浅谈晶振的原理与可靠性测试方法及对自动化生产设备改进的探讨

浅谈晶振的原理与可靠性测试方法及对自动化生产设备改进的探讨

摘要对音叉型低频率晶体振荡器的原理和现场可靠性测试方法以及由此对自动化生产设备改进的探讨,作简要分析。

关键词自动化;晶振;晶片;压电效应;等效回路;动态电阻;静态电容;串联谐振;并联谐振;回流焊接;起振;发振;真空封装;气密性;微调整;标称频率;治工具;可靠性测试

石英晶体振荡器简称为石英晶体或晶体、晶振(以下简称为晶振)。因其频率稳定度高这一特点,故在电气领域中一直占有重要的地位。晶振在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准,是目前其它类型的振荡器所不能替代的,因此晶振又被誉为工业的“食盐”。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度化,是移动电话、手表、数码相机等为代表的便携式产品对晶振提出的更高要求。另一方面,晶振在发展过程中,也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。因此通过可靠性测试方法来支持自动化设备不断的技术改造、创新,才能使晶振在保持行业要求趋势的同时拥有更高精度和稳定度,在延长其寿命周期的同时可靠性也得到保证,从而在竞争中占有优势。

1.晶振的基本原理

1.1晶振的结构

晶振是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形、音叉形或圆形等),通过真空蒸镀等工艺在薄片上生成两个电极,通过回流焊接把两个电极连接到管脚上,频率微调整后封装上外壳就构成了晶振。为防止Ag电极被氧化,降低晶振的动态阻值,通常封装是在真空中进行。

1.2压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。切割方式有AT,BT,XY,DT,CT,SL六种。下文基于XY切割方式的音叉形晶振进行分析,这种方式切割出来的音叉形晶片频率范围在16～150kHz,适合生产标称频率为32.678kHz的计时用晶振。

1.3等效回路

在电气上晶振可以等效成一个电容C1、电阻R、电感L组成的串联支路再和一个静态电容C0并联的二端回路,这个回路有两个谐振点,即:1)当L、C1、R 支路发生串联谐振时,它的等效阻抗最小(等于R),串联谐振频率用fs表示,石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯阻性。2)当频率高于fs时L、C1、R支路呈感性,可与电容C0发生并联谐振,并联谐振频率用fd表示。根据晶振等效回路的电抗—频率特性曲线可见,当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联谐振频率fd时,石英晶体呈容性。仅在fs

2晶振的可靠性测试

虽然晶振相对其他类型的振荡器具有频率稳定度高的特点,并且目前在很多领域是其它类型的振荡器所不能替代的,但是其在制造过程中仍有不少因素可以导致晶振成品存在不稳定的现象。因此收集现场可靠性数据,进行可靠性评估,找出影响晶振稳定的因素,从而对人员作业方法及设备的维修或改造进行评估、对策,以改善成品晶振的稳定性就显得尤其重要。晶振的可靠性测试主要有以下六种:真空蒸镀膜的稳定性,回流焊接稳定性,真空封装气密性,频率微调整时的稳定性,耐热稳定性,耐冲击稳定性。

2.1真空蒸镀膜稳定性的测试

利用晶振的压电效应原理,要使晶振能工作,必须要在晶片上镀上两个对称而不导通的电极膜。通常在高度真空状态下利用大电流把金属升华到蒸气状态,装在固定夹具上的晶片在其中均匀的旋转而被蒸镀上金属膜电极。所蒸的膜成分依厂家而不同,通常由里往外依次是Cr层、Cr/Ag过度层、Ag层,有的厂家还用到Sn。电极膜蒸镀的稳定性好坏会造成晶振不发振或发振不稳定。因此要测试的项目有:膜是否变色,膜是否完整,膜是否熔点过低,两个电极膜是否导通,膜过厚、过薄。

2.2回流焊接稳定性的测试

在把晶振两个电极膜通过回流焊接到两个引脚上时,其焊接的稳定性至关重要。如果焊接位置出现大偏移,则后面的频率微调整无法顺利完成而达不到目标频率值,或者封装时晶片与封装壳间的距离过小而接触或发振时接触,导致停振或发振不稳定。焊接时焊剂无法达到熔点造成的虚焊,或单电极焊接都会导致晶振无法起振或起振困难、起振后因动态电阻过大不稳定。因此必须对焊接稳定性做现场测试,主要测试项目有虚焊,单电极焊接,焊剂过多、过少,晶片位置偏移,焊接温度过高损伤电极膜。

2.3真空封装气密性测试

通常晶振具有稳定性高、寿命比较长的特点,这得益于真空封装时的气密性良好。高度真空下封装好的晶振可以有效减小晶振在谐振时的空气阻尼,大大的减少谐振时的动态电阻值,从提高晶振的稳定性、降低晶振的功耗。另一方面,真空封装也使得电极膜被氧化的可能性大大降低,从而延长了寿命和及寿命期内的稳定性。因此必须对真空封装进行气密性测试,主要项目有:封装尺寸是否偏差过大,封装是否漏气,封装内否有气体。

2.4频率微调整时的稳定性测试

频率微调整是频率调整的最后一步,因此其稳定性关系到晶振在成品后的稳定性。频率微调整时能达到目标值±5ppm以内,那么封装、加热后基本能达到±20ppm以内,而频率微调整时偏离目标值过大会导致成品晶振频率偏离标称频率的公差过大不符合要求。因此必须对频率微调整的稳定性进行现场测试。主要测试微调整后的半成品频率是否达到目标值要求范围内。

2.5耐热稳定性测试

晶振在实用或实装中难免会遇到一些温度较高的场合,因此要求晶振在一定的高温范围内仍具有高稳定性。通过现场测试把握晶振的耐热稳定性。主要测试方法如下:取样品加热前测量F值、R值,把样品放到加热炉内在一定温度下恒温加热一段时间后取出冷却到常温时测量F值、R值,对加热前后的F值、R值进行统计分析、评估。通常进行的耐热性测试有12H×150℃、24H×80℃、500H×120℃、1000H×150℃,回流耐热10sec×260℃等,依客户要求而不同。

2.6耐冲击稳定性测试

晶振在实用中难免会受到一些冲击和振动,因此要求晶振具有一定的耐冲击、振动稳定性。通过现场测试把握晶振的耐冲击稳定性。主要测试方法如下:取样品冲击前测量F值、R值,把样品在一定的高度冲击到硬木后测量F值、R 值,对冲击前后的F值、R值进行统计分析、评估。通常进行的耐冲击测试有75cm×1次、100cm×3次,用振动机进行振动等。

3对晶振自动化生产设备改进的探讨

通过对晶振的现场可靠性测试结果进行系统分析、评估,对由设备及辅助生产设备引起晶振不稳定的情况进行一些改进的探讨。

1)加强真空蒸镀膜设备检漏、堵漏及改进抽真空设备的能力,使设备能达到更高的真空度,把抽真空、真空检测、蒸镀膜、膜厚监查等联成自动化的一体,这样可以最大程度上防止膜变色、膜过厚过薄、膜熔点过低等不良。加强晶片蒸镀膜用夹具的检修可以最大程度上防止膜不完整、电极膜导通。2)加强回流焊接用治