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A型石英晶振的组成
A型石英晶振结构比较简单,由底座、PCB电路板、元器件、晶体、外壳五部分组成,根据这些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框图, 可靠性框图见图3-4
4.22A型石英晶振的可靠性要求
A型石英晶振的可靠性指标要求如下:
(1)石英晶振在工作n年内不发生致命故障
(2)石英晶振n年内总的工作时间不低于:t=n×365×24。
(3)石英晶振的可靠度为0.95:即Rs=0.95。
4.2.3A型石英晶振的可靠度计算
可靠度是指产品在规定的条件和规定的时间内,能正常完成规定功能的概率,通常用R表示。根据对A型石英晶振的结构分析,可以看出A型石英贴片晶振为串联结构,可靠度计算公式如下:
RS=R1×R2×R3×…·×Rn 公式(4-1)
A型石英晶振由四部分组成:底座、电路板、元器件、晶体、外壳。A型石英晶振可靠度计算公式如下:
RS=R1×R2×R3×R4×R5 公式(4-2)
式中:R、R2、R3、R4、R5分别代表底座、电路板、晶体、元器件、外壳的可靠度。
4.24A型石英晶振的可靠性预计
可靠性预计,顾名思义指的是对产品在规定的工作条件下进行可靠行估计也就是根据类似产品的经验数据或组成该产品的各单元的可靠性数据,对产品给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算。
可靠性预计的意义主要有:
(1)为产品设计阶段的可靠性设计提供依据
(2)为产品的维护阶段提供有价值的信息。
3)站在可靠性设计的角度,筛选设计方案,寻找最佳设计方案。
(4)为改进设计方案提供理论支持。
可靠性预计的方法主要有上下限法、元件计数法、相似产品法、应力分析法评分法、故障率预计法、性能参数预计法。根据W公司实际情况,本文采用应力分析法对贴片晶振,石英晶振,石英晶体进行可靠性预计。因为A型石英晶振的主要部件的故障率均可通过供应商得到,所以本文采用应力分析法。采用GJB/Z299C-2006预计手册。故障率预计法的计算公式为:
4.2.5A型石英晶振的可靠性分配
可靠性分配指的是将整个系统的可靠性指标分配给各个组成部分,是将可靠性指标总整体到局部,从上到下进行分配的过程。可靠性分配有以下意义:将产品的整体可靠性指标进行分配,分配到产品的下级组成部分,可以使每个组成分的可靠性设计指标更加准确细致,便于可靠性设计人员进行分析。
可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘数法、比例分配法、评分分配法、复杂度分配法、动态规划法、重要度法、直接寻查法。
本文采用 AGREE分配法对A型石英晶体振荡器,贴片晶振,石英晶振进行可靠性分配, AGREE分配法将整体的每一个组成单元的复杂度和重要度纳入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整体的各个组成单元的重要度和复杂度有关,组成单
元越重要,分配的失效度就应该越高。相反,组成单元的重要度越高,分配的失效度就应该有所减少。也就是说,分配给每个组成单元的失效度是加权的,加权因子C与组成单元复杂度成正比,与组成单元的重要度成反比。
单元或子系统的复杂度的定义为单元中所含的重要零件、组件(其失效会引起单元失效)的数目Ni(i=1,2.n)与系统中重要零、组件的总数N之比,即第i个单元的复杂度为:
假定设备的寿命符合指数分布,则可靠度为:
单元或子系统的重要度的定义为该单元的失效而引起的系统失效的概率。其表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为:
考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示:
式中:
Wi —为系统的失效率
Ki —产为单元的复杂度
对产品的设计、生产、维修等全流程进行诊断分析,通过对Z公司相关控制程序、作业指导书、作业人员的访谈、生产线实地走访、试验过程分析等途径,来分析诊断贴片晶振,石英晶振故障原因。通过诊断,发现Z公司的可靠性设计、生产,可靠性试验等方面存在这严重不足,最后运用因果分析图从人、机、料、法、环、测等六个方面来对石英晶振故障原因进行诊断,诊断结果如图4-1。
1.供应链问题FRACAS( Failure Report Analysis and Corrective Action Systemm),即故障报告、分析和纠正措施系统。首先通过报告产品的故障来分析故障原因,然后制定有效措施来解决可靠性问题,防止故障再次出现,与此同时,把故障原因和对应的纠正措施反馈到设计过程中,从而形成可靠性增长的良性循环。图4-2为FRACAS工作流程图。
