2W固態(tài)放大電路失效分析及改進(jìn)

張 蕾 白 宇 黃志斌 李 明 陳 欣

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某雷達(dá)C波段固態(tài)發(fā)射機內(nèi)2W匹配器采用砷化鎵場效應(yīng)管[1](GaAs)作為放大器，是固態(tài)發(fā)射機的核心器件之一。轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)后，在調(diào)試階段，出現(xiàn)較多損壞，主要反映為燒毀失效。本文應(yīng)用光學(xué)顯微鏡、超聲波探測、ESD試驗等手段對器件進(jìn)行觀察、檢測，根據(jù)試驗結(jié)果分析了此砷化鎵場效應(yīng)管失效的幾種原因，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 實驗方式及失效現(xiàn)象

2W匹配器調(diào)試現(xiàn)場如圖1所示，其工作在C波段，輸入激勵信號幅度10dBm，工作電壓10V，放大效率≤25dB，因為該匹配器所用的放大器采用自偏置模式，所以輸入端只有激勵信號，電源輸入位于信號輸出一端。

圖1 2W匹配器調(diào)試現(xiàn)場

失效的匹配器一部分是在加電的一瞬間損壞的，表現(xiàn)為電源輸出電流不正常，一般為偏大，正常值為0.6A；另一部分為加上激勵功率后，沒有輸出功率或輸出功率突然消失。通過對已開蓋的失效匹配器進(jìn)行觀察，燒毀多發(fā)生在源-漏區(qū)域，如圖2所示。

圖2 源-漏區(qū)域的燒毀

2 匹配器失效原因分析及改進(jìn)

2W匹配器的放大器使用的是GaAs器件，測試正常的放大器和失效的放大器端口對地電阻值見表1所示。

表1 放大器對地電阻值

從表1可看出，失效器件端口都表現(xiàn)為對地電阻值下降，甚至短路。

GaAs器件的主要失效模式可分為瞬態(tài)失效和退化失效，由于大部分損壞的2W匹配器在失效時加電時間很短，且功能完全喪失，因此可以認(rèn)為是瞬態(tài)失效，而瞬態(tài)失效的主要原因是EOS(過電應(yīng)力)、ESD(靜電放電)、或RF(射頻)過沖[2]。

2.1 EOS失效分析及防護(hù)措施

EOS來源于對器件施加較大的持續(xù)電壓或電流應(yīng)力。因此，對器件施加能量的高低由時間長短和電流大小決定[3]。具體到2W匹配器，主要懷疑供電電源在開關(guān)動作、加載激勵信號的瞬間，會產(chǎn)生大幅度的紋波，超過了GaAs場效應(yīng)管的柵-源或者柵-漏極之間的擊穿電壓，引發(fā)雪崩擊穿從而導(dǎo)致器件燒毀[4-6]。

針對這兩種可能性，使用示波器進(jìn)行測試采集。對超過供電電壓的紋波進(jìn)行觸發(fā)采集，如圖3所示，在加電瞬間采集圖像上可見，供電電壓是逐漸升高到10V，沒有多余紋波產(chǎn)生；而在加載激勵信號瞬間，則有大約±2V的紋波產(chǎn)生，如圖4所示，時間為550μs。

圖3 加電瞬間電壓曲線

圖4 開激勵信號瞬間電壓曲線

為了驗證10±2V甚至更大的電壓能否產(chǎn)生快速的破壞效果，對3片2W匹配器加載14V電壓，進(jìn)行老化試驗，在1個小時后進(jìn)行測試，功能正常。

從實驗結(jié)果看，EOS直接造成匹配器大量失效的可能性較小，但為了將這種可能性降至最低，在調(diào)試工裝電源口并聯(lián)2200μF和0.01μF電容，進(jìn)行濾波。圖5為加上濾波電容后加載激勵信號的電壓曲線。

圖5 加濾波電容后開激勵信號瞬間電壓曲線

2.2 ESD失效分析及防護(hù)措施

ESD在廣義范圍里屬于EOS的一個分支，但ESD放電脈沖時間更短，瞬間電壓更高[7]。在集成電路領(lǐng)域，ESD一直被視為一個相當(dāng)嚴(yán)重的可靠性問題。ESD主要有四種失效模式：氧化層退化、PN結(jié)退化、接觸孔損傷、相互擴(kuò)散和歐姆接觸的退化。嚴(yán)重的燒毀可以由ESD引發(fā)EOS產(chǎn)生，當(dāng)晶體管源或漏擴(kuò)散區(qū)被ESD擊穿并與襯底短路時，短路電流的增加會使局部金屬和半導(dǎo)體材料的溫度升高形成正反饋，最終發(fā)生EOS現(xiàn)象[8]。

對于這種失效原因的分析，需應(yīng)用到大倍率的光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描俄歇微探針(SAM)等多種分析設(shè)備和儀器，現(xiàn)有條件很難滿足要求。因此，只能采取故障復(fù)現(xiàn)的辦法來驗證ESD是否會引起匹配器的失效。

將試驗用匹配器分為兩個對照組，一組為原片，另一組3片在電路上加裝防靜電保護(hù)二極管及對地短路枝節(jié)，如圖6所示，虛線方框內(nèi)部分為加裝部分。

圖6 加裝防靜電措施后的匹配器原理圖

首先對未加保護(hù)措施的匹配器施加ESD試驗，然后對加裝保護(hù)措施的匹配器施加ESD試驗，ESD試驗使用美軍標(biāo)MIL-STD-883E中方法3015.7規(guī)定的人體靜電放電模型HBM(Human Body Model)[9]，如圖7所示。在基片電源輸入端，分別施加正電壓及負(fù)電壓，在放大器接入端使用示波器及泰克CT1電流探頭，對保護(hù)電路的工作情況進(jìn)行測試，直至完全失效為止。

