晶振工作原理及制程

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Frequency vs. Thickness
AT-Cut Crystal F ( MHz) = 1670 T
( um )
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or
F ( kHz) =
1670 T
( mm )
Frequency Thickness
14.318 MHz 0.116 mm
20.000MHz 0.083 mm
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Why is AT-Cut
振動模式
長度彎曲振動 伸縮振動 輪廓振動 厚度振動
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(1)
Length-width flexure Extensional flexure Face shear flexure Thickness shear flexure
基 本 波：Fundamental 3 倍 頻：3rd overtone 5 倍 頻：5th overtone
C0=0.02 ‧ del ‧
fs n
The shunt capacitance include the capacitance of XTAL and stray cap. of paste , metal cap …… inside the package . Mounting system的改變 或 base 長度/材質 不同 C0 值會變化 0.2 pF~1 pF 之間. C0小 → 起振電壓低，但CI較困難製造.
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Why is AT-Cut
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(2)
+
0.082mm
+
Fundamental Movement
20Mhz
0.082mm
-
3rd Overtone Movement
60Mhz
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Why is AT-Cut
Low Frequency CT +380 DT -520 ET +660 FT -570
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Parameters of Effective Circuit
Lm：Dynamic Inductance ：
由 Mechanical Mass 決定大小
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(3)
L1=
1 = 2C Ws 1
1 2πfsC1 π
低頻時，晶片較厚，WAFER較大…數HENRIES 高頻時，晶片較薄，BLANK較小…數mH
++++++
When a electric field applied , the induced electric filed is generated and force the Oxygen atom move closer .
- - - -O -
-2
The SiO2 is always in the static state of electric neutral .
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Parameters of Effective Circuit
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(2)
Cm：dynamic capacitance ：
C1=0.1‧Kc‧del ‧ ‧ ‧
2
fs n3
f=Resonance Freqency del：Electrode Diameter n：Ordinal Number of Harmonics(1,3,5,7,..) kc：Correction Constant kc=1…fundamental oscillation kc=0.85…3rd over tone kc=0.75…5rd over tone
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Piezo Electricity
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(1)
Y
-Si
+4
++
Si +4
X
Si +4
O
-2
O
-2
O -2
++
O -2
O -2
--
O -2
The SiO2 is always in the static state of electric neutrial .
The positive electric-field is induced when the mechanic force pull the Oxygen atom out of original position .
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(2)
High Frequency AT +35015’ BT -490
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Why is AT-Cut
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(3)
各種切割角度 / 溫度 之關係
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Why is AT-Cut
AT
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(4)
切割角度 / 溫度 之關係
26.973 MHz 0.062 mm
35.328 MHz 0.047 mm
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Laping & Etching
Laping Machinism
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(1)
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Laping & Etching
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(2)
Surface Treatment & Etching
Y
Si +4
++++++
------+++++
Si +4
X
----Si +4
O
-2
O
-2
O -2 + + + + +O -2
O -2
------When a electric field applied , the induced electric filed is generated and force the Oxygen atom move outward .
Quartz Material
材料成份： 材料成份： 二氧化矽
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(1)
SiO2
TRIGONAL-DIGONAL CLASS：32 ：
材料組成： 材料組成： 正六方晶系 材料特性： 材料特性：
熔點 α-β相變點 硬度 密度 壓電特性 光雙折性
1,750℃ 537℃ ~7.2莫氏硬度 2,648Kg/M3 Y軸： 機械軸 Z軸： 光學軸
Note : “ Motional “ means the Frequency Dependency .
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Parameters of Effective Circuit
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(1)
C0：Static ( Shunt ) Capacitance：
一般 C0< 5.5pF 以下 一般 C0< 3.5pF 以下 ( Dip 49U ) ( SMD 7.0*5.0 ) 2
Confidential
Introduction of Quartz Crystal
Linda Lin / FAE Department
Nov. 20, 2001
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Confidential
Contents
Characteristic of Quartz Material Characteristics of Crystal Units Choose the Right Crystal Unit
Auto seam welding Fine leak test F.Q.C.
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Effective Circuit of XTAL
等效電路
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Co : Shunt Capacitance
Cm Co Lm Rr
Cm : Motional Capacitance Lm : Motional Inductance Rr : Motional Resistance
Choose the Right Crystal
@1atm @1atm @25 ℃ @25 ℃
MECHANICAL AXIS OPTICAL AXIS
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Quartz Material
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(2)
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Quartz Material
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(3)
SYNTHETIC QUARTZ CRYSTAL
X’TAL Process
SMD X’TAL
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(2)
Blank cleaning Freq. adjustment Annealing Final Test Laser marking
Alignment Curing
Base Plating Blank auto mount Aging Gross leak test Taping
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Characteristics of Quartz Material
Quartz Material Piezo Electricity Why is AT-Cut Frequency vs. Thickness Lapping & Etching
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Note : The roughness and inter-crack data are dependet on the quartz material and the type of abbresive .
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Characteristics of Crystal Unit
Structure & Process Effective Circuit of Crystal Unit Parameter of Effective Circuit Measureing the Crystal Parameters
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Structure of X’TAL – Dip Type
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Structure of X’TAL – SMD Type
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Metal Lid
Coated Electrode
Quartz Blank Ceramic Base
AVG. size um # # 500 800 25 14 11.5 6.5 4.0 2.7 2.0 0.60 Roughness um 6 3 2.5 1.1 0.8 0.5 0.3 0.08 Inter-Crack um 22 Inter-Crack 10 8 3.5 2.6 1.3 0.8 0.05 # 1000 # 2000 # 3000 # 4000 # 6000 # 10000 Roughness
Leabharlann Baidu
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XTAL Process
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(1)
DIP 49U XTAL
Blank cleaning Base plating Auto mount
Annealing
Freq. adjustment
Curing
Sealing
Aging
F.Q.C.
O.Q.C.
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Parameters of Effective Circuit
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(4)
R1：Dynamic Resistance…….(Rr) ： R=P L A ，A↑，R↓
相關原因：
(1) 音響學上的損失 晶片表面平行度 大氣R1 > N2R1 > 真空中R1 (2) 石英晶片表面清潔度 晶片表面與鍍膜層附著性 (3) 電極面之設計 (4) 石英原料材質 石英晶片表面處理
AUTOCLAVE HYDROTHERMAL METHOD RAW MATERIAL： Silica HIGH PRESSURE：800 to 2,000 atmospheres HIGH TEMPERATURE： ~400 ℃ HIGH TEMP. STABILITY ： ± 0.2 ℃ LONG GROWTH TIME： 1 ~ 6 Month HIGH PURITY： Infra-Red Absorption (IRA)： 3585 CM-1
The negative electric-field is induced when the mechanic force push the Oxygen atom toward center position .
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Piezo Electricity
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(2)
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Measuring the Crystal Parameters
Oscillation Method Pi NetWork Method
Calculation Method Measurement Method Physical Load Method
Confidential
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