晶振器件电路部分的失效分析研究

2010-08-14田永盛杜良桢

电子产品可靠性与环境试验 2010年1期

田永盛，杜良桢

（中兴通讯股份有限公司，广东深圳 518057）

1 引言

石英晶体振荡器是单板的心脏，却也是质量问题的大户。业界对晶振器件失效分析的研究，往往仅局限于谐振器、工艺等方面，对其内部电路部分的失效研究则相对较少。本文是作者在晶振器件电路失效分析方面的一点体会，希望能够抛砖引玉，帮助大家提升对晶振器件的认识。

2 石英晶体振荡器的电路结构

由于器件体积的原因，石英晶体振荡器的电路结构相对于其它电子产品较简单，其电路结构如图1所示，可分为振荡电路、整形放大电路、压控电路（压控晶振专有）、温补电路（温补晶振专有）、恒温电路（恒温电路专有）、频率选择电路和AGC电路几部分。以下就逐一对上述电路进行简要的分析。

图1 晶振器件的电路结构图

2.1 振荡电路

振荡电路是石英晶体振荡器的核心，文献中提到的振荡电路的拓扑方式总共有8种，其中并联晶体振荡器5种（分别为皮尔斯电路、柯尔匹兹电路、克拉普电路、密勒电路和c-e电路），串联晶体振荡器2种（巴特勒电路、希格勒电路）和门振荡器电路（可接为并联晶体振荡器，也可接为串联晶体振荡器）。事实上，只要振荡电路中三极管的CE极间和BE极间的器件是同性的（同是感性或同是容性），振荡电路即可满足振荡条件，可以起振。

在普通的晶体振荡器（SPXO）中，基本上都是采用了门振荡器的方式，其电路部分被集成在一片IC之中，由于国内对于IC芯片的研究手段尚不完善，在业界，此类形式的电路失效分析尚处在摸索阶段，比较常用的分析方式有：1）测试IC的负阻值是否比谐振器的谐振阻抗大3倍以上；2）采用DPA分析，检测镜检芯片有无过电、静电击伤和破损等。

在对指标要求较严的晶体振荡器中，无一例外地采用了皮尔斯电路，这是因为在几种拓扑方式中，皮尔斯电路的在线Q值最高，而且决定其静态工作点的器件，不会对电路的动态工作状态产生影响，其唯一的缺点就是内部的谐振器不接地，致使频率微调电容无一端接地，安装和使用时有些不方便，但瑕不掩瑜，此电路一直是工业级石英晶体振荡器设计时的首选。

图2 皮尔斯振荡器电路拓扑

2.2 整形放大电路

由于振荡电路产生的波形都是幅度比较小的正弦波，而振荡器的输出波形往往要求的是方形，所以在振荡器的输出端，都需要一个整形放大电路，将正弦波整形成方波，并将振荡的幅度放大至要求的电平。

这一部分的电路，基本上都是使用一个比较器电路。比较器的负输入端设定为一个固定电压值，也有的芯片将比较器的负输入端内置，并接于一个电压基准，而比较器的正输入端通过串联一个电容接到振荡电路的输出，通过比较器对电平的比较，将正弦波整形放大为所需的方波。

2.3 压控和温补电路

这两部分电路实现的功能不同，但电路实现的原理却是相似的，都是通过改变变容二极管两端的电压，继而改变变容二极管的电容值，最终达到控制振荡器的输出频率的目的。压控晶振是通过直接改变压控端的电压来实现的，模拟温补晶振是通过电路中的热敏电阻随温度变化使其自身的电阻值发生变化，继而改变加在变容二极管两端的电压来实现的；数字温补晶振是通过单片机对环境温度采样，继而改变加在变容二极管上的单片机的输出电压来实现的。

典型的压控晶振电路如图3所示：

图3 典型的压控晶振电路

2.4 恒温电路

为了让谐振器工作在其温度频率曲线的拐点上，恒温晶振必须要有恒温电路，其工作原理是，当外界环境温度变化时，恒温电路通过监控热敏电阻两端的电压变化，修正加热谐振器的功率管（可能为晶体管或MOSFET）上的功耗，实现恒定谐振器温度的目的，以减小温度对频率的影响。

