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为什么32.768kHz的晶振封装这么另类?

前言:为什么要写这篇文章。

两位年轻的同事画了一块电路板,由于之前选择过FC135封装的32.768kHz的晶振。所以为了把25MHz的晶振,也做成这个封装。但是呢,没有跟采购和供应商进行交流。

当电路投板之后,准备采购元器件的时候,傻眼了。根本就买不着FC135封装的25MHz的晶振。于是调试电路的老同志仰天长啸。

为什么有些封装只有32.768kHz的频率的晶体才有呢?

首先,我们看一张长图来对比:

我们可以看到32.768kHz的晶体的封装与其他频率的封装几乎没有交集。

那么,有经验的朋友有没有发现,两列晶振的规律呢?

从身材比例来说,右边的32.768的封装有点像姚明,瘦高型;左边普通晶体的身材像曾志伟,矮胖型。

那么为什么会有这样的现象呢?是32.768kHz的晶体有什么特殊之处?

1、晶振的基本原理


振荡器是一种能量转换器,石英谐振器是利用石英晶体谐振器决定工作频率,与LC谐振回路相比,它具有很高的标准性和极高的品质因数,,具有较高的频率稳定度,采用高精度和稳频措施后,石英晶体振荡器可以达到10-4~10-
11稳定度。

基本性能主要是起振荡作用,可利用其对某频率具有的响应作用,用来滤波、选频网络等,石英谐振器相当于RLC振荡电路。石英晶体俗称水晶,是一种化学成分为二氧化硅(SiO2)的六角锥形结晶体,比较坚硬。它有三个相互垂直的轴,且各向异性:纵向Z轴称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于Z轴的X轴称为电轴,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴(垂直于棱面)称为机械轴。

石英晶体之所以可以作为谐振器,是由于它具有正(机械能→电能)、反(电能→机械能)压电效应。

沿石英晶片的电轴或机械轴施加压力,则在晶片的电轴两面三刀个表面产生正、负电荷,呈现出电压,其大小与所加力产生的形变成正比;若施加张力,则产生反向电压,这种现象称为正电效应。


当沿石英晶片的电轴方向加电场,则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩,发生形变,这种现象称为反压电效应。因此,在晶体两面三刀端加上交流电压时,晶片会随电压的变化产生机械振动,机械振动又会在晶片内表面产生交变电荷。由于晶体是有弹性的固体,对于某一振动方式,有一个固有的机械谐振频率。当外加交流电压等于晶片的固有机械谐振频率时,晶片的机械振动幅度最大,流过晶片的电流最大,产生了共振现象。石英晶片的共振具有多谐性,即除可以基频共振外,还可以谐频共振,通常把利用晶片的基频共振的谐振器,利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器,一般能利用的是3、5、7之类的奇次泛音。晶片的振动频率与厚度成反比,工作频率越高,要求晶片越薄(尺寸越大,频率越低),这样的晶片其机械强度就越差,加工越困难,而且容易振碎,因此在工作频率较高时常采用泛音晶体。一般地,在工作频率小于20MHZ时采用基频晶体,在工作频率大于20MHZ时采用泛音晶体。

石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

晶振的主要参数有标称频率,负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同,标称频率大都标明在晶振外壳上。

如常用普通晶振标称频率有:48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz~40.50 MHz等,对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上,也有的没有标称频率,如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。


标称频率相同的晶振,负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率,一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振:另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以,标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至,不能冒然互换,否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度:由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求,对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。稳定度从±1到±100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振,如通信网络,无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此,晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振,因不同性能的晶振其价格不同,要求越高价格也越贵,一般选择只要满足要求即可。

晶振不振荡时,可以看成是一平板电容器C0,他和晶体的几何尺寸和电极面积有关,值在几PF到几十PF之间。晶振的机械振动的惯性使用电感L来等效,一般为10-3-102H之间,晶片的弹性以电容C1来等效,L、C的具体数值与切割方式,晶片和电极的尺寸,形状等有关。

标称频率(FL),负载电容(CL)、频率精度、频率稳定度等

晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等,共同决定振荡器的性能
Fs:晶体本身固有的频率,和晶体的切割方式、晶体厚度、晶体电极的等效厚度
F=2560/t(BT)      F=1670/t(AT)

2、音叉结构

简单地说,晶振是晶体谐振器和晶体振荡器的统称,谐振器有分陶瓷谐振器和石英谐振器,石英谐振器可以分插件晶振和贴片晶振,而插件晶振也通常被称之为音叉晶体和晶振,因插件表晶石英晶片外型类似音叉的形状,所以叫音叉晶振,音叉的频率都是以千赫为单位。插件晶振中较为普遍存在的体积有3*8,2*6,应用最多的晶振频率为32.768KHZ。2011年全球音叉类晶振产量超过100亿只,产值约15亿美元。同年,中国音叉晶振产量超过40亿只,产量约占全球40%。即使多高端的电子产品也始终离不开这个连2毛钱都不到的音叉晶振.iPhone 也不例外。

和苹果公司合作,是多少零器件厂家竞争的目标.手机中的零器件,晶振和声表面滤波器,32.768K表晶是不可或缺的部分.iPhone 5中有5款石英晶振,其中就有两款音叉晶振.通常我们认为32.768K晶振只能应用到一些低端电子产品,实际上这是一种错误的说法,绝大多数涉及数据处理的电子产品都需要晶振元件为其提供时钟频率,否则便无法启动或者有效工作由此可见晶振尤其是音叉晶振是电子产品中十分重要的元件。

