某型多普勒雷達(dá)本振失鎖的故障分析

■ 呂 輝　李 棟　陳 煒

某型多普勒雷達(dá)本振失鎖的故障分析

■ 呂 輝李 棟陳 煒

本文通過故障樹分析法將故障定位為由于組件內(nèi)部介質(zhì)諧振壓控振蕩器（DRVCO）模塊內(nèi)的場效應(yīng)管參數(shù)退化，并對某型多普勒雷達(dá)本振失鎖的故障原因進(jìn)行了深入的機(jī)理分析。

表1　　Ku波段接收組件故障件測試結(jié)果

1.引言

某型多普勒雷達(dá)（以下簡稱雷達(dá)）采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)置了故障自檢測功能，提高了雷達(dá)的維修性。雷達(dá)由天線基座組合、Ku波段發(fā)射組件、Ku波段接收組件、中頻處理組件、信號處理組件、數(shù)據(jù)處理組件、電源模塊七個SRU單元組成。雷達(dá)自檢測功能連續(xù)監(jiān)測雷達(dá)工作狀態(tài)，檢測到故障，實(shí)時輸出對應(yīng)的故障代碼并以十六進(jìn)制形式顯示。報(bào)故障返廠維修的雷達(dá)經(jīng)技術(shù)人員檢測輸出故障碼：07表示Ku波段接收組件故障?，F(xiàn)場進(jìn)行了故障檢測確認(rèn)，現(xiàn)場測試結(jié)果顯示配套6部雷達(dá)Ku波段接收組件在常溫環(huán)境下本振單元鎖相環(huán)路失鎖，中頻基準(zhǔn)無輸出信號。測試結(jié)果見表1。

2.失鎖故障定位

故障Ku波段接收組件在常溫下加電，本振單元失鎖,中頻無輸出信號，在XX GHz±15MHz附近無介質(zhì)諧振壓控振蕩器（DRVCO）的泄露信號，因此故障Ku波段接收組件常溫失鎖可能是由于DRVCO工作異常引起。圖1是Ku波段接收組件本振源單元的原理框圖。圖2是本振單元失鎖故障樹。

參考Ku波段接收組件本振源單元原理框圖，結(jié)合本振單元失鎖故障樹對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1首先開蓋鏡檢故障組件。在顯微鏡下接收組件內(nèi)部無多余物，各單元電路帶線無開短路現(xiàn)象，元器件焊點(diǎn)滿足焊接要求。

2.2排查C101。用開路電纜測試接收組件40MHz參考信號功率為9dBm，在正常的工作范圍內(nèi)，排除40MHz參考信號問題。

2.3排查C102。測量鑒相器PE3236各引腳電阻均在正常范圍，測試工作電流為25mA，均在正常范圍，排除鑒相器PE3236損傷。

2.4排查C103。開蓋測試放大器以及混頻器均正常工作，排除放大混頻器件受損。

2.5排查C104。開蓋測試有源濾波電路中的運(yùn)算放大器電流為8mA，在正常范圍內(nèi)，排除有源環(huán)路濾波問題。

2.6排查C105。常溫下用開路電纜測試故障件在電調(diào)電壓為0～12V范圍內(nèi)均發(fā)生停振無輸出?？梢源_認(rèn)接收組件DRVCO工作異常，即DRVCO工作異常成立。

2.7排查C201（介質(zhì)受潮DRVCO停振）。DRVCO介質(zhì)對水汽敏感，當(dāng)腔體內(nèi)部進(jìn)入潮氣后可能會引起DRO停振或跳頻。故障件在85℃下烘干8h后對DRVCO進(jìn)行測試，測試結(jié)果與烘干前對比無變化，排除介質(zhì)受潮DRVCO停振。

2.8排查C202。開蓋鏡檢故障件，在顯微鏡下檢查其內(nèi)部無多余物、無微帶線開裂短路及斷路現(xiàn)象，電路及元器件焊接符合設(shè)計(jì)要求，排除機(jī)械應(yīng)力損傷。

