貼片振蕩器回流焊后的滯后效應
來源：http://www.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2018年12月25
表面貼裝晶體振蕩器的種類有OSC，TCXO，VCXO，VC-TCXO，VCXO等多種，除了普通的石英晶體振蕩器之外，各大制造商比較重視的是TCXO溫補晶振和OCXO恒溫晶振這兩種。貼片振蕩器和一般的晶體一樣，都要經(jīng)常高溫焊接之后才可以工作，焊接的方式主要有高溫回流焊接，波峰焊和手工焊三種，貼片晶振基本上都是采用高溫回流焊接。
在用戶的p-c板上進行回流焊接后，表面貼裝晶體振蕩器顯示出高達幾ppm的正頻移，其衰減時間常數(shù)為幾天。數(shù)據(jù)表中通常不會描述或指定此效果。然而，對于用戶而言，這是非常重要和重要的，特別是對于具有嚴格溫度容差的振蕩器，例如TCXO和即將推出的SMTOCXO。
在現(xiàn)代設備生產(chǎn)線中，p-c板通常最終在焊接過程后的短時間內(nèi)進行調(diào)整和調(diào)整。如果電路板包含進口晶體振蕩器，在大約一周后可以觀察到強烈的負頻移，振蕩器似乎已經(jīng)老化，但這是由于與回流焊接過程的熱應力相關(guān)的滯后效應。MIL-PRF-55310區(qū)分“熱滯后”和“回掃”。Retrace是f（T）特性（OCXO）的非重復性，在固定溫度下，在特定條件下開關(guān)振蕩器，而滯后（TCXO）是非最大值溫度循環(huán)期間f與T特性的重復性。但是，不考慮這種影響的時間依賴性。J.Kusters和J.Vig在[1]中廣泛地回顧了熱滯現(xiàn)象學和理論。
如本文所定義的回流滯后是由單個（或多個）溫度峰值引起的，并且該效應被描述為在幾天的時間段內(nèi)的頻率偏移。紅外和對流回流焊接工藝的典型溫度曲線如圖1所示。
最高溫度應力是在液相線時間內(nèi)，在215℃或高于215℃時介于10秒和40秒之間?？梢援a(chǎn)生它的機制被稱為“電極中的應力消除和諧振器外殼內(nèi)的污染物傳遞”
圖1：回流焊接工藝的典型溫度曲線
2.1石英晶體單元
使用13個不同的批次生產(chǎn)300個基本模式AT切割晶體，在32.768K，HC-49/U，坯料直徑8.0mm，其中不同的工藝參數(shù)變化。它們經(jīng)受了回流焊接溫度曲線，如圖1所示。在焊接后4小時，24小時和40天測量共振頻率。13個批次中每一個的每批頻率偏差的平均值如表1所示，并以圖形方式顯示在圖2中。該值是指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：回流焊后32.768MHzAT基金晶體的頻率偏差一天后的平均回流滯后是4小時后觀察到的頻移的71％。一個值得注意的結(jié)果是，在批次A2，F(xiàn)1和F2中觀察到最低的回流滯后效應，其中晶體在密封之前經(jīng)歷延長的烘烤程序。
2.2TCXO晶振38.88MHz
采用模擬間接補償技術(shù)的125個溫補晶振采用模擬回流焊接工藝，在HC-52外殼中采用基本模式38.88MHzAT切割晶體。在整個50天內(nèi)觀察輸出頻率。圖3顯示了回流滯后響應的平均值和±1西格瑪極限。48小時后，平均頻率偏差為（1.1±0.22）ppm，并且頻率在約30天后穩(wěn)定。
圖3：回流焊接后38.88MHzTCXO晶振的頻率偏差2.3TCXO晶振19.44MHz
該實驗顯示了重復回流焊接過程后的回流滯后。25件TCXO中使用的晶體是19,44MHzAT基波模式在HC-52/U超薄線。第一次回流焊接在第一次回流焊接后38天進行，并在7天內(nèi)測量。
