臺灣TXC公司對晶體老化與頻漂機理的研究報告
來源：http://www.theqj.cn 作者：康華爾電子 2019年09月21
目前在石英水晶組件領域里,晶體老化和頻率漂移是比較常見的兩大問題,品質高的晶體晶振一般不會發生這兩種現象,但是有時候因為不正確的操作或者匹配,也有可能導致石英晶振的老化和頻率發生變化.TXC晶振公司是行業里的佼佼者,多年來一直重點研究和改善晶體頻漂和老化的機理,以及處理解決的方法,以下內容是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定性被認為是最重要的特性,這一特性已經研究了數十年.通常將老化定義為頻率漂移的時間函數,它可能受到許多因素的影響,例如應力,從包裝和導電膠中逸出的氣體,污染物,石英缺陷.尤其是應力消除和污染被認為是最重要的.
作為長期穩定性的老化是石英晶體諧振器的最重要特征之一,應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理.結果表明,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的商業應用中每年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:以應力為主的正向老化,以質量負載效應為主的負老化和以應力和質量負載效應為主的綜合老化.如今,無法使用有效的方法或設備直接檢測壓力,但是可以通過內部蒸氣分析(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老化現象,即頻率不斷下降,其原因通常被認為是導電膠排出的氣體.從理論上講,當應力的正作用等于排氣的負作用時,頻率將保持穩定,換句話說,當減弱質量加載作用時,正作用將顯示出來,從而應力將主導頻率漂移.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)和正常生產過程的有機硅基導電膠是另外,使用導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,然后降低質量負荷效應,其作用是不可逆的吸氣劑,吸收CO2和H2O.如上所述設置材料和參數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.平均數據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,包括正視圖和側視圖.前視圖通過光學顯微鏡獲得,而側視圖通過丹東奧龍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.
老化結果
通過比較實驗,結果表明,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.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.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,應力和廢氣都被認為同時存在,并共同影響諧振器的老化穩定性.從85℃的老化結果可以推斷出,不同安裝類型的氣體幾乎沒有逸出,因此質量加載效果沒有明顯差異,因此頻率穩定性相似.當溫度升至150℃時,從四個安裝點逸出的氣體更多,會產生嚴重的影響,因此很容易發生負老化,頻率會嚴重下降.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量負載效應,并使應力的正效應在老化中起主導作用,因此其頻率相對穩定,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得像兩個安裝點一樣,可以推斷出IVA測試結果.
IVA結果
IVA測試是一種材料除氣特性分析方法,廣泛用于密封設備中,用于測量蒸氣狀態下揮發性有機物和其他物質的相對體積濃度.IVA測試只能提供內容物的相對體積比,其準確度以ppm為單位.此外,假設3.2mm×2.5mmX'諧振器具有相同的密封體積,并且在真空環境下焊接,則可以將相對體積比轉換為相對質量比,以分析質量加載效果.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定性,例如,可以從陶瓷封裝,金屬蓋和導電膠中對N2,H2,H2O和CO2進行脫氣.在本文中,假定IVA含量是由導電膠貢獻的,因為其組成的主要部分是有機樹脂.
在本文中,我們研究了不同安裝設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結果顯示,在150℃的老化過程中,最大的逸氣逸出量對質量負載產生負面影響,但是兩個安裝點的應力控制作用比質量負載強,因此,高頻穩定性可以控制在2ppm以下150℃老化.相反,由于CO2在質量負載的負面影響中占主導地位,因此四個安裝點大于應力的正面影響,因此,頻率漂移頻率在老化開始時就連續下降.本文通過兩個應力點控制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力點相同,滿足了廣泛的商業應用,并有望達到150℃的汽車應用甚至不需要添加吸氣劑即可節省材料成本.
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定性被認為是最重要的特性,這一特性已經研究了數十年.通常將老化定義為頻率漂移的時間函數,它可能受到許多因素的影響,例如應力,從包裝和導電膠中逸出的氣體,污染物,石英缺陷.尤其是應力消除和污染被認為是最重要的.
作為長期穩定性的老化是石英晶體諧振器的最重要特征之一,應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理.結果表明,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的商業應用中每年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:以應力為主的正向老化,以質量負載效應為主的負老化和以應力和質量負載效應為主的綜合老化.如今,無法使用有效的方法或設備直接檢測壓力,但是可以通過內部蒸氣分析(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)和正常生產過程的有機硅基導電膠是另外,使用導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,然后降低質量負荷效應,其作用是不可逆的吸氣劑,吸收CO2和H2O.如上所述設置材料和參數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.平均數據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℃ |
老化結果
通過比較實驗,結果表明,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.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.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結果
IVA測試是一種材料除氣特性分析方法,廣泛用于密封設備中,用于測量蒸氣狀態下揮發性有機物和其他物質的相對體積濃度.IVA測試只能提供內容物的相對體積比,其準確度以ppm為單位.此外,假設3.2mm×2.5mmX'諧振器具有相同的密封體積,并且在真空環境下焊接,則可以將相對體積比轉換為相對質量比,以分析質量加載效果.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定性,例如,可以從陶瓷封裝,金屬蓋和導電膠中對N2,H2,H2O和CO2進行脫氣.在本文中,假定IVA含量是由導電膠貢獻的,因為其組成的主要部分是有機樹脂.
在本文中,我們研究了不同安裝設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結果顯示,在150℃的老化過程中,最大的逸氣逸出量對質量負載產生負面影響,但是兩個安裝點的應力控制作用比質量負載強,因此,高頻穩定性可以控制在2ppm以下150℃老化.相反,由于CO2在質量負載的負面影響中占主導地位,因此四個安裝點大于應力的正面影響,因此,頻率漂移頻率在老化開始時就連續下降.本文通過兩個應力點控制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力點相同,滿足了廣泛的商業應用,并有望達到150℃的汽車應用甚至不需要添加吸氣劑即可節省材料成本.
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