石英晶體元件地潛在失效模式和效因分析報(bào)告

1、石英晶體元件的潛在失效模式和效因分析一一FMEA石英晶體元件在生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生這樣或那樣的質(zhì)量問(wèn)題，一般的失效模式有室溫調(diào)整頻差大；溫度頻差超差；諧振電阻大及其變化大；頻率和諧振電阻不穩(wěn)；停振；并電 容大；動(dòng)態(tài)電容達(dá)不到要求；密封性差；絕緣電阻??；抗振動(dòng)、沖擊強(qiáng)度低；有寄生響 應(yīng)和頻率溫度特性曲線不平滑；DLD不合格；年老化率大等問(wèn)題?，F(xiàn)給予分析：一、等效電阻大與不穩(wěn)定等效電阻的定性公式是：2F t 22Rqn2n =Rqi n( 1)g七Se上式表明等效電阻與石英晶體的密度P、內(nèi)摩擦系數(shù)F、石英片的厚度t及泛音次數(shù)n的平方成正比，與壓電常數(shù)&的平方及電極面積 Se成反比。具體地講與下

2、述因素有關(guān)：1. 與人造水晶原料的質(zhì)量有關(guān)人造水晶的雜質(zhì)少，位錯(cuò)少，腐蝕隧道密度少，生長(zhǎng)速率小(w0.4mm/天),且使用Z區(qū)的料，貝U Q值高，諧振電阻小，特別要注意人造水晶含鋁雜質(zhì)多而使S區(qū)加大，從而使S區(qū)進(jìn)入石英片且進(jìn)入電極區(qū)，使石英片電阻增加。2. 與石英片的表面質(zhì)量有關(guān)石英片表面有破邊、破角、砂坑、砂痕，表面光潔度差造成石英表面應(yīng)力大，且在石英片振動(dòng)時(shí)，使摩擦損耗增加，導(dǎo)致諧振電阻增加。(1) 在粗、中、細(xì)磨和拋光時(shí)砂號(hào)不能混，選擇砂號(hào)正確，每道加工工序完成后，應(yīng) 徹底清洗，不允許把殘砂流到下工序。(2) 要正確確定各道工序的加工余量，保證后道工序加工時(shí)，把前道工序加工造成的 破壞層

3、磨掉。(3) 對(duì)小直徑石英片不僅大平面的光潔度要高，同時(shí)厚度面的光潔度也要高，它不僅能降低諧振電阻，且對(duì)DLD合格率的提高有好處。(4) 各研磨工序應(yīng)注意所用砂子只能用 35次，否則換砂時(shí)間愈長(zhǎng)，石英片表面平面 度愈差，且離散性大。因此要注意砂子的使用，不能循環(huán)使用，在第一次砂液用 完后，再使用第二次等等。(5) 低頻滾倒的石英片應(yīng)使平面與滾倒的斜面的光潔度一樣，這就需要在滾倒時(shí)在離開(kāi)滾倒要求頻率約3050KHZ時(shí)，進(jìn)行校頻，校頻所用砂子要變細(xì)，這要求其破 壞層與平面相近就可以。3 .與石英片外形尺寸有關(guān)(1) 對(duì)圓片、石英片的直徑大，電阻就小，直徑的選擇很重要，對(duì)AT切它必須避開(kāi) xy &#

4、39;彎曲振動(dòng)，y'面切變振動(dòng)，xy '伸縮振動(dòng)耦合的影響，對(duì) BT切它必須避開(kāi) xy '彎曲振動(dòng)和y '長(zhǎng)度與寬度面切變振動(dòng)耦合的影響。(2) 對(duì)矩形片，要嚴(yán)格核算石英片長(zhǎng)度與寬度，必須避開(kāi)各種寄生振動(dòng)的耦合影響， 并采取相應(yīng)的措施。(3) 無(wú)論是圓片還是矩形片，滾筒倒邊后的平臺(tái)尺寸與留邊量to嚴(yán)重影響諧振電阻， 當(dāng)平臺(tái)直徑© 2 T Rr t，to T R T lx T R T,當(dāng)平臺(tái)尺寸不對(duì)稱時(shí),R r很大，所以 一是要設(shè)計(jì)好滾倒后尺寸，二是要控制好滾倒的工藝條件，即滾筒內(nèi)徑、滾筒 轉(zhuǎn)速、片砂比、裝滿度及球砂比等，同時(shí)滾筒必須接地，防止靜電吸附。