圖4顯示了回流滯后響應的平均值和±1西格瑪極限。滯后效應非常強烈：
1小時后（7,9±2.6）ppm
24小時后（5.4±1.7）ppm
并在1小時后在一天后衰減至初始值的69％。平均響應擬合指數(shù)函數(shù)，顯示為a圖中的虛線。4。
匹配很差，因為它的曲率不能跟隨陡峭的響應。然而對數(shù)曲線擬合（見圖4中的虛線）
匹配很差，因為它的曲率不能跟隨陡峭的響應。然而是對數(shù)曲線擬合（見圖4中的虛線）顯示出極佳的貼合度。具有（時間）-1的尺寸的等式（2）中的參數(shù)b可以被視為“反時間常數(shù)”。在這種情況下，1/b的值等于0.28天。
圖4：第二次回流焊接后的19.44MHzTCXO晶振的頻率偏差2.4TCXO晶振40,96MHz
在HC-52/U超薄線中使用40,96MHzAT基本晶體的六個晶振被回流焊接，并且在42天的觀察時間之后，重復回流焊接工藝。比較第一次和第二次處理的回流滯后。
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(guī)則性顯然與由于環(huán)境溫度變化引起的測量不準確性有關(guān)。所有6個振蕩器響應的平均曲線通過如2.3節(jié)中所述的指數(shù)和對數(shù)函數(shù)擬合（參見圖5中的虛線）。雖然指數(shù)衰減函數(shù)顯示太小的曲率，其不能跟隨滯后的初始階段的陡度，但對數(shù)曲線與實驗值相當平滑地匹配。
圖5：第一次回流焊接后40,96MHzTCXO晶振的頻率偏差在圖6中，描述了在30天的時間內(nèi)第一次焊接42天后第二次回流焊接引起的回流滯后。
圖6：第二次回流焊接后40,96MHzTCXO晶振的頻率偏差此處，平均值響應是按照上述指數(shù)和對數(shù)函數(shù)曲線擬合的。同樣，指數(shù)函數(shù)表明擬合不充分，因為它的曲率太“平坦”，而對數(shù)函數(shù)非常好地描述了滯后響應。
表2總結(jié)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
第二溫度應力對頻移的影響約為30％減少40％，而滯后衰減則減慢約兩倍與第一次壓力相比。2.5OCXO晶振26MHz，帶有AT三次諧波晶體OCXO通常具有比TCXO更高的熱質(zhì)量，因此具有更高的熱質(zhì)量在回流焊接期間，諧振器不會被加熱到這種程度。該模型這里測試的沒有像傳統(tǒng)OCXO晶振那樣的金屬加熱器塊，但使用的是直接加熱的陶瓷基板，振蕩器電路和HC-26/U晶體安裝。
在回流焊接之前，振蕩器已經(jīng)通電24小時穩(wěn)定?；亓骱负螅却恍r冷卻后再進行冷卻測量開始了。每兩次記錄頻率隨時間的變化分鐘。兩個周期的頻率變化如圖7所示。
圖7：回流前后OCXO晶振與26MHzAT3晶體的頻移焊接
乍一看似乎沒有滯后的跡象。但必須注意，回流焊后觀察到的頻移是疊加的常規(guī)的恒溫晶振預熱特性和滯后現(xiàn)象。如果我們假設，那回流焊接后的預熱特性與之前大致相同，我們可以從測量的頻率中減去第一次預熱的響應回流焊接后的響應。然后我們得到回流的凈效應滯后，如圖8所示?？梢钥闯鰷笫秋@著的比TCXO觀察到的要小，這是因為OCXO晶體是采用更長時間的烘烤和預老化工藝制造，其次因為振蕩器單元的熱質(zhì)量較高。
另一方面，這個實驗證明，熱身特性和回流滯后完全相互補償，這導致了假設兩個過程都具有相同的物理起源。
圖8：減去后的OCXO與26MHzAT3晶體的凈回流滯后暖身
