微波晶體管滿功率老煉技術(shù)研究

王小萍，李　　雪，張利敏，秦　　皓

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

微波晶體管滿功率老煉技術(shù)研究

王小萍，李雪，張利敏，秦皓

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

對35 micro-x封裝的微波晶體管防自激老化電路的各部分功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹，討論了如何判定管子是否處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的方法。通過在測試間里搭建老化電路，模擬實(shí)際老煉狀態(tài)，使用紅外熱像儀測試殼溫的方法，比較了不同散熱條件下的殼溫測試數(shù)據(jù)，得出了管子的殼溫以及管帽和管底之間的溫度差。試驗證明：在管底使用鋁塊和導(dǎo)熱硅膠相結(jié)合散熱的方法，能解決35 micro-x封裝形式的低結(jié)溫晶體管老化過程中的結(jié)溫控制問題。

微波管；殼溫；電老煉；導(dǎo)熱硅膠

1　　引言

元器件的失效率隨時間的變化過程可以用“浴盆曲線”來描述［1］，早期的失效率隨時間的增加而迅速下降，在使用壽命期內(nèi)失效率基本不變。工程上常用各種試驗方法來剔除早期失效產(chǎn)品，提高系統(tǒng)可靠性。老煉篩選試驗就是通過對元器件施加合理的電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷加速變成故障并加以排除，達(dá)到消除元器件的早期失效、使其進(jìn)入穩(wěn)定工作期的目的［2］。

晶體管老煉時，其老煉功率應(yīng)使管芯達(dá)到或接近最高結(jié)溫［3］。對于35 micro-x陶瓷貼片封裝的中小功率微波晶體管而言，老煉篩選過程中的防自激和結(jié)溫控制是非常重要的環(huán)節(jié)。本文以AVAGO公司生產(chǎn)的AT42035晶體管為例，闡述中小功率微波晶體管老煉過程中的防自激和結(jié)溫控制方法。

2　　防自激老化電路

雙極型晶體管的直流老煉工作原理是在基極-發(fā)射極（BE）之間加正向偏壓，集電極-基極（CB）之間加反向偏壓，通過調(diào)整BE之間的電壓大小來調(diào)整基極電流IB，以此獲得需要的集電極電流IC。

微波晶體管由于頻率高，老煉時容易出現(xiàn)自激現(xiàn)象，讓管子處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，引起管子失效。一般會采用1/4 λ高阻抗線和扇形微帶短截低阻抗線來設(shè)計饋電電路。常用的貼片封裝中小功率微波晶體管的老煉夾具電路圖見圖1，老煉電路示意圖見圖2。

圖1　老煉夾具底座

圖2　老煉電路示意圖

圖2是微波晶體管的無源偏置網(wǎng)路圖，實(shí)現(xiàn)放大器工作時的穩(wěn)定性［4］。對各部分功能進(jìn)行簡單介紹：

（1）基極串聯(lián)電阻：線性穩(wěn)壓源進(jìn)行穩(wěn)壓后，紋波會大大降低，但不能完全消除，一般為幾毫伏。而中小功率晶體管基極注入僅幾百微安，紋波會使集電極的電流有很大波動。為了消除紋波電壓對基極注入的影響，在基極串聯(lián)1只幾千歐的電阻，能讓紋波電壓產(chǎn)生的電流變得可以忽略不計，有效增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性。

（2）集電極串聯(lián)電阻：根據(jù)QJ787中第4.5.4條規(guī)定，老化電壓取其BVCEO的0.6～0.75倍，集電極串聯(lián)電阻上的壓降為老化電壓的1/6～1/10。根據(jù)老化電流選取合適的電阻值，一般為幾十歐姆。

（3）射頻旁路電容：給高頻信號提供一條低阻抗泄防通道，容值一般比較小，根據(jù)諧振頻率的大小估算取值，一般為幾十皮法到幾千皮法。

（4）高頻信號傳輸電容：為了防止基極和集電極的直流信號流入晶體管的高頻信號輸入輸出端。

（5）50 Ω負(fù)載：增強(qiáng)電路防自激能力，提高電路的穩(wěn)定性。

（6）高頻濾波電路：扇形微帶短截線高頻下呈低阻抗特性，相當(dāng)于電容，1/4 λ微帶線高頻下呈高阻抗特性，相當(dāng)于電感，共同形成LC濾波作用，能終止高頻信號傳輸，避免其流向直流偏置電路。

