微波開關(guān)可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究

冉紅雷，韋婷，張魁，彭浩，黃杰

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無錫 214000）

引言

微波開關(guān)是微波毫米波系統(tǒng)中的重要信號(hào)控制電路，控制著信號(hào)的通斷與路徑選擇，其可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)[1]。微波開關(guān)最早使用波導(dǎo)，同軸線和鐵氧體技術(shù)，能承受較高功率但是產(chǎn)品體積較大。微波單片集成微波開關(guān)有利于實(shí)現(xiàn)小型化，低功耗，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)寬帶和低損耗特性。高性能微波開關(guān)要求導(dǎo)通時(shí)低損耗，關(guān)斷時(shí)高隔離度，且能承受較大功率[2]。

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成指定功能的能力，而用來描述這種能力的數(shù)學(xué)特征量有可靠度、失效率、平均無故障工作時(shí)間和壽命等。對(duì)微波開關(guān)而言，主要用失效率（λ）作為數(shù)量特征來表征其可靠性。目前國內(nèi)關(guān)于微波開關(guān)缺乏系統(tǒng)的可靠性評(píng)估理論，缺乏完整的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證方法[3]。本文以某GaN基HEMT型MMIC開關(guān)為例展開研究，對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)方法研究。

1 可靠性評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

該微波開關(guān)采用HEMT工藝技術(shù)制造，金屬層材料為Au，芯片表面采用GaN鈍化保護(hù)，該微波開關(guān)芯片的功能示意如圖1所示，其極限參數(shù)如表1所示。

圖1 微波開關(guān)功能示意圖

HEMT管通常由兩種不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為產(chǎn)生高電子遷移率的電子氣提供條件。MMIC常見失效機(jī)理如表2所示[4]。

表2 MMIC常見的失效模式和失效機(jī)理

根據(jù)工程應(yīng)用要求，該微波開關(guān)的可靠性要求指標(biāo)為單邊置信區(qū)間、置信水平為90 %，TA=+125 ℃，失效率λ≤10-7/h。

本文研究的思路是在傳統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮微波開關(guān)實(shí)際工作模式和應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。根據(jù)不同的評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，利用可靠性的評(píng)估方法，對(duì)在正常應(yīng)力條件下的微波開關(guān)可靠性做出合理的評(píng)估[5]。首先設(shè)計(jì)基于性能退化的材料工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，通過溫度循環(huán)試驗(yàn)和恒定加速度試驗(yàn)驗(yàn)證微波開關(guān)的材料與工藝的穩(wěn)定性；其次基于微波開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用模式設(shè)計(jì)射頻考機(jī)試驗(yàn)，在射頻考機(jī)試驗(yàn)中器件的射頻輸入端RFC和信號(hào)控制端均施加額定最大值；在前兩項(xiàng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過基于溫度的加速壽命試驗(yàn)來研究微波開關(guān)的長期可靠性[6]。具體可靠性評(píng)價(jià)方案如圖2所示。

圖2 微波開關(guān)可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2 微波開關(guān)可靠性評(píng)價(jià)

插入損耗參數(shù)是微波開關(guān)的核心參數(shù)，因此本文以微波開關(guān)的插入損耗參數(shù)為監(jiān)測對(duì)象來判斷產(chǎn)品是否失效。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)，當(dāng)試驗(yàn)前后產(chǎn)品的插入損耗參數(shù)變化量超過0.5 dB時(shí)則認(rèn)為試驗(yàn)產(chǎn)品失效。此外，根據(jù)表1所示MMIC常見失效模式和失效機(jī)理可知，當(dāng)微波開關(guān)芯片發(fā)生失效時(shí)通常伴隨燒毀現(xiàn)象，因此試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品開帽進(jìn)行內(nèi)部目檢。微波開關(guān)可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)見表3。

表1 微波開關(guān)的極限參數(shù)

表3 微波開關(guān)可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1 基于性能退化的材料工藝驗(yàn)證

為了考核微波開關(guān)的材料和工藝可靠性，本文設(shè)計(jì)了溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)。溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)材料因熱膨脹系數(shù)不匹配形成的缺陷或產(chǎn)品內(nèi)部有裂紋的器件具有篩選作用，可以評(píng)價(jià)微波開關(guān)承受極端高溫和低溫的能力以及承受極端高溫與極端低溫交替變化的能力[7]。恒定加速度能檢測出結(jié)構(gòu)和機(jī)械類型的缺陷，可以通過高應(yīng)力試驗(yàn)來考核封裝、內(nèi)部金屬化和引線系統(tǒng)、芯片或基板的焊接以及MMIC器件其他部件的機(jī)械強(qiáng)度不滿足要求的薄弱環(huán)節(jié)[8]。微波開關(guān)溫度循環(huán)試驗(yàn)和恒定加速度試驗(yàn)的樣品數(shù)量各5只，試驗(yàn)條件如表4所示。