2.6OCXO晶振26MHz帶SC3泛音晶體該振蕩器還通過a使用晶體和石英晶體振蕩器電路的直接加熱然而，由于HC-37/U尺寸的晶體單元比陶瓷基板更笨重OCXO在第2.5節(jié)中描述。用相同的方法進行實驗如上所述，整體頻移如圖9所示。
圖9：回流前后OCXO與26MHzSC3晶體的頻移焊接
熱身行為沒有明顯差異，大于實驗室環(huán)境中射頻噪聲引起的不規(guī)則性無意的關(guān)閉。因此，這些SC切割晶體的回流滯后是忽略不計。該OCXO中使用的晶體是用不同的工藝生產(chǎn)的比使用更高的烘烤溫度的AT削減26MHz。
3.回流滯后的原因結(jié)論
觀察到的回流滯后效應顯示+2ppm的正頻移至+TCXO為8ppm，（AT-）OCXO為100ppb。這種頻率偏移在一到四周內(nèi)緩慢下降，可以由對數(shù)函數(shù)描述滯后效應的潛在原因與回流焊接溫度有關(guān)壓力可以與幾種機制聯(lián)系起來，正如約翰所總結(jié)的那樣。
Vig的教程[2]：
（1）由于熱膨脹系數(shù)差異引起的石英板應力，夾子形成，焊接，密封，電極內(nèi)應力引起的殘余應力，粘接應力，切削，研磨，拋光，應力等表面損傷石英材料等。（2）由于污染，殘留水分導致的傳質(zhì)，除氣，擴散，化學反應等，因為它們是老化的典型特征機制。
關(guān)于事實
·觀察到幾天到幾周的長時間常數(shù)，更可能與傳質(zhì)和擴散過程等有關(guān)。比減輕壓力，
·密封石英晶體單元之前的延長烘烤過程減少回流滯后，
·第二次回流焊接過程后的滯后小于后第一，
·對數(shù)函數(shù)描述這種滯后效應比a更好指數(shù)衰減函數(shù)，
·滯后具有相同的形狀，但與預熱相反
OCXO的特征：
我們有充分的理由假設，觀察到的回流滯后效應是主要涉及引起頻率老化的相同機制，即水分傳遞，擴散等。雖然減少回流滯后的主要挑戰(zhàn)在于貼片晶振生產(chǎn)技術(shù)，需要進一步的工作來確定其貢獻各種其他效果，如石英材料中固有的那些，振蕩器的影響電路元件，如貼片電容器，電感器和熱敏電阻等。
貼片型的TCXO和OCXO目前已廣泛應用到無線通信，對講機，網(wǎng)絡設備，工業(yè)，航空航天，無線基站，人造衛(wèi)星，大型建筑設備，井下探測，GPS/北斗定位系統(tǒng)等領域。
在現(xiàn)代設備生產(chǎn)線中，p-c板通常最終在焊接過程后的短時間內(nèi)進行調(diào)整和調(diào)整。如果電路板包含進口晶體振蕩器，在大約一周后可以觀察到強烈的負頻移，振蕩器似乎已經(jīng)老化，但這是由于與回流焊接過程的熱應力相關(guān)的滯后效應。MIL-PRF-55310區(qū)分“熱滯后”和“回掃”。Retrace是f（T）特性（OCXO）的非重復性，在固定溫度下，在特定條件下開關(guān)振蕩器，而滯后（TCXO）是非最大值溫度循環(huán)期間f與T特性的重復性。但是，不考慮這種影響的時間依賴性。J.Kusters和J.Vig在[1]中廣泛地回顧了熱滯現(xiàn)象學和理論。
如本文所定義的回流滯后是由單個（或多個）溫度峰值引起的，并且該效應被描述為在幾天的時間段內(nèi)的頻率偏移。紅外和對流回流焊接工藝的典型溫度曲線如圖1所示。
最高溫度應力是在液相線時間內(nèi)，在215℃或高于215℃時介于10秒和40秒之間?？梢援a(chǎn)生它的機制被稱為“電極中的應力消除和諧振器外殼內(nèi)的污染物傳遞”
圖1：回流焊接工藝的典型溫度曲線
2.1石英晶體單元
