晶体振荡器频率漂移失效分析

杨洋，蔡良续，路浩天，卢晓青

（中国航空综合技术研究所， 北京 100028）

晶体振荡器频率漂移失效分析

杨洋，蔡良续，路浩天，卢晓青

（中国航空综合技术研究所， 北京 100028）

通过对某型晶体振荡器失效模式进行分析，结合密封性检查、扫描电子显微镜检查和能谱分析等失效分析试验结果，对该晶体振荡器频率漂移的失效机理进行研究。发现器件密封性不良是导致器件失效的根本原因，并对器件密封性工艺的优化提出建议。

晶体振荡器；频率漂移；密封性；失效分析

0 引言

石英晶体振荡器由振荡器与振荡回路构成，简称晶振或晶体振荡器，是一种高精度的振荡器。控制频率的振荡器被称为石英晶体谐振器，简称晶体或晶体谐振器，其基本结构由石英晶片、电极、支架和外壳组成。石英晶片是晶体的核心部分，电极附着在晶片两面，晶片与支架之间用导电胶粘连[1]。 由 于 晶 体 自 身 的 品 质 因 素 很 高 ， 因 此 其 频 率 的稳定性很高，被广泛地应用于各类振荡电路，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和特定系统提供基准信号。优点是体积小、重量轻、寿命长，有极好的短期频率稳定度[2]。 目 前 已 极 其 广 泛 地 应 用 到 火 箭 、 卫 星 、 导弹和飞机等航天航空领域，具体包括航天器系统、推进器系统、地面发射和控制系统等。

本文通过对某石英晶体振荡器进行失效分析试验，得出晶体振荡器频率漂移的基本原理。

1 失效分析试验

1.1 失效情况描述

某石英晶体振荡器， 经过 3 次回流焊 （260℃， 10 s）试验、 超声波清洗、 高温高湿 （温度 85℃、 湿度 85%）存储 1 000 h。 前两项试验后进行性能测试，未发现问题。完成高温高湿试验后，进行性能测试， 发现产品输出频率偏离 10 MHz中心频率-3.1 ppm （合格判据为-0.5～0.5 ppm）。

1.2 非破坏性检查

1.2.1 外观检查

使用光学显微镜，对失效样品表面进行外部目检，未发现样品表面有明显的缺陷，其外观形貌如图1所示。

图1 失效样品的典型形貌照片

1.2.2 X 射线检查

使用X射线三维CT系统对失效样品进行X射线检查。未发现明显的结构异常或断线缺陷，结果如图2所示。

图2 失效样品X射线照片

1.2.3 高低温测试

将失效样品进行常温 （25 ℃）电测试， 频偏为-3.1 ppm， 失效现象复现。 将失效样品和两只合格样品进行高低温测试， 测试温度从-40～85 ℃，每 10 ℃保温 20min 采集一次数据， 测试合格判据为-3～3 ppm， 测试结果如图3 所示。 经测试发现，合格样品在整个测试过程中，频率比较稳定，而失效样品在低温条件下频率会出现明显的漂移突变，最大偏移值为-5.9 ppm。 器件内部水汽含量较高时 ， 在 低 温 条 件 下 出 现 凝 露 现 象[3-4]， 导 致 晶 体 频率漂移，试验结果与该现象相符，由此判断失效器件可能存在内部水汽含量超标。

图3 频率-温度曲线图

1.2.4 扫描电子显微镜检查

使用扫描电子显微镜 （SEM）对样品进行外部观察和拍照。发现在失效样品的顶部封盖焊缝，存在多处裂纹，裂纹位置如图4所示，裂纹的典型形貌如图5所示。

图4 裂纹位置

图5 裂纹 SEM 照片

1.2.5 密封性检查

使用真空检漏压力设备、氦质谱检漏仪和氟油检漏仪对失效样品进行细检漏和粗检漏试验。对失效样品进行细检漏试验， 样品内腔体积小于 0.05cm3， 根据 GJB 548B-2005 要求， 拒收极限值为 5× 10-3Pa·cm3/s。 经 检 测 失 效 样 品 泄 漏 率 为 1 ×10-7Pa·m3/s， 即 1×10-1Pa·cm3/s， 泄漏率超标 。 对 失效样品进行粗检漏发现样品顶部封盖焊缝处有明显的连续气泡，如图6所示，由此可判定失效样品密封性不合格。

图6 粗检漏结果照片

1.3 破坏性检查

采用研磨法将一只合格样品和失效样品开封，利用体式显微镜观察，该晶振内部结构如图7所示。

图7 合格样品与失效样品的内部结构照片

在体视显微镜下，对合格样品和失效样品进行对比，发现晶片的电极层颜色发生变化，失效样品的电极层颜色更加光亮，由此推测在经过高温高湿试验后，样品的电极层表面微小形貌发生改变。

