限幅低噪聲放大器增益下降失效分析

賈玉偉，魏志宇，冀乃一

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

1 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)微波毫米波技術(shù)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步，微波毫米波收發(fā)組件在現(xiàn)代雷達(dá)、制導(dǎo)武器、通信、電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。限幅低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）是微波收發(fā)組件的重要部件，應(yīng)用于收發(fā)組件的前端部位，接收從天線傳輸?shù)男盘?hào)，將信號(hào)放大后傳入后級(jí)電路，限幅LNA的增益和噪聲系數(shù)對(duì)組件的接收靈敏度指標(biāo)有直接影響，同時(shí)，集成的限幅功能具有一定的抗功率燒毀能力，可使LNA和后級(jí)電路免于被異常大功率信號(hào)燒毀。增益是其關(guān)鍵指標(biāo)，增益下降可導(dǎo)致收發(fā)組件功能失效[1-2]。

元器件失效分析是指通過(guò)對(duì)失效的元器件進(jìn)行必要的物理、電和化學(xué)檢測(cè)，并結(jié)合元器件失效前后的具體情況進(jìn)行技術(shù)分析，以確定元器件的失效模式、失效機(jī)理和造成失效的原因。元器件失效分析既要從本質(zhì)上研究元器件自身的不可靠因素，又要分析其工作條件、環(huán)境應(yīng)力、使用情況等因素對(duì)元器件失效所產(chǎn)生的影響。因此，元器件失效分析能夠?yàn)橛嘘P(guān)人員在材料選擇、電路設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、工藝制造和使用維護(hù)等方面提供各種科學(xué)依據(jù)，具有重要意義[3-4]。

本文針對(duì)某型限幅LNA增益下降故障進(jìn)行了失效分析，包括故障確認(rèn)過(guò)程、故障定位過(guò)程，進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了改進(jìn)措施。

2 失效樣品概述

目前，限幅器和低噪放的一體化設(shè)計(jì)逐漸成為主流，并在相控陣?yán)走_(dá)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文所討論的限幅LNA采用了限幅器和LNA的一體化設(shè)計(jì)思路，采用混合集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，由限幅器單元、LNA芯片、隔直電容和濾波電容等組成，陶瓷微波外殼封裝，限幅器單元由PIN二極管D1、D2和瓷片電路L1構(gòu)成[5]。在工作頻段，電路增益約為25.5 dB。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部元器件如表1所示。

圖1 限幅放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 主要元器件列表

產(chǎn)品采用金屬陶瓷外殼封裝，平行縫焊封口，失效樣品實(shí)物如圖2所示。

圖2 限幅放大器電路失效樣品實(shí)物

3 故障確認(rèn)過(guò)程

用戶反饋組件在試驗(yàn)時(shí)增益降低了約15 dB，經(jīng)排查，確定為限幅LNA增益異常。收到故障件后，采用萬(wàn)用表測(cè)量端口對(duì)地電阻和微波電性能測(cè)試的方法進(jìn)行故障確認(rèn)。首先，對(duì)故障件的加電端口、射頻輸入端、射頻輸出端的對(duì)地電阻進(jìn)行測(cè)量并與同批次合格品比對(duì)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。故障件與合格品對(duì)比，加電端口對(duì)地電阻基本一致。合格品的射頻輸入端、射頻輸出端對(duì)地電阻均為開路，故障件的射頻輸出端對(duì)地為開路，射頻輸入端對(duì)地電阻為3.6Ω，接近短路，該端口異常。射頻輸入端對(duì)地電阻異常可作為確認(rèn)故障現(xiàn)象的輔助判斷。

表2 故障件和合格品端口電阻測(cè)量結(jié)果

隨后對(duì)故障件和庫(kù)存合格品進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。與合格品相比，故障件的增益在頻帶內(nèi)降低約15 dB，確認(rèn)了故障現(xiàn)象。

