影响AT切型石英晶体谐振器频率温度特性的要素探讨

杨海英

【摘 要】本文根据实践数据，总结归纳了对AT切型SMD 石英晶体谐振器频率温度特性有明显影响的几个要素，就相关性作了简单的定量或定性分析。

【关键词】RBA；（Relative Benchman Angle）

1.引言

AT切型晶片的尺寸合适，便于加工，在较宽的温度范围内具有良好的频率温度特性，并有较高压电活性等优点，从而得到最广泛的应用。

AT切型石英晶体谐振器的频率vs.温度，Benchman给出的特性方程式是：

其中?i是基准角，可视同零温度系数切角（a0 =0），?是晶片实际ZZ切角，而RBA=⊿?=?-?i 。

图1给出了使用方程（1）输入不同RBA得到的的石英晶体谐振器的频率vs.温度曲线族：

图1

从图1可以看出：AT切型石英晶体谐振器的频率vs.温度特性对RBA极为敏感，?变化1就会引起曲线明显变化。同时，不同温度范围要求同样温度频差或同样温度范围要求不同温度频差，对RBA中心或偏差范围要求也是不一样的。

因此，为满足AT切型石英晶体谐振器产品频率vs.温度特性设计指标，实践中必须精确控制影响RBA的要素。尽管RBA主要受晶片ZZ切角影响，但试验发现并证明晶片外形等和成品装配设计等对RBA也有相当影响，不容忽视。

2.除ZZ切角外其它影响RBA的部分要素介绍

2.1晶片设计参数vs. RBA

2.1.1镀膜返回频率

试验发现并证实，在同等条件下，RBA随晶片镀膜返回频率的增大而增大，

两者基本呈强正相关关系。

表1是用晶片腐蚀频率分别是40500KHz、41000KHz、42000KHz三组ATFund.型5032 SMD晶片，制成40MHz产品后，用S&A;之W2200测试得出RBA统计结果：

表1

图2显示了RBA中心随镀膜返回频率变化：

图2

依据实验数据估算，镀膜返回频率每增加或减少0.3*f0^2（MHz），RBA即随之增加或减少60”。

2.1.2倒边量

中低频率段的AT切型石英晶体谐振器，为改善晶片振动活力，一般通过倒边加工，现在常用滚筒倒边机来实现，而晶片倒边加工量的大小（倒边量）对RBA有较明显影响。

表2、表3是用三组不同倒边量的AT Fund.型3225 SMD 16MHz晶片，制成产品后用S&A;之W2200测试得出RBA统计结果（每组测试30个）：

表2

表3

比较后可发现，随着倒边量的增加，RBA随着变大，且散差随之变大。

2.2晶体装配制造vs.RBA

2.2.1镀膜材料

为改善产品频率老化率技术指标，采用金替代银作为镀膜电极材料是常用的设计，对同规格晶片，两种电极材料做出的产品，其RBA有明显不同。以AT Fund.型5032 SMD 20.950MHz晶片为例，制成产品后用S&A;之W2200测试得出RBA统计结果如表4：

表4

图3显示了采用金做电极材料相比用银做电极材料，RBA变小。

图3

2.2.2点胶方式

随着一些产品可靠性要求的提高，AT 型SMD 石英晶体谐振器常用的一端点胶有时不能保证一些可靠性指标苛刻认证要求。为“加固”晶片，使用了一些新的点胶方式，图4（A、B、C）给出了3225型SMD 石英晶体谐振器三种点胶产品照片。点胶方式的变更，除可靠性和常温性能参数有差异外，不同点胶的产品，其频率温度特性也有明显差异，如：A型点胶产品其频率vs.温度曲线之拐点温度基本在28℃±3℃；而B型和C型点胶产品其频率vs.温度曲线之拐点较高，甚至超过35℃，且一致性差。频率vs.温度曲线之拐点温度偏离25℃（此温度常为温度特性测试参考温度）越多、一致性差，都会对频率vs.温度控制增加困难，甚至在一些特殊产品（如TCXO）使用该类型石英晶体谐振器时增加困难。

