时间：2022-05-21 03:53:43
【摘要】本文主要介绍了高可靠性宽温晶体滤波器的结构及工艺设计。通过内部结构简化设计、环境防护设计和元器件、零部件的选择与控制等方面进行可靠性设计，使其能在恶劣环境条件下不失效能够正常工作。
【关键词】高可靠;宽温度范围;可靠性设计;晶体滤波器
随着晶体滤波器的广泛应用，对器件的性能指标和抗恶劣环境的能力也提出了更高的要求，尤其是航天航空等事实领域更是严格。晶体滤波器在接收机中起着信号选择作用，是一种频率控制器件。
为满足用户环境适应性和其它特殊高可靠的要求，我们研制了一种高可靠宽温晶体滤波器。
1.技术指标
标称频率：28.012MHz，3dB宽度：32kHz±2kHz，带内波动：≤1.0dB，矩形系数：BW70dB/BW3dB≤2.5，插入损耗：≤4dB，寄生抑制：≥60dB，阻带衰耗：≥80dB，外形尺寸：25mm×20mm×9mm，工作温度范围：-55℃～105℃。
环境要求：盐雾、机械冲击、挂机振动、自主飞行振动和室温下贮存寿命，是可靠性重点攻关项目，为确保产品性能稳定可靠，根据可靠性设计准则内容要求进行可靠性设计和预计。
2.设计及方案确定
2.1 电路设计
该滤波器的主要指标通带宽度为32kHz ±2kHz，相对带宽为1.1‰。根据单片晶体滤波器最大带宽分析，这一指标用窄带单片晶体滤波器可以实现，又因为单片晶体滤波器具有体积小，所需元件少，可靠性高等优点，是分立式晶体滤波器无法比拟的。该滤波器要求阻带衰减大于75dB，矩形系数小于2.5，从契比雪夫滤波器特性图上直接查出n=8可满足上述要求。因此选用八极点单片晶体滤波电路，如图1所示。
图1 电路图
图2 电极尺寸图
2.2 参数设计
2.2.1 晶片设计
选用Q值大于240万的Z块水晶料。切型和切角为：AT切35o19'±30"。晶片尺寸设计为φ4.5mm的圆形片。
2.2.2 电极尺寸设计
选择单频性较好的Z′方向耦合，形状设计成双面分矩形电极，采用两种电极尺寸，目的是错开寄生峰，如图2所示。
3.可靠性设计
3.1 内部结构简化设计
内部由4只两极点单片晶体滤波器、6只耦合电容和1块印制板组成，采用电阻焊封装形式，晶体焊接时，金属外壳直接与基座相焊接固定，实现大面积接地。使产品具有集成性、稳定性高、可靠性好等特点，如图3所示。
图3 内部结构
3.2 抗盐雾试验的环境防护设计
这项试验对元器件的破坏主要表现为：元器件表面的化学反应方面，即通常说的“腐蚀”。抗盐雾性能低会造成元器件的可焊性变差，还会导致密封不良，造成电性能指标变差。所以在设计金属外壳和基座镀层材料时，选择化学性能稳定的镍，要求镀层的致密度和厚度能够抗盐雾。
3.3 抗机械冲击、挂机振动、自主飞振动试验的环境防护设计
这些试验项目是模拟整机在现场环境下出现的振动、冲击对器件的影响，功率谱密度表示不同频率施加的机械应力。显然这种振动、冲击会使元器件产生因机械缺陷、机械变形等导致的失效模式。如晶片断裂、引线断裂、部件变形等引起的开路、断路、漏气、性能指标变差等，采用可靠性设计防护设计如下：
3.3.1 设计小面积晶片增强抗振性。在石英晶片外形尺寸的设计上，不仅要考虑避开三种寄生耦合振动，而且要考虑其可靠性。我们曾做过试验比较φ4.5和φ5.5两种直径的晶片，在寄生振动和抗振动方面的差别，结果是φ4.5直径的晶片在上述两方面都要优于φ5.5直径的晶片，同时晶片直径小又符合经济性，所以我们选择直径为4.5的晶片设计结构。
3.3.2 采取选择优质的水晶材料和抗机械疲劳的基座、外壳材料。
3.3.3 采用二次封装设计结构，有效保护振子，使产品经过严酷振动、冲击后，振子不出现裂纹、断裂等防护设计。
3.4 室温下贮存寿命的环境防护设计
减小老化率提高产品的长期稳定性，控制产品内部水汽含量小于5000ppm和满足105℃（1000h）的寿命试验，来保证室温下贮存寿命不少于18年要求。
3.5 元器件、零部件的选择与控制
可靠性主要从设计、材料选择、工艺控制、可靠性试验几方面来保证。
该滤波器及构成滤波器的滤波晶体都采用金属外壳、电阻焊封装形式，封装时都在抽真空，冲高纯氮的情况进行，这种二次封装不但保证了产品的密封性，同时使产品的长期频率稳定性得到改善。内部元件用电路板连接，滤波晶体的外壳直接与滤波器基座相焊接固定，实现大面积接地，这样即能提高产品的可靠性又改善了滤波器的阻带衰耗指标。
4.实测数据
项目名称 指标要求 实测结果
标称频率（MHz） 28.012 28.012
通带宽度（kHz） 32±2 32～33.5
通带波动（dB） ≤1.0 0.3～0.6
插入损耗（dB） ≤3.0 1.0～1.2
寄生抑制（dB） ≥60 85～95
矩形系数 ≤2.5 2.0～2.2
5.创新点
5.1 采用二次电阻焊封装形式，具有可靠性高、抗振性强、密封性好的特点。
5.2 采用单片八极点串联电路形式，具有插入损耗小，选择性好的特点;
5.3 优化设计工艺参数，具有在宽温度范围内频率稳定可靠，同时满足贮存寿命18年的要求。
6.结束语
本文论述的可靠性设计是今后电子元器件产品设计中的关键，在性能指标满足使用的同时，也要保证能抗击各种恶劣环境及提高储存寿命的要求。
参考文献
[1]李忠诚.现代晶体滤波器的设计[M].国防工业出版社， 1981.
[2]冯致礼，王之兴.晶体滤波器[M].宇航出版社，1987.
[3]张沛霖，钟维烈.压电材料与器件物理[M].山东科技出版社，1996.
作者简介：于丽莹（1973―），女，辽宁辽阳人，现供职于辽阳鸿宇晶体有限公司，研究方向：石英晶体滤波器设计和开发。