R.Vig和T.R.Meeker的研究提出了三種典型的老化類型:以應(yīng)力為主的正向老化,以質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)為主的負(fù)老化和以應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)為主的綜合老化.如今,無法使用有效的方法或設(shè)備直接檢測壓力,但是可以通過內(nèi)部蒸氣分析(IVA測試)來評估廢氣,這可以幫助確保廢氣如何影響老化.圖1顯示了150℃時的頻率漂移趨勢.
TXC 3.2mm×2.5mm石英晶振,共有四個安裝點,在500小時后偏差接近4ppm.
圖1.150℃下的常見頻率漂移趨勢
通常會看到如上所述的負(fù)老化現(xiàn)象,即頻率不斷下降,其原因通常被認(rèn)為是導(dǎo)電膠排出的氣體.從理論上講,當(dāng)應(yīng)力的正作用等于排氣的負(fù)作用時,頻率將保持穩(wěn)定,換句話說,當(dāng)減弱質(zhì)量加載作用時,正作用將顯示出來,從而應(yīng)力將主導(dǎo)頻率漂移.本文將研究不同安裝類型在不同老化溫度下的老化頻率漂移機(jī)理.實驗
在我們的研究中,實驗中使用的TXC3.2mm×2.5mmSeam型X'諧振器的頻率為AT截止頻率40MHz,其中較軟(tanδ?0.2)和正常生產(chǎn)過程的有機(jī)硅基導(dǎo)電膠是另外,使用導(dǎo)電膠的安裝位置如圖2至圖4所示,安裝直徑全部控制為250μm.實驗中添加了一種吸氣劑樹脂,以吸收廢氣,然后降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng),其作用是不可逆的吸氣劑,吸收CO2和H2O.如上所述設(shè)置材料和參數(shù)可以客觀地反映不同安裝類型的老化行為.
為了證明什么是頻率漂移機(jī)制,在老化測試中使用了兩種安裝類型和兩種溫度,并測量和分析了兩種貼片晶振安裝類型的頻率偏差和頻率漂移趨勢.實驗條件列于表1.共有6個實驗,每個實驗測量30個樣品.平均數(shù)據(jù)將用于獲得頻率漂移趨勢.
圖2,圖3和圖4顯示了樣本的照片,包括正視圖和側(cè)視圖.前視圖通過光學(xué)顯微鏡獲得,而側(cè)視圖通過丹東奧龍X射線儀捕獲.很明顯,圖2(a)和圖3(a)幾乎相同,因為吸氣劑正如圖2(b)那樣安裝在坯料下方,因此從正視圖中看不到.
老化結(jié)果
通過比較實驗,結(jié)果表明,在5℃的三種水晶振子安裝類型下,頻率漂移如圖5所示,其中500小時后的頻率偏差在2ppm以內(nèi).圖6顯示了在150℃下不同安裝類型的頻率偏差是不同的,其中500小時后四個安裝點的頻率偏差接近5ppm,而兩個安裝點的頻率偏差仍在2ppm以內(nèi).尤其是在85℃和150℃老化條件下添加吸氣劑的頻移在兩個安裝點上沒有差異.
圖5.85℃時的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃下的老化頻率漂移趨勢
在本文中,應(yīng)力和廢氣都被認(rèn)為同時存在,并共同影響諧振器的老化穩(wěn)定性.從85℃的老化結(jié)果可以推斷出,不同安裝類型的氣體幾乎沒有逸出,因此質(zhì)量加載效果沒有明顯差異,因此頻率穩(wěn)定性相似.當(dāng)溫度升至150℃時,從四個安裝點逸出的氣體更多,會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,因此很容易發(fā)生負(fù)老化,頻率會嚴(yán)重下降.相比之下,具有兩個安裝點的石英諧振器通過消除在坯料上的安裝粘合劑來降低質(zhì)量負(fù)載效應(yīng),并使應(yīng)力的正效應(yīng)在老化中起主導(dǎo)作用,因此其頻率相對穩(wěn)定,并且老化曲線趨向于綜合老化.為什么添加吸氣劑的老化行為表現(xiàn)得像兩個安裝點一樣,可以推斷出IVA測試結(jié)果.
