在用戶的p-c板上回流焊接后,表面貼裝石英晶體振蕩器顯示出高達(dá)幾ppm的正頻率偏移,隨時間常數(shù)衰減幾天.這種影響通常沒有在數(shù)據(jù)表中描述或說明.然而,對于用戶來說,這是非常重要的,特別是對于具有嚴(yán)格溫度容限的振蕩器,例如TCXOs和即將到來的SMTOCXOs.
MIL-PRF-55310區(qū)分了"熱滯后"和"回掃".回掃是在固定溫度下,振蕩器在特定條件下開關(guān)循環(huán)時,F對T特性(OCXO)的不可重復(fù)性,而滯后(TCXO晶振)是溫度循環(huán)期間F對T特性不可重復(fù)性的最大值.然而,這種影響的時間依賴性沒有被考慮.[的庫什斯特和維格對熱滯后現(xiàn)象和理論進(jìn)行了廣泛的回顧.
本文中定義的回流滯后是由單個(或多個)溫度峰值引起的,其影響被描述為幾天時間內(nèi)的頻率偏移.紅外和對流回流焊接工藝的典型溫度分布如圖1所示.
最高溫度應(yīng)力發(fā)生在液相線時間,在215°C或以上,在10秒到40秒之間
可以產(chǎn)生它的機制被提到是"電極中的應(yīng)力消除,以及石英晶體諧振器外殼中的污染轉(zhuǎn)移”
圖1 :回流焊接工藝的典型溫度分布
2.1石英晶體單元
一套大約.在HC-49/U中,300個基模AT切割晶體以32.768K的速度在坯料直徑為8.0mm的13個不同批次中生產(chǎn),其中不同的工藝參數(shù)不同.它們經(jīng)受了如圖1所示的回流焊接溫度曲線.在焊接后4小時,24小時和40天測量共振頻率.13批中每批的頻率偏差的每批平均值顯示在表1中,并在圖2中以圖形方式顯示.這些值是指40天后觀察到的頻率.
表1:回流焊接后32.768MHz晶體的頻率偏差
圖2:回流焊接后32.768MHzAT資金晶振的頻率偏差一天后的平均回流滯后是4小時后觀察到的頻率偏移的71%.一個顯著的結(jié)果是,在批次A2,F1和F2中觀察到了最低的回流滯后效應(yīng),其中晶體在密封之前經(jīng)歷了延長的烘烤程序.
2.2 TCXO38.88兆赫
采用模擬間接補償技術(shù),將基模38.88MHzAT切割晶體并入HC-52外殼中的125個TCXOs進(jìn)行模擬回流焊接工藝.在總共50天內(nèi)觀察到輸出頻率.圖3顯示回流滯后響應(yīng)的平均值和1σ極限.48小時后,平均頻率偏差為(1.1±0.22)ppm,大約30天后頻率穩(wěn)定.
圖3:回流焊接2.3TCXO19.44MHz后,38.88MHzTCXOs的頻率偏差
該實驗顯示了重復(fù)回流焊接過程后的回流滯后現(xiàn)象.25塊TCXO中使用的石英晶振是19,44MHzAT基波
HC-52/U超薄生產(chǎn)線模式.第二次回流焊在第一次回流焊后38天進(jìn)行,并在7天內(nèi)測量.
圖4示出回流滯后響應(yīng)的平均值和1σ極限.滯后效應(yīng)非常強:
(7,9,±2.6)ppm,1小時后
(5,4±1.7)ppm,24小時后
并在一天后衰減至初始值的69%,1小時后衰減.平均響應(yīng)被擬合成指數(shù)函數(shù),在圖4中以虛線示出.
匹配很差,因為它的曲率不能跟隨陡峭的響應(yīng).然而對數(shù)曲線擬合(見圖4中的虛線)
顯示出極好的擬合.方程(2)中具有(時間)維度的參數(shù)b可以被視為"逆時間常數(shù)".在這種情況下,1/b的值等于0.28天.
圖4:在第二次回流焊接2.4TCXO40,96MHz之后,19.44MHzTCXOs的頻率偏差
HC-52/U細(xì)線中使用40,96MHzAT基本晶體的六個有源晶振振蕩器被回流焊接,在42天的觀察時間后,回流焊接過程被重復(fù).比較第一和第二處理的回流滯后.
第一次焊接后的滯后效應(yīng)如圖5所示.第22天和第24天之間的不規(guī)則性顯然與環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確有關(guān).所有6個振蕩器響應(yīng)的平均曲線由第2.3條中描述的指數(shù)和對數(shù)函數(shù)擬合(見圖5中的虛線).雖然指數(shù)衰減函數(shù)顯示的曲率太小,無法跟隨滯后初始階段的陡度,但對數(shù)曲線與實驗值相當(dāng)平滑地匹配.
圖5:第一次回流焊接后40,96MHzTCXOs的頻率偏差在圖6中,第一次焊接后42天,由于第二次回流焊接造成的回流滯后被描繪為持續(xù)30天.
圖6:第二次回流焊接后40,96MHzTCXOs的頻率偏差.這里,平均值響應(yīng)按照上述指數(shù)和對數(shù)函數(shù)進(jìn)行曲線擬合.指數(shù)函數(shù)再次顯示出擬合不足,因為它的曲率太"平",而對數(shù)函數(shù)很好地描述了滯后響應(yīng).
