晶振不起振的原因是什么晶振失效分析.docx

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晶振不起振的原因是什么晶振失效分析

晶振不起振的原因是什么？

晶振失效分析

背景介绍

该型号晶振失效发生在客户端，失效形式主要表现为显示异常，使用周期一般为（6~12）个月，失效比例约为万分之六。

据客户反馈，晶振的存储和使用环境按照一般行业标准来执行，其中湿度为（30~70）%RH；组装方式为典型的SMT贴片组装。

外观检测

考虑到损伤可能隐藏在外表之下，取一颗失效样品对其表面进行简单研磨，发现晶振表面存在局部破损，见图4。

破损的存在，说明失效晶振的密封性可能存在问题，后续需要对其结构完整性及密封性进行检验和测试。

样品MX150817015-01研磨后的典型外观

通电测试

利用晶体参数测试仪对晶振相关参数进行测试，测试条件如下：

ReferenceFr:

16.0MHz; ReferenceCL:

5pF; PowerApplied:

100μW.

测试结果显示：

其中一颗失效晶振（3#）是正常的，其余失效晶振均表现为谐振阻抗偏大，其中1#和2#非常明显；4#样品谐振阻抗处于临界值。

失效现象与客户内部测试结果相一致。

表1.失效/正常晶振电参数测试结果

测试样品

Freq.Range（MHz）

ResonantImpedance（Ω）

评判结果

正常晶振

1#

16.01

16.02

合格

2#

16.01

21.00

合格

失效晶振

1#

16.01

2372.4

不合格

2#

16.03

291.08

不合格

3#

16.00

0.07

合格

4#

16.02

43.63

不合格

密封性测试

取失效样品（1#、2#、4#）进行密封试验，试验参考标准为GJB548-2005方法1014.2，试验条件A1、C1。

测试结果3颗失效样品密封性均不合格，详细检测结果见表2。

表2.密封试验结果

检验依据

参考标准GJB548B-2005方法1014.2试验条件A1、C1

试验设备

氦质谱检漏仪氦气氟油加压检漏装置

试验条件

细检漏

粗检漏

试验条件A1

试验压力：

517Kpa

加压时间：

4h

试验条件C1

试验压力：

517Kpa；加压时间：

2h

试验温度;125℃；试验时间：

＞30s

合格判据

漏率≤5.0*10-3Pa.cm3/s

从同一位置无一串明显气泡或两个以上大气泡冒出

样品

结果

实测数据

结果

现象

1#

不合格

1.6*10^-1

不合格

有一串明显气泡冒

2#

合格

1.4*10^-3

不合格

4#

合格

3.0*10^-1

不合格

剖面分析

失效晶振：

密封区域晶体存在微裂纹，电极层呈断续状态；密封腔区电极层出现分层现象。

对电极层成分进行测试，电极层存在少量氧（O）元素，除此之外未发现明显异常。

正常晶振：

密封区域晶体存在微区残缺，电极层连续，厚度均匀。

对电极层成分进行测试，电极层未检测到氧（O）元素。

除此之外，晶振密封区域左右两端尺寸差异巨大，且密封区域胶层不完整，个别区域存在孔洞，说明产品质量存在隐患。

失效晶振内部结构图

样品MX150817015-01密封区剖面形貌

样品MX150817015-01密封腔区电极区剖面形貌

样品MX150817015-01电极成分分析位置示意图

EDS成分分析谱图

表3.电极成分测试结果（wt.%）

测试位置

C

O

Al

Ti

Cu

Ag

Pb

合计

A

/

1.33

/

/

66.22

32.45

/

100

B

0.55

3.99

3.01

1.77

65.78

8.38

16.52

100

C

0.47

7.61

/

10.33

/

/

81.59

100

D

0.50

22.63

/

55.29

/

/

21.57

100

 正常样品MX150817015-02密封区剖面形貌

正常样品MX150817015-02电极成分分析位置示意图

EDS成分分析谱图

表4.电极成分测试结果（wt.%）

测试位置

C

O

Ti

Cu

Ag

Pb

合计

E

/

/

/

97.38

2.62

/

100

F

0.69

6.52

11.91

/

/

80.88

100

开封检查分析

将失效晶振和正常晶振进行开封，并对晶片表面电极层进行检查，发现失效晶振电极层存在两种异常：

电极层边缘存在明显分层，说明其附着力已经极大弱化；电极层表面存在尺寸较大裂纹，从裂纹表面形貌来看不属于外来物理损伤，裂纹的存在可能与电极层分层相关。

正常晶振电极层则未发现以上不良，表面形貌良好。

失效样品MX150817015-01电极层边缘分层形貌

失效样品MX150817015-01电极层表面裂纹

正常样品MX150817015-02电极层表面形貌

理论分析

晶振的主要失效模式包括功能失效、振荡不稳定以及频率漂移。

统计结果表明，大约90%的晶体失效模式为开路引起的功能失效，10%为电接触良好但不振荡或振荡不稳定，这主要是由于晶体结构的改变引起了晶体压电特性的消失。

本文中的晶振属于典型的电接触良好但不振荡，电学测试表现为谐振阻抗增大。

密封性测试发现失效样品不合格，密封性较差带来了诸多可靠性隐患。

对失效晶振和正常晶振进行剖面分析，结果表明失效晶振电极层不连续，且存在明显的分层，成分分析亦检测到氧元素的存在，说明电极层被氧化。

开封检查分析同样证明失效晶振内部结果发生变化，电极层边缘存在明显分层，电极层表面存在较大裂纹。

以上不良现象的存在共同造成了晶振参数发生了变化，而导致这种不良的根本原因是晶振密封性出现问题。