2.9排查C203。對工作異常的DRVCO重新進(jìn)行調(diào)試，DRVCO故障狀態(tài)無變化，排除調(diào)試狀態(tài)臨界。

2.10排查C204。開蓋后對故障件DRVCO內(nèi)場效應(yīng)管進(jìn)行直流參數(shù)測試，測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果可以看出故障件DRVCO場效應(yīng)管的柵源電壓(VGS)與正常件相比變大，漏電流(IDS)與正常件相比變小。根據(jù)該類場效應(yīng)管的工作原理，當(dāng)柵壓變大的情況下，相同的漏源電壓下漏電流會增加，故障件場效應(yīng)管的漏電流反而變小，因此可以推斷故障件的場效應(yīng)管參數(shù)發(fā)生變化。為了進(jìn)一步確認(rèn)場效應(yīng)管參數(shù)發(fā)生變化，對故障件的場效應(yīng)管用晶體管圖示儀測試其I-V特性圖，并且與正常件進(jìn)行對比。從測試結(jié)果可知工作異常的DRVCO模塊內(nèi)的場效應(yīng)管飽和漏電流變小、跨導(dǎo)變小，參數(shù)發(fā)生變化，可以確定C204-振蕩管參數(shù)退化成立。

通過上述分析可以判定，故障件本振失鎖是由于組件內(nèi)部DRVCO模塊內(nèi)的場效應(yīng)管參數(shù)退化，從而引起DRVCO工作異常，最終導(dǎo)致本振單元失鎖。

圖1　本振源單元的原理框圖

圖2　本振單元失鎖故障樹

3.機(jī)理分析

表2　故障件DRVCO內(nèi)場效應(yīng)管直流測試結(jié)果

為進(jìn)一步分析場效應(yīng)管參數(shù)退化的機(jī)理，中電科技半導(dǎo)體器件可靠性中心對解焊后的場效應(yīng)管進(jìn)行了失效分析。中電科技半導(dǎo)體器件可靠性中心從場效應(yīng)管的外觀、極間直流電特性、I-V電特性、PIND試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、內(nèi)部鏡檢等幾個方面分析，得出結(jié)論為，失效樣品的肖特基勢壘特性退化、飽和漏電流(IDSS)和跨導(dǎo)(Gm)減小；開帽鏡檢，芯片表面未見與失效相關(guān)的明顯異常。圖6是場效應(yīng)管參數(shù)退化故障樹。

以下結(jié)合場效應(yīng)管應(yīng)用情況，依據(jù)場效應(yīng)管參數(shù)退化故障樹，逐一排查場效應(yīng)管參數(shù)退化原因：

3.1排查C201（工作電流偏高）。在場效應(yīng)管芯片背面溫度為75℃時，場效應(yīng)管的極限安全電流為100mA, 極限VDS為4.5V。DRVCO電路設(shè)計(jì)中振蕩管偏置為VDS=4.0V，IDS=40mA。工作電流偏離安全電流較遠(yuǎn)，因此可以排除工作電流偏高。

3.2排查C202（超功率使用）。DRVCO模塊最大輸出功率為25mW，DRVCO采用直接耦合輸入方式，因此從柵極耦合的注入功率一定小于25mW。場效應(yīng)管MWT-LP773的最大輸入功率為80-120mW。因此不存在超功率使用的原因，排除超功率的使用問題。

3.3排查C203（結(jié)溫過高）。場效應(yīng)管振蕩狀態(tài)工作電流為40mA,其熱阻為380℃/W。經(jīng)過計(jì)算在環(huán)境溫度為75℃時，結(jié)溫為126.3℃。將場效應(yīng)管開帽后，將DRVCO加75℃底溫在紅外熱成像儀下測試非振蕩狀態(tài)下的結(jié)溫，最高溫度為87℃，偏離最高結(jié)溫溫度175℃較遠(yuǎn)。因此排除結(jié)溫過高造成參數(shù)退化。

3.4排查C204（工作電壓偏高）。場效應(yīng)管柵漏擊穿電壓BVGDO=-6～-8V，實(shí)際工作VGD=-5.0V；柵源擊穿電壓BVGSO=-5～-8V，實(shí)際工作VGS=-1.0V。因此排除直流工作點(diǎn)偏高導(dǎo)致場效應(yīng)管參數(shù)退化。

3.5排查C102（自身微缺陷）。如果微波器件自身存在缺陷，在長期使用后可能導(dǎo)致參數(shù)退化。因此對本批失效件與正常件的芯片進(jìn)行FIB（聚焦離子束）試驗(yàn)。從芯片F(xiàn)IB試驗(yàn)可以看出失效件在柵柄附近的鈍化層破裂，而且表面有異物，柵極末端區(qū)域鈍化層鼓包。從正常件的FIB試驗(yàn)可以看出在失效件異常的區(qū)域未發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。因此排除場效應(yīng)管自身缺陷。

