电磁脉冲对MMIC电路中MIM电容的损伤分析

董作典，宋燕，史广芹，韩宝妮，唐旭，何婷

（西安空间无线电技术研究所，陕西　西安　710100）



电磁脉冲对MMIC电路中MIM电容的损伤分析

董作典，宋燕，史广芹，韩宝妮，唐旭，何婷

（西安空间无线电技术研究所，陕西西安710100）

电容失效是电子电路中常见的故障。通过对某QPSK调制器微波单片集成电路 （MMIC）进行失效分析，确定了该产品出现的故障是由MIM电容引起的，进一步地通过故障原因排查和故障机理分析，得知该MIM电容故障是由电磁脉冲 （EMP）引起的，最后通过设计试验使故障复现，验证了分析结果的正确性，从而为今后MMIC的老炼试验设计提供了指导。

电磁脉冲；微波单片集成电路；金属-绝缘体-金属电容；失效分析

0　引言

金属-绝缘体-金属 （MIM）电容是电路中常见的电子元件［1-2］，然而在使用的过程中该电容却时常发生故障。导致MIM电容发生故障的原因有很多，其中，电磁脉冲 （EMP）是一个常常被人们忽视的重要且隐蔽的原因。EMP产生于设备仪器开关机时，虽然EMP的峰值电压远低于静电电压，但是其脉宽较宽、能量较大，对电子器件的伤害不亚于静电损伤［3-5］。本文通过高温老炼中某单机用的QPSK调制器MMIC的失效案例，研究了EMP对MIM电容的影响。

1　故障描述

某单机用的QPSK调制器MMIC在进行高温电老炼筛选试验后有1/4的器件插入损耗比正常值增大了4～8 dB，LO端端口阻抗由高阻 （＞50 MΩ）变为100 Ω以下，器件的参数已严重地超差。

2　故障定位

MMIC电路版图及其原理图分别如图1和图2所示。

图1　QPSK调制器芯片版图

图2　QPSK调制器芯片电路原理图

由图2可知，MMIC电路由I路混频器、Q路混频器和Lange耦合器3部分组成。Lange耦合器将LO端输入的单端载波信号变换为正交两路信号，两路信号功率相等，相位相差90°；I路、Q路混频器在输入调制信号的驱动下分别工作在BPSK调制状态下，最终合成的调制信号从RF端输出。

MMIC电路在高温老炼中出现故障，LO端端口阻抗由高阻下降到100 Ω以下，从图2分析可知，出现上述现象的原因有两种：1）电容C1击穿短路；2）电容C2击穿短路。

为了定位故障电容，抽取2只故障产品 （6#、35#）进行开帽，采用红外热像仪进行热成像分析，分析过程中LO端施加+2 V电压，C1在芯片版图上的位置示意图如图3所示，6#、35#产品芯片的热分布情况如图4所示。

图3　C1在芯片版图上位置示意图

图4　产品红外热像图

从热成像分析结果可以看出，电容C1处有明显的热斑，而电容C2处的成像结果正常，可以判定是电容C1发生了故障。进一步采用SEM对电容C1进行检查，得到的结果如图5所示。发现了介质层击穿点。C1电容击穿后，电容上下电极短路，介质层等效为电阻，该电阻值的大小与介质层的击穿程度有关；同时，载波信号从击穿的电容处泄露到地，导致产品的插入损耗增大，与故障产品的微波特性的变化情况一致。

图5　产品的电容被击穿后的SEM照片

3　故障原因分析

C1电容被击穿的原因可能有多种，依次排查如下。

3.1产品内部结构检查

对全部失效产品进行PIND试验，没有发现异常。抽取4只产品开帽，在高倍显微镜下检查，没有发现异常，判定产品结构正常、内部没有多余物，微带线正常，键合丝正常，因而可以排除因产品内部结构异常而导致C1出现故障的可能性。

3.2芯片设计缺陷检查

试验中使用的QPSK调制器的芯片采用了I/Q混频器的电路结构，由I、Q两路混频器和Lange耦合器组成，发生电容击穿的部位在Lange耦合器部分，该部分的电路结构参照了国外公司同类芯片的电路结构，与该芯片具有类似结构的10余款芯片在航天电子系统中有广泛的应用，尚未出现类似的故障，因此可排除芯片设计缺陷导致C1出现故障的可能性。

3.3芯片工艺缺陷检查

芯片工艺缺陷主要体现在电容介质层，在该芯片工艺中，介质层的材料为Si3N4，厚度为0.2 μm，Si3N4淀积工艺为PECVD，该工艺的特点是Si3N4成膜质量好、均匀性好、孔状缺陷少并且不易龟裂。芯片生产单位的工艺线在该工艺过程中进行了SPC控制，从控制图中未发现Si3N4生长异常。采用QT2半导体图示仪对筛选合格的产品进行了电容抗击穿能力测试，在LO端口施加0～50 V电压，其漏电流均小于1 μA，与正常的电容I-V曲线吻合。通过以上分析，可以认为芯片不存在批次性的电容介质层缺陷。

