高 g值加速度作用下晶振的失效機(jī)理分析?

徐 鵬

(中北大學(xué) 理學(xué)院,山西 太原 030051)

在國內(nèi)、外現(xiàn)有的侵徹加速度測試技術(shù)中,較多采用彈載存儲測試技術(shù)[1-5].彈載加速度存儲測試裝置是由加速度傳感器、記錄電路模塊和電池組成一個整體結(jié)構(gòu),然后再以某種形式與彈體連接,和試驗彈體一起承受侵徹過程中的高 g值沖擊環(huán)境力.在彈體高速侵徹硬目標(biāo)的惡劣環(huán)境中,以上 3部分的存活本領(lǐng)面臨極大的考驗,任何一部分的失效都將導(dǎo)致試驗的失敗,造成不可挽回的損失.因此,為電路模塊提供時鐘信號和基準(zhǔn)信號的石英晶體振蕩器(晶振)的抗高沖擊性能和失效機(jī)理需要深入研究.目前,實驗室常用的高 g值沖擊加速度實驗?zāi)M裝置有以下幾種:跌落(氣動)沖擊試驗機(jī)、馬歇特錘、空氣炮、Hopkinson桿等,而 Hopkinson桿的操作過程比較簡單且重復(fù)性好.對一定的輸入桿,只要選擇子彈長度和氣壓,就可以實現(xiàn)不同波形的沖擊加速度[6-8],利用 Hopkinson壓桿可對晶振施加高 g值沖擊加速度.

1 試驗條件及理論基礎(chǔ)

本試驗選擇了電路模塊常用的兩種類型晶振:EXO3-16M晶振(封裝形式 DIP8)和 KSS晶振(封裝SMD8).在未用環(huán)氧樹脂膠灌封(圖1)和灌封狀態(tài)下(圖2),使用 Hopkinson壓桿沿不同沖擊方向(沿平行和垂直與沖擊方向)進(jìn)行了抗高 g值沖擊性能研究.其中:Hopkinsun桿為鋼制,直徑為 14 mm,子彈長度是 50 mm,輸入桿長 400 mm,桿中間位置沿軸向?qū)ΨQ布置兩個應(yīng)變片.

將裸晶振和用環(huán)氧膠灌封在薄璧鋼殼內(nèi)的晶振用黃油粘在Hopkinsun桿的一端.用壓縮氣體發(fā)射子彈,同軸撞擊 Hopkinsun桿的另一端,在桿中傳播的壓縮應(yīng)力波由應(yīng)變片測得,此應(yīng)變脈沖如圖3所示,它的上升前沿大約只有5μs.當(dāng)應(yīng)變脈沖傳至 Hopkinson桿與被測微晶振的界面時,晶振的質(zhì)量可以忽略,根據(jù)一維應(yīng)力波理論[9],可以得出該界面質(zhì)點的速度為

圖1 晶振安裝圖Fig.1 Pictureof crystal oscillator setting

圖2 灌封后晶振安裝圖Fig.2 Picture of potted crystal oscillator setting

式中:c為桿的波速;X(t)為應(yīng)變片的信號.

圖3 壓縮應(yīng)力波信號Fig.3 Signal of compressive stress wave

圖4 晶振正常工作輸出Fig.4 Output of intact crystal oscillator

因為晶振與 Hopkinson桿的端部用油脂緊密貼合,因此可以忽略應(yīng)力波在油脂中的反射.另外,晶振質(zhì)量較輕,所以晶振獲得的速度就與 Hopkinson桿端部的速度基本相等,則晶振承受的加速度為

從 Hopkinson桿透射到晶振中的壓應(yīng)力波在晶振的自由面反射產(chǎn)生拉伸應(yīng)力波,再與入射的壓應(yīng)力波疊加,當(dāng)疊加結(jié)果為拉伸應(yīng)力且大于油脂的粘附力時,晶振飛離 Hopkinson桿并被軟回收.由于對應(yīng)變信號直接微分,會導(dǎo)致一些數(shù)值噪聲,從而使得到的加速度信號質(zhì)量較差,無法正常使用.下面采用平均應(yīng)變率來計算晶振的加速度,由式 (2)可得

取 C=5 190 m/s,根據(jù)式 (3)可估算出晶振承受的加速度峰值.因為該方法是取上升前沿的平均應(yīng)變率來計算最大應(yīng)變率,而平均應(yīng)變率要小于最大應(yīng)變率,所以該法得出的加速度峰值偏小.

實驗準(zhǔn)備數(shù)據(jù)如下:

EXO3-16M晶振正常工作時電流為 3.00～ 3.20 m A,晶振輸出頻率為 16 MHz正弦波信號;KSS晶振(封裝 SMD8)正常工作時電流為 5.00 mA左右,輸出頻率為 20 MHz的正弦波信號.應(yīng)變儀校準(zhǔn)結(jié)果為每 500 mV對應(yīng)著 2 000個微應(yīng)變,觸發(fā)電平設(shè)置為 220 mV.采用存儲示波器記錄信號,它的 X軸每一格為 10μs,Y軸的每一格對應(yīng) 500 mV,采樣頻率為每秒鐘采樣 25×106個點.

