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在前面的文章中我们了解到了GPS的应用以及高精密石英晶体振荡器在GPS内部所提供到的作用，GPS晶振的工作原理等等。晶振的作用随着科技的发展到如今已是无处不在,各种大大小小的智能科技产品都会用到石英贴片晶振.接下来我们要说到的是GPS信号失效后保持算法的研究以及与晶振之间的联系.

从前面文中介绍GPS接收机的相关介绍可知,1PPS信号可能在多种因素的作用下丢失。如果通过解码发现失效,应立即停止以它作为基准来驯服OCXO晶振,否则可能对OCXO晶振产生误调整,使系统产生很大的误差,但是这时OCXO晶振的输出频率精度会由于老化和温度等因素的影响而不断降低。为了解决这一问题,采用保持算法, 即在正常锁定过程中,实时记录晶振的频率随时间的漂移率,即确定石英晶体老化率曲线,再利用温度传感器,建立温度和频率漂移率的函数关系。当GPS信号失效后,根据以前正常驯服状态下记录的历史数据,通过合理的算法对OCXO晶振输出频率的变化趋势做出准确预测,进而在此基础上实现对频率误差的实时校正,以保证输出频率精度在可容忍的精度范围内,直到GPS信号恢复后再继续锁定晶振。

OCXO石英晶体振荡器的老化模型是非线性的,而其频率温度变化模型则可认为是线性的,并且可以利用 Kalman滤波器来对这两种模型的参数进行估计,进而可以实现GPS信号失效后OCXO晶振频率的预测校正。然而老化率的非线性是对于较长时间而言的,在短时间内比如说一天,老化模型也可以被简化为线性,这大大方便了算法上的处理关于OCXO石英晶体振荡器的驯服保持模型的原理框图如图5.3所示

图中的三个开关S1、S2、S3在卫星工作状态正常时均处于开启状态,OCX0石英晶体振荡器直处于驯服状态,并且预测模型一直处于工作模式。如果系统经过判断确定卫星信号丢失,而且当时已经完成锁定,系统便会处于保持模式,三个开关均闭合, 这样老化和温度预测模型可以根据其预测的结果并以自己本身的输出作为观测量的输入来实现频率偏差的预测。预测模型的最终输出是出四项叠加而成:驯服的初始校正量、老化模型的预测输出、温度影响模型的预测输出和温度模型的延迟补偿量.

为了实现1PPS信号失效后的保持,必须先将由老化和温度变化引起的影响量分离开来,而分离算法的确定与这两种影响的性质有密切关系。一般认为老化的影响属于慢变,而温度的影响则相对变化较快,即在频域,老化的影响处于低频段,温度的影响处于较高的频段,这样就可以将它们分离开来,即采用不同类型和带宽的数字滤波器就可以实现这两种影响的分离国,ⅢRF、IRF2和RF为滤波器, 其中IRF和IRF3为1阶的低通滤波器,IRF2为3阶的低通椭圆滤波。

图中的IRF1是用来同时通过锁定状态下由温度变化引起的校正量中的高频变化部分和老化引起的低频变化部分,其带宽应该由高频分量确定。在一般的应用环境下,温度的最大变化率可以达到10℃h,而这里所采用的OCXO贴片晶振的线性频率温度系数为6~8ppb/40℃,于是可以得到最大温度变化率引起的频率漂移率达到4.17~5.56×10-4ppb/s。所以IRF的带宽被设计为3×10-3ppb/s(3mHz),即是最大频率温度漂移率的5.4倍,这样就可以通过所需要的信号,并且针对校正信号中由GPS接收机引入的高频噪声,进行每10倍频10dB的衰。

IRF2用于从经过RF滤波后的校正量中分离出老化的影响,那么其带宽由反映老化的低频分量决定。这里采用的OCXO晶振的老化率为0.5ppbd或者58×10-6ppb/s,所以IIRF2的带宽被设计为3×10-5ppbs(0.03mHz),即为秒老化率的5.2倍,并且其阻带衰减最小为50dB,带内波动为1.5dB,这样可以较好的过滤掉温度的影响。IRF2的输出直接输入给了老化的 Kalman预测模型,并且将其从IRFl的输出中减掉,可以提取出温度的影响。

IRF用和RF完全相同的设计,主要用来进一步抑制GPS接收机引入的噪声和消除IRF2输入输出信号的数字相减带来的毛刺。由于IRF1和IRF2处于温度影响预测模型的输入通道上,会使得校正量的预测产生延迟,使预测滞后于IRFl的输入信号。因此有必要在温度预测模型的输出加上一个延迟补偿模块,由它在保持模式时计算出相应的补偿量,并叠加到预测模型的输出信号上来消除延迟的影响。这里的延迟补偿量由温度预测模型输出的变化率和滤波器的延迟量相乘来得到,而滤波器的延迟量的最优估计为个小时,温度预测模型输出变化率由其输出对于时间的一阶微分的100点滑动平均来得到,其中每秒采集一个数据。

