微波器件的可靠性及失效分析

張新煥，劉軍霞，曹敏華

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

隨著電子技術的發展，電子整機系統的工作頻率越來越高，半導體微波器件在各種領域的應用日益廣泛，而在使用過程中出現的質量與可靠性問題也日益增多，失效現象時有發生，有些已經造成生產方和使用方的巨大經濟損失，直接影響了整機系統的可靠性。為此，微波器件的可靠性越來越受到重視，用戶和生產方對與其相關的失效分析技術的需求也越來越迫切。

2 可靠性與失效分析

可靠性一般用失效率（1/hour，1FIT=1/109hours）來表示。圖1中曲線a為器件的典型失效率曲線。從圖中可以看出，器件失效過程可分為三個階段來描述，包括早期失效、偶然失效和疲勞失效。

研究和統計表明，器件失效率最高的時期發生在器件剛開始使用的早期失效階段，有缺陷的、受污染的或處于臨界狀態的器件會在這個時期失效而暴露出來。這個階段時間很短，有的器件僅幾天就會失效，早早地便被淘汰。偶然失效期為元器件的正常工作階段，也是元器件的壽命期限；不同類別的器件有著不同的偶然失效期，即有著不同的壽命。器件在經過偶然失效期的長期工作后，便會出現疲勞，此時器件便進入了疲勞失效期，其失效率會逐漸增高。圖1中曲線b為器件的實際失效率曲線，從圖中可以看到一個有趣的現象，就是某一器件使用越久，它的可靠性會越高。這是因為對器件而言，它的真正疲勞失效的壽命是非常長的，遠長于器件工作裝置的設計壽命。

圖1 失效率與時間的關系

失效分析的基本內容包括失效情況調查、失效模式鑒別、失效特征描述、假設失效機理、證實失效機理、提出糾正措施和新失效因素的考慮等。分析著重于查明失效模式、追查失效機理、探討改進方法。

失效分析的原則是先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析；先外觀分析，后內部分析（解剖分析）；先調查了解與分析有關情況（線路、應力條件、失效現象等），后分析失效器件。

失效分析的目的和意義有：（1）提高元器件的質量和可靠性，解決裝備中元器件的可靠性問題。通過失效分析和采取相應糾正和改進措施可以顯著提高器件的成品率和可靠性，減少電子裝備的故障。（2）系統試驗和現場使用期間電子裝備發生故障導致的經濟損失巨大，排除故障的維修費用頗高，做好失效分析工作可以顯著減少這方面的開支。（3）失效分析對元器件的生產和使用都具有重要意義。

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為以下兩類。

3.1 固有缺陷造成失效

固有缺陷是器件本身的質量和可靠性問題，包括設計缺陷、芯片工藝缺陷、組裝工藝缺陷等。具體有引線鍵合不良、導電膠加固、芯片缺陷（沾污、裂片、工藝結構等）、芯片粘接、線圈脫落等，使器件留下潛在隱患。當這些器件裝入整機使用—段時間后，在外界各種應力的作用下，最終發生失效，有以下幾個方面：

（1）設計不當。設計不當可分為電路設計不當、結構設計不當及工藝設計不當等。無論哪種設計不當都會使元器件在應用時受損而失效。設計不當造成器件的失效率較高，且會反復出現。

（2）元器件選型不當。元器件選型不當也是電子設備經常發生失效的原因之一，主要是設計人員對元器件參數及性能了解不全面或考慮不周，致使所選用的元器件無法滿足電路要求。元器件選型不當會造成在使用過程中大量的元器件失效。

（3）操作失誤。在裝配電子元器件時，操作失誤也是造成元器件經常出現失效的原因之一，例如限幅器接反、保護二極管極性加反引起的燒毀失效、裝配中元器件機械應力過大而開裂變形等。

