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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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稍微了解晶振知识的朋友都知道，晶振的温度系数是很多厂家比较看重的，不管是产品生产过程中还是使用的情况下，卷盘装的贴片晶振厂家都是使用自动贴片机来进行产品焊接，使用自动贴片机就要进行波峰焊接，波峰焊的温度正常都比手工焊接的温度高，所以这就是为什么很多客户问我们有没有宽温晶振的原因。而且有些客户设计的产品还需要过高温锡炉，这里就要涉及到晶振本身的抗高温的情况，一般高温炉的温度在330°左右，而耐高温的晶体耐最高也只能300°左右。所以CEOB2B晶振平台技术人员提醒广大晶振采购商一般的石英晶振最好不要过高温锡炉，如果实在要过锡炉也只能是耐高温的石英晶体振荡器，或者耐高温的贴片晶振可以过，普通的石英晶体或者圆柱晶体千万不要过高温锡炉，因为这些晶体里面的芯片都是用支架锡线焊接固定的，如果到达一定的温度里面的锡就会融化，这样就会导致频率水晶片脱落，造成晶体损坏。

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)。

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差分晶振具有比普通有源晶振更高 品质,更 精密,更稳定性能的特点, 差分晶振是目前行业中具有高要求,高技术的石英晶体振荡器,差分晶振相位低,低损耗等特点. 差分贴片晶体振荡器使用于产品中能够很容易地识别小信号,能够从容精确地处理'双极'信号,对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的.

越来越多的进口晶振品牌在国内受到欢迎,最开始日系进口晶振品牌在大陆使用是最为广泛的,后来台产晶振品牌也和逐渐流入市场,被广大用户所接受,而欧美品牌大家最为熟悉的也就是,美国CTS晶振,瑞士微晶晶振,以及Sitime可编程晶振,现在欧美晶振品牌看到国内智能产品的发展强盛也不断进入中国大陆市场,比如有所耳闻的ECS晶振,IDT晶振等.