晶振回流滞后由单个或多个温度峰值引起

在用户的p-c板上回流焊接后,表面贴装石英晶体振荡器显示出高达几ppm的正频率偏移,随时间常数衰减几天.这种影响通常没有在数据表中描述或说明.然而,对于用户来说,这是非常重要的,特别是对于具有严格温度容限的振荡器,例如TCXOs和即将到来的SMTOCXOs.

MIL-PRF-55310区分了"热滞后"和"回扫".回扫是在固定温度下,振荡器在特定条件下开关循环时,F对T特性(OCXO)的不可重复性,而滞后(TCXO晶振)是温度循环期间F对T特性不可重复性的最大值.然而,这种影响的时间依赖性没有被考虑.[的库什斯特和维格对热滞后现象和理论进行了广泛的回顾.

本文中定义的回流滞后是由单个(或多个)温度峰值引起的,其影响被描述为几天时间内的频率偏移.红外和对流回流焊接工艺的典型温度分布如图1所示.

最高温度应力发生在液相线时间,在215°C或以上,在10秒到40秒之间

可以产生它的机制被提到是"电极中的应力消除,以及石英晶体谐振器外壳中的污染转移”

图1 :回流焊接工艺的典型温度分布

2.1石英晶体单元

一套大约.在HC-49/U中,300个基模AT切割晶体以32.768K的速度在坯料直径为8.0mm的13个不同批次中生产,其中不同的工艺参数不同.它们经受了如图1所示的回流焊接温度曲线.在焊接后4小时,24小时和40天测量共振频率.13批中每批的频率偏差的每批平均值显示在表1中,并在图2中以图形方式显示.这些值是指40天后观察到的频率.

表1:回流焊接后32.768MHz晶体的频率偏差

图2:回流焊接后32.768MHzAT资金晶振的频率偏差一天后的平均回流滞后是4小时后观察到的频率偏移的71%.一个显著的结果是,在批次A2,F1和F2中观察到了最低的回流滞后效应,其中晶体在密封之前经历了延长的烘烤程序.

2.2 TCXO38.88兆赫

采用模拟间接补偿技术,将基模38.88MHzAT切割晶体并入HC-52外壳中的125个TCXOs进行模拟回流焊接工艺.在总共50天内观察到输出频率.图3显示回流滞后响应的平均值和1σ极限.48小时后,平均频率偏差为(1.1±0.22)ppm,大约30天后频率稳定.

图3:回流焊接2.3TCXO19.44MHz后,38.88MHzTCXOs的频率偏差

该实验显示了重复回流焊接过程后的回流滞后现象.25块TCXO中使用的石英晶振是19,44MHzAT基波

HC-52/U超薄生产线模式.第二次回流焊在第一次回流焊后38天进行,并在7天内测量.

图4示出回流滞后响应的平均值和1σ极限.滞后效应非常强:

(7,9,±2.6)ppm,1小时后

(5,4±1.7)ppm,24小时后

并在一天后衰减至初始值的69%,1小时后衰减.平均响应被拟合成指数函数,在图4中以虚线示出.

匹配很差,因为它的曲率不能跟随陡峭的响应.然而对数曲线拟合(见图4中的虚线)

显示出极好的拟合.方程(2)中具有(时间)维度的参数b可以被视为"逆时间常数".在这种情况下,1/b的值等于0.28天.

图4:在第二次回流焊接2.4TCXO40,96MHz之后,19.44MHzTCXOs的频率偏差

HC-52/U细线中使用40,96MHzAT基本晶体的六个有源晶振振荡器被回流焊接,在42天的观察时间后,回流焊接过程被重复.比较第一和第二处理的回流滞后.

第一次焊接后的滞后效应如图5所示.第22天和第24天之间的不规则性显然与环境温度变化导致的测量不准确有关.所有6个振荡器响应的平均曲线由第2.3条中描述的指数和对数函数拟合(见图5中的虚线).虽然指数衰减函数显示的曲率太小,无法跟随滞后初始阶段的陡度,但对数曲线与实验值相当平滑地匹配.

图5:第一次回流焊接后40,96MHzTCXOs的频率偏差在图6中,第一次焊接后42天,由于第二次回流焊接造成的回流滞后被描绘为持续30天.