圖7 人體靜電放電等效電路

所有原裝匹配器和加裝防護(hù)電路的匹配器在試驗前均進(jìn)行加電試驗，工作正常，每一檔靜電放電試驗后均進(jìn)行加電測試，檢驗匹配器是否失效。

1)原裝片組：對一片未加保護(hù)的匹配器進(jìn)行ESD試驗，起步電壓500V，測試電流圖如圖8所示，電擊一次后測試，沒有功率輸出，匹配器完全失效，由于匹配器價格較為昂貴，因此原片試驗結(jié)束。

2)加裝防護(hù)電路組：對加裝保護(hù)措施的對照組進(jìn)行ESD試驗，對3片匹配器進(jìn)行500V、1000V、2000V的電擊，測試電流圖如圖9至圖11所示，每次放電測試后匹配器均正常工作。

圖8 未加保護(hù)的匹配器500V ESD電流圖

圖9 對照組500V ESD電流圖

圖10 對照組1000V ESD電流圖

圖11 對照組2000V ESD電流圖

從試驗結(jié)果可看出，500V量級的ESD即可對2W匹配器造成完全失效的嚴(yán)重?fù)p傷。這是由于GaAs場效應(yīng)管屬于靜電敏感性器件，對這類器件通常采取兩種方式來進(jìn)行保護(hù)：

第一種保護(hù)方式是“外部的”。通過減少ESD引起電荷的數(shù)量、控制操作環(huán)境，來減少帶來風(fēng)險的因素，盡量避免ESD事件發(fā)生。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，在2W匹配器的現(xiàn)場調(diào)試過程中，防靜電措施存在斷層，即在匹配器物流轉(zhuǎn)運、包裝和取用時，器件處于無防護(hù)狀態(tài)，而操作現(xiàn)場的溫濕度也時常不達(dá)標(biāo)，特別是在供暖季，室內(nèi)濕度常在20%～30%，這對于靜電的消除十分不利。針對此種因素，訂購防靜電盒，規(guī)定現(xiàn)場人員用防靜電盒轉(zhuǎn)運，接觸匹配器時佩戴防靜電手環(huán)，可將影響降至最低。

第二種保護(hù)方式是“內(nèi)部的”。即對IC內(nèi)部ESD敏感器件采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路使IC能夠承受足夠的ESD電流?，F(xiàn)有的匹配器電路在電源輸入端設(shè)置了濾波電容，主要作用在于消除直流電中的雜波[10]，在微波信號的輸入輸出端則依靠放大器內(nèi)部的電容進(jìn)行隔直，這兩種措施經(jīng)驗證對于頻率更寬，脈沖時間更短的ESD效果有限，因此，增加ESD防護(hù)電路是十分有必要的。

2.3 RF(射頻)過沖失效分析

由于產(chǎn)生激勵信號的儀表或前級頻綜在開關(guān)、切換頻率時有可能會產(chǎn)生RF過沖，過大的激勵信號會產(chǎn)生過剩電流使柵進(jìn)入正偏置，從而引起過功率燒毀。

對于這種RF過沖，現(xiàn)有測試手段無法有效捕獲，只能采取加大激勵信號并持續(xù)一段時間的方法進(jìn)行試驗，此放大器激勵信號幅度適應(yīng)能力較寬，一般工作情況下輸入10dBm，在實際試驗中增大為15dBm，對3片匹配器持續(xù)加載半小時，在加大散熱風(fēng)力的情況下，放大器工作正常。所以認(rèn)為RF過沖造成損壞的可能性很小。

2.4 失效的其他可能因素

砷化鎵器件的可靠性與材料空洞、表面態(tài)效應(yīng)、柵金屬下沉、歐姆接觸退化、電遷移、溝道退化等工藝水平和材料質(zhì)量密切相關(guān)。對部分失效的放大器進(jìn)行開蓋檢查，使用光學(xué)顯微鏡對電路板進(jìn)行觀察，由于燒毀區(qū)域濺射產(chǎn)生大量細(xì)小顆粒物，只能確定未燒毀區(qū)域線路板沒有明顯毛刺。對一片ESD試驗用芯片開蓋進(jìn)行觀察，未見明顯毛刺，但存在不可動多余物，如圖12所示。

圖12 電路板上的不可動多余物

這些不可動顆粒物主要來源于工藝過程，如光刻、切片及金屬膜沉積工藝過程，主要成分為Au、砷化鎵或光刻膠顆粒，這些顆粒如果處于源、柵、漏極之間，容易引起短路、表面電遷移，使器件擊穿電壓下降和燒毀。

在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的柵極空洞缺陷，也會引起燒毀失效，其燒毀失效的主要方式為低壓擊穿、電流密度過大引起的熱燒毀，對開蓋后的芯片進(jìn)行超聲波掃描，在一片芯片的燒毀區(qū)域下發(fā)現(xiàn)有空洞的存在，如圖13、圖14所示，證明這種原因確實存在。

圖13 超聲波掃描下的空洞

圖14 相對應(yīng)的燒毀區(qū)域

3 結(jié)束語

針對生產(chǎn)調(diào)試過程中出現(xiàn)的2W匹配器砷化鎵場效應(yīng)管的失效故障，開展了器件的燒毀失效分析。從EOS、ESD、RF過沖和器件本身四個方面進(jìn)行了失效機理分析；同時，對這些失效模式進(jìn)行了驗證試驗，給出了可行的防護(hù)改進(jìn)措施，提高了器件的電性能、器件成品率和工藝質(zhì)量。