高 g值加速度作用下晶振的失效机理分析✳

徐 鹏

(中北大学 理学院,山西 太原 030051)

在国内、外现有的侵彻加速度测试技术中,较多采用弹载存储测试技术[1-5].弹载加速度存储测试装置是由加速度传感器、记录电路模块和电池组成一个整体结构,然后再以某种形式与弹体连接,和试验弹体一起承受侵彻过程中的高 g值冲击环境力.在弹体高速侵彻硬目标的恶劣环境中,以上 3部分的存活本领面临极大的考验,任何一部分的失效都将导致试验的失败,造成不可挽回的损失.因此,为电路模块提供时钟信号和基准信号的石英晶体振荡器(晶振)的抗高冲击性能和失效机理需要深入研究.目前,实验室常用的高 g值冲击加速度实验模拟装置有以下几种:跌落(气动)冲击试验机、马歇特锤、空气炮、Hopkinson杆等,而 Hopkinson杆的操作过程比较简单且重复性好.对一定的输入杆,只要选择子弹长度和气压,就可以实现不同波形的冲击加速度[6-8],利用 Hopkinson压杆可对晶振施加高 g值冲击加速度.

1 试验条件及理论基础

本试验选择了电路模块常用的两种类型晶振:EXO3-16M晶振(封装形式 DIP8)和 KSS晶振(封装SMD8).在未用环氧树脂胶灌封(图1)和灌封状态下(图2),使用 Hopkinson压杆沿不同冲击方向(沿平行和垂直与冲击方向)进行了抗高 g值冲击性能研究.其中:Hopkinsun杆为钢制,直径为 14 mm,子弹长度是 50 mm,输入杆长 400 mm,杆中间位置沿轴向对称布置两个应变片.

将裸晶振和用环氧胶灌封在薄璧钢壳内的晶振用黄油粘在Hopkinsun杆的一端.用压缩气体发射子弹,同轴撞击 Hopkinsun杆的另一端,在杆中传播的压缩应力波由应变片测得,此应变脉冲如图3所示,它的上升前沿大约只有5μs.当应变脉冲传至 Hopkinson杆与被测微晶振的界面时,晶振的质量可以忽略,根据一维应力波理论[9],可以得出该界面质点的速度为

图1 晶振安装图Fig.1 Pictureof crystal oscillator setting

图2 灌封后晶振安装图Fig.2 Picture of potted crystal oscillator setting

式中:c为杆的波速;X(t)为应变片的信号.

图3 压缩应力波信号Fig.3 Signal of compressive stress wave

图4 晶振正常工作输出Fig.4 Output of intact crystal oscillator

因为晶振与 Hopkinson杆的端部用油脂紧密贴合,因此可以忽略应力波在油脂中的反射.另外,晶振质量较轻,所以晶振获得的速度就与 Hopkinson杆端部的速度基本相等,则晶振承受的加速度为

从 Hopkinson杆透射到晶振中的压应力波在晶振的自由面反射产生拉伸应力波,再与入射的压应力波叠加,当叠加结果为拉伸应力且大于油脂的粘附力时,晶振飞离 Hopkinson杆并被软回收.由于对应变信号直接微分,会导致一些数值噪声,从而使得到的加速度信号质量较差,无法正常使用.下面采用平均应变率来计算晶振的加速度,由式 (2)可得

取 C=5 190 m/s,根据式 (3)可估算出晶振承受的加速度峰值.因为该方法是取上升前沿的平均应变率来计算最大应变率,而平均应变率要小于最大应变率,所以该法得出的加速度峰值偏小.

实验准备数据如下:

EXO3-16M晶振正常工作时电流为 3.00～ 3.20 m A,晶振输出频率为 16 MHz正弦波信号;KSS晶振(封装 SMD8)正常工作时电流为 5.00 mA左右,输出频率为 20 MHz的正弦波信号.应变仪校准结果为每 500 mV对应着 2 000个微应变,触发电平设置为 220 mV.采用存储示波器记录信号,它的 X轴每一格为 10μs,Y轴的每一格对应 500 mV,采样频率为每秒钟采样 25×106个点.

试验前用示波器检测晶振在各个频率下的输出(如图4所示),以保证晶振功能正常.在具体试验时,将高压室的气体压力控制在 0.25 MPa左右,而子弹分别放置在枪管底部、距底部一半管长处、距底部 1/4管长处等 3个位置,从而获得不同的子弹速度去撞击输入杆,在杆的另一端产生不同幅值的冲击加速度,实现对晶振的冲击加载.对每一个晶振按照加速度值从低到高依次进行冲击,然后采用示波器对晶振的输出信号进行检测,直到受冲击的晶振输出不正常为止.