表3 故障件和合格品電性能測(cè)試結(jié)果

4 故障定位過(guò)程

元器件失效分析的原則是先進(jìn)行非破壞性分析、后進(jìn)行破壞性分析，先外部分析、后內(nèi)部分析（解剖分析）。鑒于大多數(shù)測(cè)試分析基本上都屬于一次性的，很難重復(fù)，所以分析時(shí)應(yīng)按程序小心進(jìn)行，既要防止丟失或掩蓋導(dǎo)致失效的跡象或原因，又要防止帶進(jìn)新的非原有的失效因素[3]。故障定位流程如下。

1）設(shè)計(jì)因素排查。結(jié)合失效樣品概述，電路采用了成熟、經(jīng)典的電路結(jié)構(gòu)。選用元器件均為成熟的貨架產(chǎn)品，有使用經(jīng)歷。電路指標(biāo)分配合理，進(jìn)行了降額設(shè)計(jì)，選用元器件均為通用產(chǎn)品且有應(yīng)用經(jīng)歷，故可排除設(shè)計(jì)因素。

2）外觀檢查。重點(diǎn)檢查故障件外觀、射頻輸入端口、射頻輸出端口、加電端口。外觀經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯損傷，射頻輸入端、射頻輸出端和加電端口引線未見開裂、短路等現(xiàn)象。故可排除管殼引腳損傷、短路等因素。

3）內(nèi)部多余物排查。內(nèi)部多余物因素的排查過(guò)程主要包括X光檢查、粒子碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)（Particle Impact Noise Detection，PIND）和開帽鏡檢。對(duì)故障件進(jìn)行X光檢查，未見多余物。按GJB548方法2020條件A對(duì)故障件進(jìn)行PIND試驗(yàn)，未見異常。在不破壞器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，用機(jī)械法開蓋進(jìn)行分析。在20~100倍下鏡檢，未見多余物。故可排除內(nèi)部多余物因素。

4）元器件異常排查。在顯微鏡下對(duì)各元器件進(jìn)行檢查，目檢故障件內(nèi)部如圖3所示，圖中各元器件符號(hào)定義同圖1及表1。各元器件形貌均未見明顯異常。故可排除元器件異常因素。

圖3 故障件內(nèi)部

5）工藝裝配因素排查和局部SEM檢查。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，射頻輸入端鍵合指上金錫焊料偏多，限幅單元PIN二極管D1與射頻輸入端鍵合指之間距離偏小，鍵合指前端部分的金錫焊料與PIN二極管D1的側(cè)面疑似可能接觸。進(jìn)一步采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope,SEM）觀察，可見二極管側(cè)邊與管殼鍵合指部位已接觸。故障件內(nèi)局部SEM照片如圖4所示，其中接觸區(qū)域用黑色方框圈出。

圖4 故障件局部掃描電鏡圖

為進(jìn)一步確定該故障點(diǎn)，對(duì)故障件疑似接觸部位進(jìn)行了調(diào)整，小心調(diào)整二極管D1的位置，適當(dāng)增大其與管殼射頻輸入端口鍵合指間的距離，調(diào)整后其間距大約可達(dá)到25μm，調(diào)整后內(nèi)部照片如圖5所示。

圖5 芯片間距增大后故障件內(nèi)部

調(diào)整二極管D1位置后，測(cè)量射頻輸入端口對(duì)地電阻為開路，復(fù)測(cè)電性能恢復(fù)正常，由此確認(rèn)故障為輸入鍵合指上的金錫焊料與二極管D1的側(cè)邊連通所致，同時(shí)排除了發(fā)生故障的其他因素。

綜合上述分析，確定該器件增益下降故障是由于工藝裝配過(guò)程二極管芯片與管殼安全間距不足導(dǎo)致。

5 增益下降故障機(jī)理分析

該型限幅LNA電路拓?fù)鋱D見圖1，放大器選用了一款砷化鎵單片電路，限幅功能由二極管D1、D2實(shí)現(xiàn)，接地電感L1為二極管提供直流回路，電容C1、C2起隔直作用，電容C3為放大器濾波[6]。增益主要由LNA1提供，電路的總增益為：

