汽车用小型晶振的开发

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2013/10/30

前言

汽车的电装化比如引擎控制、制动控制、转向控制在ADAS(高级驾驶辅助系统)中更加不可或缺,其重要性越来越高。它们都是通过ECU(电控单元)来进行控制的,作为支配其动作的时钟源计时装置是必须的。ECU通过和CAN、FlexRay等车内LAN相连接,需要瞬间传输和处理大量数据,从而需要高品质、高精度的时钟。

村田制作所1995年就已经推出了车载用陶瓷谐振器CERALOCK®CSTCC系列,又在2000年推出了小型的CAN(控制器区域网络)所需的对应窄频率公差的CSTCR、CSTCE系列,被安装于全世界的车载电子设备中。之后推出的高精度的晶振(HCR®),不断满足各种各样对时钟的需求。本文从车载LAN的动向,以及对所使用计时装置的性能需求着眼,介绍村田在时钟产品方面所作的努力。

车载LAN的技术动向

现在的车载ECU间的通信中最常用的CAN是经ISO11898和ISO11519-2认证的通信规格,最大通信速度可达1Mbps。这里所使用的时钟设备的精度是由可达到ECU间的通信标准的配备条件来决定的,一般来说±3,000ppm精度的话是不会产生使用上的问题。

另外,FlexRay通信速度最大可提高到10Mbps,并且还能实现X-by-Wire的实时控制,是一种可用于转向和刹车、悬挂等控制中的通信方式。和CAN相比的话由于其通信速度加快了,所以要求精度必须在±500ppm以内。

作为最近的热门话题,车载Ethernet的讨论正在进行中。Ethernet是一种通过IEEE802.3标准化的通信方式,主要在OA设备等中被运用于100BASE-T等。将其导入汽车LAN,可应用于情报系统、相机的图像信号传输等。这里的通信用时钟设备也起着重要作用,需要数百ppm的精度。

像这样通过CAN来普及的车载LAN需要大容量高精度的通信,与此同时时钟设备也需要高精度。

车载用时钟设备的技术动向

车载用晶振从插脚型产品向8045→5032→3225和小型化转变。这是由于晶体产品整体的包装都在往小型化方向转变,加上汽车特殊的高温动作(+150℃)的要求,对提高焊接裂纹耐性等的要求也提高了。特别是为了提高ECU的处理性能,动作频率趋于高频化,可以预见小型化的需求将更加激烈。车载用电子元器件中:
• 广范围的动作温度(-40~+125℃、根据场合不同也可达到+150℃)
• AEC-Q200所代表的高信赖性
• 零缺陷等品质面的高要求

村田制作所已将满足这些要求的车载用晶振(HCR®)产品化。HCR®是以CERALOCK®的包装为基本构造,在内部安装了晶片的新产品,满足了CERALOCK®所达不到的高频率、高精度的要求。主要特征是:
• 彻底防止灰尘颗粒的制造工艺
• 焊接裂纹耐性提高的产品设计
• 实现了和现有的大尺寸晶体同等特性的小型尺寸

晶振有时会因为灰尘而发生不振动的慢性不良,所以零缺陷成为了重点。我公司从生产线的构造阶段开始,以不产生灰尘,并通过去除检查确立了独有的灰尘排除技术。焊接裂纹通过电路板电极尺寸的最优设计,达到热冲击在3000周期时裂纹进展率也能控制在50%以下。包装采用的是CERALOCK®常年实践下来的独特的非密封包装“cap chip”的构造。这是一种采用在陶瓷平板上将金属帽用树脂密封的简单构造,可以最大限度利用基板面积,使产品尺寸的比例足以安装大型的晶片,在实现低ESR的同时,兼备高经济性。

车载用小型晶振(HCR®)的产品规格

车载HCR®「XRCHA-F-A」系列的产品外观如图1所示,产品规格如图2所示。车载用晶体时钟的需求很多,从16MHz到24MHz都有相应产品。采用的尺寸是2.5×2.0mm,和同一频带的传统晶体相比体积减少了37%。此外,原来的晶振使用的是玻璃密封和熔接的是密封性的封装,HCR®如上所述,是在平板上用金属帽这种简单的构造,既经济又同时实现了高品质的晶振。主要面向ECU、ABS、EPS、车身ECU等,标准的高精度化车载ECU的应用。工作温度范围是-40~+125℃,但是也可以被应用在+150℃的环境。



课题和今后的展望

纵观自动控制技术,不仅高精度高性能的ECU间通信,今后还将进一步和各种各样的传感器节点、外部通信情报连接。另一方面,追求速度和效率的车载用时钟装置的小型化、高精度、高信赖性包括成本都将根据顾客的需求进行开发和产品化。村田制作所在2013年8月把东京电波有限公司变成了村田的子公司。她将作为同时拥有陶瓷和水晶两大材料的综合时钟设备制造商去创造新的价值,最大程度提高客户满意度。
关于村田

株式会社村田制作所是一家进行基于陶瓷的无源电子元件与解决方案、通信模块和电源模块之设计、制造与销售的全球领先企业。村田致力于开发先进的电子材料以及领先的多功能和高密度模块。公司的员工和制造基地遍布世界各地。