微波集成電路的老煉試驗(yàn)技術(shù)

任俊華，趙鑫燚，王弘英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北　石家莊　050051）

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微波集成電路的老煉試驗(yàn)技術(shù)

任俊華，趙鑫燚，王弘英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊050051）

微波集成電路 （MIC）是雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，其可靠性試驗(yàn)對(duì)于保證交付產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要的作用。老煉試驗(yàn)是可靠性篩選的關(guān)鍵一環(huán)，因而也是產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段。對(duì)MIC老煉試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，并針對(duì)老煉夾具的設(shè)計(jì)、ESD與EMP防護(hù)和自激振蕩的預(yù)防與消除提出了具體的解決措施。

微波集成電路；老煉試驗(yàn)；夾具；自激振蕩；可靠性

0　引言

微波集成電路 （MIC：Microwave Integrated Circuit）在雷達(dá)和微波通信等系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。伴隨著對(duì)器件質(zhì)量要求的不斷提高，可靠性試驗(yàn)的重要性逐步地加強(qiáng)，而老煉試驗(yàn)結(jié)合電參數(shù)測(cè)試是有效的可靠性篩選手段［1］。正式生產(chǎn)交付的MIC都應(yīng)通過(guò)老煉試驗(yàn)，以對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估。由于MIC具有靜電放電敏感度等級(jí)低、易產(chǎn)生自激振蕩等特點(diǎn)，因而其老煉試驗(yàn)工作具有一定的難度。試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)有問(wèn)題、試驗(yàn)規(guī)范不明確或試驗(yàn)操作失誤等都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的老煉試驗(yàn)失敗，因此，研究MIC老煉試驗(yàn)的相關(guān)理論和試驗(yàn)過(guò)程中的影響因素，具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

1　老煉夾具的設(shè)計(jì)

老煉夾具也被稱為老化板，它的設(shè)計(jì)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)基本功能：固定試驗(yàn)樣品、正確地施加電應(yīng)力、預(yù)防自激振蕩和保證散熱良好。典型的MIC老煉夾具的示意圖如圖1所示。

圖1　典型的MIC老煉夾具

下面以金屬陶瓷扁平封裝的MIC靜態(tài)電老煉為例，介紹老煉夾具的設(shè)計(jì)。

首先，要根據(jù)高溫試驗(yàn)箱的尺寸及老煉器件合理的密度要求，設(shè)計(jì)每塊老化板的尺寸和重量；在老化板上對(duì)適用的產(chǎn)品型號(hào)或管殼型號(hào)、制作日期等進(jìn)行標(biāo)示；不同的加電導(dǎo)線要通過(guò)顏色進(jìn)行區(qū)分，以防止試驗(yàn)人員混淆。

其次，在每路饋電引線與地之間并接一對(duì)去耦電容，容值推薦為10 μF并聯(lián)0.1 μF。在射頻輸入、輸出端口外接50 Ω貼片電阻，以防止微波器件的阻抗失配，因?yàn)樵谝欢ǖ臈l件下，微波器件嚴(yán)重的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致自激振蕩。由于老化器件并聯(lián)工作，為了保證每只器件的加電條件一致，將正負(fù)電源的導(dǎo)線加粗，并采取大面積接地及就近接地。相鄰器件間的間距設(shè)置要合理，過(guò)近則易產(chǎn)生空間串?dāng)_。

然后，因MIC老化試驗(yàn)的高溫工作特點(diǎn)，老化板應(yīng)采用鍍金工藝，并對(duì)除引線焊盤(pán)以外的區(qū)域進(jìn)行阻焊處理，防止手汗、油漬等沾污腐蝕，背襯鋁板也要進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，避免高溫下由于鋁被氧化而造成接觸電阻變大。

最后，管腳引線到背襯鋁板的距離應(yīng)略大于夾具槽深 （一般不超過(guò)0.8 mm），以使得固定器件的底座后，管腳引線能自然下垂地搭在老化板的微帶線表面。固定器件后若管腳上翹，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成管殼瓷裂或管腳脫落。在設(shè)計(jì)壓塊或壓條尺寸時(shí)，應(yīng)讓開(kāi)器件引腳根部至少1 mm，以防止壓塊或壓條直接壓在引腳根部而造成管殼受損。

