過度驅(qū)動下小封裝MHZ石英晶振的老化性能
來源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年04月27
很多采購和工程都知道，使用的石英晶振是越小越好，而且小封裝的MHZ晶振雖然很小，但是穩(wěn)定性和精度一般會比較高，可以滿足中高端產(chǎn)品的需求。貼片晶振實現(xiàn)小型化是經(jīng)過幾十年國內(nèi)外頻率元件工程師們不懈的努力，和不斷的研究開發(fā)才得到的結(jié)果。目前市場上比較常見的SMD型小尺寸有7.0*5.0mm，6.0*3.5mm，5.0*3.2mm，3.2*2.5mm，2.5*2.0mm和2.0*1.6mm等，但這幾年已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的封裝。
最近制造和封裝技術(shù)的進步使小尺寸的MHz石英晶體可用到1.6mmx1.2mm。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動水平規(guī)格背后的原因，并定量討論小尺寸石英晶體的老化結(jié)果，驅(qū)動接近1μmW。
十年前這被認為無法實現(xiàn)。由于符合人體工程學(xué)的考慮，智能手機等便攜式設(shè)備似乎沒有變小。但是，越來越多的功能被打包到它們中。便攜式設(shè)備供應(yīng)商繼續(xù)要求越來越小的組件。零部件供應(yīng)商通過迎接挑戰(zhàn)繼續(xù)重塑自我。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。對于最小尺寸的石英晶體諧振器，供應(yīng)商通常會指定低至100μW的最大驅(qū)動電平，并建議將10μW驅(qū)動電平用于正常使用。當(dāng)詢問如果操作驅(qū)動水平超過最大驅(qū)動水平規(guī)格會發(fā)生什么時，供應(yīng)商通常會定性地響應(yīng)-石英晶體可能看到過度老化，可能會看到頻率擾動，并且可能在最嚴重的情況下破碎。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動電平規(guī)格背后的原因，并定量討論2.5mmx2.0mm基本20MHz石英晶體驅(qū)動接近1mW的老化結(jié)果。
小尺寸的石英晶體：
由于目前小尺寸石英晶體仍采用“單一”方法制造（與CSP和WLP方法形成對比），最小的預(yù)制-SPAWDA，深圳，2011年市場上的石英晶體不是必需的最高的體積和最具成本效益。小尺寸密封石英晶體通常由三個關(guān)鍵部件組成-高溫共燒陶瓷（HTCC）基座，鍍鎳可伐合金金屬蓋和石英晶體。石英晶體供應(yīng)商通常以片陣列的形式接收陶瓷基底。供應(yīng)商在清潔過程后將陣列分成單獨的基底，然后通過單一方法進行剩余的晶振生產(chǎn)。大批量出貨的最小石英晶體為1.6mmx1.2mm（1612）（圖1）。最有能力的供應(yīng)商準(zhǔn)備采樣1.2mmx1.0mm（1210）。1.0mmx0.8mm（1008）也正在計劃中。
圖1-1.6mmx1.2mm石英晶體來自TXC公司
表1列出了目前六個不同供應(yīng)商提供的最小的石英晶體。一個值得注意的經(jīng)驗法則是，隨著尺寸變小，在較低頻率下維持低情感電阻（Rm）變得更加困難[2]。這促使一些供應(yīng)商使用不同切割的Lamé模式（與AT切割的厚度-剪切模式相反）石英晶體在一些特殊應(yīng)用中以3.5mmx2.5mm（3225）封裝實現(xiàn)4MHz。
表1來自六個不同供應(yīng)商的小尺寸石英晶體（公共領(lǐng)域信息）
