宇航用晶体谐振器失效模式及质量保证研究

韩宝妮，文平，李海岸，董作典

（西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100）

0 引言

石英晶体谐振器是利用具有压电特性的石英晶片镀上电极而制成的谐振元器件。在航天领域，石英晶体谐振器是晶体振荡器、晶体滤波器等各类频率控制和频率选择器件内部的核心元器件。随着航天技术的不断发展，对宇航用频率控制元器件的性能要求越来越高，频率控制元器件除了要具有高的频率精度和频率稳定度外，还应具有低相噪、低功耗、小尺寸和抗振性能好等特点。这就要求晶体谐振器生产商不断地优化内部结构，对产品的不同性能参数折衷地考虑，以满足不同用户的要求[1]。

对于航天用户而言，元器件的质量和可靠性是“凌驾”在其性能之上的。在元器件性能满足用户需求的前提下，可靠性是航天用户和质量保证工作者首要关心的问题。本文系统地分析了晶体谐振器的失效模式，对较为复杂的失效机理进行了阐述。最后，提出了针对性的质量保证控制措施和应用建议，以确保晶体谐振器在宇航应用中的可靠性。

1 失效模式

1.1 可能的失效模式

基于晶体谐振器的固有结构、性能特点，结合宇航元器件以往的失效案例，归纳总结出晶体谐振器可能的失效模式主要包括以下几个方面。

a）晶片破碎或开裂

当晶体谐振器受到较大的外部应力时，例如:从高处跌落、受到较强的冲击或振动等，内部晶片可能会发生破碎或开裂，从而导致晶体谐振器无法正常工作。

b）输出起振于寄生频率

晶体谐振器除了具有主振模和主振频率外，还存在寄生模和寄生频率。寄生频率会导致输出频率错误，寄生本身也会使得晶体谐振器的频率温度稳定性变差。因此，抑制寄生振荡是设计每个晶体谐振器时首先需要解决的问题。

c）激励电平过大引起的输出频率跳变

当施加在晶体谐振器上的激励电平过大时，会引起非线性效应，从而导致器件的等效电阻变大或频率跳变，同时激发不必要的寄生振荡，使得晶体谐振器的性能参数尤其是频率温度稳定性指标恶化。

d）激励电平过小引起的起振慢、指标不稳定

当施加在晶体上的激励电平过小时，可能会造成晶体起振阻力不易克服，启动慢或指标不稳定。

e）晶片与导电胶粘接处存在裂纹

晶片与其支架的安装是通过导电胶粘接实现的，晶片与导电胶粘接界面部位存在结构应力。当存在外界机械或温度应力时，在晶片与导电胶粘接部位处可能产生微裂纹，从而导致晶体谐振器等效电阻变大，频率改变或工作异常。

以上所述为晶体谐振器可能的失效模式。其中，晶片破碎或开裂在宇航元器件失效案例中属于低层次质量问题，通过规定针对性的预防控制措施，例如:要求晶体谐振器内包装必须具有防静电缓冲泡沫层，器件在转运、测试等各个环节中应轻拿轻放，防止跌落，对于意外跌落的晶体谐振器，应剔除并禁止使用等，即可基本上完全解决。另外，由于激励电平过小引起的起振慢、指标不稳定这种失效案例在近几年也鲜有发生，一方面，是由于这个问题在早期已经被给予了足够的重视；另一方面，当晶体上的激励电平过小时，其频率准确度、等效电阻等性能参数指标将会不太理想，为了达到优良的性能指标，用户在使用晶体谐振器时施加的激励电平往往不会太小，反而容易过大。

对于输出起振于寄生频率、激励电平过大引起的输出频率跳变和晶片与导电胶粘接部位存在裂纹这3种晶体谐振器的失效模式，在近两年的宇航元器件应用中都较为常见。2015年，某型号由于晶体谐振器起振于寄生频率，导致整机开关机时频率输出异常；2017年，某型号用晶体振荡器电路在调试时，对其内部晶体谐振器施加的激励功率过大，导致在高低温试验过程中，晶体谐振器输出频率发生跳变，这种跳变通过外围放大电路放大后，造成整机电路失效；2015年，某型号晶体谐振器由于内部晶片与导电胶粘接部位存在裂纹，发生停振，导致整机电路工作异常。这些失效案例中，由于晶体谐振器的失效，严重地影响了整机电路的性能，下面将对它们的失效机理和产生原因进行分析。

2 失效机理

2.1 寄生

宇航用晶体谐振器按照晶体的切型可以分为AT切和SC切，这两种切型的的振动模式均为厚度切变，其谐振频率只与晶片的厚度有关。根据能陷理论，晶体谐振器在正常工作时，其能量主要被限制在两个电极之间，实际上，晶体在谐振时，除了厚度切变振动这种主振模式之外，还同时存在寄生振动模式，如弯曲振动、扭曲振动等多种振动模式，由于多种振动模式的耦合和相互干扰，就产生了寄生频率。