在企业建立故障报告、分析及纠正措施系统( FRACAS)系统可以提高企业的可靠性管理水平,它既能分析故障原因,提出问题改进意见,又能将故障模式收入数据库中,为以后出现类似可靠性问题提供参考。通过运行 FRACAS系统,其实平板电脑内部构造并不复杂,一块中控板,CPU处理器,,以及一堆的贴片电容电阻系列。不过随着平板电脑生产的企业越来越多高利润时代即将终结,接下来的将是平板电脑企业的寒冬!不过话又说回来,不管这平板电脑出来有没给大家带来生活上的便利不说,到是可以理解成平板电脑给一部分零配件商带来了一场商机,比如内部的使用的石英晶振就给晶振行业带来了不小的订单,一台小小的平板电脑内部最少使用3颗石英晶振,其中一颗是32.768K晶振,2颗是贴片晶振,16M3225mm贴片晶振,或者是32.0M3225mm体积的贴片晶振,目前就刚中国境内就有销售除2.5亿台平板电脑,2.5亿*3=7.5亿颗石英晶振,况且还有一系列的电容电阻类电子元件。
稍微了解晶振知识的朋友都知道,晶振的温度系数是很多厂家比较看重的,不管是产品生产过程中还是使用的情况下,卷盘装的贴片晶振厂家都是使用自动贴片机来进行产品焊接,使用自动贴片机就要进行波峰焊接,波峰焊的温度正常都比手工焊接的温度高,所以这就是为什么很多客户问我们有没有宽温晶振的原因。而且有些客户设计的产品还需要过高温锡炉,这里就要涉及到晶振本身的抗高温的情况,一般高温炉的温度在330°左右,而耐高温的晶体耐最高也只能300°左右。所以CEOB2B晶振平台技术人员提醒广大晶振采购商一般的石英晶振最好不要过高温锡炉,如果实在要过锡炉也只能是耐高温的石英晶体振荡器,或者耐高温的贴片晶振可以过,普通的石英晶体或者圆柱晶体千万不要过高温锡炉,因为这些晶体里面的芯片都是用支架锡线焊接固定的,如果到达一定的温度里面的锡就会融化,这样就会导致频率水晶片脱落,造成晶体损坏。
大河晶振又叫River晶振也是来自日本的晶振品牌,RIVER一词英文原意是河流,是一家电子设备制造商如石英晶体谐振器、石英晶体振荡器,普通晶体振荡器(SPXO)、压控晶体振荡器(VCXO)。特别是对SMD型贴片晶振(表面贴装器件型)小型晶体器件,大河晶振一直在优先作为业内领先的公司,积累了原始的诀窍,因此,大河晶振赢得了诸多晶振采购商和代理商的信任,更被亲切的称“小型的河”。
在石英水晶振子上TDK晶振目前最为人知大概就是32.768K的圆柱晶振了,与其他品牌圆柱晶振不同,TDK晶振品牌无论是2*6晶振还是3*8晶振都是直接分正负PPM值两类,客户可以自己选择要正值的或是负值的精准度音叉晶振。陶瓷晶振上TDK晶振分长脚陶瓷晶振与短脚陶瓷晶振,想要继续了解的朋友可以直接联系我CEOB2B晶振平台客服,或者直接联系在我司平台入驻的晶振厂家及晶振品牌代理商。
在我国晶振市场可以说日产进口晶振最为吃香,其次是我国宝岛台湾晶振,它们两者可以说是3225晶振、2520晶振、3215晶振以及7015晶振等常用贴片晶振的最大供应者,而后就是美国进口晶振品牌占有一定比例市场,但由于美国晶振的价格与台产晶振和日产晶振相比明显更不具优势。但是美国晶振在有源差分晶振和大体积钟振领域却异样的很受欢迎,可以说美国品牌晶振大多数封装尺寸都是在3225以上。
总的来说电子元器件晶振主要分为陶瓷晶振和石英晶振两种,陶瓷晶振有陶瓷谐振器,陶瓷滤波器,陶瓷鉴频器三大主类,石英晶振则分为石英晶体和石英振荡器。石英晶体我们有时也会称它无源晶振或无源晶振,而石英振荡器我们多称它有源晶振。石英晶体并没有在进行什么细分类目,但石英振荡器就不同了,有源晶振依据自身表现出来的不同功能特性继续划分出了多个分类,普通石英晶体振荡器或普通有源晶振,温度补偿晶振,压控晶体振荡器,VC-TCXO晶振,差分晶振,恒温晶体振荡器,32.768K有源晶振等等一系列不同功能特征的石英振荡器。
石英晶体的弹性常数与切型
一、英晶体的弹性常数
石英晶体的弹性常数反映晶体的弹性性质。从这些弹性常数矩阵看出,用双足标表示的弹性常数共有36个分量。三斜晶系是完全各向异性体,对称性最低,36个不等于零的弹性常数分量中,独立的分量有21个。而石英晶体的独立弹性常数分量为6个。
当弹性常数s和c,的足标i,=1,2,3时,它分别表示沿x,y,z方向的弹性伸缩性质;当i,j4,5,6时,它分别表示沿x,y,z平面的切变性质;当i≠j它分别表示两种伸缩之间或两种切变之间,以及伸缩与切变之间的弹性耦合性质。这种弹性常数又称为交叉弹性常数,现在以石英晶振,石英晶体的弹性柔顺常数为例,进一步说明如下:
(1)与石英晶体伸缩性质有关的弹性柔顺常数为s11,s22(=s11),s33。
(2)与石英晶体伸缩之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为:s12,s13,S2(=S13)。
(3)与石英晶体切变性质有关的弹性柔顺常数为s44=s55,s55),s66.
