TXC公司通過檢測晶振老化頻漂的實(shí)驗(yàn)得出什么結(jié)果
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年04月30
晶振老化問題幾十年來一直困擾著廣大工程師，也在一定程度上影響石英晶振的發(fā)展，更重要的是，有時(shí)候晶體或振蕩器會因?yàn)槔匣闆r，而發(fā)生頻率漂移的現(xiàn)象，簡單的說就是標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生變化，不再穩(wěn)定正常的發(fā)揮頻率振蕩特性。為了處理這個(gè)難題，TXC晶振公司做了如下實(shí)驗(yàn)，測試?yán)匣l漂，老化溫度等方面，采用IVA測試方法，這是比較先進(jìn)的檢查方式之一，接下來讓我們看看這一過程及結(jié)果。
隨著石英晶體諧振器（X'tal諧振器）在移動電話和汽車中的廣泛應(yīng)用，甚至伴隨尺寸小型化，石英晶體諧振器的長期頻率穩(wěn)定性被認(rèn)為是最重要的特性，已經(jīng)研究了數(shù)十年。老化通常被定義為頻率漂移的時(shí)間函數(shù)，其可能受到許多因素的影響，例如應(yīng)力，從封裝和導(dǎo)電粘合劑逸出的廢氣，污染物，石英缺陷。特別是應(yīng)力消除和污染被認(rèn)為是最重要的，由Gehrke和Klawitter分析[1]。對于X'tal諧振器，在25℃的商業(yè)應(yīng)用中每年2ppm至5ppm，在25℃下每年3ppm的汽車通常用于規(guī)范。因此，研究了許多相關(guān)的主題，例如，安裝點(diǎn)的幾何變化對老化的影響[2]和AT切割諧振器老化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，在J.R.Vig和T.R.Meeker[3]的研究中提出了三種典型的衰老類型：由應(yīng)力主導(dǎo)的積極老化，以質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)為主的負(fù)衰老，以及由應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)主導(dǎo)的綜合老化。如今，使用有效的方法或設(shè)備無法直接檢測到壓力，但可以通過內(nèi)部蒸汽分析（IVA測試）來測量排氣，這可以幫助確定排氣如何影響老化。
老化作為長期穩(wěn)定性是石英晶體諧振器最重要的特性之一，應(yīng)力和尾氣作出了重大貢獻(xiàn)。本文分析了不同安裝類型和老化溫度條件下的老化頻率漂移機(jī)理。結(jié)果表明，兩點(diǎn)和四點(diǎn)安裝石英芯片在85℃時(shí)效時(shí)的頻率漂移相似;然而，兩點(diǎn)安裝諧振器在150℃老化下的穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于四點(diǎn)安裝諧振器。主要原因是兩點(diǎn)安裝諧振器的老化曲線是一個(gè)綜合老化曲線，因?yàn)榕艢夂蛻?yīng)力的影響很好地平衡，這是由IVA測試支持的。
圖1顯示了TXC 3.2mm×2.5mmSeam型X'tal諧振器在150℃時(shí)的頻率漂移趨勢，其共有四個(gè)安裝點(diǎn)，500小時(shí)后偏差接近4ppm。
圖1.150℃時(shí)的常見頻率漂移趨勢
通常可以看到如上所述的負(fù)老化，即頻率持續(xù)下降，其原因通常被認(rèn)為是來自導(dǎo)電粘合劑的外氣。從理論上講，當(dāng)應(yīng)力的正效應(yīng)等于排氣的負(fù)效應(yīng)時(shí)，頻率將是穩(wěn)定的，換句話說，當(dāng)弱化質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)時(shí)，將顯示正效應(yīng)，從而頻率漂移將受到應(yīng)力的支配。本文研究了不同老化溫度下不同安裝類型的老化頻率漂移機(jī)理。
實(shí)驗(yàn)和結(jié)果：
在我們的研究中，TXC晶振3.2mm×2.5mmSeam型X'tal晶振的頻率是基本AT-cut40MHz用于實(shí)驗(yàn)，其中相對較軟（tanδ~0.2）的硅基導(dǎo)電膠和正常的生產(chǎn)工藝是另外，導(dǎo)電粘合劑的安裝位置如圖2至圖4所示，安裝直徑全部控制在250μm。在實(shí)驗(yàn)中加入吸氣樹脂以吸收廢氣然后降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)，其作用是吸收CO2和H2O的不可逆吸濕劑。如上所述設(shè)定材料和參數(shù)可以客觀地反映不同安裝類型的老化行為。
