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GPS介绍及恒温晶体振荡器OCXO模型建设

导航星全球定位系统 NAVSTAR/GPS Global Navigation Satellite Timing and Ranging Positioning System/Global Positioning System,简称GPS)是一个全新体制的定位定时系统,是可供全球共享的具有很高应用价值的空间信息资源,已经成为目前世界上应用范围最广、实用性最强的全球精密授时、测距和导航定位系统.

如图2.1所示。

GPS系统组成:全球定位系统(GPS)出3个部分组成:卫星星座,地面控制/监视网络和用户接收设备,也称其为空间部分、地面支撑系统、用户设备部分。

空间部分:空间为GPS卫星星座,由24颗GPS导航星组成(其中21颗工作3颗备均匀配置在6个与赤道夹角为55°的近圆形轨道上,轨道夹角为60°,这些卫星发播的信号能覆盖全球各个角落。这样可以保证全球任何地方的用户能在任何时刻观测到5~8颗GPS卫星,这些卫星工作在两种频率下:1575.42MHz和1227.6MHLz,卫星上均有遥测遥感天线,用于与地面监控系统通讯,每颗卫星都带有两台小型铯或氢原子钟(稳定度达2×10-13~1×10-14)、微型计算机、电文存储器和数据接收与发射设备,并且由太阳能电池及后备镉镍电池提供电源。

地面测控部分:由五个地面监测站、数据注入站和一个主控站组成。主控站位于科罗拉多州的联合空间执行中心,三个注入站分别设在大西洋的阿松森岛、印度洋的狄哥·伽西亚和太平洋的卡瓦加兰,五个监控站设在主控站、三个注入站和夏威夷岛,其示意图如图2.2。

主控站昼夜不停地自动分析处理来自个监测站地数据,编算出每个卫星的星历和GPS时间系统,将预测的卫星星历、钟差以及状态数据,然后把这些修正数据传送到数据注入站,由注入站再把修正数据分别发送递给相应的卫星。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离,必要时调度卫星,让备用卫星取代失效的工作卫星。

五个监测站的主要任务是对每个卫星进行观测,并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机(这里对于石英晶振应用的要求就高了),对每个卫星进行常年连续不断的测量,每6秒进行一次伪距测量和多普勒观测、采集气象要素等数据。监测站是一个无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测的数据传送到主控站。五个监控站分布在全球范围,保证了GPS精密定轨的要求。对卫星的监视加注,每天至少要进行一次。通过这样的加注办法来补偿卫星钟的步调差和信号传播(GPS贴片晶振)过程中的变化,使卫星钟与GPS主钟之间保持精密的同步。

对石英晶体振荡器的锁定技术国内外已经展开了相关的研究,并且也已经有了些相应的产品。在国外,瑞士的 Special Time等公司都实现了利用卫星信号来锁定级频标的技术,并且将晶振分频得到的秒信号和GPS输出的1PPS信号同步起来,同步精度达到了15ns。对于二级频标的驯服保持技术,虽然有单位曾经做过研究,但是技术不成熟,因此没有推广。

由于近年来二级频标的大范围使用,为了节省成本并达到高稳定度和准确度的要求,加拿大的北方电信就此技术已经初步进行了研究。国内对于卫星信号锁定二级频标的技术已经有相关单位从事这方面的开发工作,但二级频标的精密驯服保持技术还处于起步阶段。

曾祥君曾提出采用高精度石英晶振对GPS时钟进行实时监测,建立了GPS时钟误差的测量模型,给出了一种高精度时钟的产生方法,同时他还提出用晶振信号同步GPS信号产生高精度时钟的一元二次回归数学模型,有效消除了GPS时钟信号的随机误差和晶振的累计误差,这对实际应用有很好的指导意义。国内外还利用相同的原理实现了基于GPS的铷钟的驯服。

例如,北京跟踪与通信技术研究所就实现了铷钟的自适应驯服,并且驯服时间更短, 精度更高;在国外, Juliano tibo narciso等人对数字和模拟两种方法实现的驯服晶振的性能进行了比较,结果表明模拟方法有更好的电气特性,但是电路复杂, 而数字化方法(PGA: Field Programmable Gate Array)实现简单,成本也比较低cha- Lung Cheng等提出了使用实时动态神经网络小波预测滤波器来消除大气延时,通过基于神经网络模型的预测控制器输出差值数字信号,经D/A转换来驯服石英晶振,贴片晶振的方法,但是实现复杂度很高。

