微波開關可靠性評價技術研究

冉紅雷，韋婷，張魁，彭浩，黃杰

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051；2.中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214000）

引言

微波開關是微波毫米波系統中的重要信號控制電路，控制著信號的通斷與路徑選擇，其可靠性直接影響整個系統[1]。微波開關最早使用波導，同軸線和鐵氧體技術，能承受較高功率但是產品體積較大。微波單片集成微波開關有利于實現小型化，低功耗，同時可實現寬帶和低損耗特性。高性能微波開關要求導通時低損耗，關斷時高隔離度，且能承受較大功率[2]。

可靠性是指產品在規定的時間內、規定的條件下完成指定功能的能力，而用來描述這種能力的數學特征量有可靠度、失效率、平均無故障工作時間和壽命等。對微波開關而言，主要用失效率（λ）作為數量特征來表征其可靠性。目前國內關于微波開關缺乏系統的可靠性評估理論，缺乏完整的可靠性試驗驗證方法[3]。本文以某GaN基HEMT型MMIC開關為例展開研究，對其進行可靠性評價方法研究。

1 可靠性評價方案設計

該微波開關采用HEMT工藝技術制造，金屬層材料為Au，芯片表面采用GaN鈍化保護，該微波開關芯片的功能示意如圖1所示，其極限參數如表1所示。

圖1 微波開關功能示意圖

HEMT管通常由兩種不同的半導體材料構成異質結構，為產生高電子遷移率的電子氣提供條件。MMIC常見失效機理如表2所示[4]。

表2 MMIC常見的失效模式和失效機理

根據工程應用要求，該微波開關的可靠性要求指標為單邊置信區間、置信水平為90 %，TA=+125 ℃，失效率λ≤10-7/h。

本文研究的思路是在傳統的可靠性驗證試驗方法的基礎上，綜合考慮微波開關實際工作模式和應用技術指標設計對應的可靠性評價試驗。根據不同的評價試驗結果，利用可靠性的評估方法，對在正常應力條件下的微波開關可靠性做出合理的評估[5]。首先設計基于性能退化的材料工藝驗證試驗，通過溫度循環試驗和恒定加速度試驗驗證微波開關的材料與工藝的穩定性；其次基于微波開關的實際應用模式設計射頻考機試驗，在射頻考機試驗中器件的射頻輸入端RFC和信號控制端均施加額定最大值；在前兩項評價試驗的基礎上通過基于溫度的加速壽命試驗來研究微波開關的長期可靠性[6]。具體可靠性評價方案如圖2所示。

圖2 微波開關可靠性評價試驗

2 微波開關可靠性評價

插入損耗參數是微波開關的核心參數，因此本文以微波開關的插入損耗參數為監測對象來判斷產品是否失效。根據產品設計指標，當試驗前后產品的插入損耗參數變化量超過0.5 dB時則認為試驗產品失效。此外，根據表1所示MMIC常見失效模式和失效機理可知，當微波開關芯片發生失效時通常伴隨燒毀現象，因此試驗后對產品開帽進行內部目檢。微波開關可靠性評價試驗見表3。

表1 微波開關的極限參數

表3 微波開關可靠性評價試驗

2.1 基于性能退化的材料工藝驗證

為了考核微波開關的材料和工藝可靠性，本文設計了溫度循環和恒定加速度試驗。溫度循環試驗對材料因熱膨脹系數不匹配形成的缺陷或產品內部有裂紋的器件具有篩選作用，可以評價微波開關承受極端高溫和低溫的能力以及承受極端高溫與極端低溫交替變化的能力[7]。恒定加速度能檢測出結構和機械類型的缺陷，可以通過高應力試驗來考核封裝、內部金屬化和引線系統、芯片或基板的焊接以及MMIC器件其他部件的機械強度不滿足要求的薄弱環節[8]。微波開關溫度循環試驗和恒定加速度試驗的樣品數量各5只，試驗條件如表4所示。

