微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)研究

遲 雷，陳龍坡，黃 杰，彭 浩（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051；2. 國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，石家莊 050051）

微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)研究

遲 雷1,2，陳龍坡1,2，黃 杰1,2，彭 浩1,2
（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051；2. 國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，石家莊 050051）

隨著微波器件的發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)其可靠性的要求也越來(lái)越高。在微波器件的可靠性評(píng)估試驗(yàn)中，射頻動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)是最重要的試驗(yàn)之一。而試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性直接影響到可靠性評(píng)估的安全性和準(zhǔn)確性。本文選取微波混頻器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并搭建了射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中加入了負(fù)反饋電路以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谔摂M儀器軟件和數(shù)據(jù)采集卡，上位計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)采集海量狀態(tài)信息，如直流參數(shù)和射頻參數(shù)。通過(guò)微波器件軟硬件平臺(tái)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)可以很好的完成微波器件的動(dòng)態(tài)老化過(guò)程，較傳統(tǒng)的靜態(tài)老化系統(tǒng)有很大的改進(jìn)和提高。

微波器件；射頻動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)；負(fù)反饋電路；功率監(jiān)測(cè)

引言

隨著微波器件在高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其可靠性面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了更好地了解微波器件的性能，用戶單位和生產(chǎn)單位要求其可靠性篩選和評(píng)價(jià)試驗(yàn)應(yīng)盡量接近產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境[1，2]。在所有可靠性篩選和評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，老化試驗(yàn)是最能有效剔除早期失效，表征微波器件性能的試驗(yàn)之一[3，4]。

目前微波器件的老化試驗(yàn)一般采用直流老化的方式[5]。直流老化一般以單一熱應(yīng)力模擬器件的工作狀態(tài)，雖然在一定程度上可以評(píng)價(jià)微波器件的工作性能，但由于與微波器件的實(shí)際工作狀態(tài)相差較多，忽略了微波器件射頻狀態(tài)下的電應(yīng)力，所得的試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法有效的定量評(píng)價(jià)微波器件在實(shí)際應(yīng)用中的性能和壽命。

射頻動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)相對(duì)直流試驗(yàn)更能反映微波器件的工作壽命，但由于微波器件老化試驗(yàn)數(shù)量多，時(shí)間長(zhǎng)，輸入功率高，試驗(yàn)條件苛刻，如果采用通用微波信號(hào)源、功率計(jì)等搭建系統(tǒng)進(jìn)行老化試驗(yàn)，很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。因此需要設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化[6]。本文圍繞某公司產(chǎn)品——混頻器HMC144LH5的射頻動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并搭建了微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)[7]。

1 射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)混頻器HMC144LH5射頻動(dòng)態(tài)老化試驗(yàn)的要求：“在50 Ω系統(tǒng)下，本振端注入頻率6.1 GHz，功率20 dBm射頻信號(hào)，射頻端和中頻端50歐姆阻抗匹配，室溫下常規(guī)散熱條件，老化時(shí)間240 h”，設(shè)計(jì)微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

1）系統(tǒng)工作頻率：6.1±0.1 GHz；

2）輸出功率：最大輸出功率25 dBm，實(shí)際輸出值與設(shè)定值偏差不超過(guò)±0.3 dBm；

3）工作電壓：交流220 V；

4）具備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的能力（＞240 h），上位機(jī)可對(duì)直流參數(shù)和射頻輸入輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，保存記錄。

5）系統(tǒng)工作溫度不高于50 ℃。

6）具有一定的經(jīng)濟(jì)性，每通道射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)的成本不超過(guò)8 000元。

系統(tǒng)工作在點(diǎn)頻狀態(tài)，但由于系統(tǒng)信號(hào)源存在個(gè)體差異，故系統(tǒng)工作頻率要有一定的帶寬且可調(diào)。輸入老化器件的微波功率大小必須準(zhǔn)確，偏小老化強(qiáng)度不夠，偏大可能會(huì)對(duì)老化器件造成損傷，故需加入負(fù)反饋控制。系統(tǒng)長(zhǎng)期工作要保證其穩(wěn)定性，溫度要有明確的要求。老化試驗(yàn)要實(shí)時(shí)記錄樣品的工作狀態(tài)，因此要上位機(jī)要具備對(duì)多路射頻信號(hào)同時(shí)采集記錄的能力。

