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幾ppm的正頻率偏移,隨時間常數衰減幾天.這種影響通常沒有在數據表中描述或說明.然而,對于用戶來說,這是非常重要的,特別是對于具有嚴格溫度容限的振蕩器,例如TCXOs和即將到來的SMTOCXOs.

MIL-PRF-55310區分了"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循環時,F對T特性(OCXO)的不可重復性,而滯后(TCXO晶振)是溫度循環期間F對T特性不可重復性的最大值.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象和理論進行了廣泛的回顧.

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.

最高溫度應力發生在液相線時間,在215°C或以上,在10秒到40秒之間

可以產生它的機制被提到是"電極中的應力消除,以及石英晶體諧振器外殼中的污染轉移”

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,其中不同的工藝參數不同.它們經受了如圖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%.一個顯著的結果是,在批次A2,F1和F2中觀察到了最低的回流滯后效應,其中晶體在密封之前經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,將基模38.88MHzAT切割晶體并入HC-52外殼中的125個TCXOs進行模擬回流焊接工藝.在總共50天內觀察到輸出頻率.圖3顯示回流滯后響應的平均值和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

該實驗顯示了重復回流焊接過程后的回流滯后現象.25塊TCXO中使用的石英晶振是19,44MHzAT基波

HC-52/U超薄生產線模式.第二次回流焊在第一次回流焊后38天進行,并在7天內測量.

圖4示出回流滯后響應的平均值和1σ極限.滯后效應非常強:

(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.平均響應被擬合成指數函數,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.然而對數曲線擬合(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b可以被視為"逆時間常數".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.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如圖5所示.第22天和第24天之間的不規則性顯然與環境溫度變化導致的測量不準確有關.所有6個振蕩器響應的平均曲線由第2.3條中描述的指數和對數函數擬合(見圖5中的虛線).雖然指數衰減函數顯示的曲率太小,無法跟隨滯后初始階段的陡度,但對數曲線與實驗值相當平滑地匹配.

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,平均值響應按照上述指數和對數函數進行曲線擬合.指數函數再次顯示出擬合不足,因為它的曲率太"平",而對數函數很好地描述了滯后響應.

表2總結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OCXO預熱特性和滯后的疊加.如果我們假設回流焊后的預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中減去第一次預熱的響應.然后,我們得到回流滯后的大致凈效應,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老化工藝制造的,其次是因為振蕩器單元的熱質量更高.

另一方面,該實驗證明,預熱特性和回流滯后正好相互補償,這導致了兩個過程具有相同的物理起源的假設.

圖8:減去預熱后,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

預熱行為與實驗室環境中的射頻噪聲和無意關機引起的不規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100ppb.

這種頻率偏移在一到四周內緩慢下降,可以用對數函數來描述

與回流焊接溫度應力相關的滯后效應的潛在原因可能與幾個機制有關,正如約翰·維格的《[教程2》中總結的那樣:

(1)熱膨脹系數差異引起的石英板上的應力,夾具成形,焊接,密封引起的殘余應力,電極中的內應力,粘結應力,切割,研磨,拋光引起的表面損傷,石英材料中的應力等.

(2)由于污染,殘留水分,除氣,擴散,化學反應等引起的傳質.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在于晶振生產技術,但還需要做更多的工作來確定各種其他效應的影響,如石英材料固有的效應,芯片電容器,電感器和熱敏電阻等振蕩器電路元件的影響.

關于事實,那就是觀察到幾天到幾周的長時間常數,這更可能與傳質和擴散過程等有關.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,對數函數比指數衰減函數更好地描述了這種滯后效應,滯后具有與OCXOs的預熱特性相同的形狀,但符號相反我們有充分的理由假設,觀察到的回流滯后效應主要與導致頻率老化的相同機制有關,即水分的質量轉移,擴散等..

在現代設備生產線上,p-c-板通常在焊接過程后的短時間內最終被調整和調整.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頻率偏移,振蕩器似乎已經老化,但這是由于回流焊工藝的熱應力引起的滯后效應.

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