高温拷机CPU无法正常启动问题定位与分析

【摘要】

本文针对某产品生产拷机中不能正常开机问题，进行故障复现，定位到给单板上的CPU提供时钟信号的晶体频偏超标导致CPU无法启动，最终定位是晶体性能问题需更换器件方案。

一、现象描述

某产品批量发货生产中，出现偶发性不能正常开机，经排查和单板CPU所用的晶体相关，晶体温度稳定性较差频偏超标导致部分单板晶体无法起振导致。

表1 失效器件关键信息

物料名称	普通晶体谐振器(带绝缘垫片）
器件型号	xxxxx
品牌	xxxxx
调整频差@25±3℃	±10PPM
工作温度条件下允许的频偏	±30PPM
故障模式	部分失效品常温时频偏超标，部分失效品温度升高至40多℃时，频偏超标。

二、故障分析

本案例中我们按照三部曲来对该故障进行定位分析：

1）单板级故障分析：以故障单板作为整系统，对失效晶体系统级参数进行测试分析；

2）芯片级故障分析：脱离单板硬件系统，对失效晶体单体参数进行芯片级测试分析；

3）材料分析：对器件进行拆解，深入器件内部结构、性能，准确定位器件失效原因。

1、单板级分析

如下为现场返回拷机时偶发故障的1#晶体样品的排查测试过程：在室温下能在单板上正常工作，测试结果如下：

1）常温下，该晶体的振幅为1.2V（峰峰值），如图1所示，符合手册标称typical幅值1.26V要求；

图1 常温下1#晶体的波形图

2）为了快速复现现象，先使用吹风机辅助完成：使用电吹风缓慢加热后，失效晶体的幅值先减小（如图2），至停振（如图3），再增大至860mV（如图4所示）；

图2 受热后，1#晶体的波形图（幅值变小）

图3 受热后，1#晶体的波形图（停振）

图4 停止吹风后，1#晶体的波形图

3）使用电吹风对正常的晶体加热后，振幅无明显变化。

2、芯片级分析

1）晶体参数测试

按照规格书给定参数测试1#样品常温及吹风机加热条件下样品的晶体参数， 发现1#样品常温下测试各参数结果满足代码级规格书要求，但吹风机40℃加热时，样品出现跳频，跳频幅度近120ppm，其他参数未出现异常。

该产品中要求该晶体参数为负载谐振频率（FL）±20ppm、谐振阻抗（RR）40Ω Max、DLD2<8Ω 。具体测试数据如表2所示：

表2 晶体的参数测试表

对1#样品进行频谱扫描，结果如1#样品有明显寄生振荡频率（如图5所示），在约40℃ 时出现主振双峰情况（如图6所示），导致样品跳频：

图51#样品常温频谱扫描图

图61#样品约40℃加热时频谱扫描图

3、材料分析

对正常样品和1#样品进行开封、内部目检，发现1#样品内部微调电极有明显氧化，并有明显污染，开封后的图片，如图7未正常晶体样品内部图，图8为故障1#样品内部图：

图7正常样品开封后图片

图8 1#样品开封后图片

对故障样品进行多样品拆解分析，材料实验室的分析结论如下：经测试分析，故障样品由于内部晶片电极污染，该样品设计或制造工艺不足引起频谱寄生振荡，最终导致谐振频率跳频。

三、总结

晶体或者晶振几乎是我们每一块单板必需的器件，它的稳定与否直接关系到我们系统的稳定性，希望通过本文能给大家在以后类似的故障排查中提供一点思路。案例本身是次要的，技术文档分析重在问题排查思路的分享，希望对大家有所帮助。

审核编辑：汤梓红