英国的PTS公司生产出了基于GPS驯服铷钟的频率标准,结合DDS实现了输出频率在1μHz到80MHz的范围内可调。另外,美国的一家公司也开发出了相应的产品,型号为PRS10,其基准可以在GPS和其他高精度频率源之间进行切换。

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当离子枪使用时间过长使离子枪内部积碳、操作员在清扫真空腔时有异物掉入离子枪内、或因为离子枪冷却不良都会造成离子枪出力不稳定,使不良品数量增加。例如,如图4-1l1所示,当离子枪工作正常,出力稳定时,离子枪的实际刻蚀速度(设备根据设定的各参数计算出离子枪beam电压、放电电流并供给离子枪。离子枪在获得这些电压、电流后实际输出的离于束,对石英晶振晶片刻蚀的速度。

当离子枪工作不正常时,实际工作电压、电流也会与计算值产生很大偏差,因此就不能获得相应电流密度的离子束,使得刻蚀速度发生变化)等于设定的速度时,设备根据加工前测定的频率和设定的刻蚀速度计算出的加工时间与实际需要加工的时间相等,经过该时间的加工后可以达到目标频率。当离子枪的实际刻蚀速度大于设定的速度时,则计算出的加工时间大于实际需要加工的时间,此时,经过该时间的加工后,频率必然大于目标频率,而产生F+不良。

离子枪出力不稳定的处理方法

在实际生产中,离子枪的工作状态会逐渐变差。因此操作员遇到少量不良品的出现,不会意识到离子枪已发生异常,而是调整一些参数继续生产,直到出现大量不良品,通过调整参数也无法进行生产时才联系维修人员进行修理和保养。这样,不但会使离子枪长期处于不安定的状态,而且经常出现不良品。为此,本文通过前面的理论知识,利用公式(4.2)和(4.3)针对A品种的石英贴片晶振制作了一个简单的程序,界面如图4-12。

当操作元将制品放入设备中共，开始刻蚀加工时，只要输入设备仪表上的监控电压和电流,就可以知道现在的离子束刻蚀速度。只要与设定的刻蚀速度比较一下,当两速度相差较大时,便可知道离子枪已工作在不安定状态,应及时联系维修人员进行维修或保养。这样可以避免大量不良品的发生。

石英晶振离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于石英晶振离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜,可以对离子束进行聚焦。热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。

用离子束照射石英晶振的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。

在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶振晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英贴片晶振晶振片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引|出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

在前面的文章中我们介绍了石英晶振的由来,工作原理,以及晶振频率的微调研究,离子束加工原理等技术资料,接下来CEOB2B晶振平台要给大家介绍的是晶振离子束刻蚀设备.

离子束刻蚀需要使用适当的电压和电流将某种气体电离成离子,然后对其进行聚焦和加速,使之形成高能的离子束对工件进行加工。这些过程在大气压状态是无法完成的,所以离子刻蚀加工必须在高真空环境中进行。为此石英晶振离子束刻蚀设备必须包括真空腔和排气系统。此外,为了产生高能离子束还必须有离子源以及控制离子源的电源系统。最后,根据加工的石英贴片晶振和目的不同,还需要配备不同的监测系统和控制系统。

3.3.1离子

离子源也称离子枪,是产生高能离子束的装置。因此,离子源是这个离子刻蚀设备的核心。离子源的工作状态决定着整个石英晶振晶体设备的工作效率和刻蚀精度。并且,在不同的应用中,离子源的种类也各不相同。为此,在实际应用中,一般用以下参数来衡量离子源的性能：

1.束流强度和束流密度。离了束的离子流的大小称为束流强度,用Ⅰ表示。离子束的单位面积上的离子流大小称为束流密度,用J表示。当离子束的横截面是S,则: I=JS。当其他因素不变时,束流强度或束流密度增大时,离子刻蚀的能力就增大。

2.离子束的尺寸和张角。离了束的尺是指离子束直径的大小。离子束的张角则是指当使用的宽离子束是汇聚束或发散束时的收敛角或发散角。或者细直径离子束的束救角。

3.气体利用率。也就是气体输入离子源后,经过电离、聚焦和加速后能成为有效离子的百分比。

4.功率和效率。效率是指高子源输出的高能离子束的能量与输入离子源的能量的比。在石英晶振,石英晶体振荡器实际应用中,为了提高能源的利用率,必须尽可能的提高离子源的效率。