温控电路一般分为三部分：

1）由热敏电阻充当探测器，探测晶体温度以及晶振内部环境温度；

2）由功率管及附属电路构成的加热电路，对晶体进行加热；

3）由运放、三极管及附属电路等构成的控制、保护电路，对加热电流进行控制。

使用AT切晶体设计的恒温晶振，内部恒温点温度一般控制在AT切晶体的高温度拐点处，约为70～80℃；使用SC切晶体设计的恒温晶振，内部恒温点温度一般控制在SC切晶体的低温度拐点处，约为75～85℃。

2.5 频率选择电路和A.G.C电路

SC切谐振器的频谱比较复杂，它除了有单转角切型的频谱之外，还存在A、B、C 3种振动模式。被采用的仅是具有零温度系数点的C振动模式。其它不需要的振动模式必须加以抑制。它的B模振动要重点关注，因为B模的振荡频率只比C模高9.4%，而且其等效串联电阻和C模相当，有时甚至比C模电阻还小。另外，有些晶体振荡器，需要谐振器工作在泛音工作模式下，有些晶体振荡器，需要对谐波加以抑制，以上种种情况，都需要在电路中设计频率选择电路。

频率选择电路的工作原理一般为：对于需要抑制的振动模式，通过频率选择电路来破坏振荡器的相位平衡条件；对于需要的振动模式，则通过频率选择电路来满足相位平衡条件，振荡器可以起振。

在长期使用后，频率选择电路中的电容和电感的参数可能会发生一些漂移；在测试中也发现有些电容或电感的参数对某些外界条件是敏感的。如果构成频率选择电路的某个器件的参数发生变化，则整个振荡器的在线Q值会急剧地下降，导致振荡器的频率发生突变甚至停振。对于器件参数的漂移，只能通过对器件的严格筛选来控制，对于因温度、电压等外界原因而导致的器件参数短期变化，可以通过配置A.G.C（自动增益控制）电路来修正。值得一提的是，器件中配置有A.G.C电路的供应商少而又少。

3 石英晶体振荡器电路的分析方法及典型失效案例

拿到一个失效的晶振器件，首先要对器件的基本电性能进行分析，以确定失效器件的失效模式，要特别关注各引脚间的IV特性，并将其与好器件对应的数据进行对比。分析器件的电路，必须要对器件进行物理开封。为避免开封后器件的性能发生变化，一定要在开封前将所有可能收集到的信息收集齐，如外观图片、输出波形、稳态工作电流、输出频率和引脚间的IV特性，并通过这些数据初步判定可能的失效原因。

开封后，首先要用S&A 250B判定谐振器是否有故障，需要注意的是，对于恒温晶振中采用的谐振器，其外壳往往被焊到了PCB上，如果直接加热将谐振器拆下，可能会损坏谐振器，这时可以将谐振器的管脚与PCB分开，将谐振器的管脚延长，再对其进行测试。对谐振器进行操作时，一定要保证可以将谐振器复原到原电路中，这样可以保证如果谐振器没有问题的话，可以继续进行正常分析。现在大多数的贴片式普通晶振都在侧端设置了测试点，不用对振荡器开封即可直接测试谐振器的性能，非常方便。

分析谐振器后，就要去寻找振荡电路中的三极管，皮尔斯电路中的三极管的基极和集电极之间会接有一个电容，可以通过这个特性来寻找这个三极管。然后先使用示波器探测振荡器在动态工作时的波形，并将谐振器断开，测试振荡器的静态工作点，并将这些数据与正常器件的数据进行比较，以判定振荡电路是否发生故障，进而判定是控制静态工作点的电路发生故障，还是动态振荡电路发生故障。