（7）接地過孔：電路板的背面是整體鍍金銅箔接地面，緊而密的過孔減小了各點(diǎn)的接觸阻抗，能實(shí)現(xiàn)良好接地。這樣既增加了電路的穩(wěn)定性，又能把電路板的熱量迅速傳遞到熱沉，有效降低管子的殼溫。

判斷電路板的匹配電路能否讓晶體管工作在穩(wěn)定狀態(tài)，初步判定方法是使用圖示儀通過該電路板測試晶體管的I-V曲線，若曲線平滑則表明無自激震蕩（如圖3所示）。

老煉時，將晶體管裝入老煉夾具，再插入老煉臺，開啟電源，對晶體管加上預(yù)定老煉條件，用頻譜儀觀察器件在使用頻段的輸入輸出端是否存在較大功率的尖峰。測試過程中應(yīng)關(guān)閉老煉臺箱門，防止外部信號干擾測試結(jié)果。如果有異常就說明存在自激，這時可以通過調(diào)整老煉電路里的電容來消除自激（如圖4）。

圖3　 AT42035晶體管的I-V曲線

圖4　 AT42035晶體管老煉時輸入輸出端頻譜儀圖像

3　　殼溫的測量與控制

3.1殼溫與結(jié)溫?fù)Q算

研究表明，Tj每升高8～10℃，器件的工作壽命下降一半；Tj升高會使器件參數(shù)漂移，易造成自激和二次擊穿，因此老煉時結(jié)溫不得超過最高結(jié)溫TjMAX［5］，同時滿足滿額定功率條件。根據(jù)QJ787-83第4.5.4條的規(guī)定，老化電壓取BVCEO的0.75倍。

由 AT42035晶體管的技術(shù)資料可得：PD= 600 mW，Rjc=175℃/W，VCEO=12 V，Tj=150℃。

可以算得，該晶體管的老煉條件為：

老煉時的結(jié)溫要求接近150℃。由于篩選是非破壞性試驗，無法直接測得芯片的結(jié)溫，一般做法是測量殼溫，通過公式（1）換算成結(jié)溫［6］。

式中Tj表示芯片結(jié)溫，Rjc表示結(jié)到殼的熱阻，PD為老煉功耗，TC為殼溫。

根據(jù)公式（1），AT42035晶體管老煉時允許的最高殼溫為：

TC=150℃-0.6 W×175℃/W=45℃因此，老煉時器件的最高殼溫不能超過45℃。

3.2裝夾方式與測量方法

AT42035晶體管結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5　 AT42035結(jié)構(gòu)簡圖

由圖5可見，殼溫即為與芯片直接接觸的管底部位A點(diǎn)的溫度。由于器件本身尺寸較小，使用熱電偶測試時接觸器件表面會改變原有的散熱模式，造成測試結(jié)果偏小，且金屬材質(zhì)的熱電偶直接測量管底溫度易造成端電極間短路，本文嘗試使用紅外熱像儀來測量器件的殼溫。紅外熱像測試技術(shù)是利用紅外輻射原理，通過測量被測物體表面的紅外輻射能，將溫度分布轉(zhuǎn)換為直觀的熱圖像，屬于非接觸式測量。

常規(guī)老煉裝夾示意圖如圖6所示。裝夾時，將器件管帽朝下放置，管帽落于電路板中間的圓孔中，引線覆于電路板線路上，蓋板上的耐高溫塑料柱起到固定器件、使器件引線與電路緊密連通的作用。為方便測量，在底座上加工一個Φ3 mm的通孔，用紅外熱像儀測量B點(diǎn)的溫度TB。器件殼溫TA與TB之間存在溫度差ΔT，根據(jù)經(jīng)驗，一般取ΔT=3±1℃。本文中，TA用TB+ΔT進(jìn)行估算。

圖6　常規(guī)老煉裝夾示意圖

3.3殼溫控制探索

取5只AT42035晶體管，編號1#～5#，在室溫TA=25℃下，使用常規(guī)老煉夾具分別對5只晶體管施加規(guī)定的老煉條件，即VCEO=9 V，IC=66 mA，加電穩(wěn)定10 min后開始測量B點(diǎn)溫度，每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果如表1所示。

表1　常規(guī)老煉夾具加電器件殼溫

由表1數(shù)據(jù)可見，器件殼溫超過要求的45℃，不滿足老煉要求。根據(jù)經(jīng)驗，中小功率分立器件滿功率老煉時要求達(dá)到的殼溫會較高，靠自身的發(fā)熱難以達(dá)到，往往需要提高環(huán)境溫度。而AT42035晶體管由于TjMAX（最高結(jié)溫）比較低，所以如何降低殼溫是老煉時最需要考慮的問題。

