老化与高温储存对活化能Ea晶体谐振器件影响及产品寿命评估

T HE S T U D Y O F A CTI VA TIO N ENERGY(1EA)BY
A G I N G A N D H I G H TEMPE RAT URE STORAGE FOR QUARTZ RESONATOR ’S L I FE E V A L U A T I O N
C hu n ．n a i l S HE N ，X i a o -w e i YA NG ，Co lin CHAN G,Mi n-c hi an g CHAO
TXC(mNGBO)Corporation,189 Huangsh an Wes t R d ,B e i lu n D ist ric t,Nin gbo ,Zh 可
ia ng 31580仍China E —mail ：{obi —wall ，nxiaoweiyang ，ncolin ，chaomk}@txc ．comAw
TIlis pa pe r studied the mechanisms and models of activat ion energy(Ea)based o n the experiment data from
qu ar tz re so n at or long-term aging and high temperature s to ra ge ．F urt he rmo re ，t he product’S hfc could be
for ec ast ed u nder the thermal and bias acce l er at ed
e nv ir on m en t ．5．0 ISiS×3．2 i n l n metal seal ed qu ar tz res on at ors were used for case s tud y ，it ind ic at ed the ac tivati on ene 唧o
f high temperature s to ra ge which only effec ted by thermal a c ce le r at io n factor iS higher than agin
g one ．The activation energy of long·term aging shows cube decay tendency when thermal and bias accel era tors bot
h exist,that would dr am a t
i ca ll y reduce the pr ed ic te d a c c u ra c y of product lire ．The a ctiv ati on energy of cu rre nt manufactured 5．0 rain ×3．2 rflm metal
seale d quar tz r e s o n a t
o r was confirmed as 0．578ev by regress ver ification according to the Arrhenil Is ac ce le r at ed theory ．85℃for 7day s ac ce le ra te d aging Can pred ic t and guarantee which iS equiva len t a s
continue operation for 0．83 y e ar at 25℃w it ho ut fail ．
Keywo rds ：Ag ing ，Hig h Te mpera ture S to ra ge ，Ac ti va ti on Energy ，Quartz
Resonator
老化与高温储存对活化能0Ea)fi 体谐振器件影响及产品寿命评估
沈俊男杨晓玮张建聪赵岷江
台晶(宁波)电子有限公司
电子邮件：{obi-wan ，nxiaoweiyang ，ncolin,chaomk}@txc ．C0tlLtW
本文透过长时间(10ng -te rm)的可靠性老化(Op er ati on Li re)与高温储存(H igh Temper S tora ge)定义出影响晶体谐振器 (Quartz Resonato r)活化能i f ．a)的机制与模型，进而可预估热或电压加速环境作用下对产品寿命的影响。

此预估模 型仅针对5．0 mmx3．2 alia 的金属焊封晶体谐振器，并指出在纯粹仅有热加速因子的高温储存相对起同时有热与 电压的可靠性老化有着较高的活化能；在热与电压两项加速因子影响下，活化能会随着长时间老化的作用呈现
递减的趋势，进而大幅增加产品寿命预测的不合理性。

现有台晶(宁波)鼋子5．0ram x 3．2t ar o 金
属焊封晶体谐振器 的Ea 值经回归验证分析后确认为0．578eV ，通过阿伦尼斯(Arrhenius)加速寿命理论，可预测并保证经过可靠性 老化85℃@168hrs(7天)的产品等效该产品于25℃连续工作7389hr s(0．83年)不失效。

关键词：老化，高温储存，活化能，晶体诣振器
1．可靠性温度加速因子与等效寿命预估
(Arrhenius)研究材料间交互扩散行为所提出的温度加 电子元器件制造商在成本考虑下往往不会对产品进
速因子(Temperature Accel era ti on Factor ，AFT)为圭臬， 行长时间的常温测试来确保产品的使用年限，因此电 如公式(1)所示。

其中AFT 为温度加速因子，KB= 子元器件一般皆通过可靠性加速试验[1，2，3】来对产
8．616×10弓(eV ／oK)为波兹曼常数(Boltzmann’S 品的有效寿命进行预估并保证，此间最广泛应用于预 constant)，T 《。

