TXC公司通過檢測晶振老化頻漂的實驗得出什么結果
來源：http://www.11ed.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展，更重要的是，有時候晶體或振蕩器會因為老化情況，而發生頻率漂移的現象，簡單的說就是標準頻率發生變化，不再穩定正常的發揮頻率振蕩特性。為了處理這個難題，TXC晶振公司做了如下實驗，測試老化，頻漂，老化溫度等方面，采用IVA測試方法，這是比較先進的檢查方式之一，接下來讓我們看看這一過程及結果。
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用，甚至伴隨尺寸小型化，石英晶體諧振器的長期頻率穩定性被認為是最重要的特性，已經研究了數十年。老化通常被定義為頻率漂移的時間函數，其可能受到許多因素的影響，例如應力，從封裝和導電粘合劑逸出的廢氣，污染物，石英缺陷。特別是應力消除和污染被認為是最重要的，由Gehrke和Klawitter分析[1]。對于X'tal諧振器，在25℃的商業應用中每年2ppm至5ppm，在25℃下每年3ppm的汽車通常用于規范。因此，研究了許多相關的主題，例如，安裝點的幾何變化對老化的影響[2]和AT切割諧振器老化的實驗結果。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：由應力主導的積極老化，以質量負荷效應為主的負衰老，以及由應力和質量負荷效應主導的綜合老化。如今，使用有效的方法或設備無法直接檢測到壓力，但可以通過內部蒸汽分析（IVA測試）來測量排氣，這可以幫助確定排氣如何影響老化。
老化作為長期穩定性是石英晶體諧振器最重要的特性之一，應力和尾氣作出了重大貢獻。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理。結果表明，兩點和四點安裝石英芯片在85℃時效時的頻率漂移相似;然而，兩點安裝諧振器在150℃老化下的穩定性能明顯優于四點安裝諧振器。主要原因是兩點安裝諧振器的老化曲線是一個綜合老化曲線，因為排氣和應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℃時的頻率漂移趨勢，其共有四個安裝點，500小時后偏差接近4ppm。
圖1.150℃時的常見頻率漂移趨勢
通常可以看到如上所述的負老化，即頻率持續下降，其原因通常被認為是來自導電粘合劑的外氣。從理論上講，當應力的正效應等于排氣的負效應時，頻率將是穩定的，換句話說，當弱化質量負荷效應時，將顯示正效應，從而頻率漂移將受到應力的支配。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理。
實驗和結果：
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用于實驗，其中相對較軟（tanδ~0.2）的硅基導電膠和正常的生產工藝是另外，導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。在實驗中加入吸氣樹脂以吸收廢氣然后降低質量負荷效應，其作用是吸收CO2和H2O的不可逆吸濕劑。如上所述設定材料和參數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。實驗條件列于表1中。總共有6個實驗，并且測量每個實驗的30個樣品。平均數據將用于獲得頻率漂移趨勢。
表1.實驗條件
圖2，圖3和圖4顯示了石英晶振樣本的照片，包括正視圖和側視圖。通過光學顯微鏡獲得正面視圖，側視圖由丹東奧龍X射線儀器捕獲。很明顯，圖2（a）和圖3（a）幾乎是相同的，因為如圖2（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.帶吸氣劑的兩個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）吸氣劑的前視圖;（c）側視圖。
圖3.兩個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）側視圖。
圖4.四個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）側視圖。
在本文中，將比較和分析不同實驗條件對衰老的影響，并伴隨使用ORS（ONEIDARESEARCHSERVICES，INC。）儀器的IVA測試結果。
老齡化結果：
通過對比實驗，結果表明，在85℃下，三種安裝方式的頻率漂移相似，如圖5所示，其中500小時后的頻率偏差在2ppm以內。圖6顯示150℃不同安裝類型的頻率偏差不同，其中500小時后四個安裝點的頻率偏差接近5ppm，兩個安裝點的貼片晶振頻率偏差仍在2ppm以內。特別是在85℃和150℃老化時添加吸氣劑的頻移與兩個安裝點沒有差別。