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。

通过前面CEOB2B晶振所发表的文章中相信大家对GPS系统以及晶振在GPS中的应用有了更深的了解.我们知道GPS输出的1PPS信号具有很好的长期稳定性,但是短期稳定性却很差。利用GPS信号来定时估计出晶振输出频率的偏差,并实时地进行校准,就可以得到短期稳定性和长期稳定性都很好的频率标准。锁定后的晶体振荡器能输出高精度的频率信号,其短期稳定度能保持本地振荡器的水平,优于l×10-11/s,并能在本地被控振荡器上有效地复现接收的标准时间频率信号的长期稳定度和准确度,锁定状态下频率准确度优于5×10-11,日漂移率达到10-13量级。

根据系统需要开发成本低、安全可靠的设计原则,提出了系统的整体设计方案。整个系统由高稳定度有源晶振,恒温石英晶体振荡器、GPS接收机、时间间隔测量模块、微处理器模块、高分辨率DA转化及信号调理模块、分频模块和显示等部分构成, 在控制软件(包括FPGA、单片机两部分)的控制下协调工作,其组成框图如图

3.1所示

方案各模块功能介绍

1.GPS接收机模块:接收GPS信号,输出标准IPPS秒信号(一般含有干扰脉冲),所以直接使用此信号不合适,必须通过解码判断其有效性并进行处理,然后用于校准石英晶振。

2.时间间隔测量模块:测量GPS接收机输出的1PPS信号和OCXO分频产的1Hz秒信号的上升沿之间的时间间隔值,并把测量结果传送给数据处理模块, 考虑到精度问题,先把OCXO晶振倍频到100MHz再分频成1Hz。

3.数据处理模块:在GPS信号有效时,接收时间间隔测量模块传送的数据运用Kalman滤波算法对测量的时间间隔进行数字滤波,消除lPPS信号的抖动。具体实现取相隔采样周期τ的两个滤波后的时间间隔差值△T1和△T2,得到相位差△T=△T2-△T1,用比时法计算相对频差：

其中,f6为被校准石英晶体振荡器的标称频率,Δf为石英晶体振荡器的测量频率与标称频率的差值。计算出频率4f后,根据OCXO的压控灵敏度系数K计算被校石英晶体振荡器控制电压的数字量,再通过高精度的D/A转换得出石英晶体振荡器的控制电压(控制电压U=U+Δf/K),达到校正晶体振荡器输出频率的目的。经过多次测量和控制,最终把石英晶体振荡器的准确度和稳定度都锁定在GPS卫星星载钟上。

同时, 系统还有自动记录功能,把校正数据,根据接收传感器组和辅助时钟模块发送的时间和温度等信息,把校正数据和与之对应的时间、温度等信息保存起来,GPS信号有效时,通过相应的算法分离出温度、老化等因素对石英贴片晶振的影响,如果检测到GPS信号失效后,结合采集到的实时温度和时间信息,利用失效前得到的预测模型,计算出老化和温度各自对输出频率的影响量,然后合成输出校正量来继续校准恒温晶振,使石英晶体振荡器能继续保持一定的精度。同时控制LCD的显示。

4.高分辨率D/A转换及信号调理模块:接收数据处理模块发送的控制数据, 将其转化为模拟控制电压,并通过相应的信号调理电路,使模拟电压的范围符合OCXO晶振的电压压控范围。

5.分频控制模块:将输入的经过校正后的原始频率信号进行分频,产生用于测量和同步输出的秒脉冲,并可以控制输出秒脉冲的脉冲宽度。

6.传感器组和辅助时钟模块:采集对OCXO晶振输出频率精确度有一定影响的温度和老化时间等信息,并传输给数据处理模块,为分离出温度、老化的影响提供相应的数据。

2017年可以说是黑科技和智能化的大爆炸，各种黑科技智能产品层出不穷，就如同雨后春笋一般蹭蹭直往外冒，生长速度也是快的惊人。其中智能手机市场前进的脚步可以说是最快的，如果说2017年的火车站刷脸进站可以说是智能黑科技，那么智能手机新增加的3D人脸立体识别就可以说是黑科技中的黑科技了。智能手机不仅在2017实现了各种新黑科技的增加，在年销量中也是比上一年增长了一大截，小米也实现了它的一个亿的小目标。

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.

石英晶振是利用晶体的压电效应制成的一种石英晶体振荡器。因为它具有高稳定性、高精度和低功耗等特点,被广泛应用于各种电器产品中。近年来,各生产企业为了在激烈的市场竞争中取得胜利,不断进行改善,提高产品的性能,降低产品的成本。本论文通过对离子刻蚀技术的探讨,对石英晶振的离子刻蚀频率微调进行研究。最后通过实验,明确了离子刻蚀频率加工时,刻蚀速度的设定,从而改善了离子刻蚀频率微调的加工工艺。使得加工效率和制品的良品率得到了很大的提高。

