基于失效分析理論的鐘振失效分析方法研究

睢建平 羅洪濤 崔 巍 鄭文強

（1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.中國空間技術研究院西安分院，西安 710000）

1引言

時鐘晶體振蕩器（簡稱鐘振）作為系統中電子設備的時鐘發生器，在航天國防領域有著大量且廣泛的應用。由于其可以產生整個電子設備中的時鐘信號，常被稱為電子設備的“心臟”。因此，如果鐘振出現問題甚至停整，對電子設備的工作一定是有重大影響甚至會導致系統失效。

傳統的對失效鐘振進行失效分析的方法通常是先進行非破壞性試驗，未找到失效原因后再開封進行破壞性試驗，試驗的類型和步驟都不固定。本文基于失效分析理論的指導［1］，結合一般電子器件失效分析方法［2］，通過鐘振的結構和工作原理分析，總結出一套針對失效鐘振的分析流程。此分析流程按照先非破壞性分析后破壞性分析的方法，縮短了失效分析步驟，提高了失效分析的效率和準確性。文章最后列出幾個典型的失效分析案例，證明此分析方法對研究鐘振失效機理具有一定的指導意義，并達到了在生產、試驗和使用過程中提高器件質量和可靠性的目的。

2 鐘振的結構及工作原理

2.1 鐘振的結構

鐘振主要是由石英晶體諧振器、振蕩電路芯片和外殼基座或支架構成的，其中，石英晶體諧振器是由石英晶片鍍上金屬電極組成，石英晶體諧振器、振蕩電路芯片和基座或支架的連接通常采用導電膠粘接，振蕩電路芯片和基座通常通過金絲鍵合進行電氣連接。由于鐘振的結構緊湊、集成度較高、零部件較少以及工藝相對成熟，因此其具有較高的可靠性。鐘振各部分組成的結構示意圖如圖1所示。

基于鐘振以上的組成和結構，其封裝形式主要有SMD型和DIP型兩種。SMD型鐘振典型的內部結構圖如圖2（a）所示；對于二次上架的鐘振，一種典型的結構圖如圖2（b）所示，即將表貼鐘振直接貼裝到DIP型支架上；另一種二次上架的鐘振，典型的結構圖如圖2（c）所示，即將晶片和芯片分別貼裝到DIP型支架上。

2.2 鐘振的工作原理

鐘振是以石英晶體的壓電效應為基本原理，驅動不同的振動電路以構成不同種類的晶體振蕩器的。具體來說，就是利用石英晶片的壓電效應和逆壓電效應進行工作。壓電效應是晶體受外力作用時表面產生電荷，逆壓電效應是用極化電場在石英晶體上產生機械應變。利用石英晶體的這一特性，在石英晶片上鍍電極，并使兩電極間產生電位差。由于交變電場的作用出現機械應變，機械應變產生交變電場，交變電場發生作用又產生交變機械應變最后形成諧振，諧振的頻率取決于晶體的電性能參數。一種典型的鐘振的工作原理如圖3所示。

圖3中，G為石英晶體，根據晶振的原理，晶振能正常工作需滿足的條件如下：

式中：K0——放大電路的增益；F——晶體的反饋系數；ΦK，ΦF——電路和晶體的相位。

3 鐘振的失效分析方法

失效分析是對判定為失效的器件進行的一種事后檢查和分析的工作，通過分析和檢測，確定失效器件的失效類型，判斷失效原因，提出處理方案和預防措施，以提高器件可靠性的一種綜合方法［3］。失效分析流程一般按照先非破壞性分析后破壞性分析的順序進行［4，5］，同時結合鐘振的結構和工作原理，筆者設計了一套針對失效鐘振的分析流程如圖4所示。

3.1 鐘振的非破壞性失效分析

非破壞性失效分析的第一步是對鐘振的失效類型進行確認，確實是鐘振失效后，做好所有失效現場信息和產品失效前的應力過程數據的收集，為開展失效分析工作打下基礎。

非破壞性失效分析的第二步是對鐘振的電性能進行測試。鐘振的電性能測試可以為失效分析方案的設計提供很好的依據，通過鐘振的電性能測試的，可以判斷出鐘振的失效類型。從鐘振的性能指標看，鐘振的失效類型主要有以下幾種形式：無頻率信號輸出（即通常所說的停振），頻率輸出異常，功耗異常，特定條件下不振，波形不對等，具體分類見表1。根據鐘振的電性能測試結果，結合其失效的環境信息，可以有針對性地設計出失效鐘振的失效分析方案，確定最優的失效分析流程，以達到快速、準確做出失效分析的目的。

表1 鐘振的失效類型歸類

非破壞性失效分析的第三步是對鐘振進行外觀檢查。利用顯微鏡檢查失效器件的外觀，對外殼、焊盤或引線進行觀察，看其是否有鍍層污染、脫離、缺損或銹蝕等異常。

根據第三步的結果以及本產品的失效分析方案，有選擇的進行第四步的非破壞性試驗。當電特性測試等發現內部可能有開路、短路時，用X光檢查其鍵合情況和內部金屬連接情況；也可通過管腳之間I-V測試特性，發現管腳之間是否存在有開路、短路等失效模式；當電特性測試等頻差明顯異常時，用檢漏設備檢測器件的密封情況，判斷器件是否存在漏氣現象；當懷疑內部有多余物時，應進行顆粒碰撞噪聲即PIND試驗，檢測其多余物情況。當發現其他現象時，也可利用超聲掃描顯微鏡等其他設備進行非破壞性試驗。通過以上的非破壞性試驗結果，可以初步的對失效原因進行判斷。

