微波器件的可靠性及失效分析

張新煥，劉軍霞，曹敏華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子整機(jī)系統(tǒng)的工作頻率越來(lái)越高，半導(dǎo)體微波器件在各種領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，而在使用過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量與可靠性問題也日益增多，失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，有些已經(jīng)造成生產(chǎn)方和使用方的巨大經(jīng)濟(jì)損失，直接影響了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。為此，微波器件的可靠性越來(lái)越受到重視，用戶和生產(chǎn)方對(duì)與其相關(guān)的失效分析技術(shù)的需求也越來(lái)越迫切。

2 可靠性與失效分析

可靠性一般用失效率（1/hour，1FIT=1/109hours）來(lái)表示。圖1中曲線a為器件的典型失效率曲線。從圖中可以看出，器件失效過(guò)程可分為三個(gè)階段來(lái)描述，包括早期失效、偶然失效和疲勞失效。

研究和統(tǒng)計(jì)表明，器件失效率最高的時(shí)期發(fā)生在器件剛開始使用的早期失效階段，有缺陷的、受污染的或處于臨界狀態(tài)的器件會(huì)在這個(gè)時(shí)期失效而暴露出來(lái)。這個(gè)階段時(shí)間很短，有的器件僅幾天就會(huì)失效，早早地便被淘汰。偶然失效期為元器件的正常工作階段，也是元器件的壽命期限；不同類別的器件有著不同的偶然失效期，即有著不同的壽命。器件在經(jīng)過(guò)偶然失效期的長(zhǎng)期工作后，便會(huì)出現(xiàn)疲勞，此時(shí)器件便進(jìn)入了疲勞失效期，其失效率會(huì)逐漸增高。圖1中曲線b為器件的實(shí)際失效率曲線，從圖中可以看到一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是某一器件使用越久，它的可靠性會(huì)越高。這是因?yàn)閷?duì)器件而言，它的真正疲勞失效的壽命是非常長(zhǎng)的，遠(yuǎn)長(zhǎng)于器件工作裝置的設(shè)計(jì)壽命。

圖1 失效率與時(shí)間的關(guān)系

失效分析的基本內(nèi)容包括失效情況調(diào)查、失效模式鑒別、失效特征描述、假設(shè)失效機(jī)理、證實(shí)失效機(jī)理、提出糾正措施和新失效因素的考慮等。分析著重于查明失效模式、追查失效機(jī)理、探討改進(jìn)方法。

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；先外觀分析，后內(nèi)部分析（解剖分析）；先調(diào)查了解與分析有關(guān)情況（線路、應(yīng)力條件、失效現(xiàn)象等），后分析失效器件。

失效分析的目的和意義有：（1）提高元器件的質(zhì)量和可靠性，解決裝備中元器件的可靠性問題。通過(guò)失效分析和采取相應(yīng)糾正和改進(jìn)措施可以顯著提高器件的成品率和可靠性，減少電子裝備的故障。（2）系統(tǒng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用期間電子裝備發(fā)生故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失巨大，排除故障的維修費(fèi)用頗高，做好失效分析工作可以顯著減少這方面的開支。（3）失效分析對(duì)元器件的生產(chǎn)和使用都具有重要意義。

3 引起微波器件失效的主要原因

微波器件的主要失效原因可分為以下兩類。

3.1 固有缺陷造成失效

固有缺陷是器件本身的質(zhì)量和可靠性問題，包括設(shè)計(jì)缺陷、芯片工藝缺陷、組裝工藝缺陷等。具體有引線鍵合不良、導(dǎo)電膠加固、芯片缺陷（沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)等）、芯片粘接、線圈脫落等，使器件留下潛在隱患。當(dāng)這些器件裝入整機(jī)使用—段時(shí)間后，在外界各種應(yīng)力的作用下，最終發(fā)生失效，有以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)不當(dāng)。設(shè)計(jì)不當(dāng)可分為電路設(shè)計(jì)不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)及工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?。無(wú)論哪種設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)使元器件在應(yīng)用時(shí)受損而失效。設(shè)計(jì)不當(dāng)造成器件的失效率較高，且會(huì)反復(fù)出現(xiàn)。

（2）元器件選型不當(dāng)。元器件選型不當(dāng)也是電子設(shè)備經(jīng)常發(fā)生失效的原因之一，主要是設(shè)計(jì)人員對(duì)元器件參數(shù)及性能了解不全面或考慮不周，致使所選用的元器件無(wú)法滿足電路要求。元器件選型不當(dāng)會(huì)造成在使用過(guò)程中大量的元器件失效。

（3）操作失誤。在裝配電子元器件時(shí)，操作失誤也是造成元器件經(jīng)常出現(xiàn)失效的原因之一，例如限幅器接反、保護(hù)二極管極性加反引起的燒毀失效、裝配中元器件機(jī)械應(yīng)力過(guò)大而開裂變形等。

