2W固态放大电路失效分析及改进

张 蕾 白 宇 黄志斌 李 明 陈 欣

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

某雷达C波段固态发射机内2W匹配器采用砷化镓场效应管[1](GaAs)作为放大器，是固态发射机的核心器件之一。转入批量生产后，在调试阶段，出现较多损坏，主要反映为烧毁失效。本文应用光学显微镜、超声波探测、ESD试验等手段对器件进行观察、检测，根据试验结果分析了此砷化镓场效应管失效的几种原因，并提出了相应的防护措施。

1 实验方式及失效现象

2W匹配器调试现场如图1所示，其工作在C波段，输入激励信号幅度10dBm，工作电压10V，放大效率≤25dB，因为该匹配器所用的放大器采用自偏置模式，所以输入端只有激励信号，电源输入位于信号输出一端。

图1 2W匹配器调试现场

失效的匹配器一部分是在加电的一瞬间损坏的，表现为电源输出电流不正常，一般为偏大，正常值为0.6A；另一部分为加上激励功率后，没有输出功率或输出功率突然消失。通过对已开盖的失效匹配器进行观察，烧毁多发生在源-漏区域，如图2所示。

图2 源-漏区域的烧毁

2 匹配器失效原因分析及改进

2W匹配器的放大器使用的是GaAs器件，测试正常的放大器和失效的放大器端口对地电阻值见表1所示。

表1 放大器对地电阻值

从表1可看出，失效器件端口都表现为对地电阻值下降，甚至短路。

GaAs器件的主要失效模式可分为瞬态失效和退化失效，由于大部分损坏的2W匹配器在失效时加电时间很短，且功能完全丧失，因此可以认为是瞬态失效，而瞬态失效的主要原因是EOS(过电应力)、ESD(静电放电)、或RF(射频)过冲[2]。

2.1 EOS失效分析及防护措施

EOS来源于对器件施加较大的持续电压或电流应力。因此，对器件施加能量的高低由时间长短和电流大小决定[3]。具体到2W匹配器，主要怀疑供电电源在开关动作、加载激励信号的瞬间，会产生大幅度的纹波，超过了GaAs场效应管的栅-源或者栅-漏极之间的击穿电压，引发雪崩击穿从而导致器件烧毁[4-6]。

针对这两种可能性，使用示波器进行测试采集。对超过供电电压的纹波进行触发采集，如图3所示，在加电瞬间采集图像上可见，供电电压是逐渐升高到10V，没有多余纹波产生；而在加载激励信号瞬间，则有大约±2V的纹波产生，如图4所示，时间为550μs。

图3 加电瞬间电压曲线

图4 开激励信号瞬间电压曲线

为了验证10±2V甚至更大的电压能否产生快速的破坏效果，对3片2W匹配器加载14V电压，进行老化试验，在1个小时后进行测试，功能正常。

从实验结果看，EOS直接造成匹配器大量失效的可能性较小，但为了将这种可能性降至最低，在调试工装电源口并联2200μF和0.01μF电容，进行滤波。图5为加上滤波电容后加载激励信号的电压曲线。

图5 加滤波电容后开激励信号瞬间电压曲线

2.2 ESD失效分析及防护措施

ESD在广义范围里属于EOS的一个分支，但ESD放电脉冲时间更短，瞬间电压更高[7]。在集成电路领域，ESD一直被视为一个相当严重的可靠性问题。ESD主要有四种失效模式：氧化层退化、PN结退化、接触孔损伤、相互扩散和欧姆接触的退化。严重的烧毁可以由ESD引发EOS产生，当晶体管源或漏扩散区被ESD击穿并与衬底短路时，短路电流的增加会使局部金属和半导体材料的温度升高形成正反馈，最终发生EOS现象[8]。

对于这种失效原因的分析，需应用到大倍率的光学显微镜(OM)、扫描俄歇微探针(SAM)等多种分析设备和仪器，现有条件很难满足要求。因此，只能采取故障复现的办法来验证ESD是否会引起匹配器的失效。

将试验用匹配器分为两个对照组，一组为原片，另一组3片在电路上加装防静电保护二极管及对地短路枝节，如图6所示，虚线方框内部分为加装部分。

图6 加装防静电措施后的匹配器原理图

首先对未加保护措施的匹配器施加ESD试验，然后对加装保护措施的匹配器施加ESD试验，ESD试验使用美军标MIL-STD-883E中方法3015.7规定的人体静电放电模型HBM(Human Body Model)[9]，如图7所示。在基片电源输入端，分别施加正电压及负电压，在放大器接入端使用示波器及泰克CT1电流探头，对保护电路的工作情况进行测试，直至完全失效为止。

