EM Research如何在惡劣的環境下確保晶振性能
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2019年07月09
進入新時代以來許多人都說世界變小了?是真的變小了嗎,當然不是的,我們所處的世界依然很大,大到一輩子都走不完.之所以說變小了,是因為人們的聯系變得密切了,即使他在地球的另一邊,你在地球的這邊,都可以通過智能手機,平板和電腦視頻和語音電話見到對方和暢通交談.我們擁有無數種電子零配件,它們就像人體組織和器官,組合后成為一個完整的’產品’.常見的電子元器件有石英晶振,二/三極管,實時時鐘,電容電阻,傳感器,電感等,EM Research主打的產品是各種石英晶體振蕩器,接下來看看EM Research公司是如何在極其惡劣的環境下,維持確保晶振的性能穩定的.
每個任務和項目都有一系列獨特的挑戰.商用現成組件有時可提供合適的帶寬,占用空間或功耗水平.通常,這些低成本解決方案似乎已足夠.即使它們是經濟的,現成的產品也不是針對特定的環境挑戰而設計的.他們根本無法在野外生存.在EM晶振公司里,我們設計的解決方案滿足嚴格的性能要求,同時承受最嚴峻的環境挑戰.我們的解決方案在野外茁壯成長.以下文章概述了在為項目起草規范時要考慮的環境因素的細節,以及在苛刻條件下確保性能有效的常用技術.閱讀之后,您將更好地了解如何規劃下一個項目,以及對加強通信系統所需步驟的新認識.
為了開發出能夠在上述任何情況下正常運行的解決方案,首先要評估環境條件的范圍和范圍.除了評估系統的技術要求之外,還需要進行環境分析.接下來是評估環境因素時要考慮的常用標準.
出版標準:
Mil-Standards是測量沖擊和振動容差的最常見和廣泛接受的行業標準.例如,MIL-STD-810F,方法514.5包含許多關于振動的具體細節,包括用于各種實際裝置的特定振動暴露-公路卡車,履帶式車輛,噴氣式飛機,直升機等.同樣,可以定義沖擊環境使用MIL-STD-202G,測試方法213B.或者,MIL-STD-810F,方法515.5詳盡地詳細說明了許多不同級別的沖擊并進行了相應的討論.將納入產品規范的環境容差測量示例為:’MIL-STD-202G,測試方法214A,測試條件1-一個.’在EMResearch,我們設計每種晶振以滿足客戶的特定項目要求.一旦我們收到環境容差要求的具體信息,我們就會評估并制定計劃,以便相應地加固產品.這就是創新發生的地方.
如何衡量環境公差:
當然很難預測所有可能的情況,特別是對于移動中的系統,無論是空中,車載還是船上.但是,有明確的標準和協議來衡量預期的環境容忍度.振動和沖擊暴露是在加固系統時必須考慮的最常見的公差之一.
設計
首先,我們的設計團隊評估要求,以確定哪些環境因素會對性能產生負面影響.因素包括溫度范圍,流動性,暴露于液體或腐蝕性物質以及各種振動和壓力水平.我們必須了解哪些因素最為關鍵,因此我們能夠優先考慮加固策略.有了這些知識,我們可以選擇合適的SMD晶振材料-金屬,電路板基座,封裝類型等-以適應必要的加固.
正確的解決方案需要滿足特定的性能和環境容差.既不需要也不需要.例如,使用較厚的外殼來減少振動的解決方案必然比具有相同外部尺寸的較薄外殼具有更大的質量.更大的質量會影響整個系統,并可能影響平衡,燃料需求,功耗和許多其他因素.我們的設計團隊首先致力于了解這些細節,以實現所需的性能和耐用性.
溫度
當材料變冷時,它們會收縮.當它變熱時,它們會膨脹.它是簡單的物理學,但具有重大影響.用于印刷電路板,部件緊固件和涂層的塑料在極冷時會變脆并且開裂.相反,由于陽光,發動機熱量,燃燒或摩擦,產品環境中的環境熱量可以改變結構完整性和技術性能.為了解決這些問題,選擇具有與環境條件匹配的特定公差的組件.當為系統選擇組件時,會考慮諸如溫度耗散,熱PCB路徑分析和功率性能等因素.
