如何提高KDS石英晶體的抗裂性
來源：http://www.djbyg.com 作者：金洛鑫電子 2018年12月11
日本大真空株式會(huì)社，以下我們簡(jiǎn)稱KDS晶振，是日本一家知名的石英水晶組件供應(yīng)商，幾十年來在不斷的開發(fā)和生產(chǎn)當(dāng)中，總結(jié)并發(fā)現(xiàn)了許多晶體制造技術(shù)，其中一種就是提升石英晶體的抗裂性。這種技術(shù)是為了防止當(dāng)晶振周圍溫度上升太高或下降太低時(shí)，引發(fā)的裂開，容易在焊接時(shí)發(fā)生，通常應(yīng)用到車載產(chǎn)品身上的石英晶振，都要具備這一特性。
（1）背景
汽車音響，汽車導(dǎo)航，發(fā)動(dòng)機(jī)控制，TPMS（輪胎·壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），電動(dòng)車窗等各種石英晶體諧振器用于汽車電子設(shè)備。作為這些車載電子設(shè)備的環(huán)境測(cè)試，高溫到低溫重復(fù)測(cè)試（冷熱循環(huán)測(cè)試：進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)控制，TPMS等惡劣環(huán)境下，與人類生活息息相關(guān)在非常嚴(yán)格的熱循環(huán)耐受條件下使用的晶體器件被施加。在印刷電路板上使用帶有焊料的石英晶體器件雖然安裝了，但是通過多次重復(fù)冷卻和加熱循環(huán)來焊接石英晶體器件和印刷電路板的焊料中出現(xiàn)裂縫的問題。
在本文中，我們將解釋焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理以及如何處理它們，以及SMD晶振型陶瓷封裝產(chǎn)品，我將介紹在業(yè)界首次解決這一問題的大型真空晶體器件。
（2）焊料裂紋的發(fā)生機(jī)理
陶瓷封裝（下文稱封裝）和構(gòu)成晶體器件的印刷電路板之間的熱膨脹系數(shù)存在差異。高溫到低溫返回時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，負(fù)載被施加到焊接部分，導(dǎo)致裂縫。在低溫下，發(fā)生在焊料的外周認(rèn)為裂縫通過反復(fù)的高/低溫進(jìn)行到內(nèi)部焊接。（圖①）
圖1：應(yīng)變發(fā)生時(shí)
（3）關(guān)于端子排列的焊接裂紋對(duì)策
我們將通過模擬石英晶振器件中形成的端子排列來驗(yàn)證哪種放置是最佳條件。為了驗(yàn)證應(yīng)力松弛和端子面積的影響，模擬以下列三種模式進(jìn)行。
<模擬結(jié)果>
②：應(yīng)力和裂紋傳播方向
結(jié)果表明裂紋從應(yīng)力最大點(diǎn)（紅色部分）向最小應(yīng)力部分（藍(lán)色部分）前進(jìn)并進(jìn)行。（圖②）各方轉(zhuǎn)彎的結(jié)果如下。
普通產(chǎn)品（4端子產(chǎn)品）···4個(gè)裂紋從包角部分到中心部分進(jìn)行。
2端子產(chǎn)品對(duì)面···裂紋從包角向中心前進(jìn)。
由于裂紋傳播距離與4端子產(chǎn)品相比在物理上延伸，因此，壽命（以下稱為焊接壽命）變長(zhǎng)。
對(duì)角雙端產(chǎn)品···通過對(duì)角線布置，最小應(yīng)力部分從端子的長(zhǎng)邊中心部分移位裂縫可以進(jìn)一步前進(jìn)的距離進(jìn)一步增加，并且焊料的壽命變得更長(zhǎng)。
通過這些模擬，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)角雙端子產(chǎn)品的焊接壽命最長(zhǎng)。也就是說，當(dāng)終端區(qū)域相同時(shí)，對(duì)角線端子排列可以說是焊接裂紋對(duì)策的最佳條件。
焊錫壽命：對(duì)角2端子產(chǎn)品>對(duì)面2端子產(chǎn)品>> 4端子產(chǎn)品
（4）凸塊形成的“焊接裂紋對(duì)策”
接下來，作為使焊料層更厚的手段，我們通過仿真驗(yàn)證了端子上的2端子和端子上的凸起的影響。
相對(duì)的2端子產(chǎn)品（沒有凸起）對(duì)面2端子產(chǎn)品（帶凸起）。
<模擬結(jié)果>
它顯示了施加到焊料部分的應(yīng)變分布圖（在焊料厚度方向上膨脹和收縮的變形）。（圖3）
焊料外周部分的高溫和低溫下的輪廓圖如下所示
*注）輪廓圖是輪廓線用顏色填充的圖
圖3：焊料外部零件在高溫和低溫下的失真分布
①在沒有凸起的情況下，晶振在低溫下發(fā)生裂縫的區(qū)域和在高溫下變形變大的區(qū)域彼此接近，因此開裂趨于發(fā)展。通過形成凸起，裂紋在高溫下進(jìn)展的方向不會(huì)成為直線，并且可以抑制裂紋發(fā)生后的進(jìn)展,它被認(rèn)為不是。
②從上述①的結(jié)果可以看出，當(dāng)有凹凸時(shí)，它在裂紋擴(kuò)展方向上有一個(gè)角度（θ），因此難以向內(nèi)部前進(jìn).