音叉晶振应用领域包括钟表及表芯、手机、平板电脑、微型计算机、计算器、家电自动控制和工业自动控制等。目前,中国音叉晶振下游应用市场呈现快速增长的势头,带动音叉晶振需求增长。2011年,中国石英钟表机芯产量19亿只,需要市场供应19亿只音叉表晶,是音叉晶体的主要应用领域之一;中国手机产量11.3亿部,至少增加17亿颗音叉晶振需求,对音叉晶振行业带动较大;消费电子和微型计算机产业也是音叉晶振的主要应用市场。相对于陶瓷晶振来说应用到手机方面极为少数,只有部分普通电话机才会用的上陶瓷晶振系列,2011年中国消费电子(不包括手机)产量达到16.6亿套(台),微型计算机产量为3.2亿台,这两个领域对音叉晶振的需求约20亿只。
随着技术的进步以及市场应用的变化,音叉晶振呈现先小型化、高精度、低功耗的发展趋势,以爱普生晶振C-001RX,C-002RX,C-004,C-005,精工晶振VT-200-F,VT-150-F,VT-120-F,西铁城晶振CFS206,CFS145,CFS308,KDS晶振DT-26,DT-38,日本四大石英晶振知名厂商为首,音叉晶振在任何有时间显示的地方都会有存在,以爱普生晶振,西铁城晶振.精工晶振,KDS晶振每年销量领先,四大日产知名品牌是众多消费者的选择. 而上海唐辉电子是日本大真空株式会社在中国的指定代理商,唐辉电子在PPTC自恢复保险丝、PTC热敏电阻、晶体谐振器、振荡器系列、高品质电容、电感和液晶屏产品、IC类等领域有很强的竞争力。TH02157153998产品广泛应用在通信、电脑、消费类电子及网络产品、仪器仪表、工控系统、安防产品、电源供应器等产品上积极面对市场及客户的多方位要求,坚持以最好的品牌和最具竞争力的价格销售电子零件,为客户提供多元化的服务,务求充分满足客户的要求致力于成为中国乃至世界最佳元器件供应商之一。
       
首先,音叉晶振向小型化、薄片化和片式化发展的趋势越来越明显。近几年,晶振下游应用终端出现向小型化、轻薄化的发展趋势。作为电子产品的重要元件,石英晶振也必须向小型化、薄片化和片式化发展。例如,iPhone 5厚度仅为7.6毫米,其使用的两颗音叉晶振是高度小型化、薄片化和片式化的高品质产品。从过去的20年中可以看出,晶振产品体积从约150立方毫米缩小到约0.75立方毫米,急剧下降到最初的1/200,小型化在不断进展。而现在越来越高端的数码产品都采用了有源晶振,有源音叉石英晶体振荡器等产品。
       
其次,音叉晶振向更高精度与更高稳定度方向发展,从而演变成为有源晶振产品系列,低功耗也成为音叉晶振重要发展趋势。电子产品如移动终端小型化、薄片化的同时,功能也逐渐增多,导致耗电量急剧增加。然而,自1992年索尼发布锂离子电池至今,电池领域还没有出现全新颠覆式的技术突破。因此,减少硬件能耗成为延长电子设备续航时间的现实选择。作为电子产品的重要元件,音叉晶振也需要向低功耗方向发展。石英晶振逐渐小型化、薄片化和片式化,为其提高精度和稳定度提出更大挑战。在看重小型化,薄片化的基础上,人们更加看重的是焊接方便简单和节省更多的时间.因此,贴片晶振在压电晶体世界中也成为抢手的一部分,只是,在选择贴片晶振代替音叉晶振的时候,我们应当考虑其价格。

3、不通切片方式的频率范围不通。

晶片切割:

晶振中最重要的组成部分为水晶振子,它是由水晶晶体按一定的法则切割而成的,又称晶片.


常用晶片的形状有三种:圆形,方形,SMT专用(方形,但比较小)

晶片的切割可分为AT-CUT,BT-CUT, CT-CUT, DT-CUT, FT-CUT, XT-CUT, YT-CUT,如图7所示.它是以光轴(Z轴)为参考而命名,每种切法对应一个角度.采用何种切法应根据实际情况而定,如对温度特性要求较好则应采用AT-CUT,如果对晶振要求的频率较高时则采用BT-CUT.晶片的切割方式、几何形状、尺寸等决定了晶振的频率


4、音叉结构与其他晶振的尺寸对比


这是本人实际拆开32.768kHz晶体,拍照,给大家看一下,音叉结构。

我们可以看到其与一般晶振的内部结构对比

同时,我们还可以注意一下音叉结构能够实现的频率范围:3–85 kHz;

所以我们的MCU、CPU等高速芯片用的晶体的频率都在1MHz以上,这也就是为什么主晶体的封装与32.768kHz的封装一般都不一样的原因了。

音叉结构已经广泛应用,而如果内部是音叉结构,其外壳往往也就是姚明的形状,瘦长型。而高频的晶体的切割方式,不可能是音叉结构。

本人不是晶体的切割厂家,只是通过逻辑推理和分析,用侦探的方式探究封装差异的原因。有错误之处,望高手和厂家指正。同时提醒各位工程师,不要想当然的选择晶体的封装,设计前最好确认一下。

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