5、4. 與石英片表面沾污有關(guān)(1) 在操作時(shí)直接觸摸石英片，手指套不潔，未戴口罩，唾沫易濺到石英片上。(2) 清洗時(shí)未洗凈殘留的酸液，清洗的容器不干凈。(3) 烤膠時(shí)設(shè)備通風(fēng)不良，揮發(fā)物不易排出而污染振子，所有的烤箱不清潔，未定 時(shí)清洗。(4) 被銀、微調(diào)時(shí)所用工具、夾具、掩具未經(jīng)常清洗，真空系統(tǒng)返油、離子轟擊時(shí) 失靈造成油污沾染振子。(5) 銀絲、鉬舟未清洗干凈，未預(yù)燒，真空鍍膜機(jī)中鉬舟上部無(wú)擋板，從而沾污振 子。5. 腐蝕不勻(1) 石英片清洗不干凈。(2) 腐蝕時(shí)石英片數(shù)量過(guò)多，且腐蝕時(shí)石英片在溶液中未分開(kāi)，石英片運(yùn)動(dòng)軌跡不 合適，腐蝕液未及時(shí)更換，太臟，造成石英片有花印等。6. 石英片的

6、平面度及平面平行度差(1) 粗、中、細(xì)磨的研盤(pán)平面度差，研盤(pán)的重量不合適。(2) 未及時(shí)換砂，砂液比例失調(diào)。(3) 多刀切割時(shí)壓力過(guò)大，刀條張力小，升降臺(tái)晃量太大，切割線速度太高，平行導(dǎo)軌磨損太大。7. 裝架的影響(1) 支架：帶支架片的基座組臟，未經(jīng)過(guò)清洗；支架片的縫寬、縫長(zhǎng)及縫心距不符 合要求，且其縫的中心線不在一條直線上，造成石英片上架后有扭力；或選擇 支架不當(dāng)，使石英片碰支桿和基座平臺(tái)。(2) 導(dǎo)電膠：導(dǎo)電膠選擇不當(dāng)，如國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電膠電阻大，溫度多次變化，膠易龜裂； 導(dǎo)電膠存放環(huán)境條件及調(diào)膠方法存在問(wèn)題，造成吸潮及氣泡。膠點(diǎn)的大小，膠 的粘稠度及烤膠的過(guò)程(升溫-保溫一降溫)與通風(fēng)條件都影

7、響諧振電阻，調(diào) 膠時(shí)盡量不加稀釋劑，如膠太稠可加少量的專用稀釋劑。(3) 烤膠后的清洗：烤膠后未經(jīng)無(wú)水乙醇超聲清洗造成電阻不穩(wěn)。8. 電極(1) 電極直徑大，諧振電阻小，但太大，易激勵(lì)起寄生頻率。0(2) 電極金屬的厚度：電極金屬的厚度太薄、太厚，電阻大，當(dāng)T e=800A時(shí)，產(chǎn)品 Q值最高。9. 封裝的氣氛(1) 外盒中N2的露點(diǎn)太高(即含水量大)在低溫段易造成頻率下降，諧振電阻增加。(2) 外盒經(jīng)抽真空后諧振電阻減小，主要是減少石英片在振動(dòng)時(shí)的摩擦損耗(其真 空度應(yīng)達(dá)到10-3乇)。10. 石英片在加工過(guò)程中由于溫度劇烈變化，造成雙晶及銀層不牢或斷裂等使R增 加。二、停振1. 銀層斷裂：在

8、溫度劇烈變化時(shí)，由于銀層與石英片膨脹系數(shù)不一樣，而使銀電極弓I出部分?jǐn)嗔?，一般易出現(xiàn)問(wèn)題的工序如下：(1) 被銀：被完銀后立即放氣，易造成銀層劇烈收縮而斷裂；銀層退火處理未按程 序升溫、降溫。(2) 烤膠：未隨箱升溫和降溫。(3) 預(yù)老化：未按程序升、降溫。2. 碰外殼：由于支架歪斜，造成支架與外殼短路。3. UM-5石英片未倒雙缺口，造成振子上架后，振子碰引線支桿端部和基板平臺(tái)。4導(dǎo)電膠：使用不當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)失效，稀釋劑太多，導(dǎo)電膠太稀，或漏點(diǎn)，或洇膠, 烤膠后急冷，易把電極引出極拉斷。5. 封口時(shí)N含水量大，造成在零度附近結(jié)冰而出現(xiàn)死點(diǎn)。6石英片碎裂：由于石英片四周有裂縫，或倒缺口后直線與曲線

