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在前文《真空共晶炉/真空回流炉——晶振焊接》中我们提到,晶振作为电子设备的核心元件,相当于电路的“心脏”,为系统提供基本的频率信号。由于其广泛的应用程度,为了能够更好的保证电路的正常运行,其稳定性与可靠性至关重要。本文将粗略地介绍晶振损坏时的一些特征现象,以及晶振失效的原因和对应的解决办法。
在晶振的制作的完整过程中,假如慢慢的出现了压封不良的情况,或是在焊接时剪脚而产生了机械应力,晶振的气密性会被影响。此外在晶片镀电极时,空气中的尘埃颗粒可能会附着在电极上面,或是金渣银渣残留,都可能会引起晶振不起振。而在运输和使用的过程中,跌落、撞击等因素,也会造成晶振内部水晶片损坏,因此导致晶振无法正常工作。除了晶振本身的质量上的问题,还存在晶振参数与电路参数不匹配的情况,如系统要求精度20ppm(part per million百万分之几,即:每一百万个时钟周期计算,会产生多少个时钟偏移量),而使用的晶振参数只有70ppm;再或者匹配电容要求13PF(Power Factor:功率因数),而选择的电容只有7PF等,这一些都会引起工作电路不稳定。
解决方法:晶振本身质量不良,要换掉好的晶振。另外需要在制作、运输、使用的过程中规划操作,防止操作失误导致晶振出现损坏。如果晶振参数与电路参数不匹配,则需要咨询专业的晶振供应商,根据正确的电容匹配值更换晶振或是外挂电容。
(2)负性阻抗的大小会对晶振是否起振产生一定的影响。无论过大或是过小均可能会引起晶振不起振。
解决方法:通过调整晶振外接电容Cd和Cg(分别接在晶振两个脚上和对地的电容)的值来调节负性阻抗,通常负性阻抗至少为晶振标称的最大阻抗的3~5倍。当负性阻抗过大时,减小电容值;当负性阻抗过小时,增大电容值。
解决方法:通过调整电路中的Rd值(二极管交流电阻)来调节对晶振输出的激励电平。通常情况下,激励电平越小越好,越小的激励电平有助于降低功耗,维持振荡电路的稳定性,延迟晶振的使用寿命。
如果某晶振使用的是熔点为178℃的焊锡,则当焊接时晶振内部超过150℃后,晶振的特性可能就会恶化,甚至导致不起振,因此就需要根据晶振匹配的焊锡熔点选择正真适合的焊接温度。焊接引脚时,对于280℃的焊接温度需控制在5s以内,260℃的焊接温度需控制在10s以内,同时必须要格外注意不要直接在引脚的根部进行焊接,也会导致晶振的特性恶化或者不起振。
晶振的储存环境很重要,需在常温、常湿的环境下保存,避免受潮。否则也许会出现引脚氧化现象,造成晶振虚焊或者引脚不吃锡。
除上述的原因会造成晶振失效外,此外还应注意一些事项,来提升晶振的稳定性:
(2)晶振电路的走线需要短而直,并靠近微控制单元,以此来降低杂散电容对晶振的影响。
(3)如果PCB板较大,晶振尽可能放置在边缘位置,以减少受到PCB板变形产生机械张力的影响;如果PCB板较小,晶振尽可能放置在中心位置,以减少分板时产生的机械张力对晶振的影响。
(4)尽量不使用超声波对带有晶振的电路板进行清理洗涤,防止共振造成晶振损坏。
了解晶振失效的原因,并提前做好预防,可以最大限度减少晶振失效的风险,确保电子设备的稳定运行。对于上述可能造成晶振失效的原因中的第3个,我司自主研发的真空回流焊/真空共晶炉可以完美解决,得益于优化的采用阵列、接触式的加热平台,加热面温差小,不会造成局部的温度突变,温控精度<±1℃,温控重复精度<±0.5℃,对于对焊接温度要求极高的晶振来说至关重要。