晶振器件電路部分的失效分析研究

田永盛，杜良楨

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

石英晶體振蕩器是單板的心臟，卻也是質(zhì)量問(wèn)題的大戶。業(yè)界對(duì)晶振器件失效分析的研究，往往僅局限于諧振器、工藝等方面，對(duì)其內(nèi)部電路部分的失效研究則相對(duì)較少。本文是作者在晶振器件電路失效分析方面的一點(diǎn)體會(huì)，希望能夠拋磚引玉，幫助大家提升對(duì)晶振器件的認(rèn)識(shí)。

2 石英晶體振蕩器的電路結(jié)構(gòu)

由于器件體積的原因，石英晶體振蕩器的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它電子產(chǎn)品較簡(jiǎn)單，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為振蕩電路、整形放大電路、壓控電路（壓控晶振專有）、溫補(bǔ)電路（溫補(bǔ)晶振專有）、恒溫電路（恒溫電路專有）、頻率選擇電路和AGC電路幾部分。以下就逐一對(duì)上述電路進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

圖1 晶振器件的電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 振蕩電路

振蕩電路是石英晶體振蕩器的核心，文獻(xiàn)中提到的振蕩電路的拓?fù)浞绞娇偣灿?種，其中并聯(lián)晶體振蕩器5種（分別為皮爾斯電路、柯?tīng)柶テ濍娐贰⒖死针娐?、密勒電路和c-e電路），串聯(lián)晶體振蕩器2種（巴特勒電路、希格勒電路）和門(mén)振蕩器電路（可接為并聯(lián)晶體振蕩器，也可接為串聯(lián)晶體振蕩器）。事實(shí)上，只要振蕩電路中三極管的CE極間和BE極間的器件是同性的（同是感性或同是容性），振蕩電路即可滿足振蕩條件，可以起振。

在普通的晶體振蕩器（SPXO）中，基本上都是采用了門(mén)振蕩器的方式，其電路部分被集成在一片IC之中，由于國(guó)內(nèi)對(duì)于IC芯片的研究手段尚不完善，在業(yè)界，此類形式的電路失效分析尚處在摸索階段，比較常用的分析方式有：1）測(cè)試IC的負(fù)阻值是否比諧振器的諧振阻抗大3倍以上；2）采用DPA分析，檢測(cè)鏡檢芯片有無(wú)過(guò)電、靜電擊傷和破損等。

在對(duì)指標(biāo)要求較嚴(yán)的晶體振蕩器中，無(wú)一例外地采用了皮爾斯電路，這是因?yàn)樵趲追N拓?fù)浞绞街?，皮爾斯電路的在線Q值最高，而且決定其靜態(tài)工作點(diǎn)的器件，不會(huì)對(duì)電路的動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，其唯一的缺點(diǎn)就是內(nèi)部的諧振器不接地，致使頻率微調(diào)電容無(wú)一端接地，安裝和使用時(shí)有些不方便，但瑕不掩瑜，此電路一直是工業(yè)級(jí)石英晶體振蕩器設(shè)計(jì)時(shí)的首選。

圖2 皮爾斯振蕩器電路拓?fù)?/p>

2.2 整形放大電路

由于振蕩電路產(chǎn)生的波形都是幅度比較小的正弦波，而振蕩器的輸出波形往往要求的是方形，所以在振蕩器的輸出端，都需要一個(gè)整形放大電路，將正弦波整形成方波，并將振蕩的幅度放大至要求的電平。

這一部分的電路，基本上都是使用一個(gè)比較器電路。比較器的負(fù)輸入端設(shè)定為一個(gè)固定電壓值，也有的芯片將比較器的負(fù)輸入端內(nèi)置，并接于一個(gè)電壓基準(zhǔn)，而比較器的正輸入端通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電容接到振蕩電路的輸出，通過(guò)比較器對(duì)電平的比較，將正弦波整形放大為所需的方波。