使用13個不同的批次生產(chǎn)300個基本模式AT切割晶體，在32.768K，HC-49/U，坯料直徑8.0mm，其中不同的工藝參數(shù)變化。它們經(jīng)受了回流焊接溫度曲線，如圖1所示。在焊接后4小時，24小時和40天測量共振頻率。13個批次中每一個的每批頻率偏差的平均值如表1所示，并以圖形方式顯示在圖2中。該值是指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：回流焊后32.768MHzAT基金晶體的頻率偏差一天后的平均回流滯后是4小時后觀察到的頻移的71％。一個值得注意的結(jié)果是，在批次A2，F(xiàn)1和F2中觀察到最低的回流滯后效應，其中晶體在密封之前經(jīng)歷延長的烘烤程序。
2.2TCXO晶振38.88MHz
采用模擬間接補償技術(shù)的125個溫補晶振采用模擬回流焊接工藝，在HC-52外殼中采用基本模式38.88MHzAT切割晶體。在整個50天內(nèi)觀察輸出頻率。圖3顯示了回流滯后響應的平均值和±1西格瑪極限。48小時后，平均頻率偏差為（1.1±0.22）ppm，并且頻率在約30天后穩(wěn)定。
圖3：回流焊接后38.88MHzTCXO晶振的頻率偏差2.3TCXO晶振19.44MHz
該實驗顯示了重復回流焊接過程后的回流滯后。25件TCXO中使用的晶體是19,44MHzAT基波模式在HC-52/U超薄線。第一次回流焊接在第一次回流焊接后38天進行，并在7天內(nèi)測量。
圖4顯示了回流滯后響應的平均值和±1西格瑪極限。滯后效應非常強烈：
1小時后（7,9±2.6）ppm
24小時后（5.4±1.7）ppm
并在1小時后在一天后衰減至初始值的69％。平均響應擬合指數(shù)函數(shù)，顯示為a圖中的虛線。4。
匹配很差，因為它的曲率不能跟隨陡峭的響應。然而對數(shù)曲線擬合（見圖4中的虛線）
匹配很差，因為它的曲率不能跟隨陡峭的響應。然而是對數(shù)曲線擬合（見圖4中的虛線）顯示出極佳的貼合度。具有（時間）-1的尺寸的等式（2）中的參數(shù)b可以被視為“反時間常數(shù)”。在這種情況下，1/b的值等于0.28天。
圖4：第二次回流焊接后的19.44MHzTCXO晶振的頻率偏差2.4TCXO晶振40,96MHz
在HC-52/U超薄線中使用40,96MHzAT基本晶體的六個晶振被回流焊接，并且在42天的觀察時間之后，重復回流焊接工藝。比較第一次和第二次處理的回流滯后。
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(guī)則性顯然與由于環(huán)境溫度變化引起的測量不準確性有關(guān)。所有6個振蕩器響應的平均曲線通過如2.3節(jié)中所述的指數(shù)和對數(shù)函數(shù)擬合（參見圖5中的虛線）。雖然指數(shù)衰減函數(shù)顯示太小的曲率，其不能跟隨滯后的初始階段的陡度，但對數(shù)曲線與實驗值相當平滑地匹配。
圖5：第一次回流焊接后40,96MHzTCXO晶振的頻率偏差在圖6中，描述了在30天的時間內(nèi)第一次焊接42天后第二次回流焊接引起的回流滯后。
圖6：第二次回流焊接后40,96MHzTCXO晶振的頻率偏差此處，平均值響應是按照上述指數(shù)和對數(shù)函數(shù)曲線擬合的。同樣，指數(shù)函數(shù)表明擬合不充分，因為它的曲率太“平坦”，而對數(shù)函數(shù)非常好地描述了滯后響應。
表2總結(jié)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
第二溫度應力對頻移的影響約為30％減少40％，而滯后衰減則減慢約兩倍與第一次壓力相比。2.5OCXO晶振26MHz，帶有AT三次諧波晶體OCXO通常具有比TCXO更高的熱質(zhì)量，因此具有更高的熱質(zhì)量在回流焊接期間，諧振器不會被加熱到這種程度。該模型這里測試的沒有像傳統(tǒng)OCXO晶振那樣的金屬加熱器塊，但使用的是直接加熱的陶瓷基板，振蕩器電路和HC-26/U晶體安裝。