图4-A 图4-B 图4- C

3.测试方式与RBA

3.1测试参数vs. RBA

3.1.1负载电容（CL）值

取20只AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶体谐振器32MHz产品，用S&A;之W2200在CL=8.0pF、12.0pF、16.0pF、20.0pF和Series设置下分别测试测试，计算每次测试后20只产品的RBA平均值，发现RBA与CL有相关性，结果见图5：

图5

可见，随着CL增大，RBA也相应增大，尤其是加负载CL测FL与不加负载（Series：CL=∞）测FR，RBA差异更明显，本例中CL=8.0pF与CL=∞，RBA相差达0.36'，这在小公差晶体制造中是不能不考虑的数值。因此，无论是设计晶片、晶片选用、产品频率温度特性测试或检验，甚至是客户使用和确认等，必须明确CL取值，否则会导致测试结果差异。

3.1.2激励功率（drive level）

试验发现，同一只AT切型石英晶体谐振器，在不同的激励功率下测试其频率温度特性，其RBA值并无明显变化，但dip会随激励功率不同而出现差异。例如：AT Fund.型5032 SMD 40MHz石英晶体谐振器在100uw测试其频率温度特性时dip合格产品，在用1uw和500uw测试时，会有一部分产品dip值变大；同样AT Fund.型3225 SMD 32MHz石英晶体谐振器在10uw测试其频率温度特性时dip合格产品，在用100uw和300uw测试时，也有一部分产品dip值变大。

因此，在测试和验证AT切型石英晶体谐振器频率温度特性时，一定要用设计的或实际使用要求的激励功率确认，象直接用制造普通石英晶体谐振器使用的晶片制造OSC.或TCXO，一般是不可以的。当然，通过精心设计和工艺改进等，使AT.型石英晶体谐振器在较宽的激励功率范围，达到稳定的频率温度特性也是可以实现的。

3.2 Fund.和overtone模式vs. RBA

①取10只AT Fund.型6035 SMD 20MHz 石英晶体谐振器，用S&A;之W2200测试出RBA，然后按序再按三次泛音频率（约在60MHz附近）测试测试对应RBA，如表5。

表5

②取10只AT 3rd overtone型7050 SMD 50MHz 石英晶体谐振器，用S&A;之W2200测试出RBA，然后按序再按基频（约在16.67MHz附近）和五次泛音频率（约在150MHz附近）测试对应RBA，如表6。

表6

以上试验数据证明：对AT型石英晶体谐振器而言，基频RBA合适的晶片切角，在晶片规格、成品装配和温度频差要求都不变的情况下，对应三次泛音频率，要取得RBA合适，晶片切角应增加7～9，对应五次泛音频率，要取得RBA合适，晶片切角只需再增加1左右，反之亦然。

4.RBA简单估算

从方程（1）及a0、b0、c0值之数量级可以看出，当（T-T0）取值较小时，可以有：

一般温度特性测试所取参考温度为T0=25℃，则判断当T=10℃～15℃时，（3）式成立。由此推断：一只AT切型石英晶体谐振器RBA值大概与其10℃～15℃时相对温度频差值（按ppm计，参考温度T0=25℃）接近。当然，由于各种影响RBA的要素影响，具体到每一只产品，其实际a0值系数并不是-0.08583×10^-6，通常要更小些。但基本不影响用本方法快速估算RBA。

5.结束语

以上探讨，主要依据实践中试验数据，结论在实际中或对AT切型石英晶体谐振器设计和生产有启发和借用。基于作者水平有限，还不可能将影响AT切型石英晶体谐振器频率温度特性的要素完全深入解析，本文也难免存在不妥之处。在此，我们愿意向各方专家学习，并交流探讨。 [科]

【参考文献】

[1]张沛霖，钟维.压电材料与器件物理.

[2]冯致礼，王之兴.晶体滤波器.

[3]John R.Vig.“Quartz Crystal Resonators and Oscillators”.