3.4静电损伤分析

QPSK调制器的芯片为GaAs微波器件，为了保证器件的微波特性满足用户的要求，没有设计专门的静电保护电路，从ESD摸底试验可知，该产品LO端的抗静电能力为500 V，属于静电敏感器件，在生产、测试和使用的过程中需要注意防静电。检查产品生产、试验和测试的各环节均未发现有违反静电防护规定的行为。从静电的产生条件的角度分析，静电的产生与空气湿度的关系很大，空气湿度越大，越不容易产生静电，产品发生故障时正值夏季，空气湿度较大，测试间空气湿度保持在50%以上，产生静电的可能性较小。同时，静电通常为高压窄脉冲，其脉宽为ns量级，积分能量较小，静电造成的电容击穿一般为介质层的场击穿，不会造成明显的烧毁痕迹，而从SEM照片可以看到明显的击穿烧毁痕迹，因此可以判断该电容击穿不是静电损伤造成的。

3.5EMP损伤分析

EMP产生于设备仪器开关机时刻，EMP的峰值电压远低于静电，一般小于100 V，但其脉宽较宽，可以达到ms量级［7-8］，因此积分能量较大，对于电容造成的击穿可以观察到明显的烧毁痕迹，这一点与SEM观察到的情况一致。因此，在排除了前几项故障原因后，将焦点集中在EMP损伤。首先对老炼系统的地线进行EMP检查，使用分析带宽为400 MHz的示波器，探头连接在高温试验箱的外壳上，开关高温试验箱的控制电源，可以观察到如图6所示的EMP波形，其脉冲峰峰值大于50 V，脉宽约为1.5 ms，试验箱关闭时产生的EMP值明显地大于启动时的值。

图6　高温试验箱开关机时探测到的机箱外壳EMP波形

产品老炼板如图7所示。老炼板底座为硬铝材料，作为老炼板的地；底座上安装PCB板用于对产品I、Q端加电，产品LO、RF端通过PCB板与老炼板的地连接；产品放置于底座的凹槽内，产品的地依靠外壳与底座的接触与老炼板的地相连。

图7　产品老炼板

在老炼的过程中，老炼板直接放在了高温试验箱的隔板上，隔板为导电的金属网，与高温试验箱的外壳相连。因此，高温试验箱的外壳上产生的EMP脉冲可以直接通过隔板串扰到老炼板的地上，进而进入产品的地上［9］。

从芯片电路原理图分析可知，老炼时LO端也是接地的，因此，电容C2两端均接地，EMP脉冲引入时应不会在电容两端产生较大的电压差，从而不会造成C2电容被击穿。

4　故障机理分析

该QPSK调制器MMIC所用的芯片采用GaAs 0.25 μm pHEMT工艺制造，电容为MIM结构，中间介质层为Si3N4，厚度为0.2 μm，电容抗击穿电压为80～110 V，电容上加载120 V以上的电压时氮化硅层就会被击穿，表现为电容被击穿，原本直流开路的电容呈现阻性，电阻的大小与击穿程度有关［10］。而电磁脉冲与直流电压不同，电磁脉冲中含有高频信号成分，因此会有高频电流流过电容介质层；当电流足够大时，会使介质层材料发生电位移而造成击穿，因此，通常电容抗电磁脉冲电压的能力远小于抗直流电压的能力。电容抗电磁脉冲的能力与电容介质层的致密度、电容极板的面积和形状有关，介质层致密、极板面积大且呈圆形的电容抗电磁脉冲的能力强［11］。

该产品芯片上的电容C1为34 μm×34 μm的方电容，而电容C2为100 μm×100 μm的方电容，因此在承受同样的EMP脉冲时C1首先被击穿，C1被击穿后呈现小电阻特性，其吸收了大部分EMP能量，反而对C2电容构成了保护。同样的道理，在一个老炼板上，电容介质层致密度稍差的电容抗EMP能力低，首先被EMP击穿，器件损坏，损坏的器件吸收了大部分EMP能量，能够对完好的器件形成保护。

5　故障复现

通过进一步的排查发现，通过改进试验可以避免此情况的发生，产品在老炼板凹内的放置位置如图8所示。

图8　产品放置于老炼板凹槽内的情况

产品老炼时放置在图8所示的右边的凹槽内，凹槽的深度按照产品绝缘子与外壳底面的高度值设计，但是在机械加工时，由于加工偏差，凹槽的深度会有一定的偏差，因此槽深偏小处安装的产品可以与老炼板的地良好地接触，而槽深偏大处安装的产品底面会与老炼板间存在缝隙，导致产品接地不良，地端近似悬空状态。对于接地不良的产品，由于其电容C1一端通过LO端口接地，而另一端由于产品接地不良导致近似悬空，使得电容C1在遭遇EMP影响时两极板并非等电位，从而受到EMP损伤。如果试验中在老炼板的凹槽内垫铝箔纸，使产品与老炼板良好接触，就可使产品免受EMP造成的损伤。