2.3 壓控和溫補(bǔ)電路

這兩部分電路實(shí)現(xiàn)的功能不同，但電路實(shí)現(xiàn)的原理卻是相似的，都是通過(guò)改變變?nèi)荻O管兩端的電壓，繼而改變變?nèi)荻O管的電容值，最終達(dá)到控制振蕩器的輸出頻率的目的。壓控晶振是通過(guò)直接改變壓控端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模擬溫補(bǔ)晶振是通過(guò)電路中的熱敏電阻隨溫度變化使其自身的電阻值發(fā)生變化，繼而改變加在變?nèi)荻O管兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的；數(shù)字溫補(bǔ)晶振是通過(guò)單片機(jī)對(duì)環(huán)境溫度采樣，繼而改變加在變?nèi)荻O管上的單片機(jī)的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

典型的壓控晶振電路如圖3所示：

圖3 典型的壓控晶振電路

2.4 恒溫電路

為了讓諧振器工作在其溫度頻率曲線的拐點(diǎn)上，恒溫晶振必須要有恒溫電路，其工作原理是，當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，恒溫電路通過(guò)監(jiān)控?zé)崦綦娮鑳啥说碾妷鹤兓?，修正加熱諧振器的功率管（可能為晶體管或MOSFET）上的功耗，實(shí)現(xiàn)恒定諧振器溫度的目的，以減小溫度對(duì)頻率的影響。

溫控電路一般分為三部分：

1）由熱敏電阻充當(dāng)探測(cè)器，探測(cè)晶體溫度以及晶振內(nèi)部環(huán)境溫度；

2）由功率管及附屬電路構(gòu)成的加熱電路，對(duì)晶體進(jìn)行加熱；

3）由運(yùn)放、三極管及附屬電路等構(gòu)成的控制、保護(hù)電路，對(duì)加熱電流進(jìn)行控制。

使用AT切晶體設(shè)計(jì)的恒溫晶振，內(nèi)部恒溫點(diǎn)溫度一般控制在AT切晶體的高溫度拐點(diǎn)處，約為70～80℃；使用SC切晶體設(shè)計(jì)的恒溫晶振，內(nèi)部恒溫點(diǎn)溫度一般控制在SC切晶體的低溫度拐點(diǎn)處，約為75～85℃。

2.5 頻率選擇電路和A.G.C電路

SC切諧振器的頻譜比較復(fù)雜，它除了有單轉(zhuǎn)角切型的頻譜之外，還存在A、B、C 3種振動(dòng)模式。被采用的僅是具有零溫度系數(shù)點(diǎn)的C振動(dòng)模式。其它不需要的振動(dòng)模式必須加以抑制。它的B模振動(dòng)要重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)锽模的振蕩頻率只比C模高9.4%，而且其等效串聯(lián)電阻和C模相當(dāng)，有時(shí)甚至比C模電阻還小。另外，有些晶體振蕩器，需要諧振器工作在泛音工作模式下，有些晶體振蕩器，需要對(duì)諧波加以抑制，以上種種情況，都需要在電路中設(shè)計(jì)頻率選擇電路。

頻率選擇電路的工作原理一般為：對(duì)于需要抑制的振動(dòng)模式，通過(guò)頻率選擇電路來(lái)破壞振蕩器的相位平衡條件；對(duì)于需要的振動(dòng)模式，則通過(guò)頻率選擇電路來(lái)滿足相位平衡條件，振蕩器可以起振。

在長(zhǎng)期使用后，頻率選擇電路中的電容和電感的參數(shù)可能會(huì)發(fā)生一些漂移；在測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)有些電容或電感的參數(shù)對(duì)某些外界條件是敏感的。如果構(gòu)成頻率選擇電路的某個(gè)器件的參數(shù)發(fā)生變化，則整個(gè)振蕩器的在線Q值會(huì)急劇地下降，導(dǎo)致振蕩器的頻率發(fā)生突變甚至停振。對(duì)于器件參數(shù)的漂移，只能通過(guò)對(duì)器件的嚴(yán)格篩選來(lái)控制，對(duì)于因溫度、電壓等外界原因而導(dǎo)致的器件參數(shù)短期變化，可以通過(guò)配置A.G.C（自動(dòng)增益控制）電路來(lái)修正。值得一提的是，器件中配置有A.G.C電路的供應(yīng)商少而又少。