5.离子源的运行特性。运行特性用于衡量离子源工作的稳定性和可靠性。保证设备能够安定的生产。

3.3.2工作腔

真空腔的大小要适中或者将真空腔分为加工室和准备室,加工室一直保持高真空。这样可以减轻真空泵的负担减少抽真空所需的时间。另外,在真空腔中需安装摆放石英晶体,贴片晶振等工件的工作台。工作台的移动可以通过马达或R0B0T控制,以便调整离子束与工件的位置。当马达在真空腔外时,还必须保证转动轴的真空密封性。避免由于转动轴处发生空气泄露,破坏加工的真空环境,影响晶振加工的品质。同时空气泄露后会加重真空泵的负担,如果是湿泵还容易加速真空油的劣化,缩短真空泵的使用寿命:工作台和离子源按不同应用可以分别配备水冷循环系统,对工件与离子源进行降温,以保证石英晶振的品质与离子源的出力稳定。最后,真空腔还应有一个观察窗口,以便观察加工的情况。

3.3.3排气系统

排气系统一般分两段对真空腔进行排气,先用油旋转泵等低真空泵排气,使真空度达到0Pa左右,然后用油扩散泵等高真空泵排气,使得真空腔达到各种加工所要求的高真空度。一般情况下,真空腔的本底真空度应高于103Pa,这样可以避免真空腔内混入过多的其他气体分子和水蒸气,这些气体分子和水蒸气不仅对离子源出力的稳定产生影响,还会污染石英贴片晶振工件,降低产品品质。此外在使用油扩散泵时,还必须在泵前加装冷凝阱防止油蒸汽付真空腔的污染。

3.4离子束刻蚀的应用

离子束蚀具有多项优点:入射离子的方向性很强,刻蚀分辨率高,能刻蚀任何材料,一次能刻蚀多层材料,刻蚀在高真空中进行,刻蚀过程不易受污染。因此被广泛应用于电子工业、生物医疔等行业中.

首先,出于离子束刻蚀具有上述优点,在电子工业中特别适合于对半导体元件的引线制作和图形刻蚀,以及石英晶振晶片的减薄加工。其次,在生物医疗应用中,可以将人造器官的表面刻蚀成特定的结构,使人体的组织在其表面容易生长。另外,在电子显微镜和做表面分析用的试样制备中,出于离子束刻蚀使用物理的撞击效应和溅射效应,并且分辨率高容易控制,因此可以制成无化学污染的高质量的试样。

石英晶振频率微调国内外研究现状

石英晶体元器件的生产从晶片的切割到成品包装。在整个工艺流程中,以下几个工序主要影响着产品的频率。

1.晶振晶片的制作,根据目标频率制作出相应切割方位、尺寸的晶片。

2.在晶片表面镀敷导电电极层(根据要求可以镀银或金)。

3.通过微量增厚或减薄镀层的厚度,进行频率的微调。

国内外在石英晶体元器件生产过程中使用的频率微调方法主要有蒸发频率微调技术,喷射频率微调技术,激光刻蚀频率微调技术,离子刻蚀频率微调技术

如图1-1所示,蒸发频率微调技术是石英晶体元器件加工中出现最早的微调技术。是在真空状态下,对装有蒸发材料(银)的钨制料舟进行加热,使银气化沉积在石英晶体表面而达到频率微调的目的。因为此技术频率偏差大,效率低,原料消耗大,国内外的使用在逐渐减少。

如图1-2所示,喷射频率微调技术是蒸发频率微调技术的改进型。是在真空状态下,对装有蒸发材料(银)钼盒进行加热,使银气化后从钼盒的孔中喷出,沉积在石英晶振晶体表面而达到频率微调的目的。因为此技术易于实现,相应的设备简单,成本低,频率偏移不是很大。因此目前国内外使用较多。

如图1-3所示,激光刻蚀频率微调技术是将激光发生器产生的激光照射石英贴片晶振晶体表面的电极层,使其气化而达到减薄电极层的膜厚度,从而达到调整频率的目的。因其精度高,速度快而被广泛的应用于石英晶体元器件的生产中。

虽然激光刻蚀频率微调技术精度高,加工质量稳定,生产效率高,但是激光频率微调后石英晶振晶片表面并不是均匀一致的,而是凸凹不平的。因此,并不适用于所有的石英晶体的频率调整,特别是AT系列产品。为此20世纪80年代末期开始,出现了关于离子東刻蚀频率微调技术的研究,经过多年的发展,国内外有些厂商已开始应用。如图1-4所示,离子束刻蚀频率微调技术是将离子发生器产生的离子加速后轰击晶片表面,使晶片表面的电极层脱落,减薄电极层膜厚,从而达到调整频率的目的.

