微波器件的可靠性及失效分析

張新煥，劉軍霞，曹敏華

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子整機系統(tǒng)的工作頻率越來越高，半導(dǎo)體微波器件在各種領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，而在使用過程中出現(xiàn)的質(zhì)量與可靠性問題也日益增多，失效現(xiàn)象時有發(fā)生，有些已經(jīng)造成生產(chǎn)方和使用方的巨大經(jīng)濟損失，直接影響了整機系統(tǒng)的可靠性。為此，微波器件的可靠性越來越受到重視，用戶和生產(chǎn)方對與其相關(guān)的失效分析技術(shù)的需求也越來越迫切。

2 可靠性與失效分析

可靠性一般用失效率（1/hour，1FIT=1/109hours）來表示。圖1中曲線a為器件的典型失效率曲線。從圖中可以看出，器件失效過程可分為三個階段來描述，包括早期失效、偶然失效和疲勞失效。

研究和統(tǒng)計表明，器件失效率最高的時期發(fā)生在器件剛開始使用的早期失效階段，有缺陷的、受污染的或處于臨界狀態(tài)的器件會在這個時期失效而暴露出來。這個階段時間很短，有的器件僅幾天就會失效，早早地便被淘汰。偶然失效期為元器件的正常工作階段，也是元器件的壽命期限；不同類別的器件有著不同的偶然失效期，即有著不同的壽命。器件在經(jīng)過偶然失效期的長期工作后，便會出現(xiàn)疲勞，此時器件便進入了疲勞失效期，其失效率會逐漸增高。圖1中曲線b為器件的實際失效率曲線，從圖中可以看到一個有趣的現(xiàn)象，就是某一器件使用越久，它的可靠性會越高。這是因為對器件而言，它的真正疲勞失效的壽命是非常長的，遠長于器件工作裝置的設(shè)計壽命。

圖1 失效率與時間的關(guān)系

失效分析的基本內(nèi)容包括失效情況調(diào)查、失效模式鑒別、失效特征描述、假設(shè)失效機理、證實失效機理、提出糾正措施和新失效因素的考慮等。分析著重于查明失效模式、追查失效機理、探討改進方法。

失效分析的原則是先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析；先外觀分析，后內(nèi)部分析（解剖分析）；先調(diào)查了解與分析有關(guān)情況（線路、應(yīng)力條件、失效現(xiàn)象等），后分析失效器件。

失效分析的目的和意義有：（1）提高元器件的質(zhì)量和可靠性，解決裝備中元器件的可靠性問題。通過失效分析和采取相應(yīng)糾正和改進措施可以顯著提高器件的成品率和可靠性，減少電子裝備的故障。（2）系統(tǒng)試驗和現(xiàn)場使用期間電子裝備發(fā)生故障導(dǎo)致的經(jīng)濟損失巨大，排除故障的維修費用頗高，做好失效分析工作可以顯著減少這方面的開支。（3）失效分析對元器件的生產(chǎn)和使用都具有重要意義。

3 引起微波器件失效的主要原因

微波器件的主要失效原因可分為以下兩類。

3.1 固有缺陷造成失效

固有缺陷是器件本身的質(zhì)量和可靠性問題，包括設(shè)計缺陷、芯片工藝缺陷、組裝工藝缺陷等。具體有引線鍵合不良、導(dǎo)電膠加固、芯片缺陷（沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)等）、芯片粘接、線圈脫落等，使器件留下潛在隱患。當(dāng)這些器件裝入整機使用—段時間后，在外界各種應(yīng)力的作用下，最終發(fā)生失效，有以下幾個方面：

（1）設(shè)計不當(dāng)。設(shè)計不當(dāng)可分為電路設(shè)計不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)及工藝設(shè)計不當(dāng)?shù)?。無論哪種設(shè)計不當(dāng)都會使元器件在應(yīng)用時受損而失效。設(shè)計不當(dāng)造成器件的失效率較高，且會反復(fù)出現(xiàn)。

（2）元器件選型不當(dāng)。元器件選型不當(dāng)也是電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生失效的原因之一，主要是設(shè)計人員對元器件參數(shù)及性能了解不全面或考慮不周，致使所選用的元器件無法滿足電路要求。元器件選型不當(dāng)會造成在使用過程中大量的元器件失效。

（3）操作失誤。在裝配電子元器件時，操作失誤也是造成元器件經(jīng)常出現(xiàn)失效的原因之一，例如限幅器接反、保護二極管極性加反引起的燒毀失效、裝配中元器件機械應(yīng)力過大而開裂變形等。

