微波集成電路的老煉試驗技術

任俊華，趙鑫燚，王弘英

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北　石家莊　050051）

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微波集成電路的老煉試驗技術

任俊華，趙鑫燚，王弘英

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

微波集成電路 （MIC）是雷達和微波通信系統中的關鍵部分，其可靠性試驗對于保證交付產品的質量具有重要的作用。老煉試驗是可靠性篩選的關鍵一環，因而也是產品質量保證的重要手段。對MIC老煉試驗技術進行了研究，并針對老煉夾具的設計、ESD與EMP防護和自激振蕩的預防與消除提出了具體的解決措施。

微波集成電路；老煉試驗；夾具；自激振蕩；可靠性

0　引言

微波集成電路 （MIC：Microwave Integrated Circuit）在雷達和微波通信等系統中得到了廣泛的應用。伴隨著對器件質量要求的不斷提高，可靠性試驗的重要性逐步地加強，而老煉試驗結合電參數測試是有效的可靠性篩選手段［1］。正式生產交付的MIC都應通過老煉試驗，以對其可靠性進行評估。由于MIC具有靜電放電敏感度等級低、易產生自激振蕩等特點，因而其老煉試驗工作具有一定的難度。試驗夾具設計有問題、試驗規范不明確或試驗操作失誤等都會導致產品的老煉試驗失敗，因此，研究MIC老煉試驗的相關理論和試驗過程中的影響因素，具有重要的指導價值。

1　老煉夾具的設計

老煉夾具也被稱為老化板，它的設計要同時實現4個基本功能：固定試驗樣品、正確地施加電應力、預防自激振蕩和保證散熱良好。典型的MIC老煉夾具的示意圖如圖1所示。

圖1　典型的MIC老煉夾具

下面以金屬陶瓷扁平封裝的MIC靜態電老煉為例，介紹老煉夾具的設計。

首先，要根據高溫試驗箱的尺寸及老煉器件合理的密度要求，設計每塊老化板的尺寸和重量；在老化板上對適用的產品型號或管殼型號、制作日期等進行標示；不同的加電導線要通過顏色進行區分，以防止試驗人員混淆。

其次，在每路饋電引線與地之間并接一對去耦電容，容值推薦為10 μF并聯0.1 μF。在射頻輸入、輸出端口外接50 Ω貼片電阻，以防止微波器件的阻抗失配，因為在一定的條件下，微波器件嚴重的阻抗失配會導致自激振蕩。由于老化器件并聯工作，為了保證每只器件的加電條件一致，將正負電源的導線加粗，并采取大面積接地及就近接地。相鄰器件間的間距設置要合理，過近則易產生空間串擾。

然后，因MIC老化試驗的高溫工作特點，老化板應采用鍍金工藝，并對除引線焊盤以外的區域進行阻焊處理，防止手汗、油漬等沾污腐蝕，背襯鋁板也要進行導電氧化處理，避免高溫下由于鋁被氧化而造成接觸電阻變大。

最后，管腳引線到背襯鋁板的距離應略大于夾具槽深 （一般不超過0.8 mm），以使得固定器件的底座后，管腳引線能自然下垂地搭在老化板的微帶線表面。固定器件后若管腳上翹，嚴重的情況下會造成管殼瓷裂或管腳脫落。在設計壓塊或壓條尺寸時，應讓開器件引腳根部至少1 mm，以防止壓塊或壓條直接壓在引腳根部而造成管殼受損。

2　ESD與EMP防護

MIC以砷化鎵或氮化鎵場效應管為電路基礎，因而其靜電敏感度等級較低，在老煉試驗的過程中需要預防靜電放電 （ESD：E1ectro-Static discharge）和電磁脈沖 （EMP：e1ectro magnetis pu1se）效應。帶電人體觸碰反偏肖特基結產生靜電放電的熱損傷模型如圖2所示。

圖2人體靜電放電等效電路

圖2中各參數的定義為：

VD——肖特基結反向擊穿電壓；

Rc——人體接觸電阻；

RD——肖特基結擊穿時的電阻；

VD——人體帶電電勢。

在一個放電周期τp內，通過反偏肖特基結的平均損耗功率Pa可表示為［2］：

Pa=0.634VDIP+0.866RDIP2（1）

其中，IP與Vb-VD成正比，為流過RD的峰值電流。

加在反偏肖特基結上的平均功率密度Pas為：

式 （2）中：Sef——ESD有效放電面積。

當Pas達到并超過某一臨界閾值時，肖特基結進入雪崩擊穿狀態，最終會由于熱效應而造成器件損傷乃至燒毀。

與ESD反偏注入模型相比，EMP反偏注入模型少了一個起一定的限流作用的1.5 KΩ的人體等效電阻，所以EMP對器件的損傷機理與ESD類似，但EMP注入失效電壓僅為ESD注入失效電壓的1/10～1/20。試驗設備里的各類電動機、電阻絲等感性元件的啟閉過程中都可能產生EMP信號。某普通電動改錐頭上測得的EMP信號如圖3所示，其峰值達300 V。

