某中频控制器低温下输出异常的失效分析

桑宝岩（中国人民解放军总后勤部95996部队第三大队，北京 100000）

某中频控制器低温下输出异常的失效分析

桑宝岩
（中国人民解放军总后勤部95996部队第三大队，北京 100000）

近些年来，关于电子元器件的失效分析已逐渐发展成为一个专门的学科，作为专门的模拟集成电路设计、生产单位，在分析仪器、设备有限的条件下，通过失效分析发现产品设计、测试、以及生产制造过程中存在的问题，以不断改进产品的设计水平和制造工艺，提高产品的可靠性。通过对某中频控制器在用户处表现出来的低温下通断比异常的情况进行分析，发现该产品的设计存在的问题，文中不仅给出了失效机理，同时提出了改进措施。此次失效分析对于同类中频控制器的设计、提高其可靠性具有一定的借鉴意义。

中频控制器；低温；通断比；失效分析

概述

于2014年设计定型的某型中频控制器，在摸底、批量筛选、鉴定考核过程中均未发生典型失效。该产品于2014年12月完成设计定型后开始首批供货，目前仅供货一个批次。

2015年1月，收到用户退货电路，并附反馈单“首批供货的电路有部分存在低温（-40 ℃）下通断比异常，但常温恢复正常的情况。”由于该产品在筛选、考核时未发生过相同或相似的异常现象，而首批供货在用户处发现异常，担心为批次性质量问题，因此开展了详细的失效分析。

1　失效原因分析

1.1失效现象确认

按照该中频控制器详细规范对1只退回电路进行全参数常温、低温测试（采用低温箱内测试的方法），测试结果表明退回电路常温合格，低温下通断比及时间参数不合格，其余参数正常，反映出退货电路开启正常，关断不正常，即电路能够正常放大输入信号，但是不能控制输入信号的通断。测试结果如表1所示。

从表1可以看出，退货电路异常现象与用户反馈异常现象一致。

1.2失效原因分析

表1　退货电路常温25℃、-55℃电路复测结果

1）功能简介

该中频控制器是采用SMT工艺制造的模块电路，它主要由传输信道、电源转换和控制电路组成。传输信道实现信号的传输与放大，电源转换实现外部供电的转换，控制电路实现控制传输信道的通断。电路传输信道部分包含一个SPST开关、由NPN对管组成的中间放大电路、以及用宽带运放构成的输出级。电源转换部分由一个7 V转3 V基准组成，控制电路由高速比较器组成。

如图1所示，输入通过SPST开关后，由中间放大电路NPN对管对信号放大，送入输出级单元（宽带运放）。比较器负责控制SPST通断，实现输入信号的调制功能，影响其时间参数。基准完成7V到+3V的转换，并为SPST、比较器提供电源。

2）故障原因分析

从退回电路复测结果看，低温下通断比及时间参数不合格，其余参数正常，反映出退回电路开启正常，关断不正常，即电路能够正常放大输入信号，但是不能控制输入信号的通断。

退回电路传输系数与线性输出功率正常，说明电路内部开启时工作正常，排除了电路内部NPN对管和宽带运放失效。而通断比及时间参数不正常，说明电路内部SPST不能完成关断功能，影响信号SPST开启与关断的为该中频控制器电路内部的比较器和基准。

由于退回电路只表现出低温输出异常，故为了验证上述分析，将退回电路在-55 ℃低温箱内，分别对基准和比较器进行测试：

① 比较器低温-55 ℃测试

图1　某中频控制器原理图

退回电路在低温箱中放置30 min后，开启供电电源，使用万用表对比较器的输出端和电源端进行测试，测试结果为比较器电源引脚电压为2.6 V（比较器正常工作电压为3.0~5.0 V，在该中频控制器中比较器工作电压为3.0 V），比较器输出低电平为1.5 V（正常为0.25 V）。

由于比较器电源由电路内部基准提供，故为了单独分析比较器，断开基准供电，由外部电源供电。当外部电源供电为3.0 V时，在低温下比较器电源引脚电压和输出低电平均恢复正常，故可以排除比较器问题。

② 基准低温-55 ℃测试

根据上述分析，比较器在基准供电时，输出异常，但在外部电源供电时输出正常，基于这一情况，我们单独对基准进行了测试。

将退回电路在低温箱中放置30 min后，开启电源，使用万用表测试该中频控制器内部基准电路（基准为比较器供电）输出，测试结果为输出2.5 V（正常为3.0 V）。断开基准负载，即空载，在低温箱中放置30 min后，开启电源测试基准输出，其测试结果输出正常（3.0 V输出），即退回电路的基准低温下空载时输出正常，带载时输出异常，说明该基准在低温下带载能力不足。

