LST晶体滤波器失效分析与控制
2016-10-25孙永宾,裴鑫,毋伟刚
LST晶体滤波器失效分析与控制
晶体滤波器是由单片晶体谐振器,匹配电感和电容组成的网络,与LC谐振回路构成的滤波器相比,晶体滤波器在频率选择性、稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多,具有阻带衰减大、短形系数好、体积小等特点,在整机应用中对提高灵敏度和抗干扰能力起到极其重要的作用,广泛用于通信、导航、测量等电子设备中。近期用户反馈在检查设备时,发现整机功率下降,故障率增加,无法正常工作,经常温下测试晶体滤波器LST插入损耗增加,通带波动变大,传输信号受阻,因而影响整机增益下降。
失效定位
通过对4个产品测试数据分析、曲线对比确认是输入曲线的高频端,传输曲线下陷,造成插入损耗和通带波动指标超差,即插损与波动指标超差是造成整机增益下降的主要原因。
机理分析
图1为该产品的总装结构图,图2为该产品相关部分工作等效电路图。
由产品相关部位原理图可以看出,产生此类现象的主要相关因素有:晶体、电容、电感三种元件。以下主要是对相关元件的测试分析与确认。
晶体元件
晶体元件是属于该产品的核心元件,它的加工质量和长期工作能力直接决定了成品滤波器的各种电气特性。由于反馈的产品问题主要在插入损耗和通带波动上,根据滤波器设计相关理论,在晶体指标中有以下几种指标会影响到这两项指标:
a.晶体频率长期累计漂移 b.晶体等效电阻累计漂移。
根据晶体长期工作的特性,有以下理论:
(1)绝大多数晶体元件产品频率老化曲线为对数曲线,在一定时间(一个月)后,晶体的频率漂移接近于很小的数值,一般小于2ppm/年。
图1 总装结构图(俯视)
图2 产品相关等效电路图
图3 电感线圈生产处理过程
图4 过程分析图
(2)晶体等效电阻的长期老化曲线为无变化或少量波动。
(3)晶体长期工作时,发生频率和电阻大的漂移原因为产品密封不符合要求。
根据以上理论对反馈产品的晶体元件进行了以下检查:
(1)晶体元件电气特性检测
使用石英晶体元件检测系统:250B π网络测试系统,对反馈产品使用石英晶体元件进行检测,并与设计要求进行比较,未发现频率偏移与等效电阻有超规现象。
(2)密封特性检测
使用气密精密检测法:氦质谱检漏法对反馈产品使用石英晶体元件检测,以确定该元件的气密特性。经检测,未发现石英晶体元件有气密不良情况存在。
通过以上分析与检测,初步判定产品不良原因与石英晶体元件无关。
电容元件
电容元件在电路中的主要作用为:调节石英晶体元件负载电容,使其工作在设计的谐振频率段,与电感元件共同作用,展宽滤波器产品的工作频率。使用不同温度组别的产品,补偿石英晶体滤波器的温度工作特性。
由以上理论,结合产品出现的异常现象为:产品在各个温度几乎同步出现异常,初步排除电容类产品可能出现异常。经检测拆解元件,测试值与设计要求基本一致。
电感元件
电感元件在电路中的主要作用为:与电容元件共同作用,展宽石英晶体滤波器产品的工作频率;在输入、输出过程中,完成阻抗匹配;调整和匹配石英晶体元件的负载。
由于石英晶体元件为特殊定制产品,对电感匹配特性要求敏感。滤波器使用电感产品加工量小,规格复杂多,难以采购。由以上原因,该成品使用的电感元件为手工加工,使用具有一定磁通量的磁芯绕制。
电感线圈生产处理过程如下:
分析电感线圈对产品长期工作特性中插入损耗和通带波动的影响,主要有:
(1)电感线圈的电感量漂移,造成产品频率传输特性漂移。
(2)电感线圈的互感量漂移,造成阻抗匹配异常,影响传输效果。
造成电感线圈电感量/互感量漂移的主要原因有:
(1)使用磁芯磁通量的长期变化。
(2)手工绕制品,线圈固定松动。
鉴于以上理论分析和测试,初步判定异常原因为:电感线圈在长期工作后电感量/互感量漂移。为判明产品漂移发生点,对产品开启后,进行了以下试验:
(1)调节替换输入输出匹配线圈,观察产品传输图形变化,未发现传输图像有明显变化,仍为异常。
(2)调节原理图中的C4电容容量,发现匹配容量加大后,传输曲线有恢复正常的现象。由此判定,组合中的元件C4 //L4 存在变异。对拆解品进行电感量复测,虽然测试结果符合设计要求,但接近设计下限。经了解该批产品加工过程得知,06年该批产品加工周期紧急,产品开发周期短,在线圈老化时间上,没有后期加工采用的时间长,个别产品可能存在不充分的因素,在长期工作后,线圈电感量变化,导致成品测试传输曲线异常。相关过程分析图如下:
机理分析结论:手工绕制的电感线圈L4在长期(8年)工作/储存后,自然老化,匹配失谐,导致成品测试异常。
3 问题复现
使用测试值OK的L4产品替换反馈异常产品的C4//L4组合中的L4,调整C4,同时观察传输曲线,可以发现,传输曲线有从轻微不合格到合格再到轻微不合格的变化,证明C4的覆盖范围正常。将反馈异常产品的L4替换到传输曲线正常的产品上,再测试其传输曲线,曲线有恶化趋势,调整C4加大后,传输曲线可以恢复正常。
通过上述试验,确认电感线圈L4的电感量变化是导致晶体滤波器指标超差,整机增益下降的主要器件。
结语
此次反馈异常为2006年生产,其后,根据生产情况和认知提高,已于2008年~2010年,两次调整生产准备时间:精心挑选性能稳定的磁性材料,将磁芯老化时间加长,增加温度冲击循环次数。
针对客户端的长期工作需求,增加生产准备时间和线圈数量,增加成品储存时间:根据客户需求预测,提前准备和老化自制线圈,减少产品后期老化漂移量。在上述措施实施后,滤波器产品的相关投诉已减少很多。据统计2012~2014年,因老化时间问题导致的质量投诉已减少为零。这说明方法得当,措施有效,达到了预期目的。
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.014