2　ESD與EMP防護(hù)

MIC以砷化鎵或氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管為電路基礎(chǔ)，因而其靜電敏感度等級(jí)較低，在老煉試驗(yàn)的過(guò)程中需要預(yù)防靜電放電 （ESD：E1ectro-Static discharge）和電磁脈沖 （EMP：e1ectro magnetis pu1se）效應(yīng)。帶電人體觸碰反偏肖特基結(jié)產(chǎn)生靜電放電的熱損傷模型如圖2所示。

圖2人體靜電放電等效電路

圖2中各參數(shù)的定義為：

VD——肖特基結(jié)反向擊穿電壓；

Rc——人體接觸電阻；

RD——肖特基結(jié)擊穿時(shí)的電阻；

VD——人體帶電電勢(shì)。

在一個(gè)放電周期τp內(nèi)，通過(guò)反偏肖特基結(jié)的平均損耗功率Pa可表示為［2］：

Pa=0.634VDIP+0.866RDIP2（1）

其中，IP與Vb-VD成正比，為流過(guò)RD的峰值電流。

加在反偏肖特基結(jié)上的平均功率密度Pas為：

式 （2）中：Sef——ESD有效放電面積。

當(dāng)Pas達(dá)到并超過(guò)某一臨界閾值時(shí)，肖特基結(jié)進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，最終會(huì)由于熱效應(yīng)而造成器件損傷乃至燒毀。

與ESD反偏注入模型相比，EMP反偏注入模型少了一個(gè)起一定的限流作用的1.5 KΩ的人體等效電阻，所以EMP對(duì)器件的損傷機(jī)理與ESD類似，但EMP注入失效電壓僅為ESD注入失效電壓的1/10～1/20。試驗(yàn)設(shè)備里的各類電動(dòng)機(jī)、電阻絲等感性元件的啟閉過(guò)程中都可能產(chǎn)生EMP信號(hào)。某普通電動(dòng)改錐頭上測(cè)得的EMP信號(hào)如圖3所示，其峰值達(dá)300 V。

圖3　電動(dòng)改錐頭EMP信號(hào)

為了進(jìn)行ESD與EMP防護(hù)，在老煉過(guò)程中應(yīng)對(duì)各種電磁干擾進(jìn)行有效的隔離。例如：老煉夾具應(yīng)放置于聚四氟乙烯絕緣隔板上，而不應(yīng)該與高溫試驗(yàn)箱的金屬壁或金屬板相接觸；裝卸、傳遞老化板的過(guò)程中，應(yīng)將老煉板上的各加電導(dǎo)線短接，以避免不同電極間的電位差；市電 （～220 V）應(yīng)經(jīng)交流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓濾波后，再給各類試驗(yàn)儀器供電；此外，還應(yīng)利用精密凈化交流穩(wěn)壓電源對(duì)來(lái)自電網(wǎng)的紋波噪聲和尖峰電壓進(jìn)行吸收和抑制。通常，交流穩(wěn)壓電源的典型指標(biāo)為：輸入穩(wěn)壓范圍：180～260 V；尖峰吸收：輸入3 000 V/3 ms，輸出30 V。

老煉試驗(yàn)過(guò)程中必須提供一個(gè)低阻通道，對(duì)可能產(chǎn)生的ESD和EMP電流進(jìn)行分流泄放，以防止器件受損，例如：將各種試驗(yàn)儀器、設(shè)備均可靠地接地；佩戴有線式防靜電手環(huán)；在防靜電桌面上進(jìn)行裝卸、加電檢查等操作等。

3　自激振蕩的預(yù)防與消除

內(nèi)含各類放大器的MIC老煉時(shí)，都應(yīng)考慮到自激振蕩的預(yù)防與消除。MIC頻帶越寬、增益越高、輸出功率越大，就越易產(chǎn)生自激振蕩。

任何放大器都可能因?yàn)樵黾恿送獠空答伓鴮?dǎo)致振蕩。這種反饋可以是有意的，例如：級(jí)間的偏置網(wǎng)絡(luò)、器件并聯(lián)而產(chǎn)生的環(huán)路和源自感效應(yīng)；也可能是無(wú)意的，例如：低的隔離度和接地不良［3］。反饋型振蕩器的基本原理圖如圖4所示。

