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揭开Vectron低噪声,抖动混合烘箱SAW振荡器生产技术

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2020年03月31

揭开Vectron低噪声,抖动混合烘箱SAW振荡器生产技术
　　美国VECTRON晶振公司是专业的频率控制元器件制造商,全面创新和发展各种不同的晶体和振荡器产品,声表面石英晶体振荡器属于比较特殊的一种,因为它同时具体频率振荡和过滤杂波的功能特性.很多人认为它不属于晶振,也有人觉得它是振荡器的一种.EX-380系列是Vectron公司自己开发的一款抽空式微型烤箱控制晶体振荡器,行业简称是EMXO,它与SAW并没有什么关系,但在本文章中都会为大家解释.
　　当频率与温度的要求过于严格而基本的XO(晶体振荡器)或TCXO(温度补偿晶体振荡器)无法满足要求时,则使用OCXO(烤箱控制晶体振荡器).使用OCXO时,随着振荡器外部温度的变化,晶体和关键电路的温度保持恒定.用烤箱控制振荡器内部的温度可保持此恒定温度.在OCXO中,感测到环境温度的变化,然后反馈到烤箱控制,该控制不断在振荡器外壳内保持恒定的最佳温度.OCXO可以将晶体的固有稳定性提高5000倍以上.烤箱控制系统不是完美的,开环增益不是无限的,烤箱(振荡器)内部存在内部温度梯度,在传统烤箱中,烤箱外壳外部的电路会受到环境温度变化的影响,“拉”频率.
　　与XO或TCXO相比,传统OCXO的温度稳定性得到了提高,而价格却很高.例如,OCXO功耗会增加200倍以上.还需要考虑尺寸.在普通的OCXO晶振中,将晶体封装在金属外壳中,然后将其与温度敏感电路一起放置在烤箱壳内,然后由隔热材料包围.然后将所有这些以及任何其他电路放置在金属外壳中,以形成笨重的包装,这使其非常难以小型化.

　　为克服这些障碍,Vectron晶振公司专门开发了EX-380系列EMXO(抽空式微型烤箱控制晶体振荡器)以实现OCXO性能,同时显着降低了功耗并减小了封装尺寸(见图1).

图1:EX-380功能框图

　　这些特性齐头并进,因为减小封装尺寸使其更易于改善功耗.首先,使包装的体积尽可能小,以减少烤箱需要加热的体积.其次,需要使用最有效的绝缘材料.在EX-380系列中,Vectron做到了两者.该封装设计为单DIP尺寸为0.82“x0.52”x0.3“,振荡器使用真空作为绝缘介质,这是对传统泡沫或基于纤维的绝缘材料的显着改进.Vectron减小尺寸的另一个重要贡献仍然提供“烤箱振荡器”的性能是消除了大型包装石英晶振的使用,而到目前为止,必须使用大型包装晶体才能达到良好的老化效果,而是找到了一种使用开放式晶体毛坯的方法并使其实用化.成功解决了可能会降低性能的排气和污染问题,为此需要制造具有高内部真空度,内部脱气率低的振荡器,以提供所需的绝热性能,还需要高度清洁度以防止污染开放的(未装箱的)晶体毛坯,并确保出色的长期晶体老化.
　　该封装的主要设计特征采用了将精密晶体以空白形式集成到混合微电子电路中的概念.为此,获得良好的老化性能至关重要.因此,将精密晶体以毛坯形式与混合微电子电路相结合,形成了一种冷焊包装概念.为此,获得良好的老化性能至关重要.因此,选择了冷焊封装而不是更传统的电阻焊封装.冷焊密封在延展的金属表面之间提供了真正的冶金结合,而没有增加密封过程中的热量.在通过焊接模具的凹口引入的高吨位压力下,材料的可塑性流在配合表面上发生.最终结果是一个密封的外壳,没有焊缝飞溅,灰尘和蒸汽的污染.而且,最重要的是,冷焊密封外壳可实现很高的真空完整性.
　　在机械上,混合电路和石英晶体谐振器组件直接悬挂在高度绝缘的结构上,以最大程度地减少通过传导产生的热能损失.另外,整个组件在10-6托的压力水平下通过真空与外壳热绝缘.基于稳态导热计算,该封装设计产生的热阻>300摄氏度/瓦特.EMXO的制造工艺很有趣,工艺流程图如图2所示.

