石英晶体元件的潜在失效模式和效因分析——FMEA
石英晶体元件在生产中经常发生这样或那样的质量问
题
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,一般的失效模式有室温调整频差大;温度频差超差;谐振电阻大及其变化大;频率和谐振电阻不稳;停振;并电容大;动态电容达不到要求;密封性差;绝缘电阻小;抗振动、冲击强度低;有寄生响应和频率温度特性曲线不平滑;DLD不合格;年老化率大等问题。现给予分析:
一、 等效电阻大与不稳定
等效电阻的定性
公式
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是:
(1)
上式表明等效电阻与石英晶体的密度ρ、内摩擦系数F、石英片的厚度t及泛音次数n的平方成正比,与压电常数ε的平方及电极面积Se成反比。具体地讲与下述因素有关:
1.与人造水晶原料的质量有关
人造水晶的杂质少,位错少,腐蚀隧道密度少,生长速率小(≤0.4mm/天),且使用Z区的料,则Q值高,谐振电阻小,特别要注意人造水晶含铝杂质多而使S区加大,从而使S区进入石英片且进入电极区,使石英片电阻增加。
2.与石英片的表面质量有关
石英片表面有破边、破角、砂坑、砂痕,表面光洁度差造成石英表面应力大,且在石英片振动时,使摩擦损耗增加,导致谐振电阻增加。
(1)在粗、中、细磨和抛光时砂号不能混,选择砂号正确,每道加工工序完成后,应彻底清洗,不允许把残砂流到下工序。
(2)要正确确定各道工序的加工余量,保证后道工序加工时,把前道工序加工造成的破坏层磨掉。
(3)对小直径石英片不仅大平面的光洁度要高,同时厚度面的光洁度也要高,它不仅能降低谐振电阻,且对DLD合格率的提高有好处。
(4)各研磨工序应注意所用砂子只能用3~5次,否则换砂时间愈长,石英片表面平面度愈差,且离散性大。因此要注意砂子的使用,不能循环使用,在第一次砂液用完后,再使用第二次……等等。
(5)低频滚倒的石英片应使平面与滚倒的斜面的光洁度一样,这就需要在滚倒时在离开滚倒要求频率约30~50KHz时,进行校频,校频所用砂子要变细,这要求其破坏层与平面相近就可以。
3.与石英片外形尺寸有关
(1)对圆片、石英片的直径大,电阻就小,直径的选择很重要,对AT切它必须避开xy′弯曲振动,y′面切变振动,xy′伸缩振动耦合的影响,对BT切它必须避开xy′弯曲振动和y′长度与宽度面切变振动耦合的影响。
(2)对矩形片,要严格核算石英片长度与宽度,必须避开各种寄生振动的耦合影响,并采取相应的措施。
(3)无论是圆片还是矩形片,滚筒倒边后的平台尺寸与留边量t0严重影响谐振电阻,当平台直径φ2↑Rr↑,t0↑Rr↑
↑Rr↑,当平台尺寸不对称时, Rr很大,所以一是要
设计
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好滚倒后尺寸,二是要控制好滚倒的工艺条件,即滚筒内径、滚筒转速、片砂比、装满度及球砂比等,同时滚筒必须接地,防止静电吸附。
4.与石英片表面沾污有关
(1)在操作时直接触摸石英片,手指套不洁,未戴口罩,唾沫易溅到石英片上。
(2)清洗时未洗净残留的酸液,清洗的容器不干净。
(3)烤胶时设备通风不良,挥发物不易排出而污染振子,所有的烤箱不清洁,未定时清洗。
(4)被银、微调时所用工具、夹具、掩具未经常清洗,真空系统返油、离子轰击时失灵造成油污沾染振子。
(5)银丝、钼舟未清洗干净,未预烧,真空镀膜机中钼舟上部无挡板,从而沾污振子。
