智能電子產品向著高精密小型化發展,石英晶振晶體與其他電子零件同樣朝著輕薄短小發展.石英產品從1990年年開始朝著SMD的方向演進,1998年開始則朝著小型化方向發展.由于市場也需要輕薄型產品,因此輕薄短小的競爭也就從此白熱化起來.如今石英晶體,SMD晶振尺寸越做越小,技術革新,并且是實現高精密,高頻化.

石英晶振晶體盡管結構簡單,但是石英晶體的特性還是有難以理解的一面.要理解石英晶體,從它的外觀入手應該是最簡單的.石英晶體一般的樣態如表一所示.本文將列舉幾種不同的石英晶體來作一技術性的說明.

表一 石英晶體的一般樣態

1、頻率溫度穩定性

經由溫度特性來做角度的切斷.在人工水晶切割之后進行研磨,會造成角度的偏移.特別是在使用研磨速度快的研磨劑時,因研磨而造成的角度偏移會更顯著.使用4次將晶片從厚磨到薄做到高頻化的情況很多,但是因為4次研磨機在研磨時沒有基準面,比使用2路研磨機產生更多的角度偏移.然而若使用2路研磨機,那么會使盤面的負擔增大,因此不能用來作厚度較薄的晶片研磨.若要使用同時具有兩者優點的3WAY研磨,則要依狀況來選定研磨方法.關于特性請參照圖二.溫度特性可以從公式1以理論求得.

圖一、各種切割的溫度特性 公式1

2、負載電容

由于AT CUT電容比較小,會因負載電容的誤差產生在預期頻率內無法振蕩的情況.晶振負載電容是在振蕩回路內的東西,必須在制造石英晶體的時候以指定的數值設定.最近的振蕩回路因為電源電壓較低,負性抵抗變小,造成負載電容小負性抵抗大的傾向.若是負載電容小TS大的話,那么僅有些許的誤差也會造成頻率的誤差,這是必須要注意的.

3、Max. ESR

石英晶體的振動抵抗以電性來表示,這也和振蕩回路有密切的關系.振蕩回路的負性抵抗會因石英晶體的阻抗大而不振蕩.石英晶體的阻抗必須保持在某個數值之下,因此先了解振蕩回路的負性抵抗是必需的.石英晶體,貼片晶振封裝尺寸越來越小,阻抗因此有增大的傾向.但是從探討能量閉鎖理論以及改良封裝方法,都能維持與以往的數值相近的結果.此外還有許多制造上的問題,都必須要特別注意.

4、DLD

要使石英晶體振動程度改變就必須測量ESR如何變化.在振蕩回路內使石英晶體振蕩,在振蕩開始的時候,勵振程度(Drive Level)幾乎是接近于零的狀態,這個時候ESR是沒辦法大幅度振蕩的.這種現象沒有再現性的情況相當多,是非常麻煩的問題. IEC指出這是制程不良的問題.因此若希望其可信度高就必須要規定DLD的特性.特性如圖二所示.

圖二 DLD的特性例

5、頻率老化

它系隨著時間產生的頻率變化.石英晶體若是經過長時間的使用,會因為歪斜或是污染的影響而發生變化.這個特性也和DLD一樣,會因為制程,材料的不同而被影響.頻率變化量若超過規定,在無線通訊上就會產生混訊障礙.混訊是指通訊品質下降而產生通訊機密性的問題.而石英晶體的頻率變化會逐漸出現上述問題.現在通訊器材用的石英晶體（行動電話也包含在內）一年之內的頻率變化量約在正負1PPM以下.頻率變化量一般來說是以指數函數來表現.一年內的變化量即使不測定也能從中預測,圖三是時間變化的說明圖.

圖三 隨時間變化之說明圖

6、活動逢低

又稱為頻率擾動.原本石英晶體的溫度特性是以三次曲線來表示,但是這個現象若發生就不是三次函數了.這是因為晶片在內部和其他的模式相結合之故.石英晶體在作成SMD時,晶片會出現明顯的短柵結合現象.AT CUT原本是厚度振蕩,但是和這個振動形式結合,就會同時出現高次外型振動的現象.

要排除這個結合現象,對于各種振動形式的分析能力,依照經驗累積的設計力與晶片加工的準確度等,就成為相當重要的關鍵點.在通訊面,類比的方式大致上不會有什么問題,但在數位的情況下,通話中要是發生激烈的頻率變動,就會因為Bit錯誤的發生而造成無法通話的狀況.圖四表示與晶片軸尺寸結合的關系圖.

圖四 與晶片Z軸尺寸結合的關系

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