3.6排查C205（靜電損傷失效）。器件是在使用幾年后失效，失效模式和靜電失效不相符，因此排除靜電損傷。

3.7排查C206（使用中開關(guān)機(jī)損傷）。故障件失效前平均開關(guān)機(jī)次數(shù)約為800次。對正常件模擬2000次整機(jī)開關(guān)機(jī)試驗(yàn)后，正常件未出現(xiàn)場效應(yīng)管退化的現(xiàn)象。經(jīng)過上述試驗(yàn)分析，排除使用過程頻繁開關(guān)機(jī)造成場效應(yīng)管退化。

圖6　場效應(yīng)管參數(shù)退化故障樹

3.8排查C301（管芯受到潮熱）。用濕熱試驗(yàn)方法驗(yàn)證是否由于外界水汽進(jìn)入，在長期電應(yīng)力作用下造成場效應(yīng)管參數(shù)退化的可能性。取未封蓋的DRVCO，按照整機(jī)的濕熱環(huán)境GJB150.9A-2009進(jìn)行濕熱試驗(yàn)。濕熱條件下DRVCO進(jìn)行2000次開關(guān)，開關(guān)后加正常電應(yīng)力。每兩天監(jiān)測一次DRVCO的功率和相位噪聲。在濕熱試驗(yàn)進(jìn)行10天后DRVCO內(nèi)部場效應(yīng)管RDS增大，15天后上述DRVCO出現(xiàn)停振，對停振的DRVCO內(nèi)部場效應(yīng)管進(jìn)行直流特性、FIB試驗(yàn)。從直流特性測試結(jié)果可以看出，場效應(yīng)管跨導(dǎo)顯減小，飽和漏電不同程度減小。將失效件開帽，在500倍顯微鏡下觀察芯片表面，從高倍顯微鏡下可以看出，失效場效應(yīng)管在芯片柵極末端表面有鼓起斑點(diǎn)，柵漏之間存在異常，與故障件現(xiàn)象完全一致。對芯片異常的點(diǎn)進(jìn)行FIB試驗(yàn)，由FIB試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鈍化層有裂紋和空洞存在，在鈍化層上面柵極與漏極之間的區(qū)域有多余物存在。對該多余物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)多余物中鎳、氧元素含量很高，與故障件的分析情況完全吻合。

由此可以確定在高溫高濕、氣壓反復(fù)變化的環(huán)境下，個別器件出現(xiàn)水汽進(jìn)入管殼內(nèi)部，水汽在電場作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成活躍的OH-離子和H+離子，這些活躍的離子透過鈍化層縫隙腐蝕漏極活躍金屬，并且金屬離子在電場下發(fā)生遷移，從而導(dǎo)致鈍化層變色或者多余物聚集等現(xiàn)象。而這些遷移過來的金屬氧化物又會造成溝道勢壘的加深，這樣就導(dǎo)致電流下降、跨導(dǎo)同時下降，源漏電阻變大等現(xiàn)象。故C301外界潮氣進(jìn)入造成了場效應(yīng)管參數(shù)退化。

綜上所述，Ku波段接收組件失效的原因是：國外場效應(yīng)管采用膠封方式封帽，在濕熱氣象環(huán)境下，電應(yīng)力長期作用等復(fù)雜使用條件下，DRVCO內(nèi)場效應(yīng)管會發(fā)生呼吸作用，使有水氣分子透過膠體滲入到器件的腔體中，腐蝕芯片從而造成場效應(yīng)管參數(shù)退化失效。

3.9排查C302（管芯自封入潮氣）。場效應(yīng)管可能封帽時封入水汽，由于生產(chǎn)時在管殼封裝過程中填充了高純氮?dú)?，可以有效消除管芯?nèi)部水汽，避免管芯內(nèi)部自封入潮氣。因此排除管芯自封入潮氣。

4.故障復(fù)現(xiàn)

4.1Ku波段接收組件本振環(huán)路失鎖故障復(fù)現(xiàn)

將故障件換上工作正常的振蕩管，在DRVCO內(nèi)部貼銦破壞振蕩需要的相位條件和幅度條件，使DRVCO停振，此時本振單元失鎖，中頻基準(zhǔn)無輸出，故障得到復(fù)現(xiàn)。