9、連接處應(yīng)力集中, 造成沖擊時(shí)石英片碎，研磨時(shí)砂、水比例不當(dāng)造成石英片內(nèi)有裂縫，易停振。7. 當(dāng)雙晶在電極區(qū)易停振。三、引線、外殼生銹變色、起皮、有水印1. 制造廠表面鍍復(fù)質(zhì)量差，鍍層太薄，針孔多，鍍層太厚或鍍前處理不好，或底層 鍍層不牢易起皮，脫水處理液太臟，未清洗干凈造成水印等，鍍液太臟或成份配 比失調(diào)等易起皮或有氣泡。2. 在生產(chǎn)過(guò)程中被操作者沾染，出現(xiàn)手印等。3. 放在臟的酒精中脫水或存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。四、頻率超差1. 微調(diào)留量不合適；23. 測(cè)試儀器不穩(wěn)；45.標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)受溫度影響不準(zhǔn)；7.激勵(lì)功率設(shè)定是否過(guò)大；.負(fù)載電容調(diào)得不準(zhǔn)；.測(cè)試溫度不標(biāo)準(zhǔn)；6 .標(biāo)晶的頻率變化了；8 .盒內(nèi)臟，振子

10、受污染;9.石英片對(duì)地電容不對(duì)稱（支架歪），造成正反向頻率不一致;10. 各工序未老化或老化不足，有關(guān)工序清洗不夠或沒(méi)有;11. 底座大面與凸筋的平面平行度0.02mm12. 真空系統(tǒng)返油，真空室內(nèi)臟。五、印字不牢1 .外殼較臟，未清洗干凈；2 .鍍層光潔度太高;3.烘烤溫度低，時(shí)間短；4 .印油過(guò)期。六、銀層有花印、變色、有針孔等1. 腐蝕后清洗不干凈，去離子水的電阻率低；2.未戴口罩；3.腐蝕前清洗不干凈，造成腐蝕不勻；4 .真空室太臟，不注意工藝衛(wèi)生;5.真空系統(tǒng)返油，室內(nèi)有油霧；6.鉬舟、銀絲未清潔干凈；7. 直接觸摸石英片或工具太臟，未戴手指套，上夾具時(shí)工作臺(tái)銀屑太多而臟；8. 真空

11、度低，放氣前停留時(shí)間太短或沒(méi)有；9微調(diào)機(jī)在換位時(shí)有慢漏氣；10 室內(nèi)相對(duì)濕度高于50%銀層易發(fā)白。七、并電容C0超差1. 電極尺寸太大或太小；2.電極面積不重合，被銀夾具位偏；3.裝架時(shí)支架歪造成C0正反向不一致。八、動(dòng)態(tài)電容C超差1. 電極尺寸太大或太??；2.電極面積不重合，被銀夾具位偏；3. 銀層厚度太厚或太薄，在+800+1000ppm以外；4. 被銀前石英片頻率分組組距不合適，大于 300ppm組；5. 被銀后石英振子頻率誤差太大，在 fn 350°ppm以外；6. 電極引出方向不合適；7.未采用橢圓電極。九、密封性差，原因復(fù)雜，但主要有：1. 電阻焊時(shí)放電電壓低，凸筋和基座

12、大面平面平行度0.02mm鍍層電阻率小或電阻率不一致，壓封模平行度0.02mm壓封時(shí)壓力(第一次加壓與第二次加壓) 和時(shí)間設(shè)置得不合理，壓封時(shí)上模下降速度太快，放電電路的鋁電解電容器內(nèi)阻 太大或變化大(未按規(guī)定賦能)，壓封處污染有油污等。2 玻璃粉絕緣子、基座、引線封接不良(1) 可伐材料不過(guò)關(guān)，在加工過(guò)程中金屬晶粒變粗，引起晶界腐蝕而造成慢漏氣；(2) 可伐絲材在拔絲過(guò)程中有收縮裂縫，或有麻花狀扭曲變形而造成慢漏氣；(3) 可伐絲或基板光潔度差，表面處理不好，燒氫的條件不佳(去氣、退火、還原)， 預(yù)氧化工藝條件差，造成慢漏氣；(4) 可伐材料與玻璃絕緣子的膨脹系數(shù)不匹配；(5) 燒結(jié)時(shí)，溫度

