文/张富尧

晶振失效故障分析

文/张富尧

本文通过对无输出晶振的失效分析，确定了失效原因。由于该晶振内部锁相倍频集成芯片性能不良导致。使用有延时的DC-DC电源对晶振进行加电测试，发现失效问题，可在早期解决这一问题。

晶体振荡器 振荡电路 锁相倍频芯片

1 引言

50MHz温补晶振在随模块试验时，出现常温上电偶有无输出的故障，对模块进行反复测试，发现晶振偶有无输出的情况发生，故障复现。

2 故障定位

2.1 晶振复测情况

2.1.1 晶振单独测试

为了对故障晶振无输出的现象进行准确分析定位，对从模块电路板上取下的晶振进行了单独故障复现试验。在常温下通过对晶振单独进行多次加电测试，未出现晶振无输出的情况。进一步改变晶振的负载（使用50Ω负载）以及电源（使用2.7V和3.9V电源电压），多次加电测试，故障晶振也未出现无输出的情况。随后，使用S&A2800晶振自动测试系统对故障晶振进行了高低温测试，测试温度-55℃～+85℃，晶振电性能指标测试正常。

2.1.2 晶振在模块电路中的测试

故障晶振在模块中，常温下给模块多次反复上电，晶振偶尔出现无输出的情况，多次上电出现无输出故障的几率不到5%。模块内部的3.3V电源在上电时存在一定的延时（实测约为3ms）。而对晶振单独上电测试时，采用直流稳压电源进行上电试验，其上电延时较小（约为0.5ms），所以问题不能得到复现。由上述试验可知，故障晶振在3.3V工作电源存在一定延时的情况下，常温多次上电偶尔会出现无输出的情况。

2.2 故障分析及定位

该晶振采用表贴封装形式，封装为SMD7×5×2mm3。内部电路主要由3个部分组成：温补晶振芯片、锁相倍频芯片、SMD石英晶体谐振器。

SMD晶体谐振器（25MHz）与温补晶振集成芯片连接，产生高精度和高稳定度的25MHz频率信号，锁相倍频芯片将25MHz频率通过锁相倍频的方式合成到50MHz，实现晶振最终的50MHz频率输出。晶振的2个部分集成电路，任意一个工作不正常均会对晶振的电性能指标造成很大影响甚至造成晶振不工作无输出的故障。另外如果晶体谐振器参数漂移，造成晶振起振困难，也会引起无输出的故障情况。

晶振各组成部分：两颗芯片（IC1：温补晶振芯片；IC2：锁相倍频芯片）绑定灌封在基座内部；1个电阻和2个电容用于信号耦合以及电源滤波；石英晶体谐振器封装为SMD6×3.5×1.1mm3，频率为25MHz。

2.2.1 电连接故障排查

2.2.1.1 外观检查

对故障晶振进行了外观检查，产品表面形貌完整，晶振基座的4个功能焊盘均未见损伤。通过外观检查，可以排除因晶振基座焊盘损坏而造成的晶振无输出的情况。

2.2.1.2 对晶振进行镜检

对晶振进行了镜检。采用40倍放大镜对晶振表面的各元器件以及各焊点进行了检查，同时对晶振安装在模块上的各焊点进行了检查。通过检查，晶振表面的晶体、电容、电阻各焊点正常，没有出现虚焊、漏焊的情况，元器件的焊接满足工艺要求。同时晶振在模块上的焊接点也正常。因此可以排除由于焊点接触不良造成的晶振无输出的情况。

2.2.1.3 对晶振进行X光检测

为了排除晶振内部芯片键合不良的情况，对故障晶振进行了X光检测，检测其基座内部芯片的情况。故障晶振内部芯片的各键合线均连接良好没有断裂或者脱离的情况，可以基本排除由于键合线断裂而造成的晶振无输出的情况。

2.2.2 晶振内部元器件故障的排查

由于晶振内部有两个集成芯片（温补晶振芯片和锁相倍频芯片），两个集成电路的输出和输入通过一个耦合电容连接，所以可以使用高频探头对晶振内部温补晶振芯片的输出信号进行单独检测，以便对元器件进行逐一排故。

2.2.2.1 内部芯片故障排查

当模块在常温下反复上电，晶振故障复现时，用探头对晶振内部的温补晶振芯片的输出端进行检测，测得有25MHz信号且输出波形、幅度正常，此时晶振最终输出端无50MHz频率输出，而50MHz的频率信号是由锁相倍频芯片输出的。因此可以判定晶振无输出是由于倍频芯片工作不正常造成的，同时也排除了温补晶振芯片异常造成的晶振停振的情况。