从手机可以移动携带开始，就一直是石英晶振使用量最大的电子领域，日本及至全球最大的品牌爱普生晶振进入中国市场之后，最早就是广泛大量的应用在手机上了，从老人机，半键盘半屏幕手机，滑盖手机到如今的智能手机，几乎都能看到爱普生晶振的身影。MC-146晶振和FC-135晶振在爱普生公司当中，被誉为是手机晶振的两大型号。

晶振生产制造阶段的管理

1.晶振元件管理

石英晶振元件的可靠性对产品的可靠性有很大的影响,尽管产品有完美的设计,组成产品的元器件可靠性出现问题,也无法实现产品规定的可靠性。石英晶振元件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性两个方面,固有可靠性指的是元器件自身的可靠性状况,这是由供应商决定的,供应商生产的元器件好换坏直接决定了元器件的固有可靠性。使用可靠性指的是元器件在使用阶段的可靠性,它与元器件的使用环境、使用方法等有直接关系,在进行元器件可靠性管理,必须保证元器件的固有可靠性和使用靠性都在管控范围内,只有这样才能尽可能的保证元器件的可靠性不出问题。

为了保证石英晶振,贴片晶振元件的固有可靠性和使用可靠性,需要进行很多的管理工作。比如,在采购原材料时,需要对供应商进行管理,在交付阶段,需要进行来料检验工作,在生产阶段需要保证元器件的使用环境、方法等。结合W公司实际情况, 需要采取以下措施来保障元器件的可靠性。

(1)优化供应商管理制度

目前,市场对石英晶振的产品型号需求不一,Z公司的石英晶振产品型号非常多,组成石英晶振的元器件种类也很复杂,所有元器件的可靠性都可能会对最终的石英晶体,石英晶振可靠性带来影响。这样以来,对元器件的可靠性管控就必须严格进行,选择合适的供应商就显得尤为重要。供应商管理制度的合理性对采购的元器件的可靠性水平是成正比的,完善供应管理制度对提高元器件的固有可靠性大有裨益。

为了优化供应商管理制度,Z公司制定了《供应商准入制度》和《供应商考核制度》两个管理规程,来对供应商管理工作提供准则和要求。制度要求资材课、品管课以及技术课等多个部门联合对供应商进行评审,评审通过的供应商纳入合格供应商名录,接下来对进入名录的供应商的晶振样品进行检测,经技术部门确定合格后,最终成为合格供方。Z公司每季度还要对合格供方进行动态评价,以此来保证供方的质量。在每批元器件入库前,需要对元器件进行来料检验,按照来料检验规程严格进行筛选,经检验合格的元器件才能入库,进行生产。这样就能保证石英晶振,石英晶体振荡器的固有可靠性满足要求,Z公司供应商管理流程如图4-3所示。

除此以外,如何根据实际情况,采用一定的策略来实现对供应商管理利益的最大化也是一门学问,Z公司目前所需原材料种类繁多,元器件的重要程度也千差万别,因此,Z公司针对不同的供应商可以采用不同的策略,对于那些直接影响石英晶体振荡器,石英晶振可靠性的关键元器件,公司应采取与供应商合作共赢的模式,与供应商加强交流,分享实际生产需要经验,从而降低采购成本,提高元器件可靠性。对于那些非关键元器件供应商,公司应该采取多家供应商供货的方法,使供应商之间形成竞争关系,从未间接可以降低采购成本,提高采购质量。公司一定要重视对供应商的管理。

(2)完善元器件的选用制度

虽然元器件的供应商管理问题解决了,元器件的固有可靠性也有了保证,但为了保证石英晶振,贴片晶振的使用可靠性,需要对元器件的选用进行要求,具体的选用要求有以下几个方面:

