高抗振性石英晶體鐘振蕩器的研制

【摘要】本文對高抗振性石英晶體鐘振蕩器的研制作了詳細的介紹，包括參數、結構和工藝等方面的設計，并針對振蕩器寬頻率范圍的實現和高抗振性進行了專門的課題研究。該項目產品的研制成功，將國內同類產品的頻率拓寬到0.1MHz～350MHz，并且解決了高抗振性的問題，對今后表貼類晶振的研制具有借鑒和幫助意義。

【關鍵詞】高抗振性；石英晶體鐘振蕩器；寬頻率范圍；頻率合成

隨著現代電子信息技術的迅速發展，電子裝備正向小型化、智能化、高精度、高可靠方向發展，作為軍用電子裝備關鍵元器件的片式石英晶體元器件是國防科研和武器裝備的基礎和核心。SMD片式的“高抗振性石英晶體鐘振蕩器”，具有無引線、體積小、分布參數小、老化率低、高抗沖擊振動等顯著特點。產品廣泛應用于整機定位系統部分、陀螺電源設備、無線射頻接收發射系統、計算機內置頻率源等工程系統中，作為系統的標準頻率源、時間基準，在裝備中屬關鍵核心器件。因此，實施高抗振性石英晶體鐘振蕩器的科研項目，適應了高新電子設備發展的需要。

1.產品技術指標

本項目產品覆蓋頻率范圍為：

0.1MHz～350MHz，典型產品主要指標見表1。

2.研制方案

2.1 總體思路

本項目高抗振性石英晶體鐘振蕩器的難點主要是高抗振性和寬頻率范圍的實現。實現晶振的高抗振性，必須對SMD晶片的設計、加工進行深入的研究，解決好裝配問題，還要設計出相應的抗振性試驗夾具。

實現寬頻的技術主要有兩種：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實現。

2.2 鐘振蕩器寬頻率范圍的實現[1]

在0.1MHz～10MHz采用PL611S-18芯片。此IC內置一個5位的參考頻率分頻器R，一個8位的VCO頻率反饋環路分頻器M，一個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可通過編程實現各種頻率的合成。內部框圖如圖1所示。

在10MHz～30MHz采用CF5009AL1芯片，選擇基頻晶片提供參考頻率，經芯片內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，經芯片內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的頻率范圍內采用的PLL602-00芯片，該IC可通過3個選頻因子控制腳（SEL）選擇合適倍頻因子，本項目倍頻因子選為8倍。內部框圖如圖2所示。

在200MHz～350MHz的頻率范圍內采用的PLL602-30芯片，此芯片內置了晶體振蕩電路、參考分頻器、VCO分頻器、鑒相器、電荷泵、環路濾波器、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4個選頻因子控制腳（SE）選擇合適的分頻或倍頻因子，本項目倍頻因子選為16倍。內部框圖如圖3所示。

2.3 鐘振蕩器高抗振性的實現[2～4]

2.3.1 選料

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

2.3.2 外形尺寸的設計

石英晶片的外形尺寸確定必須考慮避開三種寄生耦合振動，對于厚度切變的小條形片，由于l>>t和w>>t的條件不能滿足，因此設計時要考慮長度和寬度方向的影響，為此我們采用公式進行規格的設計。

2.3.3 研磨技術

研磨是磨削精加工，對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定了嚴格的修盤制度，每個班固定修盤半個小時，經檢查合格后方可開始研磨，用千分表檢查研磨盤的平面度。

另外，盡量采用細沙，同時還應注意石英晶片輪廓尺寸的精度，防止破邊，造成應力，影響石英諧振器的老化和抗振性。

2.3.4 清洗、腐蝕技術

清洗采用MVA-7040型超聲波清洗機，保證每個白片至少在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量呈線性增加，從而產生更多密集的沖擊波使其能進入到更小的縫隙中，以保證晶片的潔凈度，同時空化泡變小，其釋放的能量相應減少，這樣就有效地減小了對晶片表面的損傷。

腐蝕采用JR-FCAJR增強型腐蝕機，該儀器溫度控制穩定性為±2℃，開機預熱30分鐘后腐蝕液溫度控制在50±2℃。腐蝕槽內腐蝕液的容量大約為2000ml，由磁力攪拌器對腐蝕液進行攪拌，實現腐蝕溶液的均勻性。另外在腐蝕擺臂上安裝一個擺動電機，它可以將腐蝕籃內的晶片散開，保證腐蝕的均勻性。

2.3.5 鍍膜技術

采用美國SA5600無油鍍膜機進行鍍膜。SA5600無油鍍膜機具有氬離子轟擊及加溫鍍膜功能，這對消除晶片表面的雜質及晶片與鍍膜材料的表面牢固起著至關重要的作用。

2.3.6 應力消除技術

在鍍膜前后和微調后必須要進行真空高溫退火，對烘烤時間和溫度進行分析，以消除應力，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，微調后180℃烘烤1h。

2.3.7 振子安裝技術

通過對各種導電膠膠點的大小、位置等進行的大量試驗和深入研究。選擇彈性好、導電率高的XA-819A導電膠，通過試驗找出抗振效果最好的安裝時選擇力敏感度最小的方向，提高晶振的抗振能力。經過以往的經驗和多次試驗，我們采取六點點膠的方式。

通過采取以上的措施后，我們對每頻點各4只產品進行摸底試驗，試驗后無一只產品失效，證明我們的措施是成功的、有效的。

3.產品測試結果

8個代表頻點產品各加工了100只產品，對產品進行電性能測試，全部滿足指標要求。下表是幾項關鍵指標的實測平均水平。

4.結束語

隨著電子整機的小型化、精密化，對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展。而最近幾年更是發展迅速，尤其在小體積和頻率擴展上。目前國外SMD晶振從十幾KHz～700MHz都可以生產，而國內目前的水平是從1MHz～150MHz左右。

本項目的研制成功將國內同類產品的頻率拓寬到0.1MHz～350MHz，并且解決了高抗振性的問題，對今后表貼類晶振的研制具有借鑒和幫助意義。

參考文獻

[1]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].長沙：湖南大學出版社， 1997.

[2]電子元器件專業技術培訓教材編寫組.壓電石英晶體及元器件[M].北京：電子工業出版社，1986.

[3]秦自楷，等.壓電石英晶體[M].北京：國防工業出版社， 1980.

[4]山東大學物理系，北川無線電器材廠.石英諧振器的設計和制造[M].北京：國防工業出版社，1979.

作者簡介：孫剛（1974-），男，遼寧遼陽人，遼陽鴻宇晶體有限公司工程師，研究方向：石英晶體振蕩器設計和開發。