某微波收發(fā)組件脈沖接收下增益降低失效分析

吳小虎 宋軍 魏守明

【摘 ?要】微波收發(fā)組件作為有源相控陣天線的核心部件，主要功能包括微波信號(hào)的接收、發(fā)射和幅度與相位控制。隨著武器裝備小型化、高集成度化和高可靠的發(fā)展需要，在微波收發(fā)組件性能保持不變的情況下需進(jìn)一步提高可靠性。在高集成度微波收發(fā)組件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)生了部分失效現(xiàn)象，暴露了一些可靠性問(wèn)題，制約了武器裝備的發(fā)展。本文對(duì)某波收發(fā)組件脈沖接收下增益降低的故障展開(kāi)了失效分析。通過(guò)EMMI等先進(jìn)的失效分析手段定位該組件收發(fā)開(kāi)關(guān)芯片體電阻出現(xiàn)異常。針對(duì)該問(wèn)題產(chǎn)生的原因，提出增加芯片級(jí)篩選測(cè)試項(xiàng)目和組件級(jí)脈沖接收測(cè)試篩選項(xiàng)目，為提高組件的可靠性提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】微波收發(fā)組件;脈沖接收;失效分析

1 前言

有源相控陣?yán)走_(dá)因其能滿足雷達(dá)的探測(cè)距離、數(shù)據(jù)更新率、多目標(biāo)跟蹤及測(cè)量精度等眾多需求，是近年來(lái)發(fā)展迅速的雷達(dá)技術(shù)[1]。有源相控陣?yán)走_(dá)中“有源”指的是可以輻射功率和接收目標(biāo)回波的微波收發(fā)組件，每一個(gè)微波收發(fā)組件內(nèi)包括獨(dú)立的發(fā)射支路、接收支路、公共支路和控制電路[2]。發(fā)射支路的主要作用是將來(lái)自激勵(lì)源的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，通過(guò)天線飽和輸出射頻信號(hào)，并保持輸出信號(hào)幅度、相位有相當(dāng)好的一致性，發(fā)射支路的主要性能指標(biāo)包括飽和輸出功率峰值、通道間發(fā)射峰值功率一致性等。接收支路的主要作用是將天線接收到得微弱空間輻射信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，經(jīng)過(guò)移相、衰減等控制，將接收到得數(shù)據(jù)返回波控系統(tǒng)，接收支路的主要性能指標(biāo)包括噪聲系數(shù)、接收總增益、接收帶內(nèi)增益平坦度等。公共支路包括移相器、收發(fā)開(kāi)關(guān)和環(huán)形器等，公共支路為微波收發(fā)組件收、發(fā)公共部分?？刂齐娐钒úㄊ刂齐娐贰⑦^(guò)溫保護(hù)電路等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)組件內(nèi)發(fā)射支路、接收支路和公共支路工作狀態(tài)的控制?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的性能指標(biāo)包括運(yùn)算速度、體積和功耗等，目前趨向于高集成度和專用集成電路。

微波收發(fā)組件接收支路中有源器件主要由限幅器、低噪聲放大器、衰減器、開(kāi)關(guān)和移相器組成。本文闡述了開(kāi)關(guān)芯片由于體電阻異常導(dǎo)致脈沖接收測(cè)試條件下增益降低的失效機(jī)理，提出了芯片添加在片測(cè)試篩選項(xiàng)目和組件增加脈沖接收測(cè)試篩選項(xiàng)目措施。

2工作原理

本文中涉及的微波收發(fā)組件單純的接收支路主要由限幅器、低噪聲放大器和衰減器構(gòu)成，但是，在接收工作時(shí)，公共支路的環(huán)形器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、移相器和部分控制電路也參與其中。因此，其接收工作原理框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，專用集成電路主要功能為將組件外部提供的串聯(lián)數(shù)據(jù)信號(hào)T_R、CLK、SEL、DATA和DARY轉(zhuǎn)換為并聯(lián)控制信號(hào)V1-V11、S1-S11、SW1和SW2，V1-V11控制移相器，S1-S11控制衰減器，SW1和SW2控制微波開(kāi)關(guān)芯片。

專用集成電路邏輯功能圖如下圖2所示。從圖2可以看出，T_R信號(hào)面經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器輸出互補(bǔ)的差分信號(hào)SW1、SW2，SW1和SW2控制微波開(kāi)關(guān)。

