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應(yīng)用于航天領(lǐng)域的低噪聲放大器，作為無(wú)線通信設(shè)備的前段核心部件，其工作環(huán)境復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行及時(shí)的更換和維修。為了保障無(wú)線通信設(shè)備要求高可靠、長(zhǎng)壽命，本文選擇四通道接收組件一只進(jìn)行熱真空試驗(yàn)。該組件的低噪聲放大器在溫度范圍為-55℃~150℃的熱真空試驗(yàn)下，均發(fā)生不同程度的退化和失效，并借助金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM)、聚焦離子束(FIB)及微光顯微鏡(EMMI)等失效分析設(shè)備對(duì)試驗(yàn)后組件中的低噪聲放大器芯片開(kāi)展失效分析研究，確定芯片的薄弱環(huán)節(jié)和失效機(jī)理，為優(yōu)化低噪聲放大器設(shè)計(jì)，提高其在太空環(huán)境下的性能和可靠性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

 

引言

 

無(wú)線通信在人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步中起到至關(guān)重要的作用，其應(yīng)用已深入到我們生產(chǎn)和生活的方方面面，如手機(jī)、數(shù)字電視、廣播、汽車、飛機(jī)及航天等。無(wú)線通信設(shè)備中最常用和最關(guān)鍵的部件為收發(fā)組件，用于接收和發(fā)射來(lái)自其他通信設(shè)備的信號(hào)。低噪聲放大器作為收發(fā)組件中最基本和最重要的電路，用于放大來(lái)自其他設(shè)備的有用信號(hào)，降低鏈路中噪聲信號(hào)的擾動(dòng)，保證系統(tǒng)解調(diào)出可靠信息。低噪聲放大器的性能指標(biāo)和可靠性決定了整個(gè)模塊及系統(tǒng)的性能和可靠性，如動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和選擇性，這三個(gè)指標(biāo)嚴(yán)重受限于射頻系統(tǒng)的噪聲和線性度，而噪聲和線性度又主要由低噪聲放大器的噪聲、增益等指標(biāo)決定。

 

無(wú)線通信在提升信息收發(fā)效率的同時(shí)也必須保證信號(hào)收發(fā)的準(zhǔn)確和可靠性，因此有必要對(duì)其中關(guān)鍵部件低噪聲放大器進(jìn)行可靠性考核。手機(jī)、電視、廣播等產(chǎn)品中使用的低噪聲放大器應(yīng)用場(chǎng)景中的環(huán)境條件比較柔和，且容易進(jìn)行更換和維修，因此對(duì)該類產(chǎn)品中使用的低噪聲放大器的可靠性要求較低。而應(yīng)用于人造衛(wèi)星、空間探測(cè)器等航天領(lǐng)域的低噪聲放大器，其工作環(huán)境復(fù)雜，器件往往同時(shí)受到熱電、真空、輻照、過(guò)載荷等多重應(yīng)力，且器件無(wú)法進(jìn)行及時(shí)的更換和維修，設(shè)備昂貴并具有重要應(yīng)用價(jià)值，因此對(duì)該類產(chǎn)品中使用的低噪聲放大器的可靠性要求極高。為了保障設(shè)備要求高可靠、長(zhǎng)壽命，有必要在產(chǎn)品投入使用前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行真空熱環(huán)境模擬的可靠性試驗(yàn)。

 

熱真空試驗(yàn)的基本原理是通過(guò)模擬太空環(huán)境，使低噪聲放大器在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)歷與實(shí)際工作條件相同或相似的環(huán)境和負(fù)荷，從而揭示其在這些條件下的工作特性和性能限制，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在太空條件中工作的薄弱環(huán)節(jié)和失效機(jī)理。這種方法可以提供比地面環(huán)境下試驗(yàn)更真實(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化低噪聲放大器設(shè)計(jì)，提高其在太空環(huán)境下的性能和可靠性。本文選取某多芯片組件進(jìn)行熱真空試驗(yàn)后，研究其中低噪聲放大器在熱真空條件下的可靠性，發(fā)現(xiàn)組件中的低噪聲放大器的微波參數(shù)在熱真空試驗(yàn)前后均有不同程度退化或失效，借助金相顯微鏡、掃描電鏡（SEM）、聚焦離子束（FIB）及微光顯微鏡（EMMI）等失效分析設(shè)備對(duì)熱真空試驗(yàn)后組件中的的低噪聲放大器芯片開(kāi)展失效分析研究，確定芯片失效部位、失效模式及失效機(jī)理。幫助確定低噪聲放大器在熱真空試驗(yàn)中的薄弱環(huán)節(jié)和失效機(jī)理。

