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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

其实平板电脑内部构造并不复杂，一块中控板，CPU处理器，,以及一堆的贴片电容电阻系列。不过随着平板电脑生产的企业越来越多高利润时代即将终结，接下来的将是平板电脑企业的寒冬！不过话又说回来，不管这平板电脑出来有没给大家带来生活上的便利不说，到是可以理解成平板电脑给一部分零配件商带来了一场商机，比如内部的使用的石英晶振就给晶振行业带来了不小的订单，一台小小的平板电脑内部最少使用3颗石英晶振，其中一颗是32.768K晶振，2颗是贴片晶振，16M3225mm贴片晶振，或者是32.0M3225mm体积的贴片晶振，目前就刚中国境内就有销售除2.5亿台平板电脑，2.5亿*3=7.5亿颗石英晶振，况且还有一系列的电容电阻类电子元件。

石英晶体与晶体振荡器统称为晶振,能够提供高精度和高稳定度的振荡信号,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号.

晶振结构：晶振是用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等）,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振.其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的.

压电效应：若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形.反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应.如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场.

在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似.它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关.

石英晶振同时也分为无源晶振和有源晶振两种类型.无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称不同,无源晶振为crystal（晶体）,而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）.无源晶振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,需要外接电路,所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器,内含IC电路,加上电压就会振荡起来.谐振振荡器包括石英（或其晶体材料）晶体谐振器,陶瓷谐振器,LC 谐振器等.

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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。

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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  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.

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。

石英产品主要是利用石英材料（水晶）的压电效应制成的电子原件和器件,使用石英为震荡源的产品主要有石英晶体谐振器,有源晶振,石英晶振,贴片晶振,石英晶体振荡器.晶振是一种机电器件,在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十.高级的精度更高.有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率,称为压控振荡器VCXO,而常见的有8M、12M晶振等等.

目前晶振被广泛应用于各电子产品中,在生产这些电路板设有晶振的电子产品上都需要经过很多工序的检测,在检漏工序中,就是在酒精加压的环境下,石英晶体容易产生碰壳现象,即振动时芯片跟外壳容易相碰,从而晶体容易发生时振时不振或停振,CEOB2B晶振平台总结了下导致晶振停振的几个要素:

1.由于芯片本身的厚度很薄,当激励功率过大时,会使内部石英芯片破损,导致停振.

2.在焊锡时,当锡丝透过线路板上小孔渗过,导致引脚跟外壳连接在一块,或是石英晶振晶体在制造过程中,基座上引脚的锡点和外壳相连接发生单漏,都会造成短路,从而引起停振.

3.由于石英晶体在剪脚和焊锡的时候容易产生机械应力和热应力,而焊锡温度过高和作用时间太长都会影响到晶体,容易导致晶体处于临界状态,以至出现时振时不振现象,甚至停振.

4.在压封时,晶体内部要求抽真空充氮气,如果发生压封不良,即石英晶体的密封性不好时,在酒精加压的条件下,其表现为漏气,称之为双漏,也会导致停振,

5.有功负载会降低Q值(即品质因素),从而使石英晶体振荡器,石英晶体的稳定性下降,容易受周边有源组件影响,处于不稳定状态,出现时振时不振现象. 6,当石英晶体频率发生频率漂移,且超出石英晶体频率偏差范围过多时,以至于捕捉不到石英晶体的中心频率,从而导致芯片不起振.

晶振在使用过程中有很多需要注意的地方,根据晶振不同情况导致的停振问题,我们可以通过以下有效方法正确处理.

1.控制好剪脚和焊锡工序,并保证基座绝缘性能和引脚质量,引脚镀层光亮均匀无麻面,无变形、裂痕、变色、划伤、污迹及镀层剥落.为了更好地防止单漏,可以在晶体下加一个绝缘垫片.

2.严格按照技术要求的规定,对石英晶体组件进行检漏试验以检查其密封性,及时处理不良品并分析原因.

3.由于石英晶体是被动组件,它是由IC提供适当的激励功率而正常工作的,因此,当激励功率过低时,晶体不易起振,过高时,便形成过激励,使石英芯片破损,引起停振.所以,应提供适当的激励功率.另外,有功负载会消耗一定的功率,从而降低晶体Q值,从而使晶体的稳定性下降,容易受周边有源组件影响,处于不稳定状态,出现时振时不振现象,所以,外加有功负载时,应匹配一个比较合适有功负载.

4.当晶体产生频率漂移而且超出频差范围时,应检查是否匹配了合适的负载电容,可以通过调节石英晶振,有源晶振,石英晶体的负载电容来解决.

5.压封工序是将调好的谐振件在氮气保护中与外壳封装起来,以稳定石英晶体谐振器的电气性能.在此工序应保持送料仓、压封仓和出料仓干净,压封仓要连续冲氮气,并在压封过程中注意焊头磨损情况及模具位置,电压、气压和氮气流量是否正常,否则及时处理.其质量标准为：无伤痕、毛刺、顶坑、弯腿,压印对称不可歪斜.

大河晶振又叫River晶振也是来自日本的晶振品牌，RIVER一词英文原意是河流，是一家电子设备制造商如石英晶体谐振器、石英晶体振荡器，普通晶体振荡器（SPXO）、压控晶体振荡器（VCXO）。特别是对SMD型贴片晶振（表面贴装器件型）小型晶体器件，大河晶振一直在优先作为业内领先的公司，积累了原始的诀窍，因此，大河晶振赢得了诸多晶振采购商和代理商的信任，更被亲切的称“小型的河”。

将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片, 再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层, 并作为两个极引出管脚, 加以封装, 就构成石英晶体谐振器。石英晶体谐振器, 简称石英晶体, 具有非常稳定的固有频率。下面CEOB2B晶振平台要给大家介绍的是晶振的压电效应以及等效电路,石英晶体振荡电路等.

1.压电效应和压电振荡

但是无论是电子“黄牛”还是我们自己网上购票一定都需要一台给力的电脑才能事半功倍，而电脑强不强大性能好不好又需要靠什么呢？这个答案是显然的，这就要看你电脑的主板性能好不好了。在这样一群人蜂拥到一个网站平台抢票的情况下，如果你的电脑性能不好肯定是抢不过别人的，稍微懂点电脑的人都知道电脑的主要性能在它的CPU和主板上。