EXO3晶振与KSS晶振在高过载下的失效特性分析

1 引 言

    为了验证电子元器件的结构、材料和质量是否满足预定用途，需要模拟高 g值冲击对其进行破坏性物理分析，确定它们在高 g值冲击下的失效模式和机理[1]。由于目前使用的冲击试验机[1]产生的机械冲击加速度的幅值约为 3 万 g_n，脉冲宽度为 0.12ms，这与测试所需的 10 万 g_n以上的冲击环境[2]还有很大差距。所以本实验过程中采用 Hopkinson 杆模拟真实环境下的高 g值冲击过程[3]，冲击两种典型晶振芯片：EXO3、KSS，并重点分析了它们的失效机理。

2 实验原理

    实验的原理框图如图 1 所示，将被测的晶振芯片安装在 Hopkinson 杆的尾部，由压缩气体驱动一段长度约 50mm、直径为 14.5mm 的子弹（实验时子弹、Hopkinson 杆选用的材料均为钢），同轴撞击一长度为 400mm 的 Hopkinson 杆的起始端，将会在Hopkinson 杆中产生近似半正弦的压缩应变脉冲，并沿 Hopkinson 杆纵向传播。

    根据一维应力波理论，应力波在细长导杆中传播时衰减和弥散效应可以忽略，贴在杆中央的应变片可测得此应变脉冲，根据应变的大小计算出芯片的冲击速度为 [4]：

3 实验结果与分析

    实验中选择了两种晶振芯片 EXO3、KSS 作为被测对象，应力波的冲击方向分为平行于晶振和垂

晶振受到的加速度范围在 12 万 g_n~35 万 g_n之间。

    从冲击后检测的情况来看，在 19 万 g_n以下的加速度冲击后晶振可以正常工作，冲击加速度达到19 万 g_n以上时晶振失效。失效的情形分为以下两种：

    （1）晶振无法载入电流。这是由于引出的检测用导线与晶振管脚连接处的焊点在高冲击下发生脱落造成的；连接后检测晶振工作正常。

    （2）晶振无法正常工作，输出的频率不正确。这时从晶振外部无法分析原因，为此将晶振解剖，观察其内部结构的变化。

    KSS 与 EXO3 两种晶振冲击后的芯片解剖图如下，KSS 晶振为空封结构，一面为金属，另一面为塑料封装，EXO3 晶振为塑封结构，磨开后如图2、图 3 所示。图中片状薄片为石英晶体，晶体下面为被环氧树脂紧密包裹的电路模块。从图中可以看出，经过 19 万 g_n以上加速度冲击后的石英晶体均发生断裂，导致芯片不能正常工作。晶体薄片由于有活动空间，所以受冲击时晶体薄片比电路模块首先损坏。两种晶振的石英晶体结构从力学角度分析均为悬臂梁，但又不尽相同，KSS 石英晶体它的两个焊点在同侧，EXO3 石英晶体它的两个焊点在两侧。实验结果验证 EXO3 这种结构可承受更高的冲击。