小结：通过以上分析，退回电路低温下通断比及时间参数超差是由于电路内部基准低温下带载能力不足，导致比较器不能正常工作，进而不能控制SPST的关断功能所致。

3） 筛选测试过程未剔除原因分析

由于该中频控制器电路在筛选过程中100 %进行过三温（高温85 ℃、常温25 ℃、低温-55 ℃）测试，但未将此次反馈的低温异常电路予以有效剔除，因此我们对筛选测试过程进行了详细排查。

测试人员反馈：在测试该电路时，测试流程为首先将电路放置于-65 ℃低温箱中30 min后，再将电路取出放置于测试系统中自动测试，正常测试时从低温箱中取出放置于测试系统上的时间约为10 s，一般情况下如果在10 s内完成测试，可以保证电路温度不高于-55 ℃。但是由于电路在低温箱中放置后管脚容易带霜，造成与夹具接触不良，因此低温筛选时存在个别电路在首次测试不合格时被误认为结霜所致而导致二次测试，甚至多次测试，而多次测试会导致电路温度升高。

因此不排除测试过程中个别电路因二次测试时电路温度有所升高，而该中频放大器上的基准在温度升高后带载能力提高，从而导致部分基准带载能力不足电路被判定合格，即筛选过程未能有效剔除低温下通断比异常电路，进而流至用户。

2　失效机理

该中频控制器内部选用的基准为某公司的某型号基准，该基准为电路内部的某型号比较器供电。根据该基准和比较器的产品手册，基准全温额定输出电流为20 mA，而比较器稳定工作状态需要8 mA的供电电流，因此电路稳定工作时该基准能保证后续比较器正常工作。为此，对比较器的启动特性和基准的带载能力进行测试分析：

2.1比较器启动特性分析

比较器工作电压范围为3.0~5.0 V，在该中频控制器电路应用中，比较器工作电压为3 V，为了模拟比较器供电启动过程，控制外部电源电压从0 V升至3.0 V，达到稳定工作状态。我们首先观察了退回电路比较器的常温与低温启动过程。

常温25 ℃下：外部电源电压从0 V升至3.0 V，比较器电源电流由0 mA升至20 mA左右（对应电源电压0 ~2.6 V），随着电源电压继续上升，比较器电源电流降至稳定状态8 mA（电源电压3.0 V），如图2中实线所示。

低温-55 ℃下：外部电源电压从0 V升至3.0 V，比较器电源电流由0 mA升至23 mA左右（对应电源电压0 ~2.6 V），随着电源电压继续上升，比较器电源电流降至稳定状态8 mA（电源电压3.0 V）。如图2中虚线所示。

通过上述观察，发现该比较器在启动过程中，即电源电压从0 V升至稳定工作状态3.0 V过程中，比较器电源电流由0 mA升至远超出稳定工作状态电源电流(对应电源电压2.6 V左右)再降至稳定状态8 mA（供电为3.0 V）；且比较器启动过程中出现远超出稳定工作状态的电源电流，低温状态高于常温状态（常温25 ℃峰值启动电流约为20 mA，低温-55 ℃峰值启动电流约为23 mA），具有特殊的启动特性。

图2　退回电路比较器启动过程

为了进一步验证该比较器是否都具有图2所示的、在启动时需要远超出稳定工作状态电源电流的启动特性，我们取2只鉴定批电路，对其比较器进行了上述试验，即变化外部电源给比较器供电，在常温和低温下观察比较器的电流变化，测试结果为：外部电源电压从0 V升至3.0 V，在电源电压0~2.6 V上升过程中，比较器电源电流由0 mA升至20 mA左右（低温下峰值启动电流约为23 mA），随着电源电压继续上升，比较器电源电流降至稳定状态8 mA（电源电压3.0 V）。上述测试结果表明2只标件电路中的比较器也存在与退回电路内的比较器相同的启动特性，即在启动时需要远超出稳定工作状态的电源电流。

小结：比较器常温开启时需要最大电流20 mA，低温开启时最大电流为23 mA，远超出稳定工作状态时电源电流（8 mA）。在此次问题发生前，对于比较器的这一特性缺乏了解。

2.2基准带载能力分析

该中频控制器内部选用的基准为某公司生产的某基准。从该基准的产品手册上可知在全温情况下额定输出电流为20 mA，最大输出电流为30 mA（30 mA来源于该基准产品手册中的输出电流曲线图）。为进一步对基准低温带载能力进行验证，我们单独对退回电路的基准进行了如下试验，如表2所示。

