某中頻控制器低溫下輸出異常的失效分析

桑寶巖（中國人民解放軍總后勤部95996部隊第三大隊，北京 100000）

某中頻控制器低溫下輸出異常的失效分析

桑寶巖
（中國人民解放軍總后勤部95996部隊第三大隊，北京 100000）

近些年來，關于電子元器件的失效分析已逐漸發展成為一個專門的學科，作為專門的模擬集成電路設計、生產單位，在分析儀器、設備有限的條件下，通過失效分析發現產品設計、測試、以及生產制造過程中存在的問題，以不斷改進產品的設計水平和制造工藝，提高產品的可靠性。通過對某中頻控制器在用戶處表現出來的低溫下通斷比異常的情況進行分析，發現該產品的設計存在的問題，文中不僅給出了失效機理，同時提出了改進措施。此次失效分析對于同類中頻控制器的設計、提高其可靠性具有一定的借鑒意義。

中頻控制器；低溫；通斷比；失效分析

概述

于2014年設計定型的某型中頻控制器，在摸底、批量篩選、鑒定考核過程中均未發生典型失效。該產品于2014年12月完成設計定型后開始首批供貨，目前僅供貨一個批次。

2015年1月，收到用戶退貨電路，并附反饋單“首批供貨的電路有部分存在低溫（-40 ℃）下通斷比異常，但常溫恢復正常的情況?！庇捎谠摦a品在篩選、考核時未發生過相同或相似的異?，F象，而首批供貨在用戶處發現異常，擔心為批次性質量問題，因此開展了詳細的失效分析。

1　失效原因分析

1.1失效現象確認

按照該中頻控制器詳細規范對1只退回電路進行全參數常溫、低溫測試（采用低溫箱內測試的方法），測試結果表明退回電路常溫合格，低溫下通斷比及時間參數不合格，其余參數正常，反映出退貨電路開啟正常，關斷不正常，即電路能夠正常放大輸入信號，但是不能控制輸入信號的通斷。測試結果如表1所示。

從表1可以看出，退貨電路異常現象與用戶反饋異?，F象一致。

1.2失效原因分析

表1　退貨電路常溫25℃、-55℃電路復測結果

1）功能簡介

該中頻控制器是采用SMT工藝制造的模塊電路，它主要由傳輸信道、電源轉換和控制電路組成。傳輸信道實現信號的傳輸與放大，電源轉換實現外部供電的轉換，控制電路實現控制傳輸信道的通斷。電路傳輸信道部分包含一個SPST開關、由NPN對管組成的中間放大電路、以及用寬帶運放構成的輸出級。電源轉換部分由一個7 V轉3 V基準組成，控制電路由高速比較器組成。

如圖1所示，輸入通過SPST開關后，由中間放大電路NPN對管對信號放大，送入輸出級單元（寬帶運放）。比較器負責控制SPST通斷，實現輸入信號的調制功能，影響其時間參數?；鶞释瓿?V到+3V的轉換，并為SPST、比較器提供電源。

2）故障原因分析

從退回電路復測結果看，低溫下通斷比及時間參數不合格，其余參數正常，反映出退回電路開啟正常，關斷不正常，即電路能夠正常放大輸入信號，但是不能控制輸入信號的通斷。

退回電路傳輸系數與線性輸出功率正常，說明電路內部開啟時工作正常，排除了電路內部NPN對管和寬帶運放失效。而通斷比及時間參數不正常，說明電路內部SPST不能完成關斷功能，影響信號SPST開啟與關斷的為該中頻控制器電路內部的比較器和基準。

由于退回電路只表現出低溫輸出異常，故為了驗證上述分析，將退回電路在-55 ℃低溫箱內，分別對基準和比較器進行測試：

① 比較器低溫-55 ℃測試

圖1　某中頻控制器原理圖

退回電路在低溫箱中放置30 min后，開啟供電電源，使用萬用表對比較器的輸出端和電源端進行測試，測試結果為比較器電源引腳電壓為2.6 V（比較器正常工作電壓為3.0~5.0 V，在該中頻控制器中比較器工作電壓為3.0 V），比較器輸出低電平為1.5 V（正常為0.25 V）。

由于比較器電源由電路內部基準提供，故為了單獨分析比較器，斷開基準供電，由外部電源供電。當外部電源供電為3.0 V時，在低溫下比較器電源引腳電壓和輸出低電平均恢復正常，故可以排除比較器問題。

