某型多普勒雷達本振失鎖的故障分析

■ 呂 輝　李 棟　陳 煒

某型多普勒雷達本振失鎖的故障分析

■ 呂 輝李 棟陳 煒

本文通過故障樹分析法將故障定位為由于組件內部介質諧振壓控振蕩器（DRVCO）模塊內的場效應管參數退化，并對某型多普勒雷達本振失鎖的故障原因進行了深入的機理分析。

表1　　Ku波段接收組件故障件測試結果

1.引言

某型多普勒雷達（以下簡稱雷達）采用模塊化設計，設置了故障自檢測功能，提高了雷達的維修性。雷達由天線基座組合、Ku波段發射組件、Ku波段接收組件、中頻處理組件、信號處理組件、數據處理組件、電源模塊七個SRU單元組成。雷達自檢測功能連續監測雷達工作狀態，檢測到故障，實時輸出對應的故障代碼并以十六進制形式顯示。報故障返廠維修的雷達經技術人員檢測輸出故障碼：07表示Ku波段接收組件故障。現場進行了故障檢測確認，現場測試結果顯示配套6部雷達Ku波段接收組件在常溫環境下本振單元鎖相環路失鎖，中頻基準無輸出信號。測試結果見表1。

2.失鎖故障定位

故障Ku波段接收組件在常溫下加電，本振單元失鎖,中頻無輸出信號，在XX GHz±15MHz附近無介質諧振壓控振蕩器（DRVCO）的泄露信號，因此故障Ku波段接收組件常溫失鎖可能是由于DRVCO工作異常引起。圖1是Ku波段接收組件本振源單元的原理框圖。圖2是本振單元失鎖故障樹。

參考Ku波段接收組件本振源單元原理框圖，結合本振單元失鎖故障樹對故障現象進行分析。

2.1首先開蓋鏡檢故障組件。在顯微鏡下接收組件內部無多余物，各單元電路帶線無開短路現象，元器件焊點滿足焊接要求。

2.2排查C101。用開路電纜測試接收組件40MHz參考信號功率為9dBm，在正常的工作范圍內，排除40MHz參考信號問題。

2.3排查C102。測量鑒相器PE3236各引腳電阻均在正常范圍，測試工作電流為25mA，均在正常范圍，排除鑒相器PE3236損傷。

2.4排查C103。開蓋測試放大器以及混頻器均正常工作，排除放大混頻器件受損。

2.5排查C104。開蓋測試有源濾波電路中的運算放大器電流為8mA，在正常范圍內，排除有源環路濾波問題。

2.6排查C105。常溫下用開路電纜測試故障件在電調電壓為0～12V范圍內均發生停振無輸出。可以確認接收組件DRVCO工作異常，即DRVCO工作異常成立。

2.7排查C201（介質受潮DRVCO停振）。DRVCO介質對水汽敏感，當腔體內部進入潮氣后可能會引起DRO停振或跳頻。故障件在85℃下烘干8h后對DRVCO進行測試，測試結果與烘干前對比無變化，排除介質受潮DRVCO停振。

2.8排查C202。開蓋鏡檢故障件，在顯微鏡下檢查其內部無多余物、無微帶線開裂短路及斷路現象，電路及元器件焊接符合設計要求，排除機械應力損傷。

2.9排查C203。對工作異常的DRVCO重新進行調試，DRVCO故障狀態無變化，排除調試狀態臨界。

2.10排查C204。開蓋后對故障件DRVCO內場效應管進行直流參數測試，測試結果如表2所示。從測試結果可以看出故障件DRVCO場效應管的柵源電壓(VGS)與正常件相比變大，漏電流(IDS)與正常件相比變小。根據該類場效應管的工作原理，當柵壓變大的情況下，相同的漏源電壓下漏電流會增加，故障件場效應管的漏電流反而變小，因此可以推斷故障件的場效應管參數發生變化。為了進一步確認場效應管參數發生變化，對故障件的場效應管用晶體管圖示儀測試其I-V特性圖，并且與正常件進行對比。從測試結果可知工作異常的DRVCO模塊內的場效應管飽和漏電流變小、跨導變小，參數發生變化，可以確定C204-振蕩管參數退化成立。

