CEOB2B晶振平台

佛罗里达州迈尔斯堡.2012年3月5日-福克斯电子,全球领先的晶体频率控制解决方案供应商,目前提供最广泛的aec-q200型晶体振荡器,满足汽车应用中用于被动元件的严格压力测试要求.新石英晶体振荡器的频率范围为2MHz至135MHz, -温度高达40Cto+85C,2MHz至48MHz,从-40C到+125C.

福克斯公司的FA5xx和FA4xxx系列产品在AEC1-4级以及ISO/TS-16949规范的基础上,经受住了汽车所面临的严格的环境和操作条件.

晶振有着不同使用要求及特点，根据性能大致可以分为以下几点：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。在测试和使用时所供直流电源应没有足以影响其准确度的纹波含量，交流电压应无瞬变过程。测试仪器应有足够的精度，连线合理布置，将测试及外围电路对晶振指标的影响降至最低。

晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗石英晶振。但是娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SRC将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。

高精度的时间测量是实现驯服保持的基础,一般都使用比时法测频差的方法实现对OCXO晶振的锁定,其中最常用的方法就是直接计数法,即在有待测时间间隔构成的闸门信号中填入脉冲,通过必要的计数电路,得到填充脉冲的个数后再乘以填充周期便可计算出待测的时间间隔。但是这种方法的测量精度很低,主要取决于填充脉冲的频率,频率越高测量精度越高,但在实际应用中,这会大大提高对相应器件和线路的要求,同时还存在±1个字的量化误差,直接计数法如图4.3

所示：

其它常用的时间间隔测量方法还有模拟内插法、游标法、量化延迟法、时间幅度转化法,虽然这些方法都具有很高的测量分辨率,但是它们的测量范围都很小,于是考虑将直接计数法和上述某一种高分辨率测量方法相结合的测量方法, 从而可以同时兼顾到测量分辨率和测量范围。

本文采用将直接计数法和时间一幅度转化法相结合的时间间隔测量方法,对时间间隔闸门首先用直接计数法计数,由图43所示,T为被测时间间隔值,T为由直接计数法计算得到的时间间隔测量结果,T和T2分别代表代表时间间隔的开始信号和结束信号与计数时钟信号之间的不同步部分,即直接计数法中存在的石英晶振量化误差部分,而这两部分短时间间隔值由采用时间一幅度转换法来测量。因此被测时间间隔值可由下式计算得到:

TX=TN+T1-T2           式(4-1)

由于输入到时间间隔测量模块的两信号为来自GPS接收机的IPPS信号和OCXO晶振分频得到的1Hz信号,分别以待测闸门的上升沿和下降沿作为短时间间隔T和T的开门信号,以紧随它们的第一个填充信号的上升沿和下降沿作为关门信号。

因为填充脉冲为OCXO石英晶体振荡器输出的10MHz信号,理论上1Hz信号和填充脉冲的上升沿是严格对齐的或者有一个固定的相位差,所以可以认为结束信号与填充脉冲之间的相位关系不再是随机的,而是相关的。也就是在该系统中只需考虑待测时间向间隔开门后的短时间间隔T,而不必考虑关门后的短时间间隔T2,所以待测时间间隔变为T=T+T1,时间一幅度转换法的原理图如图4.4所示同。

具体电路实现时采用CPLD和带有AD转换器的单片机MSP430F247)以及外围的电流源电路、高度开关、放电MOS管等构成,充放电电路如图45所示。

CPLD用于取出直接计数法中计数时钟信号和代表被测时间间隔闸门的开始信号和结束信号之间的不同步部分,并将它们转化为窄脉冲输出。当短时间间隔脉冲CH1的开门信号输入到三极管Q1的基极时,用+5V的直流电源对电容进行充电,以实现时间一幅度初步转换;当短时间间隔闸门的关门信号到来时,三极管截止,停止充电并保持充电电压。

晶振信号调理电路将其幅度调理到单片机AD转换器的输入范围内后送入单片机的AD转换器进行转化,完成转化后向效应管BS170发出个复位信号CH_2,使场效应管导通,电容迅速放电,为下一次测量做好准备最后单片机根据AD转换结果,计算出对应的时间间隔值,从而完成了一次完整的测量过程。

这种方法的优点是测量分辨率高,转换时间短。但不足之处就是转换存在非线性误差,因此使用前需要对其校准,将时间间隔随时间变化的两路不同源信号同时输入测量模块和HP5370B,进行测量范围内的约40点逐点校准,而后将校准数据存入单片机自带的Fash存储器,测量时査表并线性拟合得到结果,该区间内根据式(4-2)按线性关系计算该电压值所对应的短时间间隔值T1.