圖3　電動改錐頭EMP信號

為了進行ESD與EMP防護，在老煉過程中應對各種電磁干擾進行有效的隔離。例如：老煉夾具應放置于聚四氟乙烯絕緣隔板上，而不應該與高溫試驗箱的金屬壁或金屬板相接觸；裝卸、傳遞老化板的過程中，應將老煉板上的各加電導線短接，以避免不同電極間的電位差；市電 （～220 V）應經交流穩壓電源穩壓濾波后，再給各類試驗儀器供電；此外，還應利用精密凈化交流穩壓電源對來自電網的紋波噪聲和尖峰電壓進行吸收和抑制。通常，交流穩壓電源的典型指標為：輸入穩壓范圍：180～260 V；尖峰吸收：輸入3 000 V/3 ms，輸出30 V。

老煉試驗過程中必須提供一個低阻通道，對可能產生的ESD和EMP電流進行分流泄放，以防止器件受損，例如：將各種試驗儀器、設備均可靠地接地；佩戴有線式防靜電手環；在防靜電桌面上進行裝卸、加電檢查等操作等。

3　自激振蕩的預防與消除

內含各類放大器的MIC老煉時，都應考慮到自激振蕩的預防與消除。MIC頻帶越寬、增益越高、輸出功率越大，就越易產生自激振蕩。

任何放大器都可能因為增加了外部正反饋而導致振蕩。這種反饋可以是有意的，例如：級間的偏置網絡、器件并聯而產生的環路和源自感效應；也可能是無意的，例如：低的隔離度和接地不良［3］。反饋型振蕩器的基本原理圖如圖4所示。

振蕩器模型主要由有源部分G（jω）和反饋網絡H（jω）構成，其傳輸函數可表示為：

圖4　反饋型振蕩器原理框圖［4］

由于振蕩器無輸入，V（in）=0。因此，振蕩器產生穩定輸出的條件為 （3）式右邊的分母為零，即G（jω）H（jω）=1，也就是：

|G（jω）H（jω）|=1（4）

φG（jω）+φH（jω）=2nπ，n=1，2，3…（5）

其中，稱G（jω）H（jω）=T（jω）為反饋系統的環路增益。自激振蕩發生的條件為T（jω）=1，其也被稱為振蕩器的平衡條件。對于一個給定的老煉器件，G（jω）的值是一定的，所以預防與消除自激振蕩的關鍵在于調整反饋系數H（jω），并最終使得|T（jω）|＜1。

老煉試驗時，需要使用精確、直觀的寬帶頻譜分析儀探查自激振蕩，通過觀察電壓、電流的穩定與否或使用高頻毫伏表來探查都不可靠。在加電檢查階段，需對每塊老化板上的每個器件的上方均使用寬帶頻譜進行掃描探查；器件被放入烘箱后，由于器件阻抗的大小會隨溫度的上升而發生變化，因而可能產生新的自激，所以需要用頻譜分析儀重新進行掃描，一個捕捉到的自激振蕩的頻譜如圖5所示。

圖5　自激振蕩的頻譜

自激振蕩的預防首先依賴于老煉夾具電路的防自激設計，在試驗操作時主要要注意保證器件接地良好。在通常情況下，可通過以下幾種方式來實現這一目的，例如：加強器件與地之間的緊固效果；在器件管座與接地鋁板間墊一層鋁箔，減小接地電阻；另外，有些管殼的金屬管帽屬懸空設計，懸空的管帽因加強了相鄰器件間的電場耦合［5］，很容易造成自激振蕩，這種情況下可通過接地的鋁條將懸空的管帽短路到地。

此外，還常使用微波吸收材料來減小同一器件輸入與輸出間、相鄰器件輸出與輸入間的空間電磁耦合，即改變反饋系數，從而預防和消除自激。

6　結束語

老煉試驗是可靠性篩選的重要一環，也是產品質量保證的重要手段。科學的老煉試驗對于正確地判別器件的質量水平具有重要的意義。因此，本文對MIC老煉試驗技術進行了研究，并綜合運用文中所述的各項試驗技術，成功地保障了數十萬只各類MIC的老煉試驗的順利完成。

［1］王茉.軍用集成電路老煉篩選技術研究 ［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012：1-15.

［2］劉紅兵，王長河，趙彤，等.ESD與EMP對微波晶體管損傷機理研究 ［J］.半導體技術，2008，33（8）：705-710.

［3］IDER J Bah1.射頻與微波晶體管放大器基礎［M］.鮑景富，孫玲玲，譯.北京：電子工業出版社，2013：307-364.

［4］曾興雯，劉乃安.高頻電路原理與分析 ［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2006：104-108.

［5］周旭.電子設備結構與工藝 ［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004：95-100.

Burn-in Test Technique of MIC

REN Jun-hua，ZHAO Xin-yi，WANG Hong-ying
（The 13th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

MIC is the key part of radar and microwave communication system，whose re1iabi1ity test is great1y important to ensure the qua1ity of de1ivered products.Burn-in test is the key part of re1iabi1ity screening，therefore，it is a1so an important means to ensure the qua1ity of products. The burn-in test techniques of MIC are studied，and the specific solutions aiming at the design of the test fixture，the protection of ESD and EMP as well as the prevention and elimination of self-oscillation are put forward.

MIC；burn-in test；fixture；se1f-osci11ation；re1iabi1ity

TN 454；TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0061-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.012

2016-01-22

2016-01-25

任俊華 （1975-），男，安徽蕪湖人，中國電子科技集團公司第十三研究所工程師，主要從事半導體器件可靠性試驗工作。