仔細關注系統中各個組件的分布可以顯著減輕熱量積累.相反,可以有意地對一些組件進行分組,并且管理熱路徑,使得熱量有意地在非常冷的操作環境中收集并保持目標電路溫暖.由于電子設備在高溫下運行時往往會加速老化,因此仔細選擇石英晶體諧振器,系統設計/布置和制造組件對于確保高溫環境下的長使用壽命至關重要.
工程
一旦設計團隊開發了需求框架和初始產品計劃,工程師就可以使其工作.有時-特別是在開發以前不存在的新系統時-工程以滿足性能條件似乎是一個不可能的挑戰.這是理解環境因素優先權再次發揮作用的地方.工程團隊必須考慮每個組件的公差,從所用金屬的類型和重量,到印刷電路板中材料的密度,到所需的連接器類型.任何數量的因素都可能影響系統的性能,如果不正確,會導致系統故障.
射頻,機械和電氣工程師協作并仔細考慮材料的技術要求和特性,以創建新系統的計算機模型.這些數字藍圖為制造業提供了清晰的路線圖.
制造業
制造質量保證對于確保環境壓力下的性能至關重要.如果設計和工程已經成功地解決了紙上的加固挑戰,那么就要確保系統按照規范制造并經過測試才能完成.在EM Research,我們的內部制造團隊構建了我們設計的100％產品.我們20,000平方英尺的制造工廠通過ISO-9001:2008認證,并通過IPC認證,質量和工藝.
最先進的制造技術,包括用于大批量元件放置的Mydata My9和My 100貼片機,使我們能夠生產大批量產品,以及有限或一次性運行.通常,任務關鍵型應用程序需要堅固耐用的解決方案,并且需要在現場快速完成.設計,工程和制造的協作工作流程有助于確保最重要的高效和及時生產.
鎖相環優化電氣的改進
流程也是一個非常重要的考慮因素.鎖相環(PLL)優化允許鎖相振蕩器(PLO)或頻率合成器在惡劣環境中正常工作.PLL是一個閉環控制系統,意味著電路不斷查看輸出和輸入并使計算調整保持鎖相-類似于緊繩索測試儀的平衡,并不斷進行小的重量調整以保持直立.保持鎖相的持續調整是必要的,因為諸如溫度變化,物理沖擊和物理振動之類的外部影響都會引起頻率誤差.如果PLL電路未經過優化以隨著溫度和貼片振蕩器振動條件的變化而不斷調整,則頻率將被解鎖,這可能導致較大系統的故障.
液體暴露
接觸液體,即使是那些看似無害的液體,也可能具有腐蝕性,導致嚴重的性能損失,甚至破壞電子系統.此外,液體的存在會加劇溫度和壓力的影響.然而,暴露于液體是一個共同的挑戰,我們已經開發出高效的加固技術.防止液體暴露電子故障的最有效方法是完全防止暴露.系統的外殼必須使用墊圈,環氧樹脂密封,特殊涂料或在最極端的情況下-氣密密封制成液體.涂層的策略和水平取決于系統是否將暴露,浸沒或浸沒,以及流體本身的性質.即使通過一種或多種上述方法防止流體滲入產品的外殼,外殼的外表面和任何輸入/輸出連接器仍必須能夠承受直接暴露.這可能需要使用特殊的液密連接器和外部鍍層,其對環境所具有的任何腐蝕性具有化學抗性.
