高抗振性石英晶體鐘振蕩器的研制

【摘要】本文對(duì)高抗振性石英晶體鐘振蕩器的研制作了詳細(xì)的介紹，包括參數(shù)、結(jié)構(gòu)和工藝等方面的設(shè)計(jì)，并針對(duì)振蕩器寬頻率范圍的實(shí)現(xiàn)和高抗振性進(jìn)行了專門的課題研究。該項(xiàng)目產(chǎn)品的研制成功，將國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的頻率拓寬到0.1MHz～350MHz，并且解決了高抗振性的問(wèn)題，對(duì)今后表貼類晶振的研制具有借鑒和幫助意義。

【關(guān)鍵詞】高抗振性；石英晶體鐘振蕩器；寬頻率范圍；頻率合成

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電子裝備正向小型化、智能化、高精度、高可靠方向發(fā)展，作為軍用電子裝備關(guān)鍵元器件的片式石英晶體元器件是國(guó)防科研和武器裝備的基礎(chǔ)和核心。SMD片式的“高抗振性石英晶體鐘振蕩器”，具有無(wú)引線、體積小、分布參數(shù)小、老化率低、高抗沖擊振動(dòng)等顯著特點(diǎn)。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于整機(jī)定位系統(tǒng)部分、陀螺電源設(shè)備、無(wú)線射頻接收發(fā)射系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)內(nèi)置頻率源等工程系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率源、時(shí)間基準(zhǔn)，在裝備中屬關(guān)鍵核心器件。因此，實(shí)施高抗振性石英晶體鐘振蕩器的科研項(xiàng)目，適應(yīng)了高新電子設(shè)備發(fā)展的需要。

1.產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目產(chǎn)品覆蓋頻率范圍為：

0.1MHz～350MHz，典型產(chǎn)品主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.研制方案

2.1 總體思路

本項(xiàng)目高抗振性石英晶體鐘振蕩器的難點(diǎn)主要是高抗振性和寬頻率范圍的實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)晶振的高抗振性，必須對(duì)SMD晶片的設(shè)計(jì)、加工進(jìn)行深入的研究，解決好裝配問(wèn)題，還要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的抗振性試驗(yàn)夾具。

實(shí)現(xiàn)寬頻的技術(shù)主要有兩種：一是制造高基頻的石英晶片，振蕩在泛音頻率上；二是采取頻率合成的方法。用高基頻晶片振蕩在泛音的方法比較困難，而且可靠性難以保證，投資也較大，因此我們采用頻率合成的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 鐘振蕩器寬頻率范圍的實(shí)現(xiàn)[1]

在0.1MHz～10MHz采用PL611S-18芯片。此IC內(nèi)置一個(gè)5位的參考頻率分頻器R，一個(gè)8位的VCO頻率反饋環(huán)路分頻器M，一個(gè)14位的輸出分頻器P，輸出頻率CLK=FREF*M/（R*P）。晶體的輸入頻率為10～50MHz，輸出頻率為0.5KHz～125MHz。此IC可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)各種頻率的合成。內(nèi)部框圖如圖1所示。

在10MHz～30MHz采用CF5009AL1芯片，選擇基頻晶片提供參考頻率，經(jīng)芯片內(nèi)部集成了振振蕩電路和緩沖放大電路輸出需要的頻率。

在30MHz～50MHz采用CF5006AND芯片，選擇泛音晶片提供參考頻率，經(jīng)芯片內(nèi)部集成了振振蕩電路和緩沖放大電路輸出需要的頻率。

在50MHz～200MHz的頻率范圍內(nèi)采用的PLL602-00芯片，該IC可通過(guò)3個(gè)選頻因子控制腳（SEL）選擇合適倍頻因子，本項(xiàng)目倍頻因子選為8倍。內(nèi)部框圖如圖2所示。

在200MHz～350MHz的頻率范圍內(nèi)采用的PLL602-30芯片，此芯片內(nèi)置了晶體振蕩電路、參考分頻器、VCO分頻器、鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、VCO。晶體的輸入頻率范圍為12MHz～25MHz，輸出頻率范圍是750KHz～800MHz。該芯片可通過(guò)4個(gè)選頻因子控制腳（SE）選擇合適的分頻或倍頻因子，本項(xiàng)目倍頻因子選為16倍。內(nèi)部框圖如圖3所示。

2.3 鐘振蕩器高抗振性的實(shí)現(xiàn)[2～4]

2.3.1 選料

晶體材料選擇：Z料，Q值≥240萬(wàn)，腐蝕隧道密度≤100條/cm2，包裹體為二類。

2.3.2 外形尺寸的設(shè)計(jì)

石英晶片的外形尺寸確定必須考慮避開(kāi)三種寄生耦合振動(dòng)，對(duì)于厚度切變的小條形片，由于l>>t和w>>t的條件不能滿足，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮長(zhǎng)度和寬度方向的影響，為此我們采用公式進(jìn)行規(guī)格的設(shè)計(jì)。

