Problema de soldadura del cristal SMD (?) y cualquier procedimiento de prueba recomendado

Question

Utilizo un cristal SMD de 32,768 kHz ( hoja de datos ) para una MCU. Aquí está la parte de la disposición del cristal.

Esta es una vista de una placa de circuito impreso real

Monté los componentes soldándolos a mano y produje unos 30 módulos.

El cristal de la mayoría de los módulos no empezó a funcionar al principio, pero lo solucioné volviendo a soldar el cristal aplicando un poco más de soldadura debajo. Lo interesante es que cuando toco un pin del cristal con una pinza, el cristal empieza a funcionar. Aquí hay una vista de osciloscopio de la señal del cristal.

El fallo es cuando toqué la trayectoria con una pinza, y entonces comienza la oscilación.

Otro hecho es que algunos de los cristales de la placa funcionan si toco la trayectoria de la tapa C451, algunos de ellos comienzan a funcionar si toco la trayectoria de la tapa C441 (por ejemplo, si funciona tocando la trayectoria de la tapa C451, no funciona si toco la trayectoria de la tapa C441).

Esto me hizo dudar si está relacionado con la soldadura bajo el cristal (tal vez una superficie de contacto desigual u otra razón que no se me ocurre). O si no es un problema puramente relacionado con la soldadura, ya que a veces he tenido que realizar el proceso de re-soldadura varias veces hasta que el problema del cristal se resuelve. En la vista de la placa de circuito impreso de arriba, la soldadura extra sobresale del lado del cristal (no hay cortocircuito con otra almohadilla o caja del cristal), debería haber con seguridad una conexión entre el pin del cristal y la almohadilla de la placa de circuito impreso, pero el problema aún persiste.

Otro problema es que he experimentado en 4 placas que funcionan después de volver a aplicar la soldadura debajo de ellas, pero cuando las pruebo al día siguiente, el cristal tiene el mismo problema.

Pregunta.1 ¿Alguien ha experimentado un problema similar o se le ocurre cuál podría ser el problema real?

Pregunta.2 Las tablas estarán en el campo, me preocupa que funcionen aquí pero que tengan problemas cuando el cliente necesite usarlas. La forma de probarlas es poner en marcha los módulos por parejas en un día y observar si hay algún fallo y extender esta prueba a una semana. ¿Hay algún método/técnica para probar (u obtener una indicación) si el cristal probablemente funcionará bien en el futuro?

• He inspeccionado las placas de circuito impreso con un microscopio y he comprobado que no hay ningún cortocircuito entre ninguna traza o que no hay ninguna conexión de soldadura desde la caja del cristal a ninguna trayectoria
• En las placas problemáticas, he vuelto a colocar el cristal con los que quité de la placa que funciona bien, por lo tanto no debe ser un problema de componentes
• He limpiado los residuos de fundente en la PCB pero no cambia el resultado
• He buscado si hay un procedimiento/técnica especial para soldar este tipo de cristales SMD pero no he podido encontrar ninguna información relacionada.

EDITAR Intenté colocar un condensador de diferentes valores pero no ayudó.

EDIT2 Aquí está la vista gerber del diseño de referencia de TI, como es un cristal opcional, se conecta a través de resistencias de 0 ohmios (R451, R441)

Answer 1

Tu diseño se ve mucho peor en la captura de pantalla de lo que es en realidad con el vertido de tierra, sin embargo, yo todavía trataría de aislar el retorno de tierra de las tapas de carga y hacer que vaya directamente a la tierra en el chip. También me gustaría ver una toma de tierra debajo de las tapas y el cristal (tal vez tengas una) y conectada al mismo punto de tierra que las tapas de carga.

No es probable que ese sea tu problema, parece que hay varias posibilidades. En primer lugar, la caja metálica del cristal puede estar en cortocircuito o hay algún problema de PCB. Tu descripción tiende a indicar que no.

Se trata de un cristal de muy bajo nivel de potencia (100nW de accionamiento 500nW de accionamiento máximo). Asegúrate de que está bien adaptado a tu chip. No puedes cambiar las capacitancias de carga a discreción si quieres una sincronización precisa (se requiere +/- 40ppm) pero asegúrate de que son apropiadas (si no hay tapas dentro del chip, generalmente deberían ser unos pocos pF menos que el doble de la capacitancia especificada para el cristal- esa hoja de datos muestra varios valores posibles para ese cristal). Deberías probar la puesta en marcha de las placas a temperaturas extremas- una puesta en marcha marginal a temperatura ambiente indica un probable problema relacionado con el gm del chip, y eso cambia con la temperatura.

Finalmente ( ¡y quizás la mejor noticia! ), si su ensamblador está usando flujo no limpio, y especialmente si el chip es de extrema baja potencia, apuesto a que ese es exactamente su problema. Para eliminar el residuo hay que utilizar un disolvente fuerte y fregar. El hecho de que vuelvas a soldar las piezas puede afectar al residuo y permitir que vuelvan a funcionar.

Edición: Yo sospecharía del residuo de fundente no limpio- es extremadamente difícil de eliminar. También puedes comparar los valores de la tapa de carga y las especificaciones del cristal Epson que estás usando con el cristal usado en el diseño de referencia de TI para ver si algo te llama la atención. Pero también hay que fregar la parte superior de esa placa en la zona del cristal con algún limpiador de PCB con disolvente desagradable y un cepillo de dientes. El disolvente solo (incluso algo tan desagradable como el disolvente de lacas) no es suficiente.

Answer 2

Mencionas que el oscilador se pone en marcha cuando lo tocas con unas pinzas. Eso me indica que quizás necesites un poco más de capacitancia en uno o quizás en ambos (depende de cómo funcione este oscilador en particular) de los pines del cristal. Me refiero a la "capacitancia de carga (3)" de la hoja de datos. ¿Hay algún condensador de carga conectado a este cristal? Si no, yo empezaría con 10 pF, si hay, aumenta su valor con 10 pF.

Me cuesta creer que tenga algo que ver con la placa de circuito impreso, según mi experiencia soldar un cristal en una placa de circuito impreso no debería ser tan problemático. Yo suelo utilizar aire caliente para cristales tan pequeños y casi siempre funciona bien.

Answer 3

¿Cuál es el reloj que se supone que gestiona esta junta?

Parece que es un problema con los condensadores. Cuando se toca un terminal las cosas funcionan debido a su capacitancia. ¿Son correctos los valores del condensador del cristal? ¿Has intentado volver a soldar (sólo recalentar los terminales) los condensadores?

Los cristales de 3 terminales pueden tener un comportamiento más adecuado, especialmente para los circuitos de alta frecuencia. También deberías querer (dependiendo de la velocidad del reloj) igualar (y reducir al mínimo posible) la longitud de las trazas del cristal. Siempre empieza a trazar desde GND, Vcc y el reloj.