13、過(guò)低、過(guò)高、時(shí)間過(guò)短、過(guò)長(zhǎng)、氮?dú)饬髁窟^(guò)大或過(guò)小，氮?dú)夂?量過(guò)大，都能造成慢漏氣；(6) 玻璃粉毛坯在吸臘、排臘、預(yù)燒過(guò)程中條件不合適，造成氣泡等疵病而引起慢 漏氣；(7) 玻璃粉絕緣子炸裂而引起。十、絕緣電阻小1. 玻璃絕緣子表面臟，或有微裂，表面處理時(shí)選擇酸洗液不當(dāng)，造成表面腐蝕；2. 在燒結(jié)過(guò)程中的氣氛是還原氣氛，使玻璃中的金屬氧化物還原成金屬網(wǎng)布滿絕緣子，而使表面電阻和體電阻下降；3 支架與外殼接觸而短路；4 石英片電極間有導(dǎo)電橋或表面臟；5 外盒漏氣進(jìn)入潮氣。十一、抗振動(dòng)、沖擊、跌落能力差1.選擇支架不當(dāng)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品要求分別選擇彈簧圈支架、支架片支架(分體與整體 的)；2. 設(shè)計(jì)產(chǎn)品

14、的機(jī)械諧振頻率應(yīng)在103000Hz范圍以外，防止共振；3. 使用導(dǎo)電膠注意不要過(guò)期，嚴(yán)格貯存條件，點(diǎn)膠量及位置要適宜，固化條件要嚴(yán) 格控制，導(dǎo)電膠的型號(hào)要正確選擇；4. 上架時(shí)支架必須不歪斜、不扭、預(yù)應(yīng)力要小；5. 支架必須清洗干凈，使膠粘牢；6. 對(duì)高頻薄片要求石英片四周光潔度達(dá) W5砂子研磨的光潔度，無(wú)破邊、無(wú)裂縫， 倒缺口的石英片直線與圓弧連接處要有 R0.5的圓角。十二、寄生響應(yīng)差1. 石英片外形尺寸未設(shè)計(jì)好(1) 對(duì)圓片：選擇直徑時(shí)未避開(kāi)xy '彎曲振動(dòng)、y '面切變振動(dòng)、xy '伸縮振動(dòng)的耦 合;(2) 對(duì)矩形片選擇長(zhǎng)度和寬度時(shí)未避開(kāi)各種振動(dòng)的耦合。2. 修

15、外形尺寸未設(shè)計(jì)好，如平臺(tái)尺寸、留邊量、曲率半徑，使寄生抑制受到限制。3. 平倒片的斜面連接不圓滑，使f-T特性在高溫端跳點(diǎn)。4. 石英片平面度與平面平行度太差(要求 h<0.53/ fnMHz(mm)。5. 未嚴(yán)格控制電極直徑與石英片厚度比(基波：©e< 18t;三次泛音：© e< 10t ；五次泛音：© e< 7.5t ) o6. 未嚴(yán)格控制電極返回系數(shù)和電極引出端的寬度(= f/f= (N - t/ © e n) 2) o7. 未控制石英片邊緣到電極邊緣的尺寸，要符合 R - Bechmanr準(zhǔn)則(b/ © e>

16、;3)。8. 激勵(lì)電平太大；9. 腐蝕不均勻；10. 電極材料選擇不當(dāng)；11. 石英晶體的S區(qū)材質(zhì)進(jìn)入電極區(qū) 十三、溫度頻差超差，主要由ZZ 角確定，但如下因素不能忽視：1. 泛音模對(duì)頻率溫度特性的影響：一般三次泛音比基頻的B角要大8'左右，五次泛音要比基頻的B角增大10'左右，彼此的f-T特性才相似。2. 側(cè)向尺寸的影響：石英片直徑與石英片厚度之比，即©/t > 100時(shí)該影響才可忽略，對(duì)矩形片來(lái)說(shuō)，其寬度 W與厚度ty之比也影響f-T特性。3. 石英片修補(bǔ)外形的影響：在相同的石英片直徑與厚度下，平凸、平片、雙凸形片的零溫度系數(shù)角B o是不一樣，修外形的石英片

