真空回流焊炉/真空焊接炉——晶振失效分析-电子发烧友网

在前文《真空回流焊炉/真空焊接炉——晶振焊接》中我们提到，晶振作为电子设备的核心元件，相当于电路的“心脏”，为系统提供基本的频率信号。由于其广泛的应用程度，为了保证电路的正常运行，其稳定性与可靠性至关重要。本文将简单介绍晶振损坏时的一些特征现象，以及晶振失效的原因和对应的解决办法。

图1.贴片晶振示意图

1.晶振质量问题或是参数不匹配
在晶振的制造过程中，如果出现了压封不良的情况，或是在焊接时剪脚而产生了机械应力，晶振的气密性会被影响。此外在晶片镀电极时，空气中的尘埃颗粒可能会附着在电极上面，或是金渣银渣残留，都可能导致晶振不起振。而在运输和使用过程中，跌落、撞击等因素，也可能造成晶振内部水晶片损坏，从而导致晶振无法正常工作。除了晶振本身的质量问题，还存在晶振参数与电路参数不匹配的情况，如系统要求精度20ppm（part per million百万分之几，即：每一百万个时钟周期计算，会产生多少个时钟偏移量），而使用的晶振参数只有70ppm；再或者匹配电容要求13PF（Power Factor：功率因数），而选择的电容只有7PF等，这些都会引起工作电路不稳定。
解决方法：晶振本身质量不良，需要更换好的晶振。另外需要在制作、运输、使用过程中规划操作，防止操作失误导致晶振出现损坏。如果晶振参数与电路参数不匹配，则需要咨询专业的晶振供应商，根据正确的电容匹配值更换晶振或是外挂电容。

图2.晶片断裂示意图

2.振荡电路不匹配
一共有三个因素会影响到振荡电路：频率误差、负性阻抗、激励电平。
（1）频率误差太大会导致实际频率偏离标称频率，从而造成晶振不起振。
解决方法：选择合适ppm值的晶振产品进行替换。
（2）负性阻抗的大小会对晶振是否起振产生影响。无论过大或是过小均可能导致晶振不起振。
解决方法：通过调整晶振外接电容Cd和Cg（分别接在晶振两个脚上和对地的电容）的值来调节负性阻抗，通常负性阻抗至少为晶振标称的最大阻抗的3～5倍。当负性阻抗过大时，减小电容值；当负性阻抗过小时，增大电容值。
（3）激励电平过大或过小也可能会造成晶振不起振。
解决方法：通过调整电路中的Rd值（二极管交流电阻）来调节对晶振输出的激励电平。通常情况下，激励电平越小越好，越小的激励电平有助于降低功耗，维持振荡电路的稳定性，延迟晶振的使用寿命。

3.焊接温度过高或焊接时间过长
如果某晶振使用的是熔点为178℃的焊锡，则当焊接时晶振内部超过150℃后，晶振的特性可能就会恶化，甚至导致不起振，因此需要根据晶振匹配的焊锡熔点选择合适的焊接温度。焊接引脚时，对于280℃的焊接温度需控制在5s以内，260℃的焊接温度需控制在10s以内，同时需要注意不要直接在引脚的根部进行焊接，也会导致晶振的特性恶化或者不起振。

4.储存环境不当
晶振的储存环境相当重要，需在常温、常湿的环境下保存，避免受潮。否则可能出现引脚氧化现象，造成晶振虚焊或者引脚不吃锡。

除上述的原因可能造成晶振失效外，此外还应注意一些事项，从而提高晶振的稳定性：
1.尽量避免在晶振下方走信号线，以减少电磁干扰的影响。
2.晶振电路的走线需要短而直，并靠近微控制单元，从而降低杂散电容对晶振的影响。
3.如果PCB板较大，晶振尽可能放置在边缘位置，以减少受到PCB板变形产生机械张力的影响；如果PCB板较小，晶振尽可能放置在中心位置，以减少分板时产生的机械张力对晶振的影响。
4.尽量不使用超声波对带有晶振的电路板进行清洗，防止共振造成晶振损坏。

了解晶振失效的原因，并提前做好预防，可以最大限度减少晶振失效的风险，确保电子设备的稳定运行。对于上述可能造成晶振失效的原因中的第3个，我司自主研发的真空回流焊/真空共晶炉可以完美解决，得益于优化的采用阵列、接触式的加热平台，加热面温差小，不会造成局部的温度突变，温控精度＜±1℃，温控重复精度＜±0.5℃，对于对焊接温度要求极高的晶振来说至关重要。