宇航用晶體諧振器失效模式及質(zhì)量保證研究

韓寶妮，文平，李海岸，董作典

（西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100）

0 引言

石英晶體諧振器是利用具有壓電特性的石英晶片鍍上電極而制成的諧振元器件。在航天領域，石英晶體諧振器是晶體振蕩器、晶體濾波器等各類頻率控制和頻率選擇器件內(nèi)部的核心元器件。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對宇航用頻率控制元器件的性能要求越來越高，頻率控制元器件除了要具有高的頻率精度和頻率穩(wěn)定度外，還應具有低相噪、低功耗、小尺寸和抗振性能好等特點。這就要求晶體諧振器生產(chǎn)商不斷地優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對產(chǎn)品的不同性能參數(shù)折衷地考慮，以滿足不同用戶的要求[1]。

對于航天用戶而言，元器件的質(zhì)量和可靠性是“凌駕”在其性能之上的。在元器件性能滿足用戶需求的前提下，可靠性是航天用戶和質(zhì)量保證工作者首要關心的問題。本文系統(tǒng)地分析了晶體諧振器的失效模式，對較為復雜的失效機理進行了闡述。最后，提出了針對性的質(zhì)量保證控制措施和應用建議，以確保晶體諧振器在宇航應用中的可靠性。

1 失效模式

1.1 可能的失效模式

基于晶體諧振器的固有結(jié)構(gòu)、性能特點，結(jié)合宇航元器件以往的失效案例，歸納總結(jié)出晶體諧振器可能的失效模式主要包括以下幾個方面。

a）晶片破碎或開裂

當晶體諧振器受到較大的外部應力時，例如:從高處跌落、受到較強的沖擊或振動等，內(nèi)部晶片可能會發(fā)生破碎或開裂，從而導致晶體諧振器無法正常工作。

b）輸出起振于寄生頻率

晶體諧振器除了具有主振模和主振頻率外，還存在寄生模和寄生頻率。寄生頻率會導致輸出頻率錯誤，寄生本身也會使得晶體諧振器的頻率溫度穩(wěn)定性變差。因此，抑制寄生振蕩是設計每個晶體諧振器時首先需要解決的問題。

c）激勵電平過大引起的輸出頻率跳變

當施加在晶體諧振器上的激勵電平過大時，會引起非線性效應，從而導致器件的等效電阻變大或頻率跳變，同時激發(fā)不必要的寄生振蕩，使得晶體諧振器的性能參數(shù)尤其是頻率溫度穩(wěn)定性指標惡化。

d）激勵電平過小引起的起振慢、指標不穩(wěn)定

當施加在晶體上的激勵電平過小時，可能會造成晶體起振阻力不易克服，啟動慢或指標不穩(wěn)定。

e）晶片與導電膠粘接處存在裂紋

晶片與其支架的安裝是通過導電膠粘接實現(xiàn)的，晶片與導電膠粘接界面部位存在結(jié)構(gòu)應力。當存在外界機械或溫度應力時，在晶片與導電膠粘接部位處可能產(chǎn)生微裂紋，從而導致晶體諧振器等效電阻變大，頻率改變或工作異常。

以上所述為晶體諧振器可能的失效模式。其中，晶片破碎或開裂在宇航元器件失效案例中屬于低層次質(zhì)量問題，通過規(guī)定針對性的預防控制措施，例如:要求晶體諧振器內(nèi)包裝必須具有防靜電緩沖泡沫層，器件在轉(zhuǎn)運、測試等各個環(huán)節(jié)中應輕拿輕放，防止跌落，對于意外跌落的晶體諧振器，應剔除并禁止使用等，即可基本上完全解決。另外，由于激勵電平過小引起的起振慢、指標不穩(wěn)定這種失效案例在近幾年也鮮有發(fā)生，一方面，是由于這個問題在早期已經(jīng)被給予了足夠的重視；另一方面，當晶體上的激勵電平過小時，其頻率準確度、等效電阻等性能參數(shù)指標將會不太理想，為了達到優(yōu)良的性能指標，用戶在使用晶體諧振器時施加的激勵電平往往不會太小，反而容易過大。

