石英晶体知识及应用

一、石英材料（水晶）

石英产品主要是；利用石英材料（水晶）的压电效应制成的电子元件和器件，压电效应是一种电能量互换的现象，压电效应分为正压电效应和逆压电效应，正压电效应是以机械应力及应变（形变）作用而使物体产生电荷或电压输出。逆压电效应是以电能输入使之产生机械能或位移（形变）的输出。如果把交变电压施加到石英芯片两个电极之间，当交变电压的频率与石英芯片固有频率一致时，通过逆压电效应，芯片便产生机械振动，同时又通过正压电效应而输出电信号。石英材料的压电效应是具有方向性的，只有在电轴方向才具有压电效应。石英有天然石英和人造石英。天然石英和人造石英均为多面体形状。目前电子元器件使用的主要是人造石英材料。主要成分为氧化硅之结晶体SiO2。 使用石英为振荡器的产品主要有石英晶体谐振器、石英晶体振荡器。

二、振荡模式

同时AT切的芯片，在振动模式上又有基频（FUND）,三次泛音、五次泛音等之分。小型SMD石英晶体谐振器而言，五次泛音很少，三次泛音一般在40M以上时才会少量生产。同一频率的产品，三次泛音的厚度是基频的三倍，例如我司某产品54MHz三次泛音的厚度约为0.092mm（与18MHz基本波的厚度相同），54MHz基本波产品的厚度约为0.031mm。在设计芯片厚度时，AT切的芯片的厚度与频率及振动模式有关，而与芯片的尺寸大小无关。做成成品后的AT切基频产品，AT切三泛音产品与BT切产品可以通过观察其C0/C1值，TS值，电阻值及TC特性来区分

三、切割角度与温度特性

 产品的温度特性是指产品在不同温度的电性能变化情况，优良产品的温度特性呈光滑的三次曲线（AT切）或二次曲线（BT切），与理论曲线非常相似。主要影响因素是芯片的切型与切割角度，在石英芯片这一节中已有相关介绍，另外芯片加工过程的平面度（高频）和修边情况（低频）也会影响产品的温度特性。制程中芯片污染，电极偏位等也会对产品的温度特性造成影响。

四、石英晶体的等效回路

等效回路各项参数介绍 L1动态电感（mH) Motional Inductance R1谐振阻抗（Ω）Motional Resistance C1动态电容（fF)Motional Capacitance C0静态电容（pF)Static  Capacitance

五、负载电容（CL）

石英谐振器一般作为电感组件在振荡电路中起稳定频率作用，而电路的其他组件均可等效为一个负载电容与石英谐振器串联或并联。 负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定带来影响。 在振荡电路产生的震荡回路来看，不同的负载电容会有不同程度频率漂移，因此设计时必须针对产品实际的负载电容做量测以确定是否与当初设计一致 理论值负载电容计算方式如下，由Cd、Cg计算串联电容后加上离散电容等于实际的负载电容，杂散电容内涵PCB Layout、芯片电极等等因素造成 负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定带来影响。

六、量测负性阻抗

量测负性阻抗目的是避免振荡器无法起振，振荡器无法起振的原因是负性阻抗宽裕度不够导致，为避免此现象发生于设计时负性阻抗一般至少是ESR的五倍以上，反之若太小时则会偶尔不起振的现象发生

七、产品的可靠性（信赖性）

产品的可靠性可以通俗的理解为:产品生产完成后，不会因常规的搬运，储存而使其性能受影响，不会因客户的焊接，清洗和封装等各种使用条件而影响性能。产品的可靠性可以通过各种可靠性试验来衡量，目前常见的可靠性实验有： 温度循环实验T1=-40°C±10°C     T2=100°C±10°C；循环次数5次。（温度转换约30分钟） 温度循环实验T1=-40°C±10°C     T2=100°C±10°C；循环次数10次。（温度转换约5秒） 恒温恒湿试验   TC40±10°C H 95% ;96H±1H 可焊性（焊锡）试验235±10°C；3s 耐焊接试验260±5°C；10s 跌落试验75cm；3次 振动试验频率10Hz-55Hz;振幅1.5mm；每方向120分钟。 老化率试验TC125±10°C；720H 寿命试验（MTBF）；85°C or125°C；1000H；利用公式及失效产品数计算出产品模拟寿命。 在以上九项试验中，恒温恒湿试验主要考察产品储存时会不会出现外观变异，是否会影响焊接； 可焊性（焊锡）试验主要考察产品在客户端使用时能否顺利焊接到电路板上，只要原材料不出问题，产品在制程中不严重超温，无严重污染就不会有问题。其余试验主要是通过对比实验前后产品的电性能变化情况来衡量产品的可靠性，其中高温储存试验，老化率试验和寿命试验考察产品的储存条件与储存时间；温度循环试验和温度冲击试验考察产品在客户端使用时对温度变化的耐受情况。产品在制程中无明显污染，银层牢固，封焊时露点符合要求，检漏无漏气就能满足要求。