2 实验结果

共对 10个晶振进行了 20次冲击实验,得到 18组有效实验数据.另外 2组是因为应变仪误触发而没有测得应力波形.取 C=5 190 m/s,根据式 (3)可以计算出芯片受到的加速度,所得实验结果如表1所示.其中:裸晶振有 2个,用环氧胶沿不同方向灌封的晶振为 8个.

表1 晶振冲击实验结果统计Tab.1 Result statistics of crystal oscillator′s shock test

从得到的数据分析可知,没有经过环氧树脂灌封的晶振在 19.0×104g以上加速度冲击下无法正常工作;对于经过环氧树脂灌封的晶振,与冲击加速度方向垂直的试样在 19.0×104g以上加速度冲击下无法正常工作;与冲击加速度方向平行的芯片在 36.0×104g以上加速度冲击下无法正常工作.

3 晶振的失效分析

从冲击后检测的情况来看,在高 g值加速度冲击下,晶振的失效模式分为两种:一种是无法加载电流使晶振工作,这是由于引出导线与晶振管脚的焊点脱落造成的;另一种是晶振的输出频率不正常,这从芯片外部无法分析原因,为此将失效后的晶振解剖,观察其内部结构的变化[10-11].

采用研磨法对晶振进行开封,KSS晶振为空封结构,内部结构如图5所示,为一端固定的石英梁,梁的固定端处有一条贯穿性裂纹,图6为其 SEM照片;EXO3晶振为塑封结构,内部结构为一空腔,内有一个两端固定的石英梁(图7),图7中晶振梁一端出现部分断裂.KSS石英晶体梁尺寸为:长l=5 mm,宽 b=2.62 mm,厚 h=0.14 mm,它的两个焊点在同一端;EXO3石英晶体梁尺寸为:长 l=6.28 mm,宽 b=1.84 mm,厚 h=0.16 mm,它的两个焊点在两端.

图5 KSS内部结构Fig.5 Internal structure of KSS

图6 KSS裂纹 SEM照片Fig.6 SEM picture of KSScrack

图7 EXO3内部结构Fig.7 Internal structure of EXO3

因为梁很薄,剪应力的影响较小,主应力与水平正应力方向基本一致,所以可用正应力作为强度控制条件.石英具有很高的机械强度,理论承压能力可达 2 000～ 3 000 MPa,屈服极限应力es=1 000 MPa.当式 (5)成立时,晶振梁失效.

此时,晶振梁能承受的最大加速度为

当晶振与冲击加速度方向平行时,两个晶振可简化为如图10所示的力学模型.KSS结构的最大正应力在固定端

EXO3结构为静不定拉压杆,两个固定端的相对变形为零,解变形协调方程,得到最大应力为

EXO3结构的最大应力只是 KSS最大应力的的一半,所以前者能承受更高的冲击.将式 (8)和 (4)比较,比值 n为

因为 h/l远小于 1,所以晶振与冲击加速度平行放置时的抗冲击性能远高于垂直放置时.在电路结构布置时,应尽量使晶振与冲击加速度平行.

图8 KSS晶振剪力 Q,弯矩 M图Fig.8 Q,M curve of KSS

图9 EXO3晶振剪力 Q,弯矩 M图Fig.9 Q,M curve of EXO3

图10 KSS,EXO3力学模型Fig.10 Model of KSS,EXO3

4 结 论

1)晶振在高 g值加速度冲击下内在的失效机理为:因为晶振内部有可运动的微梁,当在高 g值加速度冲击下时微梁可能发生断裂,这将导致晶振的功能失效;而集成电路部分几乎没有损伤,这是因为封装材料的波阻抗一般远小于 Hopkinson杆,大部分应力波发射,从而保护了内部的集成电路.

2)对同一个冲击方向(沿垂直方向冲击),经过环氧树脂灌封的芯片抗冲击能力并没有明显高于未灌封的芯片,这可能是由于电路板上焊点、导线断开造成的.此外,晶振的抗冲击能力还与冲击加速度的方向有关,与冲击加速度方向平行的晶振的抗冲击性能要明显高于与冲击加速度方向垂直的晶振.

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