（1)根据石英晶振的具体型号,来选取相应规格的元器件,而不是只根据型号来选取元器件,因为不同的石英晶振产品的可靠性标准不同,那么所需元器件的规格也会有所差别。

（2)根据元器件在使用过程所受应力的状况来选取元器件,不同产品的元器件所受极限应力不尽相同,按照降额设计的原则来选取元器件。

（3)简化元器件品类,尽量选取标准化元器件,因为标准化石英晶体振荡器.石英晶振,贴片晶振的成本低, 可靠性水平也高。

（4)对于新型元器件的选取,必须经过技术部门的可靠性评估后,没有问题才能投产。

（5)根据以往选取石英晶振,贴片晶振实际经验,制定元器件选取标准,规范元器件选取方法。

A型石英晶振的组成

A型石英晶振结构比较简单,由底座、PCB电路板、元器件、晶体、外壳五部分组成,根据这些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框图, 可靠性框图见图3-4

4.22A型石英晶振的可靠性要求

A型石英晶振的可靠性指标要求如下:

(1)石英晶振在工作n年内不发生致命故障

(2)石英晶振n年内总的工作时间不低于:t=n×365×24。

(3)石英晶振的可靠度为0.95:即Rs=0.95。

4.2.3A型石英晶振的可靠度计算

可靠度是指产品在规定的条件和规定的时间内,能正常完成规定功能的概率,通常用R表示。根据对A型石英晶振的结构分析,可以看出A型石英贴片晶振为串联结构,可靠度计算公式如下:

RS=R1×R2×R3×…·×Rn                       公式(4-1)

A型石英晶振由四部分组成:底座、电路板、元器件、晶体、外壳。A型石英晶振可靠度计算公式如下:

RS=R1×R2×R3×R4×R5                  公式(4-2)

式中:R、R2、R3、R4、R5分别代表底座、电路板、晶体、元器件、外壳的可靠度。

4.24A型石英晶振的可靠性预计

可靠性预计,顾名思义指的是对产品在规定的工作条件下进行可靠行估计也就是根据类似产品的经验数据或组成该产品的各单元的可靠性数据,对产品给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算。

可靠性预计的意义主要有:

(1)为产品设计阶段的可靠性设计提供依据

(2)为产品的维护阶段提供有价值的信息。

3)站在可靠性设计的角度,筛选设计方案,寻找最佳设计方案。

(4)为改进设计方案提供理论支持。

可靠性预计的方法主要有上下限法、元件计数法、相似产品法、应力分析法评分法、故障率预计法、性能参数预计法。根据W公司实际情况,本文采用应力分析法对贴片晶振,石英晶振,石英晶体进行可靠性预计。因为A型石英晶振的主要部件的故障率均可通过供应商得到,所以本文采用应力分析法。采用GJB/Z299C-2006预计手册。故障率预计法的计算公式为:

4.2.5A型石英晶振的可靠性分配

可靠性分配指的是将整个系统的可靠性指标分配给各个组成部分,是将可靠性指标总整体到局部,从上到下进行分配的过程。可靠性分配有以下意义:将产品的整体可靠性指标进行分配,分配到产品的下级组成部分,可以使每个组成分的可靠性设计指标更加准确细致,便于可靠性设计人员进行分析。

可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘数法、比例分配法、评分分配法、复杂度分配法、动态规划法、重要度法、直接寻查法。

本文采用 AGREE分配法对A型石英晶体振荡器,贴片晶振,石英晶振进行可靠性分配, AGREE分配法将整体的每一个组成单元的复杂度和重要度纳入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整体的各个组成单元的重要度和复杂度有关,组成单

元越重要,分配的失效度就应该越高。相反,组成单元的重要度越高,分配的失效度就应该有所减少。也就是说,分配给每个组成单元的失效度是加权的,加权因子C与组成单元复杂度成正比,与组成单元的重要度成反比。

单元或子系统的复杂度的定义为单元中所含的重要零件、组件(其失效会引起单元失效)的数目Ni(i=1,2.n)与系统中重要零、组件的总数N之比,即第i个单元的复杂度为：

假定设备的寿命符合指数分布,则可靠度为:

单元或子系统的重要度的定义为该单元的失效而引起的系统失效的概率。其表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为：

考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示：

式中：

Wi —为系统的失效率

Ki —产为单元的复杂度

对产品的设计、生产、维修等全流程进行诊断分析,通过对Z公司相关控制程序、作业指导书、作业人员的访谈、生产线实地走访、试验过程分析等途径,来分析诊断贴片晶振,石英晶振故障原因。通过诊断,发现Z公司的可靠性设计、生产,可靠性试验等方面存在这严重不足,最后运用因果分析图从人、机、料、法、环、测等六个方面来对石英晶振故障原因进行诊断,诊断结果如图4-1。