結(jié)果證明了這一點(diǎn)。 此外，還確認(rèn)了外周部分的變形在高溫下變?yōu)樨?fù)（收縮），并且在端子部分處的凸起形成是，事實(shí)證明，它對(duì)預(yù)期壽命措施有影響。
（5）總結(jié)
石英晶體焊料裂縫是由封裝和印刷電路板的不同熱膨脹系數(shù)引起的變形引起的。作為模擬的結(jié)果，取決于終端布置。作為效果，當(dāng)端子對(duì)角布置時(shí)，裂紋進(jìn)展的方向偏離長(zhǎng)邊的中心部分，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)焊料壽命，事實(shí)證明。而且，在裂縫的情況下，當(dāng)應(yīng)變膨脹時(shí)裂縫將擴(kuò)散并進(jìn)展，但是如果形成凸起，則焊料外周的變形在高溫下變?yōu)樨?fù)，裂縫不太可能進(jìn)行。另外，如果有凹凸，裂縫將進(jìn)入右下方。
在焊料破裂中成為問題的機(jī)械破損是由于封裝和印刷電路板的剝離而無法確保電連接朝這個(gè)方向前進(jìn)沒有任何效果。通過在端子處形成凸起，可以獲得這兩種效果和高耐熱循環(huán)性能，它將是一個(gè)產(chǎn)品。
如上所述，通過對(duì)角設(shè)置端子并形成凸塊，可以實(shí)現(xiàn)焊接裂紋對(duì)策。在我們公司，這個(gè)我們開發(fā)的石英貼片晶振首先是行業(yè)中的對(duì)策，現(xiàn)在提供3225尺寸和2016尺寸的晶體單元作為車載設(shè)備。
日本KDS晶振適用于汽車電子的型號(hào)有很多，這種被業(yè)界叫做車規(guī)晶振或者汽車級(jí)晶振，主要特征是耐高溫，耐惡劣環(huán)境，大部分是黑色陶瓷外殼，少部分是金屬面，工作溫度達(dá)到-40℃~100℃以上，常用的封裝尺寸是5032mm，3225mm和2520mm等貼片晶振，最主要的是要符合國(guó)際承認(rèn)的AEC-Q200汽車標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。
（1）背景
汽車音響，汽車導(dǎo)航，發(fā)動(dòng)機(jī)控制，TPMS（輪胎·壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），電動(dòng)車窗等各種石英晶體諧振器用于汽車電子設(shè)備。作為這些車載電子設(shè)備的環(huán)境測(cè)試，高溫到低溫重復(fù)測(cè)試（冷熱循環(huán)測(cè)試：進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)控制，TPMS等惡劣環(huán)境下，與人類生活息息相關(guān)在非常嚴(yán)格的熱循環(huán)耐受條件下使用的晶體器件被施加。在印刷電路板上使用帶有焊料的石英晶體器件雖然安裝了，但是通過多次重復(fù)冷卻和加熱循環(huán)來焊接石英晶體器件和印刷電路板的焊料中出現(xiàn)裂縫的問題。
在本文中，我們將解釋焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理以及如何處理它們，以及SMD晶振型陶瓷封裝產(chǎn)品，我將介紹在業(yè)界首次解決這一問題的大型真空晶體器件。
（2）焊料裂紋的發(fā)生機(jī)理
陶瓷封裝（下文稱封裝）和構(gòu)成晶體器件的印刷電路板之間的熱膨脹系數(shù)存在差異。高溫到低溫返回時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)不同，負(fù)載被施加到焊接部分，導(dǎo)致裂縫。在低溫下，發(fā)生在焊料的外周認(rèn)為裂縫通過反復(fù)的高/低溫進(jìn)行到內(nèi)部焊接。（圖①）
圖1：應(yīng)變發(fā)生時(shí)
（3）關(guān)于端子排列的焊接裂紋對(duì)策
我們將通過模擬石英晶振器件中形成的端子排列來驗(yàn)證哪種放置是最佳條件。為了驗(yàn)證應(yīng)力松弛和端子面積的影響，模擬以下列三種模式進(jìn)行。
<模擬結(jié)果>
②：應(yīng)力和裂紋傳播方向
結(jié)果表明裂紋從應(yīng)力最大點(diǎn)（紅色部分）向最小應(yīng)力部分（藍(lán)色部分）前進(jìn)并進(jìn)行。（圖②）各方轉(zhuǎn)彎的結(jié)果如下。
