某中頻控制器低溫下輸出異常的失效分析

桑寶巖（中國(guó)人民解放軍總后勤部95996部隊(duì)第三大隊(duì)，北京 100000）

某中頻控制器低溫下輸出異常的失效分析

桑寶巖
（中國(guó)人民解放軍總后勤部95996部隊(duì)第三大隊(duì)，北京 100000）

近些年來(lái)，關(guān)于電子元器件的失效分析已逐漸發(fā)展成為一個(gè)專門(mén)的學(xué)科，作為專門(mén)的模擬集成電路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位，在分析儀器、設(shè)備有限的條件下，通過(guò)失效分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測(cè)試、以及生產(chǎn)制造過(guò)程中存在的問(wèn)題，以不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和制造工藝，提高產(chǎn)品的可靠性。通過(guò)對(duì)某中頻控制器在用戶處表現(xiàn)出來(lái)的低溫下通斷比異常的情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，文中不僅給出了失效機(jī)理，同時(shí)提出了改進(jìn)措施。此次失效分析對(duì)于同類中頻控制器的設(shè)計(jì)、提高其可靠性具有一定的借鑒意義。

中頻控制器；低溫；通斷比；失效分析

概述

于2014年設(shè)計(jì)定型的某型中頻控制器，在摸底、批量篩選、鑒定考核過(guò)程中均未發(fā)生典型失效。該產(chǎn)品于2014年12月完成設(shè)計(jì)定型后開(kāi)始首批供貨，目前僅供貨一個(gè)批次。

2015年1月，收到用戶退貨電路，并附反饋單“首批供貨的電路有部分存在低溫（-40 ℃）下通斷比異常，但常溫恢復(fù)正常的情況?！庇捎谠摦a(chǎn)品在篩選、考核時(shí)未發(fā)生過(guò)相同或相似的異?，F(xiàn)象，而首批供貨在用戶處發(fā)現(xiàn)異常，擔(dān)心為批次性質(zhì)量問(wèn)題，因此開(kāi)展了詳細(xì)的失效分析。

1　失效原因分析

1.1失效現(xiàn)象確認(rèn)

按照該中頻控制器詳細(xì)規(guī)范對(duì)1只退回電路進(jìn)行全參數(shù)常溫、低溫測(cè)試（采用低溫箱內(nèi)測(cè)試的方法），測(cè)試結(jié)果表明退回電路常溫合格，低溫下通斷比及時(shí)間參數(shù)不合格，其余參數(shù)正常，反映出退貨電路開(kāi)啟正常，關(guān)斷不正常，即電路能夠正常放大輸入信號(hào)，但是不能控制輸入信號(hào)的通斷。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，退貨電路異?，F(xiàn)象與用戶反饋異?，F(xiàn)象一致。

1.2失效原因分析

表1　退貨電路常溫25℃、-55℃電路復(fù)測(cè)結(jié)果

1）功能簡(jiǎn)介

該中頻控制器是采用SMT工藝制造的模塊電路，它主要由傳輸信道、電源轉(zhuǎn)換和控制電路組成。傳輸信道實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸與放大，電源轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)外部供電的轉(zhuǎn)換，控制電路實(shí)現(xiàn)控制傳輸信道的通斷。電路傳輸信道部分包含一個(gè)SPST開(kāi)關(guān)、由NPN對(duì)管組成的中間放大電路、以及用寬帶運(yùn)放構(gòu)成的輸出級(jí)。電源轉(zhuǎn)換部分由一個(gè)7 V轉(zhuǎn)3 V基準(zhǔn)組成，控制電路由高速比較器組成。

如圖1所示，輸入通過(guò)SPST開(kāi)關(guān)后，由中間放大電路NPN對(duì)管對(duì)信號(hào)放大，送入輸出級(jí)單元（寬帶運(yùn)放）。比較器負(fù)責(zé)控制SPST通斷，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的調(diào)制功能，影響其時(shí)間參數(shù)?；鶞?zhǔn)完成7V到+3V的轉(zhuǎn)換，并為SPST、比較器提供電源。

2）故障原因分析

從退回電路復(fù)測(cè)結(jié)果看，低溫下通斷比及時(shí)間參數(shù)不合格，其余參數(shù)正常，反映出退回電路開(kāi)啟正常，關(guān)斷不正常，即電路能夠正常放大輸入信號(hào)，但是不能控制輸入信號(hào)的通斷。

退回電路傳輸系數(shù)與線性輸出功率正常，說(shuō)明電路內(nèi)部開(kāi)啟時(shí)工作正常，排除了電路內(nèi)部NPN對(duì)管和寬帶運(yùn)放失效。而通斷比及時(shí)間參數(shù)不正常，說(shuō)明電路內(nèi)部SPST不能完成關(guān)斷功能，影響信號(hào)SPST開(kāi)啟與關(guān)斷的為該中頻控制器電路內(nèi)部的比較器和基準(zhǔn)。