其中U为AD转换得到的电压值,Um和U-分别为所对应电压区间的上限电压值,Tm和T分别为Um和Um所对应的标准时间间隔值,这样就在一程度上减小了非线性误差。

石英晶振可靠性现状

可靠性管理是提高产品可靠性的必由之路,在很多领域有着广泛的应用,大到航空航天,小到电子信息设备,都已经应用可靠性管理来提高企业产品的可靠性。但截至目前,在石英晶振制造领域,还没有全方位的将可靠性管理纳入企业日常管理中来。Z公司也不例外,Z公司目前主要按照ISO9001质量管理体系的要求来对石英晶振产品的质量进行管理,虽然公司的管理水平比较先进,但如果要从根本上改善石英晶振产品的可靠性,就要将可靠性管理纳入公司管理中来。目前,A型石英晶振产品占到公司晶振销量的20%左右,是公司的主推产品, 该型石英贴片晶振的设计也已经很成熟了,但A型石英晶振可靠性仍然存在着很多问题,退换货给公司形象带来负面影响。针对这种现象的出现,本文将以A型石英晶振为例,首先对A型石英晶振产品进行 FMECA分析,其次运用模糊FMECA综合评判来量化FMEA的分析结果,并在定量分析的基础上建立模糊CA模型,计算各故障模式的综合危害度等级,并以此为根据对故障模式进行排序,以便判定进行改进措施的优先权,保证系统可靠性工作的效率,最后结合公司实际情况,诊断出产品可靠性不高的原因,尽可能的来帮助企业解决石英晶振的可靠性问题。

3.3A型石英晶振 FMECA分析

本文采用故障模式、影响及危害性分析( FMECA)来分析A型石英晶振的故障模式、故障影响以及故障所带来的危害性,试图通过 FMECA来找出A型石英晶振,贴片晶振,石英晶体振荡器可靠性管理上存在的问题,并针对这些问题运用可靠性管理方法来解决,最终达到提高晶振可靠性的目的。

下面对A型石英晶振进行故障模式、影响及危害性分析:

1.定义产品

石英晶振的功能:石英晶振作为一种高精度的频率源器件,主要作用是输出高精确,高稳定的频率。石英晶振由五部分组成:底座、PCB电路板、晶体元器件和外壳五部分组成。本文按照石英晶振_PCB板一元器件的层次来对石英晶振进行 FMECA分析,石英晶振的最高约定层次为石英晶振,最低约定层次为元器件。

2.故障严酷度(S)的划分

故障严酷度划分如下:

I类(灾难性的):晶振无输出的故障

Ⅱ类(致命的):晶振输出幅度小的故障

Ⅲ类(临界的):晶振输出有杂波的故障

IV类(轻度的):晶振相噪不良的故障

3.可靠性框图

石英晶振构造比较简单,石英晶振,贴片晶振可靠性框图如图3-4所示

4.故障模式分析

以2015年A型石英晶振故障模式数据为依据,A型石英晶振的故障模式按部件类别可以分为底座、PCB电路板、元器件、晶体和外壳这五个类别。根据A型晶振产品故障统计来确定发生度O,得到A型石英晶振故障发生度如表3-2

  印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件．它提供电路元件和器件之间的电气连接.随着技术的飞速发展,PCB的密度越来越高.PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大．因此,在进行PCB设计时．必须遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求.首先,要考虑PCB尺寸大小.PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加；过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰.在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置.最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局.

石英晶体的弹性常数与切型

一、英晶体的弹性常数

通过上节讨论,我们已经知道石英晶体的弹性常数矩阵为：

石英晶体的弹性常数反映晶体的弹性性质。从这些弹性常数矩阵看出,用双足标表示的弹性常数共有36个分量。三斜晶系是完全各向异性体,对称性最低,36个不等于零的弹性常数分量中,独立的分量有21个。而石英晶体的独立弹性常数分量为6个。

当弹性常数s和c，的足标i，=1，2，3时，它分别表示沿x，y，z方向的弹性伸缩性质；当i，j4，5，6时，它分别表示沿x，y，z平面的切变性质；当i≠j它分别表示两种伸缩之间或两种切变之间，以及伸缩与切变之间的弹性耦合性质。这种弹性常数又称为交叉弹性常数，现在以石英晶振,石英晶体的弹性柔顺常数为例，进一步说明如下：

（1）与石英晶体伸缩性质有关的弹性柔顺常数为s11，s22(=s11），s33。

（2）与石英晶体伸缩之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s12，s13，S2（=S13）。

（3）与石英晶体切变性质有关的弹性柔顺常数为s44=s55，s55)，s66.