 

試驗(yàn)方法

 

1、熱真空試驗(yàn)概述

 

熱真空試驗(yàn)是指在真空和一定溫度條件下驗(yàn)證產(chǎn)品性能與功能的試驗(yàn)，是一種環(huán)境模擬試驗(yàn)，也是綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。試驗(yàn)要素主要有如下幾點(diǎn)：（1）試驗(yàn)真空度；（2）極限溫度；（3）極限溫度保持時(shí)間；（4）溫變速率；（5）電應(yīng)力和工作時(shí)間；（6）試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。在熱真空試驗(yàn)中，真空度通常小于1.3×10-3Pa，不同真空度下器件有不同的物理效應(yīng)，如壓差效應(yīng)、熱輻射效應(yīng)、材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)、微放電與擊穿現(xiàn)象等；極限溫度與器件工作溫度有關(guān)，需結(jié)合器件自身特點(diǎn)確定；高溫限與低溫限停留時(shí)間通常為8-12小時(shí)；溫變速率不小于1℃/min；循環(huán)次數(shù)與試驗(yàn)類型相關(guān)，至少3.5次。

 

2、低噪聲放大器熱真空試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

為了研究低噪聲放大器在真空熱試驗(yàn)的失效機(jī)理，選擇四通道接收組件一只進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，將其中的通道分別編號(hào)為接收-1#、-2#、-3#、-4#。設(shè)置試驗(yàn)條件為：真空度1.0×10-4Pa，設(shè)置四個(gè)溫度范圍分別為-55℃~85℃/100℃/125℃/150℃，加電，各5.5個(gè)循環(huán)，每循環(huán)24小時(shí)。試驗(yàn)前后測(cè)試各通道增益和噪聲參數(shù)。

 

試驗(yàn)結(jié)果

 

熱真空試驗(yàn)，前后用探針對(duì)組件中的低噪聲放大器開(kāi)展微波參數(shù)（NF和Gain）測(cè)試，測(cè)試發(fā)現(xiàn)組件中1#、2#、3#、4#號(hào)低噪聲放大器的微波參數(shù)均不同程度退化失效，測(cè)試結(jié)果如表1~表2所示。

表1接收-1#、接收-2#、接收-3#、接收-4#增益測(cè)試結(jié)果

表2 接收-1#、接收-2#、接收-3#、接收-4#噪聲測(cè)試結(jié)果

由表1~表2得出，組件中的低噪放在-55~85℃、-55~100℃、-55~125℃試驗(yàn)條件下均未發(fā)生參數(shù)超差或失效，各參數(shù)與試驗(yàn)前差別不大；然而，在-55~150℃條件下，器件直接發(fā)生失效。

 

失效分析

 

1.直流電特性測(cè)試

 

低噪聲放大器由有源器件、無(wú)源器件和互聯(lián)結(jié)構(gòu)組成。有源器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，是決定產(chǎn)品性能和功能的關(guān)鍵部件，也是可靠性最薄弱的部件，而柵極肖特基勢(shì)壘為有源器件的可靠性薄弱部位。試驗(yàn)后測(cè)試場(chǎng)效應(yīng)管的柵極肖特基勢(shì)壘特性，即柵（G）和源（S）之間的直流電特性，接收-2#和接收-3#二只低噪放的G-S間肖特基勢(shì)壘特性徹底消失，表現(xiàn)為低阻導(dǎo)通特性，阻值范圍為4Ω~60Ω，典型的低阻特性曲線如圖1（a）所示。接收-1#和接收-4#二只低噪放產(chǎn)品G-S間表現(xiàn)為有較大漏電流的肖特基勢(shì)壘特性，典型的特性曲線如圖1（b）所示。

