可靠性增長試驗中抗振恒溫晶振失效案例分析

龔小維

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

可靠性增長試驗的目的是暴露電子產(chǎn)品的設計缺陷、確定產(chǎn)品的故障模式[1]，并通過設計改進措施來防止故障再現(xiàn)、提高產(chǎn)品的可靠性，從而使產(chǎn)品的可靠性得以增長并達到規(guī)定的可靠性指標要求[2]。

某航天飛行器載小型化通信設備主要實現(xiàn)飛行器與中繼衛(wèi)星的前返向通信功能，在研制過程中通過施加綜合加速應力來激發(fā)該設備故障，以改進設計，提升其可靠性。該通信設備可靠性增長試驗總周期為55個循環(huán)，每個循環(huán)7 h，綜合加速應力采用高低溫、濕度、隨機振動和電應力的綜合。在進行到40個循環(huán)時，通信設備出現(xiàn)信道模塊返向無射頻信號輸出，前向遙控接收不正常，并且基帶模塊異步串口無狀態(tài)信息輸出的異?，F(xiàn)象。通過基于故障樹分析和機理分析，故障定位于通信設備中超小型抗振恒溫晶振減振器疲勞損壞致使引出端連接線斷裂，導致通信設備無基準時鐘輸入從而出現(xiàn)上述故障。

本文對抗振恒溫晶振的減振原理和損壞機理進行了分析，提出了改進措施，并對改進措施進行了仿真和試驗驗證，達到了提升產(chǎn)品可靠性的目的，對于提升類似航天電子產(chǎn)品的可靠性設計水平具有一定的參考意義。

1 抗振恒溫晶振減振原理

隨著空間技術的迅速發(fā)展，各種高速飛行器對其使用的電子儀器設備在振動、沖擊和加速度等惡劣環(huán)境下的抗干擾能力提出了越來越高的要求[3]。而對振動極為敏感的晶體振蕩器是各類電子設備中不可缺少的高穩(wěn)定基準頻率源，振動對晶振輸出頻率穩(wěn)定度及噪聲的影響已不容忽視[4]。

在振動條件下，晶振的電性能特別是相位噪聲會出現(xiàn)明顯的惡化[5]。該通信設備中尺寸為25.4 mm×25.4 mm×15 mm的超小型抗振恒溫晶振采用振動隔離的方式來實現(xiàn)減振，在晶振內部所使用的隔振材料是不銹鋼鋼絲繩，減振結構采用專門設計的多支點固定支架，利用不銹鋼鋼絲繩彎曲形成彈性結構將內部晶振電路板懸掛，使傳遞到晶振上的加速度減小。為了避免連接線纜對減振效果帶來影響，晶振功能引腳與電路板之間采用細導線連接。

晶振減振結構安裝示意圖如圖1所示。采用了4根等長的不銹鋼鋼絲繩彎曲成彈性結構，以保證減振器各個方向受力均衡。

圖1 晶體減振裝置安裝示意圖

減振結構中對被減振的電路板及晶體采用了黃銅材質的配重支撐塊，通過對配重支撐塊及鋼絲繩的匹配設計，隔離減弱振動量級。配重塊設計質量越重，則自諧振頻率可以降得越低，振動隔離效果越好，但同時鋼絲繩在振動時產(chǎn)生的位移和承受的應力也越大，產(chǎn)品可承受的振動量級也越低。該型晶振綜合考慮指標要求和振動量級，設計的配重塊質量為4.9 g。

對晶振的減振結構進行仿真，仿真分析包括模態(tài)仿真和功率譜密度仿真。振動條件按GJB 360B-2009方法214中條件I-B（加速度總均方根值約7.7 g）進行分析。

模態(tài)分析的一階仿真結果如圖2所示，模態(tài)分析的二階仿真結果如圖3所示。一階頻率為90.95 Hz，二階頻率為91.094 Hz，從仿真結果中可以看到，晶振受到振動后，不銹鋼鋼絲繩帶動電路板和配重支撐塊形成平動和轉動，形成了有效的機械減振。自諧振頻率低于100 Hz，遠離該通信設備要求的偏離主頻1 kHz位置的噪聲信號，可以滿足機械減振設計要求。

圖2 模態(tài)一階仿真分析結果

圖3 模態(tài)二階仿真分析結果

GJB 360B-2009方法214中條件I-B進行的加速度總均方根值仿真結果如圖4所示。從圖4中可以看到，在振動條件下振動能量集中在外殼上，傳導到電路板區(qū)域的加速度總均方根值為4.38 g，低于I-B條件7.7 g的加速度總均方根值。1 kHz位置的加速度譜密度由0.04 g2/Hz降低至0.007 g2/Hz，說明該減振結構有明顯的減振效果。從仿真結果中還看到電路板在振動后的最大位移為0.1 mm，而電路板與結構件的最小間隙為2.3 mm，振動過程中沒有碰撞外殼的風險。鋼絲繩受到的最大等效應力值約為15.81 MPa。