通過上述分析可以判定，故障件本振失鎖是由于組件內部DRVCO模塊內的場效應管參數退化，從而引起DRVCO工作異常，最終導致本振單元失鎖。

圖1　本振源單元的原理框圖

圖2　本振單元失鎖故障樹

3.機理分析

表2　故障件DRVCO內場效應管直流測試結果

為進一步分析場效應管參數退化的機理，中電科技半導體器件可靠性中心對解焊后的場效應管進行了失效分析。中電科技半導體器件可靠性中心從場效應管的外觀、極間直流電特性、I-V電特性、PIND試驗、密封性試驗、內部鏡檢等幾個方面分析，得出結論為，失效樣品的肖特基勢壘特性退化、飽和漏電流(IDSS)和跨導(Gm)減小；開帽鏡檢，芯片表面未見與失效相關的明顯異常。圖6是場效應管參數退化故障樹。

以下結合場效應管應用情況，依據場效應管參數退化故障樹，逐一排查場效應管參數退化原因：

3.1排查C201（工作電流偏高）。在場效應管芯片背面溫度為75℃時，場效應管的極限安全電流為100mA, 極限VDS為4.5V。DRVCO電路設計中振蕩管偏置為VDS=4.0V，IDS=40mA。工作電流偏離安全電流較遠，因此可以排除工作電流偏高。

3.2排查C202（超功率使用）。DRVCO模塊最大輸出功率為25mW，DRVCO采用直接耦合輸入方式，因此從柵極耦合的注入功率一定小于25mW。場效應管MWT-LP773的最大輸入功率為80-120mW。因此不存在超功率使用的原因，排除超功率的使用問題。

3.3排查C203（結溫過高）。場效應管振蕩狀態工作電流為40mA,其熱阻為380℃/W。經過計算在環境溫度為75℃時，結溫為126.3℃。將場效應管開帽后，將DRVCO加75℃底溫在紅外熱成像儀下測試非振蕩狀態下的結溫，最高溫度為87℃，偏離最高結溫溫度175℃較遠。因此排除結溫過高造成參數退化。

3.4排查C204（工作電壓偏高）。場效應管柵漏擊穿電壓BVGDO=-6～-8V，實際工作VGD=-5.0V；柵源擊穿電壓BVGSO=-5～-8V，實際工作VGS=-1.0V。因此排除直流工作點偏高導致場效應管參數退化。

3.5排查C102（自身微缺陷）。如果微波器件自身存在缺陷，在長期使用后可能導致參數退化。因此對本批失效件與正常件的芯片進行FIB（聚焦離子束）試驗。從芯片FIB試驗可以看出失效件在柵柄附近的鈍化層破裂，而且表面有異物，柵極末端區域鈍化層鼓包。從正常件的FIB試驗可以看出在失效件異常的區域未發現類似的現象。因此排除場效應管自身缺陷。

3.6排查C205（靜電損傷失效）。器件是在使用幾年后失效，失效模式和靜電失效不相符，因此排除靜電損傷。

3.7排查C206（使用中開關機損傷）。故障件失效前平均開關機次數約為800次。對正常件模擬2000次整機開關機試驗后，正常件未出現場效應管退化的現象。經過上述試驗分析，排除使用過程頻繁開關機造成場效應管退化。

圖6　場效應管參數退化故障樹

3.8排查C301（管芯受到潮熱）。用濕熱試驗方法驗證是否由于外界水汽進入，在長期電應力作用下造成場效應管參數退化的可能性。取未封蓋的DRVCO，按照整機的濕熱環境GJB150.9A-2009進行濕熱試驗。濕熱條件下DRVCO進行2000次開關，開關后加正常電應力。每兩天監測一次DRVCO的功率和相位噪聲。在濕熱試驗進行10天后DRVCO內部場效應管RDS增大，15天后上述DRVCO出現停振，對停振的DRVCO內部場效應管進行直流特性、FIB試驗。從直流特性測試結果可以看出，場效應管跨導顯減小，飽和漏電不同程度減小。將失效件開帽，在500倍顯微鏡下觀察芯片表面，從高倍顯微鏡下可以看出，失效場效應管在芯片柵極末端表面有鼓起斑點，柵漏之間存在異常，與故障件現象完全一致。對芯片異常的點進行FIB試驗，由FIB試驗結果可以看出，鈍化層有裂紋和空洞存在，在鈍化層上面柵極與漏極之間的區域有多余物存在。對該多余物進行能譜分析，發現多余物中鎳、氧元素含量很高，與故障件的分析情況完全吻合。