(4)与石英晶体切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为:s56(=2S14).
(5)与石英晶体伸缩和切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为:s14,524(=-S14)。
耐高温晶振其实是指的石英晶振所表现出来的一种电气特性,耐高温晶振不仅工作温度是非常宽范围的,而且它的焊接温度也非常的高。在日常应用中,无铅的焊接一般是240度或260度,最高峰值不能够超过三秒(指波峰焊接),而且恒温烙铁的焊接温度360度左右。这就要求耐高温晶振里面焊点的接点非常的固牢,而且焊点所用的材料也和一般的焊接材料不一样,它的熔点必须高于恒温烙铁或波峰焊接的最大值,否则这些石英晶振就会出现晶振不起振或坏死的情况,也有会出现电阻偏大振荡不稳定的情况。
石英晶体的疵病
石英晶体无论是天然的还是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它们不仅是由于在石英晶振晶体生长过程中受到种种条件的影响而产生,就是在已形成的晶体中和生长完成后,外界条件的变化(主要是温度)产生的缺陷。这些缺陷会影响其可用程度和石英晶体元件的性能,以下简要介绍几种常见的缺陷。
一、双晶
双晶是指两个以上的同种晶体,按一定规律相互连生在一起。即在同块贴片晶振晶体中,同时存在两个方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分绕Z轴转180°后方与另一部分连生在一起,这两部分的z轴彼此平行,所以两部分的光学性能相同,而电轴两部分相差180°,故它们的极性相反(见图1.4.1)。
光双晶是异旋晶体的连生,即在一块晶体中,同时存在左旋和右旋两个部分,它们连生在一起,左旋和右旋的光轴彼此平行,但旋光性相反,此外电轴极性也相反(见图1.4.2)。
(a)左旋石英晶体的极性;(b)绕光轴转180°°后左旋石英晶体的极性C)电双晶的极性;
图1.4.1电双晶极性示意图
(a)左旋石英晶体的极性;(b)右旋石英晶体的极性;(c)光双晶的极性;
图1.4.2光双晶极性示意图
电双晶又称道芬双晶;光双晶又称巴西双晶。双晶的边界可用氢氟酸腐蚀显示出来(见图1.4.3)。
双晶多出现在天然石英晶体振荡器,石英晶体中,但在石英晶片加工中也会诱发出双晶。例如:石英晶片加热温度超过573℃,或虽然不超过573°C,但石英片内部温度梯度太大,都可能产生电双晶;又如:晶片研磨时,由于机械应力的作用,可能产生微小的道芬双晶。
(a)电双晶腐蚀图像(b)光双晶腐蚀图像
图1.4.3电双晶、光双晶在z平面上的腐蚀图像
在压电石英晶体元件中,一般不允许含有双晶,若要利用含有双晶的石英晶片时,则对双晶的位置和比例要严加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免双晶的出现
二、包裹体
石英晶体中往往含有固体、胶体和气—一液体三种包裹体。
固体包裹体是混杂在晶体内部的其它矿物质,天然石英晶振,压电水晶振荡子,石英晶体中固体包裹体大部分是围岩碎屑和黄铁矿、金红石等。人造石英晶体的固体包裹体主要是硅酸铁钠( NaFesi2O6.2H2O),它是由高压釜内壁被腐蚀脱落的亚铁离子和其它离子,与NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等产生化学反应而形成的。
胶体包裹体是含钾(K)、钠(Na)硅酸盐胶体所组成。它是由于石英贴片晶振,温补晶振,石英晶体生长过程中,温度发生波动时溶液中的二氧化碳达到超饱和状态,来不及结晶而形成胶体包裹体。
气一液包裹体中的液体主要是水溶液、碳酸和其它混合液,气体是二氧化碳及挥发性化合物等,气一液包裹体多集中在晶体底部包裹体是石英晶振晶体的一种主要缺陷,实验表明,如果晶片中含有大的针状包裹体时,对石英晶体元件的电性能影响很大。
石英晶体的包裹体可用显微镜观察法或油槽观察法等进行检查