3 失效分析

某編號(hào)該型號(hào)組件在整機(jī)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)T_R信號(hào)在頻率12GHz、43%占空比及脈寬10us接收測(cè)試情況下，增益與正常通道相比，小5dB左右。由故障現(xiàn)象可知，組件接收測(cè)試結(jié)果與T_R信號(hào)相關(guān)。通過(guò)圖1和圖2的原理圖可知，T_R信號(hào)經(jīng)專用集成電路轉(zhuǎn)換后控制開(kāi)關(guān)芯片。

利用示波器測(cè)量專用集成電路SW1和SW2輸出，輸出波形正常，判斷微波開(kāi)關(guān)芯片發(fā)生失效。

組件中使用的微波開(kāi)關(guān)芯片是一款雙路開(kāi)關(guān)芯片，該芯片采用MESFET工藝，共包括8個(gè)MESFET，簡(jiǎn)稱為FET1～8，芯片外觀及電路原理框圖如下圖3所示。FET1～8作為信號(hào)路由開(kāi)關(guān)，屬于柵控芯片，切換信號(hào)傳輸路徑。芯片中的所有柵極電均有串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻通過(guò)GaAs體電阻實(shí)現(xiàn)[3]，在芯片表面看不到該電阻，在圖3（a）芯片外觀圖中對(duì)體電阻走線進(jìn)行了標(biāo)注，在圖3（b）芯片電路原理框圖中體電阻標(biāo)注為R1～R8。

顯微鏡下檢查微波開(kāi)關(guān)芯片，芯片外觀正常。為進(jìn)一步明確故障組件內(nèi)開(kāi)關(guān)是否失效，對(duì)被分析芯片和正常芯片進(jìn)行了EMMI測(cè)試。在半導(dǎo)體中有兩種載流子，自由電子和空穴，自由電子和空穴復(fù)合時(shí)會(huì)發(fā)射光子[4]，EMMI通過(guò)高靈敏度攝像頭，可以將被分析樣件和正常樣件表面發(fā)光情況拍攝下來(lái)，然后將兩者進(jìn)行比對(duì)，找出發(fā)光強(qiáng)度不同的位置，可以精確定位芯片故障點(diǎn)[5]。

對(duì)于正常芯片：V1端口加電時(shí)，F(xiàn)ET2和FET3發(fā)光，其余位置不發(fā)光，如下圖4a所示;V2端口加電時(shí)，F(xiàn)ET5、FET6、FET7和FET8發(fā)光，其余位置不發(fā)光，如下圖4b所示。

故障芯片V1端口加電時(shí)，與正常件相比，除FET2和FET3發(fā)光外，在芯片中間區(qū)域存在一處發(fā)光點(diǎn)，如圖5紅色圓圈內(nèi)所示，將該發(fā)光點(diǎn)與圖3芯片外觀圖和電路原理圖比對(duì)，判斷發(fā)光位置為體電阻R4。造成這種發(fā)光現(xiàn)象差別的原因?yàn)?，?duì)于正常件，體電阻局部分壓較小，體電阻無(wú)熱電子效應(yīng)，觀測(cè)不到發(fā)光點(diǎn)，對(duì)于故障件，體電阻局部異常增高，體電阻局部分壓增大，熱電子效應(yīng)增強(qiáng)，觀測(cè)到發(fā)光點(diǎn)。故障芯片V2端口加電時(shí)，與正常件相比，F(xiàn)ET5、FET6、FET7和 FET8均發(fā)光。

對(duì)R4電阻異常導(dǎo)致FET開(kāi)關(guān)速度變慢進(jìn)行理論分析，該芯片F(xiàn)ET結(jié)構(gòu)如下圖6所示。

柵源寄生電容為Cgs，與此次發(fā)生失效的R4體電阻串聯(lián)，構(gòu)成RC電路，F(xiàn)ET開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿由RC電路時(shí)間常數(shù)τ決定，用公式1表征。

τ=R*C ? ? ?（公式1）

式中R為R4體電阻的阻值，C為柵源寄生電容Cgs的容值。對(duì)于該失效件，R4異常增大，單獨(dú)測(cè)量R4阻值由原來(lái)1K歐姆增大至1M歐姆，時(shí)間常數(shù)增大，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟速度變緩。在脈沖接收測(cè)試條件下，對(duì)于每一個(gè)脈內(nèi)，F(xiàn)ET不能及時(shí)響應(yīng)，開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)異常，接收增益降低。