（4）与石英晶体切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s56(=2S14).

（5）与石英晶体伸缩和切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s14，524（=-S14)。

石英晶体的疵病

  石英晶体无论是天然的还是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它们不仅是由于在石英晶振晶体生长过程中受到种种条件的影响而产生,就是在已形成的晶体中和生长完成后,外界条件的变化(主要是温度)产生的缺陷。这些缺陷会影响其可用程度和石英晶体元件的性能,以下简要介绍几种常见的缺陷。

一、双晶

  双晶是指两个以上的同种晶体,按一定规律相互连生在一起。即在同块贴片晶振晶体中,同时存在两个方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分绕Z轴转180°后方与另一部分连生在一起,这两部分的z轴彼此平行,所以两部分的光学性能相同,而电轴两部分相差180°,故它们的极性相反(见图1.4.1)。

  光双晶是异旋晶体的连生,即在一块晶体中,同时存在左旋和右旋两个部分,它们连生在一起,左旋和右旋的光轴彼此平行,但旋光性相反,此外电轴极性也相反(见图1.4.2)。

                                            (a)左旋石英晶体的极性;(b)绕光轴转180°°后左旋石英晶体的极性C)电双晶的极性;

图1.4.1电双晶极性示意图

(a)左旋石英晶体的极性;(b)右旋石英晶体的极性;(c)光双晶的极性;

图1.4.2光双晶极性示意图

  电双晶又称道芬双晶;光双晶又称巴西双晶。双晶的边界可用氢氟酸腐蚀显示出来(见图1.4.3)。

  双晶多出现在天然石英晶体振荡器,石英晶体中,但在石英晶片加工中也会诱发出双晶。例如：石英晶片加热温度超过573℃,或虽然不超过573°C,但石英片内部温度梯度太大,都可能产生电双晶;又如:晶片研磨时,由于机械应力的作用,可能产生微小的道芬双晶。

(a)电双晶腐蚀图像(b)光双晶腐蚀图像

图1.4.3电双晶、光双晶在z平面上的腐蚀图像

  在压电石英晶体元件中,一般不允许含有双晶,若要利用含有双晶的石英晶片时,则对双晶的位置和比例要严加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免双晶的出现

  二、包裹体

  石英晶体中往往含有固体、胶体和气—一液体三种包裹体。

  固体包裹体是混杂在晶体内部的其它矿物质,天然石英晶振,压电水晶振荡子,石英晶体中固体包裹体大部分是围岩碎屑和黄铁矿、金红石等。人造石英晶体的固体包裹体主要是硅酸铁钠( NaFesi2O6.2H2O),它是由高压釜内壁被腐蚀脱落的亚铁离子和其它离子,与NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等产生化学反应而形成的。

  胶体包裹体是含钾(K)、钠(Na)硅酸盐胶体所组成。它是由于石英贴片晶振,温补晶振,石英晶体生长过程中,温度发生波动时溶液中的二氧化碳达到超饱和状态,来不及结晶而形成胶体包裹体。

  气一液包裹体中的液体主要是水溶液、碳酸和其它混合液,气体是二氧化碳及挥发性化合物等,气一液包裹体多集中在晶体底部包裹体是石英晶振晶体的一种主要缺陷,实验表明,如果晶片中含有大的针状包裹体时,对石英晶体元件的电性能影响很大。

  石英晶体的包裹体可用显微镜观察法或油槽观察法等进行检查

  三、蓝针

  石英晶体中蓝色针状的缺陷称为蓝针。

  蓝针形成的原因很多,有人认为蓝针内部包含有铁、锰、铜、锌等金属氧化物,在这些氧化物外部还有密集的小气泡或小水珠,当光线通过它们时,除蓝色光线外,其它光都被吸收掉,因此在晶体内部呈现蓝色针状缺陷。还有人研究发现,存在蓝针的地方有很细的裂缝,它与石英晶振,有源晶振晶体原有宏观裂隙平行生长,说明蓝针是属于晶体内部机械破坏的结果。