当晶体谐振器寄生频率的谐振电阻小于、等于或稍大于主振频率的谐振电阻时，即使晶体谐振器应用的外围电路存在滤波或频率选择电路，晶体谐振器在起振时，也有可能起振在寄生频率上。用国产某型号的晶体谐振器按照整机振荡电路组装后进行起振试验，试验结果表明:当寄生等效电阻和主振等效电阻比为0.64时，该只晶体谐振器在进行134次起振试验后，均起振于寄生频率；当寄生等效电阻和主振等效电阻比为1.06时，在起振试验时，晶体谐振器约有2.5%的几率起振于寄生频率；当寄生等效电阻和主振等效电阻比为1.2时，在进行2 000次起振试验后，晶体谐振器均起振于主振频率。

对于寄生，在设计晶体谐振器时，设计师一般会采取优化尺寸设计，例如:修正外形、晶片的长度和宽度等各种方法来抑制寄生振荡。随着用户对晶体谐振器小型化的需求成为一种必然趋势，抑制寄生振荡的设计就变得更加重要。这是因为，随着晶体谐振器尺寸的变小，寄生振动的干扰会加强，且这些寄生振动的存在会导致石英晶体谐振器的Q值下降，同时也会影响谐振器的阻抗、频率-温度稳定度等特性。AT切和SC切晶体谐振器的主振模式-厚度切边模式与温度基本无关，而寄生振动如弯曲振动受温度的影响非常大，因此，寄生振动的存在会影响谐振器的频率稳定度。在外界温度变化时，频率可能会从一个数值 “跳变”到另一个数值[2-3]。

2.2 晶体的激励电平相关性特性

晶体谐振器中晶片机械运动的幅度与流过晶片表面电流的幅度成正比，也就是说晶体谐振器的谐振频率和等效电阻随激励电平的变化而变化，这种变化通常用激励电平相关性 （DLD:Drive Level Dependence）参数表示。国产某型号晶体谐振器的DLD测试曲线图如图1所示。

图1 典型的DLD测试结果 （测试条件：20～100 μW）

从图1中可以看出，在20～300 μW的激励功率下，晶体电阻基本保持稳定；在500～1 000 μW的激励功率下，晶体电阻呈现出线性增大趋势。

当施加在晶体上的激励电平过大时，会引起非线性效应，使得晶体的谐振曲线发生非对称性的变化 （如图2所示）[4]，电流-频率曲线会在激励的电压在谐振峰附近变化时表现出不连续性，从而引发频率的跳变。

图2 激励功率对谐振峰对称性影响示意图

为了验证激励电平对晶体谐振器频率的影响，利用国产某型号晶体振荡器进行试验。对该只晶体振荡器内部的晶体谐振器在调试时施加不同的激励电平，在连续变温的情况下监测晶体振荡器的输出频率跳点。测试结果如表1所示。

表1 不同激励电平下频率跳点测试结果

该只晶振在连续变温条件下的测试典型曲线如图3-4所示。从图3-4中可以看出，当晶体谐振器上施加的激励电平为228 μW时，晶体振荡器产品在变温测试时无频率跳点；当晶体谐振器上施加的激励电平为339 μW，晶体振荡器产品在变温测试时出现了14 Hz的较大频率跳变。

图3 晶振变温测试曲线图 （激励功率：228 μW）

图4 晶振变温测试曲线图 （激励功率：339 μW）

图5 晶体谐振器典型的内部结构图

2.3 晶片通过导电胶粘接安装在支架上的结构应力分析

晶体谐振器主要由镀电极的石英晶片、安装支架和外壳组成，内部的晶片通过导电胶粘接方式与支架连接，内部的典型结构图如图5所示。由于晶片与其支架的热膨胀系数不同，在温度应力的作用下，支架受温度的影响会产生一对径向应力作用于石英晶片的内部[3]，如果晶体谐振器在生产过程中的点胶工艺控制不当，则在晶片与导电胶粘接处可能会产生裂纹。这种裂纹在受到外界机械或温度应力的情况下，可能会进一步地扩展，从而影响晶体谐振器的安装可靠性和频率等性能参数，严重时甚至可能会导致晶体谐振器停止工作。

另外，即使晶片与导电胶粘接处没有裂纹，当晶体谐振器中晶片与支架的安装应力没有充分释放，或在温度或机械应力下突然发生改变时，都可能会造成晶体谐振器的频率、Q值等其他参数发生改变，这种现象已在宇航某型号案例中得到验证。某型号分系统上使用的高温晶振源在力学试验后相位噪声近端恶化，经故障排查、定位和机理分析，得出故障原因为:高温晶振中的晶体谐振器在力学振动应力作用下，其内部的结构应力发生变化，此变化导致晶体谐振器的等效电阻增加，Q值下降，从而导致高温晶振近端的相位噪声恶化。