3 石英晶體振蕩器電路的分析方法及典型失效案例

拿到一個(gè)失效的晶振器件，首先要對(duì)器件的基本電性能進(jìn)行分析，以確定失效器件的失效模式，要特別關(guān)注各引腳間的IV特性，并將其與好器件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。分析器件的電路，必須要對(duì)器件進(jìn)行物理開(kāi)封。為避免開(kāi)封后器件的性能發(fā)生變化，一定要在開(kāi)封前將所有可能收集到的信息收集齊，如外觀圖片、輸出波形、穩(wěn)態(tài)工作電流、輸出頻率和引腳間的IV特性，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)初步判定可能的失效原因。

開(kāi)封后，首先要用S&A 250B判定諧振器是否有故障，需要注意的是，對(duì)于恒溫晶振中采用的諧振器，其外殼往往被焊到了PCB上，如果直接加熱將諧振器拆下，可能會(huì)損壞諧振器，這時(shí)可以將諧振器的管腳與PCB分開(kāi)，將諧振器的管腳延長(zhǎng)，再對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。對(duì)諧振器進(jìn)行操作時(shí)，一定要保證可以將諧振器復(fù)原到原電路中，這樣可以保證如果諧振器沒(méi)有問(wèn)題的話，可以繼續(xù)進(jìn)行正常分析?，F(xiàn)在大多數(shù)的貼片式普通晶振都在側(cè)端設(shè)置了測(cè)試點(diǎn)，不用對(duì)振蕩器開(kāi)封即可直接測(cè)試諧振器的性能，非常方便。

分析諧振器后，就要去尋找振蕩電路中的三極管，皮爾斯電路中的三極管的基極和集電極之間會(huì)接有一個(gè)電容，可以通過(guò)這個(gè)特性來(lái)尋找這個(gè)三極管。然后先使用示波器探測(cè)振蕩器在動(dòng)態(tài)工作時(shí)的波形，并將諧振器斷開(kāi)，測(cè)試振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)，并將這些數(shù)據(jù)與正常器件的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以判定振蕩電路是否發(fā)生故障，進(jìn)而判定是控制靜態(tài)工作點(diǎn)的電路發(fā)生故障，還是動(dòng)態(tài)振蕩電路發(fā)生故障。

如果整形放大電路出現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象一般為無(wú)輸出、輸出異常以及輸出波形幅度小等。當(dāng)懷疑整形放大電路工作異常時(shí)，可先將諧振器斷開(kāi)，然后測(cè)試整形放大電路中比較器的輸入端，如無(wú)異常，再測(cè)試振蕩器的輸出對(duì)地的IV特性或電阻值。如比較器的輸入電平異常，則為控制整形放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的電路發(fā)生故障；如振蕩器的輸出對(duì)地的IV特性或電阻值異常，則通常為振蕩器輸出端過(guò)電導(dǎo)致的比較器芯片損傷。

恒溫電路的故障判定比較容易，可以通過(guò)觸摸器件的表面溫度等方式來(lái)判定，如果加電幾分鐘后，恒溫晶振沒(méi)有明顯的溫升；或者加電后，恒溫晶振的電流沒(méi)有大幅度變化的過(guò)程，就可判定恒溫電路失效。對(duì)于此類失效，可先判定加熱管是否已損壞，繼而對(duì)熱敏電阻、運(yùn)算放大器等器件進(jìn)行分析。此類失效的案例較少，本文就不再累述。

以下通過(guò)幾個(gè)案例來(lái)敘述具體的分析過(guò)程。

3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)異常的案例

電路參見(jiàn)圖4。此失效品，經(jīng)分析確認(rèn)失效模式為無(wú)輸出，將器件開(kāi)封后，測(cè)試諧振器工作正常，然后測(cè)試皮爾斯電路中三極管的3個(gè)極的波形，發(fā)現(xiàn)振蕩電路不起振，且失效品的靜態(tài)工作點(diǎn)與良品的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)有差別，可確認(rèn)為確定靜態(tài)工作點(diǎn)的電路失效，繼而判定出圖中橢圓圈內(nèi)的1 K電阻硫化，阻值變大，導(dǎo)致器件失效。