表4 基于性能退化的材料工藝驗證試驗

試驗結束后對產品進行內部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產品的插入損耗參數，要求插入損耗參數變化量小于0.5 dB。根據表3和表4要求開展評價試驗，試驗結果如表5所示，可知5只微波開關樣品均滿足插入損耗參數變化量小于0.5 dB，表明其材料工藝性能符合應用要求。

表5 基于性能退化的材料工藝驗證試驗數據

2.2 基于實際應用模式的模擬驗證

為了考核微波開關實際應用中承受極限電應力的可靠性，本文根據微波開關的實際工作模式設計了射頻考機試驗。考機試驗條件為環境溫度TA=+125 ℃，RFC端施加射頻信號，射頻信號頻率為微波開關的工作頻率中心頻點，功率為+47 dBm（脈沖工作模式：脈寬8 ms、占空比40 %），控制電壓-0.5 V/+32 V。其中RFC→RF1工作態240 h，RFC→RF2工作態240 h，開關RF1和RF2之間切換速率為0.1 Hz，試驗樣品數量為5只。射頻考機試驗圖如圖3所示，試驗結束后對產品進行內部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產品的插入損耗參數，要求插入損耗參數變化量小于0.5 dB。

圖3 微波開關射頻考機示意圖

試驗后對試驗樣品進行內部目檢，未發現異常。對樣品測試，試驗結果如表6所示，可知5只樣品均滿足插入損耗參數變化量小于0.5 dB，因此通過射頻考機試驗表明該微波開關符合相關應用要求。

表6 射頻考機試驗數據

2.3 基于溫度加速的壽命試驗驗證

根據工程應用要求，該微波開關的可靠性指標為單邊置信區間、置信水平為90 %，，失效率≤10-7/h。

對于長壽命高可靠性元器件的壽命特征評估，通常采用溫度加速壽命試驗，相關公式如下所示：

式中：

M—產品的敏感參數，通常該參數在加速壽命試驗前后有較大變化；

dM/dt—溫度為T時的反應速率；

Ea—產品的激活能（eV），其值與產品的失效機理有關，可以通過試驗獲得；

K—玻爾茲曼常數；

A—常數。

對公式（1）變形，可得出，

式中：

M0—初始狀態；

M1—退化后的狀態。

由公式（2）可推出加速因子如下：

根據先前該微波開關研究可知，其Ea為1.7 eV，考核溫度T0為125 ℃，加速溫度T1為200 ℃，可知加速因子τ為2 572，其中加速溫度200 ℃低于該微波開關溝道溫度的極限值225 ℃。

依據GB 5080中對可靠性測定試驗的點估計所規定的方法，單邊置信區間置信度90 %時器件失效率為：

式中：

γ—失效樣品數；

T*—試驗累積器件小時。

根據公式（4）可知，選用10只樣品，器件累計試驗時間應至少為890 h，試驗時間確定為900 h。試驗結束后對產品進行內部目檢，要求芯片外觀無異常；并測試產品的插入損耗參數，要求插入損耗參數變化量小于0.5 dB。

由表7可知，經過900 h的加速壽命試驗后，10只微波開關的插入損耗參數變化量均小于0.5 dB；對試驗結束后對產品進行內部目檢，芯片外觀無異常。因此10只微波開關在加速溫度為200 ℃時可正常工作時間大于900 h，因此該批微波開關滿足單邊置信區間、置信水平為90 %，TA=+125 ℃，失效率λ≤10-7/h要求。

表7 微波開關加速壽命試驗數據

3 結束語

本文以某GaN基HEMT型MMIC開關為例展開研究，對其應用可靠性展開評價方法研究。微波開關的評價試驗包含基于性能退化的材料工藝驗證試驗，基于微波開關的實際應用模式的射頻考機試驗，并且在上述兩個評價試驗的基礎上設計了基于溫度的加速壽命試驗，驗證微波開關長期應用可靠性。實踐表明，本文的評價方法滿足微波開關可靠性的評價要求，其研究思路和方法也可引申應用于其他類似產品。