小型高可靠石英晶体振荡器的研制

【摘要】本文介绍了30MHz小型石英晶体振荡器使用表面贴装技术把集成电路、印制电路板与石英晶体混合组成晶体振荡器，采用了新工艺，新材料，先进的晶体制造技术，电路设计新颖，加工方便，利用二次封装技术，实现了具有超宽温度，小体积，重量轻，频率稳定，功耗低，可靠性高等优点。

【关键词】石英晶体谐振器;集成电路;二次封装

随着时代的进步，改革开放的不断深入，科学技术的迅猛发展，新产品、新器件层出不穷。我们引进了钟振这种新型器件，它是将普通晶体振荡器的除石英谐振器外的诸多元件集成于一块标准的可封装的集成电路中，在相应频段焊上不同的石英谐振器就成为了不同频率的振荡器，它是一种新型的晶体器件。石英谐振器的频率在一定条件下直接决定了钟振的频率，要制作不同频率的钟振，实质上就是制作与之配套的不同频率的石英谐振器，因此石英谐振器是钟振的核心部分。

1.产品主要技术指标

频率—温度稳定度：≤±30×10-6;

工作温度：-55℃～+125℃;

基准温度初始精度：≤±3×10-6;

频率—电压允差：≤3×10-6;

输出波形：方波;

占空比：45%～55%;

短期频率稳定度：0.05ppm/s;

电源电压：+5V±0.5V;

外形尺寸：20.8mm×13mm×5.6mm。

2.技术难点

2.1 宽温频率—温度稳定度

在-55℃～125℃超宽温度范围内使其频率温度稳定度达30ppm，且体积又小，难度是很大。采用石英晶体谐振器计算机辅助设计软件，计算晶体角度，为保证温度频差，对晶体切角进行了大量试验验证，对EFG角度分选出各种角度做成的晶体用美国S&A公司制造的2200晶体综合参数测试系统，反复几次的温度测试、数据取样论证，得出结论角度选为AT切35°30"±0.5"，满足技术要求。

2.2 高可靠性的保证

电子系统向着小型化和高密度化发展，使得其内部热功率密度增加，可靠性降低。降低电路的功耗，是减少系统内部温升的主要途径。尽量采用低功耗器件，在满足工作速度的情况下，尽量选用CMOS电路，此电路就是选用CMOS电路。同时又改变了通用钟用晶振加工工艺，以往晶片裸露封装，晶片易损坏，现把整个薄膜电路改为印制电路板形式，并且把军用元件，石英晶体牢固的焊在印制电路板上，使元器件与印制电路板成为一体，此设计方案起到双重保护作用，这样能经受较大的振动和冲击，满足用户的技术需求，在结构上采用二次焊封装技术，密封性好，这样就确保该振荡器能稳定可靠的工作。

2.3 基准温度初始精度

针对钟振来说想达到基准温度初始精度±3ppm这个精度是很难的，晶体的频率温度转折点约在27℃左右，既要保证宽温温度特性，又要保证±3ppm的基准温度初始精度，必须采用功耗小的集成电路来实现，集成电路功耗一般都在25mA左右，通过增大电路中反馈偏值电阻，来减小电流，使电流达到10mA左右，降低功率，再采取晶体外壳大面积接地来散热，降低电流通过晶体产生热量使其频率漂移，满足此项指标要求。

3.振荡电路的设计

3.1 设计方案

振荡器是一种把直流电能转变为一定形式的周期交变的信号发生器。振荡系统可以是LC组成的振荡回路，称作LC振荡器。而LC振荡器的频率稳定度只能达到10-2～10-3量级。许多应用领域中是不能满足技术要求的。由于石英谐振器具有很高的Q值，能使频率稳定度可以提高到10-4～10-10量级或者更高。所以，在频率稳定度要求很高的情况下，就要使用石英晶体组成的振荡器。这种晶体振荡器体积小、性能稳定，可以做到几十个PPM甚至更小，完全能达到技术指标要求，满足用户使用需求，适合批量生产。

根据用户要求的技术指标，要设计一种高可靠并适用温度超宽，输出波形为方波的振荡器。通过论证，采用集成电路与晶体谐振器相结合，产生振荡，组成晶体振荡器。如图1。这种电路设计新颖，加工方便，可靠性高，输出频率稳定，适合批量生产。

图1

3.2 满足电路振荡的理论条件

使用表面贴装技术把集成电路、印制电路板与石英晶体混合组成晶体振荡器，振荡线路由放大器和反馈网络按闭环回路组成，如图2所示。

图2

此电路产生振荡条件是：

a.放大器A的电压增益A乘以反馈网络F的衰减系数F的积必须大于1，即AF≥1。

b.信号通过放大器A和反馈网络F后，其总的相移为360o的正整数倍。

4.振荡器用晶体设计

4.1 水晶材料

水晶有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。不论是天然水晶还是人造水晶，都程度不同的存在一些缺陷，这些缺陷，轻的会影响晶体元件的电性能，严重的根本就不能使用。随着晶体的小型化，高频化，和高稳定度要求，对水晶质量的要求越来越高。因此，为保证晶体质量，对水晶材料的质量要求是比较严格的。本产品的要求是Q值>240万的Z块（或Z板）人造水晶，包裹体密度的等级标准选Ⅰ级，腐蚀隧道密度不低于3级。

4.2 石英晶片的设计

标称频率为30MHz的晶体，根据该振荡器内部设计结构及可靠性，我们选AT切泛音振动模式，晶片外形通常采用Ф=4.5mm平片倒边。

4.3 工艺过程

4.3.1 切角的保证

对切割后为35o30"±2"的方片，进行角度校对，使其在35o30"±0.5"以内。为了保证最终角度，经过粗磨、改圆、精磨后的晶片再进行一次EFG角度分选，进一步保证切角的精度。

4.3.2 滚筒倒边

利用滚筒倒边可以有效地抑制寄生振动，减少边缘效应，从而改善石英片的电性能。利用进筒前后频率，可以有效地控制倒边宽度，倒边频率上升60kHz，可达预期效果。

4.3.3 抛光

对滚筒倒边合格的石英晶片用二氧化铈进行抛光，最后使晶片的厚度达0.168mm+ 0.003mm以内。

4.3.4 清洗、被银、上架点胶、微调等

工序同其它石英谐振器的加工基本相同。

4.3.5 封装与老化

封装采用真空电阻焊封装，然后放入105℃±2℃烘箱内老化168h。

5.实测结果

按照上述的设计方案对产品进行了生产试制，从测试结果看（如表1所示），振荡器的各项指标完全达到了技术指标，满足用户上机使用要求。

6.结束语

钟振由于它具有体积小，重量轻，功耗低，稳定性好，加工方便并广泛适用于数字电路等优点而具有巨大的发展潜力。我们采用了新工艺、新材料，采用了先进的晶体制造技术、使产品达到了国内领先水平，在研制生产中不断总结经验教训，逐步摸索出一套适合于我们现有条件的加工制作工艺，进一步提高产品质量，更好地为科研服务。

参考文献

[1]张沛霖，钟维烈，等.压电材料与器件物理[M].山东科学技术出版社，1997.

[2]赵声衡.晶体振荡器[M].科学出版社，2008.

[3]郑浩哲，周进，宋文炳，等.晶体谐振器石英晶片设计的专家系统[A].辽宁省民族科普协会首届中青年学术会议论文集[C].辽宁民族出版社，2007.

作者简介：李伟（1970—），女，辽宁辽阳人，工程师，研究方向：石英晶体谐振器的设计与开发。