另一個經(jīng)驗法則是供應(yīng)商指定較低的最大驅(qū)動水平，因為石英晶體變小。早期評論的作者之一，“......在許多應(yīng)用中，設(shè)計師通常更喜歡在產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品生命的早期階段使用晶體振蕩器。當(dāng)產(chǎn)品得到廣泛認可時，設(shè)計師傾向于轉(zhuǎn)而使用石英晶體作為降低成本的一部分......“節(jié)省成本對設(shè)計師來說很有吸引力。然而，設(shè)計人員不得不努力指定具有正確負載電容，最大Rm，正確頻率設(shè)置容差（ppm）等的石英水晶振子，以確保其自身電路中的正常振蕩。保持足夠大的負阻抗Rm比（通常>5）并在規(guī)定的最大驅(qū)動電平內(nèi)驅(qū)動晶體是正常振蕩的重要因素。
驅(qū)動水平：
圖2描繪了典型的皮爾斯振蕩電路，其中晶體以其并聯(lián)諧振（fp）驅(qū)動。Rf是反饋電阻，其通常嵌入在振蕩器電路（片內(nèi)）內(nèi)，以便為反相放大器提供DC偏置。對于基頻MHz石英晶體振蕩，Rf約為1MΩ。Rd是控制電阻，可以在芯片外實現(xiàn)以限制流入石英晶體的電流并調(diào)節(jié)振蕩電路的可用負電阻。它的值可以是幾Ω到kΩ的任何值。
圖2典型的皮爾斯振蕩器電路
提供與石英晶體的組合負載電容（CL）。石英晶體消耗的功率Pc可近似為[5]-
V是振蕩器驅(qū)動電壓。Ce等于Co+CL，其中Co是石英晶體的靜電容。以2.5mmx2.0mm12MHz石英晶體為例，Co為0.6pF，CL為12pF，Rm為90Ω，驅(qū)動電壓為1.8V，耗散功率約為120μW。注意，在存在Rd的情況下，石英晶體上的實際電壓不再等于振蕩器驅(qū)動電壓。如前一節(jié)所述，隨著石英晶體變小，供應(yīng)商指定較低的最大驅(qū)動電平。物理推理很清楚，因為較小尺寸的石英晶體消耗能量的可用材料較少。它也可以從Eq。1較高的Rm消耗更多的功率，這是較小的石英晶體的典型特征。設(shè)計人員熟悉頻移與CL（可拉性）的一般趨勢，如圖所示
我們在圖中包括改變控制電阻Rd的值的效果。已知更改CL會更改驅(qū)動器級別（如公式1所示）。它當(dāng)然也改變了振蕩電路可用的負電阻。圖4和圖5組合了這些變化，并改變了Rd值。如今，許多SMD晶振供應(yīng)商為客戶提供振蕩電路和石英晶體匹配的免費電路分析服務(wù)，從而限制功率驅(qū)動到不斷減小尺寸的石英晶體并保持足夠大的負阻抗Rm比。
圖3.具有不同Rd的頻率與負載上限
圖4.驅(qū)動電平與負載電容的變化路徑
即使有了早期規(guī)劃，一些客戶偶爾會發(fā)現(xiàn)他們在產(chǎn)品開發(fā)即將結(jié)束時過度驅(qū)動石英晶體。到那時，電路板設(shè)計是固定的，客戶不再能夠調(diào)整CL，調(diào)整（或添加）Rd，或改為更大尺寸的石英晶振。如引言部分所述，已知石英晶體在高驅(qū)動下老化得更快。然而，作者并未發(fā)現(xiàn)任何已發(fā)表的高驅(qū)動小尺寸石英晶體老化數(shù)據(jù)。我們這里的研究是在2.5mmx2.0mm20MHz的銀電極石英晶體上，典型的Co為0.64pF，CL為16pF，Cl（運動電容）為1.95fF，Rm為~25。最大驅(qū)動電平規(guī)格為100μW。頻率規(guī)格在25±3ºC時＜±7ppm，在-20至70ºC時＜±10ppm，在第一年老化時＜±3ppm。石英晶體經(jīng)過了常規(guī)的可靠性鑒定，包括在85ºC下加速老化測試（100μW耗散）1000小時。在測試結(jié)束時，石英晶體的漂移小于1ppm。相同的石英晶體的兩組（每組六個器件）分別使用具有C1=C2=15pF的7400IC在650μW和950μW耗散下進行相同的加速老化測試。第一組在85℃下老化至1,000小時（圖6）。第二組在85℃下老化至1,500小時（圖7）。
圖6.650μW耗散時的加速老化試驗
圖7.950μW耗散時的加速老化試驗
第一組石英晶體在1000小時后老化2至3ppm。第二組在1,000小時后老化3至5ppm，在1,500小時達到3.5至6ppm。第二套也開始在~1,100小時出現(xiàn)穩(wěn)定跡象。對于所有12個石英晶體，沒有觀察到Rm的顯著增加。由于石英晶體在25ºC的溫度范圍內(nèi)總共具有±17ppm的頻率容差，并且在整個工作溫度范圍內(nèi)，并且預(yù)計Oscillator不會在85ºC連續(xù)運行，因此客戶可能對頻率漂移和振蕩器沒有任何問題。即使它們在規(guī)格上推動這種特定的石英晶體方式，對Rm比率的負阻力也是如此。