  对一般应用的压电石英晶片可以存在蓝针,但用于制造稳定度高的和频率比较高的石英晶体元件时,不允许其石英晶片有蓝针存在。

  四、其它疵病

  在一些晶体中,可隐隐看出数个晶体的影子,这叫幻影或称魔幻。它是由于晶体生长中断了一段时间,后来又在晶面上继续结晶而形成的。幻影破坏了晶体格架的完整性,影响晶体的弹性,属晶体内部深处的缺陷。

  裂隙是存在于晶体内部的小裂缝。它的形成可能是由于生长区中二氧化硅供应不足,杂质分布不均匀,籽晶不完善,机械应力和温度变化不均匀等缘故节瘤是由许多小晶块构成的镶嵌结构,其形状像是很小的晶体镶嵌到大晶体的表面。这种镶嵌结构是受温度、压力、溶液饱和程度和混合物数量等生长条件影响而形成。在石英晶振,差分晶振等石英晶体内部某处有集中的许多微小气泡和小裂隙,呈现白色如棉花状,这种缺陷俗称为棉。

石英晶体俗称水晶,成份是SiO2,它不但是较好的光学材料,而且是重要的压电材料。石英晶振在常压下不同温度时,石英晶体的结构是不同的。温度低于573℃时,是a石英晶体;温度在573℃~870℃时,是B石英晶体;温度在870℃~1470℃时,是磷石英,温度达1470℃时,就转变成方石英,它的熔点是1750℃。用于制造压电晶体元件的为a石英晶体,石英晶振.

§1-1石英晶体的结晶形态和坐标系

固体可以分为结晶体(晶体)与非结晶体(非晶体)两大类。晶体中有外形高度对称的单晶体(如石英晶体)和由许多微细晶体组成的多晶体(如各种金属)。石英贴片晶振的主要特性是原子和分子的有规则排列,这种排列反映在宏观上是外形的对称性,而非晶体就不具备这种特性,例如石英玻璃,它的成份与石英晶体一样是SiO2,但不属于晶体。

晶体可以是天然的,也可以由人工培养。晶态物质在适当条件下,能自发地发展成为一个凸多面体形的单晶体。围成这样一个多面体的面称为晶面;晶面的交线称为晶棱;晶棱的会集点称为顶点。发育良好的单晶体,外形上最显著的特征是晶面有规则的配置,属于同一品种的石英晶振晶体,两个对应晶面(或晶棱)间的夹角恒定不变。图1.1.1给出了理想石英晶体的外形。石英晶体的晶面共30个,分为五组,六个m面(柱面),六个R面(大棱面),六个r面(小棱面)六个s面(三方双锥面),六个x面(三方偏方面),相邻m面的夹角为60°相邻m面和R面的夹角与相邻m面和r面的夹角都等于38°13,相邻s面与x面的夹角等于25°57。由于外界条件能使某一个或某一组晶面相对地变小或完全隐没,所以实际见到的石英晶体很少如图1.1.1所示,就是人造石英晶振,石英晶体振荡器,石英晶体的外形也只是接近理想情况。

(a)右旋石英晶体 (b)左旋石英晶体

图1.1.1石英晶体的理想外形

晶体内部结构的规律性,造成了它在外形上的对称性。例如:晶体可以有对称轴、对称中心、对称面等对称元素。石英晶振晶体存在一个三次对称轴(或三次轴即晶体绕该轴旋360°3后能够复原)和三个互成120°的二次轴,如图1.1.2中的a、b、d轴

图1.1.2石英晶体的对称轴和直角坐标系

在结晶学中,晶体的内部结构可以概括为是由一些“点子”在空间有规则地作周期的无限分布:“点子”代表原子、离子、分子或其集团的重心。这些“点子”的总体称为点阵,构成石英晶振,有源晶振,石英晶体的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好与硅离子重合,因此硅离子的点阵就可以反映出石英晶体的内部结构。石英晶体的各层硅离子若按右手螺旋规则分布,则称为右旋石英晶体;若按左手螺旋规则分布,称为左旋石英晶体。从外形上看,右旋石英晶体的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶体的s面在R面的左下方或m面的右上方(见图1.1.1),它们互为镜象对称。

石英晶振晶体物理性质的各向异性和晶体外形的对称性有关,因此讨论石英晶体的物理性质时,采用为图1.1.2所示的直角坐标系较为方便。选c轴为z轴,a(或b、d)轴为x轴,与x轴、z轴垂直的轴为y轴。其指向按1949年IRE标准规定对左、右旋石英晶体均采用右手直角坐标系。

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