為了證明什么是頻率漂移機(jī)制，在老化測試中使用兩種安裝類型和兩種溫度，并且測量和分析兩種安裝類型的頻率偏差和頻率漂移趨勢。實(shí)驗(yàn)條件列于表1中。總共有6個(gè)實(shí)驗(yàn)，并且測量每個(gè)實(shí)驗(yàn)的30個(gè)樣品。平均數(shù)據(jù)將用于獲得頻率漂移趨勢。
表1.實(shí)驗(yàn)條件
圖2，圖3和圖4顯示了石英晶振樣本的照片，包括正視圖和側(cè)視圖。通過光學(xué)顯微鏡獲得正面視圖，側(cè)視圖由丹東奧龍X射線儀器捕獲。很明顯，圖2（a）和圖3（a）幾乎是相同的，因?yàn)槿鐖D2（b）所示，吸氣劑剛好安裝在坯料下面，因此從前視圖看不到它。
圖2.帶吸氣劑的兩個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）吸氣劑的前視圖;（c）側(cè)視圖。
圖3.兩個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）側(cè)視圖。
圖4.四個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）側(cè)視圖。
在本文中，將比較和分析不同實(shí)驗(yàn)條件對衰老的影響，并伴隨使用ORS（ONEIDARESEARCHSERVICES，INC。）儀器的IVA測試結(jié)果。
老齡化結(jié)果：
通過對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在85℃下，三種安裝方式的頻率漂移相似，如圖5所示，其中500小時(shí)后的頻率偏差在2ppm以內(nèi)。圖6顯示150℃不同安裝類型的頻率偏差不同，其中500小時(shí)后四個(gè)安裝點(diǎn)的頻率偏差接近5ppm，兩個(gè)安裝點(diǎn)的貼片晶振頻率偏差仍在2ppm以內(nèi)。特別是在85℃和150℃老化時(shí)添加吸氣劑的頻移與兩個(gè)安裝點(diǎn)沒有差別。
圖5.85℃時(shí)的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃時(shí)的老化頻率漂移趨勢
在本文中，認(rèn)為應(yīng)力和廢氣都存在并且影響X'tal石英水晶振子中的老化穩(wěn)定性。從85℃老化的結(jié)果可以推斷，從不同的安裝類型中排出的氣體很少，因此質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)沒有明顯的差異，因此，頻率穩(wěn)定性是相似的。當(dāng)溫度上升到150℃時(shí)，更多的氣體從四個(gè)安裝點(diǎn)逸出會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此容易產(chǎn)生負(fù)衰老，頻率嚴(yán)重下降。相比之下，具有兩個(gè)安裝點(diǎn)的X'tal諧振器通過去除空白上的安裝粘合劑來降低質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)，并使應(yīng)力的正效應(yīng)在老化中起主導(dǎo)作用，因此其頻率相對穩(wěn)定，老化曲線趨于集中老化。為什么添加吸氣劑的老化行為與兩個(gè)安裝點(diǎn)的老化行為相似，這可以推斷出IVA測試結(jié)果。
IVA結(jié)果：
IVA試驗(yàn)是一種材料放氣特性分析方法，廣泛應(yīng)用于密封裝置，測量揮發(fā)性有機(jī)物和其他蒸氣狀物質(zhì)的相對體積濃度。IVA測試只能提供內(nèi)容物相對體積比，其精確度為ppm級。此外，假設(shè)3.2mm×2.5mmX'tal諧振器具有相同的密封體積并在真空環(huán)境中焊接，則相對體積比可以轉(zhuǎn)換為相對質(zhì)量比來分析質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。
實(shí)際上，X'tal諧振器中使用的各種材料都可以脫氣并且還可能影響長期頻率穩(wěn)定性，例如，N2，H2，H2O和CO2可以從陶瓷封裝，金屬蓋和導(dǎo)電粘合劑中脫氣。在本文中，IVA含量假設(shè)由導(dǎo)電粘合劑提供，因?yàn)樗哂写蟛糠纸M合物是有機(jī)樹脂。表2顯示了IVA測試的樣品狀態(tài)。
表3顯示了85℃老化的IVA結(jié)果，從中可以推斷出CO2在質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)中比H2更重要。并且可以看出，在兩個(gè)和四個(gè)安裝點(diǎn)之間，CO2的相對質(zhì)量比幾乎沒有差異，這可能是85℃下的老化穩(wěn)定性在兩個(gè)和四個(gè)安裝點(diǎn)之間幾乎相同的原因。