有選擇的進行完第四步的非破壞性試驗后，需要對失效器件的電性能進行復測，確認失效現象依舊，如果失效現象加重，例如由頻率超差變成停振，通常原因為器件內部晶片粘接不牢，可以直接判定失效類型。

3.2 鐘振的破壞性失效分析

由于經過鐘振的非破壞性失效分析后，已初步判斷出器件的失效原因。經過失效器件的故障模擬分析后，即可以開封查找產品的真正失效原因。由于小型石英晶體振蕩器主要是由石英晶片、金屬電極、導電膠、振蕩電路芯片、鍵合金絲和外殼基座等構成的，因此，可以按每一部分失效現象的不同對產品的失效原因［6～8］進行歸類分析，見表2。

表2 鐘振的失效原因歸類

破壞性失效分析的第一步是對鐘振進行開封。開封方法通常采用研磨開封、剪切開封或激光開封等技術，最大限度地避免新損傷的引入。

破壞性失效分析的第二步是對開封后的鐘振進行顯微鏡觀察或掃描電鏡的觀察。通常選用體式顯微鏡對晶片、電極、基座或支架、點膠點等部分進行初步的觀察，如果失效類型可以確認后，無需用金相顯微鏡或掃描電鏡進行進一步的觀察，否則，還需用金相顯微鏡或掃描電鏡進行進一步的觀察。

如果仍然不能確認失效類型，需進行破壞性失效分析的第三步，即對開封后的晶片進行功能測試，特別是晶片電阻測試。通過晶片電性能的測試，確認是否為晶體諧振器部分出現問題。

如果仍然不能確認失效類型，需進行破壞性失效分析的第四步，即對芯片進行顯微鏡及掃描電鏡觀察分析。通過分析金絲鍵合的情況以及顯微鏡及掃描電鏡觀察分析其表面是否有異常情況，確認是否為芯片表面或鍵合出現問題。

如果仍然不能確認失效類型，需進行破壞性失效分析的第五步，即對開封后的芯片進行功能測試。通過芯片的功能性測試，確認是否為芯片內部部分出現問題。

通過以上的分析，可以準確的對非破壞性失效分析判斷的失效原因進行結果驗證，完成失效分析工作。

4 鐘振的失效分析典型案例

利用以上分析方法，可以快速準確的進行鐘振的失效分析。以下介紹鐘振的失效分析典型案例，更深入的了解鐘振的失效分析方法。

【案例1：某進口鐘振失效分析】

失效背景：某國外公司生產的35.7M低溫下不振，常溫下不易起振，起振時，占空比超差，約為68%。

分析過程：用戶告知，此失效產品已經使用多年，且經歷多次焊接和拆焊過程。結合使用環境和電性能測試結果，并在非破壞性試驗均無異常的情況下，懷疑其諧振器的電阻偏大。開帽發現失效件晶片有多處損傷，測試晶片（三次泛音）等效電阻明顯偏大，約為65Ω，在常溫下不易起振，在低溫下電阻更大，導致低溫不振。同時開帽一只正常的同類產品作為參考件，將失效件晶片和參考件晶片進行對比，如圖5所示。明顯可以看出失效件晶片破邊嚴重且電極有劃傷，測試失效晶振內部晶片的等效電阻約為65Ω，而參考件晶片邊緣和電極均較好，測試晶振內部晶片等效電阻約為29Ω。

分析結論：失效件電阻偏大，在常溫下不易起振，在低溫下電阻更大，導致低溫不振。

【案例2：某國產鐘振芯片電源加大電壓燒毀分析】

失效背景：某國產鐘振電源加大電壓（+12V）燒毀，產品停振。

分析過程：在結合使用環境和電性能測試結果后，進行I-V特性非破壞性試驗，發現有異常，懷疑其內部芯片受損。開封后，發現產品用芯片已被燒毀，其內部電路已燒蝕，如圖6所示。

分析結論：電源端接入大電壓時，芯片的工作電流會明顯增大，芯片內部燒蝕。

【案例3：某國產鐘振恒定加速度后停振】

失效背景：產品經過恒定加速度試驗后停振，電流較小，為約2mA，輸出為0電平。

分析過程：在結合使用環境和電性能測試結果后，進行PIND非破壞性試驗，發現有異常，懷疑其內部電路連接有問題。開帽后，發現產品的晶片均已脫落。用體式顯微鏡觀察基座點膠處，發現產品在導電膠硬度、導電膠剝離基座后的形態、導電膠的光澤方面與正常導電膠有明顯差異，如圖7所示。

分析結論：由于導電膠粘接強度下降，導電膠沒有粘牢晶片，導致晶片恒定加速度試驗后掉架。

5 結束語

本文在分析鐘振的結構和工作原理的基礎上，結合可靠性分析的原理，較為詳細的歸納分析了鐘振存在或可能的失效模型，進而提出了一種有效且準確的鐘振失效分析流程，并指導實際的失效分析案例，最終達到提高鐘振可靠性的目的。

［1］ 夏泓，鄭鵬洲.電子元器件失效分析及應用［M］.北京：國防工業出版社，1998.

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