浅谈晶振的原理与可靠性测试方法及对自动化生产设备改进的探讨
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高 损 伤 电极 膜 。 ２３ 真 空封 装 气 密 性 测 试 ．
路再和一个静态电容ｃ 联的二端 回路 ，这个回路有两个谐振点 ，即： １）当Ｌ ． 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小 （ 、Ｃ 、Ｒ 等于Ｒ），串
通 常晶振具有稳定 陛高 、寿命 比较长 的特点 ，这得益于真空封装时 的气密性良好 。高度 真空下封装好的晶振可 以有效减小晶振在谐振时的 空气阻尼，大大的减少谐振时的动态电阻值 ，从提高晶振的稳定性 、降 低晶振的功耗。另一方面 ，真空封装也使得电极膜被氧化的可能性大大 降低 ，从而延长了寿命和及寿命期内的稳定性。因此必须对真空封装进 行气密性测试 ，主要项 目有 ：封装尺寸是否偏差过大 ，封装是否漏气， 封装内否有气体。 ２４ 频 率微 调 整 时 的稳 定 性 测试 ． 频率微调整是频率调整的最后～步，因此其稳定性关系到晶振在成 品后的稳定性。频率微调整时能达到 目标值 ±５ｐ ｐ ｍ以内，那么封装、加 热后基本能达 到 ± ０ ｐ ２ ｐｍ以内，而频率微调整时偏离 目 标值过大会导致 成品晶振频率偏离标称频率 的公差过大不符合要求 。因此必须对频率微 调整的稳定性进行现场测试 。主要测试微调整后的半成品频率是否达到 目标值要求 范围内。
２１ 真 空 蒸 镀 膜 稳 定 性 的 测试 ．
试方法来支持 自动化设备不断的技术改造、创新 ，才能使 晶振在保持行业 要求趋势的同时拥有更高精度和稳定度 ，在延长其寿命周期的同时可靠眭 也得到保证 ，从而在竞争中占有优势。
利用晶振 的压电效应原理 ，要使 晶振能工作 ，必须要在晶片上镀上 两个对称而不导通的 电极膜 。通常在高度真空状态下利用大 电流把金属 升华 到 蒸气 状 态 ，装 在 固定 夹 具上 的 晶片在 其 中均 匀 的旋 转 而被 蒸 镀 上 金属膜电极 。所蒸 的膜成分依厂家而不 同，通常由里往外依次是Ｃ 层、 ｒ Ｃ／ ｇ ｒ ￣度层 、Ａ 层，有 的厂家还用到Ｓ 。电极膜蒸镀的稳定性好坏会造 Ａ ｇ ｎ 成 晶振不发振或发振不稳定 。因此要测试的项 目有 ：膜是否变色，膜是 否完整 ，膜是否熔点过低 ，两个 电极膜是否导通 ，膜过厚、过薄。
气密 性 ；微调整 ；标 称频率 ；治 工具 ；可靠性测试
中图分 类 号 Ｔ ７ 文 献标 识码 Ａ Ｎ 文章 编号 １７—６ １（ Ｌ）６－ １２叭 ６３９ ７一 ＯＯ １０２一 ２ Ｏ
石英晶体振荡器简称为石英晶体或 晶体、晶振 （ 以下简称为晶振 ）。 因其频率稳定度高这一特点，故在电气领域中一直 占 有重要的地位。晶 振 在远程通信 、卫星通信 、移动电话系统、全球定位系统 （ Ｐ Ｇ Ｓ）、导航、 遥控 、航空航天、高速计算机 、精密计测仪器及消费类民用电子产品中， 作为标准频率源或脉冲信号源 ，提供频率基准 ，是 目前其它类型的振荡器 所不能替代的，因此晶振又被誉为工业的 “ 食盐 ”。小型化 、片式化 、低 噪声化、频率高精度化与高稳定度化，是移动电话 、手表、数码相机等为
１３ 等 效 回 路 ． 在 电气 上 晶振 可 以 等效 成 一个 电容 ｃ、 电 阻Ｒ、电 感 Ｌ 组成 的 串联 支
