高g值加速度作用下晶振的失效机理分析

高g值加速度作用下晶振的失效机理分析 2010年第31卷第4期中北大学学报(自然科学版)Vo1.31No.42010 (总第132期)JOURNALOFNORTHUNIVERSITYOFCHINA(NATURALSCIENC EEDITION)(sumN0.132) 文章编号:1673—3193(2010)040424—05 高g值加速度作用下晶振的失效机理分析 徐鹏 (中北大学理学院,山西太原030051) 摘要:利用Hopkinson杆对弹载存储测试电路模块常用的两种晶振:EXO3,KSS晶振,在未用环氧树 脂胶灌封和灌封状态下进行了不同冲击方向(沿平行和垂直方向)的抗高g值冲击性能研究,并对它们的失 效机理进行了分析.结果明:因为晶振内部有微梁,当晶振在高g值加速度冲击下时,微梁可能发生断 裂,这将导致晶振的失效.另外,晶振抗冲击能力与冲击加速度方向有关,与冲击方向平行时晶振的抗冲击 性能要明显高于与冲击方向垂直的情况;对同一个冲击方向而言,经过环氧树脂灌封的晶振抗冲击能力并 没有明显高于未灌封的晶振,这可能是由于电路板上焊点,导线断开 造成的. 关键词:晶振;加速度;冲击;失效机理 中图分类号:TN752文献标识 码:Adoi:10.3969/j.issn.1673—3193.2010.04.022 FailureMechanicalAnalysisofCrystalOscillatorunder HighgAcceleration XUPeng (SchoolofScience,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China) Abstract:TheHopkinsonbarwasemployedtotheanti—highgshockcapabili tyoftwokindsofcrystal oscillatoroftenusedinon—boardmemorytestcircuit:EXO3andKSSwhich wasno—pottedorpotted withepoxyresinandpottedalongverticalandparalleldirectiontotheshock,thenitsfailuremechanism wasanalyzed.Itshowsthatbecausethemicro—beamexistsinthecrystaloscil lator,whichwillrupture andresultinfailuretothecrystaloscillatoractedbyhighgshockacceleration.Moreover,theanti—high gshockcapabilityofcrystaloscillatorisrelatedtothedirectionofshockacceleration,andthecapability inparalleldirectionisdistinctlybetterthanthatinverticaldirection;forthesameshockdirection,the anti—highgshockcapabilityofthepottedcrystaloscillatorsarentdistinctlyb etterthanintheno— potted,whichislikelytobecausedwiththebreakofweldedpoints,leadsonthe circuitplate. Keywords:crystaloscillator;acceleration;shock;failure 在国内,外现有的侵彻加速度测试技术中,较多采用弹载存储测试技术].弹载加速度存储测试装 置是由加速度传感器,记录电路模块和电池组成一个整体结构,然后再以某种形式与弹体连接,和试验 弹体一起承受侵彻过程中的高g值冲击环境力.在弹体高速侵彻硬目标的恶劣环境中,以上3部分的存 活本领面临极大的考验,任何一部分的失效都将导致试验的失败,造成不可挽回的损失.因此,为电路 模块提供时钟信号和基准信号的石英晶体振荡器(晶振)的抗高冲击性能和失效机理需要深入研究.目 前,实验室常用的高g值冲击加速度实验模拟装置有以下几种:跌落(气动)冲击试验机,马歇特锤,空 气炮,Hopkinson杆等,而Hopkinson杆的操作过程比较简单且重复性好.对一定的输入杆,只要选择 子弹长度和气压,就可以实现不同波形的冲击加速度l6],利用Hopkinson压杆可对晶振施加高g值冲 收稿日期:2010-04一l8 基金项目:山西省高校科技研究开发项目 作者简介:徐鹏(1969一),男,教授,博士.主要从事高冲击动态测试及高冲击计算机模拟研究 (总第132期)高g值加速度作用下晶振的失效机理分析(徐鹏)425 击加速度. 1试验条件及理论基础 本试验选择了电路模块常用的两种类型晶振:EXO3—16M晶振(封装形式DIP8)和KSS晶振(封装 SMD8).