由于退回電路只表現(xiàn)出低溫輸出異常，故為了驗(yàn)證上述分析，將退回電路在-55 ℃低溫箱內(nèi)，分別對(duì)基準(zhǔn)和比較器進(jìn)行測(cè)試：

① 比較器低溫-55 ℃測(cè)試

圖1　某中頻控制器原理圖

退回電路在低溫箱中放置30 min后，開(kāi)啟供電電源，使用萬(wàn)用表對(duì)比較器的輸出端和電源端進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為比較器電源引腳電壓為2.6 V（比較器正常工作電壓為3.0~5.0 V，在該中頻控制器中比較器工作電壓為3.0 V），比較器輸出低電平為1.5 V（正常為0.25 V）。

由于比較器電源由電路內(nèi)部基準(zhǔn)提供，故為了單獨(dú)分析比較器，斷開(kāi)基準(zhǔn)供電，由外部電源供電。當(dāng)外部電源供電為3.0 V時(shí)，在低溫下比較器電源引腳電壓和輸出低電平均恢復(fù)正常，故可以排除比較器問(wèn)題。

② 基準(zhǔn)低溫-55 ℃測(cè)試

根據(jù)上述分析，比較器在基準(zhǔn)供電時(shí)，輸出異常，但在外部電源供電時(shí)輸出正常，基于這一情況，我們單獨(dú)對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。

將退回電路在低溫箱中放置30 min后，開(kāi)啟電源，使用萬(wàn)用表測(cè)試該中頻控制器內(nèi)部基準(zhǔn)電路（基準(zhǔn)為比較器供電）輸出，測(cè)試結(jié)果為輸出2.5 V（正常為3.0 V）。斷開(kāi)基準(zhǔn)負(fù)載，即空載，在低溫箱中放置30 min后，開(kāi)啟電源測(cè)試基準(zhǔn)輸出，其測(cè)試結(jié)果輸出正常（3.0 V輸出），即退回電路的基準(zhǔn)低溫下空載時(shí)輸出正常，帶載時(shí)輸出異常，說(shuō)明該基準(zhǔn)在低溫下帶載能力不足。

小結(jié)：通過(guò)以上分析，退回電路低溫下通斷比及時(shí)間參數(shù)超差是由于電路內(nèi)部基準(zhǔn)低溫下帶載能力不足，導(dǎo)致比較器不能正常工作，進(jìn)而不能控制SPST的關(guān)斷功能所致。

3） 篩選測(cè)試過(guò)程未剔除原因分析

由于該中頻控制器電路在篩選過(guò)程中100 %進(jìn)行過(guò)三溫（高溫85 ℃、常溫25 ℃、低溫-55 ℃）測(cè)試，但未將此次反饋的低溫異常電路予以有效剔除，因此我們對(duì)篩選測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)排查。

測(cè)試人員反饋：在測(cè)試該電路時(shí)，測(cè)試流程為首先將電路放置于-65 ℃低溫箱中30 min后，再將電路取出放置于測(cè)試系統(tǒng)中自動(dòng)測(cè)試，正常測(cè)試時(shí)從低溫箱中取出放置于測(cè)試系統(tǒng)上的時(shí)間約為10 s，一般情況下如果在10 s內(nèi)完成測(cè)試，可以保證電路溫度不高于-55 ℃。但是由于電路在低溫箱中放置后管腳容易帶霜，造成與夾具接觸不良，因此低溫篩選時(shí)存在個(gè)別電路在首次測(cè)試不合格時(shí)被誤認(rèn)為結(jié)霜所致而導(dǎo)致二次測(cè)試，甚至多次測(cè)試，而多次測(cè)試會(huì)導(dǎo)致電路溫度升高。

因此不排除測(cè)試過(guò)程中個(gè)別電路因二次測(cè)試時(shí)電路溫度有所升高，而該中頻放大器上的基準(zhǔn)在溫度升高后帶載能力提高，從而導(dǎo)致部分基準(zhǔn)帶載能力不足電路被判定合格，即篩選過(guò)程未能有效剔除低溫下通斷比異常電路，進(jìn)而流至用戶。

2　失效機(jī)理

該中頻控制器內(nèi)部選用的基準(zhǔn)為某公司的某型號(hào)基準(zhǔn)，該基準(zhǔn)為電路內(nèi)部的某型號(hào)比較器供電。根據(jù)該基準(zhǔn)和比較器的產(chǎn)品手冊(cè)，基準(zhǔn)全溫額定輸出電流為20 mA，而比較器穩(wěn)定工作狀態(tài)需要8 mA的供電電流，因此電路穩(wěn)定工作時(shí)該基準(zhǔn)能保證后續(xù)比較器正常工作。為此，對(duì)比較器的啟動(dòng)特性和基準(zhǔn)的帶載能力進(jìn)行測(cè)試分析：

