石英晶体元件的潜在失效模式和效因分析.docx

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石英晶体元件的潜在失效模式和效因分析

英晶体元件的潜在失效模式和效因分析——FMEA

英晶体元件在生产中经常发生这样或那样的质量问题，一般的失效模式有室温调整频差大；温度频差超差；谐振电阻大及其变化大；频率和谐振电阻不稳；停振；并电容大；动态电容达不到要求；密封性差；绝缘电阻小；抗振动、冲击强度低；有寄生响应和频率温度特性曲线不平滑；DLD不合格；年老化率大等问题。

现给予分析：

一、等效电阻大与不稳定

等效电阻的定性公式是：

（1）

上式表明等效电阻与英晶体的密度ρ、摩擦系数F、英片的厚度t及泛音次数n的平成正比，与压电常数ε的平及电极面积Se成反比。

具体地讲与下述因素有关：

1.与人造水晶原料的质量有关

人造水晶的杂质少，位错少，腐蚀隧道密度少，生长速率小（≤0.4mm/天），且使用Z区的料，则Q值高，谐振电阻小，特别要注意人造水晶含铝杂质多而使S区加大，从而使S区进入英片且进入电极区，使英片电阻增加。

2.与英片的表面质量有关

英片表面有破边、破角、砂坑、砂痕，表面光洁度差造成英表面应力大，且在英片振动时，使摩擦损耗增加，导致谐振电阻增加。

（1）在粗、中、细磨和抛光时砂号不能混，选择砂号正确，每道加工工序完成后，应彻底清洗，不允把残砂流到下工序。

（2）要正确确定各道工序的加工余量，保证后道工序加工时，把前道工序加工造成的破坏层磨掉。

（3）对小直径英片不仅大平面的光洁度要高，同时厚度面的光洁度也要高，它不仅能降低谐振电阻，且对DLD合格率的提高有好处。

（4）各研磨工序应注意所用砂子只能用3～5次，否则换砂时间愈长，英片表面平面度愈差，且离散性大。

因此要注意砂子的使用，不能循环使用，在第一次砂液用完后，再使用第二次……等等。

（5）低频滚倒的英片应使平面与滚倒的斜面的光洁度一样，这就需要在滚倒时在离开滚倒要求频率约30～50KHz时，进行校频，校频所用砂子要变细，这要求其破坏层与平面相近就可以。

3．与英片外形尺寸有关

（1）对圆片、英片的直径大，电阻就小，直径的选择很重要，对AT切它必须避开xy′弯曲振动，y′面切变振动，xy′伸缩振动耦合的影响，对BT切它必须避开xy′弯曲振动和y′长度与宽度面切变振动耦合的影响。

（2）对矩形片，要格核算英片长度与宽度，必须避开各种寄生振动的耦合影响，并采取相应的措施。

（3）无论是圆片还是矩形片，滚筒倒边后的平台尺寸与留边量t0重影响谐振电阻，当平台直径φ2↑Rr↑，t0↑Rr↑↑Rr↑，当平台尺寸不对称时,Rr很大，所以一是要设计好滚倒后尺寸，二是要控制好滚倒的工艺条件，即滚筒径、滚筒转速、片砂比、装满度及球砂比等，同时滚筒必须接地，防止静电吸附。

4．与英片表面沾污有关

（1）在操作时直接触摸英片，手指套不洁，未戴口罩，唾沫易溅到英片上。

（2）清洗时未洗净残留的酸液，清洗的容器不干净。

（3）烤胶时设备通风不良，挥发物不易排出而污染振子，所有的烤箱不清洁，未定时清洗。

（4）被银、微调时所用工具、夹具、掩具未经常清洗，真空系统返油、离子轰击时失灵造成油污沾染振子。

（5）银丝、钼舟未清洗干净，未预烧，真空镀膜机中钼舟上部无挡板，从而沾污振子。

5．腐蚀不匀

（1）英片清洗不干净。

（2）腐蚀时英片数量过多，且腐蚀时英片在溶液中未分开，英片运动轨迹不合适，腐蚀液未及时更换，太脏，造成英片有花印等。

6．英片的平面度及平面平行度差

（1）粗、中、细磨的研盘平面度差，研盘的重量不合适。

（2）未及时换砂，砂液比例失调。

（3）多刀切割时压力过大，刀条力小，升降台晃量太大，切割线速度太高，平行导轨磨损太大。

7．装架的影响

（1）支架：

带支架片的基座组脏，未经过清洗；支架片的缝宽、缝长及缝心距不符合要求，且其缝的中心线不在一条直线上，造成英片上架后有扭力；或选择支架不当，使英片碰支杆和基座平台。