② 基準低溫-55 ℃測試

根據上述分析，比較器在基準供電時，輸出異常，但在外部電源供電時輸出正常，基于這一情況，我們單獨對基準進行了測試。

將退回電路在低溫箱中放置30 min后，開啟電源，使用萬用表測試該中頻控制器內部基準電路（基準為比較器供電）輸出，測試結果為輸出2.5 V（正常為3.0 V）。斷開基準負載，即空載，在低溫箱中放置30 min后，開啟電源測試基準輸出，其測試結果輸出正常（3.0 V輸出），即退回電路的基準低溫下空載時輸出正常，帶載時輸出異常，說明該基準在低溫下帶載能力不足。

小結：通過以上分析，退回電路低溫下通斷比及時間參數超差是由于電路內部基準低溫下帶載能力不足，導致比較器不能正常工作，進而不能控制SPST的關斷功能所致。

3） 篩選測試過程未剔除原因分析

由于該中頻控制器電路在篩選過程中100 %進行過三溫（高溫85 ℃、常溫25 ℃、低溫-55 ℃）測試，但未將此次反饋的低溫異常電路予以有效剔除，因此我們對篩選測試過程進行了詳細排查。

測試人員反饋：在測試該電路時，測試流程為首先將電路放置于-65 ℃低溫箱中30 min后，再將電路取出放置于測試系統中自動測試，正常測試時從低溫箱中取出放置于測試系統上的時間約為10 s，一般情況下如果在10 s內完成測試，可以保證電路溫度不高于-55 ℃。但是由于電路在低溫箱中放置后管腳容易帶霜，造成與夾具接觸不良，因此低溫篩選時存在個別電路在首次測試不合格時被誤認為結霜所致而導致二次測試，甚至多次測試，而多次測試會導致電路溫度升高。

因此不排除測試過程中個別電路因二次測試時電路溫度有所升高，而該中頻放大器上的基準在溫度升高后帶載能力提高，從而導致部分基準帶載能力不足電路被判定合格，即篩選過程未能有效剔除低溫下通斷比異常電路，進而流至用戶。

2　失效機理

該中頻控制器內部選用的基準為某公司的某型號基準，該基準為電路內部的某型號比較器供電。根據該基準和比較器的產品手冊，基準全溫額定輸出電流為20 mA，而比較器穩定工作狀態需要8 mA的供電電流，因此電路穩定工作時該基準能保證后續比較器正常工作。為此，對比較器的啟動特性和基準的帶載能力進行測試分析：

2.1比較器啟動特性分析

比較器工作電壓范圍為3.0~5.0 V，在該中頻控制器電路應用中，比較器工作電壓為3 V，為了模擬比較器供電啟動過程，控制外部電源電壓從0 V升至3.0 V，達到穩定工作狀態。我們首先觀察了退回電路比較器的常溫與低溫啟動過程。

常溫25 ℃下：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，比較器電源電流由0 mA升至20 mA左右（對應電源電壓0 ~2.6 V），隨著電源電壓繼續上升，比較器電源電流降至穩定狀態8 mA（電源電壓3.0 V），如圖2中實線所示。

低溫-55 ℃下：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，比較器電源電流由0 mA升至23 mA左右（對應電源電壓0 ~2.6 V），隨著電源電壓繼續上升，比較器電源電流降至穩定狀態8 mA（電源電壓3.0 V）。如圖2中虛線所示。

通過上述觀察，發現該比較器在啟動過程中，即電源電壓從0 V升至穩定工作狀態3.0 V過程中，比較器電源電流由0 mA升至遠超出穩定工作狀態電源電流(對應電源電壓2.6 V左右)再降至穩定狀態8 mA（供電為3.0 V）；且比較器啟動過程中出現遠超出穩定工作狀態的電源電流，低溫狀態高于常溫狀態（常溫25 ℃峰值啟動電流約為20 mA，低溫-55 ℃峰值啟動電流約為23 mA），具有特殊的啟動特性。

圖2　退回電路比較器啟動過程

為了進一步驗證該比較器是否都具有圖2所示的、在啟動時需要遠超出穩定工作狀態電源電流的啟動特性，我們取2只鑒定批電路，對其比較器進行了上述試驗，即變化外部電源給比較器供電，在常溫和低溫下觀察比較器的電流變化，測試結果為：外部電源電壓從0 V升至3.0 V，在電源電壓0~2.6 V上升過程中，比較器電源電流由0 mA升至20 mA左右（低溫下峰值啟動電流約為23 mA），隨著電源電壓繼續上升，比較器電源電流降至穩定狀態8 mA（電源電壓3.0 V）。上述測試結果表明2只標件電路中的比較器也存在與退回電路內的比較器相同的啟動特性，即在啟動時需要遠超出穩定工作狀態的電源電流。

小結：比較器常溫開啟時需要最大電流20 mA，低溫開啟時最大電流為23 mA，遠超出穩定工作狀態時電源電流（8 mA）。在此次問題發生前，對于比較器的這一特性缺乏了解。