對于輸出起振于寄生頻率、激勵電平過大引起的輸出頻率跳變和晶片與導電膠粘接部位存在裂紋這3種晶體諧振器的失效模式，在近兩年的宇航元器件應用中都較為常見。2015年，某型號由于晶體諧振器起振于寄生頻率，導致整機開關機時頻率輸出異常；2017年，某型號用晶體振蕩器電路在調(diào)試時，對其內(nèi)部晶體諧振器施加的激勵功率過大，導致在高低溫試驗過程中，晶體諧振器輸出頻率發(fā)生跳變，這種跳變通過外圍放大電路放大后，造成整機電路失效；2015年，某型號晶體諧振器由于內(nèi)部晶片與導電膠粘接部位存在裂紋，發(fā)生停振，導致整機電路工作異常。這些失效案例中，由于晶體諧振器的失效，嚴重地影響了整機電路的性能，下面將對它們的失效機理和產(chǎn)生原因進行分析。

2 失效機理

2.1 寄生

宇航用晶體諧振器按照晶體的切型可以分為AT切和SC切，這兩種切型的的振動模式均為厚度切變，其諧振頻率只與晶片的厚度有關。根據(jù)能陷理論，晶體諧振器在正常工作時，其能量主要被限制在兩個電極之間，實際上，晶體在諧振時，除了厚度切變振動這種主振模式之外，還同時存在寄生振動模式，如彎曲振動、扭曲振動等多種振動模式，由于多種振動模式的耦合和相互干擾，就產(chǎn)生了寄生頻率。

當晶體諧振器寄生頻率的諧振電阻小于、等于或稍大于主振頻率的諧振電阻時，即使晶體諧振器應用的外圍電路存在濾波或頻率選擇電路，晶體諧振器在起振時，也有可能起振在寄生頻率上。用國產(chǎn)某型號的晶體諧振器按照整機振蕩電路組裝后進行起振試驗，試驗結(jié)果表明:當寄生等效電阻和主振等效電阻比為0.64時，該只晶體諧振器在進行134次起振試驗后，均起振于寄生頻率；當寄生等效電阻和主振等效電阻比為1.06時，在起振試驗時，晶體諧振器約有2.5%的幾率起振于寄生頻率；當寄生等效電阻和主振等效電阻比為1.2時，在進行2 000次起振試驗后，晶體諧振器均起振于主振頻率。

對于寄生，在設計晶體諧振器時，設計師一般會采取優(yōu)化尺寸設計，例如:修正外形、晶片的長度和寬度等各種方法來抑制寄生振蕩。隨著用戶對晶體諧振器小型化的需求成為一種必然趨勢，抑制寄生振蕩的設計就變得更加重要。這是因為，隨著晶體諧振器尺寸的變小，寄生振動的干擾會加強，且這些寄生振動的存在會導致石英晶體諧振器的Q值下降，同時也會影響諧振器的阻抗、頻率-溫度穩(wěn)定度等特性。AT切和SC切晶體諧振器的主振模式-厚度切邊模式與溫度基本無關，而寄生振動如彎曲振動受溫度的影響非常大，因此，寄生振動的存在會影響諧振器的頻率穩(wěn)定度。在外界溫度變化時，頻率可能會從一個數(shù)值 “跳變”到另一個數(shù)值[2-3]。

2.2 晶體的激勵電平相關性特性

晶體諧振器中晶片機械運動的幅度與流過晶片表面電流的幅度成正比，也就是說晶體諧振器的諧振頻率和等效電阻隨激勵電平的變化而變化，這種變化通常用激勵電平相關性 （DLD:Drive Level Dependence）參數(shù)表示。國產(chǎn)某型號晶體諧振器的DLD測試曲線圖如圖1所示。

圖1 典型的DLD測試結(jié)果 （測試條件：20～100 μW）

從圖1中可以看出，在20～300 μW的激勵功率下，晶體電阻基本保持穩(wěn)定；在500～1 000 μW的激勵功率下，晶體電阻呈現(xiàn)出線性增大趨勢。

當施加在晶體上的激勵電平過大時，會引起非線性效應，使得晶體的諧振曲線發(fā)生非對稱性的變化 （如圖2所示）[4]，電流-頻率曲線會在激勵的電壓在諧振峰附近變化時表現(xiàn)出不連續(xù)性，從而引發(fā)頻率的跳變。