性至关重要 。如果焊接位置出现大偏移 ， 则后面的频率微调整无法顺利 完成而达不 到目标频率值 ，或者封装时晶片与封装壳间的距离过小而接 触或发振时接触 ，导致停振或发振不稳定。焊接时焊剂无法达到熔点造 成 的虚焊 ，或单电极 焊接都会导致 晶振无法起振或起振 困难、起振后因 动态 电阻过 大不稳定。因此必须对焊接稳定性做现场测试 ，主要测试项 目有虚焊，单 电极焊接 ，焊剂过多 、过少 ，晶片位置偏移 ，焊接温度过
２２ 回流 焊 接 稳定 性 的测 试 ． 在 把 晶振 两个 电极 膜 通 过 回流 焊 接 到 两个 引 脚 上 时 ，其 焊接 的稳 定
１ ．晶振 的基 本原理
１１ 晶 振 的 结构 ．
晶振是利用石英 晶体 （ 二氧化硅的结 晶体 ）的压电效应制成的一种 谐 振 器 件 ，它 的 基本 构成 大 致 是 ：从 石 英 晶体 上 按 一 定方 位 角 切 下 薄片 （ 简称为晶片，它可以是正方形、矩形 、音叉形或圆形等 ），通过真空 蒸镀等工艺在薄片上 生成两个电极 ，通过回流焊接把两个 电极连接到管 脚上 ，频率微调整后封装上外壳就构成了晶振。为防止Ａ 电极被氧化， ｇ 降低晶振的动态阻值 ，通常封装是在真空中进行。 １２ 压 电效 应 ． 若在石英 晶体 的两个电极上加一电场 ，晶片就会产生机械变形 。反 之 ，若 在 晶 片 的两 侧 施 加 机 械 压 力 ，则 在 晶 片 相应 的 方 向 上 将 产 生 电 场 ，这种物理现象称 为压电效应。如果在晶片的两极 上加交变电压 ，晶 片 就 会 产生 机 械振 动 ，同 时 晶 片 的机 械 振动 又 会 产 生交 变 电场 。在 一 般 情况下，晶片机械振动的振 幅和交变电场 的振幅非常微小 ，但 当外加交 变电压 的频率为某一特定值 时，振幅明显加大 ，比其他频率下的振幅大 得多 ，这种现象称为压电谐振 ，它与Ｌ ｃ回路的谐振现象 —分相似。谐振 ｒ 频率 与晶片的切割方式 、几何形状 、尺寸等有关。切割方式有Ａ ，Ｂ Ｔ Ｔ， Ｘ Ｙ，Ｄ ，Ｃ ，ｓ 六种。下文基于ＸＹ Ｔ Ｔ Ｌ 切割方式的音叉形 晶振进行分析 ， 这种方式切割出来 的音叉形 晶片频率范围在 １ ５ ｋ ｚ ６～１０ Ｈ ，适合生产标称 频率 为３．７ｋ ｚ ２ ８ Ｈ 的计时用晶振。 ６
１ ２ ２
Leabharlann Baidu
应 溺 科
２年 漓 Ｌ 科 １ ０ 第１ １ 期 ０
浅谈 品振的原理与 可靠性测试 方法及 对 自动化 生产设备改进 的探讨
王 海
（ 领冠 电子 （ 梧州 ）有限公司 ，广西梧州 ５ ３ ０ ４ ０ ２）
摘 要 对音叉 型低频率 晶体振 荡器的原理 和现场可靠性测试方 法以及由此对 自动化生产设备改进 的探讨 ，作简要分 析。 关键词 自动化 ；晶振 ；晶片 ；压 电效应 ；等效回路 ；动态 电阻 ；静态 电容 ；串联 谐振 ；并联谐振 ：回流焊接 ；起振 ；发振 ；真空封装
代 表 的 便携 式 产 品 对 晶振 提 出的更 高要 求 。 另一 方 面 ，晶振 在 发 展 过程 中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。因此通过可靠性测
方法及设备的维修或改造进行评估 、对策 ，以改善成品晶振的稳定性就 显得尤其重要。晶振的可靠性测试 主要有以下六种 ：真空蒸镀膜的稳定 性 ，回流焊接稳定性 ，真空封装气 密性 ，频率微调整时的稳定性 ，耐热 稳 定 性 ，耐 冲击稳 定 性 。
