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
石英晶体元件的潜在失效模式和效因分析
FMEA
石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：
Rqn占丄n2Rqin2
（1）
gSe
上式表明等效电阻与石英晶体的密度P、内摩擦系数F、石英片的厚度t及泛音次数n的平方成正比，与压电常数&的平方及电极面积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（W0.4mm/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区进入石英片且进入电极区，使石英片电阻增加。
2.与石英片的表面质量有关
石英片表面有破边、破角、砂坑、砂痕，表面光洁度差造成石英表面应力大，
且在石英片振动时，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，不允许把残砂流到下工序。
（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）对小直径石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，石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）低频滚倒的石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．与石英片外形尺寸有关
（1）对圆片、石英片的直径大，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，要严格核算石英片长度与宽度，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严重影响谐振电阻，当平台直径©21RrT,to!
RrTlxRrT,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，即滚筒内径、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．与石英片表面沾污有关
（1）在操作时直接触摸石英片，手指套不洁，未戴口罩，唾沫易溅到石英片上。
（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）石英片清洗不干净。
（2）腐蚀时石英片数量过多，且腐蚀时石英片在溶液中未分开，石英片运动轨迹不合适，腐蚀液未及时更换，太脏，造成石英片有花印等。
6．石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，刀条张力小，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，造成石英片上架后有扭力；或选择支架不当，使石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方法存在问题，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T保温一降温）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。
0
（2）电极金属的厚度：
电极金属的厚度太薄、太厚，电阻大，当Te=800A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，主要是减少石英片在振动时的摩擦损耗（其真空度应达到10-3乇）。
10．石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，由于银层与石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石英片未倒双缺口，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．石英片碎裂：
由于石英片四周有裂缝，或倒缺口后直线与曲线连接处应力集中，造成冲击时石英片碎，研磨时砂、水比例不当造成石英片内有裂缝，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，针孔多，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．盒内脏，振子受污染；
9．石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，真空室内脏。
五、印字不牢
六、银层有花印、变色、有针孔等
7．直接触摸石英片或工具太脏，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．室内相对湿度高于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.被银前石英片频率分组组距不合适，大于300ppm/组；
5.被银后石英振子频率误差太大，在fn3150000ppm以外；
6.电极引出方向不合适；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
内阻太大或变化大（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．石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范围以外，防止共振；
3.使用导电胶注意不要过期，严格贮存条件，点胶量及位置要适宜，固化条件要严格控制，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.对高频薄片要求石英片四周光洁度达W5砂子研磨的光洁度，无破边、无裂缝，倒缺口的石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.石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。
2
4.石英片平面度与平面平行度太差（要求△h<0.53/fnMHz（mm））。
5.未严格控制电极直径与石英片厚度比（基波：
©e<18t；三次泛音：
©e<10t；五
次泛音：
©e<7.5t）o
6.未严格控制电极返回系数和电极引出端的宽度（△=4/f=（Nt/机n）2）。
7.未控制石英片边缘到电极边缘的尺寸，要符合RBechmann准则（b/机>3）。
8.激励电平太大；
9.腐蚀不均匀；
10.电极材料选择不当；
11.石英晶体的S区材质进入电极区十三、温度频差超差，主要由Z?
Z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B角要大8'左右，五次泛
音要比基频的B角增大10'左右，彼此的f-T特性才相似。
2•侧向尺寸的影响：
石英片直径与石英片厚度之比，即©/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.石英片修补外形的影响：
在相同的石英片直径与厚度下，平凸、平片、双凸形片
的零温度系数角B0是不一样，修外形的石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（xx）角的影响：
xx角对角的影响大约/Z\?
