揭開(kāi)Vectron低噪聲,抖動(dòng)混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
來(lái)源：http://www.cbjur26.cn 作者：康華爾電子 2020年03月31
揭開(kāi)Vectron低噪聲,抖動(dòng)混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
美國(guó)VECTRON晶振公司是專(zhuān)業(yè)的頻率控制元器件制造商,全面創(chuàng)新和發(fā)展各種不同的晶體和振蕩器產(chǎn)品,聲表面石英晶體振蕩器屬于比較特殊的一種,因?yàn)樗瑫r(shí)具體頻率振蕩和過(guò)濾雜波的功能特性.很多人認(rèn)為它不屬于晶振,也有人覺(jué)得它是振蕩器的一種.EX-380系列是Vectron公司自己開(kāi)發(fā)的一款抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器,行業(yè)簡(jiǎn)稱(chēng)是EMXO,它與SAW并沒(méi)有什么關(guān)系,但在本文章中都會(huì)為大家解釋.
當(dāng)頻率與溫度的要求過(guò)于嚴(yán)格而基本的XO(晶體振蕩器)或TCXO(溫度補(bǔ)償晶體振蕩器)無(wú)法滿足要求時(shí),則使用OCXO(烤箱控制晶體振蕩器).使用OCXO時(shí),隨著振蕩器外部溫度的變化,晶體和關(guān)鍵電路的溫度保持恒定.用烤箱控制振蕩器內(nèi)部的溫度可保持此恒定溫度.在OCXO中,感測(cè)到環(huán)境溫度的變化,然后反饋到烤箱控制,該控制不斷在振蕩器外殼內(nèi)保持恒定的最佳溫度.OCXO可以將晶體的固有穩(wěn)定性提高5000倍以上.烤箱控制系統(tǒng)不是完美的,開(kāi)環(huán)增益不是無(wú)限的,烤箱(振蕩器)內(nèi)部存在內(nèi)部溫度梯度,在傳統(tǒng)烤箱中,烤箱外殼外部的電路會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響,“拉”頻率.
與XO或TCXO相比,傳統(tǒng)OCXO的溫度穩(wěn)定性得到了提高,而價(jià)格卻很高.例如,OCXO功耗會(huì)增加200倍以上.還需要考慮尺寸.在普通的OCXO晶振中,將晶體封裝在金屬外殼中,然后將其與溫度敏感電路一起放置在烤箱殼內(nèi),然后由隔熱材料包圍.然后將所有這些以及任何其他電路放置在金屬外殼中,以形成笨重的包裝,這使其非常難以小型化.
為克服這些障礙,Vectron晶振公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了EX-380系列EMXO(抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器)以實(shí)現(xiàn)OCXO性能,同時(shí)顯著降低了功耗并減小了封裝尺寸(見(jiàn)圖1).
圖1:EX-380功能框圖
這些特性齊頭并進(jìn),因?yàn)闇p小封裝尺寸使其更易于改善功耗.首先,使包裝的體積盡可能小,以減少烤箱需要加熱的體積.其次,需要使用最有效的絕緣材料.在EX-380系列中,Vectron做到了兩者.該封裝設(shè)計(jì)為單DIP尺寸為0.82“x0.52”x0.3“,振蕩器使用真空作為絕緣介質(zhì),這是對(duì)傳統(tǒng)泡沫或基于纖維的絕緣材料的顯著改進(jìn).Vectron減小尺寸的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)仍然提供“烤箱振蕩器”的性能是消除了大型包裝石英晶振的使用,而到目前為止,必須使用大型包裝晶體才能達(dá)到良好的老化效果,而是找到了一種使用開(kāi)放式晶體毛坯的方法并使其實(shí)用化.成功解決了可能會(huì)降低性能的排氣和污染問(wèn)題,為此需要制造具有高內(nèi)部真空度,內(nèi)部脫氣率低的振蕩器,以提供所需的絕熱性能,還需要高度清潔度以防止污染開(kāi)放的(未裝箱的)晶體毛坯,并確保出色的長(zhǎng)期晶體老化.
該封裝的主要設(shè)計(jì)特征采用了將精密晶體以空白形式集成到混合微電子電路中的概念.為此,獲得良好的老化性能至關(guān)重要.因此,將精密晶體以毛坯形式與混合微電子電路相結(jié)合,形成了一種冷焊包裝概念.為此,獲得良好的老化性能至關(guān)重要.因此,選擇了冷焊封裝而不是更傳統(tǒng)的電阻焊封裝.冷焊密封在延展的金屬表面之間提供了真正的冶金結(jié)合,而沒(méi)有增加密封過(guò)程中的熱量.在通過(guò)焊接模具的凹口引入的高噸位壓力下,材料的可塑性流在配合表面上發(fā)生.最終結(jié)果是一個(gè)密封的外殼,沒(méi)有焊縫飛濺,灰塵和蒸汽的污染.而且,最重要的是,冷焊密封外殼可實(shí)現(xiàn)很高的真空完整性.