圖 1 試驗(yàn)后低噪放直流電特性測(cè)試結(jié)果

 

2.形貌分析

 

根據(jù)直流電特性測(cè)試結(jié)果可知，有源芯片肖特基勢(shì)壘受到不同程度的損傷，故重點(diǎn)放大檢查有源區(qū)。

將失效芯片依據(jù)直流電特性劃分為A、B兩組。G-S間呈低阻導(dǎo)通特性的2只（接收-2#、接收-3#）為A組，G-S間呈漏電流較大的肖特基勢(shì)壘特性的2只（接收-1#、接收-4#）為B組。

在高倍顯微鏡下檢查A組和B組芯片內(nèi)場(chǎng)效應(yīng)管的柵條，柵條下方半導(dǎo)體表面均有不同程度的局部損傷點(diǎn)，部分損傷點(diǎn)位于S極一側(cè)，部分損傷點(diǎn)位于D極一側(cè)，部分損傷點(diǎn)位于S極和D極兩側(cè)，但損傷點(diǎn)位置與A組和B組產(chǎn)品未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性。典型的柵條形貌分別如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)后低噪放直流電特性測(cè)試結(jié)果

 

3.EMMI與FIB分析

 

使用EMMI發(fā)光顯微分析技術(shù)對(duì)接收組件低噪聲放大器進(jìn)行形貌檢查，圖中并未發(fā)現(xiàn)芯片異常部位，經(jīng)先前目檢形貌檢測(cè)，放大管的柵極柵條為低噪聲放大器的損傷部位，同樣也是是低噪聲放大器的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，EMMI發(fā)光顯微鏡不能分辨出放大器芯片的異常部位。

圖3接收-1#低噪聲放大器有源區(qū)EMMI圖像

使用FIB，沿著垂直于柵條的方向進(jìn)行刻蝕，得到柵條部位的FIB剖面形貌圖（如下圖所示）。為了對(duì)比分析，在柵條上任選一處未損傷部位刻蝕，為進(jìn)行對(duì)比，正常的柵條進(jìn)行FIB剖面形貌如圖4所示。

圖4 未失效低噪聲放大器樣品FIB圖像

柵條損傷部位FIB剖面形貌分別如圖5所示，損傷形貌均表現(xiàn)為半導(dǎo)體材料的熔融、鼓包、變形，出現(xiàn)燒蝕坑，甚至分層。

圖5 失效低噪聲放大器樣品FIB圖像

 

4、失效機(jī)理

 

低噪聲放大器內(nèi)的無(wú)源元件（電容、電感和電阻）、互聯(lián)結(jié)構(gòu)（傳輸線、空氣橋和通孔）均未見(jiàn)明顯異常，損傷部位均位于有源區(qū)，失效模式為柵金屬下方的半導(dǎo)體材料熔融燒毀。具體表現(xiàn)有：（1）柵條損傷形貌有熔融、鼓包、變形，出現(xiàn)燒蝕坑，甚至分層等；（2）熔融燒毀位置位于S極一側(cè)；（3）熔融燒毀位置位于D極一側(cè)；（4）S極和D極側(cè)均有燒毀熔融；（5）去除鈍化層和柵極金屬化層后，柵條部位出現(xiàn)新的異?？?。

主要失效機(jī)理為：二次擊穿導(dǎo)致半導(dǎo)體材料熔融燒毀，柵金屬與半導(dǎo)體材料間的互擴(kuò)散。具體分析如下：

半導(dǎo)體器件燒毀的發(fā)展過(guò)程一般可以概括為：結(jié)區(qū)熱斑的形成和發(fā)展→熱斑溫度超出了原設(shè)計(jì)的溫度→熱斑溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)，發(fā)生結(jié)間短路→金屬遷移至熔融材料中→金屬化條熔化開(kāi)路。

二次擊穿，是指當(dāng)元器件的偏置電壓增大過(guò)程中出現(xiàn)的電壓突然跌落、電流突然上升的物理現(xiàn)象，如圖6所示。發(fā)生二次擊穿時(shí)，若無(wú)限流裝置及其它保護(hù)措施，元器件將被燒毀。