FRACAS( Failure Report Analysis and Corrective Action Systemm),即故障报告、分析和纠正措施系统。首先通过报告产品的故障来分析故障原因,然后制定有效措施来解决可靠性问题,防止故障再次出现,与此同时,把故障原因和对应的纠正措施反馈到设计过程中,从而形成可靠性增长的良性循环。图4-2为FRACAS工作流程图。

石英晶振可靠性现状

可靠性管理是提高产品可靠性的必由之路,在很多领域有着广泛的应用,大到航空航天,小到电子信息设备,都已经应用可靠性管理来提高企业产品的可靠性。但截至目前,在石英晶振制造领域,还没有全方位的将可靠性管理纳入企业日常管理中来。Z公司也不例外,Z公司目前主要按照ISO9001质量管理体系的要求来对石英晶振产品的质量进行管理,虽然公司的管理水平比较先进,但如果要从根本上改善石英晶振产品的可靠性,就要将可靠性管理纳入公司管理中来。目前,A型石英晶振产品占到公司晶振销量的20%左右,是公司的主推产品, 该型石英贴片晶振的设计也已经很成熟了,但A型石英晶振可靠性仍然存在着很多问题,退换货给公司形象带来负面影响。针对这种现象的出现,本文将以A型石英晶振为例,首先对A型石英晶振产品进行 FMECA分析,其次运用模糊FMECA综合评判来量化FMEA的分析结果,并在定量分析的基础上建立模糊CA模型,计算各故障模式的综合危害度等级,并以此为根据对故障模式进行排序,以便判定进行改进措施的优先权,保证系统可靠性工作的效率,最后结合公司实际情况,诊断出产品可靠性不高的原因,尽可能的来帮助企业解决石英晶振的可靠性问题。

3.3A型石英晶振 FMECA分析

本文采用故障模式、影响及危害性分析( FMECA)来分析A型石英晶振的故障模式、故障影响以及故障所带来的危害性,试图通过 FMECA来找出A型石英晶振,贴片晶振,石英晶体振荡器可靠性管理上存在的问题,并针对这些问题运用可靠性管理方法来解决,最终达到提高晶振可靠性的目的。

下面对A型石英晶振进行故障模式、影响及危害性分析:

1.定义产品

石英晶振的功能:石英晶振作为一种高精度的频率源器件,主要作用是输出高精确,高稳定的频率。石英晶振由五部分组成:底座、PCB电路板、晶体元器件和外壳五部分组成。本文按照石英晶振_PCB板一元器件的层次来对石英晶振进行 FMECA分析,石英晶振的最高约定层次为石英晶振,最低约定层次为元器件。

2.故障严酷度(S)的划分

故障严酷度划分如下:

I类(灾难性的):晶振无输出的故障

Ⅱ类(致命的):晶振输出幅度小的故障

Ⅲ类(临界的):晶振输出有杂波的故障

IV类(轻度的):晶振相噪不良的故障

3.可靠性框图

石英晶振构造比较简单,石英晶振,贴片晶振可靠性框图如图3-4所示

4.故障模式分析

以2015年A型石英晶振故障模式数据为依据,A型石英晶振的故障模式按部件类别可以分为底座、PCB电路板、元器件、晶体和外壳这五个类别。根据A型晶振产品故障统计来确定发生度O,得到A型石英晶振故障发生度如表3-2

在第二次大战期间,战争进行得十分惨烈,众多军事装备发挥了巨大作用, 战斗机、火箭炮、坦克、各种电子信息设备应用于战场,提高了军队的战斗力。但是,这些先进装备可靠性不稳定,出现各种问题,军方对这些装备的可靠性提出不满,德国科学家最早提出了可靠性的相关理论,在研制V1火箭的过程中, 就提出了可靠性乘积理论。

20世纪50年代,为了提高军事装备的可靠性,美国投入了巨大的资源对可靠性理论进行研究。在这期间,美国成立了著名的“电子设备可靠性顾问委员会” ( Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment, AGREE)。这是一个专门从事可靠性研究的组织。1957年6月4日, AGREE发布了《军用电子设备可靠性报告》,报告提出了可靠性是可建立、可分配的,这份报告为可靠性的发展奠定了基础。与此同时扌,另一个超级大国苏联为了保证本国航空航天的可靠性,也开始对可靠性理论进行研究。在这一阶段,很多国家大力开展了可靠性理论的研究日本是其中对可靠性研究比较先进的国家,他们认为可靠性理论可以提高本国企业的竞争力。1958年,日本成立“可靠性研究委员会”,专门对可靠性理论进行研究。