在機(jī)械上,混合電路和石英晶體諧振器組件直接懸掛在高度絕緣的結(jié)構(gòu)上,以最大程度地減少通過(guò)傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱能損失.另外,整個(gè)組件在10-6托的壓力水平下通過(guò)真空與外殼熱絕緣.基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算,該封裝設(shè)計(jì)產(chǎn)生的熱阻>300攝氏度/瓦特.EMXO的制造工藝很有趣,工藝流程圖如圖2所示.
圖2:EMXO工藝流程圖
使用厚膜絲網(wǎng)印刷技術(shù)制造基板,每個(gè)沉積層都經(jīng)過(guò)三個(gè)不同的處理階段-印刷,干燥和燒制.晶體夾以高導(dǎo)熱率附著在基板上的金導(dǎo)體上.使用導(dǎo)電粘合劑將所有有源和無(wú)源組件安裝在基板上,然后將其移動(dòng)到對(duì)流烤箱中進(jìn)行固化.在固化過(guò)程之后,將雜種清洗,以去除有機(jī)和非有機(jī)污染物.導(dǎo)線在互連電路上作為互連線接合.然后用粘合劑將混合電路連接到冷焊包裝上.最后,將空白晶體安裝到夾子上,并通過(guò)蒸發(fā)過(guò)程將其調(diào)諧到所需的標(biāo)稱(chēng)頻率,典型精度為1ppm.然后將單元冷焊密封.烤箱本身通過(guò)直接施加到導(dǎo)熱基材上的熱傳導(dǎo)進(jìn)行加熱.在下面的圖3中,顯示了此“空白”EMXO概念,并與傳統(tǒng)的OCXO結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較.
在上面的圖3中,1,2和3反映了常規(guī)的OCXO構(gòu)造,而4是EMXO.它顯示了SDILEMXO的主要元素.僅使用一個(gè)基板,并且所有元件都被加熱.該振蕩器本質(zhì)上是CMOS門(mén)型,帶有一個(gè)額外的壓敏二極管和LC陷波器用于泛音選擇.該諧振器為第三泛音,AT或根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行的雙旋轉(zhuǎn)切割,與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)諧振器相比,這兩種諧振器均具有出色的抗老化性能.
預(yù)計(jì)EX-380系列將在惡劣的機(jī)械環(huán)境中對(duì)電氣性能同樣重要的應(yīng)用中找到應(yīng)用.
因此,EX-380系列的另一個(gè)重點(diǎn)是提供堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以承受高沖擊和振動(dòng)并產(chǎn)生良好的G敏感度性能.例如,當(dāng)改變石英晶體振蕩器的物理取向時(shí),由于晶體毛坯上應(yīng)力的變化,頻率變化很小(通常不超過(guò)10-9的幾分之一,旋轉(zhuǎn)90度).由對(duì)晶體載體的引力作用產(chǎn)生.該特性被稱(chēng)為“傾翻”,以10-9/g表示,其中一格表示180度方向變化的一半.為了使這種變化對(duì)晶體載體的影響最小.這種特性稱(chēng)為“翻倒”,以10-9/g表示,其中1g代表180度方向變化的一半.為了最大程度地減少這種變化并增強(qiáng)在沖擊和振動(dòng)下的性能,將晶體毛坯安裝在對(duì)稱(chēng)的安裝結(jié)構(gòu)中,而不是傳統(tǒng)的2或3點(diǎn).
這有助于實(shí)現(xiàn)較高的沖擊和振動(dòng)承受能力,低g敏感度性能以及對(duì)稱(chēng)的熱傳遞.同樣,當(dāng)晶體振蕩器工作并受到振動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生寄生頻率,該寄生頻率會(huì)因振蕩頻率而偏離振蕩頻率.這些通常稱(chēng)為“振動(dòng)引起的邊帶”,這些邊帶的行為類(lèi)似于相位噪聲.這些雜散輸出的幅度與振動(dòng)幅度,晶體支架的機(jī)械設(shè)計(jì)以及振蕩器組件的機(jī)械設(shè)計(jì)(包括晶體安裝)有關(guān).這里對(duì)稱(chēng)的晶體安裝結(jié)構(gòu)也有助于減少不必要的噪聲.
