文/張富堯

晶振失效故障分析

文/張富堯

本文通過對無輸出晶振的失效分析，確定了失效原因。由于該晶振內(nèi)部鎖相倍頻集成芯片性能不良導致。使用有延時的DC-DC電源對晶振進行加電測試，發(fā)現(xiàn)失效問題，可在早期解決這一問題。

晶體振蕩器 振蕩電路 鎖相倍頻芯片

1 引言

50MHz溫補晶振在隨模塊試驗時，出現(xiàn)常溫上電偶有無輸出的故障，對模塊進行反復測試，發(fā)現(xiàn)晶振偶有無輸出的情況發(fā)生，故障復現(xiàn)。

2 故障定位

2.1 晶振復測情況

2.1.1 晶振單獨測試

為了對故障晶振無輸出的現(xiàn)象進行準確分析定位，對從模塊電路板上取下的晶振進行了單獨故障復現(xiàn)試驗。在常溫下通過對晶振單獨進行多次加電測試，未出現(xiàn)晶振無輸出的情況。進一步改變晶振的負載（使用50Ω負載）以及電源（使用2.7V和3.9V電源電壓），多次加電測試，故障晶振也未出現(xiàn)無輸出的情況。隨后，使用S&A2800晶振自動測試系統(tǒng)對故障晶振進行了高低溫測試，測試溫度-55℃～+85℃，晶振電性能指標測試正常。

2.1.2 晶振在模塊電路中的測試

故障晶振在模塊中，常溫下給模塊多次反復上電，晶振偶爾出現(xiàn)無輸出的情況，多次上電出現(xiàn)無輸出故障的幾率不到5%。模塊內(nèi)部的3.3V電源在上電時存在一定的延時（實測約為3ms）。而對晶振單獨上電測試時，采用直流穩(wěn)壓電源進行上電試驗，其上電延時較?。s為0.5ms），所以問題不能得到復現(xiàn)。由上述試驗可知，故障晶振在3.3V工作電源存在一定延時的情況下，常溫多次上電偶爾會出現(xiàn)無輸出的情況。

2.2 故障分析及定位

該晶振采用表貼封裝形式，封裝為SMD7×5×2mm3。內(nèi)部電路主要由3個部分組成：溫補晶振芯片、鎖相倍頻芯片、SMD石英晶體諧振器。

SMD晶體諧振器（25MHz）與溫補晶振集成芯片連接，產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定度的25MHz頻率信號，鎖相倍頻芯片將25MHz頻率通過鎖相倍頻的方式合成到50MHz，實現(xiàn)晶振最終的50MHz頻率輸出。晶振的2個部分集成電路，任意一個工作不正常均會對晶振的電性能指標造成很大影響甚至造成晶振不工作無輸出的故障。另外如果晶體諧振器參數(shù)漂移，造成晶振起振困難，也會引起無輸出的故障情況。

晶振各組成部分：兩顆芯片（IC1：溫補晶振芯片；IC2：鎖相倍頻芯片）綁定灌封在基座內(nèi)部；1個電阻和2個電容用于信號耦合以及電源濾波；石英晶體諧振器封裝為SMD6×3.5×1.1mm3，頻率為25MHz。

2.2.1 電連接故障排查

2.2.1.1 外觀檢查

對故障晶振進行了外觀檢查，產(chǎn)品表面形貌完整，晶振基座的4個功能焊盤均未見損傷。通過外觀檢查，可以排除因晶振基座焊盤損壞而造成的晶振無輸出的情況。

2.2.1.2 對晶振進行鏡檢

對晶振進行了鏡檢。采用40倍放大鏡對晶振表面的各元器件以及各焊點進行了檢查，同時對晶振安裝在模塊上的各焊點進行了檢查。通過檢查，晶振表面的晶體、電容、電阻各焊點正常，沒有出現(xiàn)虛焊、漏焊的情況，元器件的焊接滿足工藝要求。同時晶振在模塊上的焊接點也正常。因此可以排除由于焊點接觸不良造成的晶振無輸出的情況。

2.2.1.3 對晶振進行X光檢測

為了排除晶振內(nèi)部芯片鍵合不良的情況，對故障晶振進行了X光檢測，檢測其基座內(nèi)部芯片的情況。故障晶振內(nèi)部芯片的各鍵合線均連接良好沒有斷裂或者脫離的情況，可以基本排除由于鍵合線斷裂而造成的晶振無輸出的情況。

2.2.2 晶振內(nèi)部元器件故障的排查

由于晶振內(nèi)部有兩個集成芯片（溫補晶振芯片和鎖相倍頻芯片），兩個集成電路的輸出和輸入通過一個耦合電容連接，所以可以使用高頻探頭對晶振內(nèi)部溫補晶振芯片的輸出信號進行單獨檢測，以便對元器件進行逐一排故。

2.2.2.1 內(nèi)部芯片故障排查

當模塊在常溫下反復上電，晶振故障復現(xiàn)時，用探頭對晶振內(nèi)部的溫補晶振芯片的輸出端進行檢測，測得有25MHz信號且輸出波形、幅度正常，此時晶振最終輸出端無50MHz頻率輸出，而50MHz的頻率信號是由鎖相倍頻芯片輸出的。因此可以判定晶振無輸出是由于倍頻芯片工作不正常造成的，同時也排除了溫補晶振芯片異常造成的晶振停振的情況。

2.2.2.2 石英晶體諧振器故障排查

輸出端的25MHz頻率信號是石英晶體諧振器與溫補晶振芯片共同組成的振蕩電路的輸出信號，若25MHz信號輸出正常則說明石英晶體諧振器參數(shù)正常，可以排除石英晶體參數(shù)異常造成的晶振停振的情況。

