晶體振蕩器頻率漂移失效分析

楊洋，蔡良續(xù)，路浩天，盧曉青

（中國航空綜合技術研究所， 北京 100028）

晶體振蕩器頻率漂移失效分析

楊洋，蔡良續(xù)，路浩天，盧曉青

（中國航空綜合技術研究所， 北京 100028）

通過對某型晶體振蕩器失效模式進行分析，結合密封性檢查、掃描電子顯微鏡檢查和能譜分析等失效分析試驗結果，對該晶體振蕩器頻率漂移的失效機理進行研究。發(fā)現(xiàn)器件密封性不良是導致器件失效的根本原因，并對器件密封性工藝的優(yōu)化提出建議。

晶體振蕩器；頻率漂移；密封性；失效分析

0 引言

石英晶體振蕩器由振蕩器與振蕩回路構成，簡稱晶振或晶體振蕩器，是一種高精度的振蕩器。控制頻率的振蕩器被稱為石英晶體諧振器，簡稱晶體或晶體諧振器，其基本結構由石英晶片、電極、支架和外殼組成。石英晶片是晶體的核心部分，電極附著在晶片兩面，晶片與支架之間用導電膠粘連[1]。 由 于 晶 體 自 身 的 品 質 因 素 很 高 ， 因 此 其 頻 率 的穩(wěn)定性很高，被廣泛地應用于各類振蕩電路，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設備產生時鐘信號和特定系統(tǒng)提供基準信號。優(yōu)點是體積小、重量輕、壽命長，有極好的短期頻率穩(wěn)定度[2]。 目 前 已 極 其 廣 泛 地 應 用 到 火 箭 、 衛(wèi) 星 、 導彈和飛機等航天航空領域，具體包括航天器系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、地面發(fā)射和控制系統(tǒng)等。

本文通過對某石英晶體振蕩器進行失效分析試驗，得出晶體振蕩器頻率漂移的基本原理。

1 失效分析試驗

1.1 失效情況描述

某石英晶體振蕩器， 經過 3 次回流焊 （260℃， 10 s）試驗、 超聲波清洗、 高溫高濕 （溫度 85℃、 濕度 85%）存儲 1 000 h。 前兩項試驗后進行性能測試，未發(fā)現(xiàn)問題。完成高溫高濕試驗后，進行性能測試， 發(fā)現(xiàn)產品輸出頻率偏離 10 MHz中心頻率-3.1 ppm （合格判據(jù)為-0.5～0.5 ppm）。

1.2 非破壞性檢查

1.2.1 外觀檢查

使用光學顯微鏡，對失效樣品表面進行外部目檢，未發(fā)現(xiàn)樣品表面有明顯的缺陷，其外觀形貌如圖1所示。

圖1 失效樣品的典型形貌照片

1.2.2 X 射線檢查

使用X射線三維CT系統(tǒng)對失效樣品進行X射線檢查。未發(fā)現(xiàn)明顯的結構異?；驍嗑€缺陷，結果如圖2所示。

圖2 失效樣品X射線照片

1.2.3 高低溫測試

將失效樣品進行常溫 （25 ℃）電測試， 頻偏為-3.1 ppm， 失效現(xiàn)象復現(xiàn)。 將失效樣品和兩只合格樣品進行高低溫測試， 測試溫度從-40～85 ℃，每 10 ℃保溫 20min 采集一次數(shù)據(jù)， 測試合格判據(jù)為-3～3 ppm， 測試結果如圖3 所示。 經測試發(fā)現(xiàn)，合格樣品在整個測試過程中，頻率比較穩(wěn)定，而失效樣品在低溫條件下頻率會出現(xiàn)明顯的漂移突變，最大偏移值為-5.9 ppm。 器件內部水汽含量較高時 ， 在 低 溫 條 件 下 出 現(xiàn) 凝 露 現(xiàn) 象[3-4]， 導 致 晶 體 頻率漂移，試驗結果與該現(xiàn)象相符，由此判斷失效器件可能存在內部水汽含量超標。

圖3 頻率-溫度曲線圖

1.2.4 掃描電子顯微鏡檢查

使用掃描電子顯微鏡 （SEM）對樣品進行外部觀察和拍照。發(fā)現(xiàn)在失效樣品的頂部封蓋焊縫，存在多處裂紋，裂紋位置如圖4所示，裂紋的典型形貌如圖5所示。

圖4 裂紋位置

圖5 裂紋 SEM 照片

1.2.5 密封性檢查

使用真空檢漏壓力設備、氦質譜檢漏儀和氟油檢漏儀對失效樣品進行細檢漏和粗檢漏試驗。對失效樣品進行細檢漏試驗， 樣品內腔體積小于 0.05cm3， 根據(jù) GJB 548B-2005 要求， 拒收極限值為 5× 10-3Pa·cm3/s。 經 檢 測 失 效 樣 品 泄 漏 率 為 1 ×10-7Pa·m3/s， 即 1×10-1Pa·cm3/s， 泄漏率超標 。 對 失效樣品進行粗檢漏發(fā)現(xiàn)樣品頂部封蓋焊縫處有明顯的連續(xù)氣泡，如圖6所示，由此可判定失效樣品密封性不合格。

圖6 粗檢漏結果照片

1.3 破壞性檢查

采用研磨法將一只合格樣品和失效樣品開封，利用體式顯微鏡觀察，該晶振內部結構如圖7所示。

圖7 合格樣品與失效樣品的內部結構照片

在體視顯微鏡下，對合格樣品和失效樣品進行對比，發(fā)現(xiàn)晶片的電極層顏色發(fā)生變化，失效樣品的電極層顏色更加光亮，由此推測在經過高溫高濕試驗后，樣品的電極層表面微小形貌發(fā)生改變。

