我們都清楚的了解電子元件是當(dāng)代基本且重要的東西,沒有它的存在則不會(huì)有現(xiàn)如今遍布在周邊的電子產(chǎn)品,智能產(chǎn)品等所有給我們生活帶去更多便利I的東西.猶如我們的晶振產(chǎn)品,更是無處不在,在每個(gè)電子產(chǎn)品發(fā)揮著強(qiáng)大的功能.有的人會(huì)問晶振的壽命有多長等一系列問題,該篇文章康比電子一次性告訴大家.

1.可靠性溫度加速因子與等效壽命預(yù)估

電子元器件制造商在成本考慮下往往不會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行長時(shí)間的常溫測(cè)試來確保產(chǎn)品的使用年限,因此電子元器件一般皆通過可靠性加速試驗(yàn)[1,2,3]來對(duì)產(chǎn)品的有效壽命進(jìn)行預(yù)估并保證,此間最廣泛應(yīng)用于預(yù)估被動(dòng)式元器件的等效年限公式,乃依據(jù)阿瑞尼斯

(Arrhenius)研究材料間交互擴(kuò)散行為所提出的溫度加速因子(TemperatureAccelerationFactor,AFT)為圭臬,如公式(1)所示.其中AFT為溫度加速因子,KB=8.616×10-5(eV/°K)為波茲曼常數(shù)(Boltzmann’sconstant),Ta(°K)為加速環(huán)境溫度,Tu(°K)為常溫工作溫度,Ea為活化能.宏觀晶體諧振器的可靠性測(cè)試條件不外乎為125℃,105℃,85℃三個(gè)溫度,由公式(1)可明顯得知晶體諧振器的Ea值才是決定其等效壽命的關(guān)鍵參數(shù),因此本文提供兩種有效的活化能評(píng)估手法來求得晶體諧振器的活化能, 表 1 為當(dāng)加速溫度為125℃時(shí), 試算 Ea 值由 0.7(eV) 變化至 0.3(eV)對(duì) AFT與產(chǎn)品等效壽命評(píng)估的影響度.

表 1. 產(chǎn)品活化能(Ea)對(duì)溫度加速因子的影響

根據(jù)可靠性對(duì) AFT 的定義, 當(dāng)其值為 18.83 時(shí)即表示該產(chǎn)品于加速環(huán)境 125℃@ 1單位時(shí)間等效于25℃@ 18.83 單位時(shí)間, 由此可清楚得知晶體諧振器活化能(Ea)的真值對(duì)產(chǎn)品壽命評(píng)估有著極大的影響性, 亦是臺(tái)晶(寧波)電子身為晶振制造商不得不面對(duì)與必須研究議題.

2. 動(dòng)態(tài)老化實(shí)驗(yàn)求取產(chǎn)品活化能(Ea)

1990 年后隨著電子元器件的蓬勃發(fā)展與應(yīng)用, 相信晶體諧振器制造商皆有其可靠性預(yù)計(jì)模型與理論, 但基于晶振產(chǎn)業(yè)的特殊性, 其不同于電阻與電容的活化能已公定為標(biāo)準(zhǔn)值且可藉由互聯(lián)網(wǎng)查找, 迫使探討晶體諧振器活化能的文獻(xiàn)不得不追溯早先學(xué)者們的研究成果[4, 5].動(dòng)態(tài)老化(Dynamic Aging)為晶體諧振器在高溫作用下亦透過 RLC 振蕩回路設(shè)計(jì)使得外加電流得以對(duì)器件產(chǎn)生連續(xù)工作, 老化頻率的偏移可透過公式(2)表達(dá)為電流, 溫度, 時(shí)間的關(guān)系式[6]

由于影響電流的機(jī)制受到 RLC 振蕩回路匹配性與 IC集成電路自身老化的影響, 故在假設(shè) R(i)忽略不計(jì)的前提下, 公式(2)可簡化表達(dá)為公式(3) [7]

當(dāng)中若不考慮時(shí)間的影響公式(3)可表達(dá)如公式(4)所示, 即頻率偏移與溫度作用的關(guān)

系式為

2.1. 老化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文透過 QASH-1000 動(dòng)態(tài)老化設(shè)備對(duì) 5.0mm ×3.2mm 金屬焊封晶體諧振器, 取樣 60 產(chǎn)品進(jìn)行125℃, 105℃, 85℃長達(dá) 1000hrs(約 42 天)的頻率實(shí)測(cè),

結(jié)果如圖 1 所示

圖 1. 5.0mm × 3.2mm 金屬焊封晶體諧振器老化 1000 hrs 頻偏

本文特別選取對(duì)產(chǎn)品可靠性較具代表性的時(shí)間點(diǎn) 168hrs(7 天 ), 336hrs(14 天 ), 504hrs(21 天 ),744hrs(31 天), 1000hrs(約 42 天)進(jìn)行活化能討論, 并透過公式(4)對(duì)圖 1 于 125℃, 105℃, 85℃的實(shí)測(cè)頻偏取對(duì)數(shù)作為 y 軸, 溫度取倒數(shù)作為 x 軸, 即可透過線性關(guān)系求得斜率與 Ea .不同老化作用時(shí)間下的 Ea值如圖 3 所示, 可明顯看出 Ea 值會(huì)隨著長時(shí)間老化的作用呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),隨者 Ea 值由 0.578eV 到0.200eV 的大幅變化, 產(chǎn)品在表 2 的等效壽命估算下有著截然不同的 AFT 表現(xiàn)

圖 3. 不同老化作用時(shí)間的產(chǎn)品活化能

表 2. 產(chǎn)品 85℃下溫度加速因子的等效壽命估算

該篇文章透過長時(shí)間(long-term)的可靠性老化(OperationLife)與高溫儲(chǔ)存(HighTemperStorage)定義出影響晶體諧振器(QuartzResonator)活化能(Ea)的機(jī)制與模型,進(jìn)而可預(yù)估熱或電壓加速環(huán)境作用下對(duì)產(chǎn)品壽命的影響.此預(yù)估模型僅針對(duì)5.0mm×3.2mm的金屬焊封晶體諧振器,并指出在純粹僅有熱加速因子的高溫儲(chǔ)存相對(duì)起同時(shí)有熱與電壓的可靠性老化有著較高的活化能;在熱與電壓兩項(xiàng)加速因子影響下,活化能會(huì)隨著長時(shí)間老化的作用呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì),進(jìn)而大幅增加產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)的不合理性.現(xiàn)有臺(tái)晶(寧波)電子5.0mm×3.2mm金屬焊封晶體諧振器的 Ea值經(jīng)回歸驗(yàn)證分析后確認(rèn)為0.578eV,通過阿倫尼斯(Arrhenius)加速壽命理論,可預(yù)測(cè)并保證經(jīng)過可靠性老化85℃@168hrs(7天)的產(chǎn)品等效該產(chǎn)品于25℃連續(xù)工作7389hrs(0.83年)不失效.

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