微波器件在使用中失效的主要原因、分類及其分布

摘要

對(duì)約 50例微波器件失效分析結(jié)果進(jìn)行了匯總和分析 ，闡述了微波器件在使用中失效的主要原因、分類及其分布。匯總情況表明 ，由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效約占 80% ，其余 20%是使用不當(dāng)造成的。在器件本身的質(zhì)量和可靠性問題方面 ，具體失效機(jī)理有引線鍵合不良、芯片缺陷 （包括沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)缺陷等 ）、芯片粘結(jié)、管殼缺陷、膠使用不當(dāng)?shù)?;在使用不當(dāng)方面 ，主要是靜電放電 （ ESD ）損傷和過電損傷 （ EOS ） ， EOS損傷中包括輸出端失配、加電順序等操作不當(dāng)引入的過電應(yīng)力等。

1 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展 ，電子系統(tǒng)的工作頻率越來越高 ，微波器件在各種領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍越來越廣 ，而在使用過程中遇到的質(zhì)量和可靠性問題也日益增多 ，有些已經(jīng)給生產(chǎn)方和使用方造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近幾年來 ，電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室受使用方和生產(chǎn)方的委托 ，承擔(dān)了大量的微波器件、電路及組件的失效分析工作 ，本文總結(jié)了其中 56個(gè)實(shí)例 ，通過匯總分析 ，探討微波器件的主要失效模式及失效原因 ，以及如何在制造工藝、來料檢驗(yàn)和分析、使用操作等方面采取優(yōu)化改進(jìn)措施 ，從而達(dá)到降低微波器件的失效概率 ，提高整機(jī)系統(tǒng)的可靠性的目的。

2 器件分類與來源匯總

2. 1　 器件類型分類

微波器件可以按功能、頻率、封裝和預(yù)定用途等多種因素進(jìn)行分類。由于微波器件的失效模式和原因往往與器件的工藝和結(jié)構(gòu)相關(guān) ，因此在后面的匯總分析中 ，主要按制造工藝進(jìn)行分類： 第一類是微波分立器件 （即通常所說的管子 ） ，第二類是微波單片電路 （ MMIC） ，主要是砷化鎵單片電路 ，第三類是微波組件和模塊 ，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。56個(gè)分析實(shí)例中 ，共有失效樣品 144只。其中分立器件 20批、 59只失效樣品;單片電路 8批、 24只失效樣品;組件和模塊最多 ，有 28批、失效樣品61只 （圖 1）。

圖 1　分析實(shí)例器件類型匯總

2. 2　 器件來源分類

圖 2是器件來源的匯總數(shù)據(jù)。從圖中可以看到 ，總數(shù) 56批中 ，進(jìn)口器件是 19批次 ，約占總批次的 34% ; 失效樣 品有 41只 ，約 占總 樣品 數(shù)的28. 5% 。其中進(jìn)口分立器件 5批、 21只失效品;單片電路 （塑封 ） 3批、 5只失效品;組件和模塊 11批、 15只失效品。進(jìn)口器件主要是整機(jī)系統(tǒng)單位使用 ，器件失效直接影響到整機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ，應(yīng)引起高度重視。

圖 2　 樣品來源匯總

3 失效模式和失效原因分類

3. 1　 失效模式分類匯總

不同器件如分立器件、單片電路和組件的具體失效模式不同 ，都在總體上可分為功能失效和特性退化兩大類 ，功能失效具體又包括輸入或輸出短路或開路、無功率輸出、控制功能喪失等;特性退化具體有輸出功率或增益下降、損耗增大、控制能力下降、飽和電流下降、 PN結(jié)特性退化等。

圖 3是失效模式的匯總圖。從圖中看到 ，本次匯總的 56例失效分析中 ， 32例的樣品是功能失效 ，18例的樣品是特性退化 ， 6例是既有功能失效 ，又有特性退化。從總樣品數(shù) 144來看 ，功能失效的為104只 ，約占總樣品數(shù)的 72. 2% ;特性退化的為 40只 ，約占27. 8%?？偟膩砜?，功能失效是主要的失效模式。

