摘要：石英晶体振荡器是由石英晶体谐振器和分立元件或混合微电路组成的器件，有极好的短期频率稳定度。文章通过一例石英晶体振荡器失效的案例，分析得出谐振器晶片的结构应力失效原因，再通过若干筛选试验，减少结构应力对石英晶片造成的影响。
关键词：石英晶体振荡器；石英晶体谐振器；结构应力；失效分析
中图分类号：TN709 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0080-03
1 概述
石英晶体谐振器，俗称晶体或晶体谐振器，基本结构是由石英晶片、电极、支架和外壳组成。石英晶体谐振器核心部分是晶片，电极附着在晶片两面，晶片与支架之间用导电胶粘连。由于其自身的品质因素很高，因此其频率的稳定性很高。由石英晶体谐振器控制频率的振荡器称为石英晶体振荡器，优点是体积小、重量轻、价格低、寿命长和可靠性高，有极好的短期频率稳定度。目前已极其广泛应用到火箭、卫星、导弹、飞机等航天航空领域，具体包括航天器系统、推进器系统、地面发射、控制系
统等。
本文通过一例石英晶体振荡器的失效分析案例，得出谐振器晶片的结构应力失效原因，通过进行若干试验减少结构应力对晶片造成的影响，进而从生产厂生产工艺和用户使用过程中提出建议，减少系统出现故障的可能性。
2 石英晶体振荡器失效部分的定位
某单位的信息处理器上使用了某公司生产的石英晶体振荡器，在整机开始进行调试时发现晶振回路无时钟信号输出，经查该批次的1只晶振失效。该晶振装机后开机即发现失效。
2.1 前期试验
取下石英晶体振荡器，对其做如下试验，见表1。
该晶振为14PIN“F-2”金属封装双列直插，该类型晶振第7PIN为GND端（外壳），第8PIN为OUT端，第14PIN为电源端，其余为悬空端。
用LeCroy6100A示波器等仪器对该晶振进行电性能测试，该晶振输出电平约为600mV、频率约为600kHz的正弦波（正常输出幅度为5V、频率为6.000000MHz±600Hz的方波），工作电流约为35mA（正常约为5mA）。
从测试情况判断，该晶振不起振，失效。
使用dixen ASM1002氦质谱检漏仪对晶振进行精检漏，结论合格。
使用KYKY HF-4氟油检漏装置对晶振进行粗检漏，结论合格。
2.1.1 开封镜检。不破坏该晶振原有结构，开封镜检，可见该晶振为采用厚膜工艺制造的混合集成电路（见图1）。
该晶振由一只石英晶体片J（通过3个金属支架固定，其中2个支架兼有电极功能）、2只瓷介电容器C1和C2（其中C2大部分在石英晶体片下面）、2只厚膜电阻R1和R2（其中R2在石英晶体片下面）、1块HCU04六反相器（不带缓冲器）芯片U组成。
取相同批次的1只晶振开封后，用CNA300晶体网络分析仪测试石英晶体片，测得频率为4.2MHz，由此表明石英晶体片J谐振频率为4.2MHz。
内部目检未发现存在明显异常。
2.1.2 温度试验。将该晶振置于温度试验箱中，从常温升至高温，然后从高温自然冷却至常温，加电测试，用示波器检测波形，测试结果如下：
2.2 故障定位
在前期试验后，进行故障定位工作。
加电测试，用示波器检测波形，同时用非导电体轻触该晶振内部元件的焊接点（或粘接点），该晶振未出现起振现象。
用裸镀银导线接触该晶振的石英晶体片J上端面被银电极，测试导线与该端电极支架间的电阻，呈现0Ω电阻；用裸镀银导线接触该晶振的石英晶体片J下端面被银电极，测试导线与该端电极支架间的电阻，呈现0Ω电阻。
由此表明，该晶片不起振不是由于内部元件焊接（粘接）不良造成的。
用信号发送器在该晶振的“G”点输入频率为约1MHz的信号，加电测试，用示波器检测波形，该晶振输出约1MHz、幅度约为2V的方波。
由此表明，该晶振放大输出回路能正常工作，不起振与晶体振荡和反馈回路有关。
用1只11.05920MHz的石英晶体谐振器搭接在该晶振的石英晶体片J的两个电极上，加电测试，该晶振输出频率约为11.05920MHz、幅度约为5V的方波。
用导线连接该晶振石英晶体片J的电极和CZ-150C晶体阻抗计，在常温条件下测试，石英晶体片J不起振；用电吹风对该晶振加热约25秒后，石英晶体片起振（频率约为4.2MHz），阻抗值为22.2Ω，停止加热不到5秒，阻抗值发生变化，从22.2Ω变化到37.8Ω后，阻抗值突变，晶体停振，无测试量值显示。用隔板将该晶振的石英晶体片J与HCU04六反相器（不带缓冲器）芯片U隔开，分别对石英晶体片J与HCU04六反相器（不带缓冲器）芯片U进行与前述相同的电吹风加热试验，结果为对石英晶体片J加热时晶体和晶振起振，对HCU04六反相器（不带缓冲器）芯片U加热时晶体和晶振均不起振。