小尺寸（2.5mmx2.0mm）20MHz石英晶體，最大驅(qū)動電平為100μW，在650μW耗散時加速老化至85ºC至1,000小時，在950μW耗散時加速至1500小時。正如預(yù)期的那樣，在高頻驅(qū)動下觀察到頻率高于正常漂移（在這種情況下為向下）。盡管觀察到石英晶體的運動阻力和nocatastrophic失?。ňw破裂或破碎）沒有顯著增加。這種特殊的石英晶體的結(jié)果令人鼓舞。然而，作者打算僅提出高驅(qū)動老化結(jié)果，他們確實推動石英晶體超出供應(yīng)商規(guī)定的最大驅(qū)動水平，因為還存在其他問題，例如在高驅(qū)動下出現(xiàn)可能的活動傾角，噪聲增加等等。正在計劃對最小貼片晶振進行更系統(tǒng)，更全面的研究。
過度的驅(qū)動也會影響石英晶體或振蕩器的壽命和工作效應(yīng)，MHZ石英晶振常用的激勵功率通過是10μW~100μW，而32.768K晶振則可以低至0.5μW~1μW，在這些范圍內(nèi)都不算過度驅(qū)動，性能會比較穩(wěn)定。
最近制造和封裝技術(shù)的進步使小尺寸的MHz石英晶體可用到1.6mmx1.2mm。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動水平規(guī)格背后的原因，并定量討論小尺寸石英晶體的老化結(jié)果，驅(qū)動接近1μmW。
十年前這被認為無法實現(xiàn)。由于符合人體工程學(xué)的考慮，智能手機等便攜式設(shè)備似乎沒有變小。但是，越來越多的功能被打包到它們中。便攜式設(shè)備供應(yīng)商繼續(xù)要求越來越小的組件。零部件供應(yīng)商通過迎接挑戰(zhàn)繼續(xù)重塑自我。通常，較大尺寸的石英晶體可以輕松處理高達1mW的驅(qū)動電平。隨著石英晶體尺寸的下降，晶體散裝材料可以處理越來越少的功率。對于最小尺寸的石英晶體諧振器，供應(yīng)商通常會指定低至100μW的最大驅(qū)動電平，并建議將10μW驅(qū)動電平用于正常使用。當(dāng)詢問如果操作驅(qū)動水平超過最大驅(qū)動水平規(guī)格會發(fā)生什么時，供應(yīng)商通常會定性地響應(yīng)-石英晶體可能看到過度老化，可能會看到頻率擾動，并且可能在最嚴重的情況下破碎。本文將回顧當(dāng)今小尺寸石英晶體低驅(qū)動電平規(guī)格背后的原因，并定量討論2.5mmx2.0mm基本20MHz石英晶體驅(qū)動接近1mW的老化結(jié)果。
小尺寸的石英晶體：
由于目前小尺寸石英晶體仍采用“單一”方法制造（與CSP和WLP方法形成對比），最小的預(yù)制-SPAWDA，深圳，2011年市場上的石英晶體不是必需的最高的體積和最具成本效益。小尺寸密封石英晶體通常由三個關(guān)鍵部件組成-高溫共燒陶瓷（HTCC）基座，鍍鎳可伐合金金屬蓋和石英晶體。石英晶體供應(yīng)商通常以片陣列的形式接收陶瓷基底。供應(yīng)商在清潔過程后將陣列分成單獨的基底，然后通過單一方法進行剩余的晶振生產(chǎn)。大批量出貨的最小石英晶體為1.6mmx1.2mm（1612）（圖1）。最有能力的供應(yīng)商準(zhǔn)備采樣1.2mmx1.0mm（1210）。1.0mmx0.8mm（1008）也正在計劃中。
圖1-1.6mmx1.2mm石英晶體來自TXC公司
表1來自六個不同供應(yīng)商的小尺寸石英晶體（公共領(lǐng)域信息）
驅(qū)動水平：
圖2描繪了典型的皮爾斯振蕩電路，其中晶體以其并聯(lián)諧振（fp）驅(qū)動。Rf是反饋電阻，其通常嵌入在振蕩器電路（片內(nèi)）內(nèi)，以便為反相放大器提供DC偏置。對于基頻MHz石英晶體振蕩，Rf約為1MΩ。Rd是控制電阻，可以在芯片外實現(xiàn)以限制流入石英晶體的電流并調(diào)節(jié)振蕩電路的可用負電阻。它的值可以是幾Ω到kΩ的任何值。