普通產(chǎn)品（4端子產(chǎn)品）···4個(gè)裂紋從包角部分到中心部分進(jìn)行。
2端子產(chǎn)品對(duì)面···裂紋從包角向中心前進(jìn)。
由于裂紋傳播距離與4端子產(chǎn)品相比在物理上延伸，因此，壽命（以下稱為焊接壽命）變長(zhǎng)。
對(duì)角雙端產(chǎn)品···通過對(duì)角線布置，最小應(yīng)力部分從端子的長(zhǎng)邊中心部分移位裂縫可以進(jìn)一步前進(jìn)的距離進(jìn)一步增加，并且焊料的壽命變得更長(zhǎng)。
通過這些模擬，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)角雙端子產(chǎn)品的焊接壽命最長(zhǎng)。也就是說，當(dāng)終端區(qū)域相同時(shí)，對(duì)角線端子排列可以說是焊接裂紋對(duì)策的最佳條件。
焊錫壽命：對(duì)角2端子產(chǎn)品>對(duì)面2端子產(chǎn)品>> 4端子產(chǎn)品
（4）凸塊形成的“焊接裂紋對(duì)策”
接下來，作為使焊料層更厚的手段，我們通過仿真驗(yàn)證了端子上的2端子和端子上的凸起的影響。
相對(duì)的2端子產(chǎn)品（沒有凸起）對(duì)面2端子產(chǎn)品（帶凸起）。
<模擬結(jié)果>
它顯示了施加到焊料部分的應(yīng)變分布圖（在焊料厚度方向上膨脹和收縮的變形）。（圖3）
焊料外周部分的高溫和低溫下的輪廓圖如下所示
*注）輪廓圖是輪廓線用顏色填充的圖
圖3：焊料外部零件在高溫和低溫下的失真分布
①在沒有凸起的情況下，晶振在低溫下發(fā)生裂縫的區(qū)域和在高溫下變形變大的區(qū)域彼此接近，因此開裂趨于發(fā)展。通過形成凸起，裂紋在高溫下進(jìn)展的方向不會(huì)成為直線，并且可以抑制裂紋發(fā)生后的進(jìn)展,它被認(rèn)為不是。
②從上述①的結(jié)果可以看出，當(dāng)有凹凸時(shí)，它在裂紋擴(kuò)展方向上有一個(gè)角度（θ），因此難以向內(nèi)部前進(jìn).
結(jié)果證明了這一點(diǎn)。 此外，還確認(rèn)了外周部分的變形在高溫下變?yōu)樨?fù)（收縮），并且在端子部分處的凸起形成是，事實(shí)證明，它對(duì)預(yù)期壽命措施有影響。
（5）總結(jié)
石英晶體焊料裂縫是由封裝和印刷電路板的不同熱膨脹系數(shù)引起的變形引起的。作為模擬的結(jié)果，取決于終端布置。作為效果，當(dāng)端子對(duì)角布置時(shí)，裂紋進(jìn)展的方向偏離長(zhǎng)邊的中心部分，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)焊料壽命，事實(shí)證明。而且，在裂縫的情況下，當(dāng)應(yīng)變膨脹時(shí)裂縫將擴(kuò)散并進(jìn)展，但是如果形成凸起，則焊料外周的變形在高溫下變?yōu)樨?fù)，裂縫不太可能進(jìn)行。另外，如果有凹凸，裂縫將進(jìn)入右下方。
在焊料破裂中成為問題的機(jī)械破損是由于封裝和印刷電路板的剝離而無法確保電連接朝這個(gè)方向前進(jìn)沒有任何效果。通過在端子處形成凸起，可以獲得這兩種效果和高耐熱循環(huán)性能，它將是一個(gè)產(chǎn)品。
如上所述，通過對(duì)角設(shè)置端子并形成凸塊，可以實(shí)現(xiàn)焊接裂紋對(duì)策。在我們公司，這個(gè)我們開發(fā)的石英貼片晶振首先是行業(yè)中的對(duì)策，現(xiàn)在提供3225尺寸和2016尺寸的晶體單元作為車載設(shè)備。
日本KDS晶振適用于汽車電子的型號(hào)有很多，這種被業(yè)界叫做車規(guī)晶振或者汽車級(jí)晶振，主要特征是耐高溫，耐惡劣環(huán)境，大部分是黑色陶瓷外殼，少部分是金屬面，工作溫度達(dá)到-40℃~100℃以上，常用的封裝尺寸是5032mm，3225mm和2520mm等貼片晶振，最主要的是要符合國(guó)際承認(rèn)的AEC-Q200汽車標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。
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