K)为加速环境温度，T 《oK)为常温工作
估被动式元器件的等效年限公式，乃依据阿瑞尼斯 温度，Ea 为活化能。

宏观晶体谐振器的可靠性测试条 件不外乎为125℃，105℃，85 oc_--个温度，由公式(1) 『丝．f ，上』11 可明显得知晶体谐振器的Ea 值才是决定其等效寿命
AFT=ek 勋L 孤死j 』
的关键参数，因此本文提供两种有效的活化能评估手
978一l -4244．9821-5／10／$26．00◎2010 IEEE
118
法来求得晶体谐振器的活化能，表1为当加速温度为¨
与产品等效寿命评估的影响度。

Lh：。

-n．．．眦湖—d"042搿I岫I
125"C时，试算Ea值由0．7(ev)变化至0．3(eV)对AFT ∞
舶
舢
TL(℃)TH(℃)Ea(eV) K(eV／。

K) Tu(。

K) Ta(。

K) A F T∞
251250．7000 8．617。

10。

298398943．17
枷
▲‘‘‘‘：．．：．00·。

’、·-—i．．．_。

—i．．251250．6000 8．617·10—5298398354．53
一Edd一毫
251250．5000 8．617t10’5298398133．26
舶
251250．4000 8．617·10。

529839850．09枷I：；：i}r二i面习▲▲▲-：：：：：：：?·：．．7．．．
一“．·i，／，
251250．3000 8．617·10—529839818．83|¨·l u o三l一‘▲‘
舶J▲125℃l
舢根据可靠性对AFT的定义，当其值为18．83时0 5 1015202530354045即表示该产品于加速环境125"(2@l单位时间等效于T i m e(d a y s)
259C@18．83单位时间，由此可清楚得知晶体谐振器图1．5．0m m×3．2mm金属焊封晶体谐振器老化1000 hrs频偏活化能(Ea)的真值对产品寿命评估有着极大的影响性，
亦是台晶(宁波)电子身为晶振制造商不得不面对与必本文特别选取对产品可靠性较具代表性的时间须研究议题。

点168hrs(7天)，336hrs(14天)，504hrs(21
天)，744hrs(31天)，1000hrs(约42天)进行活化能讨论，并
2．动态老化实验求取产品活化能Oga) 透过公式(4)对图1于125"C，105℃，85℃的实测频偏
取对数作为Y轴，温度取倒数作为x轴，即可透过线 1990年后随着电子元器件的蓬勃发展与应用，相信晶性关系求得斜率与Ea。

不同老化作用时间下的Ea 体谐振器制造商皆有其可靠性预计模型与理论，但基值如图3所示，可明显看出Ea值会随着长
时间老化于晶振产业的特殊性，其不同于电阻与电容的活化能的作用呈现递减趋势，随者Ea值由
0．578eV到
已公定为标准值且可藉由互联网查找，迫使探讨晶体0．200eV的大幅变化，产品在表2的等效寿命估算下谐振器活化能的文献不得不追溯早先学者们的研究有著截然不同的√婀表现。

成果【4，5]。

动态老化(Dynamic Aging)为晶体谐振器
在高温作用下亦透过RLC振荡回路设计使得外加
电流得以对器件产生连续工作，老化频率的偏移可
透过公式(2)表达为电流，温度，时间的关系式[6】
竺刍(f，T，f)=尺(f)．R(r)．尺(f)(2)
)
由于影响电流的机制受到RLC振荡回路匹配性与
IC 集成电路自身老化的影响，故在假设R(i)忽略不
计的前提下，公式(2)可简化表达为公式(3)【7】
等p，f)=R(丁)．1n(1+bt)(3)
)
f一-Ea]
当中尺(r)=C·eLn川，若不考虑时间的影响公式(3)
1，T
可表达如公式(4)所示，即频率偏移与温度作用的关系图3．不同老化作用时间的产品活化能
式为
In笪：InC一丝．!(4)表2．产品85"c下温度加速因子的等效寿命估算
f KB T TL(℃)TH(℃) Ea(eV) K(e V／。

K) Tu(。

K) Ta(。

K) A F T
25850．5780 8．617·10。

529835843．49 2．1．老化实验设计
25850．3724 8．617"10’529835811．37本文透过QASH-1000动态老化设备对5．0ram×25850．3109 8．617"10。

5 2983587．61 3．2mm金属焊封晶体谐振器，取样60产品进行125℃，25850．2699 8．617·10‘5298358 5．82 105"C，85。