利用金相显微镜，对合格样品和失效样品进行对比，发现失效样品电极层表面存在颜色异常的痕迹，在金相显微镜下颜色呈现黄色偏红的状态，其形貌如图8所示。

图8 合格样品与失效样品内部形貌的光镜照片

对合格样品和失效样品进行扫描电子显微镜检查和能谱分析，失效样品的电极上存在氧元素，但合格样品表面不存在的氧元素， 结果如图 9、 10 所示。

图 9 合格样品与失效样品内部形貌的 SEM 照片

图10 合格样品与失效样品的能谱分析结果图

表1 合格品谱图元素含量表%

表2 失效样品谱图元素含量表%

2 失效机理分析

通过上述分析发现，器件的密封性不合格，在高温高湿条件下，外部气氛进入器件腔体，造成腔体内部的水汽含量高于正常器件。试验中发现失效样品的电极上出现了氧元素，经过分析认为样品在进行电测时，晶片高速振动，在这种条件下水分子在晶体表面不断地进行循环性的凝结蒸发，在局部散发出热量。 由于晶体的主要成分是 SiO2， 因此在石英晶片局部将发生以下化学反应：

由于 H2SiO3硅酸并 不 稳定 ，因 此 上 述 反 应 不断进行， 石英晶体表面微小区域内的 SiO2不断生成 H2SiO3， 又不断分解成 SiO2，因此在晶片高速振动的情况下， 表面的 SiO2在微小范围内发生了迁移， 晶片表面的部分 SiO2迁移到了电极表面， 导致晶片和电极表面状态发生改变，因此电极在金相显微镜下的色泽发生了改变。对于石英晶片这类高精度加工要求的材料，微小的形貌改变会导致其固有频率等性能参数发生改变，在宏观上表现为晶体振荡器频率参数漂移。

3 结束语

频率参数漂移是石英晶体振荡器常见的一种失效模式，其对应的失效机理多样。本文中的失效样品由于密封性能缺陷，导致内部水汽含量超标，在加电条件下， 晶片表面的 SiO2在微小范围内发生迁移，导致晶片的固有频率发生改变，晶体振荡器发生频率参数漂移故障。

建议在后续的生产过程中，在器件封装前应充分烘烤，并控制好填充晶体内部氮气的水汽含量，对器件的封装工艺进行优化，提高器件密封性，防止外部气氛器件使用过程中进入封装内部。

[1]田 永 盛 ， 杜 良 桢. 晶 振 器 件 电 路 部 分 的 失 效 分 析 研 究[J]. 电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验 ， 2010， 28 （1）： 27-31.

[2]邹 金林.恒 温 晶 体 振 荡 器 失 效 机 理 及 分 析 诊 断 [J]. 电 子产品可靠性与环境试验， 2006， 24 （4）： 19-22.

[3]刘冰， 孙爱中.低温晶体失效故障分析 [J].现代电子技术， 2012， 35 （22）： 125-127.

[4]王庚林， 王莉研， 董立军.电子元器件内部 水汽含量与密 封 性 关 系 的 研 究 [J]. 电 子 元 器 件 应 用 ， 2009， 11（2）： 78-81.

[5]GJB 548B-2005， 微 电 子试 验 方 法 和程 序 [S].

霍尔公司推出军民用航空电子的感应集成电路

美国加利福尼亚州的霍尔特集成电路公司最近推出了一种用于军民用航空电子的 HI-8437 型 3.3 V 32 通道的离散-数字的感应集成电路 (IC)。 该IC 具有 SPI接口和低阈值感测功能。 感测输入阈值和滞后是可编程的， 通过 20×106Hz 的 SPI 端口 ， 范 围 从 0.4～5.2 V， 每 阶 梯 100 mV， 用 一 个SPI命令可以读出 32 个感应输出状态。 此外， 该器件具有内置的感应输入防雷保护。 32个感应通道分为 4 组， 每组 8 个输入，每组通过 SPI端口可独立配置。 用户可使用一个器件实现 32通道的方案，或用几个 HI-8437 器件通过芯片选择实现在一个 SPI端口上增加通道数量。 该器件的工业温度范围在-40～85 ℃， 扩展的工作温度范围为-55～125℃。

（摘自国防科技网）

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

杨洋 （1986-）， 男， 四川成都人， 中航工业综合技术研究所工程师， 硕士， 主要从事元器件筛选、 DPA 和失效分析等工作。