2 微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)的原理圖

微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

2.2 信號(hào)源的設(shè)計(jì)

圖1 微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)原理圖

由于受試樣品HMC441LH5為寬帶器件，故對(duì)射頻老化系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度的要求并不高，本文采用VCO做為射頻信號(hào)源，不必加入鎖相環(huán)，輸出頻率采用固定電阻分壓控制的方式， VCO內(nèi)部集成了隔離放大器，其振蕩頻率基本不受輸出阻抗匹配的影響。VCO后連接壓控可調(diào)衰減器。壓控衰減器后端接固定增益功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，得到最大功率25 dBm的輸出功率。輸出功率比老化功率高5 dB一方面需要考慮其后耦合器插損及線路損耗，一方面避免各部分個(gè)體差異導(dǎo)致輸出功率不夠。

2.3 射頻信號(hào)功率的負(fù)反饋控制電路設(shè)計(jì)

信號(hào)源后接定向耦合器，耦合出的功率信號(hào)送入功率檢波器，令檢波器工作于控制模式，控制端的輸出電壓經(jīng)運(yùn)算放大調(diào)整到合適的量級(jí)控制壓控衰減器的衰減量，由此形成閉環(huán)反饋控制，從而使受試器件得到穩(wěn)定的射頻注入功率。

2.4 采集功能設(shè)計(jì)

采集功能設(shè)計(jì)采用虛擬儀器軟件搭配硬件電路實(shí)現(xiàn)，通過(guò)虛擬儀器控制分別實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)采集功能和射頻信號(hào)采集功能。射頻部分實(shí)現(xiàn)對(duì)本振端的輸入功率及射頻端、中頻端泄漏的射頻信號(hào)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直流部分實(shí)現(xiàn)對(duì)所有供電電源的電壓電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

射頻功率信號(hào)經(jīng)對(duì)數(shù)檢波器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)由信號(hào)采集卡差分采集并通過(guò)上位計(jì)算機(jī)機(jī)虛擬儀器軟件換算成微波功率值，實(shí)時(shí)顯示并存入excel文件。根據(jù)射頻端及中頻端的輸出功率可判斷受試器件是否已經(jīng)發(fā)生失效，利用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可分析試驗(yàn)樣品參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。

受試器件及信號(hào)源、檢波器等模塊的電壓、電流信息利用供電電源自帶的信號(hào)檢測(cè)功能進(jìn)行測(cè)試，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)供電電源的LAN通訊接口傳遞到上位計(jì)算機(jī)的虛擬儀器程序，虛擬儀器程序集成了實(shí)時(shí)采集和故障報(bào)警功能。

3 微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，圖1中的各組成部分封裝到不同的鋁制盒體中構(gòu)成不同的系統(tǒng)模塊。各模塊獨(dú)立封裝首先可避免相互之間的信號(hào)干擾，其次容易查出系統(tǒng)故障原因，通過(guò)更換模塊的方式進(jìn)行修復(fù)，最后當(dāng)對(duì)其他種類的微波器件進(jìn)行射頻老化試驗(yàn)時(shí)可通過(guò)修改現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。為保證系統(tǒng)工作溫度及穩(wěn)定性，各模塊固定在同一塊散熱板上，各模塊之間采用剛性電纜連接，上位計(jì)算機(jī)選用IBM公司生產(chǎn)的中檔服務(wù)器。

系統(tǒng)搭建完成后各性能指標(biāo)如下：

1）信號(hào)源：點(diǎn)頻輸出，頻率范圍5～7 GHz，通過(guò)電壓控制VCO調(diào)整；頻率穩(wěn)定度：設(shè)定值±0.1 GHz；系統(tǒng)提供最大射頻注入功率： 25 dBm；功率準(zhǔn)確度：±0.5 dBm；衰減量數(shù)控可調(diào)：調(diào)節(jié)范圍0～30 dB；

