我們都清楚的了解電子元件是當代基本且重要的東西,沒有它的存在則不會有現如今遍布在周邊的電子產品,智能產品等所有給我們生活帶去更多便利I的東西.猶如我們的晶振產品,更是無處不在,在每個電子產品發揮著強大的功能.有的人會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估
電子元器件制造商在成本考慮下往往不會對產品進行長時間的常溫測試來確保產品的使用年限,因此電子元器件一般皆通過可靠性加速試驗[1,2,3]來對產品的有效壽命進行預估并保證,此間最廣泛應用于預估被動式元器件的等效年限公式,乃依據阿瑞尼斯
(Arrhenius)研究材料間交互擴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(Boltzmann’sconstant),Ta(°K)為加速環境溫度,Tu(°K)為常溫工作溫度,Ea為活化能.宏觀石英晶振的可靠性測試條件不外乎為125℃,105℃,85℃三個溫度,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鍵參數,因此本文提供兩種有效的活化能評估手法來求得晶體諧振器的活化能, 表1為當加速溫度為125℃時, 試算 Ea 值由 0.7(eV) 變化至 0.3(eV)對 AFT與產品等效壽命評估的影響度.
表1. 產品活化能(Ea)對溫度加速因子的影響
根據可靠性對 AFT 的定義, 當其值為 18.83 時即表示該產品于加速環境 125℃@1單位時間等效于25℃@18.83 單位時間, 由此可清楚得知貼片晶振活化能(Ea)的真值對產品壽命評估有著極大的影響性, 亦是臺晶(寧波)電子身為晶振制造商不得不面對與必須研究議題.
2. 動態老化實驗求取產品活化能(Ea)
1990 年后隨著電子元器件的蓬勃發展與應用, 相信晶體諧振器制造商皆有其可靠性預計模型與理論, 但基于晶振產業的特殊性, 其不同于電阻與電容的活化能已公定為標準值且可藉由互聯網查找, 迫使探討晶體諧振器活化能的文獻不得不追溯早先學者們的研究成果[4, 5].動態老化(Dynamic Aging)為晶體諧振器在高溫作用下亦透過 RLC 振蕩回路設計使得外加電流得以對器件產生連續工作, 老化頻率的偏移可透過公式(2)表達為電流, 溫度, 時間的關系式[6]
由于影響電流的機制受到 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 R(i)忽略不計的前提下, 公式(2)可簡化表達為公式(3) [7]
當中
若不考慮時間的影響公式(3)可表達如公式(4)所示, 即頻率偏移與溫度作用的關
系式為
2.1. 老化實驗設計
本文透過 QASH-1000 動態老化設備對 5.0mm×3.2mm 金屬焊封石英晶體諧振器, 取樣 60 產品進行125℃, 105℃, 85℃長達 1000hrs(約42天)的頻率實測,
結果如圖1所示
圖1. 5.0mm×3.2mm金屬焊封晶體諧振器老化 1000 hrs 頻偏
本文特別選取對產品可靠性較具代表性的時間點 168hrs(7天), 336hrs(14天), 504hrs(21天),744hrs(31天), 1000hrs(約42天)進行活化能討論, 并透過公式(4)對圖1于125℃,105℃, 85℃的實測頻偏取對數作為 y 軸, 溫度取倒數作為 x 軸, 即可透過線性關系求得斜率與 Ea.不同老化作用時間下的 Ea值如圖3 所示, 可明顯看出Ea 值會隨著長時間老化的作用呈現遞減趨勢,隨者Ea值由 0.578eV到0.200eV的大幅變化, 產品在表 2 的等效壽命估算下有著截然不同的 AFT 表現
圖3.不同老化作用時間的產品活化能
表2.產品 85℃下溫度加速因子的等效壽命估算
該篇文章透過長時間(long-term)的可靠性老化(OperationLife)與高溫儲存(HighTemperStorage)定義出影響晶體諧振器(QuartzResonator)活化能(Ea)的機制與模型,進而可預估熱或電壓加速環境作用下對產品壽命的影響.此預估模型僅針對5.0*3.2mm貼片晶振,并指出在純粹僅有熱加速因子的高溫儲存相對起同時有熱與電壓的可靠性老化有著較高的活化能;在熱與電壓兩項加速因子影響下,活化能會隨著長時間老化的作用呈現遞減的趨勢,進而大幅增加產品壽命預測的不合理性.現有臺晶(寧波)電子5.0mm×3.2mm貼片金屬面晶振焊封晶體諧振器的 Ea值經回歸驗證分析后確認為0.578eV,通過阿倫尼斯(Arrhenius)加速壽命理論,可預測并保證經過可靠性老化85℃@168hrs(7天)的產品等效該產品于25℃連續工作7389hrs(0.83年)不失效的晶振.
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