（2）导电胶：

导电胶选择不当，如国产导电胶电阻大，温度多次变化，胶易龟裂；导电胶存放环境条件及调胶法存在问题，造成吸潮及气泡。

胶点的大小，胶的粘稠度及烤胶的过程（升温→保温→降温）与通风条件都影响谐振电阻，调胶时尽量不加稀释剂，如胶太稠可加少量的专用稀释剂。

（3）烤胶后的清洗：

烤胶后未经无水乙醇超声清洗造成电阻不稳。

8．电极

（1）电极直径大，谐振电阻小，但太大，易激励起寄生频率。

（2）电极金属的厚度：

电极金属的厚度太薄、太厚，电阻大，当τe=800时，产品Q值最高。

9．封装的气氛

（1）外盒中N2的露点太高（即含水量大）在低温段易造成频率下降，谐振电阻增加。

（2）外盒经抽真空后谐振电阻减小，主要是减少英片在振动时的摩擦损耗（其真空度应达到10-3乇）。

10．英片在加工过程中由于温度剧烈变化，造成双晶及银层不牢或断裂等使Rr增加。

二、停振

1．银层断裂：

在温度剧烈变化时，由于银层与英片膨胀系数不一样，而使银电极引出部分断裂，一般易出现问题的工序如下：

（1）被银：

被完银后立即放气，易造成银层剧烈收缩而断裂；银层退火处理未按程序升温、降温。

（2）烤胶：

未随箱升温和降温。

（3）预老化：

未按程序升、降温。

2．碰外壳：

由于支架歪斜，造成支架与外壳短路。

3．UM-5英片未倒双缺口，造成振子上架后，振子碰引线支杆端部和基板平台。

4．导电胶：

使用不当时间过长失效，稀释剂太多，导电胶太稀，或漏点，或洇胶，烤胶后急冷，易把电极引出极拉断。

5．封口时N2含水量大，造成在零度附近结冰而出现死点。

6．英片碎裂：

由于英片四有裂缝，或倒缺口后直线与曲线连接处应力集中，造成冲击时英片碎，研磨时砂、水比例不当造成英片有裂缝，易停振。

7．当双晶在电极区易停振。

三、引线、外壳生锈变色、起皮、有水印

1．制造厂表面镀复质量差，镀层太薄，针多，镀层太厚或镀前处理不好，或底层镀层不牢易起皮，脱水处理液太脏，未清洗干净造成水印等，镀液太脏或成份配比失调等易起皮或有气泡。

2．在生产过程中被操作者沾染，出现手印等。

3．放在脏的酒精中脱水或存放时间过长。

四、频率超差

1．微调留量不合适；2．负载电容调得不准；

3．测试仪器不稳；4．测试温度不标准；

5．标准校对受温度影响不准；6．标晶的频率变化了；

7．激励功率设定是否过大；8．盒脏，振子受污染；

9．英片对地电容不对称（支架歪），造成正反向频率不一致；

10．各工序未老化或老化不足，有关工序清洗不够或没有；

11．底座大面与凸筋的平面平行度＞0.02mm；

12．真空系统返油，真空室脏。

五、印字不牢

1．外壳较脏，未清洗干净；2．镀层光洁度太高；

3．烘烤温度低，时间短；4．印油过期。

六、银层有花印、变色、有针等

1．腐蚀后清洗不干净，去离子水的电阻率低；2．未戴口罩；

3．腐蚀前清洗不干净，造成腐蚀不匀；4．真空室太脏，不注意工艺卫生；

5．真空系统返油，室有油雾；6．钼舟、银丝未清洁干净；

7．直接触摸英片或工具太脏，未戴手指套，上夹具时工作台银屑太多而脏；

8．真空度低，放气前停留时间太短或没有；

9．微调机在换位时有慢漏气；10．室相对湿度高于50%，银层易发白。

七、并电容C0超差

1.电极尺寸太大或太小；2.电极面积不重合，被银夹具位偏；

3.装架时支架歪造成C0正反向不一致。

八、动态电容C1超差

1.电极尺寸太大或太小；2.电极面积不重合，被银夹具位偏；

3.银层厚度太厚或太薄，在+800～+1000ppm以外；

4.被银前英片频率分组组距不合适，大于300ppm/组；

5.被银后英振子频率误差太大，在ppm以外；

6.电极引出向不合适；7.未采用椭圆电极。

九、密封性差，原因复杂，但主要有：

1.电阻焊时放电电压低，凸筋和基座大面平面平行度＞0.02mm，镀层电阻率小或电阻率不一致，压封模平行度＞0.02mm；压封时压力（第一次加压与第二次加压）和时间设置得不合理，压封时上模下降速度太快，放电电路的铝电解电容器阻太大或变化大（未按规定赋能），压封处污染有油污等。