利用金相顯微鏡，對合格樣品和失效樣品進行對比，發(fā)現(xiàn)失效樣品電極層表面存在顏色異常的痕跡，在金相顯微鏡下顏色呈現(xiàn)黃色偏紅的狀態(tài)，其形貌如圖8所示。

圖8 合格樣品與失效樣品內部形貌的光鏡照片

對合格樣品和失效樣品進行掃描電子顯微鏡檢查和能譜分析，失效樣品的電極上存在氧元素，但合格樣品表面不存在的氧元素， 結果如圖 9、 10 所示。

圖 9 合格樣品與失效樣品內部形貌的 SEM 照片

圖10 合格樣品與失效樣品的能譜分析結果圖

表1 合格品譜圖元素含量表%

表2 失效樣品譜圖元素含量表%

2 失效機理分析

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，器件的密封性不合格，在高溫高濕條件下，外部氣氛進入器件腔體，造成腔體內部的水汽含量高于正常器件。試驗中發(fā)現(xiàn)失效樣品的電極上出現(xiàn)了氧元素，經過分析認為樣品在進行電測時，晶片高速振動，在這種條件下水分子在晶體表面不斷地進行循環(huán)性的凝結蒸發(fā)，在局部散發(fā)出熱量。 由于晶體的主要成分是 SiO2， 因此在石英晶片局部將發(fā)生以下化學反應：

由于 H2SiO3硅酸并 不 穩(wěn)定 ，因 此 上 述 反 應 不斷進行， 石英晶體表面微小區(qū)域內的 SiO2不斷生成 H2SiO3， 又不斷分解成 SiO2，因此在晶片高速振動的情況下， 表面的 SiO2在微小范圍內發(fā)生了遷移， 晶片表面的部分 SiO2遷移到了電極表面， 導致晶片和電極表面狀態(tài)發(fā)生改變，因此電極在金相顯微鏡下的色澤發(fā)生了改變。對于石英晶片這類高精度加工要求的材料，微小的形貌改變會導致其固有頻率等性能參數(shù)發(fā)生改變，在宏觀上表現(xiàn)為晶體振蕩器頻率參數(shù)漂移。

3 結束語

頻率參數(shù)漂移是石英晶體振蕩器常見的一種失效模式，其對應的失效機理多樣。本文中的失效樣品由于密封性能缺陷，導致內部水汽含量超標，在加電條件下， 晶片表面的 SiO2在微小范圍內發(fā)生遷移，導致晶片的固有頻率發(fā)生改變，晶體振蕩器發(fā)生頻率參數(shù)漂移故障。

建議在后續(xù)的生產過程中，在器件封裝前應充分烘烤，并控制好填充晶體內部氮氣的水汽含量，對器件的封裝工藝進行優(yōu)化，提高器件密封性，防止外部氣氛器件使用過程中進入封裝內部。

[1]田 永 盛 ， 杜 良 楨. 晶 振 器 件 電 路 部 分 的 失 效 分 析 研 究[J]. 電 子 產 品 可 靠 性 與 環(huán) 境 試 驗 ， 2010， 28 （1）： 27-31.

[2]鄒 金林.恒 溫 晶 體 振 蕩 器 失 效 機 理 及 分 析 診 斷 [J]. 電 子產品可靠性與環(huán)境試驗， 2006， 24 （4）： 19-22.

[3]劉冰， 孫愛中.低溫晶體失效故障分析 [J].現(xiàn)代電子技術， 2012， 35 （22）： 125-127.

[4]王庚林， 王莉研， 董立軍.電子元器件內部 水汽含量與密 封 性 關 系 的 研 究 [J]. 電 子 元 器 件 應 用 ， 2009， 11（2）： 78-81.

[5]GJB 548B-2005， 微 電 子試 驗 方 法 和程 序 [S].

霍爾公司推出軍民用航空電子的感應集成電路

美國加利福尼亞州的霍爾特集成電路公司最近推出了一種用于軍民用航空電子的 HI-8437 型 3.3 V 32 通道的離散-數(shù)字的感應集成電路 (IC)。 該IC 具有 SPI接口和低閾值感測功能。 感測輸入閾值和滯后是可編程的， 通過 20×106Hz 的 SPI 端口 ， 范 圍 從 0.4～5.2 V， 每 階 梯 100 mV， 用 一 個SPI命令可以讀出 32 個感應輸出狀態(tài)。 此外， 該器件具有內置的感應輸入防雷保護。 32個感應通道分為 4 組， 每組 8 個輸入，每組通過 SPI端口可獨立配置。 用戶可使用一個器件實現(xiàn) 32通道的方案，或用幾個 HI-8437 器件通過芯片選擇實現(xiàn)在一個 SPI端口上增加通道數(shù)量。 該器件的工業(yè)溫度范圍在-40～85 ℃， 擴展的工作溫度范圍為-55～125℃。

（摘自國防科技網(wǎng)）

Failure Analysis of Crystal Oscillator Frequency Drift

YANG Yang， CAILiang-xu， LU Hao-tian， LU Xiao-qing
（China Aero-polytechnology Establishment， Beijing 100028， China）

According to the analysis of the failure mode of a crystal oscillator， combining with the failure analysis test， the research for the failuremechanism of crystal oscillator frequency drift as completed.It is concluded that the poor sealing ability is the root cause of this failure. The recomm endation for the optim ization of sealing processwas proposed.

crystal oscillator； frequency drift； sealing； failure analysis

TN752.2

A

1672-5468 （2014）03-0034-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.03.009

2014-02-27

2014-04-02

楊洋 （1986-）， 男， 四川成都人， 中航工業(yè)綜合技術研究所工程師， 碩士， 主要從事元器件篩選、 DPA 和失效分析等工作。