x为-37度，即^Xx变化1°相当于AB角小了’。
5.耦合模对f-T特性的影响：
当石英晶体元件工作时，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严重，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：
由于晶体内缺陷伴随位错而产生应变所造成用Z块、丫棒
和小r面籽晶培育出的人造水晶，做出的AT切石英谐振器的f-T特性与天然水晶均有差异，最大可相差6'（面籽晶的水晶差别最大）。
（2）人造水晶Q值的影响：
当Q值小于200万时，B角要相差数十秒，所以小公差晶体的Q值应>200万。
（3）不同生长区的影响：
当石英片含有Z/S、+x/s维界、f-T特性不再是三次曲线，毫无再现性，拐点升高4〜5C。
（4）杂质的影响：
人造水晶含有杂质相当于石英片视在角有一个负B的差异，拐点温
度向咼温端移动，生产厂家不同，B值差异可达2,—个工厂咼压釜不同，其切
角也有几十秒的差异。
7．电极膜对f-T特性的影响：
⑴电极直径©e愈小，B角应选小一些，由于石英片上蒸发上电极膜后它的惯性质量、弹性特性、内应力等方面的影响，使石英片视在角产生了偏移，且是泛音次数的函数。
（2）电极材料的影响：
金和镍产生的角偏移最小，银和金的杨氏模数很相近，金的膨胀系数比较适中，界于银和石英片之间，杨氏模数仅影响角偏移值的大小，而膨胀系数则确定角偏值的正负。
（3）电极膜的质量负荷不同，不但使B角有一偏移，也使拐点产生偏移，电极膜负荷
增加，其拐点向低温方向移动，且是泛音的函数，对基频影响大，泛音影响小，对小公差晶体应在被膜工艺上作严格控制。
8．装架对f-T特性的影响：
（1）与石英片粘合方位有关：
粘合方位在ZZ'方向对视在角的变化，比在xx'方位小
3倍，这是由于导电胶粘合后产生了与温度有关的热应力所引起的频率变化，与热膨胀系数、弹性常数及石英片应力灵敏系数成正比，在石英片的切线方向的热膨胀系数是方向角厶xx的函数，从而引起f-T曲线的变动。
（2）导电胶粘合面积、形状和厚度的大小对f-T特性的影响。
（3）“力频效应”：
在温度变化时，由于支架的热膨胀系数而使支架施加在石英片上
的力产生变化，导致f-T曲线的变化。
9．负载电容对f-T特性的影响：
石英晶体元件在加了负载电容Cl后其负载谐振频率为：
111
fL=fr〔1+C1/（CO+CL）〕1/2=—〔——〕1/2
2L1C1L/C。
Cl）
式中L1C1互相补偿而数值不变，而第二项因温度变化引起L1的变化，使得fL在整个温度范围内与fr的变动不一样，即fL-T特性与fr-T特性并不相同，且相差一个修正角ABl
△L=-5.7C0/（Co+Cl）（分）
设计时应考虑加上一个L角。
10•激励电平对f-T特性的影响：
由于“幅频效应”使AT切石英片频率增加量与功率耗散成正比（BT切则相反），且由于激励电平增大使石英片容易激励起寄生模，导致f-T特性曲线畸变。
11.温度变化速率的影响：
当温度变化速率超过1C/分时，由热梯度在石英片上产生应力而影响频率，当温度上升与下降时，由于温度变化速率较大造成热滞后的现象（即在升温与降温时fL-T曲线不重合），误差大时对f-T特性的影响有时要比B角差几分的影响还大。
12.X射线测角的误差
石英片角度的测量精度极大地受摆动曲线中心的精度所限制，有许多原因使摆
动曲线并不是很尖锐，而是有一定的宽度。
（1）Ka1线条宽度造成的误差；
（2）晶态色散造成的误差；
（3）晶体排列准直造成的误差；
（4）测角仪精度造成的影响;
5）灰尘颗粒造成的影响；
（6）石英片表面平面度及平面平行度的影响；
（7）温度造成的影响；
（8）©角和书角误差对测量精度的影响（书-X轴与测角仪平面的交角）;
（9）石英片表面光洁度及未腐蚀造成漫反射的影响。
十四、fL-T特性曲线拟合度差，且不光滑、畸变：
0
1.银层厚度要合适：
Te=800〜1000A;
2.选择直径要合适，石英片的长、宽尺寸能避开有关的寄生频率；
3.石英片平面度差，平面平行度差：
△h<0.53/fn：
MHz）（mm）;
4.表面光洁度差，最后研磨砂号太粗；
5.腐蚀不均匀，清洗不干净；
6.平面倒边片的斜面连接不平滑，造成高温端f-T曲线畸变；
7.引出端电极未采用扇形引出极；
8.封口后盒内露点温度高或漏气造成低温端f-T曲线畸变；
9.电极直径或面积选择不合理，过大。
十五、注：
有关激励电平相关性及老化率见其FMA。
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