（4）裝配工藝及裝配環(huán)境的影響。在裝配過程中，器件安裝與焊接質(zhì)量以及裝配環(huán)境的好壞，不但直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)性能，而且還對元器件的應(yīng)用可靠性帶來影響。元器件位置排列對電子設(shè)備的性能影響很大，例如當(dāng)元器件排列的距離過小時，很容易發(fā)生擊穿打火，使元器件失效；元器件的固定也很重要，若體積大的元器件光靠焊接來固定而不采取其他固定措施，元器件就經(jīng)受不起使用中的沖擊和震動，不可能長時間地可靠工作；元器件的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到電子設(shè)備是否可靠地工作，甚至?xí)?dǎo)致元器件失效，元器件在焊接時，如果焊點內(nèi)部沒有完全熔合，這樣的焊點被稱為虛焊點，極易造成電路斷路。產(chǎn)生虛焊點的主要原因除了元器件本身的可焊性差以外，元器件引線、導(dǎo)線和焊片表面不清潔以及焊料質(zhì)量不好往往是主要方面。據(jù)統(tǒng)計，由于焊接質(zhì)量不好而產(chǎn)生電子設(shè)備故障的情況占全部故障的20%左右。焊接用的焊劑最好不要用酸性焊劑，因為酸性焊劑將會使元器件產(chǎn)生銅綠，最后被腐蝕，直至元器件引腳發(fā)生霉斷而失效。

3.2 使用不當(dāng)造成失效

因使用不當(dāng)造成的失效原因主要是靜電損傷和過電應(yīng)力。對于GaAs器件，由于材料本身的原因，器件抗靜電和抗過電能力比硅器件要弱，大多數(shù)微波單片電路的靜電放電敏感度（ESDS）在300V～500V之間（人體模型HBM），使用過程中防靜電和過電的保護措施非常重要。尤其是靜電損傷具有潛在性和累積性的特點，即器件在受到靜電損傷后并不立即失效，往往在以后的加電工作中才可能突發(fā)失效；或者經(jīng)歷一次輕微的靜電放電后并不立即失效，往往在以后的加電中也可能突發(fā)失效。過電應(yīng)力引起的元器件失效占總失效數(shù)的比率很大，它發(fā)生在元器件的測試、篩選、裝配、調(diào)試及工作運行的各階段，其原因是多種多樣的，包括微波信號端口失配、加電順序不當(dāng)、系統(tǒng)接地不良、強電干擾、電源電壓浪涌等。其次，質(zhì)量大、體積大的元器件惡加固和腳彎曲不當(dāng)，誤判和虛焊也有一定的比例。

4 微波器件主要失效模式

在這里，按照制造工藝將微波器件分為三類：第一類是微波分立器件，即通常所說的單管；第二類是微波單片電路，主要是GaAs單片電路；第三是微波組件，包括采用封裝器件以及裸芯片組成的各種微波混合電路和功能模塊。

4.1 微波分立器件的主要失效模式

對微波單管來說，常見的失效模式有：漏電流增大和短路、飽和壓降增大、擊穿特性退化、電流或功率增益退化、高阻或開路、燒毀失效等。

4.2 微波單片電路的主要失效模式

微波單片電路的可靠性問題主要表現(xiàn)為有源器件、無源器件和加工中引入的機械應(yīng)力損傷，主要的失效部位在有源器件，封裝效應(yīng)、輻射效應(yīng)以及移位損傷效應(yīng)等因素也會導(dǎo)致微波單片電路的失效。

4.3 微波組件的主要失效模式

微波組件又稱微波模塊，品種很多，應(yīng)用范圍很廣。單個管芯、多個管芯、封裝器件、單片電路以及它們的組合構(gòu)成微波組件的有源部分；電阻、電感、電容、分布式傳輸線等各種元件和做成傳輸線的電路基板構(gòu)成微波組件的無源部分。因此，微波分立器件和微波單片電路的主要失效模式在微波組件中都有所體現(xiàn)，不再贅述。

5 總結(jié)

本文對微波器件的可靠性及失效分析進行了論述，對失效分析的基本方法和程序有了進一步的理解，并且歸納總結(jié)了微波器件中常見的失效模式和失效機理。

[1]孔學(xué)東，恩云飛，主編.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業(yè)出版社.

[2]總裝備部軍用電子元器件合同管理辦公室.軍用電子元器件可靠性概論[S].2006.

[3]微電子器件試驗方法和程序[S].GJB548B-2005.

[4]第四屆電子產(chǎn)品防護技術(shù)研討會論文集[C].2004.