選取同類型的開(kāi)關(guān)電路并實(shí)際測(cè)試外部串聯(lián)電阻的方式增加R數(shù)值，得到不同電阻的延時(shí)效果，實(shí)際測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。理論推算R電阻要增大到50M，與FET寄生電容共同作用，可能產(chǎn)生接近1毫秒延時(shí)。

該電阻是砷化鎵電阻，是在具有一定阻值的晶圓上，使用光刻工藝限定圖形區(qū)域，然后通過(guò)注入工藝將限定圖形以外的區(qū)域電學(xué)隔離，隔離區(qū)域?yàn)楦咦?。若這些工藝步驟中存在缺陷，是有可能使得體電阻變成高阻的，可能的缺陷包括：

（1）GaAs材料缺陷。GaAs材料缺陷所在的位置，其方阻值與晶圓其它部分的方阻會(huì)有顯著差異，若此缺陷恰好位于電阻圖形上，阻值就會(huì)出現(xiàn)異常。常見(jiàn)的GaAs材料缺陷多數(shù)都是在光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡下可見(jiàn)的，工藝上控制的典型缺陷密度為≤50個(gè)/cm2（>0.8um2的缺陷）。除此之外，GaAs材料缺陷還包括溝道內(nèi)部缺陷，此類缺陷在光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡下看不見(jiàn)，鑒于這么多年來(lái)此類缺陷遇到的概率不高，因此判定GaAs材料缺陷的可能性雖然存在，但概率不高。

（2）可被去除的灰塵或顆粒落到晶圓上。若在半導(dǎo)體電阻加工過(guò)程中，有一顆灰塵或顆粒落到電阻圖形上，會(huì)造成此處光刻膠偏薄，后續(xù)注入工藝中就會(huì)使此處被部分隔離，形成高阻，在去膠工藝中顆粒又被去除，因此目檢看不到缺陷。高阻態(tài)的半導(dǎo)體電阻在加電時(shí)存在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度，產(chǎn)生熱電子，在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下與半導(dǎo)體材料中的空穴復(fù)合，產(chǎn)生光子，從而被EMMI探測(cè)到。EMMI所觀測(cè)到的點(diǎn)狀發(fā)光點(diǎn)，與工藝中常見(jiàn)的圓形、橢圓形點(diǎn)狀顆粒是很類似的。故障件是由此類缺陷造成的可能性較大。

4 采取的措施

造成該問(wèn)題的主原因是芯片個(gè)別制造缺陷在之后的篩選過(guò)程中未被剔除，在芯片制造和組件級(jí)篩選采取措施如下。

4.1芯片添加在片測(cè)試篩選項(xiàng)

添加芯片直流在片測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)，篩選出控制端串聯(lián)電阻明顯偏大的異常件，施加Vgs偏置電壓，采集各通道的Igs，當(dāng)Igs超過(guò)0.4V，可以看到Igs-Vgs的斜率有明顯的變化。當(dāng)Vgs達(dá)1V時(shí)，正常通道與故障通道的Igs相差超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖7所示。

4.2 組件增加脈沖接收測(cè)試篩選項(xiàng)目

該組件在之前僅進(jìn)行連續(xù)波接收測(cè)試，針對(duì)該故障，增加脈沖接收測(cè)試。測(cè)試條件：測(cè)試頻率12GHz，占空比43%，脈寬10μs，示波器設(shè)置為單觸發(fā)狀態(tài)，打開(kāi)射頻信號(hào)及T-R脈沖信號(hào)，組件開(kāi)機(jī)后觀測(cè)接收信號(hào)的完整脈沖檢波圖形。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某收發(fā)組件在脈沖接收條件下接收增益下降的問(wèn)題，經(jīng)定位，問(wèn)題原因是組件內(nèi)微波收發(fā)開(kāi)關(guān)芯片工藝制造過(guò)程中個(gè)別缺陷造成體電阻異常增大。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出的芯片添加在片測(cè)試篩選項(xiàng)目和組件增加脈沖接收測(cè)試篩選項(xiàng)目措施有效，可以避免同類問(wèn)題的再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

吳小虎，男，1986年生，安徽省六安市霍邱縣人，2012年畢業(yè)于電子科技大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，從事研發(fā)項(xiàng)目管理和研發(fā)體系建設(shè)工作。