17、其一級(jí)溫度系數(shù)a值減小，它隨相對(duì)曲率t/r (曲率半徑)的增大而減小。4. 受電軸(xx )角的影響：xx角對(duì)角的影響大約為/ xx為-3 ' /度，即厶XX，變化1°相當(dāng)于角小了 3'。5. 耦合模對(duì)f-T特性的影響：當(dāng)石英晶體元件工作時(shí)，同時(shí)也可能產(chǎn)生面切變模、彎曲模以及它們的泛音和非諧波模振動(dòng)，從而使f-T特性產(chǎn)生異?，F(xiàn)象，特別是小尺寸和低頻晶體元件更為嚴(yán)重，其影響的因素見(jiàn)“十二”寄生響應(yīng)差。6人造水晶原料的質(zhì)量對(duì)f-T特性的影響：(1) 籽晶定向的影響：由于晶體內(nèi)缺陷伴隨位錯(cuò)而產(chǎn)生應(yīng)變所造成用 Z塊、丫棒和 小r面籽晶培育出的人造水晶，做出的AT切石英諧振器的

18、f-T特性與天然水 晶均有差異，最大可相差6'( r面籽晶的水晶差別最大)。 人造水晶Q值的影響：當(dāng)Q值小于200萬(wàn)時(shí)，B角要相差數(shù)十秒，所以小公差 晶體的Q值應(yīng)200萬(wàn)。(3) 不同生長(zhǎng)區(qū)的影響：當(dāng)石英片含有 Z/S、+x/s維界、f-T特性不再是三次曲線， 毫無(wú)再現(xiàn)性，拐點(diǎn)升高45C。(4) 雜質(zhì)的影響：人造水晶含有雜質(zhì)相當(dāng)于石英片視在角有一個(gè)負(fù)B的差異，拐點(diǎn)溫度向咼溫端移動(dòng)，生產(chǎn)廠家不同，B值差異可達(dá)2'， 一個(gè)工廠咼壓釜不同，其切角也有幾十秒的差異。7 電極膜對(duì)f-T特性的影響：(1)電極直徑© e愈小，B角應(yīng)選小一些，由于石英片上蒸發(fā)上電極膜后它的慣性質(zhì) 量

19、、彈性特性、內(nèi)應(yīng)力等方面的影響，使石英片視在角產(chǎn)生了偏移，且是泛音次數(shù)的函數(shù) 電極材料的影響：金和鎳產(chǎn)生的角偏移最小，銀和金的楊氏模數(shù)很相近，金的 膨脹系數(shù)比較適中，界于銀和石英片之間，楊氏模數(shù)僅影響角偏移值的大小， 而膨脹系數(shù)則確定角偏值的正負(fù)。(3) 電極膜的質(zhì)量負(fù)荷不同，不但使B角有一偏移，也使拐點(diǎn)產(chǎn)生偏移，電極膜負(fù) 荷增加，其拐點(diǎn)向低溫方向移動(dòng)，且是泛音的函數(shù)，對(duì)基頻影響大，泛音影響 小,對(duì)小公差晶體應(yīng)在被膜工藝上作嚴(yán)格控制。8 .裝架對(duì)f-T特性的影響：(1)與石英片粘合方位有關(guān)：粘合方位在 ZZ'方向?qū)σ曉诮堑淖兓?，比?xx '方 位小3倍，這是由于導(dǎo)電膠粘合后產(chǎn)

20、生了與溫度有關(guān)的熱應(yīng)力所引起的頻率變 化，與熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)及石英片應(yīng)力靈敏系數(shù)成正比，在石英片的切線 方向的熱膨脹系數(shù)是方向角 xx的函數(shù)，從而引起f-T曲線的變動(dòng)。 導(dǎo)電膠粘合面積、形狀和厚度的大小對(duì) f-T特性的影響。(3) “力頻效應(yīng)”：在溫度變化時(shí)，由于支架的熱膨脹系數(shù)而使支架施加在石英片 上的力產(chǎn)生變化，導(dǎo)致f-T曲線的變化。9. 負(fù)載電容對(duì)f-T特性的影響：石英晶體兀件在加了負(fù)載電容 Cl后其負(fù)載諧振頻率為：fL=fr 1+G/ ( G+C )"2 =丄丄 +11/22 兀LQ L'Co+Cl)式中Li G互相補(bǔ)償而數(shù)值不變，而第二項(xiàng)因溫度變化引起 Li的變化，使得 fL在整個(gè)溫度范圍內(nèi)與fr的變動(dòng)不一樣，即fL-T特性與fr-T特性并不相同，且 相差一個(gè)修正角L 9 L=-5.7 Co/ ( Co+CL)(分)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮加上一個(gè)L角。10. 激勵(lì)電平對(duì)f-T特性的影響：由于“幅頻效應(yīng)”使AT切石英片頻率增加量與功率耗散成正比(BT切則相反)，且由于激