全新无铅、符合 RoHS 标准的双焊盘石英晶体，采用金属密封技术

作者：时序产品设计经理 Jack Chou



数字电子电路通常使用系统时钟，依照严格的周期间隔执行工作任务。通过结合石英晶体 (或谐振器) 与主动式电子振荡器电路，可以打造实现这项功能的稳定系统时钟。设计人员在设计以石英为基础的振荡器电路时，需要详细了解石英晶体的特性，才能使设计符合目标产品应用的要求。

本文介绍并说明一款全新石英晶体系列产品的设计规格，该系列产品由 Diodes 公司 (Diodes) 制造，符合 RoHS 标准，具有双焊盘。相较于采用玻璃密封设计的同级别石英晶体，Diodes 的产品采用金属密封技术，从而实现真正的无铅化。

Diodes 的双焊盘 FE/FEQ 和 FT/FTQ 系列

Diodes研发出一款双焊盘设计封装的石英晶体，类似于现有的双焊盘玻璃密封封装，但不同之处在于采用金属密封 (见图 1)。因此，这款石英晶体的封装虽然与玻璃密封器件相同，但不含铅。

图 1. 玻璃密封器件 (左) 和金属密封器件 (右)

双焊盘 FE/FEQ 5x3.2mm 和 FT/FTQ 3.2x2.5mm 系列是金属密封器件，包含一个超小型 AT 切割石英晶体谐振器，并采用标准陶瓷封装，可取代传统的玻璃双焊盘封装。FEQ 和 FTQ 系列器件符合 AEC-Q200 Grade 0 等级 (150°C) 标准，通过 PPAP，由 IATF 16949 标准认证的生产设施制造，专为汽车产品应用设计。

和玻璃密封比较，双焊盘金属密封器件的各项参数表现都类似或更好，如下表 1 所示：

表 1. 双焊盘金属密封器件性能比较

下图说明两种封装的长期稳定性，器件的性能随着时间增加而略微提升。

图 2. 石英晶体在 85°C 下经过 1008 小时后的长期稳定性

石英晶体的技术原理

频率

石英晶体的基频以千赫兹 (kHz) 或兆赫 (MHz) 表示。频率可精确到七位有效数字。

泛音(Overtones)

石英晶体最简易的使用方式是在基频下工作，但在泛音模式下工作却能发挥特有的优势。泛音频率是基频的整倍数，这表示石英晶体的基频可以远低于预期的工作频率，因此更容易制造且不易损坏。泛音石英晶体主要应用于频率高于 50MHz 的产品。在泛音模式下使用石英晶体时，电子电路设计必须确保石英晶体只在泛音模式下工作，而不会在基频模式下工作。为实现这一点，射频电路设计需包含一个调谐电路，确保振荡器中的反馈发生在泛音频率并抑制基频。

切割

虽然石英晶体切割方式有无限多种，但其中几个方式具有特定属性及名称，例如 AT、IT 和 SC。在振荡器工作频率为 500kHz 至 300MHz 的电子器件中，使用最多的是 AT 切割石英晶体，因为这种切割在特定工作温度下具有高 Q 值和频率偏差对称性。

校准容差 (FL)

也称为频率精度，以百万分之一 (ppm) 为单位，通常指在 25°C 条件下。

负载电容 (CL)

此外部电容在电抗曲线上设置一个石英晶体的谐振点。此电容为实际应用中石英晶体的预期串联电容。

等效串联电阻 (ESR)

ESR 为串联谐振石英晶体在额定激励功率和调谐工作频率下的等效欧姆电阻。

工作温度范围 (TR)

此温度范围以 °C 为单位，用于指定标示的频率稳定性。多数石英晶体可在更宽的范围内工作，但无法保证稳定在指定值内。这个较宽的范围即为工作温度范围。储存温度范围是指储存石英晶体期间性能不会下降的温度范围，一旦回到工作温度范围，石英晶体将恢复正常工作。

频率稳定性 (F/T)

此特性指在整个工作温度范围内的频率偏差，单位为 ppm。石英晶体坯的切割类型和角度会影响石英晶体如何随温度而变化。切割类型 (SL、DT、AT 等)主要取决于所需频率，而指定的稳定性和工作温度范围则决定了切割的精确角度。

激励功率 (DL)

激励功率是石英晶体所消耗的功率，通常以微瓦 (μW) 或毫瓦 (mW) 为单位。可通过测量流过石英晶体的励磁电流来计算激励功率。

封装密封

石英晶体通常以陶瓷为底座封装，密封后能在较长的时间内 (通常为 15 年以上) 保持恒定的性能。石英晶体器件有两种密封方式：金属密封和玻璃密封。金属密封使用电阻热来焊接金属盖与陶瓷底座。玻璃密封则是靠熔化陶瓷顶端和底座之间的玻璃料(二氧化硅)来实现密封。

封装焊盘

除了各种封装尺寸外，石英晶体还可以分成四焊盘和双焊盘封装。双焊盘器件具有卓越的焊接能力，可靠性更高，因此广泛应用于汽车产品应用。目前所有双焊盘石英晶体器件都使用玻璃密封法，因为制造成本通常较低。不过，这种密封法的问题在于玻璃料含有一定量的铅 (Pb)。因此，使用这些含铅石英晶体的终端产品可能需要申请 RoHS 豁免。

符合汽车规格 - 通过 AEC 认证，于支持 PPAP 文件的 IATF 16949 认证设施制造。

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