在電子模塊中，熱量的傳播以3種方式進(jìn)行，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，熱傳導(dǎo)為主要的傳熱方式［7］。

目前大功率晶體管通常會采用加散熱片、水冷、風(fēng)冷等方法來降低殼溫，但這些方法僅適用于底座安裝的大功率分立器件，對陶瓷貼片封裝的晶體管不適用。針對該型號陶瓷貼片封裝晶體管，可以考慮使用管帽散熱或管底散熱的方法，即讓管帽或管底緊貼導(dǎo)熱性能良好的材料，將熱量盡快散發(fā)出去。

若采用管帽散熱，由于管帽高度高于電路板厚度，需在夾具底座上加工一個小孔，使管帽與鋁制底座緊密貼合。鑒于機(jī)械加工精度和各管子間的尺寸差異，無法保證每個管殼都能正好緊貼底座。若孔過深，則管殼不能緊貼底座，達(dá)不到預(yù)期的散熱效果；若孔較淺，蓋板緊壓器件時容易造成陶瓷管帽破碎，風(fēng)險極大。

管底散熱是利用導(dǎo)熱材料將管底的熱傳導(dǎo)出去，由于蓋板主體為鋁塊，鋁為熱的良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱率為217.7 W/mk，本試驗嘗試使用鋁塊接觸管底散熱，即在鋁制蓋板上加工一個Φ8 mm的鋁柱。為避免引線間短路，鋁塊與器件之間需使用絕緣材料進(jìn)行隔離?？紤]到散熱、耐高溫等要求，首選導(dǎo)熱橡膠。具體方案為使用圖1所示的老煉底座和帶鋁柱的鋁制蓋板裝夾器件，器件與鋁柱間使用0.3 mm厚的導(dǎo)熱橡膠隔開，三者緊密接觸。環(huán)境條件、加電條件和測試規(guī)律同上，測試結(jié)果如表2所示，表中ΔT1為該散熱條件下的殼溫與表1所示殼溫的溫降。

表2　蓋板使用鋁塊+導(dǎo)熱橡膠散熱

由表2數(shù)據(jù)可知，管底使用鋁塊+導(dǎo)熱橡膠的散熱方式效果顯著，殼溫平均下降7.46℃，TB接近預(yù)定的45℃，但1#～3#管的估算TA已經(jīng)超過45℃。

為保證器件安全，老煉時器件結(jié)溫不能超過允許的最高結(jié)溫TjMAX，這意味著其殼溫也不能超過最高殼溫45℃。為驗證器件老煉時TA與TB的差，即ΔT經(jīng)驗值的準(zhǔn)確性，在此條件下開展試驗。為測量A點(diǎn)溫度，在鋁制蓋板和鋁柱上加工一個Φ2 mm的通孔，導(dǎo)熱橡膠的相應(yīng)位置上也開一個Φ2 mm的圓孔，使用圖1所示老煉夾具對1#～5#管進(jìn)行加電，環(huán)境條件、加電條件和測試規(guī)律同上。測試結(jié)果如表3所示。

表3　 A點(diǎn)和B點(diǎn)的溫度差

由表3的數(shù)據(jù)可以看出，A點(diǎn)和B點(diǎn)間的溫度差ΔT最大為2.12℃，平均值為1.37℃。由此可見，為了確保器件安全，經(jīng)驗值取ΔT=3±1℃是較為合理的。因此，在表2測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，器件殼溫還需要進(jìn)一步降低2～3℃，才能滿足老煉要求。

導(dǎo)熱硅膠是一種化合物，比導(dǎo)熱橡膠具有更加優(yōu)良的導(dǎo)熱性和電氣絕緣性，下一步嘗試將隔離材料置換成導(dǎo)熱硅膠。具體方案為使用圖1所示老煉夾具和帶鋁柱的鋁制蓋板裝夾器件，器件與鋁柱間使用1.5mm厚的導(dǎo)熱硅膠隔開，三者緊密接觸。環(huán)境條件、加電條件和測試規(guī)律同上，測試結(jié)果如表4所示，表中ΔT2為該散熱條件下的殼溫與表1所示殼溫的溫降。