圖 3　 失效模式匯總

3. 2　 失效原因匯總分析

確定失效原因和失效機(jī)理是失效分析的主要目的 ，只有準(zhǔn)確地找到失效原因 ，才能在以后的生產(chǎn)和使用過程中有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)和防范 ，消除或減少失效的再發(fā)生 ，保證整機(jī)和系統(tǒng)的可靠性。

圖 4是失效原因總的分類匯總圖。匯總情況表明 ，失效原因有兩大類： 一類是器件本身的質(zhì)量和可靠性問題 ，具體失效機(jī)理有引線鍵合不良、芯片缺陷 （包括沾污、裂片、工藝結(jié)構(gòu)缺陷等 ）、芯片粘結(jié)、管殼缺陷、膠使用不當(dāng)?shù)?另一類是使用不當(dāng)導(dǎo)致的器件失效 ，簡(jiǎn)單分為靜電放電 （ ESD）損傷和過電損傷 （ EOS） ， EOS損傷中包括輸出端失配、加電順序等操作不當(dāng)引入的過電應(yīng)力等。

圖 4　 失效原因批次匯總

56個(gè)實(shí)例中 ，由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效為 45批次 ，約占 80% ，樣品數(shù)為 105，約占70% ; 因使用不當(dāng)導(dǎo)致的失效有 11個(gè)批次 ，約占20% ，共 41只樣品 ，約占 30% （有時(shí) ，同一批次的樣品或同一樣品有兩種以上的失效原因 ）。因此 ，由于器件本身缺陷導(dǎo)致的失效比例遠(yuǎn)高于使用不當(dāng)導(dǎo)致的失效。

圖 4是失效原因的匯總圖。從匯總結(jié)果看出 ，器件本身缺陷排在前三位的依次是芯片缺陷、引線鍵合不良以及芯片粘結(jié)不良 ，分別占總批次的22%、 17%和 14% ，合計(jì)為 53% ，超過一半。而使用原因引起的失效主要是過電應(yīng)力 （ EOS）失效 ，如操作不當(dāng) ，輸出失配、自激振蕩等。

另外 ，由于器件的類型不同 ，各種器件的失效原因所占比例又有所不同。

3. 2. 1　 分立器件失效原因匯總分析

圖 5（a）是分立器件的失效原因匯總圖。從中可以看到 ，對(duì)分立器件來說 ，主要失效原因依次是芯片缺陷、芯片粘結(jié)、管殼缺陷以及引線鍵合 ，分別占分立器件總批次的 33%、 25%、 17%和 13% ，其中管殼缺陷是微波脈沖功率器件使用失效的主要原因。由于管殼氧化鈹陶瓷與鎢銅散熱底座之間存在大面積粘結(jié)空洞（見圖 6） ，散熱性能不良 ，導(dǎo)致器件在工作時(shí)發(fā)生熱電擊穿失效。

圖 5　 單管和單片電路的失效原因匯總： （a）分立器件;（ b ）單片電路

圖 6　 微波功率管管殼粘結(jié)空洞 （箭頭所指區(qū)域?yàn)榭斩?）： （ a ） 聲學(xué)掃描像 ; （ b ） 光學(xué)顯微像 ; （ c ） 剖面的 SEM 像

