諧振器晶片結構應力的失效分析及減少影響的措施

摘要：石英晶體振蕩器是由石英晶體諧振器和分立元件或混合微電路組成的器件，有極好的短期頻率穩定度。文章通過一例石英晶體振蕩器失效的案例，分析得出諧振器晶片的結構應力失效原因，再通過若干篩選試驗，減少結構應力對石英晶片造成的影響。

關鍵詞：石英晶體振蕩器；石英晶體諧振器；結構應力；失效分析

中圖分類號：TN709 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0080-03

1 概述

石英晶體諧振器，俗稱晶體或晶體諧振器，基本結構是由石英晶片、電極、支架和外殼組成。石英晶體諧振器核心部分是晶片，電極附著在晶片兩面，晶片與支架之間用導電膠粘連。由于其自身的品質因素很高，因此其頻率的穩定性很高。由石英晶體諧振器控制頻率的振蕩器稱為石英晶體振蕩器，優點是體積小、重量輕、價格低、壽命長和可靠性高，有極好的短期頻率穩定度。目前已極其廣泛應用到火箭、衛星、導彈、飛機等航天航空領域，具體包括航天器系統、推進器系統、地面發射、控制系

統等。

本文通過一例石英晶體振蕩器的失效分析案例，得出諧振器晶片的結構應力失效原因，通過進行若干試驗減少結構應力對晶片造成的影響，進而從生產廠生產工藝和用戶使用過程中提出建議，減少系統出現故障的可能性。

2 石英晶體振蕩器失效部分的定位

某單位的信息處理器上使用了某公司生產的石英晶體振蕩器，在整機開始進行調試時發現晶振回路無時鐘信號輸出，經查該批次的1只晶振失效。該晶振裝機后開機即發現失效。

2.1 前期試驗

取下石英晶體振蕩器，對其做如下試驗，見表1。

該晶振為14PIN“F-2”金屬封裝雙列直插，該類型晶振第7PIN為GND端（外殼），第8PIN為OUT端，第14PIN為電源端，其余為懸空端。

用LeCroy6100A示波器等儀器對該晶振進行電性能測試，該晶振輸出電平約為600mV、頻率約為600kHz的正弦波（正常輸出幅度為5V、頻率為6.000000MHz±600Hz的方波），工作電流約為35mA（正常約為5mA）。

從測試情況判斷，該晶振不起振，失效。

使用dixen ASM1002氦質譜檢漏儀對晶振進行精檢漏，結論合格。

使用KYKY HF-4氟油檢漏裝置對晶振進行粗檢漏，結論合格。

2.1.1 開封鏡檢。不破壞該晶振原有結構，開封鏡檢，可見該晶振為采用厚膜工藝制造的混合集成電路（見圖1）。

該晶振由一只石英晶體片J（通過3個金屬支架固定，其中2個支架兼有電極功能）、2只瓷介電容器C1和C2（其中C2大部分在石英晶體片下面）、2只厚膜電阻R1和R2（其中R2在石英晶體片下面）、1塊HCU04六反相器（不帶緩沖器）芯片U組成。

取相同批次的1只晶振開封后，用CNA300晶體網絡分析儀測試石英晶體片，測得頻率為4.2MHz，由此表明石英晶體片J諧振頻率為4.2MHz。

內部目檢未發現存在明顯異常。

2.1.2 溫度試驗。將該晶振置于溫度試驗箱中，從常溫升至高溫，然后從高溫自然冷卻至常溫，加電測試，用示波器檢測波形，測試結果如下：

2.2 故障定位

在前期試驗后，進行故障定位工作。

加電測試，用示波器檢測波形，同時用非導電體輕觸該晶振內部元件的焊接點（或粘接點），該晶振未出現起振現象。

用裸鍍銀導線接觸該晶振的石英晶體片J上端面被銀電極，測試導線與該端電極支架間的電阻，呈現0Ω電阻；用裸鍍銀導線接觸該晶振的石英晶體片J下端面被銀電極，測試導線與該端電極支架間的電阻，呈現0Ω電阻。

由此表明，該晶片不起振不是由于內部元件焊接（粘接）不良造成的。

用信號發送器在該晶振的“G”點輸入頻率為約1MHz的信號，加電測試，用示波器檢測波形，該晶振輸出約1MHz、幅度約為2V的方波。

由此表明，該晶振放大輸出回路能正常工作，不起振與晶體振蕩和反饋回路有關。

用1只11.05920MHz的石英晶體諧振器搭接在該晶振的石英晶體片J的兩個電極上，加電測試，該晶振輸出頻率約為11.05920MHz、幅度約為5V的方波。

用導線連接該晶振石英晶體片J的電極和CZ-150C晶體阻抗計，在常溫條件下測試，石英晶體片J不起振；用電吹風對該晶振加熱約25秒后，石英晶體片起振（頻率約為4.2MHz），阻抗值為22.2Ω，停止加熱不到5秒，阻抗值發生變化，從22.2Ω變化到37.8Ω后，阻抗值突變，晶體停振，無測試量值顯示。用隔板將該晶振的石英晶體片J與HCU04六反相器（不帶緩沖器）芯片U隔開，分別對石英晶體片J與HCU04六反相器（不帶緩沖器）芯片U進行與前述相同的電吹風加熱試驗，結果為對石英晶體片J加熱時晶體和晶振起振，對HCU04六反相器（不帶緩沖器）芯片U加熱時晶體和晶振均不起振。