图2:EMXO工艺流程图

　　使用厚膜丝网印刷技术制造基板,每个沉积层都经过三个不同的处理阶段-印刷,干燥和烧制.晶体夹以高导热率附着在基板上的金导体上.使用导电粘合剂将所有有源和无源组件安装在基板上,然后将其移动到对流烤箱中进行固化.在固化过程之后,将杂种清洗,以去除有机和非有机污染物.导线在互连电路上作为互连线接合.然后用粘合剂将混合电路连接到冷焊包装上.最后,将空白晶体安装到夹子上,并通过蒸发过程将其调谐到所需的标称频率,典型精度为1ppm.然后将单元冷焊密封.烤箱本身通过直接施加到导热基材上的热传导进行加热.在下面的图3中,显示了此“空白”EMXO概念,并与传统的OCXO结构进行了比较.

　　在上面的图3中,1,2和3反映了常规的OCXO构造,而4是EMXO.它显示了SDILEMXO的主要元素.仅使用一个基板,并且所有元件都被加热.该振荡器本质上是CMOS门型,带有一个额外的压敏二极管和LC陷波器用于泛音选择.该谐振器为第三泛音,AT或根据应用要求进行的双旋转切割,与传统的基础谐振器相比,这两种谐振器均具有出色的抗老化性能.
　　预计EX-380系列将在恶劣的机械环境中对电气性能同样重要的应用中找到应用.
　　因此,EX-380系列的另一个重点是提供坚固的结构以承受高冲击和振动并产生良好的G敏感度性能.例如,当改变石英晶体振荡器的物理取向时,由于晶体毛坯上应力的变化,频率变化很小(通常不超过10-9的几分之一,旋转90度).由对晶体载体的引力作用产生.该特性被称为“倾翻”,以10-9/g表示,其中一格表示180度方向变化的一半.为了使这种变化对晶体载体的影响最小.这种特性称为“翻倒”,以10-9/g表示,其中1g代表180度方向变化的一半.为了最大程度地减少这种变化并增强在冲击和振动下的性能,将晶体毛坯安装在对称的安装结构中,而不是传统的2或3点.
　　这有助于实现较高的冲击和振动承受能力,低g敏感度性能以及对称的热传递.同样,当晶体振荡器工作并受到振动时,会产生寄生频率,该寄生频率会因振荡频率而偏离振荡频率.这些通常称为“振动引起的边带”,这些边带的行为类似于相位噪声.这些杂散输出的幅度与振动幅度,晶体支架的机械设计以及振荡器组件的机械设计(包括晶体安装)有关.这里对称的晶体安装结构也有助于减少不必要的噪声.
　　在EX-380系列中,可以使用AT和双旋转晶体.即使许多类型的双向旋转晶体在振动下产生的振幅幅度也比AT低,但此特性主要取决于晶体和振荡器的机械设计,而不是特定的晶体切割.在许多应用中,Vectron在振荡器中使用双旋转谐振器,以提供较低的闭相噪声,更好的老化率和降低的加速灵敏度.在不太关键的应用中,使用了较便宜的AT切割晶体.
图4至图10代表各种特性的合格样品的典型实际测试数据.

　　EX-380型薄型4引脚DIP抽空微型烤箱控制晶体振荡器(EMXO)的工作频率范围为10MHz至20MHz.该器件以极小的封装提供极低的老化率和高温稳定性.在各种环境条件下的老化.通孔单元尺寸仅为20.8mmx13.2mmx7.6mm(0.82“x0.52”x0.30“),老化率平均每天<1x10-9/天,第一年<1x10-7,<1x10-6保持10年的温度稳定性

　　在-40℃至+85℃范围内为±1x10-7.较宽的温度范围为-55℃至+85℃.这种性能是通过应用新的谐振器设计概念和技术突破来实现的.EMXO弥补了目前大型,高精度OCXO和较小的TCXO之间的差距,并成为需要光谱纯度,短期和长期稳定性以及小尺寸和大幅度降低功耗的最经济的选择.
　　EX-380系列的标准电源电压为3.3Vdc和5Vdc,也有12Vdc,均带有HCMOS输出.提供了该石英振荡器的表面安装版本(EX-385).表面安装版本提供+3.0dBm/50ohm的正弦波输出.这些EMXO单元非常适合SONET/SDH,DWDM,FDM,ATM,3G,电信传输和交换设备,无线通信设备以及军用机载和移动系统.
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