晶振基座(base)为何选择陶瓷(Ceramic)材质?

晶振知识

晶振基座(base)为何选择陶瓷(Ceramic)材质?

(贴片式无源晶振内部结构图)

晶振基座(base)为何选择陶瓷(Ceramic)材质?

答:晶振(晶体谐振器/振荡器)的基座之所以普遍采用陶瓷(通常是氧化铝陶瓷),核心原因在于它必须同时满足高绝缘、高气密、低热膨胀、耐焊接高温这几项苛刻要求,而陶瓷是成本与性能之间最平衡的材料。

具体来说有以下几个关键原因:

1. 极高的绝缘性能

晶振的电极引线必须与金属外壳绝缘。陶瓷(尤其是95%/99%氧化铝)体积电阻率极高,能有效避免引脚间漏电或信号串扰,保证振荡频率稳定。

2. 气密性封装(最关键)

晶振内部的石英晶片对水汽和杂质气体极其敏感。一旦受潮或氧化,频率会漂移、等效电阻增大甚至停振。陶瓷基座可以与金属盖板(柯伐合金/可伐合金)通过平行缝焊或玻璃熔封实现真正的气密密封(漏率可达 10⁻⁹ Pa·m³/s 量级),这是普通塑料基座做不到的。塑料会吸水、放气,无法长期维持内部真空或氮气环境。

3. 热膨胀系数匹配

石英晶片的热膨胀系数很小(约 0.5×10⁻⁶/℃),基座材料必须与之接近,否则温度变化时会产生应力,导致频率漂移。氧化铝陶瓷的热膨胀系数约 6~7×10⁻⁶/℃,虽然比石英大,但远小于塑料和普通金属,且通过结构设计(如弹性导电胶)可以缓冲。更重要的是,它与可伐合金盖板的热膨胀系数接近,封焊后不会因温差开裂漏气。

4. 耐高温与工艺兼容性

陶瓷基座能承受300℃以上的封装工艺温度(如玻璃封接、平行缝焊),也能承受PCB回流焊(260℃峰值)。塑料基座在这种温度下会变形、放气甚至熔化。

5. 低介电损耗与高频特性

氧化铝陶瓷介电常数适中、损耗角正切小,适合高频晶振(如100MHz以上),能减少寄生电容和信号衰减。

6. 机械强度与尺寸稳定性

陶瓷硬度高、刚性大,能支撑内部晶片和电极结构,长期使用不易变形,保证频率长期稳定(老化率低)。

为什么不是其他材料?

塑料:成本低,但气密性差、吸水、放气、耐温差,只用于低端民用(如某些32.768kHz贴片晶振的塑料封装,但寿命和稳定性差)。

金属:绝缘困难,需要额外的玻璃绝缘子,结构复杂、成本高。

玻璃:脆、加工困难,热膨胀系数匹配选择少,多用于小批量或特殊场合。

所以,陶瓷基座本质上是为气密、绝缘、热匹配、耐高温这四个晶振的“生命线”服务的。对于要求频率稳定度在ppm甚至ppb级的晶振,陶瓷基座几乎是唯一现实的选择。

晶诺威科技产贴片式有源晶振内部结构图如下:

晶振基座(base)为何选择陶瓷(Ceramic)材质?

NOTES:

1、Base基座:Ceramic/Al2O3 三氧化二铝

2、Lid上盖:Fe- Ni -Co

3、Kovar合金材质:Fe-Ni-Co

4、Crystal Blank石英晶片:SiO2 二氧化硅

5、Electrode电极:Ag

6、Connective Adhesive导电胶:Ag

7、Bonding Wire导线:Au

8、IC芯片:Silicon/Si, Al

9、Pad引脚:Ni-Plating,Au-Plating

电话:0755-23068369