路再和一个静态电容ｃ 联的二端 回路 ，这个回路有两个谐振点 ，即： １）当Ｌ ． 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小 （ 、Ｃ 、Ｒ 等于Ｒ），串
通 常晶振具有稳定 陛高 、寿命 比较长 的特点 ，这得益于真空封装时 的气密性良好 。高度 真空下封装好的晶振可 以有效减小晶振在谐振时的 空气阻尼，大大的减少谐振时的动态电阻值 ，从提高晶振的稳定性 、降 低晶振的功耗。另一方面 ，真空封装也使得电极膜被氧化的可能性大大 降低 ，从而延长了寿命和及寿命期内的稳定性。因此必须对真空封装进 行气密性测试 ，主要项 目有 ：封装尺寸是否偏差过大 ，封装是否漏气， 封装内否有气体。 ２４ 频 率微 调 整 时 的稳 定 性 测试 ． 频率微调整是频率调整的最后～步，因此其稳定性关系到晶振在成 品后的稳定性。频率微调整时能达到 目标值 ±５ｐ ｐ ｍ以内，那么封装、加 热后基本能达 到 ± ０ ｐ ２ ｐｍ以内，而频率微调整时偏离 目 标值过大会导致 成品晶振频率偏离标称频率 的公差过大不符合要求 。因此必须对频率微 调整的稳定性进行现场测试 。主要测试微调整后的半成品频率是否达到 目标值要求 范围内。
２１ 真 空 蒸 镀 膜 稳 定 性 的 测试 ．
试方法来支持 自动化设备不断的技术改造、创新 ，才能使 晶振在保持行业 要求趋势的同时拥有更高精度和稳定度 ，在延长其寿命周期的同时可靠眭 也得到保证 ，从而在竞争中占有优势。
利用晶振 的压电效应原理 ，要使 晶振能工作 ，必须要在晶片上镀上 两个对称而不导通的 电极膜 。通常在高度真空状态下利用大 电流把金属 升华 到 蒸气 状 态 ，装 在 固定 夹 具上 的 晶片在 其 中均 匀 的旋 转 而被 蒸 镀 上 金属膜电极 。所蒸 的膜成分依厂家而不 同，通常由里往外依次是Ｃ 层、 ｒ Ｃ／ ｇ ｒ ￣度层 、Ａ 层，有 的厂家还用到Ｓ 。电极膜蒸镀的稳定性好坏会造 Ａ ｇ ｎ 成 晶振不发振或发振不稳定 。因此要测试的项 目有 ：膜是否变色，膜是 否完整 ，膜是否熔点过低 ，两个 电极膜是否导通 ，膜过厚、过薄。
气密 性 ；微调整 ；标 称频率 ；治 工具 ；可靠性测试
中图分 类 号 Ｔ ７ 文 献标 识码 Ａ Ｎ 文章 编号 １７—６ １（ Ｌ）６－ １２叭 ６３９ ７一 ＯＯ １０２一 ２ Ｏ
石英晶体振荡器简称为石英晶体或 晶体、晶振 （ 以下简称为晶振 ）。 因其频率稳定度高这一特点，故在电气领域中一直 占 有重要的地位。晶 振 在远程通信 、卫星通信 、移动电话系统、全球定位系统 （ Ｐ Ｇ Ｓ）、导航、 遥控 、航空航天、高速计算机 、精密计测仪器及消费类民用电子产品中， 作为标准频率源或脉冲信号源 ，提供频率基准 ，是 目前其它类型的振荡器 所不能替代的，因此晶振又被誉为工业的 “ 食盐 ”。小型化 、片式化 、低 噪声化、频率高精度化与高稳定度化，是移动电话 、手表、数码相机等为
１３ 等 效 回 路 ． 在 电气 上 晶振 可 以 等效 成 一个 电容 ｃ、 电 阻Ｒ、电 感 Ｌ 组成 的 串联 支