通过表2可以看出，退回电路中的基准常温下能够提供大于20 mA的电流，满足比较器常温20 mA的峰值启动电流要求，随着温度的降低（-55 ℃时），基准输出电流下降到20 mA左右，不能满足比较器23 mA的峰值启动电流要求。

为了进一步验证该基准是否普遍具有“低温时带载能力下降”的特性，取同批次鉴定考核电路4只，进行了低温测试，结果如下表3所示。

表2　退回电路基准输出能力（摸底）

表3　某批次中频放大器鉴定考核电路低温测试结果

从表3可以看出， 7#、33#电路在-40 ~ -60 ℃下均正常，16#电路在-55 ℃下失效，48#电路在-60 ℃下失效（所有电路失效模式均为低温下通断比异常）。通过上述分析，同批次鉴定考核样品电路出现了与退回电路相同的失效现象，说明由于该中频控制器内部该基准低温下带载能力下降，不能为电路内部比较器提供足够的启动电流导致其低温下通断比异常。而不同的鉴定考核样品电路在不同温度下表现出失效，说明不同电路使用的基准存在个体差异，使得其在低温下带载能力下降程度不同，导致该中频控制器电路在不同温度下表现为与退回电路相同的失效现象。

小结:该基准普遍具有随着温度降低而带载能力降低的特性，由于个体差异，每只电路的基准在低温下带载能力下降程度不同，退回电路的基准由于自身原因，在用户使用温度-40 ℃时无法启动比较器，导致电路失效。

2.3结论

通过上述试验和分析，该中频控制器中的比较器正常启动时需要远超出稳定工作状态的峰值启动电流（常温下20 mA左右，低温下23 mA左右），而其内部选用的基准普遍具有“低温下带载能力下降”的特性，且由于个体差异，下降程度各有不同，退回电路在-40 ℃时出现内部基准无法启动内部比较器，无法控制SPST的关断，导致退回电路参数通断比异常。

3　纠正措施

1）对所有库存产品按规范要求进行低温箱内测试筛选，剔除不满足规范要求产品。

2）后续将对该中频控制器进行设计改进，选用输出电流更大的LDO。从设计上彻底杜绝此类失效的发生，更改后的产品将送用户验证。

4　结论

1）在设计过程中未意识到该中频控制器选用的比较器需要较大的启动电流，而该中频控制器选用的基准输出电流相对比较器所需的启动电流余量较小，基准在常温下可以启动比较器，但低温下基准带载能力有所下降，且由于个体差异，下降程度各有不同，退回电路即是在-40 ℃时基准无法启动比较器，导致低温下通断比异常。

2）由于该中频控制器电路在低温箱中放置后管脚带霜，容易造成与夹具接触不良，因此在电路进行低温测试时，电路因反复多次测试后电路温度升高，从而导致基准带载能力不足的电路误判合格，筛选测试时未予以淘汰。

桑宝岩，中国人民解放军总后勤部95996部队第三大队，工程师。主要研究方向：后勤保障、电子元件。

The Failure Analysis on A Type of IF Controller

SANG Bao-yan
（No.3 Battalion of The 95996 Troops of The Chinese people's Liberation Army General Logistics Department，Beijing 100000）

In recent years， the study about “Failure Analysis” has been developed into a special subject. As a special design and manufacture institute， under the condition that the analytical instruments and devices are limited， the existing problems about product design， test， and manufacturing are found through the failure analysis， in order to update the design and manufacturing technique， and improve the reliability of products. This paper is about the analysis of a type of IF controller which is failure in the user institute when tested in low temperature.The design defect of this controller is found through failure analysis. The paper presents the failure mechanism， and gives the suggestions on the design. The conclusions are instructive to further improve the reliability for the similar products.

intermediate frequency controller； low temperature； isolation； failure analysis

［2］ Tiny Micropower Precision Series in 2mm × 2mm DFN，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.

TN306

A

1004-7204（2016）04-0029-05

［［1］Single/Dual/Quad/，Ultra-High-Speed，+3V/+5V，Beyond-the-Rails Comparators， Maxim Integrated Products ，1999.

［3］ 陈星弼，张庆中，陈勇. 微电子器件 ［M］. 北京：电子工业出版社，2011.

［4］ 郑廷圭，刘发，半导体器件失效机理及分析方法 ［R］.机械电子工业部第五研究所，1990，12.