基于失效分析理論的鐘振失效分析方法研究

睢建平 羅洪濤 崔 巍 鄭文強(qiáng)

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000）

1引言

時(shí)鐘晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱鐘振）作為系統(tǒng)中電子設(shè)備的時(shí)鐘發(fā)生器，在航天國(guó)防領(lǐng)域有著大量且廣泛的應(yīng)用。由于其可以產(chǎn)生整個(gè)電子設(shè)備中的時(shí)鐘信號(hào)，常被稱為電子設(shè)備的“心臟”。因此，如果鐘振出現(xiàn)問(wèn)題甚至停整，對(duì)電子設(shè)備的工作一定是有重大影響甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失效。

傳統(tǒng)的對(duì)失效鐘振進(jìn)行失效分析的方法通常是先進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)，未找到失效原因后再開(kāi)封進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)的類型和步驟都不固定。本文基于失效分析理論的指導(dǎo)［1］，結(jié)合一般電子器件失效分析方法［2］，通過(guò)鐘振的結(jié)構(gòu)和工作原理分析，總結(jié)出一套針對(duì)失效鐘振的分析流程。此分析流程按照先非破壞性分析后破壞性分析的方法，縮短了失效分析步驟，提高了失效分析的效率和準(zhǔn)確性。文章最后列出幾個(gè)典型的失效分析案例，證明此分析方法對(duì)研究鐘振失效機(jī)理具有一定的指導(dǎo)意義，并達(dá)到了在生產(chǎn)、試驗(yàn)和使用過(guò)程中提高器件質(zhì)量和可靠性的目的。

2 鐘振的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 鐘振的結(jié)構(gòu)

鐘振主要是由石英晶體諧振器、振蕩電路芯片和外殼基座或支架構(gòu)成的，其中，石英晶體諧振器是由石英晶片鍍上金屬電極組成，石英晶體諧振器、振蕩電路芯片和基座或支架的連接通常采用導(dǎo)電膠粘接，振蕩電路芯片和基座通常通過(guò)金絲鍵合進(jìn)行電氣連接。由于鐘振的結(jié)構(gòu)緊湊、集成度較高、零部件較少以及工藝相對(duì)成熟，因此其具有較高的可靠性。鐘振各部分組成的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

基于鐘振以上的組成和結(jié)構(gòu)，其封裝形式主要有SMD型和DIP型兩種。SMD型鐘振典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2（a）所示；對(duì)于二次上架的鐘振，一種典型的結(jié)構(gòu)圖如圖2（b）所示，即將表貼鐘振直接貼裝到DIP型支架上；另一種二次上架的鐘振，典型的結(jié)構(gòu)圖如圖2（c）所示，即將晶片和芯片分別貼裝到DIP型支架上。

2.2 鐘振的工作原理

鐘振是以石英晶體的壓電效應(yīng)為基本原理，驅(qū)動(dòng)不同的振動(dòng)電路以構(gòu)成不同種類的晶體振蕩器的。具體來(lái)說(shuō)，就是利用石英晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作。壓電效應(yīng)是晶體受外力作用時(shí)表面產(chǎn)生電荷，逆壓電效應(yīng)是用極化電場(chǎng)在石英晶體上產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。利用石英晶體的這一特性，在石英晶片上鍍電極，并使兩電極間產(chǎn)生電位差。由于交變電場(chǎng)的作用出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)變，機(jī)械應(yīng)變產(chǎn)生交變電場(chǎng)，交變電場(chǎng)發(fā)生作用又產(chǎn)生交變機(jī)械應(yīng)變最后形成諧振，諧振的頻率取決于晶體的電性能參數(shù)。一種典型的鐘振的工作原理如圖3所示。

圖3中，G為石英晶體，根據(jù)晶振的原理，晶振能正常工作需滿足的條件如下：

式中：K0——放大電路的增益；F——晶體的反饋系數(shù)；ΦK，ΦF——電路和晶體的相位。

3 鐘振的失效分析方法

失效分析是對(duì)判定為失效的器件進(jìn)行的一種事后檢查和分析的工作，通過(guò)分析和檢測(cè)，確定失效器件的失效類型，判斷失效原因，提出處理方案和預(yù)防措施，以提高器件可靠性的一種綜合方法［3］。失效分析流程一般按照先非破壞性分析后破壞性分析的順序進(jìn)行［4，5］，同時(shí)結(jié)合鐘振的結(jié)構(gòu)和工作原理，筆者設(shè)計(jì)了一套針對(duì)失效鐘振的分析流程如圖4所示。