5.腐蚀不匀
(1)石英片清洗不干净。
(2)腐蚀时石英片数量过多,且腐蚀时石英片在溶液中未分开,石英片运动轨迹不合适,腐蚀液未及时更换,太脏,造成石英片有花印等。
6.石英片的平面度及平面平行度差
(1)粗、中、细磨的研盘平面度差,研盘的重量不合适。
(2)未及时换砂,砂液比例失调。
(3)多刀切割时压力过大,刀条张力小,升降台晃量太大,切割线速度太高,平行导轨磨损太大。
7.装架的影响
(1)支架:带支架片的基座组脏,未经过清洗;支架片的缝宽、缝长及缝心距不符合要求,且其缝的中心线不在一条直线上,造成石英片上架后有扭力;或选择支架不当,使石英片碰支杆和基座平台。
(2)导电胶:导电胶选择不当,如国产导电胶电阻大,温度多次变化,胶易龟裂;导电胶存放环境条件及调胶
方法
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存在问题,造成吸潮及气泡。胶点的大小,胶的粘稠度及烤胶的过程(升温→保温→降温)与通风条件都影响谐振电阻,调胶时尽量不加稀释剂,如胶太稠可加少量的专用稀释剂。
(3)烤胶后的清洗:烤胶后未经无水乙醇超声清洗造成电阻不稳。
8.电极
(1)电极直径大,谐振电阻小,但太大,易激励起寄生频率。
(2)电极金属的厚度:电极金属的厚度太薄、太厚,电阻大,当τe=800
时,产品Q值最高。
9.封装的气氛
(1)外盒中N2的露点太高(即含水量大)在低温段易造成频率下降,谐振电阻增加。
(2)外盒经抽真空后谐振电阻减小,主要是减少石英片在振动时的摩擦损耗(其真空度应达到10-3乇)。
10.石英片在加工过程中由于温度剧烈变化,造成双晶及银层不牢或断裂等使Rr增加。
二、停振
1.银层断裂:在温度剧烈变化时,由于银层与石英片膨胀系数不一样,而使银电极引出部分断裂,一般易出现问题的工序如下:
(1)被银:被完银后立即放气,易造成银层剧烈收缩而断裂;银层退火处理未按程序升温、降温。
(2)烤胶:未随箱升温和降温。
(3)预老化:未按程序升、降温。
2.碰外壳:由于支架歪斜,造成支架与外壳短路。
3.UM-5石英片未倒双缺口,造成振子上架后,振子碰引线支杆端部和基板平台。
4.导电胶:使用不当时间过长失效,稀释剂太多,导电胶太稀,或漏点,或洇胶,烤胶后急冷,易把电极引出极拉断。
5.封口时N2含水量大,造成在零度附近结冰而出现死点。
6.石英片碎裂:由于石英片四周有裂缝,或倒缺口后直线与曲线连接处应力集中,造成冲击时石英片碎,研磨时砂、水比例不当造成石英片内有裂缝,易停振。
7.当双晶在电极区易停振。
三、引线、外壳生锈变色、起皮、有水印
1.制造厂表面镀复质量差,镀层太薄,针孔多,镀层太厚或镀前处理不好,或底层镀层不牢易起皮,脱水处理液太脏,未清洗干净造成水印等,镀液太脏或成份配比失调等易起皮或有气泡。
2.在生产过程中被操作者沾染,出现手印等。
3.放在脏的酒精中脱水或存放时间过长。
四、频率超差
1.微调留量不合适; 2.负载电容调得不准;
3.测试仪器不稳; 4.测试温度不
标准
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;
5.标准校对受温度影响不准; 6.标晶的频率变化了;
7.激励功率设定是否过大; 8.盒内脏,振子受污染;
9.石英片对地电容不对称(支架歪),造成正反向频率不一致;
10.各工序未老化或老化不足,有关工序清洗不够或没有;
11.底座大面与凸筋的平面平行度>0.02mm;
12.真空系统返油,真空室内脏。