2.1比較器啟動(dòng)特性分析

比較器工作電壓范圍為3.0~5.0 V，在該中頻控制器電路應(yīng)用中，比較器工作電壓為3 V，為了模擬比較器供電啟動(dòng)過(guò)程，控制外部電源電壓從0 V升至3.0 V，達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。我們首先觀察了退回電路比較器的常溫與低溫啟動(dòng)過(guò)程。

常溫25 ℃下：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，比較器電源電流由0 mA升至20 mA左右（對(duì)應(yīng)電源電壓0 ~2.6 V），隨著電源電壓繼續(xù)上升，比較器電源電流降至穩(wěn)定狀態(tài)8 mA（電源電壓3.0 V），如圖2中實(shí)線所示。

低溫-55 ℃下：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，比較器電源電流由0 mA升至23 mA左右（對(duì)應(yīng)電源電壓0 ~2.6 V），隨著電源電壓繼續(xù)上升，比較器電源電流降至穩(wěn)定狀態(tài)8 mA（電源電壓3.0 V）。如圖2中虛線所示。

通過(guò)上述觀察，發(fā)現(xiàn)該比較器在啟動(dòng)過(guò)程中，即電源電壓從0 V升至穩(wěn)定工作狀態(tài)3.0 V過(guò)程中，比較器電源電流由0 mA升至遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)電源電流(對(duì)應(yīng)電源電壓2.6 V左右)再降至穩(wěn)定狀態(tài)8 mA（供電為3.0 V）；且比較器啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)的電源電流，低溫狀態(tài)高于常溫狀態(tài)（常溫25 ℃峰值啟動(dòng)電流約為20 mA，低溫-55 ℃峰值啟動(dòng)電流約為23 mA），具有特殊的啟動(dòng)特性。

圖2　退回電路比較器啟動(dòng)過(guò)程

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該比較器是否都具有圖2所示的、在啟動(dòng)時(shí)需要遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)電源電流的啟動(dòng)特性，我們?nèi)?只鑒定批電路，對(duì)其比較器進(jìn)行了上述試驗(yàn)，即變化外部電源給比較器供電，在常溫和低溫下觀察比較器的電流變化，測(cè)試結(jié)果為：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，在電源電壓0~2.6 V上升過(guò)程中，比較器電源電流由0 mA升至20 mA左右（低溫下峰值啟動(dòng)電流約為23 mA），隨著電源電壓繼續(xù)上升，比較器電源電流降至穩(wěn)定狀態(tài)8 mA（電源電壓3.0 V）。上述測(cè)試結(jié)果表明2只標(biāo)件電路中的比較器也存在與退回電路內(nèi)的比較器相同的啟動(dòng)特性，即在啟動(dòng)時(shí)需要遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)的電源電流。

小結(jié)：比較器常溫開(kāi)啟時(shí)需要最大電流20 mA，低溫開(kāi)啟時(shí)最大電流為23 mA，遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)電源電流（8 mA）。在此次問(wèn)題發(fā)生前，對(duì)于比較器的這一特性缺乏了解。

2.2基準(zhǔn)帶載能力分析

該中頻控制器內(nèi)部選用的基準(zhǔn)為某公司生產(chǎn)的某基準(zhǔn)。從該基準(zhǔn)的產(chǎn)品手冊(cè)上可知在全溫情況下額定輸出電流為20 mA，最大輸出電流為30 mA（30 mA來(lái)源于該基準(zhǔn)產(chǎn)品手冊(cè)中的輸出電流曲線圖）。為進(jìn)一步對(duì)基準(zhǔn)低溫帶載能力進(jìn)行驗(yàn)證，我們單獨(dú)對(duì)退回電路的基準(zhǔn)進(jìn)行了如下試驗(yàn)，如表2所示。

通過(guò)表2可以看出，退回電路中的基準(zhǔn)常溫下能夠提供大于20 mA的電流，滿足比較器常溫20 mA的峰值啟動(dòng)電流要求，隨著溫度的降低（-55 ℃時(shí)），基準(zhǔn)輸出電流下降到20 mA左右，不能滿足比較器23 mA的峰值啟動(dòng)電流要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該基準(zhǔn)是否普遍具有“低溫時(shí)帶載能力下降”的特性，取同批次鑒定考核電路4只，進(jìn)行了低溫測(cè)試，結(jié)果如下表3所示。

