某微波收發組件脈沖接收下增益降低失效分析

吳小虎 宋軍 魏守明

【摘 ?要】微波收發組件作為有源相控陣天線的核心部件，主要功能包括微波信號的接收、發射和幅度與相位控制。隨著武器裝備小型化、高集成度化和高可靠的發展需要，在微波收發組件性能保持不變的情況下需進一步提高可靠性。在高集成度微波收發組件實現過程中發生了部分失效現象，暴露了一些可靠性問題，制約了武器裝備的發展。本文對某波收發組件脈沖接收下增益降低的故障展開了失效分析。通過EMMI等先進的失效分析手段定位該組件收發開關芯片體電阻出現異常。針對該問題產生的原因，提出增加芯片級篩選測試項目和組件級脈沖接收測試篩選項目，為提高組件的可靠性提供指導。

【關鍵詞】微波收發組件;脈沖接收;失效分析

1 前言

有源相控陣雷達因其能滿足雷達的探測距離、數據更新率、多目標跟蹤及測量精度等眾多需求，是近年來發展迅速的雷達技術[1]。有源相控陣雷達中“有源”指的是可以輻射功率和接收目標回波的微波收發組件，每一個微波收發組件內包括獨立的發射支路、接收支路、公共支路和控制電路[2]。發射支路的主要作用是將來自激勵源的信號進行放大、濾波等處理，通過天線飽和輸出射頻信號，并保持輸出信號幅度、相位有相當好的一致性，發射支路的主要性能指標包括飽和輸出功率峰值、通道間發射峰值功率一致性等。接收支路的主要作用是將天線接收到得微弱空間輻射信號進行低噪聲放大，經過移相、衰減等控制，將接收到得數據返回波控系統，接收支路的主要性能指標包括噪聲系數、接收總增益、接收帶內增益平坦度等。公共支路包括移相器、收發開關和環形器等，公共支路為微波收發組件收、發公共部分。控制電路包括波束控制電路、過溫保護電路等，主要實現對組件內發射支路、接收支路和公共支路工作狀態的控制。控制電路設計時主要考慮的性能指標包括運算速度、體積和功耗等，目前趨向于高集成度和專用集成電路。

微波收發組件接收支路中有源器件主要由限幅器、低噪聲放大器、衰減器、開關和移相器組成。本文闡述了開關芯片由于體電阻異常導致脈沖接收測試條件下增益降低的失效機理，提出了芯片添加在片測試篩選項目和組件增加脈沖接收測試篩選項目措施。

2工作原理

本文中涉及的微波收發組件單純的接收支路主要由限幅器、低噪聲放大器和衰減器構成，但是，在接收工作時，公共支路的環形器、收發開關、移相器和部分控制電路也參與其中。因此，其接收工作原理框圖如圖1所示。從圖1中可以看出，專用集成電路主要功能為將組件外部提供的串聯數據信號T_R、CLK、SEL、DATA和DARY轉換為并聯控制信號V1-V11、S1-S11、SW1和SW2，V1-V11控制移相器，S1-S11控制衰減器，SW1和SW2控制微波開關芯片。

專用集成電路邏輯功能圖如下圖2所示。從圖2可以看出，T_R信號面經過驅動器輸出互補的差分信號SW1、SW2，SW1和SW2控制微波開關。

3 失效分析

某編號該型號組件在整機調試時，發現T_R信號在頻率12GHz、43%占空比及脈寬10us接收測試情況下，增益與正常通道相比，小5dB左右。由故障現象可知，組件接收測試結果與T_R信號相關。通過圖1和圖2的原理圖可知，T_R信號經專用集成電路轉換后控制開關芯片。

利用示波器測量專用集成電路SW1和SW2輸出，輸出波形正常，判斷微波開關芯片發生失效。

組件中使用的微波開關芯片是一款雙路開關芯片，該芯片采用MESFET工藝，共包括8個MESFET，簡稱為FET1～8，芯片外觀及電路原理框圖如下圖3所示。FET1～8作為信號路由開關，屬于柵控芯片，切換信號傳輸路徑。芯片中的所有柵極電均有串聯電阻，串聯電阻通過GaAs體電阻實現[3]，在芯片表面看不到該電阻，在圖3（a）芯片外觀圖中對體電阻走線進行了標注，在圖3（b）芯片電路原理框圖中體電阻標注為R1～R8。

顯微鏡下檢查微波開關芯片，芯片外觀正常。為進一步明確故障組件內開關是否失效，對被分析芯片和正常芯片進行了EMMI測試。在半導體中有兩種載流子，自由電子和空穴，自由電子和空穴復合時會發射光子[4]，EMMI通過高靈敏度攝像頭，可以將被分析樣件和正常樣件表面發光情況拍攝下來，然后將兩者進行比對，找出發光強度不同的位置，可以精確定位芯片故障點[5]。

對于正常芯片：V1端口加電時，FET2和FET3發光，其余位置不發光，如下圖4a所示;V2端口加電時，FET5、FET6、FET7和FET8發光，其余位置不發光，如下圖4b所示。