表4顯示了老化150℃的IVA結(jié)果。結(jié)果表明，兩個(gè)安裝點(diǎn)的CO2相對質(zhì)量比大于4，與150℃時(shí)的老化性能相反，可以推斷出應(yīng)力比排氣更重要。
表2.IVA測試的樣品
表5顯示了兩個(gè)安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果
用吸氣劑。添加吸氣劑時(shí)會發(fā)生經(jīng)典的產(chǎn)甲烷作用（CO2+4H2=>CH4+2H2O，必須在O2泄漏或燃燒的大氣中）。它可以證明吸氣劑確實(shí)具有吸收二氧化碳的功能。對于添加吸氣劑類型，N2，H2O和CH4成為主要的質(zhì)量負(fù)載源，但那些分子量遠(yuǎn)低于CO2，這就是為什么SMD晶體兩個(gè)安裝點(diǎn)在85℃和150℃吸氣劑的老化行為非常接近兩種安裝類型屬于壓力控制的。
表5.帶有吸氣劑的兩個(gè)安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果
本文通過兩個(gè)安裝點(diǎn)應(yīng)力控制，TXC公司3225貼片晶振的頻率偏差，85℃時(shí)的老化能力與四個(gè)安裝點(diǎn)相同，滿足廣泛的商業(yè)應(yīng)用，進(jìn)一步達(dá)到150℃汽車應(yīng)用甚至無需添加吸氣劑即可節(jié)省材料成本。
在本文中，我們研究了不同安裝設(shè)計(jì)下的石英晶體頻率漂移行為。與四個(gè)安裝點(diǎn)相比，兩個(gè)安裝點(diǎn)的頻率漂移趨勢接近于集成老化。兩個(gè)安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果顯示150℃老化時(shí)出現(xiàn)最大的氣體逸出，由質(zhì)量負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響，但兩個(gè)安裝點(diǎn)具有較強(qiáng)的應(yīng)力控制正效應(yīng)，而不是質(zhì)量負(fù)荷，因此，高頻穩(wěn)定性可控制小于2ppm。150℃老化。由于二氧化碳主導(dǎo)了質(zhì)量負(fù)荷的負(fù)面影響，因此相反的四個(gè)安裝點(diǎn)大于應(yīng)力的正面影響，因此，當(dāng)老化開始時(shí)，頻率漂移頻率不斷下降。
隨著石英晶體諧振器（X'tal諧振器）在移動電話和汽車中的廣泛應(yīng)用，甚至伴隨尺寸小型化，石英晶體諧振器的長期頻率穩(wěn)定性被認(rèn)為是最重要的特性，已經(jīng)研究了數(shù)十年。老化通常被定義為頻率漂移的時(shí)間函數(shù)，其可能受到許多因素的影響，例如應(yīng)力，從封裝和導(dǎo)電粘合劑逸出的廢氣，污染物，石英缺陷。特別是應(yīng)力消除和污染被認(rèn)為是最重要的，由Gehrke和Klawitter分析[1]。對于X'tal諧振器，在25℃的商業(yè)應(yīng)用中每年2ppm至5ppm，在25℃下每年3ppm的汽車通常用于規(guī)范。因此，研究了許多相關(guān)的主題，例如，安裝點(diǎn)的幾何變化對老化的影響[2]和AT切割諧振器老化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，在J.R.Vig和T.R.Meeker[3]的研究中提出了三種典型的衰老類型：由應(yīng)力主導(dǎo)的積極老化，以質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)為主的負(fù)衰老，以及由應(yīng)力和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)主導(dǎo)的綜合老化。如今，使用有效的方法或設(shè)備無法直接檢測到壓力，但可以通過內(nèi)部蒸汽分析（IVA測試）來測量排氣，這可以幫助確定排氣如何影響老化。
老化作為長期穩(wěn)定性是石英晶體諧振器最重要的特性之一，應(yīng)力和尾氣作出了重大貢獻(xiàn)。本文分析了不同安裝類型和老化溫度條件下的老化頻率漂移機(jī)理。結(jié)果表明，兩點(diǎn)和四點(diǎn)安裝石英芯片在85℃時(shí)效時(shí)的頻率漂移相似;然而，兩點(diǎn)安裝諧振器在150℃老化下的穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于四點(diǎn)安裝諧振器。主要原因是兩點(diǎn)安裝諧振器的老化曲線是一個(gè)綜合老化曲線，因?yàn)榕艢夂蛻?yīng)力的影響很好地平衡，這是由IVA測試支持的。