2．玻璃粉绝缘子、基座、引线封接不良

（1）可伐材料不过关，在加工过程中金属晶粒变粗，引起晶界腐蚀而造成慢漏气；

（2）可伐丝材在拔丝过程中有收缩裂缝，或有麻花状扭曲变形而造成慢漏气；

（3）可伐丝或基板光洁度差，表面处理不好，烧氢的条件不佳（去气、退火、还原），预氧化工艺条件差，造成慢漏气；

（4）可伐材料与玻璃绝缘子的膨胀系数不匹配；

（5）烧结时，温度过低、过高、时间过短、过长、氮气流量过大或过小，氮气含水量过大，都能造成慢漏气；

（6）玻璃粉毛坯在吸腊、排腊、预烧过程中条件不合适，造成气泡等疵病而引起慢漏气；

（7）玻璃粉绝缘子炸裂而引起。

十、绝缘电阻小

1.玻璃绝缘子表面脏，或有微裂，表面处理时选择酸洗液不当，造成表面腐蚀；

2.在烧结过程中的气氛是还原气氛，使玻璃中的金属氧化物还原成金属网布满绝缘子，而使表面电阻和体电阻下降；

3．支架与外壳接触而短路；

4．英片电极间有导电桥或表面脏；

5．外盒漏气进入潮气。

十一、抗振动、冲击、跌落能力差

1.选择支架不当，应根据产品要求分别选择弹簧圈支架、支架片支架（分体与整体的）；

2.设计产品的机械谐振频率应在10～3000Hz围以外，防止共振；

3.使用导电胶注意不要过期，格贮存条件，点胶量及位置要适宜，固化条件要格控制，导电胶的型号要正确选择；

4.上架时支架必须不歪斜、不扭、预应力要小；

5.支架必须清洗干净，使胶粘牢；

6.对高频薄片要求英片四光洁度达W5砂子研磨的光洁度，无破边、无裂缝，倒缺口的英片直线与圆弧连接处要有R0.5的圆角。

十二、寄生响应差

1.英片外形尺寸未设计好

（1）对圆片：

选择直径时未避开xy′弯曲振动、y′面切变振动、xy′伸缩振动的耦合；

（2）对矩形片选择长度和宽度时未避开各种振动的耦合。

2.修外形尺寸未设计好，如平台尺寸、留边量、曲率半径，使寄生抑制受到限制。

3.平倒片的斜面连接不圆滑，使f-T特性在高温端跳点。

4.英片平面度与平面平行度太差（要求△h≤0.53/（mm））。

5.未格控制电极直径与英片厚度比（基波：

φe≤18t；三次泛音：

φe≤10t；五次泛音：

φe≤7.5t）。

6.未格控制电极返回系数和电极引出端的宽度（△=△f/f=（N·t/φe·n）2）。

7.未控制英片边缘到电极边缘的尺寸，要符合R·Bechmann准则（b/φe≥3）。

8.激励电平太大；

9.腐蚀不均匀；

10.电极材料选择不当；

11.英晶体的S区材质进入电极区。

十三、温度频差超差，主要由角确定，但如下因素不能忽视：

1.泛音模对频率温度特性的影响：

一般三次泛音比基频的θ角要大8′左右，五次泛音要比基频的θ角增大10′左右，彼此的f-T特性才相似。

2.侧向尺寸的影响：

英片直径与英片厚度之比，即φ/t＞100时该影响才可忽略，对矩形片来说，其宽度WZ与厚度ty之比也影响f-T特性。

3.英片修补外形的影响：

在相同的英片直径与厚度下，平凸、平片、双凸形片的零温度系数角θ0是不一样，修外形的英片其一级温度系数ai值减小，它随相对曲率t/r（曲率半径）的增大而减小。

4.受电轴（）角的影响：

角对△θ角的影响大约为△θ/△为-3′/度，即△变化1°相当于△θ角小了3′。

5.耦合模对f-T特性的影响：

当英晶体元件工作时，同时也可能产生面切变模、弯曲模以及它们的泛音和非谐波模振动，从而使f-T特性产生异常现象，特别是小尺寸和低频晶体元件更为重，其影响的因素见“十二”寄生响应差。

6．人造水晶原料的质量对f-T特性的影响：

（1）籽晶定向的影响：

由于晶体缺陷伴随位错而产生应变所造成用Z块、Y棒和小r面籽晶培育出的人造水晶，做出的AT切英谐振器的f-T特性与天然水