在未用环氧树脂胶灌封(图1)和灌封状态下(图2),使用Hopkinson压杆沿不同冲击方向(沿平 行和垂直与冲击方向)进行了抗高g值冲击性能研究.其中:Hopkinsun杆为钢制,直径为14mm,子弹 长度是50mm,输入杆长400mm, 杆中间位置沿轴向对称布置两个应 变片. 将裸晶振和用环氧胶灌封在薄 璧钢壳内的晶振用黄油粘在 Hopkinsun杆的一端.用压缩气体 发射子弹,同轴撞击Hopkinsun杆 的另一端,在杆中传播的压缩应力 波由应变片测得,此应变脉冲如图 3所示,它的上升前沿大约只有 5s.当应变脉冲传至Hopkinson杆 图1晶振安装图 Fig.1Pictureofcrystal oscillatorsetting 图2灌封后晶振安装图 Fig.2Pictureofpottedcrystal oscillatorsetting 与被测微晶振的界面时,晶振的质量可以忽略,根据一维应力波理论,可以得出该界面质点的速度为 式中:r为杆的波速;E(t)为应变片的信号. 哪9一 焉一…,,J 图3压缩应力坡信号图4晶振正常工作输出 Fig.3SignalofcompressivestresswaveFig.4Outputofintactcrystaloscillato r 因为晶振与Hopkinson杆的端部用油脂紧密贴合,因此可以忽略应力波在油脂中的反射.另外,晶 振质量较轻,所以晶振获得的速度就与Hopkinson杆端部的速度基本相等,则晶振承受的加速度为 】 (,)一2f—de(t一 ) . (2) 从Hopkinson杆透射到晶振中的压应力波在晶振的自由面反射产生拉伸应力波,再与入射的压应力 波叠加,当叠加结果为拉伸应力且大于油脂的粘附力时,晶振飞离Hopkinson杆并被软回收.由于对应 变信号直接微分,会导致一些数值噪声,从而使得到的加速度信号质量较差,无法正常使用.下面采用 平均应变率来计算晶振的加速度,由式(2)可得 n一2c.(3) 取c一5l90m/s,根据式(3)可估算出晶振承受的加速度峰值.因为该方法是取上升前沿的平均应 变率来计算最大应变率,而平均应变率要小于最大应变率,所以该法得出的加速度峰值偏小. 426中北大学学报(自然科学版)2010年第4期 实验准备数据如下: EXO3—16M晶振正常工作时电流为3.O0,3.20mA,晶振输出频率为16MHz正弦波信号;KSS晶 振(封装SMD8)正常工作时电流为5.00mA左右,输出频率为20MHz的正弦波信号.应变仪校准结果 为每500mV对应着2000个微应变,触发电平设置为220mV.采用存储示波器记录信号,它的X轴 每一格为1Os,y轴的每一格对应500mV,采样频率为每秒钟采样25X10个点. 试验前用示波器检测晶振在各个频率下的输出(如图4所示),以保证晶振功能正常.在具体试验 时,将高压室的气体压力控制在0.25MPa左右,而子弹分别放置在枪管底部,距底部一半管长处,距底 部1/4管长处等3个位置,从而获得不同的子弹速度去撞击输入杆,在杆的另一端产生不同幅值的冲击 加速度,实现对晶振的冲击加载.对每一个晶振按照加速度值从低到高依次进行冲击,然后采用示波器 对晶振的输出信号进行检测,直到受冲击的晶振输出不正常为止. 2实验结果 共对10个晶振进行了20次冲击实验,得到18组有效实验数据.另外2组是因为应变仪误触发而 没有测得应力波形.取C===5190m/s,根据式(3)可以计算出芯片受到的加速度,所得实验结果如表1 所示.其中:裸晶振有2个,用环氧胶沿不同方向灌封的晶振为8个. 表l晶振冲击实验结果统计 Tab.1ResultstatisticsofcrystaloscillatorSshocktest 芯片应变片信号最大应变脉宽加速度芯片 试样序号AU/mVAe/UsAt~Usa/lOg损坏情况 IJ一1440176024.014.6完好 IJ一1600240025.019.2工作不正常 IJ一2280112O28.08.0完好 IJ一2695278026.021.4工作不正常 FJ—V一1一一一一完好 FJ—V一2650260026.6l9.5工作不正常 FJ—V一3950380026.428.8工作不正常 FJ—P一1580232025.8t8.0完好 FJ—P一1910364023.830.6完好 FJ—P—l1100440025.035.2完好 FJ—P一11250500025.439.4工作不正常 FJ—P一3610244023.021.2完好 FJ—P一3一一一一完好 FJ—P一3700280024.023.3完好 FJ—P一3900360025.428.3完好 FJ—P一3一一一一工作不正常 FJ—P一4980392024.032.7完好 FJ—P一41250500026.038.5工作不正常 FJ—P一5580232025.818.0工作不正常 .FJ—P一6610244023.021.2工作不正常 注:IJ为未用5010灌封的晶振;FJ—P一4为EXO3晶振;FJ—P一5,6 为KSS晶振; FJV为用5010灌封的晶振与冲击加速度方向垂直的位置; FJ—P为用5010灌封的晶振与冲击加速度方向平行的位置; IJ一1,2,FJ—V一1,3,FJ—P,1,3为EXO3晶振. 