晶振老化实验设计

我们都清楚的了解电子元件是当代基本且重要的东西,没有它的存在则不会有现如今遍布在周边的电子产品,智能产品等所有给我们生活带去更多便利I的东西.犹如我们的晶振产品,更是无处不在,在每个电子产品发挥着强大的功能.有的人会问晶振的寿命有多长等一系列问题,该篇文章康比电子一次性告诉大家.

1.可靠性温度加速因子与等效寿命预估

电子元器件制造商在成本考虑下往往不会对产品进行长时间的常温测试来确保产品的使用年限,因此电子元器件一般皆通过可靠性加速试验[1,2,3]来对产品的有效寿命进行预估并保证,此间最广泛应用于预估被动式元器件的等效年限公式,乃依据阿瑞尼斯

(Arrhenius)研究材料间交互扩散行为所提出的温度加速因子(TemperatureAccelerationFactor,AFT)为圭臬,如公式(1)所示.其中AFT为温度加速因子,KB=8.616×10-5(eV/°K)为波兹曼常数(Boltzmann’sconstant),Ta(°K)为加速环境温度,Tu(°K)为常温工作温度,Ea为活化能.宏观晶体谐振器的可靠性测试条件不外乎为125℃,105℃,85℃三个温度,由公式(1)可明显得知晶体谐振器的Ea值才是决定其等效寿命的关键参数,因此本文提供两种有效的活化能评估手法来求得晶体谐振器的活化能, 表 1 为当加速温度为125℃时, 试算 Ea 值由 0.7(eV) 变化至 0.3(eV)对 AFT与产品等效寿命评估的影响度.

表 1. 产品活化能(Ea)对温度加速因子的影响

根据可靠性对 AFT 的定义, 当其值为 18.83 时即表示该产品于加速环境 125℃@ 1单位时间等效于25℃@ 18.83 单位时间, 由此可清楚得知晶体谐振器活化能(Ea)的真值对产品寿命评估有着极大的影响性, 亦是台晶(宁波)电子身为晶振制造商不得不面对与必须研究议题.

2. 动态老化实验求取产品活化能(Ea)

1990 年后随着电子元器件的蓬勃发展与应用, 相信晶体谐振器制造商皆有其可靠性预计模型与理论, 但基于晶振产业的特殊性, 其不同于电阻与电容的活化能已公定为标准值且可藉由互联网查找, 迫使探讨晶体谐振器活化能的文献不得不追溯早先学者们的研究成果[4, 5].动态老化(Dynamic Aging)为晶体谐振器在高温作用下亦透过 RLC 振荡回路设计使得外加电流得以对器件产生连续工作, 老化频率的偏移可透过公式(2)表达为电流, 温度, 时间的关系式[6]

由于影响电流的机制受到 RLC 振荡回路匹配性与 IC集成电路自身老化的影响, 故在假设 R(i)忽略不计的前提下, 公式(2)可简化表达为公式(3) [7]

当中若不考虑时间的影响公式(3)可表达如公式(4)所示, 即频率偏移与温度作用的关

系式为

2.1. 老化实验设计

本文透过 QASH-1000 动态老化设备对 5.0mm ×3.2mm 金属焊封晶体谐振器, 取样 60 产品进行125℃, 105℃, 85℃长达 1000hrs(约 42 天)的频率实测,

结果如图 1 所示

图 1. 5.0mm × 3.2mm 金属焊封晶体谐振器老化 1000 hrs 频偏

本文特别选取对产品可靠性较具代表性的时间点 168hrs(7 天 ), 336hrs(14 天 ), 504hrs(21 天 ),744hrs(31 天), 1000hrs(约 42 天)进行活化能讨论, 并透过公式(4)对图 1 于 125℃, 105℃, 85℃的实测频偏取对数作为 y 轴, 温度取倒数作为 x 轴, 即可透过线性关系求得斜率与 Ea .不同老化作用时间下的 Ea值如图 3 所示, 可明显看出 Ea 值会随着长时间老化的作用呈现递减趋势,随者 Ea 值由 0.578eV 到0.200eV 的大幅变化, 产品在表 2 的等效寿命估算下有著截然不同的 AFT 表现

图 3. 不同老化作用时间的产品活化能

表 2. 产品 85℃下温度加速因子的等效寿命估算

该篇文章透过长时间(long-term)的可靠性老化(OperationLife)与高温储存(HighTemperStorage)定义出影响晶体谐振器(QuartzResonator)活化能(Ea)的机制与模型,进而可预估热或电压加速环境作用下对产品寿命的影响.此预估模型仅针对5.0mm×3.2mm的金属焊封晶体谐振器,并指出在纯粹仅有热加速因子的高温储存相对起同时有热与电压的可靠性老化有着较高的活化能;在热与电压两项加速因子影响下,活化能会随着长时间老化的作用呈现递减的趋势,进而大幅增加产品寿命预测的不合理性.现有台晶(宁波)電子5.0mm×3.2mm金属焊封晶体谐振器的 Ea值经回归验证分析后确认为0.578eV,通过阿伦尼斯(Arrhenius)加速寿命理论,可预测并保证经过可靠性老化85℃@168hrs(7天)的产品等效该产品于25℃连续工作7389hrs(0.83年)不失效.