很多采购和工程都知道，使用的石英晶振是越小越好，而且小封装的MHZ晶振虽然很小，但是稳定性和精度一般会比较高，可以满足中高端产品的需求。贴片晶振实现小型化是经过几十年国内外频率元件工程师们不懈的努力，和不断的研究开发才得到的结果。目前市场上比较常见的SMD型小尺寸有7.0*5.0mm，6.0*3.5mm，5.0*3.2mm，3.2*2.5mm，2.5*2.0mm和2.0*1.6mm等，但这几年已经打破了传统的封装。
最近制造和封装技术的进步使小尺寸的MHz石英晶体可用到1.6mmx1.2mm。通常，较大尺寸的石英晶体可以轻松处理高达1mW的驱动电平。随着石英晶体尺寸的下降，晶体散装材料可以处理越来越少的功率。本文将回顾当今小尺寸石英晶体低驱动水平规格背后的原因，并定量讨论小尺寸石英晶体的老化结果，驱动接近1μmW。
十年前这被认为无法实现。由于符合人体工程学的考虑，智能手机等便携式设备似乎没有变小。但是，越来越多的功能被打包到它们中。便携式设备供应商继续要求越来越小的组件。零部件供应商通过迎接挑战继续重塑自我。通常，较大尺寸的石英晶体可以轻松处理高达1mW的驱动电平。随着石英晶体尺寸的下降，晶体散装材料可以处理越来越少的功率。对于最小尺寸的石英晶体谐振器，供应商通常会指定低至100μW的最大驱动电平，并建议将10μW驱动电平用于正常使用。当询问如果操作驱动水平超过最大驱动水平规格会发生什么时，供应商通常会定性地响应-石英晶体可能看到过度老化，可能会看到频率扰动，并且可能在最严重的情况下破碎。本文将回顾当今小尺寸石英晶体低驱动电平规格背后的原因，并定量讨论2.5mmx2.0mm基本20MHz石英晶体驱动接近1mW的老化结果。
小尺寸的石英晶体：
由于目前小尺寸石英晶体仍采用“单一”方法制造（与CSP和WLP方法形成对比），最小的预制-SPAWDA，深圳，2011年市场上的石英晶体不是必需的最高的体积和最具成本效益。小尺寸密封石英晶体通常由三个关键部件组成-高温共烧陶瓷（HTCC）基座，镀镍可伐合金金属盖和石英晶体。石英晶体供应商通常以片阵列的形式接收陶瓷基底。供应商在清洁过程后将阵列分成单独的基底，然后通过单一方法进行剩余的晶振生产。大批量出货的最小石英晶体为1.6mmx1.2mm（1612）（图1）。最有能力的供应商准备采样1.2mmx1.0mm（1210）。1.0mmx0.8mm（1008）也正在计划中。

图1-1.6mmx1.2mm石英晶体来自TXC公司

表1列出了目前六个不同供应商提供的最小的石英晶体。一个值得注意的经验法则是，随着尺寸变小，在较低频率下维持低情感电阻（Rm）变得更加困难[2]。这促使一些供应商使用不同切割的Lamé模式（与AT切割的厚度-剪切模式相反）石英晶体在一些特殊应用中以3.5mmx2.5mm（3225）封装实现4MHz。

表1来自六个不同供应商的小尺寸石英晶体（公共领域信息）

另一个经验法则是供应商指定较低的最大驱动水平，因为石英晶体变小。早期评论的作者之一，“......在许多应用中，设计师通常更喜欢在产品开发和产品生命的早期阶段使用晶体振荡器。当产品得到广泛认可时，设计师倾向于转而使用石英晶体作为降低成本的一部分......“节省成本对设计师来说很有吸引力。然而，设计人员不得不努力指定具有正确负载电容，最大Rm，正确频率设置容差（ppm）等的石英水晶振子，以确保其自身电路中的正常振荡。保持足够大的负阻抗Rm比（通常>5）并在规定的最大驱动电平内驱动晶体是正常振荡的重要因素。
驱动水平：
图2描绘了典型的皮尔斯振荡电路，其中晶体以其并联谐振（fp）驱动。Rf是反馈电阻，其通常嵌入在振荡器电路（片内）内，以便为反相放大器提供DC偏置。对于基频MHz石英晶体振荡，Rf约为1MΩ。Rd是控制电阻，可以在芯片外实现以限制流入石英晶体的电流并调节振荡电路的可用负电阻。它的值可以是几Ω到kΩ的任何值。