另外取一只正常工作的接收組件，將DRVCO的振蕩管更換為故障件參數(shù)退化的振蕩管后，DRVCO發(fā)生停振，本振單元失鎖，中頻基準(zhǔn)無輸出，故障得到復(fù)現(xiàn)。

4.2場效應(yīng)管參數(shù)退化故障復(fù)現(xiàn)

在場效應(yīng)管參數(shù)退化機(jī)理分析中，對DRVCO進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，出現(xiàn)停振現(xiàn)象，停振DRVCO內(nèi)部場效應(yīng)管同樣出現(xiàn)跨導(dǎo)減小、飽和漏電流減小的現(xiàn)象。從芯片表面及FIB試驗(yàn)分析現(xiàn)象均與故障件一致，場效應(yīng)管參數(shù)退化的現(xiàn)象得到復(fù)現(xiàn)。

5.結(jié)語

該多普勒雷達(dá)失效是由于Ku波段接收組件內(nèi)部的DRVCO模塊的場效應(yīng)管管芯采用膠封方式密封措施，當(dāng)產(chǎn)品長時間在高溫高濕、濕度、溫度、氣壓氣象條件反復(fù)變化的環(huán)境下，水汽容易進(jìn)入DRVCO模塊的場效應(yīng)管管殼內(nèi)部，加上長期的電應(yīng)力，場效應(yīng)管參數(shù)退化，從而導(dǎo)致DRVCO工作異常，最終導(dǎo)致本振環(huán)路失鎖，組件失效。下一步應(yīng)針對故障原因采取有效措施。

七二二所參加第十三屆國際光電子博覽會

第十三屆國際光電子博覽會于2016年11月3日至5日在武漢國際博覽中心舉行。七二二所在“軍民融合”特裝展區(qū)集中展示了新開發(fā)的船舶通導(dǎo)系統(tǒng)、綜合內(nèi)外通設(shè)備等多項(xiàng)系統(tǒng)和產(chǎn)品，同時以宣傳片的形式重點(diǎn)展示了七二二所近幾年在科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面取得的成績。

此次展示的船舶通導(dǎo)系統(tǒng)是一款可融合多路無線傳輸、高清視頻采集與智能調(diào)度、智能導(dǎo)航等技術(shù)的全新海上平臺綜合通信與導(dǎo)航系統(tǒng)，可為各類公務(wù)船、商用船舶、漁船及各型海工平臺提供完整和自動化程度高的信息化系統(tǒng)整體解決方案；該設(shè)備具備業(yè)務(wù)服務(wù)、業(yè)務(wù)控制、綜合接入和網(wǎng)絡(luò)管理等功能，可實(shí)現(xiàn)船舶內(nèi)部和船與船、船與岸之間的話音與數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)互通。七二二所參展的系統(tǒng)和產(chǎn)品，憑借專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢和在軍民融合領(lǐng)域的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，吸引了來自不同領(lǐng)域的觀眾駐足觀看，受到了客商們的關(guān)注和好評。

國際光電子博覽會作為光電子行業(yè)全球規(guī)模最大、產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的專業(yè)博覽會之一，在推動行業(yè)健康發(fā)展，促進(jìn)國內(nèi)外光電產(chǎn)業(yè)深度交流方面發(fā)揮了重要的作用。本屆展會由國家工業(yè)和信息化部、國家科學(xué)技術(shù)部等部委和湖北省人民政府共同主辦，展會以“光聯(lián)萬物，智引未來”為主題，展覽面積達(dá)4萬平方，聚集了500余家國內(nèi)外知名企業(yè)參展，專業(yè)觀眾超過3.5萬余人，與往屆相比參展企業(yè)更多、規(guī)模更大。

近年來，七二二所積極響應(yīng)國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞電子信息與通信、能源與節(jié)能裝備、船舶與海洋裝備、特種裝備等產(chǎn)業(yè)板塊，大力發(fā)展民品科技產(chǎn)業(yè)。通過參加此次展會，進(jìn)一步提升了七二二所民品科技產(chǎn)業(yè)在行業(yè)內(nèi)的知名度和影響力，同時為加快市場開拓提供了新的思路。（陳彥霞）

陸航駐蘭州地區(qū)軍事代表）