3.1 鐘振的非破壞性失效分析

非破壞性失效分析的第一步是對(duì)鐘振的失效類型進(jìn)行確認(rèn)，確實(shí)是鐘振失效后，做好所有失效現(xiàn)場(chǎng)信息和產(chǎn)品失效前的應(yīng)力過(guò)程數(shù)據(jù)的收集，為開(kāi)展失效分析工作打下基礎(chǔ)。

非破壞性失效分析的第二步是對(duì)鐘振的電性能進(jìn)行測(cè)試。鐘振的電性能測(cè)試可以為失效分析方案的設(shè)計(jì)提供很好的依據(jù)，通過(guò)鐘振的電性能測(cè)試的，可以判斷出鐘振的失效類型。從鐘振的性能指標(biāo)看，鐘振的失效類型主要有以下幾種形式：無(wú)頻率信號(hào)輸出（即通常所說(shuō)的停振），頻率輸出異常，功耗異常，特定條件下不振，波形不對(duì)等，具體分類見(jiàn)表1。根據(jù)鐘振的電性能測(cè)試結(jié)果，結(jié)合其失效的環(huán)境信息，可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出失效鐘振的失效分析方案，確定最優(yōu)的失效分析流程，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確做出失效分析的目的。

表1 鐘振的失效類型歸類

非破壞性失效分析的第三步是對(duì)鐘振進(jìn)行外觀檢查。利用顯微鏡檢查失效器件的外觀，對(duì)外殼、焊盤或引線進(jìn)行觀察，看其是否有鍍層污染、脫離、缺損或銹蝕等異常。

根據(jù)第三步的結(jié)果以及本產(chǎn)品的失效分析方案，有選擇的進(jìn)行第四步的非破壞性試驗(yàn)。當(dāng)電特性測(cè)試等發(fā)現(xiàn)內(nèi)部可能有開(kāi)路、短路時(shí)，用X光檢查其鍵合情況和內(nèi)部金屬連接情況；也可通過(guò)管腳之間I-V測(cè)試特性，發(fā)現(xiàn)管腳之間是否存在有開(kāi)路、短路等失效模式；當(dāng)電特性測(cè)試等頻差明顯異常時(shí)，用檢漏設(shè)備檢測(cè)器件的密封情況，判斷器件是否存在漏氣現(xiàn)象；當(dāng)懷疑內(nèi)部有多余物時(shí)，應(yīng)進(jìn)行顆粒碰撞噪聲即PIND試驗(yàn)，檢測(cè)其多余物情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其他現(xiàn)象時(shí)，也可利用超聲掃描顯微鏡等其他設(shè)備進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)。通過(guò)以上的非破壞性試驗(yàn)結(jié)果，可以初步的對(duì)失效原因進(jìn)行判斷。

有選擇的進(jìn)行完第四步的非破壞性試驗(yàn)后，需要對(duì)失效器件的電性能進(jìn)行復(fù)測(cè)，確認(rèn)失效現(xiàn)象依舊，如果失效現(xiàn)象加重，例如由頻率超差變成停振，通常原因?yàn)槠骷?nèi)部晶片粘接不牢，可以直接判定失效類型。

3.2 鐘振的破壞性失效分析

由于經(jīng)過(guò)鐘振的非破壞性失效分析后，已初步判斷出器件的失效原因。經(jīng)過(guò)失效器件的故障模擬分析后，即可以開(kāi)封查找產(chǎn)品的真正失效原因。由于小型石英晶體振蕩器主要是由石英晶片、金屬電極、導(dǎo)電膠、振蕩電路芯片、鍵合金絲和外殼基座等構(gòu)成的，因此，可以按每一部分失效現(xiàn)象的不同對(duì)產(chǎn)品的失效原因［6～8］進(jìn)行歸類分析，見(jiàn)表2。

表2 鐘振的失效原因歸類

破壞性失效分析的第一步是對(duì)鐘振進(jìn)行開(kāi)封。開(kāi)封方法通常采用研磨開(kāi)封、剪切開(kāi)封或激光開(kāi)封等技術(shù)，最大限度地避免新?lián)p傷的引入。

破壞性失效分析的第二步是對(duì)開(kāi)封后的鐘振進(jìn)行顯微鏡觀察或掃描電鏡的觀察。通常選用體式顯微鏡對(duì)晶片、電極、基座或支架、點(diǎn)膠點(diǎn)等部分進(jìn)行初步的觀察，如果失效類型可以確認(rèn)后，無(wú)需用金相顯微鏡或掃描電鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察，否則，還需用金相顯微鏡或掃描電鏡進(jìn)行進(jìn)一步的觀察。

如果仍然不能確認(rèn)失效類型，需進(jìn)行破壞性失效分析的第三步，即對(duì)開(kāi)封后的晶片進(jìn)行功能測(cè)試，特別是晶片電阻測(cè)試。通過(guò)晶片電性能的測(cè)試，確認(rèn)是否為晶體諧振器部分出現(xiàn)問(wèn)題。