3. 2. 2　 單片電路失效原因匯總分析

圖 5（ b）是單片電路 （主要是 GaAs單片或多芯片電路 ）失效原因的匯總情況。從圖中可以看出 ，芯片缺陷、靜電（ ESD）損傷和過電應(yīng)力是單片電路的三大主要失效原因 ，各占單片總批次的 30% 。由于 GaAs電路本身的原因 ，器件的抗靜電和抗過電能力相對(duì)硅器件都很弱 ，多數(shù)單片電路的靜電放電敏感度 （ ESD）在 300～ 500 V（人體模型 HBM）的范圍。因此 ，使用過程中防靜電和過電應(yīng)力的保護(hù)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(diǎn) ，即器件在受到靜電損傷后并不馬上失效 ，而會(huì)在以后的加電工作中突發(fā)失效;或者一次輕微的靜電放電后不失效 ，但多次經(jīng)歷后會(huì)突然失效。這些失效如果發(fā)生在上機(jī)工作時(shí) ，無疑會(huì)造成很大的損失。因此 ，在操作單片電路全過程中 ，如生產(chǎn)、測(cè)試、運(yùn)輸、安裝和調(diào)試 ，必須采用全方位的靜電防護(hù)措施。圖 7是典型的 MM IC的 ESD損傷形貌。

圖 7　 MM IC的 ESD損傷典型圖片： （a） 電容損傷; （b） FET溝道損傷 ; （c） 電阻損傷

3. 2. 3　 組件和模塊失效原因匯總分析

組件和模塊的委托批較多 ，失效原因種類也多。圖 8是組件和模塊的失效原因匯總結(jié)果。從圖中可以看到 ，使用方面 ，主要是操作不當(dāng)或外電路匹配引起的過電應(yīng)力 （ EOS）失效。從組件本身的質(zhì)量看 ，主要的失效原因按批次依次為引線鍵合、保護(hù)膠加固、芯片缺陷、芯片粘結(jié)、線圈脫落等 ，它們所占比例分別為30. 8% 、15. 4%、 15. 4%、 11. 5% 和 11. 5% 。這與羅姆航空發(fā)展中心收集的混合電路的數(shù)據(jù)比較一致（見圖 9） ，從圖 9中看到 ，混合電路中 ，有源器件芯片和引線鍵合引起的失效占據(jù)第 1、 2位;但芯片貼裝只排在第 7位占 1. 8% ，而文中的數(shù)據(jù)顯示 ，國(guó)產(chǎn)組件和模塊的芯片粘結(jié)問題比較嚴(yán)重 ，比例占10% ，急需生產(chǎn)廠家進(jìn)行工藝改進(jìn)和提高。圖 10是幾種主要失效模式的典型圖片。

組件和模塊中引線鍵合的失效比例特別高 ，主要表現(xiàn)為鍵合絲從微帶線上脫落導(dǎo)致器件失效。在陶瓷或 PCB基板的金導(dǎo)帶上鍵合引線是混合電路中的一個(gè)工藝難點(diǎn) ，既有金絲鍵合時(shí)溫度、應(yīng)力、時(shí)間等條件的優(yōu)化問題 ，涉及基板上金導(dǎo)帶的制造工藝 ，如電鍍條件的優(yōu)化、表面微結(jié)構(gòu)狀態(tài)、表面處理、工藝沾污等問題。

圖 8　 分析中心的混合電路失效原因分類

圖 9　 羅姆航空發(fā)展中心的混合電路失效原因分類

圖 10　 微波組件的主要失效模式的典型圖片： （ a ） 引線不良鍵合 ; （ b ） 金帶導(dǎo)電膠粘結(jié) ; （ c ） 電感線圈脫落

導(dǎo)電膠對(duì)鍵合點(diǎn)加固引起的失效在組件中也有 4例 ，主要表現(xiàn)為在經(jīng)歷溫度循環(huán)或熱沖擊后 ，導(dǎo)電膠拉脫加固的鍵合點(diǎn) （往往是質(zhì)量不理想的鍵合點(diǎn) ） ，導(dǎo)致器件回路電阻增大甚至開路失效。很多生產(chǎn)和使用者認(rèn)為導(dǎo)電膠可以起良好的導(dǎo)電作用 ，因此用導(dǎo)電膠來加固鍵合不良的鍵合點(diǎn)。而實(shí)際上 ，導(dǎo)電膠的導(dǎo)電能力很差 ，它在鍵合點(diǎn)處并不能起導(dǎo)電作用 ，只是對(duì)鍵合點(diǎn)起固定保護(hù)作用。而樣品在工作和測(cè)試時(shí)有溫度升高和降低的變化 ，導(dǎo)電膠在溫度作用下產(chǎn)生的機(jī)械張力 ，還會(huì)拉脫本來就不健壯的熱壓鍵合點(diǎn) ，使接觸電阻進(jìn)一步顯著增大 ，導(dǎo)致器件失效。因此 ，起導(dǎo)電和信號(hào)傳輸?shù)淖饔眠€是要靠良好的金 -金熱壓鍵合。