取同批次的1只晶振進行上述相同的試驗，晶體和晶振始終起振（頻率約為4.2MHz），晶體阻抗值為20.6Ω變化到20.8Ω，較穩定。

由此表明，該晶振不起振與石英晶體片J有關。該晶振的石英晶體片J的阻抗隨溫度變化而發生變化，由于石英晶體片J在常溫條件下阻抗值變大造成的，與放大輸出回路無關。該晶振不起振的故障點在石英晶體片J。

3 石英晶體諧振器晶片的結構應力分析及減少其影響的措施

該晶振的石英晶體片J三點通過金屬支架固定。金屬支架固定抗震性能好，但易使石英晶體片受到應力作用。由于該晶振的石英晶體片J在晶振制造過程的石英晶體片固定環節使內部存在較大的結構應力，阻抗值較大，處于臨界工作狀態。當該晶振受到外界應力（如機械應力、熱應力等）后，石英晶體片J阻抗值增大、發生突變，導致石英晶體片J不起振，從而該晶振不起振。當溫度升高后，石英晶體片J內部結構應力發生變化，阻抗值減小，石英晶體片J起振，該晶振隨之起振工作。溫度下降后，石英晶體片J內部結構應力又發生變化，阻抗值增大、發生突變，又不起振，導致該晶振不起振工作。因此，該晶振失效是石英晶體片J在晶振制造過程的石英晶體片固定環節導致內部存在較大結構應力導致不起振造成，屬器件質量缺陷。

該晶振的故障點在內部晶體，晶體存在故障的原因是由于內部存在較大的結構應力，且該應力使晶體阻抗隨溫度變化產生突變。該晶振失效是由于晶振質量缺陷造成的。

該石英晶體振蕩器參照美軍標MIL-STD-55310D生產，質量等級為Level S。按照MIL-STD-55310D的要求，Level S的振蕩器的篩選必須做以下六個項目：隨機振動、溫度沖擊、電性能測試、電老化、檢漏和X射線檢查。相對于等級要求更加嚴格的衛星用采購規范來說，缺少了高溫貯存、低溫貯存、恒定加速度、加速老化、高低溫電測試五個項目。本著試驗的目的，我們對已開封的晶振補做以上部分試驗項目，并在每次試驗后進行電性能測試，見表3：

與之前的溫度試驗測試結果進行比對，可以發現，雖然在常溫時晶振仍然不能正常工作，但是電性能有所好轉。這也說明，環境篩選對消除產品的結構應力是有效的。

4 結語

石英晶體諧振器的失效模式很多，從破壞性角度看主要是物理性失效和指標性失效兩種。對于物理性失效，如晶片斷裂、裂縫、導電膠開裂、支架斷裂等多數是由于在使用過程中不慎發生跌落、沖擊、碰撞等原因產生大的外力使石英晶體諧振器發生失效。結構應力失效主要屬于指標性失效，其基本結構良好，但是由于加工過程中存在加工缺陷或不足或使用不規范導致石英晶體諧振器的指標如頻率、電阻、老化等發生變化導致失效。

石英晶體諧振器的應力變化失效是指由于石英晶體諧振器內部應力的存在導致晶體頻率發生變化而產生的失效。失效機理是由于晶片、支架、電極及導電膠四者相互之間存在應力，且應力隨溫度、環境變化會發生變化，結果導致石英晶體諧振器彈性剛度常數變化，進而引起頻率變化。當變化超過要求時，即發生失效。

針對上述失效模式，應采取的主要防范措施如下：

（1）生產廠家需要采取以下防范措施：生產廠家在產品加工過程中完善加工工藝，如提高晶片清潔程度、增加產品工藝老化、增加產品退火工藝等；加工過程中加強檢驗，剔除存有破邊等缺陷的晶片，剔除有缺陷的半成品；完善篩選措施，如延長加速老化時間、增加加電老化等，剔除變化異常的產品；包裝過程中避免出現晶體碰撞。

（2）用戶需要采取以下防范措施：在運輸、存儲和使用過程中避免石英晶體諧振器受到大的外力；焊接過程中避免焊接時間過長；避免超范圍使用；使用的全過程中避免由于意外發生的跌落、沖擊、碰撞等原因產生大的外力使石英晶體諧振器發生失效。

由于一個產品的失效是多方面因素共同作用的結果，因此失效的預防不應單是一個方面的預防，而是從加工到使用每個環節的綜合考慮，這樣才能保證產品的可靠使用。

參考文獻

[1] 張沛霖，鐘維烈，等.壓電材料與器件物理[M].濟南：山東科學技術出版社，1997.

[2] 秦自楷.壓電石英晶體[M].北京：國防工業出版社，1980.

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