圖4 某19.44 M溫補(bǔ)晶振的電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 動(dòng)態(tài)振蕩電路失效的案例

送檢失效樣品的失效模式是無(wú)輸出或輸出異常。

電路參見(jiàn)圖5。對(duì)失效樣品開(kāi)封進(jìn)行電路分析，發(fā)現(xiàn)皮爾斯電路的靜態(tài)工作點(diǎn)正常，比較器的輸入電平正常，初步懷疑為電路的動(dòng)態(tài)振蕩電路異常，對(duì)影響電路的動(dòng)態(tài)狀態(tài)的器件逐一檢查，發(fā)現(xiàn)橢圓圈內(nèi)的電感斷路，在X-ray下可以清楚地看到電感線圈與焊盤(pán)的斷開(kāi)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，推測(cè)失效原因?yàn)椋涸诤附舆^(guò)程中，電感的線圈接頭從其焊盤(pán)上脫落。

3.3 壓控端失效的案例

此失效器件在應(yīng)用電路上的失效現(xiàn)象是失鎖。影響鎖相的晶體振蕩器參數(shù)有：壓控端阻抗、壓控線性度和牽引范圍，所以本次分析主要從這三個(gè)方面著手。

電路參見(jiàn)圖6。經(jīng)測(cè)試，器件的失效現(xiàn)象為器件輸出頻偏，壓控端失效或牽引范圍很小，壓控端阻抗不為∞（由電路圖可知壓控端阻抗的理論值應(yīng)為∞）。但失效樣品在開(kāi)封后，電參數(shù)均恢復(fù)正?；蚪咏?。對(duì)樣品的諧振器引腳的焊盤(pán)區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡分析，在其焊盤(pán)外側(cè)發(fā)現(xiàn)了大量的Sn成分。由于PCB邊緣的這些Sn成分的存在，使得本來(lái)應(yīng)該絕緣的A點(diǎn)，對(duì)地出現(xiàn)了一個(gè)電容和一個(gè)幾兆歐的電阻；由于這個(gè)電阻的存在，壓控電壓從直接加到壓控二極管，變成了6.8 M電阻和RGND電阻分壓后再加到變?nèi)荻O管上；由于這個(gè)電容的存在，使得輸出頻率隨壓控電壓變化而變化的速度變得很緩慢。當(dāng)器件加了外殼后

由于外殼的存在，縮短了A點(diǎn)對(duì)地的直線距離

使得這個(gè)幾十兆歐的電阻變成了幾個(gè)兆歐，大大降低了加到變?nèi)荻O管上的電壓，使得器件的壓控范圍變得很狹窄，并且輸出頻率接近于當(dāng)壓控電壓為0 V時(shí)的輸出。

3.4 整形放大電路失效的案例

送檢的失效樣品，一個(gè)為無(wú)輸出，一個(gè)為輸出波形異常，一個(gè)樣品的輸出波形的高電平偏低。

對(duì)樣品管腳間的IV特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)良品的輸出端對(duì)地的電阻應(yīng)為∞而3個(gè)失效品的輸出端對(duì)地電阻均不正常，分別為10.6 Ω，15.03 kΩ和63.5 Ω。將樣品開(kāi)封后，測(cè)試皮爾斯電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)均正常。因振蕩器的輸出端對(duì)地的電阻偏小所以初步懷疑為整形放大電路中的比較器芯片出現(xiàn)故障，用好的比較器芯片更換失效品中的對(duì)應(yīng)器件，此3個(gè)失效品均恢復(fù)正常。對(duì)失效的比較器芯片進(jìn)行分析，在其芯片內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)過(guò)電的痕跡。可知此器件的失效原因的是由于振蕩器輸出端過(guò)電導(dǎo)致比較器芯片受損而產(chǎn)生的器件失效。

圖7 失效品的輸出波形

圖8 受損的比較器芯片開(kāi)封鏡檢照片

4 結(jié)束語(yǔ)

石英晶體振蕩器的失效模式有很多，由于振蕩器失效而導(dǎo)致的應(yīng)用電路失效的表現(xiàn)形式更是五花八門(mén)，但只要對(duì)石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)和原理有了較深入的了解，相信就不難確定真正的失效機(jī)理。

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