LST晶體濾波器失效分析與控制

晶體濾波器是由單片晶體諧振器，匹配電感和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，與LC諧振回路構(gòu)成的濾波器相比，晶體濾波器在頻率選擇性、穩(wěn)定性、過渡帶陡度和插入損耗等方面都優(yōu)越得多，具有阻帶衰減大、短形系數(shù)好、體積小等特點(diǎn)，在整機(jī)應(yīng)用中對(duì)提高靈敏度和抗干擾能力起到極其重要的作用，廣泛用于通信、導(dǎo)航、測(cè)量等電子設(shè)備中。近期用戶反饋在檢查設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)整機(jī)功率下降，故障率增加，無法正常工作，經(jīng)常溫下測(cè)試晶體濾波器LST插入損耗增加，通帶波動(dòng)變大，傳輸信號(hào)受阻，因而影響整機(jī)增益下降。

失效定位

通過對(duì)4個(gè)產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)分析、曲線對(duì)比確認(rèn)是輸入曲線的高頻端，傳輸曲線下陷，造成插入損耗和通帶波動(dòng)指標(biāo)超差，即插損與波動(dòng)指標(biāo)超差是造成整機(jī)增益下降的主要原因。

機(jī)理分析

圖1為該產(chǎn)品的總裝結(jié)構(gòu)圖，圖2為該產(chǎn)品相關(guān)部分工作等效電路圖。

由產(chǎn)品相關(guān)部位原理圖可以看出，產(chǎn)生此類現(xiàn)象的主要相關(guān)因素有：晶體、電容、電感三種元件。以下主要是對(duì)相關(guān)元件的測(cè)試分析與確認(rèn)。

晶體元件

晶體元件是屬于該產(chǎn)品的核心元件，它的加工質(zhì)量和長(zhǎng)期工作能力直接決定了成品濾波器的各種電氣特性。由于反饋的產(chǎn)品問題主要在插入損耗和通帶波動(dòng)上，根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)理論，在晶體指標(biāo)中有以下幾種指標(biāo)會(huì)影響到這兩項(xiàng)指標(biāo)：

a.晶體頻率長(zhǎng)期累計(jì)漂移 b.晶體等效電阻累計(jì)漂移。

根據(jù)晶體長(zhǎng)期工作的特性，有以下理論：

（1）絕大多數(shù)晶體元件產(chǎn)品頻率老化曲線為對(duì)數(shù)曲線，在一定時(shí)間（一個(gè)月）后，晶體的頻率漂移接近于很小的數(shù)值，一般小于2ppm/年。

圖1 總裝結(jié)構(gòu)圖（俯視）

圖2 產(chǎn)品相關(guān)等效電路圖

圖3 電感線圈生產(chǎn)處理過程

圖4 過程分析圖

（2）晶體等效電阻的長(zhǎng)期老化曲線為無變化或少量波動(dòng)。

（3）晶體長(zhǎng)期工作時(shí)，發(fā)生頻率和電阻大的漂移原因?yàn)楫a(chǎn)品密封不符合要求。

根據(jù)以上理論對(duì)反饋產(chǎn)品的晶體元件進(jìn)行了以下檢查：

（1）晶體元件電氣特性檢測(cè)

使用石英晶體元件檢測(cè)系統(tǒng)：250B π網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)反饋產(chǎn)品使用石英晶體元件進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，未發(fā)現(xiàn)頻率偏移與等效電阻有超規(guī)現(xiàn)象。

（2）密封特性檢測(cè)

使用氣密精密檢測(cè)法：氦質(zhì)譜檢漏法對(duì)反饋產(chǎn)品使用石英晶體元件檢測(cè)，以確定該元件的氣密特性。經(jīng)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)石英晶體元件有氣密不良情況存在。

通過以上分析與檢測(cè)，初步判定產(chǎn)品不良原因與石英晶體元件無關(guān)。

電容元件

電容元件在電路中的主要作用為：調(diào)節(jié)石英晶體元件負(fù)載電容，使其工作在設(shè)計(jì)的諧振頻率段，與電感元件共同作用，展寬濾波器產(chǎn)品的工作頻率。使用不同溫度組別的產(chǎn)品，補(bǔ)償石英晶體濾波器的溫度工作特性。

由以上理論，結(jié)合產(chǎn)品出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象為：產(chǎn)品在各個(gè)溫度幾乎同步出現(xiàn)異常，初步排除電容類產(chǎn)品可能出現(xiàn)異常。經(jīng)檢測(cè)拆解元件，測(cè)試值與設(shè)計(jì)要求基本一致。