20世纪60年代,美国的科技水平已经领先世界,特别是航空航天事业,进入迅速发展的时期,为了保证航天事业的可靠性,美国国家航空航天管理局NASA)开始运用可靠性理论对航天器进行设计和研究。

20世纪80年代,信息技术蓬勃发展,计算机逐渐应用于各种研宄领域中可靠性研究理论也开始运用计算机技术(其中起关键作用的不乏石英晶振),计算机的应用,进一步加速了可靠性理论的发展。可靠性的发展方向也在改变,逐渐向更加深层的领域发展,可靠性的地位也在不断提高,已经与费用工期处于基本相同的位置,与此同时可靠性管理的制度化也在不断加强。

21世纪以来,可靠性研究工作对象由电子产品,电子零件,石英贴片晶振,向非电子产品,由硬件向软件,由工作状态向储存状态等领域扩展。可靠性工作的开展促进了与之密切相关的装备可用性、保障性、综合技术保障等特性以及效能费用分析的研究。

2.12可靠性定义

人们通常将可靠性理解为石英晶振,石英晶体振荡器产品在正常的使用条件下,它是否会出现故障,是否稳定。在国家标准GB/T3187-1994中,对可靠性有明确的定义,把可靠性定义为:“产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。”。通过对可靠性定义的理解,可以看出.

1.“规定条件”是可靠性定义的一个重要要求,产品使用的条件不是任意的。可靠性也应实在规定的使用条件下,比如固定的温度、湿度等环境条件,在比如固定的振动条件下、储存方法以及使用方法等都是属于“规定条件”的范畴。

2.“规定日时间”也是可靠性定义的要求,产品的可靠性随着时间的流逝不可能保持不变的,时间越久,产品的可靠性也就越低,因此“规定时间”与可靠性要求密不可分。根据产品性质的不同,可靠性对应的时间指标也不尽相同。可靠性里讲的时间是广义的,“规定的时间”也可以指产品使用周期、次数等,对于汽车行业来说,里程也可以说是广义的时间范畴。

3.“规定功能”是另一个重要的可靠性指标,“规定功能”指的是产品应具备的技术指标。不同产品的技术指标是不同的,要想分析产品的可靠性,就先要把握好产品的技术指标,也就是“规定功能”。

在可靠性设计方面,可靠性有基本可靠性和任务可靠性两个分类。任务可靠性指的是产品出现故障后给工作任务造成的影响,也就是完成“规定功能”的能力,任务可靠性通常用致命性故障间隔任务时间 MTBCF( Mission time between Critical failure)和任务可靠度MR( Mission Reliability来评价。基本可靠性指的是产品在没有保障的情况下的正常工作的能力,衡量基本可靠性的很重要的一个参数就是平均故障间隔时间MTBF( Mean Time Between Failure)。

在可靠性应用方面,可靠性有固定可靠性和使用可靠性两种分类。使用可靠性指的是石英贴片晶振产品在具体的使用过程中,在一定的使用环境下,对产品的设计,制造, 维护等方面综合的评价。而固有可靠性顾名思义指的是产品本身所具有的可靠性水平,是对产品设计和制造水平的把握。

2.1.3可靠性管理定义

实现产品规定的可靠性可以从设计层面入手,也可以从生产方面入手,当然通过管理也能保证产品可靠性。在产品的可靠性上,设计人员对产品的设计水平接影响着产品可靠性,设计阶段是产品可靠性能否过关的第一个条件。生产是保证产品可靠性的第二个阶段,生产工艺水平的高低对产品的可靠性影响很大除了产品的设计、生产工艺外,可靠性工作最重要的一个方面就是可靠性管理, 可靠性管理水平的高低对产品可靠性的水平至关重要。

可靠性管理指的是为实现规定的产品可靠性所进行的各项管理活动的总称可靠性管理着眼于科学系统的管理方法,它应用一套完善、科学的管理方法来实现可靠管理活动高效有序的开展,可靠性管理试图利用尽可能有限的资源来发挥最大的作用,以满足产品规定的可靠性。可靠性管理是为了实现石英晶振,有源晶振,石英晶体振荡器等产品规定的可靠性所采取的所有措施的总和。