表2　退回電路基準(zhǔn)輸出能力（摸底）

表3　某批次中頻放大器鑒定考核電路低溫測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出， 7#、33#電路在-40 ~ -60 ℃下均正常，16#電路在-55 ℃下失效，48#電路在-60 ℃下失效（所有電路失效模式均為低溫下通斷比異常）。通過(guò)上述分析，同批次鑒定考核樣品電路出現(xiàn)了與退回電路相同的失效現(xiàn)象，說(shuō)明由于該中頻控制器內(nèi)部該基準(zhǔn)低溫下帶載能力下降，不能為電路內(nèi)部比較器提供足夠的啟動(dòng)電流導(dǎo)致其低溫下通斷比異常。而不同的鑒定考核樣品電路在不同溫度下表現(xiàn)出失效，說(shuō)明不同電路使用的基準(zhǔn)存在個(gè)體差異，使得其在低溫下帶載能力下降程度不同，導(dǎo)致該中頻控制器電路在不同溫度下表現(xiàn)為與退回電路相同的失效現(xiàn)象。

小結(jié):該基準(zhǔn)普遍具有隨著溫度降低而帶載能力降低的特性，由于個(gè)體差異，每只電路的基準(zhǔn)在低溫下帶載能力下降程度不同，退回電路的基準(zhǔn)由于自身原因，在用戶使用溫度-40 ℃時(shí)無(wú)法啟動(dòng)比較器，導(dǎo)致電路失效。

2.3結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)和分析，該中頻控制器中的比較器正常啟動(dòng)時(shí)需要遠(yuǎn)超出穩(wěn)定工作狀態(tài)的峰值啟動(dòng)電流（常溫下20 mA左右，低溫下23 mA左右），而其內(nèi)部選用的基準(zhǔn)普遍具有“低溫下帶載能力下降”的特性，且由于個(gè)體差異，下降程度各有不同，退回電路在-40 ℃時(shí)出現(xiàn)內(nèi)部基準(zhǔn)無(wú)法啟動(dòng)內(nèi)部比較器，無(wú)法控制SPST的關(guān)斷，導(dǎo)致退回電路參數(shù)通斷比異常。

3　糾正措施

1）對(duì)所有庫(kù)存產(chǎn)品按規(guī)范要求進(jìn)行低溫箱內(nèi)測(cè)試篩選，剔除不滿足規(guī)范要求產(chǎn)品。

2）后續(xù)將對(duì)該中頻控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，選用輸出電流更大的LDO。從設(shè)計(jì)上徹底杜絕此類失效的發(fā)生，更改后的產(chǎn)品將送用戶驗(yàn)證。

4　結(jié)論

1）在設(shè)計(jì)過(guò)程中未意識(shí)到該中頻控制器選用的比較器需要較大的啟動(dòng)電流，而該中頻控制器選用的基準(zhǔn)輸出電流相對(duì)比較器所需的啟動(dòng)電流余量較小，基準(zhǔn)在常溫下可以啟動(dòng)比較器，但低溫下基準(zhǔn)帶載能力有所下降，且由于個(gè)體差異，下降程度各有不同，退回電路即是在-40 ℃時(shí)基準(zhǔn)無(wú)法啟動(dòng)比較器，導(dǎo)致低溫下通斷比異常。

2）由于該中頻控制器電路在低溫箱中放置后管腳帶霜，容易造成與夾具接觸不良，因此在電路進(jìn)行低溫測(cè)試時(shí)，電路因反復(fù)多次測(cè)試后電路溫度升高，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)帶載能力不足的電路誤判合格，篩選測(cè)試時(shí)未予以淘汰。

桑寶巖，中國(guó)人民解放軍總后勤部95996部隊(duì)第三大隊(duì)，工程師。主要研究方向：后勤保障、電子元件。

The Failure Analysis on A Type of IF Controller

SANG Bao-yan
（No.3 Battalion of The 95996 Troops of The Chinese people's Liberation Army General Logistics Department，Beijing 100000）

In recent years， the study about “Failure Analysis” has been developed into a special subject. As a special design and manufacture institute， under the condition that the analytical instruments and devices are limited， the existing problems about product design， test， and manufacturing are found through the failure analysis， in order to update the design and manufacturing technique， and improve the reliability of products. This paper is about the analysis of a type of IF controller which is failure in the user institute when tested in low temperature.The design defect of this controller is found through failure analysis. The paper presents the failure mechanism， and gives the suggestions on the design. The conclusions are instructive to further improve the reliability for the similar products.

intermediate frequency controller； low temperature； isolation； failure analysis

［2］ Tiny Micropower Precision Series in 2mm × 2mm DFN，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.

TN306

A

1004-7204（2016）04-0029-05

［［1］Single/Dual/Quad/，Ultra-High-Speed，+3V/+5V，Beyond-the-Rails Comparators， Maxim Integrated Products ，1999.

［3］ 陳星弼，張慶中，陳勇. 微電子器件 ［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］ 鄭廷圭，劉發(fā)，半導(dǎo)體器件失效機(jī)理及分析方法 ［R］.機(jī)械電子工業(yè)部第五研究所，1990，12.