C长达1000hrs(约42天)的频率实测，结果25850．2004 8．617"10—5 2983583．70如图1所示
119
2．2．阿瑞尼斯预测模型与活化能(Ea)回归验证表3—3．105℃／85℃阿瑞尼斯模型回归验证
1 05℃MS85℃Verification
为了能准确定义并验证E a真值的合理性，进一步将Fo rm ul a Predi甜oN
R e a Ea R e a Ra t i o
b y
E a箍麴躐0372427O31090802698960200391N A
等效时间的影响性内入考虑，当公式(3)中的bt>>l时，714213142N A
可得到频率偏移同时为温度与时间的关系式，如公式
△7厂7 3．21291320701517281991．5002311138833．84529
(5)，公式(6)所示，其中b为常数。

△7／142．3690431．5264271．2742891061960．821 3222．411959
△7／21 2．0S35373231410458109588750．711942．123997
A，
三zL-=R(T)Inb+R(丁)(f) (5)△7／31 1．82Ⅸ}361730760．979305085012406311951．954337
J 圈嘲隧嘲1．6727110777650．89973707810520．579911．655865
旦推测造成预测模型差异的原因可能是125℃高温
Af
王=C．e Ka‘r．1Ilt(6)
下不纯粹只有晶体谐振器在进行老化，亦包含了RLC
j”
振荡回路或I C集成电路的持续衰老进而对活化能产参考文献【7】假设高温频偏与低温频偏比值对老化作生了影响。

为了能更有效表达验证模型，透过公式(8)
用的影响，即可将公式(6)表达如公式(7)
对表3的高低温频偏比取作为Y轴，活化能作为X 轴，圹万尼：笠L，and厨：笠三
绘得图4和图5，可清楚看出当回归验证模型的拟合
}’)’时间愈长，虚线透过阿瑞尼斯模型推得的高低温频偏
比会愈接近实测值，因此台晶(宁波)电子认定5．0mm ：堑：坠．P罢【去一面1=工=——·P”u‘”／=A m(7)×3．2mm金属焊封晶体谐振器透过动
态老化测得的有
万龙IntL IntL一
效的Ea值为0．578eV。

其中tH为短期高温作用的时间，tL为长期低温作
用的时间，且为了方便验证不同Ea值下高温频偏
与低温频偏的比值，公式(7)可另行表达如公式(8)所
示
AA：堑：坠．exD土f上一上kEa(8)=—o=——·——l——一——I L5J
万厄In红一K B I TL TH J
此时即可将图3求得的Ea值带入公式(8)模型中将
其与老化真实测得的高低温频偏比进行回归验
证，125℃／85℃，125℃／105℃，105℃／85℃三者回
归验证的结果如表3．1，表3．2，表3-3所示。

纵
观表3的高低温频偏比不难发现，与125℃有关的
回归验证模型当其Ea值愈低时会使得模型计算与
实测的高低温频偏较为接近，唯有表3．3的105℃
／85℃验证模型中有最高的Ea值，即相对高的AFT
值。

表3．1．125℃／85℃阿瑞尼斯模型回归验证图4．高温7天与低温7天回归验证模型比对
1 25℃VS85℃Ve ri fi cat io n
F o r "nula Pred icti orl b y R e a I Ea R e a I Ratio
714213142N A
E a0578013037242703109080．200391N A
强圈黼1503107968485480850887．01髓78521”126．49192205
△7／14 11 083177141131596154451751523．8424163．33∞5441
△7／21 960712861900865．1675944．4859333．3306892．73223042
△7／31 851753854880394．58151339771622．95：挎39 2．3915∞77
△71427．8254955．04214420926936540212．7130161．91014095
表3．2．1259C／105℃阿瑞尼斯模型回归验证
125℃vs 1 05℃V er if i ca ti on
F o r m u l a P r e d i ct io n b y R e a Ea R e a I Ratio
714213142N A
Ea0578013031090802698960．200391N A
△7厅27041361．74233494545322626640．9374951．6∞279
△7／149938961．2847，141．07250．93102606912621．383131
萄醢蘑蓬7283521．113615409296660．80703306992011．286363
△7／31 1．532331O．9873150824228O7155040．5312431．223733
△7／421．407831 0．∞7供1650．757260．657370．488081．153561
图5．高温7天与低温42天回归验证模型比对
120
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