圖4 條件I-B的加速度總均方根值仿真結果

對該減振結構的減振效果進行了試驗測試驗證，在GJB 360B-2009方法214中條件I-B振動條件下，產(chǎn)品的動態(tài)相位噪聲可以達到約-140 dBc/Hz＠1 kHz（±3 dB），可滿足該通信設備動態(tài)相位噪聲≤-130 dBc/Hz＠1 kHz的指標要求，并有約10 dB的設計裕量。

2 減振器損壞機理分析

該型晶振設計時考慮承受的抗振動量級為GJB 360B-2009方法214條件I-B，加速度譜密度最大值為0.04 g2/Hz，加速度總均方根值約為7.7 g。在產(chǎn)品設計時抽取該型產(chǎn)品樣品按此振動條件進行過X、Y、Z3個方向共30 h的耐久振動摸底，結果表明，該產(chǎn)品滿足振動要求。

該晶振隨整機進行可靠性增長的試驗條件如圖5所示，該試驗條件為高低溫、振動、濕度和電應力復合條件，振動加速度譜密度最大值為0.05 g2/Hz，加速度總均方根值約為7.35 g。

圖5 可靠性增長試驗單周期剖面示意圖

由于晶振在整機中安裝位置及固定方式不同，整機施加振動時，傳遞到晶振上的振動量級通常會發(fā)生一定的變化。該小型化通信設備整機中采用卡箍將晶振和結構加強板固定，其安裝位置盡量地靠近整機安裝支耳。通過試驗對整機中晶振量級情況進行了振動測試，振動測試情況如圖6所示。測試表明傳遞到晶振的振動量級與整機量級基本一致，振動量級與GJB 360B-2009方法214條件I-B基本相當。

圖6 整機振動量級摸底測試

由于可靠性增長試驗時間較長，比晶振驗證時進行的耐久摸底試驗要求更加嚴格，在設計時未對減振結構設計是否能滿足該可靠性增長試驗的要求進行全面的評估和驗證。

可靠性增長試驗的高濕環(huán)境和溫度變化對鋼絲繩應力影響相對較弱，鋼絲繩應力主要受振動影響，當器件長時間處于同一個方向振動時，將對鋼絲繩接觸點造成疲勞性損傷，當損傷超過一定限度時會造成鋼絲繩斷裂。其中一根鋼絲繩斷裂會瞬間破壞剩余3根鋼絲繩的應力平衡，導致剩余3根鋼絲繩依次斷裂，最終造成內部電路板脫落及電連接引線拉裂，晶振出現(xiàn)無輸出故障。故障晶振開蓋后內部情況如圖7所示，從圖7中可以看出，晶振內部電路板及支撐塊已經(jīng)脫落，引出端連接線斷裂。

圖7 故障晶振開蓋后情況

此次可靠性增長試驗時間較長，一共55個循環(huán)，在每個循環(huán)低溫半周與高溫半周分別加振2 h15 min，該晶振在進行到40個循環(huán)時出現(xiàn)故障，已累計承受振動180 h，減振結構鋼絲繩由于振動疲勞出現(xiàn)斷裂，證明該設計不能滿足可靠性增長試驗的要求，需進行改進。

3 改進措施

通過對晶振減振原理進行分析可知，可以通過增強鋼絲繩的強度或降低配重塊的質量的方式來提高減振器的耐振動能力。

該晶振采用的是直徑為Ф0.36 mm的7×7不銹鋼鋼絲繩，由于晶振體積很小，如果更改為Ф0.45 mm的鋼絲繩，則硬度較大，減振效果差，且鋼絲繩硬度增大后減振組件的裝配難度很大，故增強鋼絲繩強度的措施不適用。

通過降低配重支撐塊質量的方式，可以減小在振動時鋼絲繩產(chǎn)生的位移和承受的應力，從而進一步地提升晶振的耐振動能力。該方式無需對晶振電路板和配重支撐塊的結構尺寸進行更改，僅對配重支撐塊的材質進行更改，將配重支撐塊的材質由銅更換為鋁。將配重塊材質由銅更換為鋁之后，配重塊的質量由4.9 g降低為1.5 g，理論上可明顯地提升產(chǎn)品的耐振動能力。為了保證配重支撐塊的可焊性，鋁材質配重支撐塊采用與銅材質配重支撐塊相同的鍍鎳表面處理。

4 仿真及試驗驗證

對使用鋁材質配重塊對減振器進行的改進設計做了仿真分析。

采用solid186單元對改進設計后的晶振進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為528 141個，節(jié)點數(shù)量為881 391個，晶振有限元網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 鋁材料配重塊的加速度總均方根值仿真結果