在EX-380系列中,可以使用AT和雙旋轉(zhuǎn)晶體.即使許多類(lèi)型的雙向旋轉(zhuǎn)晶體在振動(dòng)下產(chǎn)生的振幅幅度也比AT低,但此特性主要取決于晶體和振蕩器的機(jī)械設(shè)計(jì),而不是特定的晶體切割.在許多應(yīng)用中,Vectron在振蕩器中使用雙旋轉(zhuǎn)諧振器,以提供較低的閉相噪聲,更好的老化率和降低的加速靈敏度.在不太關(guān)鍵的應(yīng)用中,使用了較便宜的AT切割晶體.
圖4至圖10代表各種特性的合格樣品的典型實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù).
EX-380系列的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為3.3Vdc和5Vdc,也有12Vdc,均帶有HCMOS輸出.提供了該石英振蕩器的表面安裝版本(EX-385).表面安裝版本提供+3.0dBm/50ohm的正弦波輸出.這些EMXO單元非常適合SONET/SDH,DWDM,FDM,ATM,3G,電信傳輸和交換設(shè)備,無(wú)線通信設(shè)備以及軍用機(jī)載和移動(dòng)系統(tǒng).
揭開(kāi)Vectron低噪聲,抖動(dòng)混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
美國(guó)VECTRON晶振公司是專(zhuān)業(yè)的頻率控制元器件制造商,全面創(chuàng)新和發(fā)展各種不同的晶體和振蕩器產(chǎn)品,聲表面石英晶體振蕩器屬于比較特殊的一種,因?yàn)樗瑫r(shí)具體頻率振蕩和過(guò)濾雜波的功能特性.很多人認(rèn)為它不屬于晶振,也有人覺(jué)得它是振蕩器的一種.EX-380系列是Vectron公司自己開(kāi)發(fā)的一款抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器,行業(yè)簡(jiǎn)稱(chēng)是EMXO,它與SAW并沒(méi)有什么關(guān)系,但在本文章中都會(huì)為大家解釋.
當(dāng)頻率與溫度的要求過(guò)于嚴(yán)格而基本的XO(晶體振蕩器)或TCXO(溫度補(bǔ)償晶體振蕩器)無(wú)法滿足要求時(shí),則使用OCXO(烤箱控制晶體振蕩器).使用OCXO時(shí),隨著振蕩器外部溫度的變化,晶體和關(guān)鍵電路的溫度保持恒定.用烤箱控制振蕩器內(nèi)部的溫度可保持此恒定溫度.在OCXO中,感測(cè)到環(huán)境溫度的變化,然后反饋到烤箱控制,該控制不斷在振蕩器外殼內(nèi)保持恒定的最佳溫度.OCXO可以將晶體的固有穩(wěn)定性提高5000倍以上.烤箱控制系統(tǒng)不是完美的,開(kāi)環(huán)增益不是無(wú)限的,烤箱(振蕩器)內(nèi)部存在內(nèi)部溫度梯度,在傳統(tǒng)烤箱中,烤箱外殼外部的電路會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響,“拉”頻率.
與XO或TCXO相比,傳統(tǒng)OCXO的溫度穩(wěn)定性得到了提高,而價(jià)格卻很高.例如,OCXO功耗會(huì)增加200倍以上.還需要考慮尺寸.在普通的OCXO晶振中,將晶體封裝在金屬外殼中,然后將其與溫度敏感電路一起放置在烤箱殼內(nèi),然后由隔熱材料包圍.然后將所有這些以及任何其他電路放置在金屬外殼中,以形成笨重的包裝,這使其非常難以小型化.
圖1:EX-380功能框圖
該封裝的主要設(shè)計(jì)特征采用了將精密晶體以空白形式集成到混合微電子電路中的概念.為此,獲得良好的老化性能至關(guān)重要.因此,將精密晶體以毛坯形式與混合微電子電路相結(jié)合,形成了一種冷焊包裝概念.為此,獲得良好的老化性能至關(guān)重要.因此,選擇了冷焊封裝而不是更傳統(tǒng)的電阻焊封裝.冷焊密封在延展的金屬表面之間提供了真正的冶金結(jié)合,而沒(méi)有增加密封過(guò)程中的熱量.在通過(guò)焊接模具的凹口引入的高噸位壓力下,材料的可塑性流在配合表面上發(fā)生.最終結(jié)果是一個(gè)密封的外殼,沒(méi)有焊縫飛濺,灰塵和蒸汽的污染.而且,最重要的是,冷焊密封外殼可實(shí)現(xiàn)很高的真空完整性.