組件另一個(gè)特有的失效原因是線圈電感脫落。由于沒有固定 ，在振動(dòng)使用的環(huán)境中 ，電路中的線圈電感從焊接點(diǎn)處振斷開路 ，使器件失效。

與分立器件和單片電路一樣 ，芯片缺陷和芯片粘結(jié)也是組件的主要失效原因。芯片缺陷主要是芯片 （包括有源器件以及電容芯片 ）工藝結(jié)構(gòu)缺陷、芯片開裂、缺損、芯片沾污等。芯片粘結(jié)則主要表現(xiàn)由于粘結(jié)質(zhì)量不好 ，工作時(shí)芯片散熱性能差發(fā)生熱失效 ，甚至發(fā)生芯片脫落的現(xiàn)象。

另外 ，也有實(shí)例由于熱設(shè)計(jì)不當(dāng) ，芯片在工作時(shí)溫度達(dá)到 360°C，導(dǎo)致芯片完全損壞或從基板脫落。對(duì)功率組件和模塊來說 ，正確的熱設(shè)計(jì)是非常重要的。

4 結(jié)論

對(duì) 50例微波器件的失效分析結(jié)果進(jìn)行了匯總和分析 ，得到的結(jié)果是：

（ 1）由于器件本身質(zhì)量和可靠性導(dǎo)致的失效約占 80% ，其余 20% 是使用不當(dāng)造成;

（ 2）總的來看 ，微波器件本身缺陷排在前三位的依次是芯片缺陷、引線鍵合不良以及芯片粘結(jié)不良。而使用過程中的失效主要是過電應(yīng)力 （ EOS）失效 ，如操作不當(dāng) ，輸出失配、自激振蕩等;

（ 3）對(duì)分立器件來說 ，主要失效原因依次是芯片缺陷、芯片粘結(jié)、管殼缺陷以及引線鍵合 ，其中管殼缺陷是微波脈沖功率器件使用失效的主要原因;

（ 4）而單片電路 ，由于 （ ESD）損傷和過電應(yīng)力造成的失效占 60% ，芯片缺陷 （如裂片 ）占 30% ;因此 ，處理單片電路的全過程必須加強(qiáng)防靜電和過電措施;

（ 5）從組件和模塊本身的質(zhì)量看 ，主要的失效原因依次為引線鍵合、保護(hù)膠加固、芯片缺陷、芯片粘結(jié)和線圈脫落等。其中保護(hù)膠加固和線圈脫落是組件特有的失效機(jī)理。組件和模塊的匯總數(shù)據(jù)與羅姆航空發(fā)展中心收集的混合電路的數(shù)據(jù)比較一致 ，但國(guó)產(chǎn)組件因芯片粘結(jié)導(dǎo)致的失效比例遠(yuǎn)高于國(guó)外混合電路 ，值得生產(chǎn)廠家的高度重視。

從失效原因匯總和分析結(jié)果看 ，對(duì)微波器件的生產(chǎn)方來說 ，針對(duì)器件的主要失效原因進(jìn)行工藝改進(jìn) ，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。對(duì)使用方來說 ，上機(jī)使用前 ，通過采用針對(duì)性的檢驗(yàn)和分析手段進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)、剔除缺陷器件 ，可以降低微波器件在使用中的失效率 ，提高整機(jī)的可靠性。