表4 基于性能退化的材料工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產(chǎn)品的插入損耗參數(shù)，要求插入損耗參數(shù)變化量小于0.5 dB。根據(jù)表3和表4要求開展評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，可知5只微波開關(guān)樣品均滿足插入損耗參數(shù)變化量小于0.5 dB，表明其材料工藝性能符合應(yīng)用要求。

表5 基于性能退化的材料工藝驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 基于實(shí)際應(yīng)用模式的模擬驗(yàn)證

為了考核微波開關(guān)實(shí)際應(yīng)用中承受極限電應(yīng)力的可靠性，本文根據(jù)微波開關(guān)的實(shí)際工作模式設(shè)計(jì)了射頻考機(jī)試驗(yàn)?？紮C(jī)試驗(yàn)條件為環(huán)境溫度TA=+125 ℃，RFC端施加射頻信號(hào)，射頻信號(hào)頻率為微波開關(guān)的工作頻率中心頻點(diǎn)，功率為+47 dBm（脈沖工作模式：脈寬8 ms、占空比40 %），控制電壓-0.5 V/+32 V。其中RFC→RF1工作態(tài)240 h，RFC→RF2工作態(tài)240 h，開關(guān)RF1和RF2之間切換速率為0.1 Hz，試驗(yàn)樣品數(shù)量為5只。射頻考機(jī)試驗(yàn)圖如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產(chǎn)品的插入損耗參數(shù)，要求插入損耗參數(shù)變化量小于0.5 dB。

圖3 微波開關(guān)射頻考機(jī)示意圖

試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行內(nèi)部目檢，未發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)樣品測試，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，可知5只樣品均滿足插入損耗參數(shù)變化量小于0.5 dB，因此通過射頻考機(jī)試驗(yàn)表明該微波開關(guān)符合相關(guān)應(yīng)用要求。

表6 射頻考機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 基于溫度加速的壽命試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)工程應(yīng)用要求，該微波開關(guān)的可靠性指標(biāo)為單邊置信區(qū)間、置信水平為90 %，，失效率≤10-7/h。

對(duì)于長壽命高可靠性元器件的壽命特征評(píng)估，通常采用溫度加速壽命試驗(yàn)，相關(guān)公式如下所示：

式中：

M—產(chǎn)品的敏感參數(shù)，通常該參數(shù)在加速壽命試驗(yàn)前后有較大變化；

dM/dt—溫度為T時(shí)的反應(yīng)速率；

Ea—產(chǎn)品的激活能（eV），其值與產(chǎn)品的失效機(jī)理有關(guān)，可以通過試驗(yàn)獲得；

K—玻爾茲曼常數(shù)；

A—常數(shù)。

對(duì)公式（1）變形，可得出，

式中：

M0—初始狀態(tài)；

M1—退化后的狀態(tài)。

由公式（2）可推出加速因子如下：

根據(jù)先前該微波開關(guān)研究可知，其Ea為1.7 eV，考核溫度T0為125 ℃，加速溫度T1為200 ℃，可知加速因子τ為2 572，其中加速溫度200 ℃低于該微波開關(guān)溝道溫度的極限值225 ℃。

依據(jù)GB 5080中對(duì)可靠性測定試驗(yàn)的點(diǎn)估計(jì)所規(guī)定的方法，單邊置信區(qū)間置信度90 %時(shí)器件失效率為：

式中：

γ—失效樣品數(shù)；

T*—試驗(yàn)累積器件小時(shí)。

根據(jù)公式（4）可知，選用10只樣品，器件累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)至少為890 h，試驗(yàn)時(shí)間確定為900 h。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產(chǎn)品的插入損耗參數(shù)，要求插入損耗參數(shù)變化量小于0.5 dB。

由表7可知，經(jīng)過900 h的加速壽命試驗(yàn)后，10只微波開關(guān)的插入損耗參數(shù)變化量均小于0.5 dB；對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部目檢，芯片外觀無異常。因此10只微波開關(guān)在加速溫度為200 ℃時(shí)可正常工作時(shí)間大于900 h，因此該批微波開關(guān)滿足單邊置信區(qū)間、置信水平為90 %，TA=+125 ℃，失效率λ≤10-7/h要求。

表7 微波開關(guān)加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文以某GaN基HEMT型MMIC開關(guān)為例展開研究，對(duì)其應(yīng)用可靠性展開評(píng)價(jià)方法研究。微波開關(guān)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)包含基于性能退化的材料工藝驗(yàn)證試驗(yàn)，基于微波開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用模式的射頻考機(jī)試驗(yàn)，并且在上述兩個(gè)評(píng)價(jià)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于溫度的加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證微波開關(guān)長期應(yīng)用可靠性。實(shí)踐表明，本文的評(píng)價(jià)方法滿足微波開關(guān)可靠性的評(píng)價(jià)要求，其研究思路和方法也可引申應(yīng)用于其他類似產(chǎn)品。