3 质量控制措施及应用建议

3.1 输出起振于寄生频率的问题

对于输出起振于寄生频率的问题，从质量保证控制角度来讲，可以通过对每批次的晶体谐振器百分百地进行寄生频率的筛选测试，以剔除不满足寄生要求的产品的方式来解决。GJB 2138-94《石英晶体元件总规范》[5]中规定: “所有寄生模都应具有主振模电阻两倍以上的谐振电阻，而且不低于主振模电阻规定值”。通过在质量保证控制中增加100%的寄生筛选测试可从元器件的层面大大地降低晶体谐振器在应用时输出起振于寄生频率这种失效的概率，但并不能完全杜绝此类现象。因为晶体谐振器在应用时，如果外围输出匹配电路调试不当，或施加在晶体谐振器上的激励电平过大 （mW级），同样有可能造成整个电路输出频率异常。因此，建议用户在使用晶体谐振器时，在充分地了解晶体谐振器的寄生特性的基础上，关注晶体谐振器的等效电阻值，在晶体谐振器输出匹配外围电路中，通过选择合适的阻容感元件值，进一步地通过电路设计来抑制晶体谐振器的寄生振荡。

3.2 激励电平过大引起的输出频率跳变问题

为了避免由于晶体谐振器上施加的激励电平过大而导致频率跳变，从应用及质量保证控制的角度，建议采取以下措施。

首先，在应用时应对施加在晶体谐振器上的激励电平进行降额。ESCC-Q-60-11A元器件降额和参数漂移标准[6]中第7.13.1条规定，施加在晶体谐振器上的激励电平不能超过其额定的激励电平。同时，由于晶体谐振器的额定激励电平是指在该激励电平范围内，晶体谐振器不发生非线性效应，且其性能参数满足规定值时的激励电平。实际应用时，尤其是当晶体谐振器应用到晶体振荡器时，鉴于晶体振荡器的性能参数指标的定制性，晶体振荡器生产商应根据每一种晶体振荡器的具体指标要求，尤其是频率温度稳定度和频率/电阻跳点指标，在晶振电路调试时，选择最佳的激励电平施加在晶体谐振器上。这是因为，对于某种晶体振荡器可以接受的频率温度稳定值和频率/电阻跳点值，对于另一种晶体振荡器可能是不能接受的，而频率温度稳定值和频率/电阻跳点值是与施加在晶体谐振器上的激励电平息息相关的。因此，晶体振荡器生产商应根据晶体振荡器的具体指标进行个性化选择。

其次，从元器件质量保证控制方面，可在晶体谐振器的规范中规定对器件进行100%的DLD参数筛选测试，以剔除指标不满足要求或指标变化异常的产品。

另外，对于内部选用晶体谐振器的晶体振荡器，在产品的生产调试环节，应分析测试全工作温度范围内不同激励电平对频率和等效电阻的影响，找出使用时采用的最佳激励电平。同时，在晶体振荡器的筛选试验中，增加100%的频率温度稳定度测试，以及早剔除有隐患的器件。

3.3 晶片与导电胶粘接处存在裂纹及力-频效应

针对晶片与导电胶粘接处的裂纹问题，首先，应从生产过程中进行控制，在晶体上架点胶工序完成后在高温下对其进行烘焙，释放结构应力。同时，应对晶体的生产过程设置关键工序检验点，在晶体上架点胶工序完成后以及产品未封帽之前，由元器件质量保证人员对晶体谐振器进行100%的内部目检。内部目检至少在100倍光学显微镜下进行，以剔除有裂纹的产品。同时，考虑到封帽后的器件要经过筛选检验和考核检验，为了验证晶体谐振器在经历复杂的环境试验后内部晶片与导电胶处的粘接形貌是否存在异常，可在晶体谐振器验收检验时，随机抽取样品进行DPA试验，对样品开盖后进行内部目检。对内部目检放大倍数不足而存在异议的器件，可以借助更高精度的仪器或试验手段如扫描电镜进行检查，进一步地确定晶片与导电胶粘接处的微观形貌。

另外，针对晶体谐振器安装结构引起的应力效应，为了确保安装可靠性，减小结构应力效应对器件性能参数的影响，对于晶体谐振器的性能参数有更高要求或对晶体谐振器有抗振性能要求的用户，建议选用3点及3点以上安装的石英晶体谐振器。

4 结束语

本文对输出起振于寄生频率、激励电平过大引起的输出频率跳变和晶片与导电胶粘接部位存在裂纹这3种失效模式的失效机理进行了详细的阐述，有助于晶体谐振器的使用者更深层次地认识晶体谐振器的振动模态、寄生与器件的温-频效应、DLD特性和晶体谐振器的安装结构应力特性。同时，针对这些失效模式和失效机理，提出了预防性建议，并从质量保证控制角度提出了有针对性的、有效的控制措施，旨在确保晶体谐振器在宇航应用时的可靠性。