由此可以確定在高溫高濕、氣壓反復變化的環境下，個別器件出現水汽進入管殼內部，水汽在電場作用下發生電化學反應，生成活躍的OH-離子和H+離子，這些活躍的離子透過鈍化層縫隙腐蝕漏極活躍金屬，并且金屬離子在電場下發生遷移，從而導致鈍化層變色或者多余物聚集等現象。而這些遷移過來的金屬氧化物又會造成溝道勢壘的加深，這樣就導致電流下降、跨導同時下降，源漏電阻變大等現象。故C301外界潮氣進入造成了場效應管參數退化。

綜上所述，Ku波段接收組件失效的原因是：國外場效應管采用膠封方式封帽，在濕熱氣象環境下，電應力長期作用等復雜使用條件下，DRVCO內場效應管會發生呼吸作用，使有水氣分子透過膠體滲入到器件的腔體中，腐蝕芯片從而造成場效應管參數退化失效。

3.9排查C302（管芯自封入潮氣）。場效應管可能封帽時封入水汽，由于生產時在管殼封裝過程中填充了高純氮氣，可以有效消除管芯內部水汽，避免管芯內部自封入潮氣。因此排除管芯自封入潮氣。

4.故障復現

4.1Ku波段接收組件本振環路失鎖故障復現

將故障件換上工作正常的振蕩管，在DRVCO內部貼銦破壞振蕩需要的相位條件和幅度條件，使DRVCO停振，此時本振單元失鎖，中頻基準無輸出，故障得到復現。

另外取一只正常工作的接收組件，將DRVCO的振蕩管更換為故障件參數退化的振蕩管后，DRVCO發生停振，本振單元失鎖，中頻基準無輸出，故障得到復現。

4.2場效應管參數退化故障復現

在場效應管參數退化機理分析中，對DRVCO進行濕熱試驗，出現停振現象，停振DRVCO內部場效應管同樣出現跨導減小、飽和漏電流減小的現象。從芯片表面及FIB試驗分析現象均與故障件一致，場效應管參數退化的現象得到復現。

5.結語

該多普勒雷達失效是由于Ku波段接收組件內部的DRVCO模塊的場效應管管芯采用膠封方式密封措施，當產品長時間在高溫高濕、濕度、溫度、氣壓氣象條件反復變化的環境下，水汽容易進入DRVCO模塊的場效應管管殼內部，加上長期的電應力，場效應管參數退化，從而導致DRVCO工作異常，最終導致本振環路失鎖，組件失效。下一步應針對故障原因采取有效措施。

七二二所參加第十三屆國際光電子博覽會

第十三屆國際光電子博覽會于2016年11月3日至5日在武漢國際博覽中心舉行。七二二所在“軍民融合”特裝展區集中展示了新開發的船舶通導系統、綜合內外通設備等多項系統和產品，同時以宣傳片的形式重點展示了七二二所近幾年在科技產業發展方面取得的成績。

此次展示的船舶通導系統是一款可融合多路無線傳輸、高清視頻采集與智能調度、智能導航等技術的全新海上平臺綜合通信與導航系統，可為各類公務船、商用船舶、漁船及各型海工平臺提供完整和自動化程度高的信息化系統整體解決方案；該設備具備業務服務、業務控制、綜合接入和網絡管理等功能，可實現船舶內部和船與船、船與岸之間的話音與數據等多種業務互通。七二二所參展的系統和產品，憑借專業技術優勢和在軍民融合領域的成功應用經驗，吸引了來自不同領域的觀眾駐足觀看，受到了客商們的關注和好評。

國際光電子博覽會作為光電子行業全球規模最大、產業鏈最齊全的專業博覽會之一，在推動行業健康發展，促進國內外光電產業深度交流方面發揮了重要的作用。本屆展會由國家工業和信息化部、國家科學技術部等部委和湖北省人民政府共同主辦，展會以“光聯萬物，智引未來”為主題，展覽面積達4萬平方，聚集了500余家國內外知名企業參展，專業觀眾超過3.5萬余人，與往屆相比參展企業更多、規模更大。

近年來，七二二所積極響應國家軍民融合發展戰略，圍繞電子信息與通信、能源與節能裝備、船舶與海洋裝備、特種裝備等產業板塊，大力發展民品科技產業。通過參加此次展會，進一步提升了七二二所民品科技產業在行業內的知名度和影響力，同時為加快市場開拓提供了新的思路。（陳彥霞）

陸航駐蘭州地區軍事代表）