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首頁新聞中心 TXC公司通過檢測晶振老化頻漂的實(shí)驗(yàn)得出什么結(jié)果

TXC公司通過檢測晶振老化頻漂的實(shí)驗(yàn)得出什么結(jié)果

來源:http://m.wyss.net.cn 作者:金洛鑫電子 2019年04月30
   晶振老化問題幾十年來一直困擾著廣大工程師,也在一定程度上影響石英晶振的發(fā)展,更重要的是,有時候晶體或振蕩器會因?yàn)槔匣闆r,而發(fā)生頻率漂移的現(xiàn)象,簡單的說就是標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生變化,不再穩(wěn)定正常的發(fā)揮頻率振蕩特性。為了處理這個難題,TXC晶振公司做了如下實(shí)驗(yàn),測試?yán)匣?,頻漂,老化溫度等方面,采用IVA測試方法,這是比較先進(jìn)的檢查方式之一,接下來讓我們看看這一過程及結(jié)果。
   隨著石英晶體諧振器(X'tal諧振器)在移動電話和汽車中的廣泛應(yīng)用,甚至伴隨尺寸小型化,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,已經(jīng)研究了數(shù)十年。老化通常被定義為頻率漂移的時間函數(shù),其可能受到許多因素的影響,例如應(yīng)力,從封裝和導(dǎo)電粘合劑逸出的廢氣,污染物,石英缺陷。特別是應(yīng)力消除和污染被認(rèn)為是最重要的,由Gehrke和Klawitter分析[1]。對于X'tal諧振器,在25℃的商業(yè)應(yīng)用中每年2ppm至5ppm,在25℃下每年3ppm的汽車通常用于規(guī)范。因此,研究了許多相關(guān)的主題,例如,安裝點(diǎn)的幾何變化對老化的影響[2]和AT切割諧振器老化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中,在J.R.Vig和T.R.Meeker[3]的研究中提出了三種典型的衰老類型:由應(yīng)力主導(dǎo)的積極老化,以質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)為主的負(fù)衰老,以及由應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)主導(dǎo)的綜合老化。如今,使用有效的方法或設(shè)備無法直接檢測到壓力,但可以通過內(nèi)部蒸汽分析(IVA測試)來測量排氣,這可以幫助確定排氣如何影響老化。
   老化作為長期穩(wěn)定性是石英晶體諧振器最重要的特性之一,應(yīng)力和尾氣作出了重大貢獻(xiàn)。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(diǎn)和四點(diǎn)安裝石英芯片在85℃時效時的頻率漂移相似;然而,兩點(diǎn)安裝諧振器在150℃老化下的穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于四點(diǎn)安裝諧振器。主要原因是兩點(diǎn)安裝諧振器的老化曲線是一個綜合老化曲線,因?yàn)榕艢夂蛻?yīng)力的影響很好地平衡,這是由IVA測試支持的。
   圖1顯示了TXC 3.2mm×2.5mmSeam型X'tal諧振器在150℃時的頻率漂移趨勢,其共有四個安裝點(diǎn),500小時后偏差接近4ppm。
PPJL1.jpg
圖1.150℃時的常見頻率漂移趨勢
   通常可以看到如上所述的負(fù)老化,即頻率持續(xù)下降,其原因通常被認(rèn)為是來自導(dǎo)電粘合劑的外氣。從理論上講,當(dāng)應(yīng)力的正效應(yīng)等于排氣的負(fù)效應(yīng)時,頻率將是穩(wěn)定的,換句話說,當(dāng)弱化質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)時,將顯示正效應(yīng),從而頻率漂移將受到應(yīng)力的支配。本文研究了不同老化溫度下不同安裝類型的老化頻率漂移機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)和結(jié)果:
   在我們的研究中,TXC晶振3.2mm×2.5mmSeam型X'tal晶振的頻率是基本AT-cut40MHz用于實(shí)驗(yàn),其中相對較軟(tanδ~0.2)的硅基導(dǎo)電膠和正常的生產(chǎn)工藝是另外,導(dǎo)電粘合劑的安裝位置如圖2至圖4所示,安裝直徑全部控制在250μm。在實(shí)驗(yàn)中加入吸氣樹脂以吸收廢氣然后降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng),其作用是吸收CO2和H2O的不可逆吸濕劑。如上所述設(shè)定材料和參數(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,在老化測試中使用兩種安裝類型和兩種溫度,并且測量和分析兩種安裝類型的頻率偏差和頻率漂移趨勢。實(shí)驗(yàn)條件列于表1中??偣灿?個實(shí)驗(yàn),并且測量每個實(shí)驗(yàn)的30個樣品。平均數(shù)據(jù)將用于獲得頻率漂移趨勢。
表1.實(shí)驗(yàn)條件