如果仍然不能確認(rèn)失效類型，需進(jìn)行破壞性失效分析的第四步，即對(duì)芯片進(jìn)行顯微鏡及掃描電鏡觀察分析。通過(guò)分析金絲鍵合的情況以及顯微鏡及掃描電鏡觀察分析其表面是否有異常情況，確認(rèn)是否為芯片表面或鍵合出現(xiàn)問(wèn)題。

如果仍然不能確認(rèn)失效類型，需進(jìn)行破壞性失效分析的第五步，即對(duì)開(kāi)封后的芯片進(jìn)行功能測(cè)試。通過(guò)芯片的功能性測(cè)試，確認(rèn)是否為芯片內(nèi)部部分出現(xiàn)問(wèn)題。

通過(guò)以上的分析，可以準(zhǔn)確的對(duì)非破壞性失效分析判斷的失效原因進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，完成失效分析工作。

4 鐘振的失效分析典型案例

利用以上分析方法，可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行鐘振的失效分析。以下介紹鐘振的失效分析典型案例，更深入的了解鐘振的失效分析方法。

【案例1：某進(jìn)口鐘振失效分析】

失效背景：某國(guó)外公司生產(chǎn)的35.7M低溫下不振，常溫下不易起振，起振時(shí)，占空比超差，約為68%。

分析過(guò)程：用戶告知，此失效產(chǎn)品已經(jīng)使用多年，且經(jīng)歷多次焊接和拆焊過(guò)程。結(jié)合使用環(huán)境和電性能測(cè)試結(jié)果，并在非破壞性試驗(yàn)均無(wú)異常的情況下，懷疑其諧振器的電阻偏大。開(kāi)帽發(fā)現(xiàn)失效件晶片有多處損傷，測(cè)試晶片（三次泛音）等效電阻明顯偏大，約為65Ω，在常溫下不易起振，在低溫下電阻更大，導(dǎo)致低溫不振。同時(shí)開(kāi)帽一只正常的同類產(chǎn)品作為參考件，將失效件晶片和參考件晶片進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。明顯可以看出失效件晶片破邊嚴(yán)重且電極有劃傷，測(cè)試失效晶振內(nèi)部晶片的等效電阻約為65Ω，而參考件晶片邊緣和電極均較好，測(cè)試晶振內(nèi)部晶片等效電阻約為29Ω。

分析結(jié)論：失效件電阻偏大，在常溫下不易起振，在低溫下電阻更大，導(dǎo)致低溫不振。

【案例2：某國(guó)產(chǎn)鐘振芯片電源加大電壓燒毀分析】

失效背景：某國(guó)產(chǎn)鐘振電源加大電壓（+12V）燒毀，產(chǎn)品停振。

分析過(guò)程：在結(jié)合使用環(huán)境和電性能測(cè)試結(jié)果后，進(jìn)行I-V特性非破壞性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有異常，懷疑其內(nèi)部芯片受損。開(kāi)封后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品用芯片已被燒毀，其內(nèi)部電路已燒蝕，如圖6所示。

分析結(jié)論：電源端接入大電壓時(shí)，芯片的工作電流會(huì)明顯增大，芯片內(nèi)部燒蝕。

【案例3：某國(guó)產(chǎn)鐘振恒定加速度后停振】

失效背景：產(chǎn)品經(jīng)過(guò)恒定加速度試驗(yàn)后停振，電流較小，為約2mA，輸出為0電平。

分析過(guò)程：在結(jié)合使用環(huán)境和電性能測(cè)試結(jié)果后，進(jìn)行PIND非破壞性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有異常，懷疑其內(nèi)部電路連接有問(wèn)題。開(kāi)帽后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的晶片均已脫落。用體式顯微鏡觀察基座點(diǎn)膠處，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在導(dǎo)電膠硬度、導(dǎo)電膠剝離基座后的形態(tài)、導(dǎo)電膠的光澤方面與正常導(dǎo)電膠有明顯差異，如圖7所示。

分析結(jié)論：由于導(dǎo)電膠粘接強(qiáng)度下降，導(dǎo)電膠沒(méi)有粘牢晶片，導(dǎo)致晶片恒定加速度試驗(yàn)后掉架。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析鐘振的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性分析的原理，較為詳細(xì)的歸納分析了鐘振存在或可能的失效模型，進(jìn)而提出了一種有效且準(zhǔn)確的鐘振失效分析流程，并指導(dǎo)實(shí)際的失效分析案例，最終達(dá)到提高鐘振可靠性的目的。

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