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kenzhimatang 发表于 2012/8/21 20:01:02 1399 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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一、认识石英晶振
其实石英晶振这种说法本身并不十分准确，但长久以来大家已经形成了习惯，那就这样写呵。石英晶振大体可以分为有源与无源两大种类，我们分别介绍一下：
首先是无源晶振，无源晶振也叫晶体、谐振器。英文名称是：crystal 或Xtal.无源晶振是大陆的叫法，其主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。根据引线状况可分为直插（有引线）与表面贴装（无引线）两种类型。现在常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49S、UM-1、UM-4、UM-5 与SMD.其工作时，自身不能产生振荡，需借外围电路（电容）配合才可产生振荡。常见的形状如下图所示：
同样，有源晶振也是大陆的叫法，又叫钟振、晶振、振荡器。英文名称是：oscillator.
其除了石英晶片、基座、金属外壳、银胶、银等成分组成之外，还需要起振芯片（也叫线路）。
正是因为将振荡电路嵌入了产品之内，所以只要给其所需要的电压，便可以产生振荡。基中压控振荡器（VCXO）、温补振荡器（TCXO）等也属于有源晶振的范畴。
一般普通的有源晶振都是四脚表贴的，常见的主要封装型号有7050、5032、3225、2520.
如下图所示：
目前国内很少有能生产2520 封装尺寸的振荡器厂商。
无论有源晶振还是无源晶振，都是为系统提供稳定时钟信号的器件。那我们在实际应用中，是选择有源晶振还是无源晶振呢？一般无源晶振由于成本低廉，被广泛用于电视、电话、电子玩具等消费产品中，而一些对稳定性或其它方面有要求的，如通信、监控等产品，一般会选择使用有源晶振。
二、石英晶振的工艺
尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史，但因其具有频率稳定度高、成本相对较低这一特点，故在电子技术领域中一直占有重要的地位。
尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器目前广泛应用于远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中。小型化、片式化、低噪声化、低成本、超薄、低功耗、频率高精度化与高稳定度及高频化，是现代电子工业对石英晶体振荡器提出的新的要求。
事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临着自身技术发展无法满足飞速发展的电子工业对其性能要求的潜在威胁和挑战。从石英晶振的制作工艺看，这些需求对石英晶振来讲，确实是一个无法克服的障碍。
上图显示了石英晶振的生产工艺流程，石英晶振的生产要包括切割、披银、点胶、微调、起振芯片（有源）、密封等数十道工序，而且需要大量的人工参与。这就好比一条铁链，其结实程度取决于拉力最差的那条环节。
下面我们看一下石英晶振的大体生产工艺流程：
首先，切割：我们要在石英晶棒上面进行打磨、切割。切割出该频点相对应的石英晶片，（这里面要注意的是，石英晶片与频点是一一对应的关系。）这时候的切割角度决定了石英晶振的基本频率偏差。
其次，披银：为了提高工作精度，所以要在切割好的石英晶片上面镀一层纯银。
第三步：点胶：要在基座上面用银胶（导电胶）固定，这个时候的固定角度再一次决定了石英晶振的基本频率偏差。
第四步：微调：这时候配合测试设备，就可以测量石英晶振的输出频率了，在测试的时候可以再次补银做微调，以提高工作精度。
第五步：如果是无源晶振的话，就可以充满氮气密封了。而有源晶振，则还需加起振芯片，然后氮气密封。
整个个工序都需要严格的环境下制作，对工作环境的管控不严，或生产人员的稍不注意都会对石英晶振的质量产生最直接的影响。
我们再返过头来看一下，现代电子工业对石英晶振的要求：
1、片式化、薄型化：石英晶振不同的频点需切割不同的晶片，而对于小体积、薄型的工艺，是非常复杂的，就算能做到，也将会导致性能的降低。
2、高精度、高稳定度：石英晶振内部的石英晶片需渡一层纯银，所以石英晶振需用惰性气体---氮气密封在金属壳与基座形成的空腔内。长时间工作后，会由于老化、震动等因素，造成"漏气"现象。直接将石英晶片上面的银氧化，这就是为什么石英晶振会有停振、不起振现象。另外由于石英的"温漂"特性，也将使其在全温工作环境中的稳定度大大降低。
3、低成本：石英晶振生产厂商都需购买基座与外壳，由于下游原材料成本无法降低，使得石英晶振，经过了几十年后，价格一直在这个水平，而以后的价格下降空间，更是少之又少。
三、石英晶振的危机
不管石英厂商愿不愿意承认，石英振荡器的危机正在慢慢来临。石英振荡器的应用已有几十年的历史，如果说在这几十年里，石英振荡器的技术与应用得到了很大的提升。
那么，当今的石英振荡器则在高稳定度、更低成本、片式化、薄型化等各方面面临着极大的挑战。
要了解当今消费电子、通信技术最新的发展趋势，我们来看看新上市的iPad2:
1. 高度集成-就图中的这些器件实现了iPad2 几乎所有的计算、通信功能，所有的元器件都要体积超小、高度集成，普通的双脚晶体和四脚石英晶振在这里肯定不予考虑。
2. 高速- 1GHz 的双核处理器，200MHz 的总线速度，每颗数字芯片都需要时钟，有的还需要高速的、多组的、相位相关的时钟。时钟的频率稳定度也决定了系统的性能。
3. 低功耗- 芯片的低电压工作、电源管理、时序控制等都是当今电子产品、系统中非常关键的课题，时钟也要满足这方面的要求。
系统的发展推动了半导体技术向高速、高集成度方向演进，作为系统心脏的时钟发生器也必须：
■ 体积要大大缩小并便于集成- 可以和其它电路一起集成在芯片内部，能够支持多种功能。
■ 性能不能折衷- 要保证系统的性能，必须能够达到晶振所保证的频率稳定度、低相位噪声。
■ 高度灵活、可编程，能够方便产生各种频率的时钟信号，并具有驱动其它电路的能力。
■ 低电压工作- 同其它数字芯片一样可以工作在较低的电压，比如1.8V.
■ 低价格- 要能够实现晶振一样的价格。
由于石英振荡器的制作工艺需要经过：切割、打磨、点胶、微调等工序，所以小体积不仅意味着成本的提高、更意味着性能的降低。这已远远不能满足现代电子工业的需求。
其次是成本问题：
石英振荡器采用SIO2 （石英）做为原材料，并需陶瓷基座与起震晶片（也叫线路）配合才可生产。受下游原材料-----基座与线路的影响，石英晶振的成本在近期与未来都不可能会有太大的下降空间。尤其是质量好一点的晶振，基座与线路的采购98%以上是由日系厂商提供，而受这次日本大地震的影响，更多的厂商将基座与线路的采购转向了国内市场，而这无疑对高性能是个极大的考验。
作用一个众所周知，而且有几十年历史的产品。石英晶振近期内仍占据着市场的主导地位，但石英晶振的危机已经到来！不仅仅是自身的本质缺陷，还有更多新型替代产品的出现。
如SITIME 公司的MEMS 硅晶振。