試驗前用示波器檢測晶振在各個頻率下的輸出(如圖4所示),以保證晶振功能正常.在具體試驗時,將高壓室的氣體壓力控制在 0.25 MPa左右,而子彈分別放置在槍管底部、距底部一半管長處、距底部 1/4管長處等 3個位置,從而獲得不同的子彈速度去撞擊輸入桿,在桿的另一端產(chǎn)生不同幅值的沖擊加速度,實現(xiàn)對晶振的沖擊加載.對每一個晶振按照加速度值從低到高依次進(jìn)行沖擊,然后采用示波器對晶振的輸出信號進(jìn)行檢測,直到受沖擊的晶振輸出不正常為止.

2 實驗結(jié)果

共對 10個晶振進(jìn)行了 20次沖擊實驗,得到 18組有效實驗數(shù)據(jù).另外 2組是因為應(yīng)變儀誤觸發(fā)而沒有測得應(yīng)力波形.取 C=5 190 m/s,根據(jù)式 (3)可以計算出芯片受到的加速度,所得實驗結(jié)果如表1所示.其中:裸晶振有 2個,用環(huán)氧膠沿不同方向灌封的晶振為 8個.

表1 晶振沖擊實驗結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 Result statistics of crystal oscillator′s shock test

從得到的數(shù)據(jù)分析可知,沒有經(jīng)過環(huán)氧樹脂灌封的晶振在 19.0×104g以上加速度沖擊下無法正常工作;對于經(jīng)過環(huán)氧樹脂灌封的晶振,與沖擊加速度方向垂直的試樣在 19.0×104g以上加速度沖擊下無法正常工作;與沖擊加速度方向平行的芯片在 36.0×104g以上加速度沖擊下無法正常工作.

3 晶振的失效分析

從沖擊后檢測的情況來看,在高 g值加速度沖擊下,晶振的失效模式分為兩種:一種是無法加載電流使晶振工作,這是由于引出導(dǎo)線與晶振管腳的焊點脫落造成的;另一種是晶振的輸出頻率不正常,這從芯片外部無法分析原因,為此將失效后的晶振解剖,觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[10-11].

采用研磨法對晶振進(jìn)行開封,KSS晶振為空封結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示,為一端固定的石英梁,梁的固定端處有一條貫穿性裂紋,圖6為其 SEM照片;EXO3晶振為塑封結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一空腔,內(nèi)有一個兩端固定的石英梁(圖7),圖7中晶振梁一端出現(xiàn)部分?jǐn)嗔?KSS石英晶體梁尺寸為:長l=5 mm,寬 b=2.62 mm,厚 h=0.14 mm,它的兩個焊點在同一端;EXO3石英晶體梁尺寸為:長 l=6.28 mm,寬 b=1.84 mm,厚 h=0.16 mm,它的兩個焊點在兩端.

圖5 KSS內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of KSS

圖6 KSS裂紋 SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM picture of KSScrack

圖7 EXO3內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of EXO3

因為梁很薄,剪應(yīng)力的影響較小,主應(yīng)力與水平正應(yīng)力方向基本一致,所以可用正應(yīng)力作為強(qiáng)度控制條件.石英具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,理論承壓能力可達(dá) 2 000～ 3 000 MPa,屈服極限應(yīng)力es=1 000 MPa.當(dāng)式 (5)成立時,晶振梁失效.

此時,晶振梁能承受的最大加速度為

當(dāng)晶振與沖擊加速度方向平行時,兩個晶振可簡化為如圖10所示的力學(xué)模型.KSS結(jié)構(gòu)的最大正應(yīng)力在固定端

EXO3結(jié)構(gòu)為靜不定拉壓桿,兩個固定端的相對變形為零,解變形協(xié)調(diào)方程,得到最大應(yīng)力為

EXO3結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力只是 KSS最大應(yīng)力的的一半,所以前者能承受更高的沖擊.將式 (8)和 (4)比較,比值 n為

因為 h/l遠(yuǎn)小于 1,所以晶振與沖擊加速度平行放置時的抗沖擊性能遠(yuǎn)高于垂直放置時.在電路結(jié)構(gòu)布置時,應(yīng)盡量使晶振與沖擊加速度平行.

圖8 KSS晶振剪力 Q,彎矩 M圖Fig.8 Q,M curve of KSS

圖9 EXO3晶振剪力 Q,彎矩 M圖Fig.9 Q,M curve of EXO3

圖10 KSS,EXO3力學(xué)模型Fig.10 Model of KSS,EXO3

4 結(jié) 論

1)晶振在高 g值加速度沖擊下內(nèi)在的失效機(jī)理為:因為晶振內(nèi)部有可運動的微梁,當(dāng)在高 g值加速度沖擊下時微梁可能發(fā)生斷裂,這將導(dǎo)致晶振的功能失效;而集成電路部分幾乎沒有損傷,這是因為封裝材料的波阻抗一般遠(yuǎn)小于 Hopkinson桿,大部分應(yīng)力波發(fā)射,從而保護(hù)了內(nèi)部的集成電路.

2)對同一個沖擊方向(沿垂直方向沖擊),經(jīng)過環(huán)氧樹脂灌封的芯片抗沖擊能力并沒有明顯高于未灌封的芯片,這可能是由于電路板上焊點、導(dǎo)線斷開造成的.此外,晶振的抗沖擊能力還與沖擊加速度的方向有關(guān),與沖擊加速度方向平行的晶振的抗沖擊性能要明顯高于與沖擊加速度方向垂直的晶振.

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