圖5.85℃時的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃時的老化頻率漂移趨勢
在本文中，認為應力和廢氣都存在并且影響X'tal石英水晶振子中的老化穩定性。從85℃老化的結果可以推斷，從不同的安裝類型中排出的氣體很少，因此質量負荷效應沒有明顯的差異，因此，頻率穩定性是相似的。當溫度上升到150℃時，更多的氣體從四個安裝點逸出會產生嚴重的影響，因此容易產生負衰老，頻率嚴重下降。相比之下，具有兩個安裝點的X'tal諧振器通過去除空白上的安裝粘合劑來降低質量負載效應，并使應力的正效應在老化中起主導作用，因此其頻率相對穩定，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安裝點的老化行為相似，這可以推斷出IVA測試結果。
IVA結果：
IVA試驗是一種材料放氣特性分析方法，廣泛應用于密封裝置，測量揮發性有機物和其他蒸氣狀物質的相對體積濃度。IVA測試只能提供內容物相對體積比，其精確度為ppm級。此外，假設3.2mm×2.5mmX'tal諧振器具有相同的密封體積并在真空環境中焊接，則相對體積比可以轉換為相對質量比來分析質量負載效應。
實際上，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定性，例如，N2，H2，H2O和CO2可以從陶瓷封裝，金屬蓋和導電粘合劑中脫氣。在本文中，IVA含量假設由導電粘合劑提供，因為它具有大部分組合物是有機樹脂。表2顯示了IVA測試的樣品狀態。
表3顯示了85℃老化的IVA結果，從中可以推斷出CO2在質量負荷效應中比H2更重要。并且可以看出，在兩個和四個安裝點之間，CO2的相對質量比幾乎沒有差異，這可能是85℃下的老化穩定性在兩個和四個安裝點之間幾乎相同的原因。
表4顯示了老化150℃的IVA結果。結果表明，兩個安裝點的CO2相對質量比大于4，與150℃時的老化性能相反，可以推斷出應力比排氣更重要。
表2.IVA測試的樣品
表5顯示了兩個安裝點的IVA結果
用吸氣劑。添加吸氣劑時會發生經典的產甲烷作用（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成為主要的質量負載源，但那些分子量遠低于CO2，這就是為什么SMD晶體兩個安裝點在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.帶有吸氣劑的兩個安裝點的IVA結果
本文通過兩個安裝點應力控制，TXC公司3225貼片晶振的頻率偏差，85℃時的老化能力與四個安裝點相同，滿足廣泛的商業應用，進一步達到150℃汽車應用甚至無需添加吸氣劑即可節省材料成本。
在本文中，我們研究了不同安裝設計下的石英晶體頻率漂移行為。與四個安裝點相比，兩個安裝點的頻率漂移趨勢接近于集成老化。兩個安裝點的IVA結果顯示150℃老化時出現最大的氣體逸出，由質量負荷產生負面影響，但兩個安裝點具有較強的應力控制正效應，而不是質量負荷，因此，高頻穩定性可控制小于2ppm。150℃老化。由于二氧化碳主導了質量負荷的負面影響，因此相反的四個安裝點大于應力的正面影響，因此，當老化開始時，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用，甚至伴隨尺寸小型化，石英晶體諧振器的長期頻率穩定性被認為是最重要的特性，已經研究了數十年。老化通常被定義為頻率漂移的時間函數，其可能受到許多因素的影響，例如應力，從封裝和導電粘合劑逸出的廢氣，污染物，石英缺陷。特別是應力消除和污染被認為是最重要的，由Gehrke和Klawitter分析[1]。對于X'tal諧振器，在25℃的商業應用中每年2ppm至5ppm，在25℃下每年3ppm的汽車通常用于規范。因此，研究了許多相關的主題，例如，安裝點的幾何變化對老化的影響[2]和AT切割諧振器老化的實驗結果。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：由應力主導的積極老化，以質量負荷效應為主的負衰老，以及由應力和質量負荷效應主導的綜合老化。如今，使用有效的方法或設備無法直接檢測到壓力，但可以通過內部蒸汽分析（IVA測試）來測量排氣，這可以幫助確定排氣如何影響老化。
老化作為長期穩定性是石英晶體諧振器最重要的特性之一，應力和尾氣作出了重大貢獻。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理。結果表明，兩點和四點安裝石英芯片在85℃時效時的頻率漂移相似;然而，兩點安裝諧振器在150℃老化下的穩定性能明顯優于四點安裝諧振器。主要原因是兩點安裝諧振器的老化曲線是一個綜合老化曲線，因為排氣和應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℃時的頻率漂移趨勢，其共有四個安裝點，500小時后偏差接近4ppm。