2.2.2.2 石英晶体谐振器故障排查

输出端的25MHz频率信号是石英晶体谐振器与温补晶振芯片共同组成的振荡电路的输出信号，若25MHz信号输出正常则说明石英晶体谐振器参数正常，可以排除石英晶体参数异常造成的晶振停振的情况。

2.2.2.3 电源上电延时引起晶振故障的排查

为了进一步验证电源延时对故障晶振的影响，设置了一个具有一定延时的电源模块电路板检测故障晶振多次上电的工作情况。

先使用8ms左右延时的DC-DC模块电源供电对故障晶振进行测试。在常温下进行20次上电测试，出现了偶有无输出的情况（几率约为5%）。

随后，使用24ms左右延时的DC-DC模块电源供电对故障晶振进行测试。此时在常温下进行20次上电测试，出现了偶有无输出的情况（几率约为20%）。最后直接使用延时很小的直流稳压电源（延时小于0.5ms）对故障晶振供电进行上电测试，此时在常温下反复对晶振上电20次，故障晶振没有出现无输出的情况。

通过上述电源延时对故障晶振问题复现的试验，可进一步证明：当模块电源延时较大时会造成故障晶振在常温下多次上电后偶有无输出的情况，且电源延时越大故障现象就越明显。

图1：倍频芯片的原理框图

综上所述，晶振在反复上电的情况下偶有无输出的情况是由于内部倍频集成芯片性能缺陷，在上电电压存在一定延时，反复上电的情况下有时不工作，最终导致晶振无频率输出。

3 机理分析

3.1 晶振基本原理

该型号温补晶振主要由3个部分组成：温补晶振集成芯片、锁相倍频集成芯片、SMD晶体谐振器。温补晶振集成芯片与SMD晶体谐振器（连接，产生高精度和高稳定度的25MHz频率信号，锁相倍频芯片将25MHz频率通过锁相倍频的方式合成到50MHz，从而实现晶振最终的50MHz频率输出。如果晶振内部锁相倍频芯片异常或不工作，就会导致晶振最终无输出。

3.2 锁相芯片故障导致晶振无输出原理

该型号温补晶振内部电路使用25MHz温补晶振集成电路，通过锁相倍频芯片实现50MHz频率输出。晶振内部的倍频芯片的原理框图如图1所示，芯片内部实际为一个集成锁相环电路，芯片输出与输入的关系式见公式（1）：

式中，M、R、P为倍频芯片中的频率设置数。

在该型号晶振中，芯片设置为50=25×2/（1×1），即M=2、R=1、P=1，晶振最终输出为“CLK0”端输出，“CLK0”端输出频率直接由VCO的振荡频率决定。芯片内部VCO的输出频率范围覆盖较宽（1MHz～200MHz），针对不同输出频率，内部电路需要对VCO振荡频率进行分段切换，切换到覆盖输出频率的频段范围内，最终实现需要的频率输出。

根据晶振的故障现象和锁相倍频芯片的运行原理可推断：故障晶振使用的锁相倍频芯片内部VCO参数不良，在上电延时可能引起VCO内部电路时序错误，无法对VCO的振荡频率进行选段切换，造成VCO不工作，最终造成芯片无输出即晶振无输出的故障现象。

由以上分析可知，根据晶振的故障现象和锁相倍频芯片的运行原理可推断，如果锁相倍频芯片内部VCO参数不一致（参数临界或偏移），在上电延时的情况下，芯片内部的VCO偶尔会出现无法正常工作的情况，最终晶振无50MHz的频率输出。

3.3 锁相芯片参数异常的原因

该芯片为进口器件，由于芯片生产过程每个芯片产品存在一定的个体差异，存在个别芯片参数较临界的情况。而故障晶振在经过产品生产过程中的筛选试验以及使用过程中的筛选试验后，倍频芯片内部参数进一步的漂移。在有上电延时以及多次上电时，参数临界的芯片内部电路可能偶尔出现时序错误，导致内部VCO电路工作不良或不工作，造成晶振无输出的故障现象。

4 改进措施

为避免问题的再次发生，在元器件二次筛选过程中，设计筛选用的测试板对晶振进行加电测试，拟将电源延时设置在24ms左右，晶振的上电检测次数拟定为20次。

5 结论

50MHz温补晶振出现的加电偶有无输出的故障，是由于晶振内部锁相倍频集成芯片性能不良导致，属于偶然的个别现象。使用24ms延时的电源对晶振进行20次加电测试，发现失效问题，可在早期解决这一问题。

[1]成都天奥电子股份有限公司.频率器件产品手册[Z].成都：成都天奥电子股份有限公司,2012.

作者单位 中国电子科技集团公司第十研究所 四川省成都市 610036

张富尧（1986-），男，四川省隆昌县人。大学本科学历。助理工程师，从事于元器件检测工作。