振蕩器模型主要由有源部分G（jω）和反饋網(wǎng)絡(luò)H（jω）構(gòu)成，其傳輸函數(shù)可表示為：

圖4　反饋型振蕩器原理框圖［4］

由于振蕩器無(wú)輸入，V（in）=0。因此，振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的條件為 （3）式右邊的分母為零，即G（jω）H（jω）=1，也就是：

|G（jω）H（jω）|=1（4）

φG（jω）+φH（jω）=2nπ，n=1，2，3…（5）

其中，稱G（jω）H（jω）=T（jω）為反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益。自激振蕩發(fā)生的條件為T(mén)（jω）=1，其也被稱為振蕩器的平衡條件。對(duì)于一個(gè)給定的老煉器件，G（jω）的值是一定的，所以預(yù)防與消除自激振蕩的關(guān)鍵在于調(diào)整反饋系數(shù)H（jω），并最終使得|T（jω）|＜1。

老煉試驗(yàn)時(shí)，需要使用精確、直觀的寬帶頻譜分析儀探查自激振蕩，通過(guò)觀察電壓、電流的穩(wěn)定與否或使用高頻毫伏表來(lái)探查都不可靠。在加電檢查階段，需對(duì)每塊老化板上的每個(gè)器件的上方均使用寬帶頻譜進(jìn)行掃描探查；器件被放入烘箱后，由于器件阻抗的大小會(huì)隨溫度的上升而發(fā)生變化，因而可能產(chǎn)生新的自激，所以需要用頻譜分析儀重新進(jìn)行掃描，一個(gè)捕捉到的自激振蕩的頻譜如圖5所示。

圖5　自激振蕩的頻譜

自激振蕩的預(yù)防首先依賴于老煉夾具電路的防自激設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)操作時(shí)主要要注意保證器件接地良好。在通常情況下，可通過(guò)以下幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，例如：加強(qiáng)器件與地之間的緊固效果；在器件管座與接地鋁板間墊一層鋁箔，減小接地電阻；另外，有些管殼的金屬管帽屬懸空設(shè)計(jì)，懸空的管帽因加強(qiáng)了相鄰器件間的電場(chǎng)耦合［5］，很容易造成自激振蕩，這種情況下可通過(guò)接地的鋁條將懸空的管帽短路到地。

此外，還常使用微波吸收材料來(lái)減小同一器件輸入與輸出間、相鄰器件輸出與輸入間的空間電磁耦合，即改變反饋系數(shù)，從而預(yù)防和消除自激。

6　結(jié)束語(yǔ)

老煉試驗(yàn)是可靠性篩選的重要一環(huán)，也是產(chǎn)品質(zhì)量保證的重要手段。科學(xué)的老煉試驗(yàn)對(duì)于正確地判別器件的質(zhì)量水平具有重要的意義。因此，本文對(duì)MIC老煉試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，并綜合運(yùn)用文中所述的各項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)，成功地保障了數(shù)十萬(wàn)只各類MIC的老煉試驗(yàn)的順利完成。

［1］王茉.軍用集成電路老煉篩選技術(shù)研究 ［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012：1-15.

［2］劉紅兵，王長(zhǎng)河，趙彤，等.ESD與EMP對(duì)微波晶體管損傷機(jī)理研究 ［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（8）：705-710.

［3］IDER J Bah1.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)［M］.鮑景富，孫玲玲，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013：307-364.

［4］曾興雯，劉乃安.高頻電路原理與分析 ［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006：104-108.

［5］周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝 ［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：95-100.

Burn-in Test Technique of MIC

REN Jun-hua，ZHAO Xin-yi，WANG Hong-ying
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

MIC is the key part of radar and microwave communication system，whose re1iabi1ity test is great1y important to ensure the qua1ity of de1ivered products.Burn-in test is the key part of re1iabi1ity screening，therefore，it is a1so an important means to ensure the qua1ity of products. The burn-in test techniques of MIC are studied，and the specific solutions aiming at the design of the test fixture，the protection of ESD and EMP as well as the prevention and elimination of self-oscillation are put forward.

MIC；burn-in test；fixture；se1f-osci11ation；re1iabi1ity

TN 454；TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0061-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.012

2016-01-22

2016-01-25

任俊華 （1975-），男，安徽蕪湖人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所工程師，主要從事半導(dǎo)體器件可靠性試驗(yàn)工作。