IVA結(jié)果
IVA測試是一種材料除氣特性分析方法,廣泛用于密封設(shè)備中,用于測量蒸氣狀態(tài)下?lián)]發(fā)性有機(jī)物和其他物質(zhì)的相對體積濃度.IVA測試只能提供內(nèi)容物的相對體積比,其準(zhǔn)確度以ppm為單位.此外,假設(shè)3.2mm×2.5mmX'諧振器具有相同的密封體積,并且在真空環(huán)境下焊接,則可以將相對體積比轉(zhuǎn)換為相對質(zhì)量比,以分析質(zhì)量加載效果.實際上,諧振器中使用的所有材料都可能脫氣,并且還可能影響長期的頻率穩(wěn)定性,例如,可以從陶瓷封裝,金屬蓋和導(dǎo)電膠中對N2,H2,H2O和CO2進(jìn)行脫氣.在本文中,假定IVA含量是由導(dǎo)電膠貢獻(xiàn)的,因為其組成的主要部分是有機(jī)樹脂.
在本文中,我們研究了不同安裝設(shè)計下的頻率漂移行為.與四個安裝點相比,兩個安裝點的頻率漂移趨勢接近于綜合老化.兩個安裝點的IVA結(jié)果顯示,在150℃的老化過程中,最大的逸氣逸出量對質(zhì)量負(fù)載產(chǎn)生負(fù)面影響,但是兩個安裝點的應(yīng)力控制作用比質(zhì)量負(fù)載強(qiáng),因此,高頻穩(wěn)定性可以控制在2ppm以下150℃老化.相反,由于CO2在質(zhì)量負(fù)載的負(fù)面影響中占主導(dǎo)地位,因此四個安裝點大于應(yīng)力的正面影響,因此,頻率漂移頻率在老化開始時就連續(xù)下降.本文通過兩個應(yīng)力點控制TXC3.2mm×2.5mmSeam型石英晶體的頻率偏差,在85℃時的老化能力與四個應(yīng)力點相同,滿足了廣泛的商業(yè)應(yīng)用,并有望達(dá)到150℃的汽車應(yīng)用甚至不需要添加吸氣劑即可節(jié)省材料成本.
隨著石英晶體諧振器在移動電話和汽車中的廣泛應(yīng)用,甚至伴隨著尺寸的小型化,石英晶體諧振器的長期頻率穩(wěn)定性被認(rèn)為是最重要的特性,這一特性已經(jīng)研究了數(shù)十年.通常將老化定義為頻率漂移的時間函數(shù),它可能受到許多因素的影響,例如應(yīng)力,從包裝和導(dǎo)電膠中逸出的氣體,污染物,石英缺陷.尤其是應(yīng)力消除和污染被認(rèn)為是最重要的.
作為長期穩(wěn)定性的老化是石英晶體諧振器的最重要特征之一,應(yīng)力和廢氣起著重要作用.本文分析了不同安裝類型和老化溫度條件下的老化頻率漂移機(jī)理.結(jié)果表明,兩點和四點安裝的石英芯片在85℃老化下的頻率漂移相似;但是,兩點安裝的諧振器在150℃老化下的穩(wěn)定性要比四點安裝的石英晶體諧振器好得多.主要原因是兩點安裝諧振器的老化曲線是綜合的老化曲線,因為排氣和應(yīng)力的影響得到了很好的平衡,這一點得到了IVA測試的支持.
對于諧振器,通常使用25ppm的商業(yè)應(yīng)用中每年2ppm至5ppm的汽車,以及25°C的汽車中每年3ppm的汽車.因此,研究了許多相關(guān)主題,例如,安裝點的幾何變化對老化的影響[2]和AT切諧振器的老化的實驗結(jié)果.在此,J.R.Vig和T.R.Meeker的研究提出了三種典型的老化類型:以應(yīng)力為主的正向老化,以質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)為主的負(fù)老化和以應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)為主的綜合老化.如今,無法使用有效的方法或設(shè)備直接檢測壓力,但是可以通過內(nèi)部蒸氣分析(IVA測試)來評估廢氣,這可以幫助確保廢氣如何影響老化.圖1顯示了150℃時的頻率漂移趨勢.