取同批次的1只晶振进行上述相同的试验，晶体和晶振始终起振（频率约为4.2MHz），晶体阻抗值为20.6Ω变化到20.8Ω，较稳定。
由此表明，该晶振不起振与石英晶体片J有关。该晶振的石英晶体片J的阻抗随温度变化而发生变化，由于石英晶体片J在常温条件下阻抗值变大造成的，与放大输出回路无关。该晶振不起振的故障点在石英晶体片J。
3 石英晶体谐振器晶片的结构应力分析及减少其影响的措施
该晶振的石英晶体片J三点通过金属支架固定。金属支架固定抗震性能好，但易使石英晶体片受到应力作用。由于该晶振的石英晶体片J在晶振制造过程的石英晶体片固定环节使内部存在较大的结构应力，阻抗值较大，处于临界工作状态。当该晶振受到外界应力（如机械应力、热应力等）后，石英晶体片J阻抗值增大、发生突变，导致石英晶体片J不起振，从而该晶振不起振。当温度升高后，石英晶体片J内部结构应力发生变化，阻抗值减小，石英晶体片J起振，该晶振随之起振工作。温度下降后，石英晶体片J内部结构应力又发生变化，阻抗值增大、发生突变，又不起振，导致该晶振不起振工作。因此，该晶振失效是石英晶体片J在晶振制造过程的石英晶体片固定环节导致内部存在较大结构应力导致不起振造成，属器件质量缺陷。
该晶振的故障点在内部晶体，晶体存在故障的原因是由于内部存在较大的结构应力，且该应力使晶体阻抗随温度变化产生突变。该晶振失效是由于晶振质量缺陷造成的。
该石英晶体振荡器参照美军标MIL-STD-55310D生产，质量等级为Level S。按照MIL-STD-55310D的要求，Level S的振荡器的筛选必须做以下六个项目：随机振动、温度冲击、电性能测试、电老化、检漏和X射线检查。相对于等级要求更加严格的卫星用采购规范来说，缺少了高温贮存、低温贮存、恒定加速度、加速老化、高低温电测试五个项目。本着试验的目的，我们对已开封的晶振补做以上部分试验项目，并在每次试验后进行电性能测试，见表3：
与之前的温度试验测试结果进行比对，可以发现，虽然在常温时晶振仍然不能正常工作，但是电性能有所好转。这也说明，环境筛选对消除产品的结构应力是有效的。
4 结语
石英晶体谐振器的失效模式很多，从破坏性角度看主要是物理性失效和指标性失效两种。对于物理性失效，如晶片断裂、裂缝、导电胶开裂、支架断裂等多数是由于在使用过程中不慎发生跌落、冲击、碰撞等原因产生大的外力使石英晶体谐振器发生失效。结构应力失效主要属于指标性失效，其基本结构良好，但是由于加工过程中存在加工缺陷或不足或使用不规范导致石英晶体谐振器的指标如频率、电阻、老化等发生变化导致失效。
石英晶体谐振器的应力变化失效是指由于石英晶体谐振器内部应力的存在导致晶体频率发生变化而产生的失效。失效机理是由于晶片、支架、电极及导电胶四者相互之间存在应力，且应力随温度、环境变化会发生变化，结果导致石英晶体谐振器弹性刚度常数变化，进而引起频率变化。当变化超过要求时，即发生失效。
针对上述失效模式，应采取的主要防范措施如下：
（1）生产厂家需要采取以下防范措施：生产厂家在产品加工过程中完善加工工艺，如提高晶片清洁程度、增加产品工艺老化、增加产品退火工艺等；加工过程中加强检验，剔除存有破边等缺陷的晶片，剔除有缺陷的半成品；完善筛选措施，如延长加速老化时间、增加加电老化等，剔除变化异常的产品；包装过程中避免出现晶体碰撞。
（2）用户需要采取以下防范措施：在运输、存储和使用过程中避免石英晶体谐振器受到大的外力；焊接过程中避免焊接时间过长；避免超范围使用；使用的全过程中避免由于意外发生的跌落、冲击、碰撞等原因产生大的外力使石英晶体谐振器发生失效。
由于一个产品的失效是多方面因素共同作用的结果，因此失效的预防不应单是一个方面的预防，而是从加工到使用每个环节的综合考虑，这样才能保证产品的可靠使用。
参考文献
[1] 张沛霖，钟维烈，等.压电材料与器件物理[M].济南：山东科学技术出版社，1997.
[2] 秦自楷.压电石英晶体[M].北京：国防工业出版社，1980.
（责任编辑：周加转）