楊洋，蔡良續(xù)，路浩天，盧曉青

（中國(guó)航空綜合技術(shù)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(guó)航空綜合技術(shù)研究所， 北京 100028）

通過(guò)對(duì)某型晶體振蕩器失效模式進(jìn)行分析，結(jié)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(yàn)結(jié)果，對(duì)該晶體振蕩器頻率漂移的失效機(jī)理進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)器件密封性不良是導(dǎo)致器件失效的根本原因，并對(duì)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(gòu)成，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)晶體或晶體諧振器，其基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)電膠粘連[1]。 由 于 晶 體 自 身 的 品 質(zhì) 因 素 很 高 ， 因 此 其 頻 率 的穩(wěn)定性很高，被廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)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(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，有極好的短期頻率穩(wěn)定度[2]。 目 前 已 極 其 廣 泛 地 應(yīng) 用 到 火 箭 、 衛(wèi) 星 、 導(dǎo)彈和飛機(jī)等航天航空領(lǐng)域，具體包括航天器系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、地面發(fā)射和控制系統(tǒng)等。

本文通過(guò)對(duì)某石英晶體振蕩器進(jìn)行失效分析試驗(yàn)，得出晶體振蕩器頻率漂移的基本原理。

1 失效分析試驗(yàn)

1.1 失效情況描述

某石英晶體振蕩器， 經(jīng)過(guò) 3 次回流焊 （260℃， 10 s）試驗(yàn)、 超聲波清洗、 高溫高濕 （溫度 85℃、 濕度 85%）存儲(chǔ) 1 000 h。 前兩項(xiàng)試驗(yàn)后進(jìn)行性能測(cè)試，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。完成高溫高濕試驗(yàn)后，進(jìn)行性能測(cè)試， 發(fā)現(xiàn)產(chǎn)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(xué)顯微鏡，對(duì)失效樣品表面進(jìn)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(xiàn)檢查

使用X射線(xiàn)三維CT系統(tǒng)對(duì)失效樣品進(jìn)行X射線(xiàn)檢查。未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)異?；驍嗑€(xiàn)缺陷，結(jié)果如圖2所示。

圖2 失效樣品X射線(xiàn)照片

1.2.3 高低溫測(cè)試

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

圖3 頻率-溫度曲線(xiàn)圖

1.2.4 掃描電子顯微鏡檢查

使用掃描電子顯微鏡 （SEM）對(duì)樣品進(jìn)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(shè)備、氦質(zhì)譜檢漏儀和氟油檢漏儀對(duì)失效樣品進(jìn)行細(xì)檢漏和粗檢漏試驗(yàn)。對(duì)失效樣品進(jìn)行細(xì)檢漏試驗(yàn)， 樣品內(nèi)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(jīng) 檢 測(cè) 失 效 樣 品 泄 漏 率 為 1 ×10-7Pa·m3/s， 即 1×10-1Pa·cm3/s， 泄漏率超標(biāo) 。 對(duì) 失效樣品進(jìn)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(jié)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(kāi)封，利用體式顯微鏡觀察，該晶振內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 合格樣品與失效樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片

在體視顯微鏡下，對(duì)合格樣品和失效樣品進(jìn)行對(duì)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(cè)在經(jīng)過(guò)高溫高濕試驗(yàn)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(duì)合格樣品和失效樣品進(jìn)行對(duì)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(nèi)部形貌的光鏡照片

對(duì)合格樣品和失效樣品進(jìn)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(jié)果如圖 9、 10 所示。

圖 9 合格樣品與失效樣品內(nèi)部形貌的 SEM 照片

圖10 合格樣品與失效樣品的能譜分析結(jié)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(jī)理分析

通過(guò)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(jìn)入器件腔體，造成腔體內(nèi)部的水汽含量高于正常器件。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)失效樣品的電極上出現(xiàn)了氧元素，經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為樣品在進(jìn)行電測(cè)時(shí)，晶片高速振動(dòng)，在這種條件下水分子在晶體表面不斷地進(jìn)行循環(huán)性的凝結(jié)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(xué)反應(yīng)：

由于 H2SiO3硅酸并 不 穩(wěn)定 ，因 此 上 述 反 應(yīng) 不斷進(jìn)行， 石英晶體表面微小區(qū)域內(nèi)的 SiO2不斷生成 H2SiO3， 又不斷分解成 SiO2，因此在晶片高速振動(dòng)的情況下， 表面的 SiO2在微小范圍內(nèi)發(fā)生了遷移， 晶片表面的部分 SiO2遷移到了電極表面， 導(dǎo)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(duì)于石英晶片這類(lèi)高精度加工要求的材料，微小的形貌改變會(huì)導(dǎo)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(jié)束語(yǔ)

頻率參數(shù)漂移是石英晶體振蕩器常見(jiàn)的一種失效模式，其對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理多樣。本文中的失效樣品由于密封性能缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部水汽含量超標(biāo)，在加電條件下， 晶片表面的 SiO2在微小范圍內(nèi)發(fā)生遷移，導(dǎo)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(chǎn)過(guò)程中，在器件封裝前應(yīng)充分烘烤，并控制好填充晶體內(nèi)部氮?dú)獾乃浚瑢?duì)器件的封裝工藝進(jìn)行優(yōu)化，提高器件密封性，防止外部氣氛器件使用過(guò)程中進(jìn)入封裝內(nèi)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(chǎn) 品 可 靠 性 與 環(huán) 境 試 驗(yàn) ， 2010， 28 （1）： 27-31.

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

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霍爾公司推出軍民用航空電子的感應(yīng)集成電路

美國(guó)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(yīng)集成電路 (IC)。 該IC 具有 SPI接口和低閾值感測(cè)功能。 感測(cè)輸入閾值和滯后是可編程的， 通過(guò) 20×106Hz 的 SPI 端口 ， 范 圍 從 0.4～5.2 V， 每 階 梯 100 mV， 用 一 個(gè)SPI命令可以讀出 32 個(gè)感應(yīng)輸出狀態(tài)。 此外， 該器件具有內(nèi)置的感應(yīng)輸入防雷保護(hù)。 32個(gè)感應(yīng)通道分為 4 組， 每組 8 個(gè)輸入，每組通過(guò) SPI端口可獨(dú)立配置。 用戶(hù)可使用一個(gè)器件實(shí)現(xiàn) 32通道的方案，或用幾個(gè) HI-8437 器件通過(guò)芯片選擇實(shí)現(xiàn)在一個(gè) 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(kuò)展的工作溫度范圍為-55～125℃。

（摘自國(guó)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(shù)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。