如果整形放大电路出现故障，故障现象一般为无输出、输出异常以及输出波形幅度小等。当怀疑整形放大电路工作异常时，可先将谐振器断开，然后测试整形放大电路中比较器的输入端，如无异常，再测试振荡器的输出对地的IV特性或电阻值。如比较器的输入电平异常，则为控制整形放大电路静态工作点的电路发生故障；如振荡器的输出对地的IV特性或电阻值异常，则通常为振荡器输出端过电导致的比较器芯片损伤。

恒温电路的故障判定比较容易，可以通过触摸器件的表面温度等方式来判定，如果加电几分钟后，恒温晶振没有明显的温升；或者加电后，恒温晶振的电流没有大幅度变化的过程，就可判定恒温电路失效。对于此类失效，可先判定加热管是否已损坏，继而对热敏电阻、运算放大器等器件进行分析。此类失效的案例较少，本文就不再累述。

以下通过几个案例来叙述具体的分析过程。

3.1 静态工作点异常的案例

电路参见图4。此失效品，经分析确认失效模式为无输出，将器件开封后，测试谐振器工作正常，然后测试皮尔斯电路中三极管的3个极的波形，发现振荡电路不起振，且失效品的静态工作点与良品的对应数据有差别，可确认为确定静态工作点的电路失效，继而判定出图中椭圆圈内的1 K电阻硫化，阻值变大，导致器件失效。

图4 某19.44 M温补晶振的电路结构图

3.2 动态振荡电路失效的案例

送检失效样品的失效模式是无输出或输出异常。

电路参见图5。对失效样品开封进行电路分析，发现皮尔斯电路的静态工作点正常，比较器的输入电平正常，初步怀疑为电路的动态振荡电路异常，对影响电路的动态状态的器件逐一检查，发现椭圆圈内的电感断路，在X-ray下可以清楚地看到电感线圈与焊盘的断开点。经测试，推测失效原因为：在焊接过程中，电感的线圈接头从其焊盘上脱落。

3.3 压控端失效的案例

此失效器件在应用电路上的失效现象是失锁。影响锁相的晶体振荡器参数有：压控端阻抗、压控线性度和牵引范围，所以本次分析主要从这三个方面着手。

电路参见图6。经测试，器件的失效现象为器件输出频偏，压控端失效或牵引范围很小，压控端阻抗不为∞（由电路图可知压控端阻抗的理论值应为∞）。但失效样品在开封后，电参数均恢复正常或接近正常。对样品的谐振器引脚的焊盘区域进行扫描电镜分析，在其焊盘外侧发现了大量的Sn成分。由于PCB边缘的这些Sn成分的存在，使得本来应该绝缘的A点，对地出现了一个电容和一个几兆欧的电阻；由于这个电阻的存在，压控电压从直接加到压控二极管，变成了6.8 M电阻和RGND电阻分压后再加到变容二极管上；由于这个电容的存在，使得输出频率随压控电压变化而变化的速度变得很缓慢。当器件加了外壳后

由于外壳的存在，缩短了A点对地的直线距离

使得这个几十兆欧的电阻变成了几个兆欧，大大降低了加到变容二极管上的电压，使得器件的压控范围变得很狭窄，并且输出频率接近于当压控电压为0 V时的输出。

3.4 整形放大电路失效的案例

送检的失效样品，一个为无输出，一个为输出波形异常，一个样品的输出波形的高电平偏低。

对样品管脚间的IV特性进行分析发现良品的输出端对地的电阻应为∞而3个失效品的输出端对地电阻均不正常，分别为10.6 Ω，15.03 kΩ和63.5 Ω。将样品开封后，测试皮尔斯电路的静态工作点和动态工作状态均正常。因振荡器的输出端对地的电阻偏小所以初步怀疑为整形放大电路中的比较器芯片出现故障，用好的比较器芯片更换失效品中的对应器件，此3个失效品均恢复正常。对失效的比较器芯片进行分析，在其芯片内部均发现过电的痕迹。可知此器件的失效原因的是由于振荡器输出端过电导致比较器芯片受损而产生的器件失效。