有些相關的是暴露于固體污染物,包括但不限于沙子,污垢,灰塵和生物污染物,如真菌,細菌甚至昆蟲.許多用于液體暴露的相同方法可用于防止固體侵入,但由于固體的潛在磨蝕性存在一些額外的挑戰.Sandis特別具有磨蝕性,可能需要較厚的外層或由更耐刮擦材料組成的外層.關于液體/固體暴露的最后注釋是產品標記在最終環境投入產品的任何物質暴露下保持清晰的重要性.雖然是次要的實際產品功能,但通過耐化學性標簽,激光打標或耐刮擦雕刻標記來保持清晰的產品標記對于保持產品的整體質量和可用性非常重要.
長期生存
通常,我們被要求設計將存在于極端偏遠環境中的系統中的組件.維護工作最多也不常見,組件可能暴露在極端天氣下.這些系統必須堅固耐用,不僅能夠承受環境壓力,而且EM晶振能夠經受長時間的操作-通常是幾十年-不間斷,不會失敗.確保長期生存能力,有時稱為平均故障間隔時間或平均故障時間(MTBF,MTTF),需要集成溫度,液體和振動技術.材料和單個部件的質量,公差和額定值至關重要,正確的密封至關重要.必須完成適當的測試,以盡可能復制環境條件,并進行質量保證以驗證施工.
振動/沖擊
航空航天和國防的許多應用-那些將以高速行駛,穿越崎嶇地形的應用-需要特別保護以防止物理創傷.振動從“低速和慢速”到快速且一致的色域.發動機在一致頻率下的機械嗡嗡聲會導致振動損壞.同樣,碰撞或IED的一次性影響可能使系統無用.為了考慮振動和沖擊耐受性,我們首先使用上面步驟1中概述的方法進行振動剖面分析.由此我們確定系統是否必須加固以承受快速加速,沖擊或一致的頻率.可以使用諸如機械增強,較重的部件或較不柔軟的材料的方法.包裝內外的環氧增強材料提供額外的振動保護.
振動/沖擊增強在很大程度上是“使產品不太靈活”的問題,因為彎曲會對電路板造成物理損壞或導致單個電子元件破裂或斷開PCB.然而,如果不仔細接近,即使這種咒語“使它變得更強/更硬”也會成為問題.剛性物體具有機械共振頻率,物體越大,共振頻率越低.這是允許某些聲音碎片粉碎玻璃的原理.需要小心注意,以使成品不具有將在安裝平臺的振動輪廓中存在的任何共振頻率.減振/減震的另一種方法是使用某種運動阻尼支架.如果使用諸如橡膠隔離器的柔性構件將產品(或產品的子部分)附接到較大系統,則可以減少從較大系統到子部分的振動/沖擊運動的傳遞.這與減震器在崎嶇不平的道路上駕駛汽車更加舒適的方式相同.
每個任務和項目都有一系列獨特的挑戰.商用現成組件有時可提供合適的帶寬,占用空間或功耗水平.通常,這些低成本解決方案似乎已足夠.即使它們是經濟的,現成的產品也不是針對特定的環境挑戰而設計的.他們根本無法在野外生存.在EM晶振公司里,我們設計的解決方案滿足嚴格的性能要求,同時承受最嚴峻的環境挑戰.我們的解決方案在野外茁壯成長.以下文章概述了在為項目起草規范時要考慮的環境因素的細節,以及在苛刻條件下確保性能有效的常用技術.閱讀之后,您將更好地了解如何規劃下一個項目,以及對加強通信系統所需步驟的新認識.
出版標準:
Mil-Standards是測量沖擊和振動容差的最常見和廣泛接受的行業標準.例如,MIL-STD-810F,方法514.5包含許多關于振動的具體細節,包括用于各種實際裝置的特定振動暴露-公路卡車,履帶式車輛,噴氣式飛機,直升機等.同樣,可以定義沖擊環境使用MIL-STD-202G,測試方法213B.或者,MIL-STD-810F,方法515.5詳盡地詳細說明了許多不同級別的沖擊并進行了相應的討論.將納入產品規范的環境容差測量示例為:’MIL-STD-202G,測試方法214A,測試條件1-一個.’在EMResearch,我們設計每種晶振以滿足客戶的特定項目要求.一旦我們收到環境容差要求的具體信息,我們就會評估并制定計劃,以便相應地加固產品.這就是創新發生的地方.