2）射頻信號(hào)功率的負(fù)反饋控制電路：可通過(guò)檢波控制器芯片及電壓調(diào)整電路進(jìn)行反饋控制，提高功率準(zhǔn)確度到設(shè)定值±0.2 dBm；

3）實(shí)現(xiàn)了射頻動(dòng)態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)了供電電源電壓、電流的采集功能，通過(guò)上位機(jī)虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、記錄和故障報(bào)警功能[8]。虛擬儀器程序界面如圖2所示。

4）經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)工作溫度不高于50 ℃。

5）經(jīng)核算，每通道射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)的成本小于6 000元。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用本文搭建的微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)對(duì)10只HMC144LH5進(jìn)行240 h老化摸底試驗(yàn)。對(duì)本振端、射頻端、中頻端的射頻信號(hào)功率每小時(shí)采樣一次，10路通道的平均功率如圖3所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本振端注入功率穩(wěn)定度不超過(guò)±0.2 dBm，中頻端和射頻端輸出功率波動(dòng)不超過(guò)±0.4 dBm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)可以很好的完成微波器件的動(dòng)態(tài)老化過(guò)程，較傳統(tǒng)的靜態(tài)老化系統(tǒng)有很大的改進(jìn)和提高。

5 小結(jié)

利用工程經(jīng)驗(yàn)自主開(kāi)發(fā)微波器件射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)，一方面可以滿足射頻元器件動(dòng)態(tài)老化的需求，另一方面在很大程度上節(jié)約了成本，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用性。本文例舉的混頻器HMC144LH5射頻動(dòng)態(tài)老化系統(tǒng)，可通過(guò)更換VCO、放大器等應(yīng)用于相近頻段及其他類型微波元器件。

圖2 虛擬儀器程序界面

圖3 240 h老化試驗(yàn)射頻功率監(jiān)測(cè)結(jié)果

[1]半導(dǎo)體器件可靠性編寫(xiě)組.半導(dǎo)體器件可靠性[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 1978: 86-87.

[2]史保華,賈新章,張德勝.微電子器件可靠性[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1999.

[3]羅雯,魏建中,陽(yáng)輝,等.電子器件可靠性試驗(yàn)工程[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2005:41-73.

[4]王因生,陶有遷,徐全勝,等. L波段硅脈沖功率管52000器件小時(shí)的脈沖射頻加速壽命試驗(yàn)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2011,31(5): 473-477. [5]劉林春.功率裸芯片的測(cè)試與老化篩選技術(shù)[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)：劉林春, 2008.

[6]廖娟,郝彥爽. LabVIEW及其在電源老化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶, 2006(01):46-48.

[7]楊光暉等.老化用微波功率信號(hào)源的研制[J].環(huán)境適應(yīng)性和可靠性, 2008, 6:27-28.

[8]楊樂(lè)平. LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社. 2005.

Research on RF Dynamic Burn-in System for Microwave Devices

CHI Lei1,2，CHEN Long-po1,2, HUANG Jie1,2，PENG Hao1,2
(1.The 13th Research Institute, CETC, Shijiazhuang 050051; 2. National Semiconductor Device Quality Supervision and Inspection Center, Shijiazhuang 050051)

With the development of microwave devices and the expansion of applications, the higher reliability of microwave devices is required. RF dynamic burn-in test is the most important test in the reliability evaluation microwave devices. The reliability economics and usability of the burn-in test system directly affects the safety and accuracy of the evaluation of microwave devices. This paper chooses microwave mixers as the study object, and a kind of burn-in test system is designed and built. The design adds the negative feedback circuits to guarantee the stability of the system. Based on virtual instrument software and data acquisition card, the upper computer can measure process numerous real-time status messages, such as DC parameters and RF parameters. Some experiments and tests based on microwave devices show that the system can well complete the dynamic burn-in process. It is greatly improved and enhanced comparing with the traditional static system.

microwave device; RF dynamic burn-in test; the negative feedback circuits; power monitoring and measuring

TN406

A

1004-7204（2017）01-0040-04

遲雷（1986-），男，滄州人，工程師，現(xiàn)從事半導(dǎo)體器件檢驗(yàn)及可靠性研究工作。