（4）裝配工藝及裝配環(huán)境的影響。在裝配過(guò)程中，器件安裝與焊接質(zhì)量以及裝配環(huán)境的好壞，不但直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)性能，而且還對(duì)元器件的應(yīng)用可靠性帶來(lái)影響。元器件位置排列對(duì)電子設(shè)備的性能影響很大，例如當(dāng)元器件排列的距離過(guò)小時(shí)，很容易發(fā)生擊穿打火，使元器件失效；元器件的固定也很重要，若體積大的元器件光靠焊接來(lái)固定而不采取其他固定措施，元器件就經(jīng)受不起使用中的沖擊和震動(dòng)，不可能長(zhǎng)時(shí)間地可靠工作；元器件的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到電子設(shè)備是否可靠地工作，甚至?xí)?dǎo)致元器件失效，元器件在焊接時(shí)，如果焊點(diǎn)內(nèi)部沒有完全熔合，這樣的焊點(diǎn)被稱為虛焊點(diǎn)，極易造成電路斷路。產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的主要原因除了元器件本身的可焊性差以外，元器件引線、導(dǎo)線和焊片表面不清潔以及焊料質(zhì)量不好往往是主要方面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于焊接質(zhì)量不好而產(chǎn)生電子設(shè)備故障的情況占全部故障的20%左右。焊接用的焊劑最好不要用酸性焊劑，因?yàn)樗嵝院竸?huì)使元器件產(chǎn)生銅綠，最后被腐蝕，直至元器件引腳發(fā)生霉斷而失效。

3.2 使用不當(dāng)造成失效

因使用不當(dāng)造成的失效原因主要是靜電損傷和過(guò)電應(yīng)力。對(duì)于GaAs器件，由于材料本身的原因，器件抗靜電和抗過(guò)電能力比硅器件要弱，大多數(shù)微波單片電路的靜電放電敏感度（ESDS）在300V～500V之間（人體模型HBM），使用過(guò)程中防靜電和過(guò)電的保護(hù)措施非常重要。尤其是靜電損傷具有潛在性和累積性的特點(diǎn)，即器件在受到靜電損傷后并不立即失效，往往在以后的加電工作中才可能突發(fā)失效；或者經(jīng)歷一次輕微的靜電放電后并不立即失效，往往在以后的加電中也可能突發(fā)失效。過(guò)電應(yīng)力引起的元器件失效占總失效數(shù)的比率很大，它發(fā)生在元器件的測(cè)試、篩選、裝配、調(diào)試及工作運(yùn)行的各階段，其原因是多種多樣的，包括微波信號(hào)端口失配、加電順序不當(dāng)、系統(tǒng)接地不良、強(qiáng)電干擾、電源電壓浪涌等。其次，質(zhì)量大、體積大的元器件惡加固和腳彎曲不當(dāng)，誤判和虛焊也有一定的比例。

4 微波器件主要失效模式

在這里，按照制造工藝將微波器件分為三類：第一類是微波分立器件，即通常所說(shuō)的單管；第二類是微波單片電路，主要是GaAs單片電路；第三是微波組件，包括采用封裝器件以及裸芯片組成的各種微波混合電路和功能模塊。

4.1 微波分立器件的主要失效模式

對(duì)微波單管來(lái)說(shuō)，常見的失效模式有：漏電流增大和短路、飽和壓降增大、擊穿特性退化、電流或功率增益退化、高阻或開路、燒毀失效等。

4.2 微波單片電路的主要失效模式

微波單片電路的可靠性問題主要表現(xiàn)為有源器件、無(wú)源器件和加工中引入的機(jī)械應(yīng)力損傷，主要的失效部位在有源器件，封裝效應(yīng)、輻射效應(yīng)以及移位損傷效應(yīng)等因素也會(huì)導(dǎo)致微波單片電路的失效。

4.3 微波組件的主要失效模式

微波組件又稱微波模塊，品種很多，應(yīng)用范圍很廣。單個(gè)管芯、多個(gè)管芯、封裝器件、單片電路以及它們的組合構(gòu)成微波組件的有源部分；電阻、電感、電容、分布式傳輸線等各種元件和做成傳輸線的電路基板構(gòu)成微波組件的無(wú)源部分。因此，微波分立器件和微波單片電路的主要失效模式在微波組件中都有所體現(xiàn)，不再贅述。

5 總結(jié)

本文對(duì)微波器件的可靠性及失效分析進(jìn)行了論述，對(duì)失效分析的基本方法和程序有了進(jìn)一步的理解，并且歸納總結(jié)了微波器件中常見的失效模式和失效機(jī)理。

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