安裝類型 老化溫度
帶吸氣劑的2個安裝點(diǎn) 85℃/150℃
2個安裝點(diǎn) 85℃/150℃
4個安裝點(diǎn) 85℃/150℃
   圖2,圖3和圖4顯示了石英晶振樣本的照片,包括正視圖和側(cè)視圖。通過光學(xué)顯微鏡獲得正面視圖,側(cè)視圖由丹東奧龍X射線儀器捕獲。很明顯,圖2(a)和圖3(a)幾乎是相同的,因?yàn)槿鐖D2(b)所示,吸氣劑剛好安裝在坯料下面,因此從前視圖看不到它。
PPJL2.jpg
圖2.帶吸氣劑的兩個安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖(a)前視圖;(b)吸氣劑的前視圖;(c)側(cè)視圖。
PPJL3.jpg
圖3.兩個安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖(a)前視圖;(b)側(cè)視圖。
PPJL4.jpg
圖4.四個安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖(a)前視圖;(b)側(cè)視圖。
   在本文中,將比較和分析不同實(shí)驗(yàn)條件對衰老的影響,并伴隨使用ORS(ONEIDARESEARCHSERVICES,INC。)儀器的IVA測試結(jié)果。
老齡化結(jié)果:
   通過對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,在85℃下,三種安裝方式的頻率漂移相似,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150℃不同安裝類型的頻率偏差不同,其中500小時后四個安裝點(diǎn)的頻率偏差接近5ppm,兩個安裝點(diǎn)的貼片晶振頻率偏差仍在2ppm以內(nèi)。特別是在85℃和150℃老化時添加吸氣劑的頻移與兩個安裝點(diǎn)沒有差別。
PPJL5.jpg
圖5.85℃時的老化頻率漂移趨勢
PPJL6.jpg
圖6.150℃時的老化頻率漂移趨勢
   在本文中,認(rèn)為應(yīng)力和廢氣都存在并且影響X'tal石英水晶振子中的老化穩(wěn)定性。從85℃老化的結(jié)果可以推斷,從不同的安裝類型中排出的氣體很少,因此質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)沒有明顯的差異,因此,頻率穩(wěn)定性是相似的。當(dāng)溫度上升到150℃時,更多的氣體從四個安裝點(diǎn)逸出會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,因此容易產(chǎn)生負(fù)衰老,頻率嚴(yán)重下降。相比之下,具有兩個安裝點(diǎn)的X'tal諧振器通過去除空白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,老化曲線趨于集中老化。為什么添加吸氣劑的老化行為與兩個安裝點(diǎn)的老化行為相似,這可以推斷出IVA測試結(jié)果。
IVA結(jié)果:
   IVA試驗(yàn)是一種材料放氣特性分析方法,廣泛應(yīng)用于密封裝置,測量揮發(fā)性有機(jī)物和其他蒸氣狀物質(zhì)的相對體積濃度。IVA測試只能提供內(nèi)容物相對體積比,其精確度為ppm級。此外,假設(shè)3.2mm×2.5mmX'tal諧振器具有相同的密封體積并在真空環(huán)境中焊接,則相對體積比可以轉(zhuǎn)換為相對質(zhì)量比來分析質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。
   實(shí)際上,X'tal諧振器中使用的各種材料都可以脫氣并且還可能影響長期頻率穩(wěn)定性,例如,N2,H2,H2O和CO2可以從陶瓷封裝,金屬蓋和導(dǎo)電粘合劑中脫氣。在本文中,IVA含量假設(shè)由導(dǎo)電粘合劑提供,因?yàn)樗哂写蟛糠纸M合物是有機(jī)樹脂。表2顯示了IVA測試的樣品狀態(tài)。
   表3顯示了85℃老化的IVA結(jié)果,從中可以推斷出CO2在質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)中比H2更重要。并且可以看出,在兩個和四個安裝點(diǎn)之間,CO2的相對質(zhì)量比幾乎沒有差異,這可能是85℃下的老化穩(wěn)定性在兩個和四個安裝點(diǎn)之間幾乎相同的原因。
   表4顯示了老化150℃的IVA結(jié)果。結(jié)果表明,兩個安裝點(diǎn)的CO2相對質(zhì)量比大于4,與150℃時的老化性能相反,可以推斷出應(yīng)力比排氣更重要。
表2.IVA測試的樣品