图7 人体静电放电等效电路

所有原装匹配器和加装防护电路的匹配器在试验前均进行加电试验，工作正常，每一档静电放电试验后均进行加电测试，检验匹配器是否失效。

1)原装片组：对一片未加保护的匹配器进行ESD试验，起步电压500V，测试电流图如图8所示，电击一次后测试，没有功率输出，匹配器完全失效，由于匹配器价格较为昂贵，因此原片试验结束。

2)加装防护电路组：对加装保护措施的对照组进行ESD试验，对3片匹配器进行500V、1000V、2000V的电击，测试电流图如图9至图11所示，每次放电测试后匹配器均正常工作。

图8 未加保护的匹配器500V ESD电流图

图9 对照组500V ESD电流图

图10 对照组1000V ESD电流图

图11 对照组2000V ESD电流图

从试验结果可看出，500V量级的ESD即可对2W匹配器造成完全失效的严重损伤。这是由于GaAs场效应管属于静电敏感性器件，对这类器件通常采取两种方式来进行保护：

第一种保护方式是“外部的”。通过减少ESD引起电荷的数量、控制操作环境，来减少带来风险的因素，尽量避免ESD事件发生。经过观察发现，在2W匹配器的现场调试过程中，防静电措施存在断层，即在匹配器物流转运、包装和取用时，器件处于无防护状态，而操作现场的温湿度也时常不达标，特别是在供暖季，室内湿度常在20%～30%，这对于静电的消除十分不利。针对此种因素，订购防静电盒，规定现场人员用防静电盒转运，接触匹配器时佩戴防静电手环，可将影响降至最低。

第二种保护方式是“内部的”。即对IC内部ESD敏感器件采用适当的保护电路使IC能够承受足够的ESD电流。现有的匹配器电路在电源输入端设置了滤波电容，主要作用在于消除直流电中的杂波[10]，在微波信号的输入输出端则依靠放大器内部的电容进行隔直，这两种措施经验证对于频率更宽，脉冲时间更短的ESD效果有限，因此，增加ESD防护电路是十分有必要的。

2.3 RF(射频)过冲失效分析

由于产生激励信号的仪表或前级频综在开关、切换频率时有可能会产生RF过冲，过大的激励信号会产生过剩电流使栅进入正偏置，从而引起过功率烧毁。

对于这种RF过冲，现有测试手段无法有效捕获，只能采取加大激励信号并持续一段时间的方法进行试验，此放大器激励信号幅度适应能力较宽，一般工作情况下输入10dBm，在实际试验中增大为15dBm，对3片匹配器持续加载半小时，在加大散热风力的情况下，放大器工作正常。所以认为RF过冲造成损坏的可能性很小。

2.4 失效的其他可能因素

砷化镓器件的可靠性与材料空洞、表面态效应、栅金属下沉、欧姆接触退化、电迁移、沟道退化等工艺水平和材料质量密切相关。对部分失效的放大器进行开盖检查，使用光学显微镜对电路板进行观察，由于烧毁区域溅射产生大量细小颗粒物，只能确定未烧毁区域线路板没有明显毛刺。对一片ESD试验用芯片开盖进行观察，未见明显毛刺，但存在不可动多余物，如图12所示。

图12 电路板上的不可动多余物

这些不可动颗粒物主要来源于工艺过程，如光刻、切片及金属膜沉积工艺过程，主要成分为Au、砷化镓或光刻胶颗粒，这些颗粒如果处于源、栅、漏极之间，容易引起短路、表面电迁移，使器件击穿电压下降和烧毁。

在生产过程中产生的栅极空洞缺陷，也会引起烧毁失效，其烧毁失效的主要方式为低压击穿、电流密度过大引起的热烧毁，对开盖后的芯片进行超声波扫描，在一片芯片的烧毁区域下发现有空洞的存在，如图13、图14所示，证明这种原因确实存在。

图13 超声波扫描下的空洞

图14 相对应的烧毁区域

3 结束语

针对生产调试过程中出现的2W匹配器砷化镓场效应管的失效故障，开展了器件的烧毁失效分析。从EOS、ESD、RF过冲和器件本身四个方面进行了失效机理分析；同时，对这些失效模式进行了验证试验，给出了可行的防护改进措施，提高了器件的电性能、器件成品率和工艺质量。