圖1顯示了TXC 3.2mm×2.5mmSeam型X'tal諧振器在150℃時(shí)的頻率漂移趨勢，其共有四個(gè)安裝點(diǎn)，500小時(shí)后偏差接近4ppm。
圖1.150℃時(shí)的常見頻率漂移趨勢
實(shí)驗(yàn)和結(jié)果：
在我們的研究中，TXC晶振3.2mm×2.5mmSeam型X'tal晶振的頻率是基本AT-cut40MHz用于實(shí)驗(yàn)，其中相對較軟（tanδ~0.2）的硅基導(dǎo)電膠和正常的生產(chǎn)工藝是另外，導(dǎo)電粘合劑的安裝位置如圖2至圖4所示，安裝直徑全部控制在250μm。在實(shí)驗(yàn)中加入吸氣樹脂以吸收廢氣然后降低質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)，其作用是吸收CO2和H2O的不可逆吸濕劑。如上所述設(shè)定材料和參數(shù)可以客觀地反映不同安裝類型的老化行為。
為了證明什么是頻率漂移機(jī)制，在老化測試中使用兩種安裝類型和兩種溫度，并且測量和分析兩種安裝類型的頻率偏差和頻率漂移趨勢。實(shí)驗(yàn)條件列于表1中。總共有6個(gè)實(shí)驗(yàn)，并且測量每個(gè)實(shí)驗(yàn)的30個(gè)樣品。平均數(shù)據(jù)將用于獲得頻率漂移趨勢。
表1.實(shí)驗(yàn)條件
| 安裝類型 | 老化溫度 |
| 帶吸氣劑的2個(gè)安裝點(diǎn) | 85℃/150℃ |
| 2個(gè)安裝點(diǎn) | 85℃/150℃ |
| 4個(gè)安裝點(diǎn) | 85℃/150℃ |
圖2.帶吸氣劑的兩個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）吸氣劑的前視圖;（c）側(cè)視圖。
圖3.兩個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）側(cè)視圖。
圖4.四個(gè)安裝點(diǎn)的前視圖和側(cè)視圖（a）前視圖;（b）側(cè)視圖。
老齡化結(jié)果：
通過對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在85℃下，三種安裝方式的頻率漂移相似，如圖5所示，其中500小時(shí)后的頻率偏差在2ppm以內(nèi)。圖6顯示150℃不同安裝類型的頻率偏差不同，其中500小時(shí)后四個(gè)安裝點(diǎn)的頻率偏差接近5ppm，兩個(gè)安裝點(diǎn)的貼片晶振頻率偏差仍在2ppm以內(nèi)。特別是在85℃和150℃老化時(shí)添加吸氣劑的頻移與兩個(gè)安裝點(diǎn)沒有差別。
圖5.85℃時(shí)的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃時(shí)的老化頻率漂移趨勢
IVA結(jié)果：
IVA試驗(yàn)是一種材料放氣特性分析方法，廣泛應(yīng)用于密封裝置，測量揮發(fā)性有機(jī)物和其他蒸氣狀物質(zhì)的相對體積濃度。IVA測試只能提供內(nèi)容物相對體積比，其精確度為ppm級。此外，假設(shè)3.2mm×2.5mmX'tal諧振器具有相同的密封體積并在真空環(huán)境中焊接，則相對體積比可以轉(zhuǎn)換為相對質(zhì)量比來分析質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。
實(shí)際上，X'tal諧振器中使用的各種材料都可以脫氣并且還可能影響長期頻率穩(wěn)定性，例如，N2，H2，H2O和CO2可以從陶瓷封裝，金屬蓋和導(dǎo)電粘合劑中脫氣。在本文中，IVA含量假設(shè)由導(dǎo)電粘合劑提供，因?yàn)樗哂写蟛糠纸M合物是有機(jī)樹脂。表2顯示了IVA測試的樣品狀態(tài)。
表3顯示了85℃老化的IVA結(jié)果，從中可以推斷出CO2在質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)中比H2更重要。并且可以看出，在兩個(gè)和四個(gè)安裝點(diǎn)之間，CO2的相對質(zhì)量比幾乎沒有差異，這可能是85℃下的老化穩(wěn)定性在兩個(gè)和四個(gè)安裝點(diǎn)之間幾乎相同的原因。
表4顯示了老化150℃的IVA結(jié)果。結(jié)果表明，兩個(gè)安裝點(diǎn)的CO2相對質(zhì)量比大于4，與150℃時(shí)的老化性能相反，可以推斷出應(yīng)力比排氣更重要。
