貼片振蕩器回流焊后的滯后效應
來源：http://www.benpai.com.cn 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，其衰減時間常數為幾天。數據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。
在現代設備生產線中，p-c板通常最終在焊接過程后的短時間內進行調整和調整。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，振蕩器似乎已經老化，但這是由于與回流焊接過程的熱應力相關的滯后效應。MIL-PRF-55310區分“熱滯后”和“回掃”。Retrace是f（T）特性（OCXO）的非重復性，在固定溫度下，在特定條件下開關振蕩器，而滯后（TCXO）是非最大值溫度循環期間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，在215℃或高于215℃時介于10秒和40秒之間。可以產生它的機制被稱為“電極中的應力消除和諧振器外殼內的污染物傳遞”
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變化。它們經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％。一個值得注意的結果是，在批次A2，F1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歷延長的烘烤程序。
2.2TCXO晶振38.88MHz
采用模擬間接補償技術的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％。平均響應擬合指數函數，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b可以被視為“反時間常數”。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天之間的不規則性顯然與由于環境溫度變化引起的測量不準確性有關。所有6個振蕩器響應的平均曲線通過如2.3節中所述的指數和對數函數擬合（參見圖5中的虛線）。雖然指數衰減函數顯示太小的曲率，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和對數函數曲線擬合的。同樣，指數函數表明擬合不充分，因為它的曲率太“平坦”，而對數函數非常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更高的熱質量，因此具有更高的熱質量在回流焊接期間，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，振蕩器已經通電24小時穩定。回流焊后，等待一小時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的恒溫晶振預熱特性和滯后現象。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。可以看出滯后是顯著的比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，大于實驗室環境中射頻噪聲引起的不規則性無意的關閉。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緩慢下降，可以由對數函數描述滯后效應的潛在原因與回流焊接溫度有關壓力可以與幾種機制聯系起來，正如約翰所總結的那樣。
Vig的教程[2]：
（1）由于熱膨脹系數差異引起的石英板應力，夾子形成，焊接，密封，電極內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，除氣，擴散，化學反應等，因為它們是老化的典型特征機制。
關于事實
·觀察到幾天到幾周的長時間常數，更可能與傳質和擴散過程等有關。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，
·對數函數描述這種滯后效應比a更好指數衰減函數，
·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在于貼片晶振生產技術，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，網絡設備，工業，航空航天，無線基站，人造衛星，大型建筑設備，井下探測，GPS/北斗定位系統等領域。
在現代設備生產線中，p-c板通常最終在焊接過程后的短時間內進行調整和調整。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，振蕩器似乎已經老化，但這是由于與回流焊接過程的熱應力相關的滯后效應。MIL-PRF-55310區分“熱滯后”和“回掃”。Retrace是f（T）特性（OCXO）的非重復性，在固定溫度下，在特定條件下開關振蕩器，而滯后（TCXO）是非最大值溫度循環期間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，在215℃或高于215℃時介于10秒和40秒之間。可以產生它的機制被稱為“電極中的應力消除和諧振器外殼內的污染物傳遞”
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變化。它們經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％。一個值得注意的結果是，在批次A2，F1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歷延長的烘烤程序。
2.2TCXO晶振38.88MHz
采用模擬間接補償技術的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％。平均響應擬合指數函數，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b可以被視為“反時間常數”。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天之間的不規則性顯然與由于環境溫度變化引起的測量不準確性有關。所有6個振蕩器響應的平均曲線通過如2.3節中所述的指數和對數函數擬合（參見圖5中的虛線）。雖然指數衰減函數顯示太小的曲率，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和對數函數曲線擬合的。同樣，指數函數表明擬合不充分，因為它的曲率太“平坦”，而對數函數非常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更高的熱質量，因此具有更高的熱質量在回流焊接期間，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，振蕩器已經通電24小時穩定。回流焊后，等待一小時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的恒溫晶振預熱特性和滯后現象。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。可以看出滯后是顯著的比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，大于實驗室環境中射頻噪聲引起的不規則性無意的關閉。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緩慢下降，可以由對數函數描述滯后效應的潛在原因與回流焊接溫度有關壓力可以與幾種機制聯系起來，正如約翰所總結的那樣。
Vig的教程[2]：
（1）由于熱膨脹系數差異引起的石英板應力，夾子形成，焊接，密封，電極內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，除氣，擴散，化學反應等，因為它們是老化的典型特征機制。
關于事實
·觀察到幾天到幾周的長時間常數，更可能與傳質和擴散過程等有關。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，
·對數函數描述這種滯后效應比a更好指數衰減函數，
·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在于貼片晶振生產技術，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，網絡設備，工業，航空航天，無線基站，人造衛星，大型建筑設備，井下探測，GPS/北斗定位系統等領域。
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