三、蓝针
石英晶体中蓝色针状的缺陷称为蓝针。
蓝针形成的原因很多,有人认为蓝针内部包含有铁、锰、铜、锌等金属氧化物,在这些氧化物外部还有密集的小气泡或小水珠,当光线通过它们时,除蓝色光线外,其它光都被吸收掉,因此在晶体内部呈现蓝色针状缺陷。还有人研究发现,存在蓝针的地方有很细的裂缝,它与石英晶振,有源晶振晶体原有宏观裂隙平行生长,说明蓝针是属于晶体内部机械破坏的结果。
对一般应用的压电石英晶片可以存在蓝针,但用于制造稳定度高的和频率比较高的石英晶体元件时,不允许其石英晶片有蓝针存在。
四、其它疵病
在一些晶体中,可隐隐看出数个晶体的影子,这叫幻影或称魔幻。它是由于晶体生长中断了一段时间,后来又在晶面上继续结晶而形成的。幻影破坏了晶体格架的完整性,影响晶体的弹性,属晶体内部深处的缺陷。
裂隙是存在于晶体内部的小裂缝。它的形成可能是由于生长区中二氧化硅供应不足,杂质分布不均匀,籽晶不完善,机械应力和温度变化不均匀等缘故节瘤是由许多小晶块构成的镶嵌结构,其形状像是很小的晶体镶嵌到大晶体的表面。这种镶嵌结构是受温度、压力、溶液饱和程度和混合物数量等生长条件影响而形成。在石英晶振,差分晶振等石英晶体内部某处有集中的许多微小气泡和小裂隙,呈现白色如棉花状,这种缺陷俗称为棉。
32.768K晶振类型有很多DIP插件晶振类的,SMD贴片晶振类的,常用的32.768K音叉晶振是圆柱形的,体积以3*8mm和2*6mm使用的居多,这类音叉晶体也叫圆柱晶振或者表晶。贴片型32.768KHZ石英晶振尺寸就更多了,从大体积8030晶振到超小体积1610石英晶体谐振器,这些贴片时钟晶振有几款还被誉为智能手机专用晶振,它们分别是EPSON晶振的MC-146晶振和精工晶振的SSP-T7-F晶振。
石英晶体俗称水晶,成份是SiO2,它不但是较好的光学材料,而且是重要的压电材料。石英晶振在常压下不同温度时,石英晶体的结构是不同的。温度低于573℃时,是a石英晶体;温度在573℃~870℃时,是B石英晶体;温度在870℃~1470℃时,是磷石英,温度达1470℃时,就转变成方石英,它的熔点是1750℃。用于制造压电晶体元件的为a石英晶体,石英晶振.
§1-1石英晶体的结晶形态和坐标系
固体可以分为结晶体(晶体)与非结晶体(非晶体)两大类。晶体中有外形高度对称的单晶体(如石英晶体)和由许多微细晶体组成的多晶体(如各种金属)。石英贴片晶振的主要特性是原子和分子的有规则排列,这种排列反映在宏观上是外形的对称性,而非晶体就不具备这种特性,例如石英玻璃,它的成份与石英晶体一样是SiO2,但不属于晶体。
晶体可以是天然的,也可以由人工培养。晶态物质在适当条件下,能自发地发展成为一个凸多面体形的单晶体。围成这样一个多面体的面称为晶面;晶面的交线称为晶棱;晶棱的会集点称为顶点。发育良好的单晶体,外形上最显著的特征是晶面有规则的配置,属于同一品种的石英晶振晶体,两个对应晶面(或晶棱)间的夹角恒定不变。图1.1.1给出了理想石英晶体的外形。石英晶体的晶面共30个,分为五组,六个m面(柱面),六个R面(大棱面),六个r面(小棱面)六个s面(三方双锥面),六个x面(三方偏方面),相邻m面的夹角为60°相邻m面和R面的夹角与相邻m面和r面的夹角都等于38°13,相邻s面与x面的夹角等于25°57。由于外界条件能使某一个或某一组晶面相对地变小或完全隐没,所以实际见到的石英晶体很少如图1.1.1所示,就是人造石英晶振,石英晶体振荡器,石英晶体的外形也只是接近理想情况。
(a)右旋石英晶体 (b)左旋石英晶体
图1.1.1石英晶体的理想外形
晶体内部结构的规律性,造成了它在外形上的对称性。例如:晶体可以有对称轴、对称中心、对称面等对称元素。石英晶振晶体存在一个三次对称轴(或三次轴即晶体绕该轴旋360°3后能够复原)和三个互成120°的二次轴,如图1.1.2中的a、b、d轴
图1.1.2石英晶体的对称轴和直角坐标系