表2總結(jié)了兩種滯后特性的比較.
表2:40,96MHzTCXO晶振的第一和第二回流滯后的比較
第二溫度應(yīng)力對頻率偏移的影響減少了大約30%到40%,而滯后衰減比第一應(yīng)力慢了大約兩倍.
2.5 OCXO26MHz,帶AT第三泛音晶體
OCXOs通常具有比TCXOs更高的熱質(zhì)量,因此諧振器在回流焊接期間不會被加熱到這種程度.這里測試的模型沒有傳統(tǒng)OCXOs中的金屬加熱塊,而是使用了
直接加熱的陶瓷基板,其上安裝有振蕩器電路和HC-26/U晶體.
回流焊接之前,振蕩器通電24小時以保持穩(wěn)定.回流焊接后,在測量開始前,等待一小時冷卻.頻率隨時間的變化每兩分鐘記錄一次.兩個周期的頻移在圖7中給出
圖7:回流焊接前后26MHzAT3晶體OCXO的頻移
乍一看,似乎沒有滯后的跡象.然而,必須注意的是,回流焊接后觀察到的頻移是常規(guī)OCXO預(yù)熱特性和滯后的疊加.如果我們假設(shè)回流焊后的預(yù)熱特性與回流焊前大致相同,我們可以從回流焊后測量的頻率響應(yīng)中減去第一次預(yù)熱的響應(yīng).然后,我們得到回流滯后的大致凈效應(yīng),如圖8所示.可以看出,滯后明顯小于用TCXO觀察到的滯后,這是因為OCXO晶體是用更長的烘烤和預(yù)老化工藝制造的,其次是因為振蕩器單元的熱質(zhì)量更高.
另一方面,該實驗證明,預(yù)熱特性和回流滯后正好相互補償,這導(dǎo)致了兩個過程具有相同的物理起源的假設(shè).
圖8:減去預(yù)熱后,含26MHzAT3晶體的OCXO的凈回流滯后
2.6 OCXO26MHz,帶SC3泛音晶體
該振蕩器還通過陶瓷襯底直接加熱壓電石英晶體和振蕩器電路,但是,由于HC-37/U尺寸的晶體單元,它比第2.5條中描述的OCXO體積更大.實驗以與上述相同的順序進(jìn)行,整體頻移如圖9所示.
圖9:回流焊接前后26MHzSC3晶體OCXO的頻移
預(yù)熱行為與實驗室環(huán)境中的射頻噪聲和無意關(guān)機引起的不規(guī)則性相比沒有顯著差異.因此,這些SC切割晶體的回流滯后是可以忽略的.該OCXO晶振中使用的晶體是用與AT切割26MHz不同的工藝生產(chǎn)的,在AT切割中使用了更高的烘烤溫度.
3.回流滯后的原因
觀察到的回流滯后效應(yīng)顯示,對于TCXOs,正頻率偏移為+2ppm至+8ppm,對于(AT-)OCXOs,正頻率偏移高達(dá)100ppb.
這種頻率偏移在一到四周內(nèi)緩慢下降,可以用對數(shù)函數(shù)來描述
與回流焊接溫度應(yīng)力相關(guān)的滯后效應(yīng)的潛在原因可能與幾個機制有關(guān),正如約翰·維格的《[教程2》中總結(jié)的那樣:
(1)熱膨脹系數(shù)差異引起的石英板上的應(yīng)力,夾具成形,焊接,密封引起的殘余應(yīng)力,電極中的內(nèi)應(yīng)力,粘結(jié)應(yīng)力,切割,研磨,拋光引起的表面損傷,石英材料中的應(yīng)力等.
(2)由于污染,殘留水分,除氣,擴(kuò)散,化學(xué)反應(yīng)等引起的傳質(zhì).因為它們是老化機制的典型代表.
雖然降低回流滯后的主要挑戰(zhàn)在于晶振生產(chǎn)技術(shù),但還需要做更多的工作來確定各種其他效應(yīng)的影響,如石英材料固有的效應(yīng),芯片電容器,電感器和熱敏電阻等振蕩器電路元件的影響.
關(guān)于事實,那就是觀察到幾天到幾周的長時間常數(shù),這更可能與傳質(zhì)和擴(kuò)散過程等有關(guān).與消除壓力相比,在密封石英晶體單元之前的延長烘烤過程減少了回流滯后,第二回流焊接工藝之后的滯后小于第一回流焊接工藝之后的滯后,對數(shù)函數(shù)比指數(shù)衰減函數(shù)更好地描述了這種滯后效應(yīng),滯后具有與OCXOs的預(yù)熱特性相同的形狀,但符號相反我們有充分的理由假設(shè),觀察到的回流滯后效應(yīng)主要與導(dǎo)致頻率老化的相同機制有關(guān),即水分的質(zhì)量轉(zhuǎn)移,擴(kuò)散等..
在現(xiàn)代設(shè)備生產(chǎn)線上,p-c-板通常在焊接過程后的短時間內(nèi)最終被調(diào)整和調(diào)整.如果電路板包含SMT貼片晶振晶體振蕩器,大約一周后可以觀察到強烈的負(fù)頻率偏移,振蕩器似乎已經(jīng)老化,但這是由于回流焊工藝的熱應(yīng)力引起的滯后效應(yīng).
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