图2典型的皮尔斯振荡器电路

提供与石英晶体的组合负载电容（CL）。石英晶体消耗的功率Pc可近似为[5]-

V是振荡器驱动电压。Ce等于Co+CL，其中Co是石英晶体的静电容。以2.5mmx2.0mm12MHz石英晶体为例，Co为0.6pF，CL为12pF，Rm为90Ω，驱动电压为1.8V，耗散功率约为120μW。注意，在存在Rd的情况下，石英晶体上的实际电压不再等于振荡器驱动电压。如前一节所述，随着石英晶体变小，供应商指定较低的最大驱动电平。物理推理很清楚，因为较小尺寸的石英晶体消耗能量的可用材料较少。它也可以从Eq。1较高的Rm消耗更多的功率，这是较小的石英晶体的典型特征。设计人员熟悉频移与CL（可拉性）的一般趋势，如图所示
我们在图中包括改变控制电阻Rd的值的效果。已知更改CL会更改驱动器级别（如公式1所示）。它当然也改变了振荡电路可用的负电阻。图4和图5组合了这些变化，并改变了Rd值。如今，许多SMD晶振供应商为客户提供振荡电路和石英晶体匹配的免费电路分析服务，从而限制功率驱动到不断减小尺寸的石英晶体并保持足够大的负阻抗Rm比。

图3.具有不同Rd的频率与负载上限

图4.驱动电平与负载电容的变化路径

图5.具有不同Rd的负阻与负载上限

过度驱动的石英晶体的老化：
即使有了早期规划，一些客户偶尔会发现他们在产品开发即将结束时过度驱动石英晶体。到那时，电路板设计是固定的，客户不再能够调整CL，调整（或添加）Rd，或改为更大尺寸的石英晶振。如引言部分所述，已知石英晶体在高驱动下老化得更快。然而，作者并未发现任何已发表的高驱动小尺寸石英晶体老化数据。我们这里的研究是在2.5mmx2.0mm20MHz的银电极石英晶体上，典型的Co为0.64pF，CL为16pF，Cl（运动电容）为1.95fF，Rm为~25。最大驱动电平规格为100μW。频率规格在25±3ºC时＜±7ppm，在-20至70ºC时＜±10ppm，在第一年老化时＜±3ppm。石英晶体经过了常规的可靠性鉴定，包括在85ºC下加速老化测试（100μW耗散）1000小时。在测试结束时，石英晶体的漂移小于1ppm。相同的石英晶体的两组（每组六个器件）分别使用具有C1=C2=15pF的7400IC在650μW和950μW耗散下进行相同的加速老化测试。第一组在85℃下老化至1,000小时（图6）。第二组在85℃下老化至1,500小时（图7）。

图6.650μW耗散时的加速老化试验

图7.950μW耗散时的加速老化试验

第一组石英晶体在1000小时后老化2至3ppm。第二组在1,000小时后老化3至5ppm，在1,500小时达到3.5至6ppm。第二套也开始在~1,100小时出现稳定迹象。对于所有12个石英晶体，没有观察到Rm的显着增加。由于石英晶体在25ºC的温度范围内总共具有±17ppm的频率容差，并且在整个工作温度范围内，并且预计Oscillator不会在85ºC连续运行，因此客户可能对频率漂移和振荡器没有任何问题。即使它们在规格上推动这种特定的石英晶体方式，对Rm比率的负阻力也是如此。
小尺寸（2.5mmx2.0mm）20MHz石英晶体，最大驱动电平为100μW，在650μW耗散时加速老化至85ºC至1,000小时，在950μW耗散时加速至1500小时。正如预期的那样，在高频驱动下观察到频率高于正常漂移（在这种情况下为向下）。尽管观察到石英晶体的运动阻力和nocatastrophic失败（晶体破裂或破碎）没有显着增加。这种特殊的石英晶体的结果令人鼓舞。然而，作者打算仅提出高驱动老化结果，他们确实推动石英晶体超出供应商规定的最大驱动水平，因为还存在其他问题，例如在高驱动下出现可能的活动倾角，噪声增加等等。正在计划对最小贴片晶振进行更系统，更全面的研究。
过度的驱动也会影响石英晶体或振荡器的寿命和工作效应，MHZ石英晶振常用的激励功率通过是10μW~100μW，而32.768K晶振则可以低至0.5μW~1μW，在这些范围内都不算过度驱动，性能会比较稳定。

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