从得到的数据分析可知,没有经过环氧树脂灌封的晶振在19.0×10g以上加速度冲击下无法正常 工作;对于经过环氧树脂灌封的晶振,与冲击加速度方向垂直的试样在19.0×10g以上加速度冲击下无 法正常工作;与冲击加速度方向平行的芯片在36.0×10g以上加速度冲击下无法正常工作. 3晶振的失效分析 从冲击后检测的情况来看,在高g值加速度冲击下,晶振的失效模式分为两种:一种是无法加载电 (总第132期)高g值加速度作用下晶振的失效机理分析(徐鹏)427 流使晶振工作,这是由于引出导线与晶振管脚的焊点脱落造成的;另一种是晶振的输出频率不正常,这 从芯片外部无法分析原因,为此将失效后的晶振解剖,观察其内部结构的变化_l”]. 采用研磨法对晶振进行开封,KSS晶振为空封结构,内部结构如图5所示,为一端固定的石英梁, 梁的固定端处有一条贯穿性裂纹,图6为其SEM照片;EXO3晶振为塑封结构,内部结构为一空腔,内 有一个两端固定的石英梁(图7),图7中晶振梁一端出现部分断裂.KSS石英晶体梁尺寸为:长 z一5mm,宽6—2.62mm,厚h一0.14mm,它的两个焊点在同一端;EXO3石英晶体梁尺寸为:长z一 6.28mm,宽b一1.84mm,厚h==:0.16mm,它的两个焊点在两端. 图5KSS内部结构图6KSS裂纹SEM照片图7EXO3内部结构 Fig.5InternalstructureofKSSFig.6SEMpictureofKSScrackFig.7Internals tructureofEXO3 当晶振与冲击加速度方向垂直时,KSS晶振梁和EXO3晶振梁可以简化为如图8和图9所示的力 学模型.EXO3梁为一个两端固定的超静定梁,其上最大剪力和弯矩均比KSS梁要低,所以EXO3梁抗 冲击性能比KSS梁好.在分布惯性力g—pAa.作用下,失效位置均处在最大弯矩和剪力处.式中:ID为 石英密度,J0—2.65×10.kg/m.;A为横截面面积;a0为加速度幅值. 对EXO3晶振梁,最大弯矩在固定端,最大正应力为 O’max一一()(.bh2/ 6)一.(4)一一)()一’(4) 因为梁很薄,剪应力的影响较小,主应力与水平正应力方向基本一致,所以可用正应力作为强度控制条 件.石英具有很高的机械强度,理论承压能力可达2O00,3000MPa,屈服极限应力一1000MPa.当 式(5)成立时,晶振梁失效. … 一. (5) 此时,晶振梁能承受的最大加速度为 “.一 警一12×106506280g.?”p.2.×1.×.×1一u’,s’u 当晶振与冲击加速度方向平行时,两个晶振可简化为如图10所示的 力学模型.KSS结构的最大正 应力在固定端 …一pa..(7) EXO3结构为静不定拉压杆,两个固定端的相对变形为零,解变形协 调方程,得到最大应力为 O’mex=== R 一一 1 , Paoz.(8)一一?(8) EXO3结构的最大应力只是KSS最大应力的的一半,所以前者能承 受更高的冲击. 将式(8)和(4)比较,比值为 一一 争.?一一了’(9) 因为h/1远小于1,所以晶振与冲击加速度平行放置时的抗冲击性能远高于垂直放置时.在电路结构布 置时,应尽量使晶振与冲击加速度平行. 428中北大学学报(自然科学版)2010年第4期 图8KSS晶振剪力Q,弯矩图 Fig.8Q,McurveofKSS 4结论 图9EXO3晶振剪力Q,弯矩图 Fig.9Q,McurveofEXO3 fa 图10KSS,EXO3力学模型 Fig.10ModelofKSS,EXO3 1)晶振在高g值加速度冲击下内在的失效机理为:因为晶振内部有可运动的微梁,当在高g值加 速度冲击下时微梁可能发生断裂,这将导致晶振的功能失效;而集成电路部分几乎没有损伤,这是因为 封装材料的波阻抗一般远小于Hopkinson杆,大部分应力波发射,从而保护了内部的集成电路. 2)对同一个冲击方向(沿垂直方向冲击),经过环氧树脂灌封的芯片抗冲击能力并没有明显高于未 灌封的芯片,这可能是由于电路板上焊点,导线断开造成的.此外,晶振的抗冲击能力还与冲击加速度 的方向有关,与冲击加速度方向平行的晶振的抗冲击性能要明显高于与冲击加速度方向垂直的晶振. 参考文献: timemeas [1]ZhangWD,ChenIJ,XiongJijun.Ultra—highgdeceleration— urementforthepenetrationintosteeltarget [J].InternationalJournalofImpactEngineering,2007,34(3):436—447. 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