微波器件的可靠性及失效分析

2012-09-19张新焕刘军霞曹敏华

电子与封装 2012年10期

张新焕，刘军霞，曹敏华

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

随着电子技术的发展，电子整机系统的工作频率越来越高，半导体微波器件在各种领域的应用日益广泛，而在使用过程中出现的质量与可靠性问题也日益增多，失效现象时有发生，有些已经造成生产方和使用方的巨大经济损失，直接影响了整机系统的可靠性。为此，微波器件的可靠性越来越受到重视，用户和生产方对与其相关的失效分析技术的需求也越来越迫切。

2 可靠性与失效分析

可靠性一般用失效率（1/hour，1FIT=1/109hours）来表示。图1中曲线a为器件的典型失效率曲线。从图中可以看出，器件失效过程可分为三个阶段来描述，包括早期失效、偶然失效和疲劳失效。

研究和统计表明，器件失效率最高的时期发生在器件刚开始使用的早期失效阶段，有缺陷的、受污染的或处于临界状态的器件会在这个时期失效而暴露出来。这个阶段时间很短，有的器件仅几天就会失效，早早地便被淘汰。偶然失效期为元器件的正常工作阶段，也是元器件的寿命期限；不同类别的器件有着不同的偶然失效期，即有着不同的寿命。器件在经过偶然失效期的长期工作后，便会出现疲劳，此时器件便进入了疲劳失效期，其失效率会逐渐增高。图1中曲线b为器件的实际失效率曲线，从图中可以看到一个有趣的现象，就是某一器件使用越久，它的可靠性会越高。这是因为对器件而言，它的真正疲劳失效的寿命是非常长的，远长于器件工作装置的设计寿命。

图1 失效率与时间的关系

失效分析的基本内容包括失效情况调查、失效模式鉴别、失效特征描述、假设失效机理、证实失效机理、提出纠正措施和新失效因素的考虑等。分析着重于查明失效模式、追查失效机理、探讨改进方法。

失效分析的原则是先进行非破坏性分析，后进行破坏性分析；先外观分析，后内部分析（解剖分析）；先调查了解与分析有关情况（线路、应力条件、失效现象等），后分析失效器件。

失效分析的目的和意义有：（1）提高元器件的质量和可靠性，解决装备中元器件的可靠性问题。通过失效分析和采取相应纠正和改进措施可以显著提高器件的成品率和可靠性，减少电子装备的故障。（2）系统试验和现场使用期间电子装备发生故障导致的经济损失巨大，排除故障的维修费用颇高，做好失效分析工作可以显著减少这方面的开支。（3）失效分析对元器件的生产和使用都具有重要意义。

3 引起微波器件失效的主要原因

微波器件的主要失效原因可分为以下两类。

3.1 固有缺陷造成失效

固有缺陷是器件本身的质量和可靠性问题，包括设计缺陷、芯片工艺缺陷、组装工艺缺陷等。具体有引线键合不良、导电胶加固、芯片缺陷（沾污、裂片、工艺结构等）、芯片粘接、线圈脱落等，使器件留下潜在隐患。当这些器件装入整机使用—段时间后，在外界各种应力的作用下，最终发生失效，有以下几个方面：

（1）设计不当。设计不当可分为电路设计不当、结构设计不当及工艺设计不当等。无论哪种设计不当都会使元器件在应用时受损而失效。设计不当造成器件的失效率较高，且会反复出现。

（2）元器件选型不当。元器件选型不当也是电子设备经常发生失效的原因之一，主要是设计人员对元器件参数及性能了解不全面或考虑不周，致使所选用的元器件无法满足电路要求。元器件选型不当会造成在使用过程中大量的元器件失效。

（3）操作失误。在装配电子元器件时，操作失误也是造成元器件经常出现失效的原因之一，例如限幅器接反、保护二极管极性加反引起的烧毁失效、装配中元器件机械应力过大而开裂变形等。

（4）装配工艺及装配环境的影响。在装配过程中，器件安装与焊接质量以及装配环境的好坏，不但直接关系到电子设备的技术性能，而且还对元器件的应用可靠性带来影响。元器件位置排列对电子设备的性能影响很大，例如当元器件排列的距离过小时，很容易发生击穿打火，使元器件失效；元器件的固定也很重要，若体积大的元器件光靠焊接来固定而不采取其他固定措施，元器件就经受不起使用中的冲击和震动，不可能长时间地可靠工作；元器件的焊接质量直接关系到电子设备是否可靠地工作，甚至会导致元器件失效，元器件在焊接时，如果焊点内部没有完全熔合，这样的焊点被称为虚焊点，极易造成电路断路。产生虚焊点的主要原因除了元器件本身的可焊性差以外，元器件引线、导线和焊片表面不清洁以及焊料质量不好往往是主要方面。据统计，由于焊接质量不好而产生电子设备故障的情况占全部故障的20%左右。焊接用的焊剂最好不要用酸性焊剂，因为酸性焊剂将会使元器件产生铜绿，最后被腐蚀，直至元器件引脚发生霉断而失效。

3.2 使用不当造成失效

因使用不当造成的失效原因主要是静电损伤和过电应力。对于GaAs器件，由于材料本身的原因，器件抗静电和抗过电能力比硅器件要弱，大多数微波单片电路的静电放电敏感度（ESDS）在300V～500V之间（人体模型HBM），使用过程中防静电和过电的保护措施非常重要。尤其是静电损伤具有潜在性和累积性的特点，即器件在受到静电损伤后并不立即失效，往往在以后的加电工作中才可能突发失效；或者经历一次轻微的静电放电后并不立即失效，往往在以后的加电中也可能突发失效。过电应力引起的元器件失效占总失效数的比率很大，它发生在元器件的测试、筛选、装配、调试及工作运行的各阶段，其原因是多种多样的，包括微波信号端口失配、加电顺序不当、系统接地不良、强电干扰、电源电压浪涌等。其次，质量大、体积大的元器件恶加固和脚弯曲不当，误判和虚焊也有一定的比例。