2.2.2.3 電源上電延時引起晶振故障的排查

為了進一步驗證電源延時對故障晶振的影響，設(shè)置了一個具有一定延時的電源模塊電路板檢測故障晶振多次上電的工作情況。

先使用8ms左右延時的DC-DC模塊電源供電對故障晶振進行測試。在常溫下進行20次上電測試，出現(xiàn)了偶有無輸出的情況（幾率約為5%）。

隨后，使用24ms左右延時的DC-DC模塊電源供電對故障晶振進行測試。此時在常溫下進行20次上電測試，出現(xiàn)了偶有無輸出的情況（幾率約為20%）。最后直接使用延時很小的直流穩(wěn)壓電源（延時小于0.5ms）對故障晶振供電進行上電測試，此時在常溫下反復對晶振上電20次，故障晶振沒有出現(xiàn)無輸出的情況。

通過上述電源延時對故障晶振問題復現(xiàn)的試驗，可進一步證明：當模塊電源延時較大時會造成故障晶振在常溫下多次上電后偶有無輸出的情況，且電源延時越大故障現(xiàn)象就越明顯。

圖1：倍頻芯片的原理框圖

綜上所述，晶振在反復上電的情況下偶有無輸出的情況是由于內(nèi)部倍頻集成芯片性能缺陷，在上電電壓存在一定延時，反復上電的情況下有時不工作，最終導致晶振無頻率輸出。

3 機理分析

3.1 晶振基本原理

該型號溫補晶振主要由3個部分組成：溫補晶振集成芯片、鎖相倍頻集成芯片、SMD晶體諧振器。溫補晶振集成芯片與SMD晶體諧振器（連接，產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定度的25MHz頻率信號，鎖相倍頻芯片將25MHz頻率通過鎖相倍頻的方式合成到50MHz，從而實現(xiàn)晶振最終的50MHz頻率輸出。如果晶振內(nèi)部鎖相倍頻芯片異常或不工作，就會導致晶振最終無輸出。

3.2 鎖相芯片故障導致晶振無輸出原理

該型號溫補晶振內(nèi)部電路使用25MHz溫補晶振集成電路，通過鎖相倍頻芯片實現(xiàn)50MHz頻率輸出。晶振內(nèi)部的倍頻芯片的原理框圖如圖1所示，芯片內(nèi)部實際為一個集成鎖相環(huán)電路，芯片輸出與輸入的關(guān)系式見公式（1）：

式中，M、R、P為倍頻芯片中的頻率設(shè)置數(shù)。

在該型號晶振中，芯片設(shè)置為50=25×2/（1×1），即M=2、R=1、P=1，晶振最終輸出為“CLK0”端輸出，“CLK0”端輸出頻率直接由VCO的振蕩頻率決定。芯片內(nèi)部VCO的輸出頻率范圍覆蓋較寬（1MHz～200MHz），針對不同輸出頻率，內(nèi)部電路需要對VCO振蕩頻率進行分段切換，切換到覆蓋輸出頻率的頻段范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)需要的頻率輸出。

根據(jù)晶振的故障現(xiàn)象和鎖相倍頻芯片的運行原理可推斷：故障晶振使用的鎖相倍頻芯片內(nèi)部VCO參數(shù)不良，在上電延時可能引起VCO內(nèi)部電路時序錯誤，無法對VCO的振蕩頻率進行選段切換，造成VCO不工作，最終造成芯片無輸出即晶振無輸出的故障現(xiàn)象。

由以上分析可知，根據(jù)晶振的故障現(xiàn)象和鎖相倍頻芯片的運行原理可推斷，如果鎖相倍頻芯片內(nèi)部VCO參數(shù)不一致（參數(shù)臨界或偏移），在上電延時的情況下，芯片內(nèi)部的VCO偶爾會出現(xiàn)無法正常工作的情況，最終晶振無50MHz的頻率輸出。

3.3 鎖相芯片參數(shù)異常的原因

該芯片為進口器件，由于芯片生產(chǎn)過程每個芯片產(chǎn)品存在一定的個體差異，存在個別芯片參數(shù)較臨界的情況。而故障晶振在經(jīng)過產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的篩選試驗以及使用過程中的篩選試驗后，倍頻芯片內(nèi)部參數(shù)進一步的漂移。在有上電延時以及多次上電時，參數(shù)臨界的芯片內(nèi)部電路可能偶爾出現(xiàn)時序錯誤，導致內(nèi)部VCO電路工作不良或不工作，造成晶振無輸出的故障現(xiàn)象。

4 改進措施

為避免問題的再次發(fā)生，在元器件二次篩選過程中，設(shè)計篩選用的測試板對晶振進行加電測試，擬將電源延時設(shè)置在24ms左右，晶振的上電檢測次數(shù)擬定為20次。

5 結(jié)論

50MHz溫補晶振出現(xiàn)的加電偶有無輸出的故障，是由于晶振內(nèi)部鎖相倍頻集成芯片性能不良導致，屬于偶然的個別現(xiàn)象。使用24ms延時的電源對晶振進行20次加電測試，發(fā)現(xiàn)失效問題，可在早期解決這一問題。

[1]成都天奧電子股份有限公司.頻率器件產(chǎn)品手冊[Z].成都：成都天奧電子股份有限公司,2012.

作者單位 中國電子科技集團公司第十研究所 四川省成都市 610036

張富堯（1986-），男，四川省隆昌縣人。大學本科學歷。助理工程師，從事于元器件檢測工作。