在機(jī)械上,混合電路和石英晶體諧振器組件直接懸掛在高度絕緣的結(jié)構(gòu)上,以最大程度地減少通過(guò)傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱能損失.另外,整個(gè)組件在10-6托的壓力水平下通過(guò)真空與外殼熱絕緣.基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算,該封裝設(shè)計(jì)產(chǎn)生的熱阻>300攝氏度/瓦特.EMXO的制造工藝很有趣,工藝流程圖如圖2所示.
圖2:EMXO工藝流程圖
預(yù)計(jì)EX-380系列將在惡劣的機(jī)械環(huán)境中對(duì)電氣性能同樣重要的應(yīng)用中找到應(yīng)用.
因此,EX-380系列的另一個(gè)重點(diǎn)是提供堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)以承受高沖擊和振動(dòng)并產(chǎn)生良好的G敏感度性能.例如,當(dāng)改變石英晶體振蕩器的物理取向時(shí),由于晶體毛坯上應(yīng)力的變化,頻率變化很小(通常不超過(guò)10-9的幾分之一,旋轉(zhuǎn)90度).由對(duì)晶體載體的引力作用產(chǎn)生.該特性被稱(chēng)為“傾翻”,以10-9/g表示,其中一格表示180度方向變化的一半.為了使這種變化對(duì)晶體載體的影響最小.這種特性稱(chēng)為“翻倒”,以10-9/g表示,其中1g代表180度方向變化的一半.為了最大程度地減少這種變化并增強(qiáng)在沖擊和振動(dòng)下的性能,將晶體毛坯安裝在對(duì)稱(chēng)的安裝結(jié)構(gòu)中,而不是傳統(tǒng)的2或3點(diǎn).
這有助于實(shí)現(xiàn)較高的沖擊和振動(dòng)承受能力,低g敏感度性能以及對(duì)稱(chēng)的熱傳遞.同樣,當(dāng)晶體振蕩器工作并受到振動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生寄生頻率,該寄生頻率會(huì)因振蕩頻率而偏離振蕩頻率.這些通常稱(chēng)為“振動(dòng)引起的邊帶”,這些邊帶的行為類(lèi)似于相位噪聲.這些雜散輸出的幅度與振動(dòng)幅度,晶體支架的機(jī)械設(shè)計(jì)以及振蕩器組件的機(jī)械設(shè)計(jì)(包括晶體安裝)有關(guān).這里對(duì)稱(chēng)的晶體安裝結(jié)構(gòu)也有助于減少不必要的噪聲.
在EX-380系列中,可以使用AT和雙旋轉(zhuǎn)晶體.即使許多類(lèi)型的雙向旋轉(zhuǎn)晶體在振動(dòng)下產(chǎn)生的振幅幅度也比AT低,但此特性主要取決于晶體和振蕩器的機(jī)械設(shè)計(jì),而不是特定的晶體切割.在許多應(yīng)用中,Vectron在振蕩器中使用雙旋轉(zhuǎn)諧振器,以提供較低的閉相噪聲,更好的老化率和降低的加速靈敏度.在不太關(guān)鍵的應(yīng)用中,使用了較便宜的AT切割晶體.
圖4至圖10代表各種特性的合格樣品的典型實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù).
EX-380型薄型4引腳DIP抽空微型烤箱控制晶體振蕩器(EMXO)的工作頻率范圍為10MHz至20MHz.該器件以極小的封裝提供極低的老化率和高溫穩(wěn)定性.在各種環(huán)境條件下的老化.通孔單元尺寸僅為20.8mmx13.2mmx7.6mm(0.82“x0.52”x0.30“),老化率平均每天<1x10-9/天,第一年<1x10-7,<1x10-6保持10年的溫度穩(wěn)定性
在-40℃至+85℃范圍內(nèi)為±1x10-7.較寬的溫度范圍為-55℃至+85℃.這種性能是通過(guò)應(yīng)用新的諧振器設(shè)計(jì)概念和技術(shù)突破來(lái)實(shí)現(xiàn)的.EMXO彌補(bǔ)了目前大型,高精度OCXO和較小的TCXO之間的差距,并成為需要光譜純度,短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及小尺寸和大幅度降低功耗的最經(jīng)濟(jì)的選擇.EX-380系列的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為3.3Vdc和5Vdc,也有12Vdc,均帶有HCMOS輸出.提供了該石英振蕩器的表面安裝版本(EX-385).表面安裝版本提供+3.0dBm/50ohm的正弦波輸出.這些EMXO單元非常適合SONET/SDH,DWDM,FDM,ATM,3G,電信傳輸和交換設(shè)備,無(wú)線通信設(shè)備以及軍用機(jī)載和移動(dòng)系統(tǒng).
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