2.3.3 研磨技術(shù)

研磨是磨削精加工，對(duì)研磨盤平整度的要求很高，為了改善晶片表面粗糙度的一致性所以我們規(guī)定了嚴(yán)格的修盤制度，每個(gè)班固定修盤半個(gè)小時(shí)，經(jīng)檢查合格后方可開(kāi)始研磨，用千分表檢查研磨盤的平面度。

另外，盡量采用細(xì)沙，同時(shí)還應(yīng)注意石英晶片輪廓尺寸的精度，防止破邊，造成應(yīng)力，影響石英諧振器的老化和抗振性。

2.3.4 清洗、腐蝕技術(shù)

清洗采用MVA-7040型超聲波清洗機(jī)，保證每個(gè)白片至少在80℃的去離子水中超聲清洗7次。隨著超聲頻率的增加空化泡的數(shù)量呈線性增加，從而產(chǎn)生更多密集的沖擊波使其能進(jìn)入到更小的縫隙中，以保證晶片的潔凈度，同時(shí)空化泡變小，其釋放的能量相應(yīng)減少，這樣就有效地減小了對(duì)晶片表面的損傷。

腐蝕采用JR-FCAJR增強(qiáng)型腐蝕機(jī)，該儀器溫度控制穩(wěn)定性為±2℃，開(kāi)機(jī)預(yù)熱30分鐘后腐蝕液溫度控制在50±2℃。腐蝕槽內(nèi)腐蝕液的容量大約為2000ml，由磁力攪拌器對(duì)腐蝕液進(jìn)行攪拌，實(shí)現(xiàn)腐蝕溶液的均勻性。另外在腐蝕擺臂上安裝一個(gè)擺動(dòng)電機(jī)，它可以將腐蝕籃內(nèi)的晶片散開(kāi)，保證腐蝕的均勻性。

2.3.5 鍍膜技術(shù)

采用美國(guó)SA5600無(wú)油鍍膜機(jī)進(jìn)行鍍膜。SA5600無(wú)油鍍膜機(jī)具有氬離子轟擊及加溫鍍膜功能，這對(duì)消除晶片表面的雜質(zhì)及晶片與鍍膜材料的表面牢固起著至關(guān)重要的作用。

2.3.6 應(yīng)力消除技術(shù)

在鍍膜前后和微調(diào)后必須要進(jìn)行真空高溫退火，對(duì)烘烤時(shí)間和溫度進(jìn)行分析，以消除應(yīng)力，降低老化，我們鍍膜前白片退火溫度為420℃烘烤4h，鍍膜后180℃烘烤2h，微調(diào)后180℃烘烤1h。

2.3.7 振子安裝技術(shù)

通過(guò)對(duì)各種導(dǎo)電膠膠點(diǎn)的大小、位置等進(jìn)行的大量試驗(yàn)和深入研究。選擇彈性好、導(dǎo)電率高的XA-819A導(dǎo)電膠，通過(guò)試驗(yàn)找出抗振效果最好的安裝時(shí)選擇力敏感度最小的方向，提高晶振的抗振能力。經(jīng)過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)和多次試驗(yàn)，我們采取六點(diǎn)點(diǎn)膠的方式。

通過(guò)采取以上的措施后，我們對(duì)每頻點(diǎn)各4只產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，試驗(yàn)后無(wú)一只產(chǎn)品失效，證明我們的措施是成功的、有效的。

3.產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

8個(gè)代表頻點(diǎn)產(chǎn)品各加工了100只產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電性能測(cè)試，全部滿足指標(biāo)要求。下表是幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)測(cè)平均水平。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著電子整機(jī)的小型化、精密化，對(duì)石英晶體元器件的要求也在向小型化、貼片化和和高精密方向發(fā)展。而最近幾年更是發(fā)展迅速，尤其在小體積和頻率擴(kuò)展上。目前國(guó)外SMD晶振從十幾KHz～700MHz都可以生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)目前的水平是從1MHz～150MHz左右。

本項(xiàng)目的研制成功將國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的頻率拓寬到0.1MHz～350MHz，并且解決了高抗振性的問(wèn)題，對(duì)今后表貼類晶振的研制具有借鑒和幫助意義。

參考文獻(xiàn)

[1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社， 1997.

[2]電子元器件專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)教材編寫組.壓電石英晶體及元器件[M].北京：電子工業(yè)出版社，1986.

[3]秦自楷，等.壓電石英晶體[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社， 1980.

[4]山東大學(xué)物理系，北川無(wú)線電器材廠.石英諧振器的設(shè)計(jì)和制造[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

作者簡(jiǎn)介：孫剛（1974-），男，遼寧遼陽(yáng)人，遼陽(yáng)鴻宇晶體有限公司工程師，研究方向：石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。