在结晶学中,晶体的内部结构可以概括为是由一些“点子”在空间有规则地作周期的无限分布:“点子”代表原子、离子、分子或其集团的重心。这些“点子”的总体称为点阵,构成石英晶振,有源晶振,石英晶体的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好与硅离子重合,因此硅离子的点阵就可以反映出石英晶体的内部结构。石英晶体的各层硅离子若按右手螺旋规则分布,则称为右旋石英晶体;若按左手螺旋规则分布,称为左旋石英晶体。从外形上看,右旋石英晶体的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶体的s面在R面的左下方或m面的右上方(见图1.1.1),它们互为镜象对称。
石英晶振晶体物理性质的各向异性和晶体外形的对称性有关,因此讨论石英晶体的物理性质时,采用为图1.1.2所示的直角坐标系较为方便。选c轴为z轴,a(或b、d)轴为x轴,与x轴、z轴垂直的轴为y轴。其指向按1949年IRE标准规定对左、右旋石英晶体均采用右手直角坐标系。
对于石英晶振而言我们总是这样开始接触它的,从有源晶振、无源晶振、石英晶体振荡器、石英晶体谐振器、插件晶振、贴片晶振这几大类开始具体详细的了解石英晶振。对于贴片晶振和插件晶振可以说是我们最不会弄出的晶振两种分类,这种从外观上就能直接明了的区分出来即使是从未接触处过晶振行业的人,你与他简单解说一番他也可以弄明白的。但对于石英晶体振荡器和石英晶体谐振器这两者的区分就做不到直接简单了,这种从定义上区分的晶振分类即使资深老手有时也是要纠结纠结的。
很多人可能会对有源时钟晶振感到好奇,通常我们说的32.768K时钟晶振都是无源晶振,并且这些32.768K晶振的进口晶振中精准度可是已经达到+-5PPM这样高了,同样耐高温耐低温表晶也有,那为什么还需要进一步研发32.768K石英晶体振荡器呢?并且一般32.768K音叉晶振都是用在消费类电子产品上,如果遇到要求高一些的完全选用进口品牌就能满足的,对于这个疑问下面就来具体解说一下有源32.768K晶振的不同之处以及必要之处。
但是无论是电子“黄牛”还是我们自己网上购票一定都需要一台给力的电脑才能事半功倍,而电脑强不强大性能好不好又需要靠什么呢?这个答案是显然的,这就要看你电脑的主板性能好不好了。在这样一群人蜂拥到一个网站平台抢票的情况下,如果你的电脑性能不好肯定是抢不过别人的,稍微懂点电脑的人都知道电脑的主要性能在它的CPU和主板上。
石英晶振俗称水晶,成分为二氧化硅,具有"压电效应"和极高的品质因数,被应用于各种振荡电路,其频率稳定度一般可以达到10-6~10-8数量级,甚至更高。然而其频率精度受到石英晶体自身所固有的两个特性影响:频率牵引量(TS)和温漂。频率牵引量是描述石英晶体频率精度随着负载电容变化而变化的物理量,单位为PPM/PF.温漂是描述晶体频率精度随着温度的变化而变化的物理量,为石英晶体谐振器所固有的特性,其频率温度曲线与石英晶片的切型和切角有关。从用户使用角度讲,用户没法改变晶片的切角切型,却很容易改变振荡回流的负载,也正因此原因,客户在使用晶体谐振器时,容易出现因负载不匹配造成的频率漂移现象。
在石英晶振匹配和晶振电路设计中我们听到的最多的就是电容的匹配或匹配电容负载电容,就是在大家向晶振厂家采购石英晶振是负载电容也是重要的采购参数之一,晶振供应商常会问道的石英晶振参数有尺寸,频率,精准度PPM,负载电容,型号,品牌等。你可能从来没有听过谁在采购的时候说自己要多大阻抗的,或是石英晶体供应商问你要多大阻抗呢,那是不是说明在石英晶振的运用中阻抗其实是个不足为道的参数呢?但是你又会发现在所有石英晶振标签上,除了型号负载频率出厂日期等的说明,阻抗也是上面不可或缺的一项参数,因此今天CEOB2B晶振平台特意与大家一同去探索一下这个阻抗的秘密,一起学习一下什么是抗阻匹配!
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石英晶体振荡器的压电效应以及等效电路原理
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