五、印字不牢
1.外壳较脏,未清洗干净; 2.镀层光洁度太高;
3.烘烤温度低,时间短; 4.印油过期。
六、银层有花印、变色、有针孔等
1.腐蚀后清洗不干净,去离子水的电阻率低;2.未戴口罩;
3.腐蚀前清洗不干净,造成腐蚀不匀; 4.真空室太脏,不注意工艺卫生;
5.真空系统返油,室内有油雾; 6.钼舟、银丝未清洁干净;
7.直接触摸石英片或工具太脏,未戴手指套,上夹具时工作台银屑太多而脏;
8.真空度低,放气前停留时间太短或没有;
9.微调机在换位时有慢漏气; 10.室内相对湿度高于50%,银层易发白。
七、并电容C0超差
1.电极尺寸太大或太小; 2.电极面积不重合,被银夹具位偏;
3.装架时支架歪造成C0正反向不一致。
八、动态电容C1超差
1.电极尺寸太大或太小; 2.电极面积不重合,被银夹具位偏;
3.银层厚度太厚或太薄,在+800~+1000ppm以外;
4.被银前石英片频率分组组距不合适,大于300ppm/组;
5.被银后石英振子频率误差太大,在
ppm以外;
6.电极引出方向不合适; 7.未采用椭圆电极。
九、密封性差,原因复杂,但主要有:
1.电阻焊时放电电压低,凸筋和基座大面平面平行度>0.02mm,镀层电阻率小或电阻率不一致,压封模平行度>0.02mm;压封时压力(第一次加压与第二次加压)和时间设置得不合理,压封时上模下降速度太快,放电电路的铝电解电容器内阻太大或变化大(未按规定赋能),压封处污染有油污等。
2. 玻璃粉绝缘子、基座、引线封接不良
(1)可伐材料不过关,在加工过程中金属晶粒变粗,引起晶界腐蚀而造成慢漏气;
(2)可伐丝材在拔丝过程中有收缩裂缝,或有麻花状扭曲变形而造成慢漏气;
(3)可伐丝或基板光洁度差,表面处理不好,烧氢的条件不佳(去气、退火、还原),预氧化工艺条件差,造成慢漏气;
(4)可伐材料与玻璃绝缘子的膨胀系数不匹配;
(5)烧结时,温度过低、过高、时间过短、过长、氮气流量过大或过小,氮气含水量过大,都能造成慢漏气;
(6)玻璃粉毛坯在吸腊、排腊、预烧过程中条件不合适,造成气泡等疵病而引起慢漏气;
(7)玻璃粉绝缘子炸裂而引起。
十、绝缘电阻小
1.玻璃绝缘子表面脏,或有微裂,表面处理时选择酸洗液不当,造成表面腐蚀;
2.在烧结过程中的气氛是还原气氛,使玻璃中的金属氧化物还原成金属网布满绝缘子,而使表面电阻和体电阻下降;
3. 支架与外壳接触而短路;
4. 石英片电极间有导电桥或表面脏;
5. 外盒漏气进入潮气。
十一、抗振动、冲击、跌落能力差
1.选择支架不当,应根据产品要求分别选择弹簧圈支架、支架片支架(分体与整体的);
2.设计产品的机械谐振频率应在10~3000Hz范围以外,防止共振;
3.使用导电胶注意不要过期,严格贮存条件,点胶量及位置要适宜,固化条件要严格控制,导电胶的型号要正确选择;
4.上架时支架必须不歪斜、不扭、预应力要小;
5.支架必须清洗干净,使胶粘牢;
6.对高频薄片要求石英片四周光洁度达W5砂子研磨的光洁度,无破边、无裂缝,倒缺口的石英片直线与圆弧连接处要有R0.5的圆角。
十二、寄生响应差
1.石英片外形尺寸未设计好
(1)对圆片:选择直径时未避开xy′弯曲振动、y′面切变振动、xy′伸缩振动的耦合;
(2)对矩形片选择长度和宽度时未避开各种振动的耦合。
2.修外形尺寸未设计好,如平台尺寸、留边量、曲率半径,使寄生抑制受到限制。
3.平倒片的斜面连接不圆滑,使f-T特性在高温端跳点。
4.石英片平面度与平面平行度太差(要求△h≤0.53/
(mm))。