電感元件

電感元件在電路中的主要作用為：與電容元件共同作用，展寬石英晶體濾波器產(chǎn)品的工作頻率；在輸入、輸出過程中，完成阻抗匹配；調(diào)整和匹配石英晶體元件的負(fù)載。

由于石英晶體元件為特殊定制產(chǎn)品，對(duì)電感匹配特性要求敏感。濾波器使用電感產(chǎn)品加工量小，規(guī)格復(fù)雜多，難以采購(gòu)。由以上原因，該成品使用的電感元件為手工加工，使用具有一定磁通量的磁芯繞制。

電感線圈生產(chǎn)處理過程如下：

分析電感線圈對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期工作特性中插入損耗和通帶波動(dòng)的影響，主要有：

（1）電感線圈的電感量漂移，造成產(chǎn)品頻率傳輸特性漂移。

（2）電感線圈的互感量漂移，造成阻抗匹配異常，影響傳輸效果。

造成電感線圈電感量/互感量漂移的主要原因有：

（1）使用磁芯磁通量的長(zhǎng)期變化。

（2）手工繞制品，線圈固定松動(dòng)。

鑒于以上理論分析和測(cè)試，初步判定異常原因?yàn)椋弘姼芯€圈在長(zhǎng)期工作后電感量/互感量漂移。為判明產(chǎn)品漂移發(fā)生點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品開啟后，進(jìn)行了以下試驗(yàn)：

（1）調(diào)節(jié)替換輸入輸出匹配線圈，觀察產(chǎn)品傳輸圖形變化，未發(fā)現(xiàn)傳輸圖像有明顯變化，仍為異常。

（2）調(diào)節(jié)原理圖中的C4電容容量，發(fā)現(xiàn)匹配容量加大后，傳輸曲線有恢復(fù)正常的現(xiàn)象。由此判定，組合中的元件C4 //L4 存在變異。對(duì)拆解品進(jìn)行電感量復(fù)測(cè)，雖然測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，但接近設(shè)計(jì)下限。經(jīng)了解該批產(chǎn)品加工過程得知，06年該批產(chǎn)品加工周期緊急，產(chǎn)品開發(fā)周期短，在線圈老化時(shí)間上，沒有后期加工采用的時(shí)間長(zhǎng)，個(gè)別產(chǎn)品可能存在不充分的因素，在長(zhǎng)期工作后，線圈電感量變化，導(dǎo)致成品測(cè)試傳輸曲線異常。相關(guān)過程分析圖如下：

機(jī)理分析結(jié)論：手工繞制的電感線圈L4在長(zhǎng)期（8年）工作/儲(chǔ)存后，自然老化，匹配失諧，導(dǎo)致成品測(cè)試異常。

3 問題復(fù)現(xiàn)

使用測(cè)試值OK的L4產(chǎn)品替換反饋異常產(chǎn)品的C4//L4組合中的L4，調(diào)整C4，同時(shí)觀察傳輸曲線，可以發(fā)現(xiàn)，傳輸曲線有從輕微不合格到合格再到輕微不合格的變化，證明C4的覆蓋范圍正常。將反饋異常產(chǎn)品的L4替換到傳輸曲線正常的產(chǎn)品上，再測(cè)試其傳輸曲線，曲線有惡化趨勢(shì)，調(diào)整C4加大后，傳輸曲線可以恢復(fù)正常。

通過上述試驗(yàn)，確認(rèn)電感線圈L4的電感量變化是導(dǎo)致晶體濾波器指標(biāo)超差，整機(jī)增益下降的主要器件。

結(jié)語(yǔ)

此次反饋異常為2006年生產(chǎn)，其后，根據(jù)生產(chǎn)情況和認(rèn)知提高，已于2008年～2010年，兩次調(diào)整生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間：精心挑選性能穩(wěn)定的磁性材料，將磁芯老化時(shí)間加長(zhǎng)，增加溫度沖擊循環(huán)次數(shù)。

針對(duì)客戶端的長(zhǎng)期工作需求，增加生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和線圈數(shù)量，增加成品儲(chǔ)存時(shí)間：根據(jù)客戶需求預(yù)測(cè)，提前準(zhǔn)備和老化自制線圈，減少產(chǎn)品后期老化漂移量。在上述措施實(shí)施后，濾波器產(chǎn)品的相關(guān)投訴已減少很多。據(jù)統(tǒng)計(jì)2012～2014年，因老化時(shí)間問題導(dǎo)致的質(zhì)量投訴已減少為零。這說明方法得當(dāng)，措施有效，達(dá)到了預(yù)期目的。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.014