通過仿真分析可得，減振器的最小模態(tài)頻率為140.69 Hz，相比采用銅材質的90.95 Hz頻率有所升高，但仍然遠離1 kHz；電路板組件的最大變形為0.064 6 mm（X、Y方向），不會與其四周結構發(fā)生碰撞；最大加速度RMS為75.623 m/s2，位于底座，與輸入振動量級一致；最大等效應力值約為10.53 MPa，相比采用銅材質配重塊的15.81 MPa，降低了約1/3。

從各個方向的PSD響應曲線仿真結果來看，最大共振方向出現(xiàn)在Z方向，共振放大率為3.33；最小減振效率出現(xiàn)在Z方向，對PCB組件的隔振效率為22.5%，位于鋼絲繩隔振器正常指標區(qū)間下限，鋼絲繩結構依然有較好的減振效果，方案可行。

為了驗證更改為鋁材質的可行性，進行了動態(tài)相噪和耐振動能力的試驗驗證。

首先，按GJB 360B-2009方法214中I-B振動條件進行晶振動態(tài)相位噪聲測試，銅材質配重塊和鋁材質配重塊測試結果分別如圖9、10所示。從測試結果中可以看出，使用鋁材質配重塊后，晶振的動態(tài)相位噪聲相比采用銅材質惡化約5 dB，但仍滿足≤-130 dBc/Hz＠1 kHz的指標要求，且有約5 dB的指標裕量。

圖9 銅材質配重塊動態(tài)相噪曲線

采用兩種材質配重支撐塊動態(tài)相噪測試對比數(shù)據(jù)如表1所示，從表1中可以看出，采用鋁材質配重塊后，產(chǎn)品動態(tài)相噪指標出現(xiàn)惡化。

圖10 鋁材質配重塊動態(tài)相噪曲線

表1 動態(tài)相噪測試對比數(shù)據(jù)

通過晶振動態(tài)相噪測試，使用鋁材質配重塊后，在偏離主頻1 kHz處晶振的動態(tài)相位噪聲會惡化約5 dB，由-141 dBc/Hz惡化為-136 dBc/Hz。根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術規(guī)范要求，KSA鏈路用戶終端的射頻輸出在偏離載頻1 kHz處要求相噪不大于-70 dBc/Hz。

由指標計算分析可得，當100 MHz基準時鐘在偏離主頻1 kHz處、相噪為-136 dBc/Hz時，對應輸出30 GHz射頻信號相噪為：

信道模塊射頻相噪主要由鏈路放大和變頻等環(huán)節(jié)引入，通過對二本振倍頻信號相噪測試得知，在偏離主頻1 kHz處相噪指標實測值為-82.43 dBc/Hz，扣除插損和儀器本身誤差等因素與指標計算結果基本吻合。經(jīng)理論和實測分析可得，信道模塊相噪指標仍有較大的裕量，晶振器件更改后仍能滿足設備使用要求。

然后，對比分析兩種材質配重塊的耐振動性能，對晶振在加速度總均方根值約24 g條件下進行了X、Y、Z3個方向共3 h的隨機振動試驗，試驗后進行測試。結果顯示：采用銅材質配重塊的產(chǎn)品內部鋼絲繩斷裂，引出端連接線拉裂；而采用鋁材質配重塊的產(chǎn)品工作正常，減振結構未損壞，晶振輸出正常。

為了進一步地驗證采用鋁材質配重塊減振器的可靠性，按整機可靠性增長試驗條件，對鋁材質的晶振進行了55+6=61個循環(huán)的振動試驗，試驗過程中實時監(jiān)測晶振的輸出情況，晶振在試驗過程中輸出正常。完成61個循環(huán)試驗后，按7.35 g量級的2倍進行了24 h振動試驗，晶振在試驗過程中輸出正常。試驗后對晶振進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)其內部減振器結構良好，未發(fā)生損壞，證明采用鋁材質配重塊的可靠性滿足要求，試驗過程照片如圖11所示。

圖11 振動試驗過程照片

根據(jù)型號可靠性增長試驗大綱要求，對采取改正措施后的設備做2個循環(huán)的驗證試驗，確認改正措施有效后，除出現(xiàn)故障的第40個循環(huán)不計入試驗時間，前39個試驗循環(huán)均計入試驗時間，然后再補做了剩余15個試驗循環(huán)。試驗均順利通過，說明該設備已滿足本階段的可靠性指標要求。

5 結束語

本文介紹了某航天飛行器載小型化通信設備在可靠性增長試驗中暴露出的晶振失效故障，通過有效措施進行了改進設計并最終提高了航天產(chǎn)品的固有可靠性。本案例分析對于提高類似航天電子產(chǎn)品的可靠性設計水平具有一定的參考意義。