圖2 激勵功率對諧振峰對稱性影響示意圖

為了驗證激勵電平對晶體諧振器頻率的影響，利用國產(chǎn)某型號晶體振蕩器進行試驗。對該只晶體振蕩器內(nèi)部的晶體諧振器在調(diào)試時施加不同的激勵電平，在連續(xù)變溫的情況下監(jiān)測晶體振蕩器的輸出頻率跳點。測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同激勵電平下頻率跳點測試結(jié)果

該只晶振在連續(xù)變溫條件下的測試典型曲線如圖3-4所示。從圖3-4中可以看出，當晶體諧振器上施加的激勵電平為228 μW時，晶體振蕩器產(chǎn)品在變溫測試時無頻率跳點；當晶體諧振器上施加的激勵電平為339 μW，晶體振蕩器產(chǎn)品在變溫測試時出現(xiàn)了14 Hz的較大頻率跳變。

圖3 晶振變溫測試曲線圖 （激勵功率：228 μW）

圖4 晶振變溫測試曲線圖 （激勵功率：339 μW）

圖5 晶體諧振器典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 晶片通過導電膠粘接安裝在支架上的結(jié)構(gòu)應力分析

晶體諧振器主要由鍍電極的石英晶片、安裝支架和外殼組成，內(nèi)部的晶片通過導電膠粘接方式與支架連接，內(nèi)部的典型結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。由于晶片與其支架的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度應力的作用下，支架受溫度的影響會產(chǎn)生一對徑向應力作用于石英晶片的內(nèi)部[3]，如果晶體諧振器在生產(chǎn)過程中的點膠工藝控制不當，則在晶片與導電膠粘接處可能會產(chǎn)生裂紋。這種裂紋在受到外界機械或溫度應力的情況下，可能會進一步地擴展，從而影響晶體諧振器的安裝可靠性和頻率等性能參數(shù)，嚴重時甚至可能會導致晶體諧振器停止工作。

另外，即使晶片與導電膠粘接處沒有裂紋，當晶體諧振器中晶片與支架的安裝應力沒有充分釋放，或在溫度或機械應力下突然發(fā)生改變時，都可能會造成晶體諧振器的頻率、Q值等其他參數(shù)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象已在宇航某型號案例中得到驗證。某型號分系統(tǒng)上使用的高溫晶振源在力學試驗后相位噪聲近端惡化，經(jīng)故障排查、定位和機理分析，得出故障原因為:高溫晶振中的晶體諧振器在力學振動應力作用下，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應力發(fā)生變化，此變化導致晶體諧振器的等效電阻增加，Q值下降，從而導致高溫晶振近端的相位噪聲惡化。

3 質(zhì)量控制措施及應用建議

3.1 輸出起振于寄生頻率的問題

對于輸出起振于寄生頻率的問題，從質(zhì)量保證控制角度來講，可以通過對每批次的晶體諧振器百分百地進行寄生頻率的篩選測試，以剔除不滿足寄生要求的產(chǎn)品的方式來解決。GJB 2138-94《石英晶體元件總規(guī)范》[5]中規(guī)定: “所有寄生模都應具有主振模電阻兩倍以上的諧振電阻，而且不低于主振模電阻規(guī)定值”。通過在質(zhì)量保證控制中增加100%的寄生篩選測試可從元器件的層面大大地降低晶體諧振器在應用時輸出起振于寄生頻率這種失效的概率，但并不能完全杜絕此類現(xiàn)象。因為晶體諧振器在應用時，如果外圍輸出匹配電路調(diào)試不當，或施加在晶體諧振器上的激勵電平過大 （mW級），同樣有可能造成整個電路輸出頻率異常。因此，建議用戶在使用晶體諧振器時，在充分地了解晶體諧振器的寄生特性的基礎上，關注晶體諧振器的等效電阻值，在晶體諧振器輸出匹配外圍電路中，通過選擇合適的阻容感元件值，進一步地通過電路設計來抑制晶體諧振器的寄生振蕩。