（4）裝配工藝及裝配環境的影響。在裝配過程中，器件安裝與焊接質量以及裝配環境的好壞，不但直接關系到電子設備的技術性能，而且還對元器件的應用可靠性帶來影響。元器件位置排列對電子設備的性能影響很大，例如當元器件排列的距離過小時，很容易發生擊穿打火，使元器件失效；元器件的固定也很重要，若體積大的元器件光靠焊接來固定而不采取其他固定措施，元器件就經受不起使用中的沖擊和震動，不可能長時間地可靠工作；元器件的焊接質量直接關系到電子設備是否可靠地工作，甚至會導致元器件失效，元器件在焊接時，如果焊點內部沒有完全熔合，這樣的焊點被稱為虛焊點，極易造成電路斷路。產生虛焊點的主要原因除了元器件本身的可焊性差以外，元器件引線、導線和焊片表面不清潔以及焊料質量不好往往是主要方面。據統計，由于焊接質量不好而產生電子設備故障的情況占全部故障的20%左右。焊接用的焊劑最好不要用酸性焊劑，因為酸性焊劑將會使元器件產生銅綠，最后被腐蝕，直至元器件引腳發生霉斷而失效。

3.2 使用不當造成失效

因使用不當造成的失效原因主要是靜電損傷和過電應力。對于GaAs器件，由于材料本身的原因，器件抗靜電和抗過電能力比硅器件要弱，大多數微波單片電路的靜電放電敏感度（ESDS）在300V～500V之間（人體模型HBM），使用過程中防靜電和過電的保護措施非常重要。尤其是靜電損傷具有潛在性和累積性的特點，即器件在受到靜電損傷后并不立即失效，往往在以后的加電工作中才可能突發失效；或者經歷一次輕微的靜電放電后并不立即失效，往往在以后的加電中也可能突發失效。過電應力引起的元器件失效占總失效數的比率很大，它發生在元器件的測試、篩選、裝配、調試及工作運行的各階段，其原因是多種多樣的，包括微波信號端口失配、加電順序不當、系統接地不良、強電干擾、電源電壓浪涌等。其次，質量大、體積大的元器件惡加固和腳彎曲不當，誤判和虛焊也有一定的比例。

4 微波器件主要失效模式

在這里，按照制造工藝將微波器件分為三類：第一類是微波分立器件，即通常所說的單管；第二類是微波單片電路，主要是GaAs單片電路；第三是微波組件，包括采用封裝器件以及裸芯片組成的各種微波混合電路和功能模塊。

4.1 微波分立器件的主要失效模式

對微波單管來說，常見的失效模式有：漏電流增大和短路、飽和壓降增大、擊穿特性退化、電流或功率增益退化、高阻或開路、燒毀失效等。

4.2 微波單片電路的主要失效模式

微波單片電路的可靠性問題主要表現為有源器件、無源器件和加工中引入的機械應力損傷，主要的失效部位在有源器件，封裝效應、輻射效應以及移位損傷效應等因素也會導致微波單片電路的失效。

4.3 微波組件的主要失效模式

微波組件又稱微波模塊，品種很多，應用范圍很廣。單個管芯、多個管芯、封裝器件、單片電路以及它們的組合構成微波組件的有源部分；電阻、電感、電容、分布式傳輸線等各種元件和做成傳輸線的電路基板構成微波組件的無源部分。因此，微波分立器件和微波單片電路的主要失效模式在微波組件中都有所體現，不再贅述。

5 總結

本文對微波器件的可靠性及失效分析進行了論述，對失效分析的基本方法和程序有了進一步的理解，并且歸納總結了微波器件中常見的失效模式和失效機理。

[1]孔學東，恩云飛，主編.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業出版社.

[2]總裝備部軍用電子元器件合同管理辦公室.軍用電子元器件可靠性概論[S].2006.

[3]微電子器件試驗方法和程序[S].GJB548B-2005.

[4]第四屆電子產品防護技術研討會論文集[C].2004.