揭開Vectron低噪聲,抖動混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
來源：http://www.mingdakt.cn 作者：康華爾電子 2020年03月31
揭開Vectron低噪聲,抖動混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
美國VECTRON晶振公司是專業(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,因為它同時具體頻率振蕩和過濾雜波的功能特性.很多人認(rèn)為它不屬于晶振,也有人覺得它是振蕩器的一種.EX-380系列是Vectron公司自己開發(fā)的一款抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器,行業(yè)簡稱是EMXO,它與SAW并沒有什么關(guān)系,但在本文章中都會為大家解釋.
當(dāng)頻率與溫度的要求過于嚴(yán)格而基本的XO(晶體振蕩器)或TCXO(溫度補償晶體振蕩器)無法滿足要求時,則使用OCXO(烤箱控制晶體振蕩器).使用OCXO時,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,開環(huán)增益不是無限的,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,而價格卻很高.例如,OCXO功耗會增加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晶振公司專門開發(fā)了EX-380系列EMXO(抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器)以實現(xiàn)OCXO性能,同時顯著降低了功耗并減小了封裝尺寸(見圖1).
圖1:EX-380功能框圖
這些特性齊頭并進(jìn),因為減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放式晶體毛坯的方法并使其實用化.成功解決了可能會降低性能的排氣和污染問題,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放的(未裝箱的)晶體毛坯,并確保出色的長期晶體老化.
該封裝的主要設(shè)計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,而沒有增加密封過程中的熱量.在通過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)果是一個密封的外殼,沒有焊縫飛濺,灰塵和蒸汽的污染.而且,最重要的是,冷焊密封外殼可實現(xiàn)很高的真空完整性.
在機械上,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傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱能損失.另外,整個組件在10-6托的壓力水平下通過真空與外殼熱絕緣.基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計算,該封裝設(shè)計產(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,每個沉積層都經(jīng)過三個不同的處理階段-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源組件安裝在基板上,然后將其移動到對流烤箱中進(jìn)行固化.在固化過程之后,將雜種清洗,以去除有機和非有機污染物.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,并通過蒸發(fā)過程將其調(diào)諧到所需的標(biāo)稱頻率,典型精度為1ppm.然后將單元冷焊密封.烤箱本身通過直接施加到導(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.僅使用一個基板,并且所有元件都被加熱.該振蕩器本質(zhì)上是CMOS門型,帶有一個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EX-380系列將在惡劣的機械環(huán)境中對電氣性能同樣重要的應(yīng)用中找到應(yīng)用.
因此,EX-380系列的另一個重點是提供堅固的結(jié)構(gòu)以承受高沖擊和振動并產(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,由于晶體毛坯上應(yīng)力的變化,頻率變化很小(通常不超過10-9的幾分之一,旋轉(zhuǎn)90度).由對晶體載體的引力作用產(chǎn)生.該特性被稱為“傾翻”,以10-9/g表示,其中一格表示180度方向變化的一半.為了使這種變化對晶體載體的影響最小.這種特性稱為“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在沖擊和振動下的性能,將晶體毛坯安裝在對稱的安裝結(jié)構(gòu)中,而不是傳統(tǒng)的2或3點.
這有助于實現(xiàn)較高的沖擊和振動承受能力,低g敏感度性能以及對稱的熱傳遞.同樣,當(dāng)晶體振蕩器工作并受到振動時,會產(chǎn)生寄生頻率,該寄生頻率會因振蕩頻率而偏離振蕩頻率.這些通常稱為“振動引起的邊帶”,這些邊帶的行為類似于相位噪聲.這些雜散輸出的幅度與振動幅度,晶體支架的機械設(shè)計以及振蕩器組件的機械設(shè)計(包括晶體安裝)有關(guān).這里對稱的晶體安裝結(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.即使許多類型的雙向旋轉(zhuǎn)晶體在振動下產(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械設(shè)計,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際測試數(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,無線通信設(shè)備以及軍用機載和移動系統(tǒng).
揭開Vectron低噪聲,抖動混合烘箱SAW振蕩器生產(chǎn)技術(shù)
美國VECTRON晶振公司是專業(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,因為它同時具體頻率振蕩和過濾雜波的功能特性.很多人認(rèn)為它不屬于晶振,也有人覺得它是振蕩器的一種.EX-380系列是Vectron公司自己開發(fā)的一款抽空式微型烤箱控制晶體振蕩器,行業(yè)簡稱是EMXO,它與SAW并沒有什么關(guān)系,但在本文章中都會為大家解釋.
當(dāng)頻率與溫度的要求過于嚴(yán)格而基本的XO(晶體振蕩器)或TCXO(溫度補償晶體振蕩器)無法滿足要求時,則使用OCXO(烤箱控制晶體振蕩器).使用OCXO時,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,開環(huán)增益不是無限的,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,而價格卻很高.例如,OCXO功耗會增加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,而沒有增加密封過程中的熱量.在通過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)果是一個密封的外殼,沒有焊縫飛濺,灰塵和蒸汽的污染.而且,最重要的是,冷焊密封外殼可實現(xiàn)很高的真空完整性.
在機械上,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傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱能損失.另外,整個組件在10-6托的壓力水平下通過真空與外殼熱絕緣.基于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱計算,該封裝設(shè)計產(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EX-380系列將在惡劣的機械環(huán)境中對電氣性能同樣重要的應(yīng)用中找到應(yīng)用.
因此,EX-380系列的另一個重點是提供堅固的結(jié)構(gòu)以承受高沖擊和振動并產(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,由于晶體毛坯上應(yīng)力的變化,頻率變化很小(通常不超過10-9的幾分之一,旋轉(zhuǎn)90度).由對晶體載體的引力作用產(chǎn)生.該特性被稱為“傾翻”,以10-9/g表示,其中一格表示180度方向變化的一半.為了使這種變化對晶體載體的影響最小.這種特性稱為“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在沖擊和振動下的性能,將晶體毛坯安裝在對稱的安裝結(jié)構(gòu)中,而不是傳統(tǒng)的2或3點.
這有助于實現(xiàn)較高的沖擊和振動承受能力,低g敏感度性能以及對稱的熱傳遞.同樣,當(dāng)晶體振蕩器工作并受到振動時,會產(chǎn)生寄生頻率,該寄生頻率會因振蕩頻率而偏離振蕩頻率.這些通常稱為“振動引起的邊帶”,這些邊帶的行為類似于相位噪聲.這些雜散輸出的幅度與振動幅度,晶體支架的機械設(shè)計以及振蕩器組件的機械設(shè)計(包括晶體安裝)有關(guān).這里對稱的晶體安裝結(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.即使許多類型的雙向旋轉(zhuǎn)晶體在振動下產(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械設(shè)計,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際測試數(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℃.這種性能是通過應(yīng)用新的諧振器設(shè)計概念和技術(shù)突破來實現(xiàn)的.EMXO彌補了目前大型,高精度OCXO和較小的TCXO之間的差距,并成為需要光譜純度,短期和長期穩(wěn)定性以及小尺寸和大幅度降低功耗的最經(jīng)濟的選擇.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,無線通信設(shè)備以及軍用機載和移動系統(tǒng).
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