在回流焊接之前，振蕩器已經(jīng)通電24小時穩(wěn)定?；亓骱负螅却恍r冷卻后再進行冷卻測量開始了。每兩次記錄頻率隨時間的變化分鐘。兩個周期的頻率變化如圖7所示。
圖7：回流前后OCXO晶振與26MHzAT3晶體的頻移焊接
乍一看似乎沒有滯后的跡象。但必須注意，回流焊后觀察到的頻移是疊加的常規(guī)的恒溫晶振預熱特性和滯后現(xiàn)象。如果我們假設，那回流焊接后的預熱特性與之前大致相同，我們可以從測量的頻率中減去第一次預熱的響應回流焊接后的響應。然后我們得到回流的凈效應滯后，如圖8所示?？梢钥闯鰷笫秋@著的比TCXO觀察到的要小，這是因為OCXO晶體是采用更長時間的烘烤和預老化工藝制造，其次因為振蕩器單元的熱質(zhì)量較高。
另一方面，這個實驗證明，熱身特性和回流滯后完全相互補償，這導致了假設兩個過程都具有相同的物理起源。
圖8：減去后的OCXO與26MHzAT3晶體的凈回流滯后暖身
2.6OCXO晶振26MHz帶SC3泛音晶體該振蕩器還通過a使用晶體和石英晶體振蕩器電路的直接加熱然而，由于HC-37/U尺寸的晶體單元比陶瓷基板更笨重OCXO在第2.5節(jié)中描述。用相同的方法進行實驗如上所述，整體頻移如圖9所示。
圖9：回流前后OCXO與26MHzSC3晶體的頻移焊接
熱身行為沒有明顯差異，大于實驗室環(huán)境中射頻噪聲引起的不規(guī)則性無意的關(guān)閉。因此，這些SC切割晶體的回流滯后是忽略不計。該OCXO中使用的晶體是用不同的工藝生產(chǎn)的比使用更高的烘烤溫度的AT削減26MHz。
3.回流滯后的原因結(jié)論
觀察到的回流滯后效應顯示+2ppm的正頻移至+TCXO為8ppm，（AT-）OCXO為100ppb。這種頻率偏移在一到四周內(nèi)緩慢下降，可以由對數(shù)函數(shù)描述滯后效應的潛在原因與回流焊接溫度有關(guān)壓力可以與幾種機制聯(lián)系起來，正如約翰所總結(jié)的那樣。
Vig的教程[2]：
（1）由于熱膨脹系數(shù)差異引起的石英板應力，夾子形成，焊接，密封，電極內(nèi)應力引起的殘余應力，粘接應力，切削，研磨，拋光，應力等表面損傷石英材料等。（2）由于污染，殘留水分導致的傳質(zhì)，除氣，擴散，化學反應等，因為它們是老化的典型特征機制。
關(guān)于事實
·觀察到幾天到幾周的長時間常數(shù)，更可能與傳質(zhì)和擴散過程等有關(guān)。比減輕壓力，
·密封石英晶體單元之前的延長烘烤過程減少回流滯后，
·第二次回流焊接過程后的滯后小于后第一，
·對數(shù)函數(shù)描述這種滯后效應比a更好指數(shù)衰減函數(shù)，
·滯后具有相同的形狀，但與預熱相反
OCXO的特征：
我們有充分的理由假設，觀察到的回流滯后效應是主要涉及引起頻率老化的相同機制，即水分傳遞，擴散等。雖然減少回流滯后的主要挑戰(zhàn)在于貼片晶振生產(chǎn)技術(shù)，需要進一步的工作來確定其貢獻各種其他效果，如石英材料中固有的那些，振蕩器的影響電路元件，如貼片電容器，電感器和熱敏電阻等。
貼片型的TCXO和OCXO目前已廣泛應用到無線通信，對講機，網(wǎng)絡設備，工業(yè)，航空航天，無線基站，人造衛(wèi)星，大型建筑設備，井下探測，GPS/北斗定位系統(tǒng)等領域。
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