圖1.150℃時的常見頻率漂移趨勢
實驗和結果：
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用于實驗，其中相對較軟（tanδ~0.2）的硅基導電膠和正常的生產工藝是另外，導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。在實驗中加入吸氣樹脂以吸收廢氣然后降低質量負荷效應，其作用是吸收CO2和H2O的不可逆吸濕劑。如上所述設定材料和參數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。實驗條件列于表1中。總共有6個實驗，并且測量每個實驗的30個樣品。平均數據將用于獲得頻率漂移趨勢。
表1.實驗條件
| 安裝類型 | 老化溫度 |
| 帶吸氣劑的2個安裝點 | 85℃/150℃ |
| 2個安裝點 | 85℃/150℃ |
| 4個安裝點 | 85℃/150℃ |
圖2.帶吸氣劑的兩個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）吸氣劑的前視圖;（c）側視圖。
圖3.兩個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）側視圖。
圖4.四個安裝點的前視圖和側視圖（a）前視圖;（b）側視圖。
老齡化結果：
通過對比實驗，結果表明，在85℃下，三種安裝方式的頻率漂移相似，如圖5所示，其中500小時后的頻率偏差在2ppm以內。圖6顯示150℃不同安裝類型的頻率偏差不同，其中500小時后四個安裝點的頻率偏差接近5ppm，兩個安裝點的貼片晶振頻率偏差仍在2ppm以內。特別是在85℃和150℃老化時添加吸氣劑的頻移與兩個安裝點沒有差別。
圖5.85℃時的老化頻率漂移趨勢
圖6.150℃時的老化頻率漂移趨勢
IVA結果：
IVA試驗是一種材料放氣特性分析方法，廣泛應用于密封裝置，測量揮發性有機物和其他蒸氣狀物質的相對體積濃度。IVA測試只能提供內容物相對體積比，其精確度為ppm級。此外，假設3.2mm×2.5mmX'tal諧振器具有相同的密封體積并在真空環境中焊接，則相對體積比可以轉換為相對質量比來分析質量負載效應。
實際上，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定性，例如，N2，H2，H2O和CO2可以從陶瓷封裝，金屬蓋和導電粘合劑中脫氣。在本文中，IVA含量假設由導電粘合劑提供，因為它具有大部分組合物是有機樹脂。表2顯示了IVA測試的樣品狀態。
表3顯示了85℃老化的IVA結果，從中可以推斷出CO2在質量負荷效應中比H2更重要。并且可以看出，在兩個和四個安裝點之間，CO2的相對質量比幾乎沒有差異，這可能是85℃下的老化穩定性在兩個和四個安裝點之間幾乎相同的原因。
表4顯示了老化150℃的IVA結果。結果表明，兩個安裝點的CO2相對質量比大于4，與150℃時的老化性能相反，可以推斷出應力比排氣更重要。
表2.IVA測試的樣品
| 樣品ID | 2安裝 | 4安裝 | 2個安裝點 | ||||
| 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結果 | |||||||
| 樣品ID | 體積比 | 質量比 | |||||
| #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結果 | |||||||
| 樣品ID | 體積比 | 質量比 | |||||
| #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。添加吸氣劑時會發生經典的產甲烷作用（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成為主要的質量負載源，但那些分子量遠低于CO2，這就是為什么SMD晶體兩個安裝點在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.帶有吸氣劑的兩個安裝點的IVA結果
| 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計下的石英晶體頻率漂移行為。與四個安裝點相比，兩個安裝點的頻率漂移趨勢接近于集成老化。兩個安裝點的IVA結果顯示150℃老化時出現最大的氣體逸出，由質量負荷產生負面影響，但兩個安裝點具有較強的應力控制正效應，而不是質量負荷，因此，高頻穩定性可控制小于2ppm。150℃老化。由于二氧化碳主導了質量負荷的負面影響，因此相反的四個安裝點大于應力的正面影響，因此，當老化開始時，頻率漂移頻率不斷下降。
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