摘 要：在計算機(jī)的實驗中，晶體在溫度試驗條件下，性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致計算機(jī)無法正常工作。通過對晶體的失效分析，確定了晶體失效的原因。結(jié)果表明：由于晶體諧振器內(nèi)部晶片的形成結(jié)構(gòu)異常造成晶體諧振器與振蕩電路不能相互匹配，因而在低溫條件下表現(xiàn)出來，這種晶體諧振器內(nèi)部晶片結(jié)構(gòu)異常是導(dǎo)致計算機(jī)無法正常工作的原因。通過對晶體諧振器進(jìn)行溫度頻差測試，發(fā)現(xiàn)晶體諧振器早期失效問題，可解決這一問題，驗證試驗表明這一措施有效、可行。

關(guān)鍵詞：晶體諧振器； 失效分析； 低溫條件； 頻差測試

中圖分類號：TN30534 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X（2012）22012502

高低溫試驗是考核計算機(jī)質(zhì)量的必要手段。高低溫試驗旨在考核產(chǎn)品上的電子器件在溫度惡劣情況下的性能。計算機(jī)在系統(tǒng)級試驗中的第二個溫度循環(huán)中，出現(xiàn)實驗臺檢測、模擬量和數(shù)字量均超差，工作前檢測均異常的現(xiàn)象，計算機(jī)自檢不通過，排查后發(fā)現(xiàn)是晶體失效引起的。

1 故障定位及影響分析

故障為偶發(fā)故障，進(jìn)行了多次試驗，采用邏輯分析儀監(jiān)控所有CPU模塊上的總線信號發(fā)現(xiàn)：故障發(fā)生時，CPU模塊上處理器芯片的時鐘輸出頻率異常。異常情況有3種，分別為：

（1） 輸出頻率為正常頻率的3倍；

（2） 輸出占空比由正常的1∶1變?yōu)榱?∶2；

（3） 偶爾一個時鐘周期由正常的200 ns變?yōu)?50 ns，且占空比為1∶2。

CPU模塊上時鐘電路的連接關(guān)系圖如圖1所示。從圖中可以看出，引起CPU模塊上處理器芯片時鐘輸出異常的故障樹如圖2所示。

圖2 時鐘輸出異常的故障樹從圖2的故障樹可以看出，導(dǎo)致時鐘輸出異常的有3個因素：

（1） 晶體諧振器失效；

（2） 處理器芯片失效；

（3） 電容失效。

1.1 晶體諧振器失效影響分析

晶體諧振器作為時鐘電路的振源，其失效直接影響CPU芯片的時鐘輸出。晶體諧振器的失效模式為定時失效，定時失效包括：

（1） 停振；

（2） 3次泛音（工作在3倍頻狀態(tài)）；

（3） 定時不穩(wěn)。

從故障現(xiàn)象看，時鐘輸出有3倍頻和時鐘輸出不穩(wěn)現(xiàn)象，與晶體諧振器的失效機(jī)理吻合，可以判定，晶體諧振器失效是引起時鐘電路失效的一個原因。

1.2 處理器失效影響分析

由于晶體諧振器的起振電路、分頻電路以及輸出驅(qū)動電路均在CPU芯片內(nèi)部，因此，處理器芯片失效也是引起時鐘輸出異常的原因之一。

根據(jù)故障現(xiàn)象分析，起振電路異常會導(dǎo)致晶體諧振器工作在3次泛音狀態(tài)；分頻電路異常會導(dǎo)致占空比異常；但是這兩個電路的失效均不會導(dǎo)致偶爾一個時鐘周期由正常的200 ns變?yōu)?50 ns，且占空比位1∶2。因此可以基本排除處理器芯片的失效。

1.3 電容失效影響分析

電容作為晶體諧振器要求的負(fù)載電容，能夠影響晶體諧振器的正常工作。

電容采用瓷介電容，其失效模式分為開路和短路兩種，從圖1可以看出，電容短路會導(dǎo)致晶體諧振器輸出直接接地，導(dǎo)致晶體諧振器工作異常，故障現(xiàn)象應(yīng)該為晶體諧振器停振，與故障現(xiàn)象不符，因此可以排除電容的短路故障。

電容開路相當(dāng)于在晶體諧振器管腳的輸出回路減少了容性負(fù)載，容性負(fù)載為最小。該晶體諧振器的振動模式為基頻模式，對負(fù)載電容要求范圍較寬，容性負(fù)載減少10 pF不足以導(dǎo)致晶體諧振器工作異常。

1.4 結(jié)論

從上述分析和試驗判定：晶體諧振器失效導(dǎo)致時鐘電路工作異常，從而引起CPU模塊故障。

2 原因分析

2.1 機(jī)理分析

對失效晶體諧振器CR/64U20M00000進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)異常，晶體諧振器出現(xiàn)：溫度頻差測試超差。

晶體諧振器的失效模式為定時失效，定時失效包括：

（1） 停振；

（2） 3次泛音（工作在3倍頻狀態(tài)）；

（3） 定時不穩(wěn)。

通過對失效晶體諧振器和正常晶體諧振器進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，失效晶體諧振器在溫度沖擊條件下，會出現(xiàn)：停振、幾次測試頻差差異較大、等效電阻較大等現(xiàn)象。在高、低溫測試時，從-55～85 ℃采用5 ℃一個溫度變化，對晶體諧振器的頻差和等效電阻進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)失效晶體諧振器頻差數(shù)據(jù)不連續(xù)，與標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線差別較大，其等效電阻在-15 ℃和-25 ℃期間突然變大（見圖3、圖4）頻差不連續(xù)說明晶體諧振器在溫度條件下其穩(wěn)定度較差，會導(dǎo)致頻率異常。等效電阻的突變也會使晶體諧振器的頻率發(fā)生變化。從測試結(jié)果可以看出在低溫段，晶體諧振器處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此導(dǎo)致輸出異常。

圖3 正常的頻差與等效電阻曲線

圖4 失效晶體諧振器的頻差與等效電阻曲線2.2 失效分析

對失效晶體諧振器進(jìn)行了失效分析，進(jìn)行常溫測試、密封性測試、溫度循環(huán)加電測試和開封檢查，除了振蕩頻率超差以外別無異常，不屬于功能失效、制造工藝缺陷等問題，也不屬于批次性問題。它的工作異常是由于晶體諧振器內(nèi)部晶片的形成結(jié)構(gòu)異常造成晶體諧振器與振蕩電路不能相互匹配，因而在低溫條件下表現(xiàn)出來，這種晶體諧振器內(nèi)部晶片結(jié)構(gòu)異常，屬于極其偶然的個別現(xiàn)象。

3 改進(jìn)措施

為避免該問題的再次發(fā)生，在元器件二次篩選過程中，對晶體諧振器進(jìn)行溫度頻差測試，發(fā)現(xiàn)晶體諧振器早期失效問題。