圖6 二次擊穿示意圖

強(qiáng)電流和熱絲的形成被認(rèn)為是與二次擊穿相關(guān)聯(lián)并同時(shí)發(fā)生的另一種現(xiàn)象。當(dāng)強(qiáng)電流集中從一個(gè)小區(qū)域流過(guò)而不再均勻流過(guò)結(jié)區(qū)時(shí)，就形成了熱絲；強(qiáng)電流的集中以及它引起的升溫將進(jìn)一步加強(qiáng)上述過(guò)程，并在器件中產(chǎn)生熱斑。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)使得材料融化，進(jìn)而引起器件性能退化或失效。

 

如果熱真空放電從源極或漏極注入到器件中。器件溝道中瞬時(shí)通過(guò)大電流密度和強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致溝道溫度急劇上升，當(dāng)溫度累積達(dá)到材料的熔點(diǎn)，溝道熔融燒毀，表現(xiàn)為S極和D極兩側(cè)的半導(dǎo)體材料均發(fā)生熔融。

 

熱真空放電損傷效應(yīng)的物理機(jī)理為器件柵金屬下方發(fā)生熔融燒毀。然而，如果作用到器件上的功率密度尚不能達(dá)到損傷功率閡值，則器件內(nèi)最高溫度就無(wú)法達(dá)到材料熔點(diǎn)，燒毀不會(huì)發(fā)生。但是即便未發(fā)生損傷效應(yīng)，在柵金屬下方也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高溫?zé)狳c(diǎn)，在這種情況下，柵金屬化與半導(dǎo)體材料之間的互擴(kuò)散很容易被熱激活。柵金屬向下擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體材料內(nèi)形成化合物，尤其在局部存在缺陷時(shí)，這種互擴(kuò)散更為嚴(yán)重，這些化合物在去除鈍化層和柵極金屬化層中，被氫氟酸清洗掉后便留下了異常的坑。

 

低噪聲放大器失效可分為致命失效和退化失效，引起失效機(jī)理通常與材料結(jié)構(gòu)、工藝方法、應(yīng)用和應(yīng)力等條件有關(guān)，其損傷機(jī)理主要可歸結(jié)為柵金屬下沉、歐姆接觸退化、溝道退化、表面態(tài)影響、電遷徙、熱電子陷阱、氫效應(yīng)等。每種失效模式均可歸為不同失效機(jī)理的表現(xiàn)形式。

 

結(jié)論

 

本文對(duì)某組件進(jìn)行熱真空試驗(yàn)，并在試驗(yàn)前后對(duì)其中的低噪聲放大器進(jìn)行參數(shù)測(cè)試和失效分析。-55~150℃熱真空試驗(yàn)后低噪聲放大器的增益和噪聲參數(shù)均發(fā)生超差導(dǎo)致器件失效。

 

低噪聲放大器在熱真空試驗(yàn)后，內(nèi)的無(wú)源元件（電容、電感和電阻）、互聯(lián)結(jié)構(gòu)（傳輸線、空氣橋和通孔）均未見(jiàn)明顯異常，損傷部位均位于有源區(qū)柵條部位。具體表現(xiàn)有：（1）熔融燒毀位置位于S極一側(cè)；（2）熔融燒毀位置位于D極一側(cè)；（3）S極和D極側(cè)均有燒毀熔融；（4）去除鈍化層和柵極金屬化層后，柵條部位出現(xiàn)新的異?？?；（5）柵條損傷主要有熔融、鼓包、變形，出現(xiàn)燒蝕坑，甚至分層等。主要失效機(jī)理為：二次擊穿導(dǎo)致半導(dǎo)體材料熔融燒毀，柵金屬與半導(dǎo)體材料間的互擴(kuò)散。

 

引用本文：

 

劉國(guó)強(qiáng).低噪聲放大器熱真空試驗(yàn)可靠性與失效機(jī)理研究[J].環(huán)境技術(shù),2024,42(07):49-55.