性至关重要 。如果焊接位置出现大偏移 ， 则后面的频率微调整无法顺利 完成而达不 到目标频率值 ，或者封装时晶片与封装壳间的距离过小而接 触或发振时接触 ，导致停振或发振不稳定。焊接时焊剂无法达到熔点造 成 的虚焊 ，或单电极 焊接都会导致 晶振无法起振或起振 困难、起振后因 动态 电阻过 大不稳定。因此必须对焊接稳定性做现场测试 ，主要测试项 目有虚焊，单 电极焊接 ，焊剂过多 、过少 ，晶片位置偏移 ，焊接温度过
２２ 回流 焊 接 稳定 性 的测 试 ． 在 把 晶振 两个 电极 膜 通 过 回流 焊 接 到 两个 引 脚 上 时 ，其 焊接 的稳 定
１ ．晶振 的基 本原理
１１ 晶 振 的 结构 ．
晶振是利用石英 晶体 （ 二氧化硅的结 晶体 ）的压电效应制成的一种 谐 振 器 件 ，它 的 基本 构成 大 致 是 ：从 石 英 晶体 上 按 一 定方 位 角 切 下 薄片 （ 简称为晶片，它可以是正方形、矩形 、音叉形或圆形等 ），通过真空 蒸镀等工艺在薄片上 生成两个电极 ，通过回流焊接把两个 电极连接到管 脚上 ，频率微调整后封装上外壳就构成了晶振。为防止Ａ 电极被氧化， ｇ 降低晶振的动态阻值 ，通常封装是在真空中进行。 １２ 压 电效 应 ． 若在石英 晶体 的两个电极上加一电场 ，晶片就会产生机械变形 。反 之 ，若 在 晶 片 的两 侧 施 加 机 械 压 力 ，则 在 晶 片 相应 的 方 向 上 将 产 生 电 场 ，这种物理现象称 为压电效应。如果在晶片的两极 上加交变电压 ，晶 片 就 会 产生 机 械振 动 ，同 时 晶 片 的机 械 振动 又 会 产 生交 变 电场 。在 一 般 情况下，晶片机械振动的振 幅和交变电场 的振幅非常微小 ，但 当外加交 变电压 的频率为某一特定值 时，振幅明显加大 ，比其他频率下的振幅大 得多 ，这种现象称为压电谐振 ，它与Ｌ ｃ回路的谐振现象 —分相似。谐振 ｒ 频率 与晶片的切割方式 、几何形状 、尺寸等有关。切割方式有Ａ ，Ｂ Ｔ Ｔ， Ｘ Ｙ，Ｄ ，Ｃ ，ｓ 六种。下文基于ＸＹ Ｔ Ｔ Ｌ 切割方式的音叉形 晶振进行分析 ， 这种方式切割出来 的音叉形 晶片频率范围在 １ ５ ｋ ｚ ６～１０ Ｈ ，适合生产标称 频率 为３．７ｋ ｚ ２ ８ Ｈ 的计时用晶振。 ６
１ ２ ２
Leabharlann Baidu
应 溺 科
２年 漓 Ｌ 科 １ ０ 第１ １ 期 ０
浅谈 品振的原理与 可靠性测试 方法及 对 自动化 生产设备改进 的探讨
王 海
（ 领冠 电子 （ 梧州 ）有限公司 ，广西梧州 ５ ３ ０ ４ ０ ２）
摘 要 对音叉 型低频率 晶体振 荡器的原理 和现场可靠性测试方 法以及由此对 自动化生产设备改进 的探讨 ，作简要分 析。 关键词 自动化 ；晶振 ；晶片 ；压 电效应 ；等效回路 ；动态 电阻 ；静态 电容 ；串联 谐振 ；并联谐振 ：回流焊接 ；起振 ；发振 ；真空封装
代 表 的 便携 式 产 品 对 晶振 提 出的更 高要 求 。 另一 方 面 ，晶振 在 发 展 过程 中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。因此通过可靠性测
方法及设备的维修或改造进行评估 、对策 ，以改善成品晶振的稳定性就 显得尤其重要。晶振的可靠性测试 主要有以下六种 ：真空蒸镀膜的稳定 性 ，回流焊接稳定性 ，真空封装气 密性 ，频率微调整时的稳定性 ，耐热 稳 定 性 ，耐 冲击稳 定 性 。