为了验证产品的失效是由于EMP引起的，设计如下试验。试验人员对前期采用同一晶圆批芯片装配的样品和PIND试验中失效但电性能合格的样品共14只再次进行了老炼试验，试验进行了2次。

第一次，采用改正的试验操作方法：1）在老炼板凹槽内填充褶皱的铝箔纸，保证产品接地良好；2）在老炼板与高温试验箱间加垫绝缘的石棉板；3）放入老炼板前提前打开高温试验箱和电源的开关；4）老炼结束后首先去除老炼板的电源线和地线，用耐高温手套取出老炼板后再关闭高温试验箱和电源的开关。经过96 h老炼试验后发现，14只样品全部合格，没有出现故障。

第二次，使用同样的14只样品，恢复之前的错误操作方法：1）老炼板凹槽内没有填充铝箔纸；2）老炼板与高温试验箱直接接触；3）先放入老炼板，连接好老炼板加电线后再打开电源和高温试验箱的开关；4）关闭电源和高温试验箱的开关后才取出老炼板。经过48 h老炼试验后发现，有1只样品出现了故障，用QT2测试端口I-V特性发现，LO端直流阻抗由高阻变为8 Ω左右，与筛选中出现的失效情况一致。

通过对2次老炼试验的结果进行对比，验证了本文中对QPSK调制器MMIC故障的定位和故障原因分析的正确性。

6　结束语

本文对QPSK调制器MMIC在高温电老炼中出现的故障进行了定位和对故障机理进行了分析，并通过故障复现验证了故障分析结果的正确性，从而得出该QPSK调制器MMIC失效的原因为：产品老炼板设计不够完善，导致产品存在接地不良的情况；同时产品老炼过程中开关机操作不当，使得部分QPSK调制器MMIC中C1电容受到了高温试验箱开关机时产生的EMP脉冲的影响，造成MMIC中C1电容击穿，导致产品失效。本研究为今后老炼试验操作和老化板的设计提供了一定的指导。

［1］林金永，訾乃全，于芳.飞控设备抗强电磁脉冲方法研究 ［J］.现代防御技术，2012，40（4）：71-75.

［2］陈炜峰.电磁脉冲模拟器及其应用研究 ［D］.南京：东南大学，2006.

［3］曹延伟，陈砚桥，贺元吉，等.电磁脉冲弹对相控阵雷达毁伤能力的仿真研究 ［J］.强激光与粒子束，2014，26（3）：1-5.

［4］冯德仁，刘梦菲，王世祥，等.电磁脉冲传导干扰对开关触发系统的影响 ［J］.南京理工大学学报 （自然科学版），2014，38（5）：663-668.

［5］卢西伟，刘志刚，王磊，等.基于累积损伤理论的铝电解电容疲劳损伤估算方法 ［J］.电工技术学报，2011，26（4）：13-18.

［6］肖金石，刘文化，张世英，等.强电磁脉冲对导弹的电磁毁伤性分析 ［J］.火力与指挥控制，2010，35（8）：63-74.

［7］夏惠诚，张世燎，毛建舟.电磁脉冲武器对舰船电子系统的毁伤机理分析 ［J］.火力与指挥控制，2010，35（7）：109-115.

［8］陈增凯，孙新利，陈黎梅.电磁脉冲导弹技术及其发展动态 ［J］.导弹与航天运载技术，2003（5）：59-62.

［9］司守训.电磁脉冲防护技术研究 ［D］.安徽：合肥工业大学，2006.

［10］苏文渊.电磁脉冲弹的非传统空袭及防抗措施 ［J］.国防科技，2010，31（6）：50-52.

［11］江文灿.强电磁脉冲对带分布阵列孔缝机箱的毁伤效应研究 ［D］.南京：南京理工大学，2011.

Analysis of the Damage of Electromagnetic Pulse to the MIM Capacitor in MMIC

DONG Zuo-dian，SONG Yan，SHI Guang-qin，HAN Bao-ni，TANG Xu，HE Ting
（Xi’an Space Radio Techno1ogy Research Institute，Xi’an 710100，China）

Capacitor fai1ure is a common fai1ure in e1ectronic circuits.Through the failure analysis of the MMIC of a QPSK modulator，it’s determined that the fai1ure of the product is caused by the MIM capacitor.Through further troub1eshooting and fai1ure mechanism ana1ysis，it’s known that the fai1ure of the MIM capacitor is caused by e1ectromagnetic pu1se.Fina11y，the failure reappears by designing an experiment，which verifies the correctness of the analysis results，and provides a guidance for the future design of burn-in test of MMIC.

e1ectromagnetic pu1se；MMIC；MIM capacitor；fai1ure ana1ysis

TN 454.06

A

1672-5468（2016）03-0013-06

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.003

2015-12-31

2016-01-12

董作典 （1982-），男，吉林白山人，西安空间无线电技术研究所微波元器件可靠性中心工程师，从事航天型号用微波电子元器件质量保证及可靠性研究工作。