如何衡量環境公差:
當然很難預測所有可能的情況,特別是對于移動中的系統,無論是空中,車載還是船上.但是,有明確的標準和協議來衡量預期的環境容忍度.振動和沖擊暴露是在加固系統時必須考慮的最常見的公差之一.
設計
首先,我們的設計團隊評估要求,以確定哪些環境因素會對性能產生負面影響.因素包括溫度范圍,流動性,暴露于液體或腐蝕性物質以及各種振動和壓力水平.我們必須了解哪些因素最為關鍵,因此我們能夠優先考慮加固策略.有了這些知識,我們可以選擇合適的SMD晶振材料-金屬,電路板基座,封裝類型等-以適應必要的加固.
正確的解決方案需要滿足特定的性能和環境容差.既不需要也不需要.例如,使用較厚的外殼來減少振動的解決方案必然比具有相同外部尺寸的較薄外殼具有更大的質量.更大的質量會影響整個系統,并可能影響平衡,燃料需求,功耗和許多其他因素.我們的設計團隊首先致力于了解這些細節,以實現所需的性能和耐用性.
溫度
當材料變冷時,它們會收縮.當它變熱時,它們會膨脹.它是簡單的物理學,但具有重大影響.用于印刷電路板,部件緊固件和涂層的塑料在極冷時會變脆并且開裂.相反,由于陽光,發動機熱量,燃燒或摩擦,產品環境中的環境熱量可以改變結構完整性和技術性能.為了解決這些問題,選擇具有與環境條件匹配的特定公差的組件.當為系統選擇組件時,會考慮諸如溫度耗散,熱PCB路徑分析和功率性能等因素.
仔細關注系統中各個組件的分布可以顯著減輕熱量積累.相反,可以有意地對一些組件進行分組,并且管理熱路徑,使得熱量有意地在非常冷的操作環境中收集并保持目標電路溫暖.由于電子設備在高溫下運行時往往會加速老化,因此仔細選擇石英晶體諧振器,系統設計/布置和制造組件對于確保高溫環境下的長使用壽命至關重要.
工程
一旦設計團隊開發了需求框架和初始產品計劃,工程師就可以使其工作.有時-特別是在開發以前不存在的新系統時-工程以滿足性能條件似乎是一個不可能的挑戰.這是理解環境因素優先權再次發揮作用的地方.工程團隊必須考慮每個組件的公差,從所用金屬的類型和重量,到印刷電路板中材料的密度,到所需的連接器類型.任何數量的因素都可能影響系統的性能,如果不正確,會導致系統故障.
射頻,機械和電氣工程師協作并仔細考慮材料的技術要求和特性,以創建新系統的計算機模型.這些數字藍圖為制造業提供了清晰的路線圖.
制造業
制造質量保證對于確保環境壓力下的性能至關重要.如果設計和工程已經成功地解決了紙上的加固挑戰,那么就要確保系統按照規范制造并經過測試才能完成.在EM Research,我們的內部制造團隊構建了我們設計的100％產品.我們20,000平方英尺的制造工廠通過ISO-9001:2008認證,并通過IPC認證,質量和工藝.
最先進的制造技術,包括用于大批量元件放置的Mydata My9和My 100貼片機,使我們能夠生產大批量產品,以及有限或一次性運行.通常,任務關鍵型應用程序需要堅固耐用的解決方案,并且需要在現場快速完成.設計,工程和制造的協作工作流程有助于確保最重要的高效和及時生產.
鎖相環優化電氣的改進
流程也是一個非常重要的考慮因素.鎖相環(PLL)優化允許鎖相振蕩器(PLO)或頻率合成器在惡劣環境中正常工作.PLL是一個閉環控制系統,意味著電路不斷查看輸出和輸入并使計算調整保持鎖相-類似于緊繩索測試儀的平衡,并不斷進行小的重量調整以保持直立.保持鎖相的持續調整是必要的,因為諸如溫度變化,物理沖擊和物理振動之類的外部影響都會引起頻率誤差.如果PLL電路未經過優化以隨著溫度和貼片振蕩器振動條件的變化而不斷調整,則頻率將被解鎖,這可能導致較大系統的故障.