TXC 3.2mm×2.5mm石英晶振,共有四個安裝點,在500小時后偏差接近4ppm.
圖1.150℃下的常見頻率漂移趨勢
在我們的研究中,實驗中使用的TXC3.2mm×2.5mmSeam型X'諧振器的頻率為AT截止頻率40MHz,其中較軟(tanδ?0.2)和正常生產(chǎn)過程的有機(jī)硅基導(dǎo)電膠是另外,使用導(dǎo)電膠的安裝位置如圖2至圖4所示,安裝直徑全部控制為250μm.實驗中添加了一種吸氣劑樹脂,以吸收廢氣,然后降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng),其作用是不可逆的吸氣劑,吸收CO2和H2O.如上所述設(shè)置材料和參數(shù)可以客觀地反映不同安裝類型的老化行為.
為了證明什么是頻率漂移機(jī)制,在老化測試中使用了兩種安裝類型和兩種溫度,并測量和分析了兩種貼片晶振安裝類型的頻率偏差和頻率漂移趨勢.實驗條件列于表1.共有6個實驗,每個實驗測量30個樣品.平均數(shù)據(jù)將用于獲得頻率漂移趨勢.
表1.實驗條件
| 安裝類型 | 時效溫度 |
| 2個帶吸氣劑的安裝點 | 85℃/150℃ |
| 2個安裝點 | 85℃/150℃ |
| 4個安裝點 | 85℃/150℃ |
老化結(jié)果
通過比較實驗,結(jié)果表明,在5℃的三種水晶振子安裝類型下,頻率漂移如圖5所示,其中500小時后的頻率偏差在2ppm以內(nèi).圖6顯示了在150℃下不同安裝類型的頻率偏差是不同的,其中500小時后四個安裝點的頻率偏差接近5ppm,而兩個安裝點的頻率偏差仍在2ppm以內(nèi).尤其是在85℃和150℃老化條件下添加吸氣劑的頻移在兩個安裝點上沒有差異.
圖5.85℃時的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃下的老化頻率漂移趨勢
IVA結(jié)果
IVA測試是一種材料除氣特性分析方法,廣泛用于密封設(shè)備中,用于測量蒸氣狀態(tài)下?lián)]發(fā)性有機(jī)物和其他物質(zhì)的相對體積濃度.IVA測試只能提供內(nèi)容物的相對體積比,其準(zhǔn)確度以ppm為單位.此外,假設(shè)3.2mm×2.5mmX'諧振器具有相同的密封體積,并且在真空環(huán)境下焊接,則可以將相對體積比轉(zhuǎn)換為相對質(zhì)量比,以分析質(zhì)量加載效果.實際上,諧振器中使用的所有材料都可能脫氣,并且還可能影響長期的頻率穩(wěn)定性,例如,可以從陶瓷封裝,金屬蓋和導(dǎo)電膠中對N2,H2,H2O和CO2進(jìn)行脫氣.在本文中,假定IVA含量是由導(dǎo)電膠貢獻(xiàn)的,因為其組成的主要部分是有機(jī)樹脂.
在本文中,我們研究了不同安裝設(shè)計下的頻率漂移行為.與四個安裝點相比,兩個安裝點的頻率漂移趨勢接近于綜合老化.兩個安裝點的IVA結(jié)果顯示,在150℃的老化過程中,最大的逸氣逸出量對質(zhì)量負(fù)載產(chǎn)生負(fù)面影響,但是兩個安裝點的應(yīng)力控制作用比質(zhì)量負(fù)載強(qiáng),因此,高頻穩(wěn)定性可以控制在2ppm以下150℃老化.相反,由于CO2在質(zhì)量負(fù)載的負(fù)面影響中占主導(dǎo)地位,因此四個安裝點大于應(yīng)力的正面影響,因此,頻率漂移頻率在老化開始時就連續(xù)下降.本文通過兩個應(yīng)力點控制TXC3.2mm×2.5mmSeam型石英晶體的頻率偏差,在85℃時的老化能力與四個應(yīng)力點相同,滿足了廣泛的商業(yè)應(yīng)用,并有望達(dá)到150℃的汽車應(yīng)用甚至不需要添加吸氣劑即可節(jié)省材料成本.
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