  樣品ID 2安裝 4安裝 2個安裝點(diǎn)  
  points   points 用吸氣劑  
       
  老化85℃ #25   #04   #46  
  老化150℃ #35   #14   #56  
    表3.老化85℃的IVA結(jié)果      
  樣品ID   體積比 質(zhì)量比  
    #25 #04 #25 #04  
       
  離子源 torr 1.1E-71.1E-7 1.1E-7 1.1E-7  
  壓力  
             
  % 22.8 16.7 16.0 11.0  
  % ND ND ND ND  
  % 0.20 0.24 0.00 0.00  
 
二氧化碳
% 76.1 82.9 84.0 89.0  
  濕氣 % ND ND ND ND  
  % 0.90 0.15 0.00 0.00  
  甲烷 % ND ND ND ND  
  注釋:ND=未檢測到        
    表4.老化150℃的IVA結(jié)果    
  樣品ID   體積比 質(zhì)量比  
    #35 #14 #35 #14  
       
  離子源 torr 1.7E-72.1E-7 1.7E-7 2.1E-7  
  壓力  
             
  % 5.29 32.0 3.00 23.0  
  % ND ND ND ND  
  % 0.26 0.00 0.00 0.00  
 
二氧化碳
% 93.3 68.0 97.0 77.0  
  濕氣 % ND ND ND ND  
  % 1.15 ND 0.00 ND  
  甲烷 % ND ND ND ND  
表5顯示了兩個安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果
   用吸氣劑。添加吸氣劑時會發(fā)生經(jīng)典的產(chǎn)甲烷作用(CO2+4H2=>CH4+2H2O,必須在O2泄漏或燃燒的大氣中)。它可以證明吸氣劑確實(shí)具有吸收二氧化碳的功能。對于添加吸氣劑類型,N2,H2O和CH4成為主要的質(zhì)量負(fù)載源,但那些分子量遠(yuǎn)低于CO2,這就是為什么SMD晶體兩個安裝點(diǎn)在85℃和150℃吸氣劑的老化行為非常接近兩種安裝類型屬于壓力控制的。
表5.帶有吸氣劑的兩個安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果

樣品ID   體積比  
  #46 #56  
     
離子源壓力 torr 3.8E-8 4.3E-8  
% 49.3 50.7  
% ND ND  
% 0.62 0.85  
二氧化碳 % ND ND  
濕氣 % 18.7 4.11  
% 5.68 3.84  
甲烷 % 25.7 40.5  
   本文通過兩個安裝點(diǎn)應(yīng)力控制,TXC公司3225貼片晶振的頻率偏差,85℃時的老化能力與四個安裝點(diǎn)相同,滿足廣泛的商業(yè)應(yīng)用,進(jìn)一步達(dá)到150℃汽車應(yīng)用甚至無需添加吸氣劑即可節(jié)省材料成本。
   在本文中,我們研究了不同安裝設(shè)計下的石英晶體頻率漂移行為。與四個安裝點(diǎn)相比,兩個安裝點(diǎn)的頻率漂移趨勢接近于集成老化。兩個安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果顯示150℃老化時出現(xiàn)最大的氣體逸出,由質(zhì)量負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響,但兩個安裝點(diǎn)具有較強(qiáng)的應(yīng)力控制正效應(yīng),而不是質(zhì)量負(fù)荷,因此,高頻穩(wěn)定性可控制小于2ppm。150℃老化。由于二氧化碳主導(dǎo)了質(zhì)量負(fù)荷的負(fù)面影響,因此相反的四個安裝點(diǎn)大于應(yīng)力的正面影響,因此,當(dāng)老化開始時,頻率漂移頻率不斷下降。

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