2.2基準帶載能力分析

該中頻控制器內部選用的基準為某公司生產的某基準。從該基準的產品手冊上可知在全溫情況下額定輸出電流為20 mA，最大輸出電流為30 mA（30 mA來源于該基準產品手冊中的輸出電流曲線圖）。為進一步對基準低溫帶載能力進行驗證，我們單獨對退回電路的基準進行了如下試驗，如表2所示。

通過表2可以看出，退回電路中的基準常溫下能夠提供大于20 mA的電流，滿足比較器常溫20 mA的峰值啟動電流要求，隨著溫度的降低（-55 ℃時），基準輸出電流下降到20 mA左右，不能滿足比較器23 mA的峰值啟動電流要求。

為了進一步驗證該基準是否普遍具有“低溫時帶載能力下降”的特性，取同批次鑒定考核電路4只，進行了低溫測試，結果如下表3所示。

表2　退回電路基準輸出能力（摸底）

表3　某批次中頻放大器鑒定考核電路低溫測試結果

從表3可以看出， 7#、33#電路在-40 ~ -60 ℃下均正常，16#電路在-55 ℃下失效，48#電路在-60 ℃下失效（所有電路失效模式均為低溫下通斷比異常）。通過上述分析，同批次鑒定考核樣品電路出現了與退回電路相同的失效現象，說明由于該中頻控制器內部該基準低溫下帶載能力下降，不能為電路內部比較器提供足夠的啟動電流導致其低溫下通斷比異常。而不同的鑒定考核樣品電路在不同溫度下表現出失效，說明不同電路使用的基準存在個體差異，使得其在低溫下帶載能力下降程度不同，導致該中頻控制器電路在不同溫度下表現為與退回電路相同的失效現象。

小結:該基準普遍具有隨著溫度降低而帶載能力降低的特性，由于個體差異，每只電路的基準在低溫下帶載能力下降程度不同，退回電路的基準由于自身原因，在用戶使用溫度-40 ℃時無法啟動比較器，導致電路失效。

2.3結論

通過上述試驗和分析，該中頻控制器中的比較器正常啟動時需要遠超出穩定工作狀態的峰值啟動電流（常溫下20 mA左右，低溫下23 mA左右），而其內部選用的基準普遍具有“低溫下帶載能力下降”的特性，且由于個體差異，下降程度各有不同，退回電路在-40 ℃時出現內部基準無法啟動內部比較器，無法控制SPST的關斷，導致退回電路參數通斷比異常。

3　糾正措施

1）對所有庫存產品按規范要求進行低溫箱內測試篩選，剔除不滿足規范要求產品。

2）后續將對該中頻控制器進行設計改進，選用輸出電流更大的LDO。從設計上徹底杜絕此類失效的發生，更改后的產品將送用戶驗證。

4　結論

1）在設計過程中未意識到該中頻控制器選用的比較器需要較大的啟動電流，而該中頻控制器選用的基準輸出電流相對比較器所需的啟動電流余量較小，基準在常溫下可以啟動比較器，但低溫下基準帶載能力有所下降，且由于個體差異，下降程度各有不同，退回電路即是在-40 ℃時基準無法啟動比較器，導致低溫下通斷比異常。

2）由于該中頻控制器電路在低溫箱中放置后管腳帶霜，容易造成與夾具接觸不良，因此在電路進行低溫測試時，電路因反復多次測試后電路溫度升高，從而導致基準帶載能力不足的電路誤判合格，篩選測試時未予以淘汰。

桑寶巖，中國人民解放軍總后勤部95996部隊第三大隊，工程師。主要研究方向：后勤保障、電子元件。

The Failure Analysis on A Type of IF Controller

SANG Bao-yan
（No.3 Battalion of The 95996 Troops of The Chinese people's Liberation Army General Logistics Department，Beijing 100000）

In recent years， the study about “Failure Analysis” has been developed into a special subject. As a special design and manufacture institute， under the condition that the analytical instruments and devices are limited， the existing problems about product design， test， and manufacturing are found through the failure analysis， in order to update the design and manufacturing technique， and improve the reliability of products. This paper is about the analysis of a type of IF controller which is failure in the user institute when tested in low temperature.The design defect of this controller is found through failure analysis. The paper presents the failure mechanism， and gives the suggestions on the design. The conclusions are instructive to further improve the reliability for the similar products.

intermediate frequency controller； low temperature； isolation； failure analysis

［2］ Tiny Micropower Precision Series in 2mm × 2mm DFN，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.

TN306

A

1004-7204（2016）04-0029-05

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［3］ 陳星弼，張慶中，陳勇. 微電子器件 ［M］. 北京：電子工業出版社，2011.

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