液體暴露
接觸液體,即使是那些看似無害的液體,也可能具有腐蝕性,導致嚴重的性能損失,甚至破壞電子系統.此外,液體的存在會加劇溫度和壓力的影響.然而,暴露于液體是一個共同的挑戰,我們已經開發出高效的加固技術.防止液體暴露電子故障的最有效方法是完全防止暴露.系統的外殼必須使用墊圈,環氧樹脂密封,特殊涂料或在最極端的情況下-氣密密封制成液體.涂層的策略和水平取決于系統是否將暴露,浸沒或浸沒,以及流體本身的性質.即使通過一種或多種上述方法防止流體滲入產品的外殼,外殼的外表面和任何輸入/輸出連接器仍必須能夠承受直接暴露.這可能需要使用特殊的液密連接器和外部鍍層,其對環境所具有的任何腐蝕性具有化學抗性.
有些相關的是暴露于固體污染物,包括但不限于沙子,污垢,灰塵和生物污染物,如真菌,細菌甚至昆蟲.許多用于液體暴露的相同方法可用于防止固體侵入,但由于固體的潛在磨蝕性存在一些額外的挑戰.Sandis特別具有磨蝕性,可能需要較厚的外層或由更耐刮擦材料組成的外層.關于液體/固體暴露的最后注釋是產品標記在最終環境投入產品的任何物質暴露下保持清晰的重要性.雖然是次要的實際產品功能,但通過耐化學性標簽,激光打標或耐刮擦雕刻標記來保持清晰的產品標記對于保持產品的整體質量和可用性非常重要.
長期生存
通常,我們被要求設計將存在于極端偏遠環境中的系統中的組件.維護工作最多也不常見,組件可能暴露在極端天氣下.這些系統必須堅固耐用,不僅能夠承受環境壓力,而且EM晶振能夠經受長時間的操作-通常是幾十年-不間斷,不會失敗.確保長期生存能力,有時稱為平均故障間隔時間或平均故障時間(MTBF,MTTF),需要集成溫度,液體和振動技術.材料和單個部件的質量,公差和額定值至關重要,正確的密封至關重要.必須完成適當的測試,以盡可能復制環境條件,并進行質量保證以驗證施工.
振動/沖擊
航空航天和國防的許多應用-那些將以高速行駛,穿越崎嶇地形的應用-需要特別保護以防止物理創傷.振動從“低速和慢速”到快速且一致的色域.發動機在一致頻率下的機械嗡嗡聲會導致振動損壞.同樣,碰撞或IED的一次性影響可能使系統無用.為了考慮振動和沖擊耐受性,我們首先使用上面步驟1中概述的方法進行振動剖面分析.由此我們確定系統是否必須加固以承受快速加速,沖擊或一致的頻率.可以使用諸如機械增強,較重的部件或較不柔軟的材料的方法.包裝內外的環氧增強材料提供額外的振動保護.
振動/沖擊增強在很大程度上是“使產品不太靈活”的問題,因為彎曲會對電路板造成物理損壞或導致單個電子元件破裂或斷開PCB.然而,如果不仔細接近,即使這種咒語“使它變得更強/更硬”也會成為問題.剛性物體具有機械共振頻率,物體越大,共振頻率越低.這是允許某些聲音碎片粉碎玻璃的原理.需要小心注意,以使成品不具有將在安裝平臺的振動輪廓中存在的任何共振頻率.減振/減震的另一種方法是使用某種運動阻尼支架.如果使用諸如橡膠隔離器的柔性構件將產品(或產品的子部分)附接到較大系統,則可以減少從較大系統到子部分的振動/沖擊運動的傳遞.這與減震器在崎嶇不平的道路上駕駛汽車更加舒適的方式相同.
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