圖2典型的皮爾斯振蕩器電路
V是振蕩器驅(qū)動電壓。Ce等于Co+CL，其中Co是石英晶體的靜電容。以2.5mmx2.0mm12MHz石英晶體為例，Co為0.6pF，CL為12pF，Rm為90Ω，驅(qū)動電壓為1.8V，耗散功率約為120μW。注意，在存在Rd的情況下，石英晶體上的實際電壓不再等于振蕩器驅(qū)動電壓。如前一節(jié)所述，隨著石英晶體變小，供應(yīng)商指定較低的最大驅(qū)動電平。物理推理很清楚，因為較小尺寸的石英晶體消耗能量的可用材料較少。它也可以從Eq。1較高的Rm消耗更多的功率，這是較小的石英晶體的典型特征。設(shè)計人員熟悉頻移與CL（可拉性）的一般趨勢，如圖所示
我們在圖中包括改變控制電阻Rd的值的效果。已知更改CL會更改驅(qū)動器級別（如公式1所示）。它當(dāng)然也改變了振蕩電路可用的負電阻。圖4和圖5組合了這些變化，并改變了Rd值。如今，許多SMD晶振供應(yīng)商為客戶提供振蕩電路和石英晶體匹配的免費電路分析服務(wù)，從而限制功率驅(qū)動到不斷減小尺寸的石英晶體并保持足夠大的負阻抗Rm比。
圖3.具有不同Rd的頻率與負載上限
圖4.驅(qū)動電平與負載電容的變化路徑
圖5.具有不同Rd的負阻與負載上限
過度驅(qū)動的石英晶體的老化：即使有了早期規(guī)劃，一些客戶偶爾會發(fā)現(xiàn)他們在產(chǎn)品開發(fā)即將結(jié)束時過度驅(qū)動石英晶體。到那時，電路板設(shè)計是固定的，客戶不再能夠調(diào)整CL，調(diào)整（或添加）Rd，或改為更大尺寸的石英晶振。如引言部分所述，已知石英晶體在高驅(qū)動下老化得更快。然而，作者并未發(fā)現(xiàn)任何已發(fā)表的高驅(qū)動小尺寸石英晶體老化數(shù)據(jù)。我們這里的研究是在2.5mmx2.0mm20MHz的銀電極石英晶體上，典型的Co為0.64pF，CL為16pF，Cl（運動電容）為1.95fF，Rm為~25。最大驅(qū)動電平規(guī)格為100μW。頻率規(guī)格在25±3ºC時＜±7ppm，在-20至70ºC時＜±10ppm，在第一年老化時＜±3ppm。石英晶體經(jīng)過了常規(guī)的可靠性鑒定，包括在85ºC下加速老化測試（100μW耗散）1000小時。在測試結(jié)束時，石英晶體的漂移小于1ppm。相同的石英晶體的兩組（每組六個器件）分別使用具有C1=C2=15pF的7400IC在650μW和950μW耗散下進行相同的加速老化測試。第一組在85℃下老化至1,000小時（圖6）。第二組在85℃下老化至1,500小時（圖7）。
圖6.650μW耗散時的加速老化試驗
圖7.950μW耗散時的加速老化試驗
小尺寸（2.5mmx2.0mm）20MHz石英晶體，最大驅(qū)動電平為100μW，在650μW耗散時加速老化至85ºC至1,000小時，在950μW耗散時加速至1500小時。正如預(yù)期的那樣，在高頻驅(qū)動下觀察到頻率高于正常漂移（在這種情況下為向下）。盡管觀察到石英晶體的運動阻力和nocatastrophic失?。ňw破裂或破碎）沒有顯著增加。這種特殊的石英晶體的結(jié)果令人鼓舞。然而，作者打算僅提出高驅(qū)動老化結(jié)果，他們確實推動石英晶體超出供應(yīng)商規(guī)定的最大驅(qū)動水平，因為還存在其他問題，例如在高驅(qū)動下出現(xiàn)可能的活動傾角，噪聲增加等等。正在計劃對最小貼片晶振進行更系統(tǒng)，更全面的研究。
過度的驅(qū)動也會影響石英晶體或振蕩器的壽命和工作效應(yīng)，MHZ石英晶振常用的激勵功率通過是10μW~100μW，而32.768K晶振則可以低至0.5μW~1μW，在這些范圍內(nèi)都不算過度驅(qū)動，性能會比較穩(wěn)定。
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