式中GLNA為L(zhǎng)NA增益，Llim為限幅單元插入損耗，L0為外殼輸入及輸出端口、互連鍵合絲等插入損耗之和。

D1選用的PIN二極管的N極材料采用了高摻雜（N+）的硅材料，屬于低阻材料，特性接近于導(dǎo)體，且四側(cè)面無(wú)絕緣保護(hù)[7-8]。

由第4節(jié)的故障定位可知，該故障件輸入端鍵合指上的金錫焊料與二極管D1的側(cè)邊已連通，這相當(dāng)于在射頻輸入端帶線上并聯(lián)了一個(gè)對(duì)地電阻R1。故障模式下的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 故障模式下限幅放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用電路仿真軟件對(duì)該故障模式進(jìn)行了S參數(shù)仿真。在合格品測(cè)試數(shù)據(jù)前端并聯(lián)一個(gè)3.6Ω對(duì)地電阻進(jìn)行故障模擬（阻值同表2中的故障件射頻輸入端對(duì)地電阻實(shí)測(cè)值）。級(jí)聯(lián)仿真原理如圖7所示[9]。

圖7 故障模擬仿真原理

故障模擬的增益仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖8所示，合格品增益為25.5 dB左右。故障件的實(shí)測(cè)增益約為10.5 dB，電路仿真得到的故障件模擬增益約為10 dB，與故障件的實(shí)測(cè)增益值相近，略有差異的原因可能是仿真模型較簡(jiǎn)單，精度不高。

圖8 故障模擬仿真結(jié)果對(duì)比

故障模擬的仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象是一致的。射頻輸入端對(duì)地呈低電阻狀態(tài)引起了信號(hào)的衰減和反射，從而增大了電路的損耗，最終表現(xiàn)為器件增益降低。

6 故障改進(jìn)措施

產(chǎn)品失效是由于工藝裝配過(guò)程中芯片安全間距不足造成的，針對(duì)該故障，提出如下改進(jìn)措施：

（1）該產(chǎn)品報(bào)廢，對(duì)于同批次產(chǎn)品，采用X光檢查重點(diǎn)部位的元件間距，經(jīng)檢查，該故障為個(gè)例。

（2）因二極管芯片側(cè)面為非絕緣體，與任何不與其形成電連接的導(dǎo)電表面之間應(yīng)存在安全間距。安全間距應(yīng)綜合考慮元器件特點(diǎn)、工藝裝配能力等，過(guò)小不能保證足夠安全，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致鍵合絲過(guò)長(zhǎng)影響產(chǎn)品的電性能。以本產(chǎn)品為例，在后續(xù)批次生產(chǎn)時(shí)，要求D1、D2與其周圍元件的安全間距需大于25μm。

（3）在產(chǎn)品封蓋前，對(duì)芯組編號(hào)、拍照并存檔，這將有助于類似質(zhì)量問題發(fā)生后的追溯復(fù)查，可以以最低成本快速有效地隔離問題產(chǎn)品。

7 結(jié)論

本文對(duì)某型限幅LNA增益下降的故障進(jìn)行了失效分析，綜合采用外觀檢查、萬(wàn)用表測(cè)量、X光檢查、開蓋檢查等分析手段，對(duì)故障進(jìn)行了定位，確定故障是由于工藝裝配過(guò)程中二極管芯片與管殼安全間距不足導(dǎo)致。采用理論分析和電路仿真的方法進(jìn)行了機(jī)理分析，機(jī)理清楚。針對(duì)該故障問題提出了改進(jìn)措施，采用X光檢查了同批次產(chǎn)品，確定該產(chǎn)品故障為個(gè)例，提出了明確的安全間距要求，采取封蓋前對(duì)芯組拍照的方法可有助于類似質(zhì)量問題發(fā)生后的追溯復(fù)查。本文對(duì)類似產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配、檢測(cè)檢驗(yàn)、失效分析具有一定的參考價(jià)值。