可靠性管理一般包括以下几个方面:制定相关可靠性规划;设计可靠性管理且织;明确组织各部门职能;建立可靠性保证管理系统;检查各组织可靠性工作开展情况;维护可靠性管理系统;

产品的可靠性不是石英晶振产品实现的一个阶段所决定的,它是由产品实现的全流程决定的,产品的设计、生产、维护都直接影响到了产品的可靠性。正因如此, 可靠性管理才显得如此重要,可靠性管理的职能就是管理好产品实现的设计、生产、维护等全过程的可靠性工作,最终实现产品规定的可靠性。因为可靠性管理涉及到产品实现的全流程中,所以可靠性管理涉及的人员基本包括了企业所有人员,其中比较重要的人员有:设计人员、采购人员、生产人员、质量管理人员以及工程维护人员等。

可靠性管理的意义主要有以下三点：

1.可靠性管理是科技发展的需要

随着科学技术的发展,高可靠性的石英贴片晶振产品是开展各种高精尖行业的需要,比如航空航天技术,现代大数据云计算业务。这些行业设备是不能出现任何问题的旦出现问题,轻则导致经济损失,重则危害人员的生命安全,为了满足产品的高可靠性,企业必须将可靠性管理纳入日常管理中。

2.可靠性管理可以给企业带来巨大经济效益

可靠性管理不到位,将影响产品的可靠性。产品的可靠性出现问题,短期来看,因为产品的维修,退换货,返工等等都将增加企业的运营成本,给企业带来损失,从长远看,产品出现可靠性问题,将给企业带来负面影响,进而影响顾客的使用热情,这种影响给公司带了的经济损失是无法估量的,因此可靠性管理可以给企业带来巨大经济效益。

3.可靠性管理可以提高企业的竞争力

良好的企业形象对企业的发展至关重要,企业形象的好坏主要由产品的可靠性水平决定的,产品的可靠性直接影响顾客对企业的印象。可靠性管理可以提高产品的可靠性,可靠性的增长就可以提高企业的形象,最终提高企业的竞争力所以说可靠性管理可以提高企业的竞争力。

就说说使用在苹果手机上的石英晶振来说，使用的品牌大多数都是日本爱普生晶振品牌，尤其是内部控制着时钟的32.768K晶振，有源的石英晶体振荡器也是使用的日本KDS晶振品牌，目前市面上的知名品牌手机使用的大多数都是进口晶振，国内生产的石英晶振品牌少子又少，而且质量性能很多还达不到要求，国内的无论是数码产品，还是其它大型电子设备产品，或者是说电子元件器件晶振等产品，想要在国际市场上有一定的地位，这还需要付出很大的努力，才能成就民族品牌。

  印制电路板(PCB)是电子产品中电路元件和器件的支撑件．它提供电路元件和器件之间的电气连接.随着技术的飞速发展,PCB的密度越来越高.PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大．因此,在进行PCB设计时．必须遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求.首先,要考虑PCB尺寸大小.PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加；过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰.在确定PCB尺寸后．再确定特殊元件的位置.最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局.

石英晶体的弹性常数与切型

一、英晶体的弹性常数

通过上节讨论,我们已经知道石英晶体的弹性常数矩阵为：

石英晶体的弹性常数反映晶体的弹性性质。从这些弹性常数矩阵看出,用双足标表示的弹性常数共有36个分量。三斜晶系是完全各向异性体,对称性最低,36个不等于零的弹性常数分量中,独立的分量有21个。而石英晶体的独立弹性常数分量为6个。

当弹性常数s和c，的足标i，=1，2，3时，它分别表示沿x，y，z方向的弹性伸缩性质；当i，j4，5，6时，它分别表示沿x，y，z平面的切变性质；当i≠j它分别表示两种伸缩之间或两种切变之间，以及伸缩与切变之间的弹性耦合性质。这种弹性常数又称为交叉弹性常数，现在以石英晶振,石英晶体的弹性柔顺常数为例，进一步说明如下：

（1）与石英晶体伸缩性质有关的弹性柔顺常数为s11，s22(=s11），s33。

（2）与石英晶体伸缩之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s12，s13，S2（=S13）。

（3）与石英晶体切变性质有关的弹性柔顺常数为s44=s55，s55)，s66.

（4）与石英晶体切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s56(=2S14).

（5）与石英晶体伸缩和切变之间耦合性质有关的交叉弹性柔顺常数为：s14，524（=-S14)。