故障芯片V1端口加電時，與正常件相比，除FET2和FET3發光外，在芯片中間區域存在一處發光點，如圖5紅色圓圈內所示，將該發光點與圖3芯片外觀圖和電路原理圖比對，判斷發光位置為體電阻R4。造成這種發光現象差別的原因為，對于正常件，體電阻局部分壓較小，體電阻無熱電子效應，觀測不到發光點，對于故障件，體電阻局部異常增高，體電阻局部分壓增大，熱電子效應增強，觀測到發光點。故障芯片V2端口加電時，與正常件相比，FET5、FET6、FET7和 FET8均發光。

對R4電阻異常導致FET開關速度變慢進行理論分析，該芯片FET結構如下圖6所示。

柵源寄生電容為Cgs，與此次發生失效的R4體電阻串聯，構成RC電路，FET開關上升沿和下降沿由RC電路時間常數τ決定，用公式1表征。

τ=R*C ? ? ?（公式1）

式中R為R4體電阻的阻值，C為柵源寄生電容Cgs的容值。對于該失效件，R4異常增大，單獨測量R4阻值由原來1K歐姆增大至1M歐姆，時間常數增大，開關開啟速度變緩。在脈沖接收測試條件下，對于每一個脈內，FET不能及時響應，開關工作狀態異常，接收增益降低。

選取同類型的開關電路并實際測試外部串聯電阻的方式增加R數值，得到不同電阻的延時效果，實際測試結果見表1。理論推算R電阻要增大到50M，與FET寄生電容共同作用，可能產生接近1毫秒延時。

該電阻是砷化鎵電阻，是在具有一定阻值的晶圓上，使用光刻工藝限定圖形區域，然后通過注入工藝將限定圖形以外的區域電學隔離，隔離區域為高阻。若這些工藝步驟中存在缺陷，是有可能使得體電阻變成高阻的，可能的缺陷包括：

（1）GaAs材料缺陷。GaAs材料缺陷所在的位置，其方阻值與晶圓其它部分的方阻會有顯著差異，若此缺陷恰好位于電阻圖形上，阻值就會出現異常。常見的GaAs材料缺陷多數都是在光學顯微鏡或掃描電鏡下可見的，工藝上控制的典型缺陷密度為≤50個/cm2（>0.8um2的缺陷）。除此之外，GaAs材料缺陷還包括溝道內部缺陷，此類缺陷在光學顯微鏡或掃描電鏡下看不見，鑒于這么多年來此類缺陷遇到的概率不高，因此判定GaAs材料缺陷的可能性雖然存在，但概率不高。

（2）可被去除的灰塵或顆粒落到晶圓上。若在半導體電阻加工過程中，有一顆灰塵或顆粒落到電阻圖形上，會造成此處光刻膠偏薄，后續注入工藝中就會使此處被部分隔離，形成高阻，在去膠工藝中顆粒又被去除，因此目檢看不到缺陷。高阻態的半導體電阻在加電時存在較高的電場強度，產生熱電子，在電場驅動下與半導體材料中的空穴復合，產生光子，從而被EMMI探測到。EMMI所觀測到的點狀發光點，與工藝中常見的圓形、橢圓形點狀顆粒是很類似的。故障件是由此類缺陷造成的可能性較大。

4 采取的措施

造成該問題的主原因是芯片個別制造缺陷在之后的篩選過程中未被剔除，在芯片制造和組件級篩選采取措施如下。

4.1芯片添加在片測試篩選項

添加芯片直流在片測試的測試項，篩選出控制端串聯電阻明顯偏大的異常件，施加Vgs偏置電壓，采集各通道的Igs，當Igs超過0.4V，可以看到Igs-Vgs的斜率有明顯的變化。當Vgs達1V時，正常通道與故障通道的Igs相差超過兩個數量級，如圖7所示。

4.2 組件增加脈沖接收測試篩選項目

該組件在之前僅進行連續波接收測試，針對該故障，增加脈沖接收測試。測試條件：測試頻率12GHz，占空比43%，脈寬10μs，示波器設置為單觸發狀態，打開射頻信號及T-R脈沖信號，組件開機后觀測接收信號的完整脈沖檢波圖形。

5 結束語

針對某收發組件在脈沖接收條件下接收增益下降的問題，經定位，問題原因是組件內微波收發開關芯片工藝制造過程中個別缺陷造成體電阻異常增大。針對該問題，本文提出的芯片添加在片測試篩選項目和組件增加脈沖接收測試篩選項目措施有效，可以避免同類問題的再次發生。

參考文獻：

[1]陳忠先.相控陣雷達的發展與前景[J].現代電子，1995，52（3）：1-6

[2]胡明春，周志鵬，嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京：國防工業出版社，2010：6-16

[3]高學邦，杜紅彥，王小旭，趙靜.半導體情報[J]，2000，37（1）：62-65.

[4]Paul Scherz. Practical Electronics for Inventors，Second Edition[M]，2009：388-391

[5]丁鷙敏，吳照璽，段超.微光顯微鏡（EMMI）在器件失效分析中的應用[J].電子顯微學報，2019，38（2）：156-158

作者簡介：

吳小虎，男，1986年生，安徽省六安市霍邱縣人，2012年畢業于電子科技大學，碩士研究生學歷，從事研發項目管理和研發體系建設工作。