表4　蓋板使用鋁塊+導(dǎo)熱硅膠散熱

表4的測試數(shù)據(jù)表明，用鋁塊+導(dǎo)熱硅膠散熱的方式進(jìn)行裝夾老煉，能確保所有器件在Tjmax附近老煉，但不會超過Tjmax。

4　　批量老化

采用傳統(tǒng)的穩(wěn)壓源直接供電的老煉方式，批量老化時存在以下問題：（1）因器件間性能參數(shù)的差異，不同器件施加相同電壓時不能保證達(dá)到所需的相同電流；（2）由于器件之間的差異，相同老煉條件下的器件殼溫也會存在差異，且不能實(shí)時監(jiān)控；（3）由于所有器件老煉時采用一個電源并聯(lián)供電的模式，可能會出現(xiàn)某一器件產(chǎn)生自激震蕩影響其他器件。采用全自動分立器件老煉臺，搭載晶體管老煉程控軟件，能有效解決上述問題。

4.1每個工位獨(dú)立控制電壓電流

晶體管老煉程控軟件通過電壓、電流采樣反饋模塊，能實(shí)現(xiàn)對每個工位進(jìn)行獨(dú)立的電壓和電流控制，確保每只器件能在規(guī)定的電壓和電流條件下老煉。

4.2器件殼溫測量與反饋

全自動分立器件老煉臺通過安裝在老煉板工位上的溫度傳感器和微型風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)對單工位上器件殼溫的控制。晶體管老煉程控軟件通過溫度傳感器定時采集器件殼溫并記錄，當(dāng)殼溫超過設(shè)定溫度時，程控軟件中的溫度控制模塊啟動微型風(fēng)扇，對器件進(jìn)行降溫，直至達(dá)到設(shè)定溫度，從而實(shí)現(xiàn)老煉過程中的殼溫控制。

4.3老煉過程中的自激保護(hù)

全自動分立器件老煉臺從以下幾個方面采取措施，以減少老煉過程中的自激：

（1）二級線性電源設(shè)計時盡量降低紋波電壓，提高輸出電壓的穩(wěn)定性；

（2）二級電源從器件和線路兩方面合理選擇、設(shè)計，有效抑制噪聲和外界干擾的突變；

（3）在老煉臺驅(qū)動板的輸入、輸出端各并聯(lián)一個濾波電容，隔離外部雜散信號，減小對器件的影響，同時可避免某一只器件自激振蕩通過穩(wěn)壓電源影響其他器件；

（4）通過老煉板上防自激電路的設(shè)計來減小器件的自激。

5　　結(jié)論

對于35 micro-x封裝的微波晶體管，使用本文推薦的老化電路，能有效解決老煉過程中的自激現(xiàn)象；在管底加墊導(dǎo)熱硅膠和散熱鋁塊能有效地降低晶體管的殼溫。此方法適用于結(jié)溫較低的陶瓷貼片封裝的微波晶體管的老煉。

［1］陸廷孝.可靠性分析與設(shè)計［M］.北京：國防出版社，1995.

［2］楊志飛.產(chǎn)品老煉、環(huán)境應(yīng)力篩選、可靠性保證試驗評價［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，1996（6）.

［3］QJ787-83.半導(dǎo)體分立器件篩選技術(shù)條件［S］.

［4］Inder J Bahl著，鮑景富等譯.射頻與微波晶體管放大器基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

［5］賈穎.穩(wěn)態(tài)工作條件下功率晶體管結(jié)溫的測量與控制［J］.封裝測試技術(shù)，2006（1）.

［6］GJB128A-97.半導(dǎo)體分立器件試驗方法［S］.

［7］李晨旭.厚膜化電源模塊老煉篩選過程的殼溫控制［J］.電子與封裝，2011，11（3）：13-18.

Research of Full-power Aging Technology for Microwave Transistor

WANG Xiaoping，LI Xue，ZHANG Limin，QIN Hao

（China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute，Nanjing 210016，China）

In the paper，functions of each part of the anti-self-oscillation aging circuit for 35 micro-x packaged microwave transistors are introduced in detail.And the method of determining whether the transistor is in stable state or not is discussed.In order to simulate the actual aging state，an aging circuit is built in the test room.In this way，the values of case temperature under different cooling conditions are compared，and the temperature difference between the top and the bottom of the case is figured out by infrared thermal imager. Results show that the junction temperature is controlled by using aluminum block and thermally conductive silica gel during the aging process of 35 micro-x package.

microwave transistor；case temperature；electrical aging；thermally conductive silica gel

TN306

A

1681-1070（2016）10-0043-05

2016-6-1

王小萍（1975—），女，江蘇泰州人，工程師，工作于中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，多年來一直從事電子元器件二次篩選工作。