表2.IVA測試的樣品
| 樣品ID | 2安裝 | 4安裝 | 2個(gè)安裝點(diǎn) | ||||
| points | points | 用吸氣劑 | |||||
| 老化85℃ | #25 | #04 | #46 | ||||
| 老化150℃ | #35 | #14 | #56 | ||||
| 表3.老化85℃的IVA結(jié)果 | |||||||
| 樣品ID | 體積比 | 質(zhì)量比 | |||||
| #25 | #04 | #25 | #04 | ||||
| 離子源 | torr | 1.1E-71.1E-7 | 1.1E-7 | 1.1E-7 | |||
| 壓力 | |||||||
| 氮 | % | 22.8 | 16.7 | 16.0 | 11.0 | ||
| 氧 | % | ND | ND | ND | ND | ||
| 氬 | % | 0.20 | 0.24 | 0.00 | 0.00 | ||
|
碳 二氧化碳 |
% | 76.1 | 82.9 | 84.0 | 89.0 | ||
| 濕氣 | % | ND | ND | ND | ND | ||
| 氫 | % | 0.90 | 0.15 | 0.00 | 0.00 | ||
| 甲烷 | % | ND | ND | ND | ND | ||
| 注釋：ND=未檢測到 | |||||||
| 表4.老化150℃的IVA結(jié)果 | |||||||
| 樣品ID | 體積比 | 質(zhì)量比 | |||||
| #35 | #14 | #35 | #14 | ||||
| 離子源 | torr | 1.7E-72.1E-7 | 1.7E-7 | 2.1E-7 | |||
| 壓力 | |||||||
| 氮 | % | 5.29 | 32.0 | 3.00 | 23.0 | ||
| 氧 | % | ND | ND | ND | ND | ||
| 氬 | % | 0.26 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | ||
|
碳 二氧化碳 |
% | 93.3 | 68.0 | 97.0 | 77.0 | ||
| 濕氣 | % | ND | ND | ND | ND | ||
| 氫 | % | 1.15 | ND | 0.00 | ND | ||
| 甲烷 | % | ND | ND | ND | ND | ||
用吸氣劑。添加吸氣劑時(shí)會發(fā)生經(jīng)典的產(chǎn)甲烷作用（CO2+4H2=>CH4+2H2O，必須在O2泄漏或燃燒的大氣中）。它可以證明吸氣劑確實(shí)具有吸收二氧化碳的功能。對于添加吸氣劑類型，N2，H2O和CH4成為主要的質(zhì)量負(fù)載源，但那些分子量遠(yuǎn)低于CO2，這就是為什么SMD晶體兩個(gè)安裝點(diǎn)在85℃和150℃吸氣劑的老化行為非常接近兩種安裝類型屬于壓力控制的。
表5.帶有吸氣劑的兩個(gè)安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果
| 樣品ID | 體積比 | |||
| #46 | #56 | |||
| 離子源壓力 | torr | 3.8E-8 | 4.3E-8 | |
| 氮 | % | 49.3 | 50.7 | |
| 氧 | % | ND | ND | |
| 氬 | % | 0.62 | 0.85 | |
| 二氧化碳 | % | ND | ND | |
| 濕氣 | % | 18.7 | 4.11 | |
| 氫 | % | 5.68 | 3.84 | |
| 甲烷 | % | 25.7 | 40.5 | |
在本文中，我們研究了不同安裝設(shè)計(jì)下的石英晶體頻率漂移行為。與四個(gè)安裝點(diǎn)相比，兩個(gè)安裝點(diǎn)的頻率漂移趨勢接近于集成老化。兩個(gè)安裝點(diǎn)的IVA結(jié)果顯示150℃老化時(shí)出現(xiàn)最大的氣體逸出，由質(zhì)量負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響，但兩個(gè)安裝點(diǎn)具有較強(qiáng)的應(yīng)力控制正效應(yīng)，而不是質(zhì)量負(fù)荷，因此，高頻穩(wěn)定性可控制小于2ppm。150℃老化。由于二氧化碳主導(dǎo)了質(zhì)量負(fù)荷的負(fù)面影響，因此相反的四個(gè)安裝點(diǎn)大于應(yīng)力的正面影響，因此，當(dāng)老化開始時(shí)，頻率漂移頻率不斷下降。
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