石英晶振作为一种震荡器经过了几十年的发展。由于它具有成本低、高Q值、高精度和高稳定度的特点,因此在电子领域中的作用一直不能被其它振荡器所替代。

并且随着电子信息产业为代表的应用领域不断发展和扩大,其自身也不断发展和变化。品种不断增多,有温度补偿式（TCXO晶振）、压控式（VCXO晶振）和恒温补偿式（OCXO晶振）等。尺寸也不断出大变小,现在最小贴片石英晶振的尺寸已达到22×14×1.0(m)。目前,各生产厂家为了不断提高竞争力,正在努力开发精度更高、成本更低、尺寸更小的石英晶振。

近几年来,对石英晶体元件的需求量逐年上升,每年约增长10%。到2010年, 约为105.04亿只。随着产品不断向小型化和片式化发展,石英晶振晶体元件也不断向这个方向发展。我国晶体行业近年来不断引进先进技术,促使该行业不断发展。生产设备及生产工艺不断提高,使中国成为晶体行业的主要生产基地。

2010年压电晶体出口值达到10.25亿美元。但由于市场竞争的激烈,产品价格不断下降,同时各种生产成本(包括产品的原材料、水、电和劳动力价格等)不断上升,使得该行业利润空间不断被压缩,造成了该行业的竞争异常激烈。为此,各生产企业都不断的追求生产效率的提高、成本的降低以及制品精度的提高。在贴片晶振，石英晶振生产过程中,离子刻蚀频率微调较大程度的影响着石英晶振的生产效率和制品的精度。

智能手机中常用的有32.768K贴片晶振中的3215晶振及7015晶振，这类32.768K晶振用的最多的还是进口晶振品牌，以日本四大品牌中的精工晶振和爱普生晶振为甚，2017年精工晶体的SC-32S晶振、SSP-T7-F晶振和EPSON晶振的MC-146晶振可是时常断货价格也涨了一截。除了这些常见的SMD时钟晶振外，3225晶振和2520晶振也是手机晶振的常客，最近年末手机晶振采购商问的最多的是2520晶振中的温度补偿晶振，尤其是KDS晶振品牌的DSB221SDA晶振了。

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。

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

石英晶振是采用石英晶片制成的,而不同频率的石英晶振对应的石英晶片的大小、厚薄是不一样的,一般来讲,石英晶振的频率越高,需要的石英晶片越薄.比如40MHZ的石英晶体所需的晶片厚度是41.75毫米,這樣的厚度還算可以做到,但100MHZ的石英晶体,所需的晶片厚度则是16.7毫米.即使厚度可做到但損耗非常高,製成成品後輕輕一跌晶片就碎裂.所以一般在高频的晶体就要采用三次泛音、五次泛音、七次泛音的技术来达到了.

比如基频为20MHZ的石英贴片晶振晶体,五次泛音之后就可以得到100MHZ的晶体.一般以经验来讲,40MHZ以下基本都是基频晶振,而40MHZ以上,则是泛音晶振了.

两者在用法上也是有一定的区别的,比如基频的晶体,只需要接入适当的电容就可以工作,而泛音晶体则需要电感与电容配合使用才可振出泛音频率,否则就只能振出基频了.

如下图所示晶振电路：

石英晶振是石英晶体谐振器（无源晶振）和石英晶体振荡器（有源晶振）的统称.一般把晶振等同于谐振器理解,振荡器就是通常所指钟振. 无源晶振为crystal（晶体）,有源晶振叫做oscillator（振荡器）.无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,其中除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件,所以在体积上有源石英晶体振荡器就会比无源晶振体积大.石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件,已被广泛地使用在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通讯、仪器仪表等各种电子设备中.

无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的石英晶振晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP（Digital Signal Processing数字信号处理器）,而且价格通常也较低.无源晶体相对于有源晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等）,更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整.

知道无源晶振的性质,了解有源石英晶体振荡器也就不难了,那么有源晶振的脚位要如何区分呢？有源晶振在产品中使用具有哪些优势特点？

有源晶振通常的用法：一脚悬空,二脚接地,三脚接输出,四脚接电压.有源晶振不需要DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波,通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可）,不需要复杂的配置电路.相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高.

CEOB2B晶振平台给大家介绍晶振的封装尺寸,以下整理内容也便于大家记住,晶振封装一般分为插件晶振（DIP）和贴片晶振（SMD）.

插件晶振又分为HC-49U、HC-33U、HC-49S、音叉型（圆柱晶振）.HC-49U一般称49U,有些采购俗称“高型”,而HC-49S一般称49S,俗称“矮型”,音叉型（圆柱晶振）按照体积从小到大可以分为1x4mm,1x5mm,2x6mm,3x8mm,3x9mm,3x10mm等.

贴片晶振是根据尺寸大小和脚位来分类,通常分为：7050晶振（7.0mmx5.0mm）、6035晶振（6.0mmx3.5mm）、5032晶振（5.0mmx3.2mm)、3225晶振（3.2mmx2.5mm）、2025晶振（2.0mmx2.5mm）等. 从不同的应用层面来分有源晶振又可分为普通有源晶振（OSC晶振或SPXO晶振）、温补晶振（TCXO晶振）、压控晶振（VCXO晶振）、恒温晶振（OCXO晶振）、压控温补晶振（VC-TCXO）晶振、差分晶振、可编程晶振等.

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