低温晶体失效故障分析

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1、低温晶体失效故障分析　　摘　要：在计算机的实验中，晶体在温度试验条件下，性能不稳定，导致计算机无法正常工作。通过对晶体的失效分析，确定了晶体失效的原因。结果表明：由于晶体谐振器内部晶片的形成结构异常造成晶体谐振器与振荡电路不能相互匹配，因而在低温条件下表现出来，这种晶体谐振器内部晶片结构异常是导致计算机无法正常工作的原因。通过对晶体谐振器进行温度频差测试，发现晶体谐振器早期失效问题，可解决这一问题，验证试验表明这一措施有效、可行。　　关键词：晶体谐振器；　失效分析；　低温条件；　频差测试　　中图分类号：TN30534文献标识码：A文章编号：100437

2、3X（2012）22012502　　高低温试验是考核计算机质量的必要手段。高低温试验旨在考核产品上的电子器件在温度恶劣情况下的性能。计算机在系统级试验中的第二个温度循环中，出现实验台检测、模拟量和数字量均超差，工作前检测均异常的现象，计算机自检不通过，排查后发现是晶体失效引起的。　　1　故障定位及影响分析　　故障为偶发故障，进行了多次试验，采用逻辑分析仪监控所有CPU模块上的总线信号发现：故障发生时，CPU模块上处理器芯片的时钟输出频率异常。异常情况有3种，分别为：　　（1）　输出频率为正常频率的3倍；5　　（2）　输出占空比由正常的1∶1变为了1∶2

3、；　　（3）　偶尔一个时钟周期由正常的200　ns变为150　ns，且占空比为1∶2。　　CPU模块上时钟电路的连接关系图如图1所示。从图中可以看出，引起CPU模块上处理器芯片时钟输出异常的故障树如图2所示。　　图2　时钟输出异常的故障树从图2的故障树可以看出，导致时钟输出异常的有3个因素：　　（1）　晶体谐振器失效；　　（2）　处理器芯片失效；　　（3）　电容失效。　　1.1　晶体谐振器失效影响分析　　晶体谐振器作为时钟电路的振源，其失效直接影响CPU芯片的时钟输出。晶体谐振器的失效模式为定时失效，定时失效包括：　　（1）　停振；　　（2）　3次泛音

4、（工作在3倍频状态）；　　（3）　定时不稳。　　从故障现象看，时钟输出有3倍频和时钟输出不稳现象，与晶体谐振器的失效机理吻合，可以判定，晶体谐振器失效是引起时钟电路失效的一个原因。　　1.2　处理器失效影响分析　　由于晶体谐振器的起振电路、分频电路以及输出驱动电路均在CPU芯片内部，因此，处理器芯片失效也是引起时钟输出异常的原因之一。5　　根据故障现象分析，起振电路异常会导致晶体谐振器工作在3次泛音状态；分频电路异常会导致占空比异常；但是这两个电路的失效均不会导致偶尔一个时钟周期由正常的200　ns变为150　ns，且占空比位1∶2。因此可以基本排除处

5、理器芯片的失效。　　1.3　电容失效影响分析　　电容作为晶体谐振器要求的负载电容，能够影响晶体谐振器的正常工作。　　电容采用瓷介电容，其失效模式分为开路和短路两种，从图1可以看出，电容短路会导致晶体谐振器输出直接接地，导致晶体谐振器工作异常，故障现象应该为晶体谐振器停振，与故障现象不符，因此可以排除电容的短路故障。　　电容开路相当于在晶体谐振器管脚的输出回路减少了容性负载，容性负载为最小。该晶体谐振器的振动模式为基频模式，对负载电容要求范围较宽，容性负载减少10　pF不足以导致晶体谐振器工作异常。　　1.4　结论　　从上述分析和试验判定：晶体谐振器失效

6、导致时钟电路工作异常，从而引起CPU模块故障。　　2　原因分析　　2.1　机理分析　　对失效晶体谐振器CR/64U20M00000进行测试，发现异常，晶体谐振器出现：温度频差测试超差。　　晶体谐振器的失效模式为定时失效，定时失效包括：5　　（1）　停振；　　（2）　3次泛音（工作在3倍频状态）；　　（3）　定时不稳。　　通过对失效晶体谐振器和正常晶体谐振器进行测试发现，失效晶体谐振器在温度冲击条件下，会出现：停振、几次测试频差差异较大、等效电阻较大等现象。在高、低温测试时，从-55～85　℃采用5　℃一个温度变化，对晶体谐振器的频差和等效电阻进行测试，

7、发现失效晶体谐振器频差数据不连续，与标准拟合曲线差别较大，其等效电阻在-15　℃和-25　℃期间突然变大（见图3、图4）频差不连续说明晶体谐振器在温度条件下其稳定度较差，会导致频率异常。等效电阻的突变也会使晶体谐振器的频率发生变化。从测试结果可以看出在低温段，晶体谐振器处于非稳定工作状态，因此导致输出异常。　　图3　正常的频差与等效电阻曲线　　图4　失效晶体谐振器的频差与等效电阻曲线2.2　失效分析　　对失效晶体谐振器进行了失效分析，进行常温测试、密封性测试、温度循环加电测试和开封检查，除了振荡频率超差以外别无异常，不属于功能失效、制造工艺缺陷等问题，

8、也不属于批次性问题。它的工作异常是由于晶体谐振器内部晶片的形成结构异常造成晶体谐振器与振荡电路