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台湾TXC公司对晶体老化与频漂机理的研究报告

来源：http://konuaer.net 作者：康华尔电子 2019年09月21

目前在石英水晶组件领域里,晶体老化和频率漂移是比较常见的两大问题,品质高的晶体晶振一般不会发生这两种现象,但是有时候因为不正确的操作或者匹配,也有可能导致石英晶振的老化和频率发生变化.TXC晶振公司是行业里的佼佼者,多年来一直重点研究和改善晶体频漂和老化的机理,以及处理解决的方法,以下内容是TXC公司的研究成果与报告.
随着石英晶体谐振器在移动电话和汽车中的广泛应用,甚至伴随着尺寸的小型化,石英晶体谐振器的长期频率稳定性被认为是最重要的特性,这一特性已经研究了数十年.通常将老化定义为频率漂移的时间函数,它可能受到许多因素的影响,例如应力,从包装和导电胶中逸出的气体,污染物,石英缺陷.尤其是应力消除和污染被认为是最重要的.
作为长期稳定性的老化是石英晶体谐振器的最重要特征之一,应力和废气起着重要作用.本文分析了不同安装类型和老化温度条件下的老化频率漂移机理.结果表明,两点和四点安装的石英芯片在85℃老化下的频率漂移相似;但是,两点安装的谐振器在150℃老化下的稳定性要比四点安装的石英晶体谐振器好得多.主要原因是两点安装谐振器的老化曲线是综合的老化曲线,因为排气和应力的影响得到了很好的平衡,这一点得到了IVA测试的支持.
对于谐振器,通常使用25ppm的商业应用中每年2ppm至5ppm的汽车,以及25°C的汽车中每年3ppm的汽车.因此,研究了许多相关主题,例如,安装点的几何变化对老化的影响[2]和AT切谐振器的老化的实验结果.在此,J.R.Vig和T.R.Meeker的研究提出了三种典型的老化类型:以应力为主的正向老化,以质量负载效应为主的负老化和以应力和质量负载效应为主的综合老化.如今,无法使用有效的方法或设备直接检测压力,但是可以通过内部蒸气分析(IVA测试)来评估废气,这可以帮助确保废气如何影响老化.图1显示了150℃时的频率漂移趋势.
TXC 3.2mm×2.5mm石英晶振,共有四个安装点,在500小时后偏差接近4ppm.

图1.150℃下的常见频率漂移趋势

通常会看到如上所述的负老化现象,即频率不断下降,其原因通常被认为是导电胶排出的气体.从理论上讲,当应力的正作用等于排气的负作用时,频率将保持稳定,换句话说,当减弱质量加载作用时,正作用将显示出来,从而应力将主导频率漂移.本文将研究不同安装类型在不同老化温度下的老化频率漂移机理.实验
在我们的研究中,实验中使用的TXC3.2mm×2.5mmSeam型X'谐振器的频率为AT截止频率40MHz,其中较软(tanδ?0.2)和正常生产过程的有机硅基导电胶是另外,使用导电胶的安装位置如图2至图4所示,安装直径全部控制为250μm.实验中添加了一种吸气剂树脂,以吸收废气,然后降低质量负荷效应,其作用是不可逆的吸气剂,吸收CO2和H2O.如上所述设置材料和参数可以客观地反映不同安装类型的老化行为.
为了证明什么是频率漂移机制,在老化测试中使用了两种安装类型和两种温度,并测量和分析了两种贴片晶振安装类型的频率偏差和频率漂移趋势.实验条件列于表1.共有6个实验,每个实验测量30个样品.平均数据将用于获得频率漂移趋势.

表1.实验条件

安装类型	时效温度
2个带吸气剂的安装点	85℃/150℃
2个安装点	85℃/150℃
4个安装点	85℃/150℃

图2,图3和图4显示了样本的照片,包括正视图和侧视图.前视图通过光学显微镜获得,而侧视图通过丹东奥龙X射线仪捕获.很明显,图2(a)和图3(a)几乎相同,因为吸气剂正如图2(b)那样安装在坯料下方,因此从正视图中看不到.
老化结果
通过比较实验,结果表明,在5℃的三种水晶振子安装类型下,频率漂移如图5所示,其中500小时后的频率偏差在2ppm以内.图6显示了在150℃下不同安装类型的频率偏差是不同的,其中500小时后四个安装点的频率偏差接近5ppm,而两个安装点的频率偏差仍在2ppm以内.尤其是在85℃和150℃老化条件下添加吸气剂的频移在两个安装点上没有差异.

图5.85℃时的老化频率漂移趋势

图6.150℃下的老化频率漂移趋势

在本文中,应力和废气都被认为同时存在,并共同影响谐振器的老化稳定性.从85℃的老化结果可以推断出,不同安装类型的气体几乎没有逸出,因此质量加载效果没有明显差异,因此频率稳定性相似.当温度升至150℃时,从四个安装点逸出的气体更多,会产生严重的影响,因此很容易发生负老化,频率会严重下降.相比之下,具有两个安装点的石英谐振器通过消除在坯料上的安装粘合剂来降低质量负载效应,并使应力的正效应在老化中起主导作用,因此其频率相对稳定,并且老化曲线趋向于综合老化.为什么添加吸气剂的老化行为表现得像两个安装点一样,可以推断出IVA测试结果.
IVA结果
IVA测试是一种材料除气特性分析方法,广泛用于密封设备中,用于测量蒸气状态下挥发性有机物和其他物质的相对体积浓度.IVA测试只能提供内容物的相对体积比,其准确度以ppm为单位.此外,假设3.2mm×2.5mmX'谐振器具有相同的密封体积,并且在真空环境下焊接,则可以将相对体积比转换为相对质量比,以分析质量加载效果.实际上,谐振器中使用的所有材料都可能脱气,并且还可能影响长期的频率稳定性,例如,可以从陶瓷封装,金属盖和导电胶中对N2,H2,H2O和CO2进行脱气.在本文中,假定IVA含量是由导电胶贡献的,因为其组成的主要部分是有机树脂.
在本文中,我们研究了不同安装设计下的频率漂移行为.与四个安装点相比,两个安装点的频率漂移趋势接近于综合老化.两个安装点的IVA结果显示,在150℃的老化过程中,最大的逸气逸出量对质量负载产生负面影响,但是两个安装点的应力控制作用比质量负载强,因此,高频稳定性可以控制在2ppm以下150℃老化.相反,由于CO2在质量负载的负面影响中占主导地位,因此四个安装点大于应力的正面影响,因此,频率漂移频率在老化开始时就连续下降.本文通过两个应力点控制TXC3.2mm×2.5mmSeam型石英晶体的频率偏差,在85℃时的老化能力与四个应力点相同,满足了广泛的商业应用,并有望达到150℃的汽车应用甚至不需要添加吸气剂即可节省材料成本.

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