3.2 激勵電平過大引起的輸出頻率跳變問題

為了避免由于晶體諧振器上施加的激勵電平過大而導致頻率跳變，從應用及質(zhì)量保證控制的角度，建議采取以下措施。

首先，在應用時應對施加在晶體諧振器上的激勵電平進行降額。ESCC-Q-60-11A元器件降額和參數(shù)漂移標準[6]中第7.13.1條規(guī)定，施加在晶體諧振器上的激勵電平不能超過其額定的激勵電平。同時，由于晶體諧振器的額定激勵電平是指在該激勵電平范圍內(nèi)，晶體諧振器不發(fā)生非線性效應，且其性能參數(shù)滿足規(guī)定值時的激勵電平。實際應用時，尤其是當晶體諧振器應用到晶體振蕩器時，鑒于晶體振蕩器的性能參數(shù)指標的定制性，晶體振蕩器生產(chǎn)商應根據(jù)每一種晶體振蕩器的具體指標要求，尤其是頻率溫度穩(wěn)定度和頻率/電阻跳點指標，在晶振電路調(diào)試時，選擇最佳的激勵電平施加在晶體諧振器上。這是因為，對于某種晶體振蕩器可以接受的頻率溫度穩(wěn)定值和頻率/電阻跳點值，對于另一種晶體振蕩器可能是不能接受的，而頻率溫度穩(wěn)定值和頻率/電阻跳點值是與施加在晶體諧振器上的激勵電平息息相關的。因此，晶體振蕩器生產(chǎn)商應根據(jù)晶體振蕩器的具體指標進行個性化選擇。

其次，從元器件質(zhì)量保證控制方面，可在晶體諧振器的規(guī)范中規(guī)定對器件進行100%的DLD參數(shù)篩選測試，以剔除指標不滿足要求或指標變化異常的產(chǎn)品。

另外，對于內(nèi)部選用晶體諧振器的晶體振蕩器，在產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試環(huán)節(jié)，應分析測試全工作溫度范圍內(nèi)不同激勵電平對頻率和等效電阻的影響，找出使用時采用的最佳激勵電平。同時，在晶體振蕩器的篩選試驗中，增加100%的頻率溫度穩(wěn)定度測試，以及早剔除有隱患的器件。

3.3 晶片與導電膠粘接處存在裂紋及力-頻效應

針對晶片與導電膠粘接處的裂紋問題，首先，應從生產(chǎn)過程中進行控制，在晶體上架點膠工序完成后在高溫下對其進行烘焙，釋放結(jié)構(gòu)應力。同時，應對晶體的生產(chǎn)過程設置關鍵工序檢驗點，在晶體上架點膠工序完成后以及產(chǎn)品未封帽之前，由元器件質(zhì)量保證人員對晶體諧振器進行100%的內(nèi)部目檢。內(nèi)部目檢至少在100倍光學顯微鏡下進行，以剔除有裂紋的產(chǎn)品。同時，考慮到封帽后的器件要經(jīng)過篩選檢驗和考核檢驗，為了驗證晶體諧振器在經(jīng)歷復雜的環(huán)境試驗后內(nèi)部晶片與導電膠處的粘接形貌是否存在異常，可在晶體諧振器驗收檢驗時，隨機抽取樣品進行DPA試驗，對樣品開蓋后進行內(nèi)部目檢。對內(nèi)部目檢放大倍數(shù)不足而存在異議的器件，可以借助更高精度的儀器或試驗手段如掃描電鏡進行檢查，進一步地確定晶片與導電膠粘接處的微觀形貌。

另外，針對晶體諧振器安裝結(jié)構(gòu)引起的應力效應，為了確保安裝可靠性，減小結(jié)構(gòu)應力效應對器件性能參數(shù)的影響，對于晶體諧振器的性能參數(shù)有更高要求或?qū)w諧振器有抗振性能要求的用戶，建議選用3點及3點以上安裝的石英晶體諧振器。

4 結(jié)束語

本文對輸出起振于寄生頻率、激勵電平過大引起的輸出頻率跳變和晶片與導電膠粘接部位存在裂紋這3種失效模式的失效機理進行了詳細的闡述，有助于晶體諧振器的使用者更深層次地認識晶體諧振器的振動模態(tài)、寄生與器件的溫-頻效應、DLD特性和晶體諧振器的安裝結(jié)構(gòu)應力特性。同時，針對這些失效模式和失效機理，提出了預防性建議，并從質(zhì)量保證控制角度提出了有針對性的、有效的控制措施，旨在確保晶體諧振器在宇航應用時的可靠性。