图6:第二次回流焊接后40,96MHzTCXOs的频率偏差.这里,平均值响应按照上述指数和对数函数进行曲线拟合.指数函数再次显示出拟合不足,因为它的曲率太"平",而对数函数很好地描述了滞后响应.

表2总结了两种滞后特性的比较.

表2:40,96MHzTCXO晶振的第一和第二回流滞后的比较

第二温度应力对频率偏移的影响减少了大约30%到40%,而滞后衰减比第一应力慢了大约两倍.

2.5 OCXO26MHz,带AT第三泛音晶体

OCXOs通常具有比TCXOs更高的热质量,因此谐振器在回流焊接期间不会被加热到这种程度.这里测试的模型没有传统OCXOs中的金属加热块,而是使用了

直接加热的陶瓷基板,其上安装有振荡器电路和HC-26/U晶体.

回流焊接之前,振荡器通电24小时以保持稳定.回流焊接后,在测量开始前,等待一小时冷却.频率随时间的变化每两分钟记录一次.两个周期的频移在图7中给出

图7:回流焊接前后26MHzAT3晶体OCXO的频移

乍一看,似乎没有滞后的迹象.然而,必须注意的是,回流焊接后观察到的频移是常规OCXO预热特性和滞后的叠加.如果我们假设回流焊后的预热特性与回流焊前大致相同,我们可以从回流焊后测量的频率响应中减去第一次预热的响应.然后,我们得到回流滞后的大致净效应,如图8所示.可以看出,滞后明显小于用TCXO观察到的滞后,这是因为OCXO晶体是用更长的烘烤和预老化工艺制造的,其次是因为振荡器单元的热质量更高.

另一方面,该实验证明,预热特性和回流滞后正好相互补偿,这导致了两个过程具有相同的物理起源的假设.

图8:减去预热后,含26MHzAT3晶体的OCXO的净回流滞后

2.6 OCXO26MHz,带SC3泛音晶体

该振荡器还通过陶瓷衬底直接加热压电石英晶体和振荡器电路,但是,由于HC-37/U尺寸的晶体单元,它比第2.5条中描述的OCXO体积更大.实验以与上述相同的顺序进行,整体频移如图9所示.

图9:回流焊接前后26MHzSC3晶体OCXO的频移

预热行为与实验室环境中的射频噪声和无意关机引起的不规则性相比没有显著差异.因此,这些SC切割晶体的回流滞后是可以忽略的.该OCXO晶振中使用的晶体是用与AT切割26MHz不同的工艺生产的,在AT切割中使用了更高的烘烤温度.

3.回流滞后的原因

观察到的回流滞后效应显示,对于TCXOs,正频率偏移为+2ppm至+8ppm,对于(AT-)OCXOs,正频率偏移高达100ppb.

这种频率偏移在一到四周内缓慢下降,可以用对数函数来描述

与回流焊接温度应力相关的滞后效应的潜在原因可能与几个机制有关,正如约翰·维格的《[教程2》中总结的那样:

(1)热膨胀系数差异引起的石英板上的应力,夹具成形,焊接,密封引起的残余应力,电极中的内应力,粘结应力,切割,研磨,抛光引起的表面损伤,石英材料中的应力等.

(2)由于污染,残留水分,除气,扩散,化学反应等引起的传质.因为它们是老化机制的典型代表.

虽然降低回流滞后的主要挑战在于晶振生产技术,但还需要做更多的工作来确定各种其他效应的影响,如石英材料固有的效应,芯片电容器,电感器和热敏电阻等振荡器电路元件的影响.

关于事实,那就是观察到几天到几周的长时间常数,这更可能与传质和扩散过程等有关.与消除压力相比,在密封石英晶体单元之前的延长烘烤过程减少了回流滞后,第二回流焊接工艺之后的滞后小于第一回流焊接工艺之后的滞后,对数函数比指数衰减函数更好地描述了这种滞后效应,滞后具有与OCXOs的预热特性相同的形状,但符号相反我们有充分的理由假设,观察到的回流滞后效应主要与导致频率老化的相同机制有关,即水分的质量转移,扩散等..

在现代设备生产线上,p-c-板通常在焊接过程后的短时间内最终被调整和调整.如果电路板包含SMT贴片晶振晶体振荡器,大约一周后可以观察到强烈的负频率偏移,振荡器似乎已经老化,但这是由于回流焊工艺的热应力引起的滞后效应.